專利名稱:實(shí)現(xiàn)低功耗氣體脈沖激光的方法及器件的制作方法
本發(fā)明涉及冷陰極輝光放電激勵(lì)的氣體激光器。
以往的輝光放電激勵(lì)的氣體激光器，如He-Ne激光器，由整機(jī)功耗在10W以上的電源激勵(lì)，一般用直流高壓電源激勵(lì)，在激光管電極和電源間串接足夠大的鎮(zhèn)流電阻，設(shè)法減小電極(包括與電極相連的導(dǎo)線等部件)間的分布電容，以抑制或消除由于放電的負(fù)阻特性與極間電容所引起的馳張振蕩，因?yàn)檫@種振蕩會導(dǎo)致放電電流噪聲及激光器輸出噪聲。關(guān)于這一點(diǎn)，“激光器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”(赫光生，雷仕湛著，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979年6月第一版)一書中曾有論述。一般的玻璃外殼結(jié)構(gòu)的氣體激光器，如He-He激光器，由于管壁發(fā)熱、諧振腔形變等原因，輸出光束在點(diǎn)燃后一小時(shí)內(nèi)有10-4rad量級的方向漂移，基本熱穩(wěn)定后還會有每小時(shí)10-5rad量級的方向漂移。
一般的He-Ne激光器由于輸出直流光強(qiáng)，用于報(bào)警、校槍、模擬射擊、準(zhǔn)直及其它兼用激光高強(qiáng)度和高方向性優(yōu)點(diǎn)的場合時(shí)，光電接收及信號處理裝置常有抗其它強(qiáng)光干擾性能差、允許入射激光光強(qiáng)變動(dòng)范圍小的弱點(diǎn)。激光外調(diào)制可克服這一弱點(diǎn)，但裝置較繁。用控制激光器放電電流的方法可實(shí)現(xiàn)調(diào)制激光輸出，但電源較繁雜、功耗較大、方向漂移也較大。加藤正彥等人進(jìn)行過電流調(diào)制He-Ne激光器的實(shí)驗(yàn)研究(応用物理，第44卷，第1號，30-37頁)。
本發(fā)明提供一種利用(而不是消除)放電馳張振蕩機(jī)制的氣體激光器的脈沖工作方法和低功耗連續(xù)脈沖輸出的氣體激光器，輸出光束方向漂移小，激光脈沖頻率穩(wěn)定、可控。
對通常用直流輝光放電激勵(lì)的冷陰極氣體激光器，結(jié)構(gòu)上采用增大陽極導(dǎo)體表面積或其它適當(dāng)增大激光器極間分布電容的方法，利用此電容與輝光放電通道所具有的類似負(fù)阻特性的動(dòng)態(tài)阻抗組成一個(gè)放電馳張振蕩迴路，極間電容起每個(gè)振蕩周期中脈沖放電的儲能元件的作用。在發(fā)生放電馳張振蕩、對氣體激光器工作介質(zhì)實(shí)行脈沖放電激勵(lì)的同時(shí)，輸出可應(yīng)用的激光脈沖。
為使輸出激光脈沖頻率穩(wěn)定或可控，采用具有高脈動(dòng)分量的準(zhǔn)直流高壓激光電源，電源和激光器電極間串以高阻值電阻R，當(dāng)一段時(shí)間間隔內(nèi)電源脈動(dòng)頻率為幾十赫茲到幾百千赫茲范圍內(nèi)某一值f時(shí)，放電馳張振蕩為電源脈動(dòng)所同步，產(chǎn)生頻率與電源脈動(dòng)頻率f成比例的放電弛張振蕩和脈沖激光輸出。
同軸冷陰極激光器采用附圖1所示的結(jié)構(gòu)。
圖1是激光器的側(cè)剖面示意圖。圖中1是管狀外殼，可由膨脹系數(shù)較低的玻璃材料制成。2是放電毛細(xì)管，3和4是反射鏡，5是園筒狀冷陰極，6是園筒狀長陽極，兩種電極都可選用高純鋁箔作原料，7和8分別是陰極和陽極的引出鎢桿。長筒狀陽極6用以增大極間分布電容。毛細(xì)管2的自由的開放端伸入陽極筒6中，使放電馳張振蕩較易建立。
附圖2是與圖1所示的激光器相配合的一種輸出脈動(dòng)頻率穩(wěn)定的激光電源的原理框圖。
圖2中，9是小型低功耗石英晶體振蕩器，10是分頻器，11是功率放大器，12是升壓變壓器，13是整流電路。14是電阻，15是采用圖1所示結(jié)構(gòu)的激光器。圖2中晶體振蕩器的輸出信號經(jīng)分頻器后信號頻率十分穩(wěn)定，此信號經(jīng)功率放大器、升壓變壓器后產(chǎn)生交變高壓送到整流電路，整流部件的輸出與輸入的交變高壓串接起來以產(chǎn)生高脈動(dòng)分量的準(zhǔn)直流高壓去激勵(lì)激光器。
