大功率氣體混合物雷射器的製作方法

2023-06-28 19:06:41

專利名稱：大功率氣體混合物雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種大功率混合物雷射器，這種類型的雷射器包括一個激發氮氣流的發生器和一個將CO2(二氧化碳)氣流從發生器的下遊引入到被激發的氮氣流的裝置。
這種類型的混合CO2雷射器已由C.O.Brown在《Applied Physics Letters(Vol.17，No.9，November，1970)》上他的論文「大功率CO2放電混合雷射器」中進行了描述。雖然這种放電混合雷射器已在前些時候公開了，但是他們還沒得到工業性的開發，主要是由於他們操作在很低的壓力下、很難選擇發生器的受激發類型以及推薦使用氦氣。另一方面，大功率CO2雷射器一般說來在工業規模上的應用還相當有限，這不但是由於它們的成本高，對於光學部件本質上還不夠可靠，而且還由於損耗問題，以及還沒有任何光導纖維適合於傳輸這些波長10μm的大功率雷射。
本發明的目的是提供一種低成本的供工業上使用的大功率混合雷射器，該雷射器具有大大改進的、可靠的、並以緊湊的形式傳輸超過千瓦的大功率雷射。
為此，按照本發明的特徵，激發氮體流的發生器是冷放電型的，操作壓力高於0.3×105Pa，並且耦合到一個沿其主方向具有相對的反射鏡的波導管上。
所謂「冷放電」意味著被激發的物種在氣態混合物中形成，而且氣態混合物中電中性的物種的溫度不超過250℃，一般的為150℃。按照作者的意見，這種類型的放電也被稱為例如「電暈放電」，「大氣壓輝光放電」，「位壘放電」或「靜放電」。
按照本發明的另外的特徵，發生器包括管狀放電室，氣體橫向於放電室的軸線循環;波導管的主方向大體平行於放電室的軸線;CO2引入到平行於上述軸線的氣體通道;波導管是傳聲道型的，具有大曲率半徑的弧形槽形狀，其主方向大體平行於上述軸線;至少一個反射鏡包括至少一個鑽石晶片。
在Marhic等人的美國專利No.4194808中描述了作為波導管的傳聲道的結構和特性。在《IEEE Journal of Quantum Electronics(Vol.QE-15，No.6，June，1979)》上Marhic等人在他的論文「傳聲道型CO2雷射器」中敘述了這種傳聲道型雷射的使用。傳聲道型CO2雷射器直到現在還受到短壽命問題的影響和功率的影響，壽命主要是由於在光束的傳播區域由放電引起下降，功率受到放大介質體積的限制。
本發明的配置可以避免上述問題，混合雷射的概念和在壓力相當高的冷放電型發生器中激發氮氣束可以得到很高的和連續的增益。另外，利用混合雷射器，可以利用相當的氣流來清掃波導管的反射鏡，這就防止了粒子沉積在上面和防止了產生導致反射鏡很快變壞的熱點。另外一方面，使用鑽石反射鏡可以大體上消除反射鏡短壽命的問題。其次，長度短的波導管雷射器反射鏡的調整不是重要的，用傳聲道型波導管甚至是更理想的反射鏡方向2°的變化不引起功率的任何變化，而且即使有1°的偏離，雷射仍保持單一型式。即使傳聲道的曲率半徑很大，傳聲道的型式仍然是小的，約1mm2。對於d′lKW的光束，共振腔內部的功率密度大於200KW/cm2，對鑽石反射鏡這是完全容許的。
按照本發明的其它特徵，供給發生器的氣體至少包括78%的氮氣，通常是氮和氧的混合氣，例如含氧約5%，最好利用吸附和/或滲透裝置來處理空氣，用此方法供給氣體混合物;雷射器包括將一種由氦、氫和水蒸氣組成的一組氣體中選出的氣體引入到氣體混合物中的裝置。
本發明的另一個目的是提供一種按上述方法限定的用於切割材料的工業用雷射器，其特徵在於，它在其出口耦合到一個多螺旋形的終止於聚焦頭的傳聲道，由此可以最大限度利用傳聲道的特性。
下面提供


用圖表示的但不作限制的實施例，由此可以清楚本發明的其它特徵和優點，附圖中圖1是示出本發明雷射器原理配置的示意圖;
圖2是本發明雷射器的示意橫截面圖;
圖3是本發明一個實施例的局部示意圖;
圖4是示出本發明另一個實施例的類似於圖2的截面圖;
圖5和圖6是校正光束不對稱的共振腔的示意圖;
圖7是本發明的切割材料用的工業用雷射器的示意圖。
