射頻激勵型雷射器組件的製作方法

2023-10-05 11:16:54

專利名稱：射頻激勵型雷射器組件的製作方法
技術領域：
說明書涉及雷射器，且更特別地涉及全金屬型氣體雷射器。
背景技術：
傳統的擴散冷卻雷射器以及具有環形放電、混合諧振器和分布電感的傳統雷射器，通常將絕緣材料用在「實時」電極和地線之間，而並不僅僅用在射頻(RF)饋通中。這種雷射器的示例包括從TRUMPF公司(位於康乃狄克州法明頓市)購得的雷射器，其包括TruCoaxV3、V4和V5系列的雷射器產品。

圖1A (側面在上，剖視圖)示出包括一對同心電極I和2的射頻激勵型氣體雷射器組件，所述同心電極在它們之間形成放電間隙11，並且通過介電部件電絕緣且在兩端處由介電部件機械地保持。光學諧振器用的面鏡位於放電部的彼此面對的兩端處。這些面鏡為軸錐鏡7和螺旋鏡8，軸錐鏡7在一端，其為後向反射器，螺旋鏡8在另一端，其包括典型諧振器的單個基板中的前、後兩個面鏡。雷射輸出窗12位於螺旋鏡託架之上。電極組件包括支撐塊，諧振器面鏡安裝至所述支撐塊的每一端。每個面鏡都安裝在託架上，所述託架用作所述組件每一端用的蓋。當外部電極1、內部電極2和各個蓋組裝在一起時，它們形成保持雷射氣體混合物的真空密封腔。內部電極2被金屬橋接件3和陶瓷襯套5、6保持就位。所述陶瓷襯套使內部電極與外部電極電絕緣。在螺旋鏡這一端的陶瓷襯套5成形為類似中空的圓筒，該圓筒連接著內部電極2和用於螺旋鏡的託架。螺旋鏡的基板及託架在中心處具有圓形開口，所述開口給出在大氣壓力下穿過中空的陶瓷襯套5到達內部電極2的通道。穿過這個孔，射頻饋通組件9連接至內部電極2的暴露區域，以提供射頻功率並用於內部電極用冷卻流體2的供應和返回。螺旋鏡端的陶瓷襯套5使內部電極2與接地的外部電極I保持絕緣。在軸錐鏡7端，內部電極2通過可調節的端接感應器4電連接至地面。當射頻功率通過射頻饋通組件9供應至內部電極2且在間隙11中產生放電時，所述電極結合所產生的放電是表現得像是用於射頻功率的有損傳輸線。電壓變化隨著射頻功率在有損傳輸線中傳播而沿電極的長度發生。傳輸線由內部可調節的終端4終止於軸錐鏡7端處。為進一步減少電壓變化並獲得均勻的放電，通過使用特別設計的組件，在真空外部的幾個位置處並且沿著電極的長度，將所分布的感應器100連接在外部電極I和內部電極2之間。圖1B示出如第7，778，303號美國專利所示出和描述的這種雷射器的盤繞組件的一個示例。如圖1B所示,感應器組件100包括導電棒或饋通裝置170,其延伸穿過外部電極110的真空密封的開口 175並進入到電極間間隙115中。饋通裝置170在一端處終止於撓性的導電觸頭187，該導電觸頭接觸在真空內的內部電極105的外表面。感應器組件100還包括引線180，利用(例如)螺釘185可拆卸地將所述引線連接至饋通裝置170。在引線180與外部電極110的外表面形成合適的電接觸時，感應器組件100由引線180電連接至外部電極110。通過去除螺釘185和186，可以調整引線180相對於外部電極110的外表面的位置，並且因此可以將從饋通裝置170到外部電極110的當前長度調整為符合由感應器組件100所產生的電感的值。因此，能夠輕鬆地調節感應器組件100的電感，而無需打開真空密封或者去除饋通裝置170。

發明內容
本發明的特徵在於雷射器組件包括射頻饋通組件、一個或多個阻抗和/或一個或多個金屬橋接件支撐件，所述射頻饋通組件被構造為貫穿限定在第一電極中的埠，以便為對置的電極提供射頻偏壓，所述一個或多個阻抗被構造為置於由所述雷射器組件限定的氣室內，所述一個或多個金屬橋接件支撐件分開所述電極並提供終端阻抗。一方面，本發明提供一種射頻(RF)激勵型雷射器組件，包括限定電極間間隙的一對對置的電極，以及與兩個電極都電接觸的導電的端接橋接件，其中所述端接橋接件機械地支撐電極並使各電極相對於彼此而定位，並且提供用於施加至各電極的射頻電壓的終端阻抗。另一方面，本發明提供一種射頻(RF)饋通組件，其被構造為將射頻電壓施加至限定電極間間隙的一對對置的電極，所述組件包括導體和金屬套管，所述導體被構造為貫穿 限定於第一電極中的埠並跨越所述電極間間隙，所述金屬套管圍繞所述導體而定位；其中所述金屬套管被構造為電接合至第一電極，並且與所述導體間隔開以形成間隙，所述間隙具有足夠的寬度，以便在導體和金屬套管之間形成離子層放電屏障。在一些實施例中，所述導體包括水冷冷卻埠。又一方面，本發明所提供的為一種圓錐形螺旋感應器，包括一個或多個金屬繞組，以及一個或多個同心的接線端子；其中所述圓錐形螺旋感應器限定足夠的繞組間間距，以減緩繞組間的氣體介質的點火。在一些實施例中，所述感應器可被構造為接合於同軸的各電極之間，並且朝電極中的至少一個傳導在感應器中產生的熱。