一種半導(dǎo)體泵浦放電氣體激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體激光栗浦放電氣體激光器，特別涉及一種具有超高功率的激光輸出、脈沖能量高、光束質(zhì)量好、量子效率高、良好的大氣與光纖傳輸特性和加工效率高的全固態(tài)激光器與氣體激光器相結(jié)合的混合型激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的發(fā)展，激光能源工業(yè)和激光工業(yè)加工以及航空航天和國(guó)防領(lǐng)域?qū)τ诟吖馐|(zhì)量、高效率和高功率的激光器需求與日倶增?；谏鲜鲂枨?，提出一種半導(dǎo)體激光栗浦放電氣體激光器。
[0003]增益介質(zhì)是激光器的心臟，決定了輸出光束的波長(zhǎng)，對(duì)激光器的功率水平和光束模式有決定性的影響。高功率激光光源的增益介質(zhì)主要經(jīng)歷了 YAG棒狀增益介質(zhì)(難以獲得基模輸出)---co2氣體增益介質(zhì)(數(shù)千瓦級(jí)基模)---光纖增益介質(zhì)(千瓦級(jí)基模)的發(fā)展歷程。高功率0)2激光器采用氣體增益介質(zhì)，基模輸出功率高，光束質(zhì)量好，但存在電光轉(zhuǎn)換效率低，結(jié)構(gòu)龐大，遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)不適合光纖柔性傳輸?shù)炔蛔?，在千瓦?jí)的薄板及中等板厚的激光切割焊接應(yīng)用中，高功率光纖激光器逐步取代高功率0)2激光器成為主力光源，但是由于熱效應(yīng)以及光纖中非線性效應(yīng)的影響，限制了單光纖激光器輸出功率的進(jìn)一步提升。另外，目前已經(jīng)提出的半導(dǎo)體栗浦堿金屬蒸汽激光器存在其輸出功率不高;其工作物質(zhì)在常溫下為固態(tài)，需要通過加熱的方式將固態(tài)的工作物質(zhì)轉(zhuǎn)換為氣態(tài)，該過程給激光系統(tǒng)帶來額外的廢熱的同時(shí)對(duì)堿金屬蒸氣池的溫度控制和堿金屬化學(xué)活性的控制也帶來了挑戰(zhàn);其在輸出激光過程中其工作物質(zhì)不僅會(huì)污染激光輸出窗口，還產(chǎn)生對(duì)人體和環(huán)境有毒有害的物質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷和改進(jìn)需求，本實(shí)用新型提供一種量子效率高、脈沖能量高、光束質(zhì)量好、良好的大氣與光纖傳輸特性、超高輸出功率的半導(dǎo)體激光栗浦放電氣體激光器。其目的在于解決現(xiàn)有半導(dǎo)體栗浦氣體介質(zhì)激光器結(jié)構(gòu)存在輸出功率不高，工作物質(zhì)污染激光輸出窗口以及產(chǎn)生對(duì)人體和環(huán)境有害物質(zhì)等問題。
[0005]本實(shí)用新型提出一種半導(dǎo)體激光栗浦放電氣體激光器，包括半導(dǎo)體激光器、光學(xué)整形系統(tǒng)、電極對(duì)、放電管、電極對(duì)、屏蔽腔、尾鏡和輸出鏡:
[0006]所述電極對(duì)由兩塊電極組成，平行對(duì)稱緊貼放置于放電管外層，通過匹配網(wǎng)絡(luò)與射頻電源相連，用于對(duì)放電管內(nèi)的工作氣體進(jìn)行射頻放電；
[0007]所述尾鏡和輸出鏡分別位于放電管兩個(gè)端面，兩者與放電管共同組成諧振腔，輸出鏡用于激光束輸出；
[0008]所述放電管的外壁靠近光學(xué)整形系統(tǒng)一面(即栗浦光入射面)鍍有與栗浦光形狀尺寸相適應(yīng)、對(duì)該栗浦光波段的高透射率膜，外壁其余部分鍍有對(duì)栗浦光波段的高反射率膜，放電管內(nèi)壁不鍍膜或者鍍有一層對(duì)栗浦光波段的高透射率膜;放電管內(nèi)注有工作氣體，工作氣體為稀有氣體或稀有氣體與其他輔助氣體組成的混合氣體；
