專利名稱：一種采用多管并聯(lián)和光腔串聯(lián)的封離型二氧化碳激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種采用多管并聯(lián)和 光腔串聯(lián)的封離型二氧化碳激光器。
背景技術(shù)：
從事本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員都十分清楚，封離型二氧化碳激光器 是指一種玻璃管激光器(以下簡稱為激光管)。主要特征是一次性將 激光混合的工作氣體充入激光管內(nèi)，然后封閉起來，不再打開，工作 氣體在氣體放電過程中被激發(fā)而產(chǎn)生激光，只要放電就能使激光出光 工作，直至激光管工作到報廢。這種激光管的功率水平一般是中小功率(指S00W以下)，壽命為1000-5000小時。由于這種激光管價格便宜，市場需求大，在中國的年需求量就超過了 io萬個，在全世界就超過了20萬個以上。目前國際上的功率水平是50-60W/M,就是說一 個1米長的激光管的功率是50-60W。如果要做一個500W的激光管， 就要將激光管做到10M長。顯然這么長的激光管在應(yīng)用中非常不方 便，極大地限制了激光管的應(yīng)用。因此，人們就用2個以上的并聯(lián)和 激光諧振腔(以下簡稱光腔)串聯(lián)的辦法制造激光管，以此獲得功率 高一些長度短一些的激光管。例如，用4根2. 5M的激光管并聯(lián)和光 腔串聯(lián)的辦法可以獲得500W功率的激光管，激光管整體就只有2. 5M 長而不是10M長。然而，這種辦法最明顯的問題是激光管工作不穩(wěn)定。 如果一個120W的單根激光管能工作2000小時的話，用4根激光管并聯(lián)和光腔串聯(lián)獲得的500W激光管的穩(wěn)定工作時間甚至不能超過100 小時。工作壽命短的問題如此突出的主要原因是普通激光管的光腔 是用膠粘在玻璃放電管上的，玻璃放電管既有放電使氣體激發(fā)的功能 又有支撐光腔的功能，激光管工作時發(fā)熱和其它原因產(chǎn)生變形導(dǎo)致光 腔失調(diào)。 一個不用并聯(lián)的單根激光管只有一個輸出耦合鏡和一個全反 射鏡，它們直接固定(粘接或硬封)在玻璃管的兩端，如果玻璃管在 工作中不發(fā)生變形則激光就可以長期穩(wěn)定輸出，如果發(fā)生變形就影響 激光輸出，變形嚴重就沒有激光輸出。而并聯(lián)的玻璃管將增加全反射 鏡的數(shù)量，每多并聯(lián)1根玻璃管就要將光路折返180度而增加2個全 反射鏡，光腔長度也隨之增加了 1根管的長度。例如用4根長度為 2. 5M的激光管并聯(lián)和光腔串聯(lián)獲得的500W激光管的光腔長度是10M, 全反射鏡的數(shù)量有7個。這樣長的光腔和這樣多的鏡片，如果按照上 述直接固定在玻璃管兩端的辦法所獲得的激光管的實際效果是玻璃 管在工作中由于氣體放電發(fā)熱或其它原因而產(chǎn)生變形，這么多的鏡片中有一個的位置變形嚴重或多個輕^f效變形的積累就會導(dǎo)致激光管不 能工作。 一般而言，激光管的鏡片的法線與光軸在理想狀態(tài)下是重合 的，具體激光管鏡片的法線與光軸總有一定的夾角偏離。 一個長度為 1M的激光管的夾角偏離不允許超過3秒，再大就不能工作。 一個10M 的激光管的這種夾角偏離要求更苛刻，不允許偏離l秒，這意味著玻 璃管的彎曲變形和鏡片的偏轉(zhuǎn)變形都必須控制在幾樣i米以內(nèi)。實際雙管或多管并聯(lián)的玻璃管在》文電中會發(fā)生立體空間的變形，滿足這種變 形量在微米數(shù)量級的苛刻要求是不可能的。因此，200W以上的激光管在實際應(yīng)用中很少，遠遠不能滿足實際生產(chǎn)的需要。實用新型內(nèi)容針對傳統(tǒng)的多管并聯(lián)和光腔串聯(lián)激光管壽命比較短、工作不穩(wěn)定 的缺點，本實用新型的目的是提供一種壽命比較長、工作穩(wěn)定的采用 多管并聯(lián)和光腔串聯(lián)激光管。