此外，在一些示例中，所述一個或多個金屬繞組可具有足夠的橫截面面積，以便朝接合至所述一個或多個同心的接線端子的流體冷卻組件傳導在繞組內產生的熱。再一方面，本發明的特徵在於一種產生雷射放電的方法。所述方法包括:提供限定電極間間隙的一對對置的電極；提供與兩個電極都電接觸的導電的端接橋接件，其中所述導電的端接橋接件機械地支撐電極並使各電極相對於彼此而定位，並且提供用於施加至電極的射頻電壓的終端阻抗；以及施加射頻電壓至電極，以便在電極間間隙內產生雷射放電。在一些實施例中，所述電極可包括第一電極和第二電極，且所述方法還包括:提供包括導體和金屬套管的射頻饋通組件，所述導體貫穿限定在第一電極中的埠、貫穿金屬套管，並且跨越在無放電區域內的電極間間隙，所述導體電接合至第二電極；以及在導體和金屬套管之間形成離子層放電屏障，以電隔離所述導體和所述第一電極，從而使所述無放電區域能被氣體介質觸及到，但卻定位在所述電極間間隙中氣體介質不會被激勵的位置處。這些方面的實施例可包括以下特徵中的一個或多個。例如，所述電極可為包括內部電極和外部電極的同心電極，並且其中各電極限定環形的電極間間隙。內部電極可包括與端接橋接件相鄰的一個或多個同心翅片，並且其中所述一個或多個同心翅片每個均具有比內部電極在射頻電壓的頻率下的趨膚深度的兩倍大的厚度。端接橋接件可包括一個或多個互補的同心翅片，使得所述一個或多個同心翅片和所述一個或多個互補的同心翅片被布置成形成一間距，該間距在使用時能充滿著介電氣體，以形成電容器。端接橋接件可為平坦的、多螺旋形的橋接件或者平坦的、阿基米德螺旋形的橋接件。端接橋接件可為與電極之一一體形成的T形橋接件。端接橋接件可為第一端接橋接件，並且所述射頻激勵型雷射器組件還包括在與第一端接橋接件相反的端部處的第二端接橋接件。第一端接橋接件可為平
坦的、雙螺旋形的橋接件，且第二端接橋接件可為與電極之--體形成的T形橋接件。端接
橋接件可以限定冷卻流體供應路徑和冷卻流體返迴路徑。在一些實施例中，射頻激勵型雷射器組件還可包括全封閉的阻抗元件，所述阻抗元件跨越在由所述一對對置的電極所限定的無放電區域內的電極間間隙而延伸，其中所述無放電區域能被氣體介質觸及到，但卻定位在所述電極間間隙中氣體介質不會被激勵的位置處。所述阻抗元件為圓錐形螺旋感應器。所述射頻激勵型雷射器組件還可包括金屬帽和金屬夾具，所述金屬帽和金屬夾具被構造成將圓錐形感應器固定至雷射器組件，其中金屬帽、金屬夾具和圓錐形感應器一起形成全金屬的感應器組件。所述圓錐形螺旋感應器可限定足夠的繞組間間距，以減緩繞組之間的氣體介質的點火。所述阻抗元件可被構造為朝電極中的至少一個傳導在阻抗元件中產生的熱。所述射頻激勵型雷射器組件還可包括具有導體的射頻饋通組件，所述導體貫穿在所述一對對置的電極中的第一電極中限定的埠並跨越在由所述一對對置的電極所限定的無放電區域內的電極間間隙，其中所述無放電區域能被氣體介質觸及到，但卻定位在所述電極間間隙中氣體介質不會被激勵的位置處，並且其中所述導體電接合至所述一對對置的電極中的第二電極並與所述第一電極電隔離。所述饋通組件還可包括圍繞所述導體的金屬套管，其中所述金屬套管電接合至第一電極，並且與所述導體間隔開以形成間隙，所述間隙具有足夠的寬度，以便在導體和金屬套管之間形成離子層放電屏障。所述饋通組件還可包括陶瓷套管，所述陶瓷套管圍繞所述導體以隔離所述導體與第一電極。所述導體可包括水冷冷卻埠。在一些實施例中，所述 一對對置的電極可被構造為在電極間間隙中限定無放電區域，使得無放電區域是在電極間間隙內的、能被氣體介質觸及到的區域，而在該區域內氣體介質不會被激勵，所述射頻激勵型雷射器組件還包括全封閉的阻抗元件，所述阻抗元件跨越無放電區域內的電極間間隙而延伸，使得阻抗元件電接合至兩個電極。所述阻抗元件可為圓錐形螺旋感應器。所述射頻激勵型雷射器組件還可包括金屬帽和金屬夾具，所述金屬帽和金屬夾具被構造成將所述圓錐形感應器固定至雷射器組件，金屬帽、金屬夾具和圓錐形感應器一起形成全金屬的感應器組件。所述圓錐形螺旋感應器可限定足夠的繞組間間距，以減緩繞組之間的氣體介質的點火。所述阻抗可被構造為朝電極中的至少一個傳導在阻抗中產生的熱。在一些實施例中，所述一對對置的電極可包括第一電極和第二電極，使得所述電極被構造為在電極間間隙中限定無放電區域，使得無放電區域為在電極間間隙內的、能被氣體介質觸及到的區域，而在該區域內氣體介質不會被激勵，所述射頻激勵型雷射器組件還包括:具有導體的射頻饋通組件，所述導體貫穿限定在第一電極中的埠，並跨越在無放電區域內的電極間間隙，所述導體電接合至第二電極並與第一電極電隔離。所述饋通組件還可包括圍繞所述導體的金屬套管，使得所述金屬套管電接合至第一電極，並且與所述導體間隔開以形成間隙，所述間隙具有足夠的寬度，以便在導體和金屬套管之間形成離子層放電屏障。