[0009]所述半導(dǎo)體激光器用于產(chǎn)生栗浦光，發(fā)出的栗浦光通過光學(xué)整形系統(tǒng)，會(huì)聚成一個(gè)窄長(zhǎng)條狀的光斑，通過放電管外壁的高透射率膜，注入放電管內(nèi)；所述栗浦光的中心波長(zhǎng)與放電管內(nèi)工作氣體射頻放電后產(chǎn)生的氣體粒子的吸收譜線相匹配。
[0010]進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體激光栗浦放電氣體激光器的放電管中的工作氣體為氬氣與氦氣的混合氣體，氣壓在0.5?2.0個(gè)大氣壓，氬氣與氦氣體積比為1:50?1: 4。
[0011]進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體激光栗浦放電氣體激光器的放電管中的工作氣體可以為氖氣、氬氣、氪氣或氙氣中的一種，或?yàn)槟蕷馀c氦氣、氬氣與氦氣、氪氣與氦氣或氙氣與氦氣的二元混合氣體，或?yàn)槟蕷?、氬氣、氪氣、氣氣或氦氣同其他輔助氣體的多元混合氣體。
[0012]進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體激光栗浦放電氣體激光器的電極對(duì)為鋁或銅材料制成，電極對(duì)與放電管接觸面為平面或與放電管外壁吻合較好的曲面，使得放電更加均勻。
[0013]進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體激光栗浦放電氣體激光器的電極對(duì)內(nèi)部設(shè)置有水冷流道，可以減少溫度上升帶來的形變。
[0014]進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體激光栗浦放電氣體激光器的屏蔽腔安裝在電極對(duì)外部，由金屬材料制成，其內(nèi)部充有高電離能氣體或抽成真空，用于防止放電管內(nèi)工作氣體在閾值之下發(fā)生擊穿;屏蔽腔與半導(dǎo)體激光器相對(duì)位置設(shè)有屏蔽腔窗口，用于栗浦光透射。
[0015]進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體激光栗浦放電氣體激光器的放電管內(nèi)設(shè)有進(jìn)氣口和排氣口，在進(jìn)氣口和排氣口之間的外部管路串聯(lián)有風(fēng)機(jī)和熱交換器，使工作氣體形成氣體循環(huán)，可進(jìn)一步改進(jìn)散熱效果。
[0016]進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體激光栗浦放電氣體激光器的屏蔽腔內(nèi)有多個(gè)放電管串聯(lián)，各相鄰放電管外壁的電極對(duì)布放方向相互垂直，可進(jìn)一步提高激光器輸出功率。
[0017]進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體激光栗浦放電氣體激光器的放電管是圓柱形，放電效果更好。
[0018]本激光器結(jié)合氣體激光器和全固態(tài)激光器的優(yōu)點(diǎn)，有效解決了固態(tài)增益介質(zhì)在高功率下的非線性效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量、短波長(zhǎng)激光輸出的完美結(jié)合，這種新型結(jié)構(gòu)的激光器可以有效防止高功率連續(xù)單模激光、高功率皮秒飛秒激光的非線性效應(yīng)，具有超高功率的激光輸出和脈沖能量高、光束質(zhì)量好、量子效率高、良好的大氣與光纖傳輸特性、加工效率高等特點(diǎn)，是未來高能激光武器、太空能量傳輸、遠(yuǎn)程激光加工、超短脈沖激光大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域的重要潛在光源。