一種獲得穩定的多管并聯激光管的方法

一種獲得穩定的多管并聯激光管的方法
【專利摘要】一種獲得穩定的多管并聯激光管的方法，主要用于改善封離型二氧化碳激光器的性能。這種方法的主要特點是多管并聯激光管由兩個或兩個以上放電管和光腔組成；其中，所有光腔的光學元件都安裝在剛性很好的光橋上，形成一個穩定性很好的光腔；而所有的放電管則通過彈性或柔性波紋管組件與光橋柔性連接。用這種方法制作的激光管不受放電管影響，放電管的發熱變形等狀態與光腔無關，激光管的工作比較穩定。
【專利說明】一種獲得穩定的多管并聯激光管的方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于激光領域，主要用于改善封離型二氧化碳激光器的性能。

【背景技術】
[0002] 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，然后封閉起來，不再打開，工作氣體在氣體放 電過程中被激發而產生激光，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500W以下)，壽命為1000-5000小時。由于這種激光 管價格便宜(例如一個60W的激光管售價在1000元人民幣左右)，目前激光管市場需求大， 激光管在中國的年需求量就超過了 100000個，在全世界就超過了 200000個。目前國際上 的功率水平是50-100W/M，就是說一個1米長的激光管的功率是50-100W。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用中非常不方便，極 大地限制了激光管的應用。因此，人們就用雙管或多管(指3根管及3根管以上）并聯和激 光諧振腔（以下簡稱光腔）串聯的辦法制造激光管，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的激光管并聯和光腔串聯的辦法可以獲得500W功率的激光管，激光 管整體就只有2. 5M長而不是10M長。嚴格地說，這時的激光管是由若干個放電管并聯然后 加上光腔而構成的；而其中的這些放電管在單獨與鏡片組合時是激光管，光腔則是將所有 放電管串聯起來的光腔；為了敘述方便，本說明書將激光管與其中的放電管單元不加區別， 統統稱為激光管或放電管；以下將這種兩根或兩根以上放電管并聯、光腔串聯的激光器稱 為多管并聯激光管。然而，這種多管并聯激光管最明顯的問題是激光管工作不穩定。如果 一個120W的單根激光管能工作2000小時的話，用4根激光管并聯和光腔串聯獲得的500W 激光管的穩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或其它方法固定在玻璃放電管上的，玻璃放電管既有放電 使氣體激發的功能又有支撐光腔的功能，激光管工作時發熱和其它原因產生變形導致光腔 失調。一個不用并聯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生變形則激光就可以長期穩定輸出， 如果發生變形就影響激光輸出，變形嚴重就沒有激光輸出。而并聯的玻璃管將增加全反射 鏡的數量，每多并聯1根玻璃管就要將光路折返1次而增加1或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的激光管并聯和光腔串聯獲得的500W 激光管的光腔長度是10M，全反射鏡的數量多的有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 由于氣體放電發熱或其它原因而產生變形，這么多的鏡片中有一個的位置變形嚴重或多個 輕微變形的積累就會導致激光管不能工作。一般而言，激光管的鏡片的入射線或反射線與 光軸在理想狀態下是重合的，具體激光管鏡片的入射線或反射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（1秒為1度的3600分之1)，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1秒，這意味著 玻璃管的彎曲變形和鏡片的偏轉變形都必須控制在幾微米以內。實際雙管或多管并聯的 玻璃管放電中會發生立體空間的變形，滿足這種變形量在微米數量級的苛刻要求是不可能 的。因此，400W以上的激光管在實際應用中很少，遠遠不能滿足實際生產的需要。