所述饋通組件還可包括陶瓷套管，所述陶瓷套管圍繞所述導體以隔離所述導體與第一電極。所述導體可包括水冷冷卻埠。可以實施本發明中所描述的主題的特定實施例，來實現以下優勢中的一個或多個。各實施例能夠在相對的一對電極之間具有更均勻的放電特性。利用一個或多個端接橋接件和/或提供在氣室內使用介電材料(如下文所披露)的替代方案，能夠提高雷射器組件的可靠性、減少其部件數量和/或降低其總體成本。使用兩個端接橋接件(如下文所披露)能進一步提高雷射器組件的剛度，並且在某些情況下，能夠簡化雷射器的組裝和拆卸，而同時維持電極間間隙。除非另外限定，本文中所使用的技術和科學術語具有與本發明所屬技術領域的普通技術人員通常所理解的相同的意思。雖然在本發明的實踐或者試驗中可以使用與本文中所描述的相似或等同的方法和材料，但是下面描述了合適的方法和材料。此處以參考的方式加入所提到的全部文 獻、專利申請、專利及其他參考書目的全部內容。在產生矛盾的情況下，將參照本說明書，包括定義。另外，所述材料、方法和示例僅是說明性的，而並不意圖限制。通過以下的詳細說明和權利要求，本發明的其他特徵和優點將變得顯而易見。


圖1A為射頻激勵型雷射器的側面剖視圖；圖1B為外部可調電感的側面剖視圖；圖2-4為射頻激勵型雷射器的側面剖視圖。圖5為包括螺旋端接橋接件的射頻激勵型雷射器的端視圖；圖6A和6B為端接橋接件的兩個附加示例的圖示；圖7-9為T形端接橋接件示例的側面剖視圖；圖10A-10F為具有互補的翅片結構的T形端接橋接件和內部電極的剖視圖、透視圖和側視圖；圖11和12為射頻饋通組件的側面剖視圖；圖13和圖14為呈感應器形式的內部阻抗元件的側面剖視圖；圖15A為圓錐形螺旋感應器的側向透視圖；圖15B為圓錐形螺旋感應器的頂部透視圖；圖16為呈電容器形式的外部阻抗元件的側面剖視圖；在不同附圖中，相同的附圖標記表示相同的元件。
具體實施例方式圖2-16例示出雷射器組件和子組件的各實施例，其包括以下特徵中的一個或多個:(I)射頻(RF)饋通組件，被構造為貫穿第一電極中的埠，以便向對置的電極提供射頻偏壓，(2)—個或多個阻抗，被構造為放置在由雷射器組件限定的氣室內，以及(3)—個或多個金屬橋接件支撐件，其分開各電極並提供終端阻抗。這些元件可以結合，以提供全金屬型氣體雷射器，並且在自己使用或者用在這些特徵對的各種結合中時還提供顯著的優點。參考圖2，示出射頻激勵型雷射器組件200，包括限定出電極間間隙215的一對對置的電極205、210，該電極間間隙215提供用於激勵氣體介質的放電體積，以雷射器進行電充能(electrically pump)。在本實施例中,雷射器200具有環形的幾何形狀,並且包括兩個同心的電極。電極205為外部圓筒形電極205，且電極210為內部圓筒形電極210，該內部圓筒形電極210沿外部電極205的內部開口同軸地延伸，以限定環形的電極間間隙215。可通過使用水冷系統來冷卻電極205、210中的一個或多個(例如，外部電極205)來對雷射器200進行擴散性冷卻。例如，內部電極可具有諸如圖2-4和7-10A所示的中空的圓筒形狀，或者可具有實心的圓筒形狀。在一些實施例中，內部電極包括通道和中空的芯部，所述通道在電極的內表面內形成，以提供用於冷卻水的路徑。雷射器200可以利用向內部電極210和外部電極205提供功率的射頻(RF)激勵源來工作。雷射器200的光學諧振器由前面鏡(軸錐鏡)220、後面鏡(螺旋鏡)225和兩個電極205、210形成。因此，對雷射氣體的激勵在電極之間的放電體積(或者射頻場)中發生。螺旋鏡225安裝在螺旋鏡架235上，且軸錐鏡220安裝在軸錐鏡架245上。雷射出射窗265位於螺旋鏡架235上。諧振器的設計產生線性偏振波束。在一個特定實施例中，雷射器200是二氧化碳(CO2)氣體雷射器,其為基於包含二氧化碳(CO2)、氦(He)、氮(N2)和可能一些氫(H2)、水蒸氣和/或氙(Xe)的氣體介質的雷射器。利用射頻源230來工作的CO2氣體雷射器200能夠發射大約9到11 μ m之間、特別是大約10.59 μ m的波長。縱向延伸的電極205、210可具有大約1.3m的縱向長度和幾百毫米數量級的直徑，並且可以在例如大約70-90毫巴的壓力下限定出大約6mm的電極間間隙215。所述間隙215的尺寸與所述源的頻率和所述間隙215內的壓力有關；因此，如果需要特定大小的間隙215，那麼可以調節所述源的頻率和所述間隙215內的壓力。例如，如果間隙的尺寸減小，那麼頻率和間隙壓力增大。