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型發(fā)明人提出的技術(shù)方案這種釆 用多管并聯(lián)和光腔串聯(lián)的封離型二氧化碳激光器，其激光器由2個或 多個放電管組件，帶連"l妄法蘭的彈性波紋管組件或其它柔性組件，光 腔的平面及球面全反射鏡和輸出窗口組件，帶密封元件的轉(zhuǎn)折鏡座組 件，帶密封元件的輸出鏡座組件，光橋組件組成，本實用新型是在激 光管并聯(lián)時將串聯(lián)的光腔安裝在一個穩(wěn)定性很高的光橋上，激光器放 電管組件則通過彈性波紋管組件與光橋柔性連4妾，這樣光腔實際上與 玻璃管脫離，讓光腔不受玻璃管變形的影響；因為光橋只是一個與其 它部件基本脫離、不受其它部件影響的獨立結(jié)構(gòu)，所以只要光橋穩(wěn)定 光腔就穩(wěn)定，激光管工作也因此穩(wěn)定。這里所述的光橋是指一個剛性 的支架，其結(jié)構(gòu)材料是采用剛性較好的金屬或非金屬，設(shè)計的光橋是 對稱的，也可以是非對稱的。所述的光橋的結(jié)構(gòu)是有兩個光橋端板和 3根或4根光橋支撐桿經(jīng)螺母鎖緊成為一個剛性的整體結(jié)構(gòu)或直接焊 接為一個剛性的整體結(jié)構(gòu)。還由于光橋的長度比單根激光管略長而在 寬度和高度方向?qū)ΨQ且尺度較小，因此，基本上是一個方筒或圓筒狀 結(jié)構(gòu)，如果遇到環(huán)境溫度變化只有在長度方向有比較明顯的變化而在 其它方向變化較d、可以忽略不記，只有長度變化而沒有鏡片角度變化的工業(yè)或醫(yī)療二氧化碳激光光腔對激光輸出的影響也是可以忽略不 記的。這是因為光腔長度的少量變化只會影響激光光束縱模而基本不 影響橫模，絕大部分加工或醫(yī)療用的激光器是不考慮縱才莫而只考慮橫模。本實用新型的基本結(jié)構(gòu)在具體工作中放電的玻璃管仍然與原來 的激光管一樣會產(chǎn)生發(fā)熱、變形，但其發(fā)熱、變形僅限于玻璃管自身， 由于光腔是獨立于玻璃管的，因此光腔不會產(chǎn)生變形。在這種結(jié)構(gòu)中，即使玻璃管變形超過500微米對激光輸出也不會產(chǎn)生實質(zhì)性影響。這 樣激光就能長期穩(wěn)定工作。根據(jù)不同的需要，這樣的激光器功率可以設(shè)計為IOOW到500W甚 至更高，激光光束模式為基?；虻碗A模，壽命可以達到5000小時以 上，如果能將放電中的氣體分解有效抑制，壽命可以超過10000小時。 此外，本實用新型在這樣的激光器上設(shè)置有一個可以多次更換氣體的 閥門，實現(xiàn)激光器的多次再生，壽命可以延長至幾萬小時?？梢?，本實用新型的優(yōu)越性在于1、激光器可以長期穩(wěn)定工作； 2 、可以通過雙管或多管并聯(lián)和光腔串聯(lián)的辦法實現(xiàn)激光功率的成倍 增加，功率做到500W以上也是可以實現(xiàn)的；3、有利于低成本的中等 功率的激光器的實用化。


圖1 本實用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 本實用新型彈性波紋管組件示意圖；圖3本實用新型4個光橋支撐桿結(jié)構(gòu)示意圖；圖4 本實用新型3個光橋支撐桿結(jié)構(gòu)示意圖。本實用新型采用了示意如圖1的基本結(jié)構(gòu)，圖1中主要是表示了 雙管并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)很容易類推到多管并聯(lián)的情況。圖1中， 有兩個并聯(lián)的玻璃放電管組件1、 2,帶連接法蘭3的彈性波紋管4 組件，(另 一端還有兩個相同的波紋管組件)，這種彈性波紋管組件(見 圖2)也可以是其它柔性組件，使光路轉(zhuǎn)折90度的全反射鏡5、 6， 和光腔的球面全反射鏡7,激光輸出窗口 8,光橋組件9,帶密封元 件的轉(zhuǎn)折鏡安裝座IO (簡稱轉(zhuǎn)折鏡座)，帶密封元件的球面反射鏡和 輸出窗口的安裝座11，兩組將轉(zhuǎn)折鏡座和輸出^:座固定在光橋上的 螺釘12。由于其它元件與普通玻璃激光管沒有什么區(qū)別，本說明書 對其它部分不做描述。上述光橋的基本結(jié)構(gòu)有幾種，本說明書敘述其中兩種，分別示意 如圖3和圖4。在圖3中，兩個光橋端板13,端板用光橋支撐桿14 (實心或空心都可以)，光橋兩端分別用4個鎖緊螺母15緊固，也可 以不用鎖緊螺母而直接將兩個光橋端板和4根光橋支撐桿焊接起來。 