【發明內容】

[0003] 針對傳統多管并聯激光管壽命比較短、工作不穩定的缺點，本發明的目的是提供 一種獲得穩定的多管并聯激光管的方法。這樣，多管并聯激光管可以長期穩定工作。
[0004] 為了實現上述目的，本發明的主要方法是：將兩根或多根激光管并聯起來，并將串 聯的光腔(包括所有的組成光腔的光學元件）安裝在一個穩定性很高的光橋上，光橋與玻璃 激光管柔性或彈性連接，這樣光腔實際上與玻璃管脫離，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構，所以只要光橋穩定光 腔就穩定，激光管工作也因此穩定。這里所述的光橋是指一個剛性的支架，基本結構有多 種，其核心是有兩個光橋端板和3根或4根光橋支撐桿經螺母鎖緊成為一個剛性的整體結 構或直接焊接為一個剛性的整體結構；還可以是圓形管狀結構、或者方型管狀結構或其它 結構；這些結構可以是螺紋緊固結構或直接焊接結構；組成光橋的材料可以是金屬材料或 非金屬材料。設計的光橋一般是對稱的、由于光橋的長度比單根激光管略長而在寬度和高 度方向對稱且尺度較小，因此如果遇到環境溫度變化只有在長度方向有比較明顯的變化而 在其它方向變化較小可以忽略不記，只有長度變化而沒有鏡片角度變化的工業或醫療激光 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，絕大部分工業加工或醫療用的激光管是不考慮縱模而只考慮 橫模。
[0005] 本發明的激光管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生發 熱、變形，但其發熱、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 生變形。在這種結構中，即使玻璃管變形超過500微米對激光輸出也不會產生實質性影響。
[0006] 根據不同的需要，這樣的激光管功率可以設計為100W到1000W甚至更高，激光光 束模式為基模或低階模，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，如果在這樣的激光管上安裝一個可以多次更換氣體的 閥門，實現激光氣體的多次再生，壽命可以延長至幾萬小時；或者在激光管中增加一個真空 排氣和充氣系統，實現激光氣體的多次更換，同樣也能將激光管的壽命延長至幾萬小時。
[0007] 可見，本發明的優越性在于：1、激光管的光腔穩定，從而實現激光管的長期穩定工 作；2、可以通過多管并聯和光腔串聯的辦法實現激光功率的成倍增加，功率做到1000W以 上也是可以實現的；3、通過氣體再生或更換能實現激光管的長壽命工作；4、有利于低成本 的中等功率的激光管的實用化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 本發明采用的基本結構之一示意如圖1，圖1中主要是表示了雙管并聯的結構，但 這種結構很容易類推到多管并聯的情況。圖1中，（1)和（2)是兩個玻璃放電管組件；（3)、 (4)、（5)和（6)是4個帶連接法蘭的彈性波紋管組件(波紋管組件的放大圖為圖2,波紋管 組件可以由其它彈性元件代替);（7)和（8)是使光路轉折90度的全反射鏡(根據需要，轉折 的角度可以是按照設計者希望的任何值）；（9)是光腔的全反射鏡；（10)是激光輸出窗口； (11)是光橋組件；（12)是帶密封元件的轉折鏡安裝座(簡稱轉折鏡座);（13)是帶密封元件 的反射鏡和輸出窗口的安裝座(輸出鏡座）；（14)和（15)分別是兩組將轉折鏡座和輸出鏡 座固定在光橋上的螺釘。由于其它元件與普通玻璃激光管沒有什么區別，本說明書對其它 部分不做描述。
[0009] 上述光橋的基本結構有幾種，本說明書敘述其中兩種，分別不意如圖3和圖4。在 圖3中，（16)和（17)是兩個光橋端板，（18)、（19)、（20)和（21)4根光橋支撐桿(實心或空 心都可以)，（22)、（23)、（24)和（25)是4個鎖緊螺母，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，不同的是只采用了 3根 光橋支撐桿。不難看出，光橋可以采用其它結構，例如圓形管狀結構、或者方型管狀結構，可 以是用螺釘緊固結構，也可以是焊接結構。
[0010] 從圖1中明顯看出，本發明的激光管的所有的光腔元件是安裝在光橋（11)上的， 光腔與放電玻璃管是通過彈性元件進行柔性連接的，因此光腔調節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。由于光橋是對稱設計的，只要光橋的剛度足夠好，就 不會產生扭曲變形，因此光腔能長期穩定工作。

【具體實施方式】
[〇〇11] 本發明的具體實施例子如下：將4根1800mm的玻璃管激光管按照本發明的方式 并聯，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，氣體壓力為4kPa，觸發電壓24-32kV，放電工作電壓18-26kV，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，在放電狀態下 將光腔調節到最佳狀態，這樣的激光管功率可以達到500W以上，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。
【權利要求】
1. 一種獲得穩定的多管并聯激光管的方法，其特征在于：將兩根或多根激光管并聯起 來，并將串聯的光腔(包括所有的組成光腔的光學元件）安裝在一個穩定性很高的光橋上， 光橋與玻璃激光管柔性或彈性連接，這樣光腔實際上與玻璃管脫離，光腔不受玻璃管變形 的影響；這種方法使放電管的發熱變形等狀態與光腔無關，不影響激光管的工作和激光輸 出。
2. 按權利要求1所述的一種獲得穩定的多管并聯激光管的方法，其特征在于：光橋的 基本結構有多種，其核心是有兩個光橋端板和3根或4根光橋支撐桿經螺母鎖緊成為一個 剛性的整體結構或直接焊接為一個剛性的整體結構；還可以是圓形管狀結構、或者方型管 狀結構或其它結構；這些結構可以是螺紋緊固結構或直接焊接結構；組成光橋的材料可以 是金屬材料或非金屬材料。
3. 按權利要求1所述的一種獲得穩定的多管并聯激光管的方法，其特征在于：根據不 同的需要，這樣的激光管功率可以設計為100W到1000W甚至更高，激光光束模式為基模或 低階模，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，如果在這樣的激光管上安裝一個可以多次更換氣體的閥門，實現激光 管的多次再生，壽命可以延長至幾萬小時；或者在激光管中增加一個真空排氣和充氣系統， 實現激光氣體的多次更換，同樣也能將激光管的壽命延長至幾萬小時。
【文檔編號】H01S3/03GK104112969SQ201310134945
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年4月18日 優先權日:2013年4月18日
【發明者】陳清明 申請人:陳清明