電極205、210在兩端由導電的端接橋接件240、250所支撐，而無需使用介電材料。所述橋接件240和250機械地支撐各電極並且使各電極相對於彼此定位。此外，所述橋接件240和250成形為能獲得所需的終端阻抗，從而改善電壓沿各電極的分布。在一些實施例中，內部電極210在軸錐鏡端260處構造有翅片(例如，如圖8所示的翅片811)，以提供更長的射頻路徑，並且產生內部電極210和接地的外部電極205之間的在軸錐鏡端處的更大電壓降。翅片可構造為具有在激勵頻率下的趨膚深度的兩倍的厚度，並且優選地，是激勵頻率下的趨膚深度的很多倍，以確保射頻功率信號傳播預期的路徑長度。一般而言，每個橋接件的阻抗在內部電極210的相應端處提供到接地的外部電極205處的電壓降，以便於氣體放電的點火和/或維持均勻的氣體放電。將每個橋接件被形成為具有所需的阻抗，能消除在橋接件和內部電極之間對陶瓷襯套的需求，藉此提供更具彈性且不那麼複雜的子組件。通過在特定雷射器組件中更換至少一個支撐組件，可以得到類似的益處。例如，圖3和4例示出射頻激勵型雷射器組件300、400的側面剖視圖，每個雷射器組件均類似於圖1A的雷射器100。在這些實施例中，雷射器300和400包括導電的端接橋接件340、440，所述導電的端接橋接件為內部電極310、410提供機械支撐，以及在軸錐鏡端處提供內部電極310、410與外部電極305、405之間的終端阻抗。以此方式，所述橋接件340和440電接合且機械接合至內部電極310、410和外部電極305、405，而無需使用陶瓷襯套(例如，圖1A的陶瓷襯套6)。例如，所述橋接件340和440可以如圖5-10F所示的方式實施。再次參考圖2，利用兩個導電的端接橋接件來提供到內部電極210的機械支撐，使得能夠在不影響內部電極210和外部電極205之間的間距和對齊排列的情況下，移除螺旋鏡架235和軸錐鏡架245。這在組裝過程和/或在調節或者更換面鏡時特別有用。圖5-10F例示出導電的端接橋接件的各種實施例，包括平坦螺旋形的橋接件500、600，平坦鋸齒形的橋接件650和T形橋接件700、800、900。圖5為雷射器組件的端視圖，且例示出電極間間隙515和形狀如雙螺旋線或阿基米德螺旋線的端接橋接件500。通過每個螺旋分支部510的匝數、結構的厚度以及形成於外部電極、內部電極和橋接件之間的空隙(例如，圖2中的空隙255)的橫截面，來對端接橋接件500的阻抗進行調諧。螺旋面鏡與端接橋接件之間的距離也影響所述阻抗值，並且可用作微調。但是，如果該距離保持固定，可以改變其他參數以保持同樣的光學諧振器(即，通過維持螺旋面鏡和軸錐鏡面鏡之間的距離)。也可以使用費爾馬螺旋線或對數螺旋線來實現所需的阻抗和機械支撐。還可以使用其他形式來實現所需量的機械穩定性/剛性、強度和/或阻抗。例如，圖6A和6B例示出具有不同形式的平坦的端接橋接件的兩個附加的實施例。端接橋接件600為包括兩個螺旋分支部610的另一種雙螺旋的端接橋接件，相比圖5中提供的實施例，該螺旋分支部610形成數量增加的繞組。圖6B例示出具有平行的鋸齒分支部的端接橋接件650。如同如圖5所示的端接橋接件， 支部610、660沿著外部環615、665的周邊在徑向上相反的位置620/625、670/675處終止。分支部610、660與外部環615、665之間的間距構造為對光學諧振器無幹擾或者幹擾很小(即，在組裝時，形成於分支部610、660和外部環615、665之間的空隙的寬度大於形成於內部電極和外部電極之間的電極間間隙)。假如通過其它方式提供機械穩定性，其他實施例可以包括單個螺旋分支部。例如，分布式金屬阻抗(諸如本文所公開的內部圓錐形螺旋感應器)可用來支撐內部電極並維持電極間間隙。通過分支部610、660的幾何形狀、厚度和電阻率，以及形成於外部電極、內部電極與橋接件之間的空隙的橫截面，可對圖6A和6B中提供的端接橋接件的整體阻抗進行調諧。如關於圖5所描述，螺旋面鏡和端接橋接件之間的距離也影響阻抗值，並且可用作微調。圖7-10A為各種T形端接橋接件的示例的剖視圖。這種T形端接橋接件可附接至中間電極，或者與內部電極一體地形成(例如，焊接或模製)，以形成連續的組件/元件。例如，圖7示出端接橋接件700焊接至內部電極710的端帽716。終端阻抗由結構的厚度、以及形成於外部電極705、內部電極710和所述橋接件700之間的空隙755的橫截面所確定。可選地，在焊接或附接至內部電極710之前，端帽716可與所述橋接件700 —起形成或者與所述橋接件700附接。圖8例示出T形橋接件800，其(例如)與具有多個同心翅片811的內部電極810 —體地形成。端接橋接件800包括焊接至內部電極810的內部電極觸頭816。內部電極觸頭816可形成為內部電極810的端帽(如圖1OC關於內部電極1010所示那樣)、內部電極810的一部分或者如本文所述端接橋接件的一部分。內部電極觸頭816、支撐柱817和橫撐杆818可以模製、焊接和/或用螺栓固定在一起，以形成端接橋接件800。