圖4和圖3基本思想相同，所不同的是圖4的結(jié)構(gòu)中只采用了 3根光 橋支撐桿。不難看出，光橋可以采用其它結(jié)構(gòu)，例如圓形管狀結(jié)構(gòu)、 或者方型管狀結(jié)構(gòu)，可以是用螺釘緊固結(jié)構(gòu)，也可以是焊接結(jié)構(gòu)。從圖1中明顯看出，本實用新型的激光器的所有的光腔元件是安 裝在光橋9上的，光腔與放電玻璃管是通過波紋管進行柔性連接的， 因此光腔調(diào)節(jié)好以后是獨立于放電玻璃管的，不受放電玻璃管變形的 影響。由于光橋是對稱設(shè)計的，只要光橋的剛度足夠好，就不會產(chǎn)生扭曲變形，因此光腔能長期穩(wěn)定工作。
具體實施方式
本實用新型的具體實施例子如下將4根1800mm的玻璃管激光 器按照本實用新型的方式并聯(lián)，放電管直徑15mm，抽真空后充入C02 : N2 : He的混合比例為1:3:5的混合氣體為工作物質(zhì)，氣體壓力為 2. 5kPa,觸發(fā)電壓24-28kV，放電工作電壓18-20kV，單管放電電流 20-30mA， 4根管的總電流80-120mA,光腔由曲率半徑為10000mm的 鍍金全反射鏡、6個轉(zhuǎn)折鏡為平面全反射鏡和輸出透過率為70%的平 面ZnSe鏡組成，接通激光電源，在放電狀態(tài)下將光腔調(diào)節(jié)到最佳狀 態(tài)，這樣的激光器功率可以達到500W,激光光束模式為基模，壽命 可以達到5000小時以上，如果能將放電中的氣體分解有效抑制，壽 命可以超過10000小時。此外，在這樣的激光器上安裝一個可以多次 更換氣體的岡門，實現(xiàn)激光器的多次再生，壽命可以延長至幾萬小時； 或者用一個充排氣系統(tǒng)定期將舊的工作氣體排出并充入新鮮氣體，可 以實現(xiàn)該類激光器的長期穩(wěn)定工作。
權(quán)利要求1.一種采用多管并聯(lián)和光腔串聯(lián)的封離型二氧化碳激光器，其激光器由2個或多個放電管組件，帶連接法蘭的彈性波紋管組件或其它柔性組件，光腔的平面及球面全反射鏡和輸出窗口組件，帶密封元件的轉(zhuǎn)折鏡座組件，帶密封元件的輸出鏡座組件，光橋組件組成，其特征是在激光管并聯(lián)時將串聯(lián)的光腔的光學(xué)元件都設(shè)置安裝在光橋上，激光器放電管組件則通過彈性波紋管組件與光橋柔性連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用多管并聯(lián)和光腔串聯(lián)的封離 型二氧化碳激光器，其特征是:所述的光橋的結(jié)構(gòu)是有兩個光橋端板 和3根或4根光橋支撐桿經(jīng)螺母鎖緊成為一個剛性的整體結(jié)構(gòu)或直接 焊接為 一個剛性的整體結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釆用多管并聯(lián)和光腔串聯(lián)的封離 型二氧化碳激光器，其特征是激光器上設(shè)置有一個可以多次更換氣 體的閥門。
專利摘要一種采用多管并聯(lián)和光腔串聯(lián)的封離型二氧化碳激光器，本實用新型屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，本實用新型的目的是提供一種壽命比較長、工作穩(wěn)定的采用多管并聯(lián)和光腔串聯(lián)激光管。本實用新型技術(shù)方案是在激光管并聯(lián)時將串聯(lián)的光腔安裝在一個穩(wěn)定性很高的光橋上，激光器放電管組件則通過彈性波紋管組件與光橋柔性連接，設(shè)計的光橋是對稱的，也可以是非對稱。本實用新型在這樣的激光器上設(shè)置有一個可以多次更換氣體的閥門，實現(xiàn)激光器的多次再生，壽命可以延長至幾萬小時。
文檔編號H01S3/03GK201113208SQ200720087038
公開日2008年9月10日 申請日期2007年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月20日
發(fā)明者陳清明 申請人:陳清明