在下面的描述和附圖中，相同的或類似的部件具有相同的參考號。
如圖1所示，本發明的雷射器包括一個放電發生器1，該發生器通過其輸出口輸送包含已被激發的氮分子氣流，供給由波導管例如傳聲道2的一部分構成的共振腔，傳聲道2的形狀為弧形槽，其主曲率半徑大於1m，在其相對的端部具有反射鏡3和透過雷射束的反射鏡或窗口4。利用配置在共振腔5與發生器1的輸出口之間的注入裝置6使CO2氣流與包含已激發的氮氣的氣流混合。發生器1被這樣設置，使得通過細長的出口通道13產生一個均勻的橫向于波導管2的氣流，波導管2形狀為槽形，其主方向大體平行於出口通道13。
在圖2所示的實施例中，發生器1如同本申請人在法國專利申請No.92.07486中公開的發生器，它在一個金屬架內，主要包括管形的具有軸線X的圓筒電極8，該電極同心地圍繞共軸電介質管9，在管9的內表面上裝有內電極10，該電介質管9與圓筒電極8構成與電介質管9共軸的管形氣體通道11，還包括通過入口12和出口13的金屬架的向外開口，入口和出口的形狀為槽口形，平行於通道11的軸線X，槽口沿直徑相對配置，其高度不超管形通道11的徑向厚度。電極8和10被連接到高壓高頻發生器14上。內電極10限制冷卻流體15例如水或氟利昂循環的體積。
按照本發明，圖1中的部件16連接在發生器1上形成整套雷射器20，部件16形成高度約1mm的縱向凹部，其中配置傳聲道2，該傳聲道2槽的底部大體平行於出入口12和13構成的直徑平面，側向氣體出口通道17和平行六面體的氣體入口通道18加長了金屬架1的出口13，可以將CO2從入口18橫向上的平行六面體通道19引入通道18，通過例如網格21使CO2同包含被激發氮氣的氣流混合，被激發氮氣在進入雷射腔之前由於唯一激發躍遷雷射的上能級而將其能量傳遞到CO2上。
如圖2示意出的雷射束是橢圓的，具有線性偏振。從一側進入的氣體富于振動能而離開的氣體沒有這種能量，因此按照傳聲道2的橫向氣流方向(Z軸)雷射束是不對稱的。為了抵消這種不對稱，可以採用圖4的配置，該配置允許傳聲道的單方向光學控制，即配置傳聲道，使其垂直面對氣體通道18的下遊端部，通道18對著主體1的出口通道13，此外，CO2入口19a、19b最好是對稱的，氣體出口通路17a、17b也是這樣。還可以採用有三個反射鏡31、32、33的折回腔，其中兩個反射鏡32、33是傾斜的(圖5)，帶有仿形反射鏡4的不穩定腔提供一個逸出開口(圖6)，或者波導管至少具有一個多孔的導向表面，可以注入氣流穿過該表面。另一方面，在圖2的實施例中，為保證大部分被激發物種穿過包含光子的區域，傳聲道2的下壁23上具有定向的凹痕，因而有利於在凹部中形成高度渦流。
按照本發明的一個方面，在傳聲道2端部的反射鏡3和4至少由一個塗層的或不塗層的C-Ⅱ-A鑽石晶片構成，如例如在本申請人的法國專利申請No.92.02437中所述。如圖3所示，該圖示出由傳聲道2構成的波導管，如果不希望使用穿過波導管2的氣體混合物來清掃反射鏡3和/或4，則可以利用一般通過通氣罩24的輔助過濾氣流來清洗這些反射鏡，該通氣罩緊靠反射鏡3配置，其尺寸稍大於雷射外形的尺寸。
從氣源25引入到發生器1的氣體的壓力在0.3×105Pa和3×105Pa之間，最好約為0.5×105Pa，或為簡化操作，最好在大氣壓，引入的氣體是至少包含78%氮和通常的氧的氣體混合物，例如空氣。一般在混合雷射器中大比例使用的氦這裡不需要。加氦的目的是穩定放電和使雷射躍遷的下能級去激發。由於在發生器1中使用冷放電，所以也無需穩定。加入例如氫或水蒸氣可以實現去激發，最好在引入CO2的區域加入，氫或水蒸氣在媒介氣流中被引入，為實現去激發，他們比氦更有效。氫和水蒸氣也使雷射躍遷的上能級去激發，因此其濃度需要準確控制。氫的量不應當超過總氣流的2%或3%，氫最好與CO2在發生器的下遊引入以避免使氮去激發。同CO2混合的水蒸氣量不應超過10000ppm。