如上述，每個翅片優選地具有一厚度，該厚度大於內部電極在射頻電勢的頻率下的趨膚深度的兩倍，所述射頻電勢的頻率跨越內部和外部電極而施加。一些實施例可包括更少數量或更多數量的翅片，以實現所需的阻抗。圖9例示出包括互補的同心翅片912的T形橋接件900，所述互補的同心翅片912被布置為與設置在內部電極910上(例如，在端帽916上)的翅片911和作為電介質被引入到翅片之間的空間中的雷射氣體介質進行結合而形成電容結構913。以此方式，可以在內部電極910和外部電極905之間實現電容性端接。圖10A-10F例示出T形端接橋接件1000的截面圖、側視圖和透視圖，包括由內部電極的翅片1011和橋接件的翅片1012形成的電容結構。端接橋接件1000還包括內部通道1041、1042，所述內部通道用於內部電極用冷卻流體的供應和返回。可選地，內部通道1041和1042可被包含在其他實施例中，包括(例如)在圖7-9中例示的那些。在T形橋接件的各實施例中的內部通道1041和1042，提供一種替代方案，以替代將雷射器的螺旋鏡端處的射頻饋通裝置用於內部電極用冷卻流體的供應和返回(如圖1、3和4所示)。圖1OC提供包括翅片1011的內部電極1010端視圖。圖1OC還示出由橋接件1000的通道1041、1042提供的內部電極的冷卻流體的供應和返迴路徑。圖10D-10E提供端接橋接件1000的正視圖和透視圖，所述端接橋接件包括在徑向對置的電極支撐延伸部1021、1022和外支撐環1023。外支撐環1023機械地接合至外部電極，以提供接地的迴路路徑。圖1OF本文所述的端接橋接件1000和翅片1011、1012的側面剖視圖。在一些實施例中，通過饋通導體(其穿過在外部電極中限定的開口或埠而連接至內部電極)，將射頻功率供應至內部電極。例如，圖2例示出布置成與雷射器200的軸錐鏡端260靠近的射頻饋通組件2 70。圖11和12詳細地例示出射頻饋通組件的兩個示例。在這些示例中，在放電和雷射作用被抑制的區域(即,無放電區域1114、1214)，將射頻功率直接注入到放電間隙1115、1215。通過改變電極間間隙1115的尺寸而形成無放電區域1114、1214。圖11和12例示的各示例中，在無放電區域1114、1214內和/或靠近無放電區域1114、1214處，外部電極1105,1205的內表面和內部電極1110,1210的外表面(即，各電極1105/1110,1205/1210的相鄰表面)之間的距離足夠大，以防止或抑制在無放電區域1114、1214內、在外部電極1105、1205和內部電極1110、1210之間的等離子體放電(因此，等離子體在無放電區域1114、1214內無法點燃)。另一方面，在無放電區域1114、1124之外，各電極1105/1110、1205/1210的相鄰表面之間的距離足夠小，以促進在放電體積(在無放電區域1114、1124外的體積)內、在外部電極1105、1205和內部電極1110、1210之間的等離子體放電。換言之，電極1105/1110、1205/1210之間在無放電區域1114、1124內的間隙1115、1215大於電極1105/1110、1205/1210之間在放電體積內的間隙1115、1215，從而防止在無放電區域1114、1214內發生放電。限定無放電區域1114、1214，以避免饋通導體的過熱和靠近導體產生電弧。通過對拉普拉斯差分方程進行數值求解，計算出射頻饋通區域中、在放電點火點處的電場分布。計算諸如介電盤直徑和內部電極孔口面(spot face)等尺寸，以避免可能導致電弧形成的高的局部電場強度。過渡到無放電區域(孔口面)的放電間隙的開口具有迴旋曲線的形狀，在此，曲率半徑在放電間隙從無窮小不斷增大到某一有限的曲率。圖11的射頻饋通組件包括饋通導體1119，所述饋通導體通過氧化鋁陶瓷絕緣體1124和絕緣夾具1125而與外部電極1110絕緣，並且通過螺釘1122連接至內部電極1110。絕緣體1124覆蓋饋通導體1119，直至在進入放電間隙區域1115之前大約2_處，藉此抑制在饋通導體1119與由外部電極1110限定的埠的壁之間的放電，所述外部電極通過夾具組件1126連接至接地迴路。如圖11所示，用於射頻饋通導體1119的埠通過夾持O型圈1123密封，以獲得真空。射頻饋通導體1119包括可選的供應和返回冷卻埠 1127，所述埠 1127由導體的內壁限定。在一些實施例中，其它絕緣體材料可用在饋通組件中代替氧化鋁，但是所有這種材料應滿足以下標準:優選比氧化鋁低的介電常數，耐熱性(在約700攝氏度的溫度下，機械性能穩定且化學性能穩定)，並且不漏氣。具有低於氧化鋁的介電常數的材料，能較佳地最小化在饋通裝置和外部電極處的埠的壁之間進行放電的風險。