其不同于常規(guī)激光器，半導(dǎo)體栗浦放電氣體激光器激射激光是一個(gè)兩級(jí)栗浦過程，即射頻放電過程和栗浦半導(dǎo)體激光在放電管內(nèi)與射頻放電后氣體粒子的碰撞過程，該結(jié)構(gòu)可以提高放電穩(wěn)定性、栗浦效率和轉(zhuǎn)換效率，從而提高輸出功率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本激光器具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0019](I)使用的工作物質(zhì)為化學(xué)特性穩(wěn)定、無毒無害的單一稀有氣體或兩種稀有氣體混合的二元混合氣體或稀有氣體與其他輔助氣體組成的多元混合氣體。在常溫下該類工作物質(zhì)為氣態(tài)，有利于循環(huán)流動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出提供強(qiáng)有力支撐，且在激光輸出過程中不會(huì)產(chǎn)生對(duì)人和環(huán)境有毒有害的物質(zhì)。在工作氣體采用氬氣與氦氣時(shí)，氣壓在0.5?2.0個(gè)大氣壓，氬氣與氦氣比例為1:50?1:4時(shí)，具有很高的電光轉(zhuǎn)換效率和對(duì)栗浦半導(dǎo)體激光的良好吸收特性，有利于提高栗浦效率，從而激光輸出功率。
[0020](2)在射頻放電過程中使用的放電管通過采用鍍膜技術(shù)，在不影響其氣密性的同時(shí)使其具備對(duì)栗浦半導(dǎo)體激光的高反特性，以實(shí)現(xiàn)栗浦半導(dǎo)體激光在放電管內(nèi)進(jìn)行類似黑體吸收的多程反射過程，增加栗浦激光與放電后管內(nèi)氣體粒子的碰撞概率，可以提高本激光系統(tǒng)的栗浦效率，從而提高輸出激光的功率。
[0021](3)在射頻放電過程中使用的電極對(duì)，由鋁或銅等常用金屬制成，加工簡(jiǎn)單便宜；其內(nèi)部設(shè)有水冷流道，通過水冷方式帶走廢熱，減小電極對(duì)的形變，從而提高激光器的穩(wěn)定性，有利于超尚功率激光的輸出。
[0022](4)栗浦半導(dǎo)體激光經(jīng)過光學(xué)整形系統(tǒng)后匯聚成一個(gè)窄長(zhǎng)條狀光斑，使其更好地注入至放電管內(nèi)，提高了其栗浦強(qiáng)度和均勻性，增加了其與射頻放電后氣體粒子的碰撞面積，從而增加了兩者的碰撞概率，因此大大提高半導(dǎo)體激光的栗浦質(zhì)量和栗浦效率。
[0023](5)提高工作氣體的氣壓有利于提高輸出激光的功率，在高氣壓條件下(約0.5?2.0個(gè)大氣壓)，使用一個(gè)氣密性好的屏蔽腔將放電管與電極對(duì)密封起來，在其內(nèi)部充入高電離能氣體或抽至接近真空狀態(tài)，防止過高的放電電壓率先擊穿放電管外部的空氣，以保證放電電壓充分高效的作用于工作氣體的放電過程，從而提高氣體放電的穩(wěn)定性和均勻性，有利于高功率激光的輸出。
[0024](6)借助現(xiàn)有的軸快流技術(shù)，在放電管內(nèi)增加進(jìn)氣口和排氣口，并在進(jìn)氣口和排氣口之間串聯(lián)風(fēng)機(jī)和熱交換器，使工作氣體形成循環(huán)回路帶走廢熱，有利于得到超高功率的激光輸出。
[0025](7)半導(dǎo)體栗浦放電氣體激光器由多個(gè)放電管串聯(lián)而成，電極對(duì)的位置交叉排列，該種結(jié)構(gòu)在提尚放電均勾性的同時(shí)，可以提尚激光輸出的功率。
【附圖說明】
[0026]圖1是本實(shí)用新型提供的半導(dǎo)體激光栗浦放電氣體激光器實(shí)施例的端面示意圖；
[0027]圖2是本