ES2986598T3 - Superficie de guía de ondas mejorada en láseres de gas - Google Patents

Abstract

Un láser puede comprender un núcleo cerámico que define al menos parcialmente una cavidad láser en forma de placa de guía de ondas. Una superficie interior de la cavidad láser en forma de placa de guía de ondas está recubierta con una capa de metal. El láser también incluye un conjunto de espejos que forman un resonador en la cavidad láser en forma de placa de guía de ondas. El láser también incluye electrodos colocados de manera que el gas láser contenido en la cavidad láser en forma de placa de guía de ondas se excita cuando se aplica una señal de excitación a los electrodos. En otras realizaciones, el núcleo puede estar formado a partir de un material distinto de la cerámica. Adicionalmente o alternativamente, la capa puede estar formada a partir de un material distinto del metal. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Superficie de guía de ondas mejorada en láseres de gas

Referencia cruzada a la solicitud relacionada

Campo técnico

La presente descripción se refiere en general a láseres y, más específicamente, a láseres de gas de guía de ondas.

Antecedentes

Los láseres (por ejemplo, los láseres de gas) funcionan bombeando energía a un medio activo (por ejemplo, un gas como el dióxido de carbono (CO<2>)) para extraer parte de esa energía como luz láser útil para grabar, cortar u otras aplicaciones. En los láseres de CO<2>(por ejemplo, láseres en los que el medio activo es CO<2>), el bombeo comprende una descarga eléctrica a través de un resonador en el que está presente el medio activo. Normalmente, cuanto mayor es la energía de bombeo, más luz láser se puede generar hasta un punto de saturación, más allá del cual la salida del láser permanece constante o incluso disminuye. Para láseres de todo tipo, un parámetro importante es la consistencia de la potencia de salida a lo largo del tiempo. La consistencia se mide normalmente como una variación porcentual de la potencia durante un intervalo específico, como 30 minutos. Los láseres de CO<2>suelen funcionar sin retroalimentación de circuito cerrado para la energía. Como tal, los láseres de CO<2>pueden experimentar una variación de potencia intrínseca, sujeta tanto al calentamiento interno como a factores ambientales. Otras medidas del rendimiento de un láser son el "tiempo de subida" y el "tiempo de caída", que se refieren a la rapidez con la que la luz láser emitida por un resonador se enciende y apaga en respuesta al bombeo eléctrico del gas láser (por ejemplo, el medio activo, también conocido como medio de ganancia). Si bien existen algunas contribuciones de los circuitos, los factores limitantes para el tiempo de subida y bajada son intrínsecos al gas láser y al diseño del resonador.

En los láseres de CO<2>accionados por radiofrecuencia (RF), mecanismos como la tasa de ionización del gas y la ganancia discreta imponen límites más bajos al tiempo de subida y bajada. Otra medida importante para el rendimiento de un láser es la eficiencia del enchufe de pared. La eficiencia del enchufe de pared es una medida de cuánta potencia láser se genera para una determinada cantidad de energía consumida por el aparato que produce el láser. Por ejemplo, un láser de 100 vatios que extrae 1000 vatios de electricidad de la toma de corriente de una instalación tendría una eficiencia del 10%. Gran parte de la energía inyectada en un medio de ganancia se convierte en calor residual como parte del proceso de formación de la luz láser. Sin embargo, la eficiencia puede mejorarse mediante la optimización del medio de ganancia (por ejemplo, la mezcla de gases), técnicas de enfriamiento más agresivas y/o menores pérdidas ópticas del resonador.

Otra medida importante del rendimiento de un láser es el grado en que se puede controlar la polarización de la salida de luz de un láser. La salida de luz de los láseres puede ser 100% polarizada, 0% polarizada (es decir, no polarizada) o polarizada entre 0 y 100% (es decir, parcialmente polarizada). El control de la polarización es importante en aplicaciones de procesamiento de materiales, como grabado, marcado o corte por láser. El grado de polarización (DOP) y el estado de polarización (SOP) de la luz láser están determinados por las propiedades internas del resonador, como la reflectividad dependiente de la polarización de las superficies del espejo y de la guía de ondas. Además de los aspectos de rendimiento de los láseres discutidos anteriormente, otro parámetro importante es la confiabilidad, ya que las proporciones de los diferentes gases dentro del medio de ganancia pueden cambiar con el tiempo. Además, la superficie de una guía de ondas dentro del resonador puede degradarse con el tiempo, provocando pérdidas debido a la absorción y/o dispersión de la luz láser dentro/desde la superficie de la guía de ondas.