在一些實施例中，饋通組件無需使用介電材料來將饋通導體與接地的外部電極進行絕緣。圖12提供這種實施例的示例。諸如圖12所示的實施例，利用離子層的厚度來隔離饋通導體1219與接地的外部電極1210，所述離子層在金屬表面的邊界處的氣體中形成。饋通導體1219與外部電極埠的接地的壁之間的間隔應該小於離子層。在一些構造中，針對27.12MHz的激勵頻率,離子層為400 μ m數量級。在圖12的示例中,饋通導體1219由螺釘1222連接至內部電極1210，並且由接地的金屬套管1232所覆蓋，所述金屬套管與饋通導體間隔開，以便在饋通導體1219和金屬套管1232之間形成可相比較於離子層厚度的間隙。金屬套管1232通過壓縮的O型圈1223居中於饋通導體1219，所述O型圈還用作它們之間的真空密封。另一 O型圈1224用於在金屬套管1232和由外部電極1210限定的埠之間密封。O型圈1223、1224由接地迴路夾具1233和絕緣夾具1234所壓縮。射頻饋通導體1219包括可選的供應和返回冷卻埠 1227，所述供應和返回冷卻埠由導體的內壁限定。放電建立時，放電中的功率密度通常隨著傳輸線中的電壓變化而沿著電極改變。但是，保持沿間隙的放電均勻通常是可取的。在一些實施例中，通過使用以上就圖2-10F所描述的端接橋接件中的 一個或多個，可以改善放電的均勻性。在一些實施例中，通過使用以上結合沿電極間間隙215的長度分布的一個或多個阻抗所描述的一個或多個端接橋接件，可以實現均勻的放電。再次參考圖2，中心阻抗280和由端接橋接件240和250提供的分布阻抗，有助於維持沿間隙215的均勻的放電。在圖2的示例中，中心阻抗280呈可外部調節的感應器的形式。圖1B例示出如第7778303號美國專利中披露的可外部調節的感應器組件100的示例。在雷射器200的螺旋鏡端和軸錐鏡端之間提供可外部調節的阻抗，允許在滿射頻輸入功率下具有最大值與最小值之比小於1.5倍的放電分布。在一些實施例中，達到所需放電性能需要的阻抗特性，例如可以經驗性地確定、或者通過計算或通過模擬來確定，並且用來提供定位在氣室內的一個或多個固定的阻抗元件。圖13例示出包括感應器1305的固定感應器組件1300的示例，所述感應器成形為完全容納在氣室內部的圓錐形螺旋體。例如，圓錐形螺旋體的延伸程度被選定為減緩在繞組間的空間內的氣體介質的點火。在一些示例中，感應器1302由具有高導電性和高導熱性的金屬製成。優選地，繞組的橫截面應該足夠厚，以便朝至少一個電極傳導產生於感應器中的熱。感應器1302可跨越放電間隙1315、通過螺釘1329連接至內部電極1310，並且通過用金屬夾具1330將它向下壓而連接至接地的外部電極1305。可安裝視看口 1331來監控放電特性。替代性地，金屬帽可用來代替視看口 1331，從而金屬帽、金屬夾具1330和感應器1302形成全金屬的感應器組件。圖14例示出固定感應器組件1400的另一實施例，其包括成形為圓錐形螺旋體的感應器1402。感應器1402可以跨越放電間隙1415而由螺釘1429連接至內部電極1410，並通過用金屬夾具/金屬帽1430將它向下壓而連接至接地的外部電極1405。使用金屬夾具/金屬帽1430代替視看口(圖13中所示)，能提供全金屬的感應器組件。圖15A和15B分別提供根據上述的圓錐形螺旋感應器1502的側向透視圖和頂視圖。感應器1502被構造為完全容納在氣室內部。圓錐形螺旋體的延伸程度被選定為防止在繞組間的空間內的氣體介質的電離。感應器1502由具有高導電性和高導熱性的金屬製成，並且繞組的橫截面應該足夠厚，以便朝一個或多個電極來傳導所產生的熱，所述電極優選擴散地冷卻。感應器1502被構造為跨越放電間隙而通過螺釘連接至內部電極，並且通過用夾具將它向下壓而連接至接地的外部電極。同樣，感應器的尺寸通常被選定為匹配於由外部電極限定的埠並提供所需的阻抗，該阻抗可通過模擬或經驗性地確定。圖16例不出包括電容器1604的外部阻抗組件1600的一個不例,所述電容器作為饋通組件1604的一部分電連接在外部電極1605和饋通導體1617之間。在一些實施例中，一個或多個電容組件定位在氣室內。可以用各種形狀和尺寸來形成電容結構，例如叉指形結構、互補的同心環形板(如以上關於端接橋接件1000所述那樣)，以及平坦的電極結構。各實施例可包括導電棒，所述導電棒以小於離子層厚度的距離而延伸通過電極間間隙，以使導電棒與內部電極隔離，所述離子層在金屬表面的邊界處的氣體中形成。替代性的實施例可包括電容結構，所述電容結構利用電介質(諸如氧化鋁陶瓷絕緣體、或滿足上面所規定的標準的其它絕緣體材料)來使射頻饋通組件中的饋通導體1119絕緣。就圖1B、13和14而言，本文提供出有關饋通組件1604的更多細節和替代性實施例。