附圖3是離激光平面鏡輸出端7.25米處直接曝光的遠(yuǎn)長激光光斑照片按圖1和圖2所示的實(shí)施例制作的激光器，當(dāng)激光器腔長在200mm左右、充以3乇上下的He-Ne氣體、反射鏡及其它有關(guān)參數(shù)按一般633nm激光器參數(shù)設(shè)計(jì)或選擇時(shí)，可輸出633nm的脈沖激光，這時(shí)極間電容在PF量級。這種同軸冷陰極脈沖He-Ne激光器整機(jī)。輸出激光脈沖峰值功率大于1毫瓦，脈寬為幾微秒，連續(xù)脈沖輸出時(shí)脈沖頻率穩(wěn)定性優(yōu)于10-5。脈沖頻率為16382Hz時(shí)整機(jī)功耗約1.5瓦，頻率為819Hz時(shí)整機(jī)功耗僅幾十毫瓦。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要是1.本發(fā)明使激光器的功耗下降。633nm的脈沖He-Ne激光當(dāng)脈沖頻率為幾百赫茲到幾十千赫時(shí)，激光器整機(jī)功耗比直流放電激勵(lì)的激光器可下降三個(gè)到一個(gè)數(shù)量級，但仍然具有普通激光器單色性好、發(fā)散角小(1-2mrad)、能以TEMOO模工作的優(yōu)點(diǎn)。因此本發(fā)明利于無交流電源場合或攜帶式場合使用，整機(jī)體積、重量、成本可明顯降低。
2.因激光器本身發(fā)熱可很少或幾乎不發(fā)熱，光束方向漂移明顯減小。玻璃外殼633nm的He-Ne激光器光束方向漂移可減小一個(gè)數(shù)量級。可作高精度準(zhǔn)直光源。
3.因輸出激光脈沖的頻率可很穩(wěn)定，配以窄帶放大器后，光電接收及信號處理裝置比一般的直流光電裝置抗其它光干擾能力強(qiáng)，允許入射光強(qiáng)變化的動(dòng)態(tài)范圍大、穩(wěn)定性高。
4.因激光脈沖寬度比較小，能做成(絕對)不會發(fā)射有害激光的豁免級激光器。用電池供電的He-Ne激光器整機(jī)可徹底排除對人體的電危害，適用于大中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和兒童玩具。低重復(fù)頻率的633nm He-Ne激光器用于報(bào)警時(shí)，束外看不見光束，既有隱蔽性，又調(diào)整方便。
權(quán)利要求
1.一種輝光放電激勵(lì)的冷陰極氣體激光器的脈沖工作方法，適用于可采用直流輝光放電的氣體激光器，其特征在于采用增大陽極導(dǎo)體表面積以適當(dāng)增加極間電容的方法，利用極間電容與放電通道的類似負(fù)阻特性的動(dòng)態(tài)阻抗組成放電弛張振蕩迴路，利用這種放電弛張振蕩實(shí)現(xiàn)脈沖放電激勵(lì)、產(chǎn)生脈沖激光，用脈沖頻率穩(wěn)定或可控的具有高脈動(dòng)分量的準(zhǔn)直流高壓電源激勵(lì)，輸出激光脈沖被電源脈動(dòng)同步。
2.一種按權(quán)項(xiàng)1的方法制造的由管狀外殼〔1〕、放電毛細(xì)管〔2〕、反射鏡〔3、4〕、陽極〔6〕、陰極〔5〕組成的同軸冷陰極脈沖氣體激光器，其特征在于陽極采用長園筒狀，且毛細(xì)管的自由的開放端伸入陽極園筒內(nèi)，電源整流部件〔13〕的輸出與其輸入的由升壓變壓器〔12〕產(chǎn)生的交變高壓串接起來產(chǎn)生具有高脈動(dòng)分量的準(zhǔn)直流高壓通過電阻〔14〕去激勵(lì)激光管〔15〕。
3.一種按權(quán)項(xiàng)2所述的脈沖氣體激光器，其特征在于所說的氣體可以是He-Ne，輸出的激光波長可以是633nm。
專利摘要
脈沖氣體激光器，涉及氣體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作方法。增大陽極表面積以增大極間分布電容，毛細(xì)管自由的開放端伸入陽極筒內(nèi)，利用極間電容與放電通道動(dòng)態(tài)阻抗組成放電弛張振蕩回路，利用放電弛張振蕩產(chǎn)生脈沖激光輸出。用脈動(dòng)頻率穩(wěn)定或可控的具有高脈動(dòng)分量的準(zhǔn)直流高壓電源激勵(lì)，使激光脈沖輸出被電源脈動(dòng)同步，從而使冷陰極輝光放電激勵(lì)的氣體激光器能以低功耗脈沖狀態(tài)工作，減小光束方向漂移。
文檔編號H01S3/14GK85100058SQ85100058
公開日1986年7月30日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者朱鶴年, 丁慎訓(xùn) 申請人:清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan