[其他]气体激光器

说明书

本发明涉及激光器，特别是气体激光器的气体放电管和气体回流通路。

近来，人们对激光器和它们产生的光的利用越来越增加兴趣。通常，激光器包括有放射激光的介质，它们被密封在一个光学谐振腔中，谐振腔的一端为一高反射镜，对着的另一端是一个部分反射、部分透射的镜子。将外部能源产生的能量加给放射激光的介质，使它的原子或分子激发或泵激到一个较高能态。介质被激发后，一部分原子或分子在一段短的时间内回到其初始的低能态。如果这两个能态之间的能级差足够大，则当原子或分子回到它们的较低能态时，各放出一个光能量子，称其为光子。

在激光器中，这些光子中的一部分由反射镜反射并激励受激原子或分子，使它们移到较低能态，同时发射出与反射光子的特性相同的光子或者光激射。这些光子中的一部分通过部分反射镜，成为一相干光束而传播。该光束的空间特性决定于发射激光的介质和光学谐振腔，而且它传送各个光子能量的总和。凡是使用激光器的地方，都要有一可控的光能源，该能源发射一高能光束，这一光束可被严格聚焦，其横截面积很小。自从激光出现以来，已在科学、机械加工、通讯和医疗等方面得到广泛应用。

气体激光器是一种流行的激光器。这类激光器中，在一密封的空间中含有气态的产生激光的介质。通常，该空间是一个由放电管限定的放电毛细管。构成光学谐振腔的反射镜置于这个空间的两端。阴极和阳极与气体相接触，以便加在两极间的电压能使气体激发。气体激光器所以流行，是和使用气态的发射激光介质有关的，它们能以高功率产生各种具有极好的空间相干性的光。

但是，设计气体激光器有两个需要考虑的问题，这两个问题的解决又是互不相容的。第一个问题，阳离子化的气态离子朝发射电子的阴极流动。这种流动称为电泳现象，它有助于使气体朝阴极运动，从而在阴极附近形成高压区，而在阳极附近形成低压区。电泳是一种令人担心的现象，因为当激光发出长时间周期的光束时，常常要使激光以连续波的形式工作，而当激光以这种形式工作时，整个毛细管中的气体本应处在一种均匀的平衡压力状态中。

因此，由于电泳就使得有必要提供带有气体平衡系统的激光器，以防止在放电毛细管中产生不均匀的压力累积。有些平衡系统包括一个外部供气源和一个真空泵。这些外围设备一齐工作，可以保持毛细管内部的气体有均匀的平衡压力。可是，由于要提供这些外围设备带来一个缺点，即增大了激光系统的体积，费用也随之增加。

另一种气体平衡系统是在放电毛细管的两端之间有一气体回流通路。这种系统还包含大量的保持稳定的气体，它们与回流通路保持联通。这种技术使得气体绕着放电管循环流动，从而在毛细管内维持均匀的压力。然而，带有气体回流通路的激光器有一个较大的缺点，这就是将导致电流通过气体回流通路，并将其中的气体激发。这是一种不必要的能量消耗，而这些能量本来是可以用于激发放电管中发射激光的气体，从而能发射出更强的相干光束的。

这些问题可以通过在气体激光器上装备曲折的气体回流通路而得到解决。这有效地减小了自由电子扫描运动的平均自由程长，从而抑制了气体当中电流的流动。给激光器提供这种形式的通路，大大地增加了激光系统的整体尺寸。此外，有些气体的回流通路是在气体放电管中钻一系列平行的毛细管组成的，对一个放电管提供许多毛细管将大大增加其制造费用。还有的带气体回流通路的系统是由处于放电管外部的陶瓷管或玻璃管构成的。这些管子大大增加了激光系统的体积。此外，由于这些外加的管子容易破损，以致这些系统是易碎的;而且，这些管子也大大增加了激光系统的造价。

第二个要考虑的设计上的问题涉及到用来将热量从放电毛细管中散掉的装置。对发射激光的气体的激发过程，在毛细管中产生大量的热，为保证激光器能在一个较长的时间周期中连续工作，在激光器的工作特性将要受到影响前，就须将这种热量从放电毛细管中散掉。

迄今为止，要提供一种带有有效的、紧凑的气体回流通路，并带一个有效的散热机构的激光器仍然是困难的。譬如，一种带有由多个毛细管折合成一个放电毛细管以及气体回流通路的激光器，它可以具有有效的气体维持稳定的系统。可是，为了包住这毛细管以及气体回流通路所限定的自由空间所需要的厚壁管子将阻碍热量从放电毛细管传导出去。另外，也可以围绕着带有外围气体回流通路的薄壁放电管放置一个大直径的水冷套。可是，提供一个带有这种水套的激光器会大大增加激光系统的整体尺寸、它的易碎性以及它的制造费用。