一般而言，雷射器的輸入和輸出功率可以變化。本文所披露的雷射器能夠以IOkW至50kW的射頻輸入功率工作，來產生IkW至5kW的雷射輸出。在一些實施例中，雷射器組件被構造為通過適當地縮放雷射器組件的尺寸而在其它功率水平下操作。本文所披露的雷射器組件的各種實施例在兩個電極之間不使用絕緣體材料。例如，包含如本文所述的端接橋接件的各實施例，相反地提供剛性的導電組件。雖然外部電極和內部電極之間的雙端接會表現得像低頻域中的短路連接，但是本文所描述的端接橋接件實際上提供用於施加至電極的射頻電勢的終端阻抗。上述的內部阻抗，與軸錐鏡端和螺旋鏡端的端接橋接件相結合，使得能夠提供一種全金屬的同軸雷射器組件。在操作中，雷射放電的產生通過以下方式來實現:提供一對對置的電極，所述一對對置的電極限定出電極間間隙；提供導電的端接橋接件，所述端接橋接件與兩個電極都電接觸，從而使導電的端接橋接件機械地支撐各電極並使各電極相對於彼此定位，並且提供用於施加至電極的射頻電勢的終端阻抗；以及，施加射頻電勢至電極，以便在電極間間隙內產生雷射放電。在一些實施例中，所述各電極可包括第一電極和第二電極，並且使得各電極被構造成在電極間間隙中限定無放電區域，並且使得所述無放電區域為在電極間間隙內能被氣體介質觸及到的區域 ，而在該區域內氣體介質不會被激勵。在這種實施例中，雷射放電通過進一步提供包括導體和金屬套管的射頻饋通組件而產生，所述導體貫穿被限定在第一電極中的埠，貫穿金屬套管，繼而跨越無放電區域內的電極間間隙，其中所述導體電接合至第二電極，並且在導體和金屬套管之間形成離子層放電屏障，以使導體與第一電極電絕緣。應當理解的是，雖然結合詳細說明對本發明進行了描述，但前述說明意圖例示而非限制本發明的範圍，本發明的範圍由所附權利要求的範圍所限定。其他的方面、優點和修改均在以下權利要求的範圍之內。`
權利要求
1.一種射頻(RF)激勵型雷射器組件(200)，包括: 一對對置的電極(205，210 )，其限定電極間間隙(215 );以及 導電的端接橋接件(240，250)，其與兩個電極都電接觸， 其中，所述端接橋接件機械地支撐各電極並使各電極相對於彼此而定位，並且提供用於施加至各電極的射頻電壓(230)的終端阻抗。
2.如權利要求1所述的雷射器組件，其中，所述電極為包括內部電極(210)和外部電極(205)的同心電極，並且其中，各電極限定環形的電極間間隙(215)。
3.如權利要求2所述的雷射器組件，其中，內部電極包括與端接橋接件(1000)相鄰的一個或多個同心翅片，並且其中，所述一個或多個同心翅片每個均具有一厚度，該厚度大於內部電極在射頻電壓(230)的頻率下的趨膚深度的兩倍。
4.如權利要求3所述的雷射器組件，其中，端接橋接件(1000)包括一個或多個互補的同心翅片(1012)，並且其中，所述一個或多個同心翅片和所述一個或多個互補的同心翅片被布置成形成一間距，所述間距在使用時被充填有介電氣體，以形成電容器。
5.如權利要求1至4 中任一項所述的雷射器組件，其中，端接橋接件(250，340)為平坦的、多螺旋形的橋接件。
6.如權利要求1至5中任一項所述的雷射器組件，其中，端接橋接件為平坦的、阿基米德螺旋形的橋接件(500)。
7.如權利要求1至6中任一項所述的雷射器組件，其中，端接橋接件為與各電極(210，205)之一一體形成的T形橋接件(240)。
8.如權利要求1至7中任一項所述的雷射器組件，其中，端接橋接件為第一端接橋接件(250)，並且所述射頻激勵型雷射器組件還包括在第一端接橋接件的相反端處的第二端接橋接件(240)。
9.如權利要求8所述的雷射器組件，其中，第一端接橋接件為平坦的、雙螺旋形的橋接件(250)，且第二端接橋接件為與各電極(210，205)之一一體形成的T形橋接件(240)。
10.如權利要求1至9中任一項所述的雷射器組件，其中，端接橋接件(240)限定了冷卻流體供應路徑和冷卻流體返迴路徑(1041，1042)。
11.如權利要求1至10中任一項所述的雷射器組件，其中，所述射頻激勵型雷射器組件還包括全封閉的阻抗元件(1302，1402)，所述阻抗元件跨越在由所述一對對置的電極所限定的無放電區域內的電極間間隙而延伸，其中所述無放電區域能被氣體介質觸及到，但卻定位在所述電極間間隙中氣體介質不會被激勵的位置處。
12.如權利要求11所述的雷射器組件，其中，所述阻抗元件(1302，1402)為圓錐形螺旋感應器。
13.如權利要求12所述的雷射器組件，其中，所述射頻激勵型雷射器組件還包括金屬帽和金屬夾具(1330)，所述金屬帽和金屬夾具被構造成將所述圓錐形感應器(1302)緊固至雷射器組件，其中金屬帽、金屬夾具和圓錐形感應器一起形成了全金屬的感應器組件(1400)。