El documento US5748663A, relativo a un láser de gas de descarga rectangular, describe un láser de gas bombeado por RF transverso que tiene una descarga de área grande que tiene una forma generalmente rectangular en todas las vistas en planta. En sección transversal, la geometría de la descarga tiene una dimensión más larga y una más corta, estando la dimensión más larga entre los electrodos a los que se suministra energía de RF y la dimensión más corta, adecuada para guiar la luz láser intracavital, estando definida por paredes laterales cerámicas. El documento US4756000A relacionado con un catalizador de oro accionado por descarga con aplicación a un láser de CO<2>describe el uso de oro como catalizador para oxidar monóxido de carbono para formar CO<2>a temperatura ambiente. Esto tiene particular aplicación en los láseres de CO<2>. En una realización del láser de CO<2>, el oro se distribuye en las paredes del volumen de descarga. El documento US2012219028A1 describe láseres de losa cerámica, de espacio libre y de guía de ondas que incluyen un láser que tiene un cuerpo cerámico que incluye una primera pared y una segunda pared opuestas a la primera pared, un primer espejo y un segundo espejo, definiendo la primera y segunda paredes y los primer y segundo espejos. una cavidad láser de losa dentro del cuerpo cerámico. El documento US4884282A describe un conjunto de láseres de guía de ondas acoplados que proporciona un conjunto de haces ópticos en fase bloqueados en fase. El conjunto de láser incluye una primera y una segunda cavidad acopladas para proporcionar un primer y un segundo haz en una primera dirección, respectivamente. Las cavidades primera y segunda tienen ejes longitudinales sustancialmente paralelos y aberturas en sus primeros extremos para emitir los haces primero y segundo.

Resumen

El alcance de la protección conferida se determina a partir de las reivindicaciones.

En una realización, se proporciona un láser. El láser incluye un núcleo cerámico que define un recinto hermético que contiene un gas láser. El recinto hermético define una cavidad láser de placa de guía de ondas. Una superficie interior de la cavidad del láser de la placa de guía de ondas está recubierta con una capa de metal. El láser también incluye una pluralidad de espejos que forman un resonador en la cavidad del láser de la placa de guía de ondas. El láser incluye además una pluralidad de electrodos colocados fuera del recinto dieléctrico hermético de modo que el gas láser contenido en la cavidad del láser de la placa de guía de ondas se excita cuando se aplica una señal de excitación a la pluralidad de electrodos.

El metal, en algunas realizaciones, puede ser oro. El metal puede incluir adicional o alternativamente plata, cobre, níquel y/o platino. La capa puede tener un espesor que oscila desde menos de un micrómetro hasta más de cien micrómetros. En algunas realizaciones, la capa de metal es discontinua. Por ejemplo, la capa puede formarse a partir de un conjunto de franjas de metal a lo largo de la superficie interior de la guía de ondas. En otras realizaciones, la capa puede formarse a partir de depósitos de metal por pulverización catódica sobre la superficie interior. La capa puede tener una reflectividad óptica mayor que la cerámica. Además, o alternativamente, la capa puede ser más lisa que la cerámica. En algunas realizaciones, la capa puede estar unida a la superficie interior de la guía de ondas con un aglutinante de vidrio. La capa, en algunas realizaciones, puede incluir nanopartículas de oro.

En otra realización, se proporciona un láser. El láser incluye un núcleo formado a partir de un primer material y define al menos parcialmente una cavidad láser de placa de guía de ondas. Una superficie interior de la cavidad del láser de placa de guía de ondas está recubierta con una capa de un segundo material que es diferente del primer material. El láser también incluye una pluralidad de espejos que forman un resonador en la cavidad del láser de la placa de guía de ondas. Además, el láser incluye una pluralidad de electrodos colocados de manera que el gas láser contenido en la cavidad del láser de la placa de guía de ondas se excita cuando se aplica una señal de excitación a la pluralidad de electrodos.

El primer material utilizado en el núcleo, en algunas realizaciones, puede incluir metal o vidrio. En algunas realizaciones, el primer material incluye cerámica. Además, el segundo material puede incluir oro. El segundo material, usado en la capa, puede tener una reflectividad óptica mayor que el primer material usado en el núcleo.

En otra realización más, se proporciona un láser. El láser incluye un núcleo formado a partir de un primer material y define al menos parcialmente una cavidad láser de placa de guía de ondas. Una superficie interior de la cavidad del láser de la placa de guía de ondas está recubierta con una capa de un segundo material que es diferente del primer material. En algunas realizaciones, la superficie interior está recubierta con múltiples capas que están configuradas para funcionar como múltiples capas de espejos láser dieléctricos que utilizan interferencia óptica para aumentar la potencia de salida de un láser. En algunas realizaciones, el primer material puede incluir cerámica, mientras que el segundo material puede incluir oro.