最好用空氣通過吸附或滲透得到的包含少量(大於1%)氧氣的氮氣提供給發生器1，這樣可以降低氮氣的成本。這樣，使用含氧5%的氮氣電暈放電發生器1的輸出相對於使用純氮氣僅有稍許降低。氮氣中包含的氧在發生器1中將部分轉化成臭氧，而後有效地由混合在CO2中的氫破壞生成水。在用空氣供給發生器的情況下，發生器1中的壓力最好約0/5×105Pa，提供的空氣用水清潔，使水量不超過5000ppm，並最好小於100ppm。水量應在100ppm和5000ppm之間保持常數。對於在0.5×105Pa壓力的給定空氣流率，在下遊引入的CO2和氫的流率在最佳實施例中分別在該空氣流率的10%和30%之間和在該空氣流率的0.5%和1%之間。
為了限制不同氣體的消耗，最好如圖7所示安裝一種氣體循環管路，使從出口17排出的氣體混合物進入薄膜滲透裝置26，該裝置26可以回收CO2、氦或氫，然後在入口19處重新注入。如果需要，可在輸入口12再注入淨化的氮氣。在同一圖7中，示出了一個用於切斷材料的完整雷射器。離開雷射器的反射鏡4的雷射束通到一個耦合系統27，然後再通到一個有柔性的多圈傳聲道28，該傳聲道的自由端包括一個獨立於雷射器20而可移動的聚焦系統，以便跟隨切割形狀。
雖然本發明已根據特殊的實施例進行了說明，但是本發明並不由此受到限制，相反，它還允許進行對該領域技術人員來說是顯而易見的改進和變化。
權利要求
1.一種大功率混合雷射器，包括激發氮氣流的發生器(1)和將CO2氣流引入到已激發的氮氣流中的裝置(6；19)，其特徵在於，發生器(1)是冷電暈放電型，操作在大於0.3×105Pa的氣壓下，耦合到具有反射鏡(3、4)的波導管(2)上，反射鏡(3、4)沿波導管的主方向相對配置。
2.按權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，發生器(1)包括具有軸線(X)的管形放電室(11)，它對於軸線(X)進行氣體橫向循環。
3.如權利要求1或2所述的雷射器，其特徵在於，波導管(2)的主方向平行於軸線(X)。
4.如權利要求3所述的雷射器，其特徵在於，CO2氣體通過至少一條平行於軸線(X)的氣體通道引入。
5.如權利要求2至4之一所述雷射器，其特徵在於，波導管(2)的形狀為具有大曲率半徑的弧形槽，該槽的主方向大體平行於軸線(X)。
6.如權利要求5所述的雷射器，其特徵在於，配置槽(2)的底部設置成大體平行於通道(18)中的氣體混合物氣流。
7.如權利要求5所述的雷射器，其特徵在於，配置槽(2)的底部設置成大體垂直於通道(18)中的氣體混合物氣流。
8.如上述權利要求之一所述的雷射器，其特徵在於，至少一個反射鏡(3;4)包括至少一個鑽石晶片。
9.如上述權利要求之一所述的雷射器，其特徵在於，供給發生器(1)的氣體(25)至少包含78%的氮氣。
10.如權利要求9所述的雷射器，其特徵在於，在供給發生器(1)的氣體(25)中水蒸氣的含量不超過5000ppm。
11.如上述權利要求之一所述的雷射器，其特徵在於，它包括將一種氣體引入到供給波導管(2)的氣體混合物中的裝置，這種氣體是從由氦氣、氫氣和水蒸氣組成的一組氣體中選擇的。
12.如權利要求11所述的雷射器，其特徵在於，氣體混合物中氫的體積含量上不超過3%。
13.如權利要求11所述的雷射器，其特徵在於，供給波導管(2)的氣體混合物中水蒸氣的含量不超過10000ppm。
14.如權利要求9至13之一所述的雷射器，其特徵在於，供給發生器(1)的氣體(25)包含約5%的氧氣。
15.如上述權利要求之一所述的雷射器，其特徵在於，供給發生器(1)的氣體(25)的壓力約為0.5×105Pa。
16.如權利要求1至14之一所述的雷射器，其特徵在於，它包括一個使離開出口17的氣體混合物再循環的管路，該管路包括分離CO2和氮氣用的裝置(26)。
17.如上述權利要求之一所述的雷射器，該雷射器用於切割材料，其特徵在於，它耦合到一個終止於聚焦頭(29)的多圈傳聲道(28)上。
全文摘要
雷射器包括激發氮氣流的發生器(1)。該發生器操作在高於0.3×10
文檔編號H01S3/223GK1101175SQ9311821
公開日1995年4月5日 申請日期1993年9月28日 優先權日1992年3月2日
發明者布律諾·瑪麗, 丹尼爾·蓋蘭, 克裡斯蒂昂·拉克特 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司