14.如權利要求13所述的雷射器組件，其中，所述圓錐形螺旋感應器(1302，1402)限定足以減緩繞組之間的氣體介質發生點火的足夠繞組間間距。
15.如權利要求11所述的雷射器組件，其中，所述阻抗元件被構造為朝各電極中的至少一個來傳導在阻抗元件中產生的熱。
16.如權利要求1至15中任一項所述的雷射器組件，其中，所述射頻激勵型雷射器組件還包括具有導體(1119，1219)的射頻饋通組件(1100，1200)，所述導體貫穿限定於所述一對對置的電極中的第一電極(1105，1205 )中的埠，並跨越在由所述一對對置的電極所限定的無放電區域內的電極間間隙(1115，1215)，其中所述無放電區域能被氣體介質觸及至IJ，但卻定位在所述電極間間隙中氣體介質不會被激勵的位置處，並且其中，所述導體電接合至所述一對對置的電極中的第二電極(1110，1210)並與所述第一電極電隔離。
17.如權利要求16所述的雷射器組件，其中，所述饋通組件(1200)還包括圍繞所述導體(1219)的金屬套管(1232)，其中所述金屬套管電接合至第一電極(1205)，並且與所述導體間隔開以形成間隙，所述間隙具有足以在導體和金屬套管之間形成離子層放電屏障的足夠寬度。
18.如權利要求16所述的雷射器組件，其中，所述饋通組件(1100)還包括陶瓷套管(1124)，所述陶瓷套管圍繞所述導體(1119)以隔離所述導體與第一電極(1105)。
19.如權利要求16所述的雷射器組件，其中，所述導體(1119，1219)包括水冷冷卻埠(1127，1227)。
20.一種產生雷射放電的方法，所述方法包括: 提供一對對置的電極(205，210 )，其限定電極間間隙(215 ); 提供與兩個電極都電接觸的導電的端接橋接件(140，150)，其中所述導電的端接橋接件機械地支撐電極並使各電極相對於彼此而定位，並且提供用於施加至電極的射頻電壓(230)的終端阻抗；以及 施加射頻電壓(230)至電極，以便在電極間間隙(215)內產生雷射放電。
21.如權利要求20中所述的方法，其中，所述各電極包括第一電極(205)和第二電極(210),所述方法還包括: 提供包括導體(1219)和金屬套管(1232)的射頻饋通組件(1200)，所述導體貫穿限定在第一電極(205，1205)中的埠、貫穿金屬套管(1232)，並且跨越在無放電區域內的電極間間隙(215，1215)，所述導體電接合至第二電極(210，1210);以及 在導體和金屬套管之間形成離子層放電屏障，以電隔離所述導體和所述第一電極； 其中所述無放電區域能被氣體介質觸及到，但卻定位在所述電極間間隙(215，1215)中氣體介質不會被激勵的位置處。
22.—種射頻(RF)饋通組件(1200)，被構造為將射頻電壓施加至限定電極間間隙的一對對置的電極，所述饋通組件包括: 導體(1219)，其被構造為貫穿限定在第一電極(1205)中的埠，並且跨越所述電極間間隙(1215);以及 圍繞所述導體定位的金屬套管(1232)； 其中所述金屬套被構造為電接合至第一電極(1205)，並且與所述導體(1219)間隔開以形成間隙，所述間隙具有足以在導體和金屬套管之間形成離子層放電屏障的足夠寬度。
23.如權利要求22所述的饋通組件，其中，所述導體(1219)包括水冷冷卻埠(1227)。
24.—種圓錐形螺旋感應器(1302，1402，1502)，包括: 一個或多個金屬繞組； 以及一個或多個同心的接線端子； 其中，所述圓錐形螺旋感應器限定出足以減緩金屬繞組間的氣體介質發生點火的足夠繞組間間距。
25.如 權利要求24所述的感應器，其中，所述一個或多個金屬繞組具有足夠的橫截面面積，以便朝被接合至所述一個或多個同心的接線端子的流體冷卻組件傳導在金屬繞組內產生的熱。
全文摘要
一種射頻(RF)激勵型雷射器組件，包括限定電極間間隙的一對對置的電極，以及與兩個電極都電接觸的導電的端接橋接件。所述端接橋接件機械地支撐電極並使各電極相對於彼此而定位，並且提供用於施加至各電極的射頻電壓的終端阻抗。一種圓錐形螺旋感應器包括一個或多個金屬繞組，以及一個或多個同心的接線端子，使得所述圓錐形螺旋感應器限定足夠的繞組間間距，以減緩繞組間的氣體介質的點火。一種射頻(RF)饋通組件，其被構造為將射頻電壓施加至一對對置的電極，使得通過離子層放電屏障來將導體從與圍繞所述導體定位的金屬套管進行隔離。
文檔編號H01S3/097GK103229369SQ201180052478
公開日2013年7月31日 申請日期2011年10月31日 優先權日2010年10月29日
發明者F·J·維拉裡爾紹塞多, J·F·蒙哈丁-洛佩斯, P·丹尼爾, J·戴勒, S·蘇姆雷恩, V·格朗松 申請人:通快公司