Breve descripción de las figuras

La figura 1 es una vista despiezada de varios componentes de un láser de gas que tiene un resonador de guía de ondas con una superficie mejorada, según una realización ilustrativa.

La figura 2 es un diagrama de una realización ilustrativa de un núcleo cerámico del láser de gas de la figura 1, en el que las superficies interiores del resonador de guía de ondas están recubiertas de oro.

La figura 3 es un diagrama esquemático de un láser ensamblado, según una realización ilustrativa.

La figura 4 es una vista parcialmente explosionada de varios componentes del láser de la figura 3.

La figura 5 es una vista en sección transversal de varios componentes del láser de la figura 3, tomada a lo largo de la línea 5-5.

Descripción detallada de las figuras

Con el fin de promover la comprensión de los principios de la invención, ahora se hará referencia a una realización ilustrativa mostrada en las figuras adjuntas y se utilizará un lenguaje específico para describir las mismas.

Una realización ilustrativa de un láser 10, según la presente divulgación, se muestra en los diagramas de las figuras 1 a 5. El láser 10 está realizado de forma ilustrativa como un láser de guía de ondas con núcleo cerámico, en el que una superficie interior del resonador de guía de ondas está recubierta de oro. En comparación con los láseres de gas típicos, el láser 10, la superficie mejorada de guía de ondas amplía el rango de salida del láser. Más específicamente, la superficie mejorada de guía de ondas puede proporcionar un punto de saturación que es al menos dos veces mayor que el punto de saturación proporcionado por un láser equivalente sin la superficie mejorada de guía de ondas (por ejemplo, sin el recubrimiento). Además, la superficie mejorada de la guía de ondas reduce sustancialmente la variación de potencia. Es decir, la superficie mejorada de guía de ondas permite una mayor estabilidad en la salida de potencia del láser 10 (por ejemplo, una variación de potencia de menos del 3%) que los láseres de gas típicos que utilizan una guía de ondas (por ejemplo, una variación de potencia de aproximadamente el 10%). Además, la superficie mejorada de la guía de ondas reduce significativamente el tiempo de subida y bajada, de aproximadamente 75 microsegundos a aproximadamente 20 microsegundos. Además, la superficie mejorada de guía de ondas puede mejorar la eficiencia del enchufe de pared (por ejemplo, reduciendo la cantidad de calor residual producido como parte del proceso de formación de luz) en comparación con los láseres de gas típicos. Además, la superficie mejorada de guía de ondas facilita el diseño de un resonador que soporta una polarización prescrita (por ejemplo, mejorando así el control de las propiedades de polarización). Por ejemplo, la superficie desnuda de la guía de ondas (por ejemplo, formada a partir de un núcleo cerámico, tal como un núcleo hecho principalmente de alúmina) exhibe una reflectividad independiente de la polarización. Por tanto, la salida del núcleo cerámico no está polarizada. La superficie mejorada de la guía de ondas puede hacerse dependiente de la polarización para soportar hasta el 100% de polarización de la salida de luz del láser 10.

En términos de confiabilidad, la superficie mejorada de guía de ondas puede disminuir la velocidad a la que los componentes del gas (por ejemplo, la mezcla de gases dentro del medio de ganancia) se desgastan (por ejemplo, se disocian en diferentes gases y/o cambian de otro modo a partir de una proporción predefinida). Es decir, en los láseres de gas típicos, una parte de la población de CO<2>puede disociarse en CO y O. Por lo tanto, esa parte de la población ya no puede contribuir a la acción del láser. A largo plazo, en tales láseres, el CO y el O pueden segregarse permanentemente mediante adsorción, oxidación u otras vías. La superficie mejorada de guía de ondas aquí descrita puede favorecer la recombinación de CO y O en CO<2>para aumentar la población instantánea de CO<2>. Además, el aumento de la recombinación inhibe esas otras vías para la eliminación de CO y O de la mezcla activa al mantener su estado preferido como moléculas de CO<2>. Además, si bien los láseres de CO<2>típicos pueden desgastarse debido a la degradación de la superficie de la guía de ondas (por ejemplo, por oxidación, adsorción, fotoblanqueo, formación de centros de color u otros procesos que ocurren en el volumen de descarga), lo que reduce la ganancia óptica neta. y potencia de salida (por ejemplo, de absorción y/o dispersión), la superficie de guía de ondas mejorada puede inhibir la degradación ya que la superficie puede hacerse no reactiva. Como tal, la superficie mejorada de la guía de ondas sirve para retener la población deseada de moléculas de gas iniciales.

El láser 10 generalmente incluye un cuerpo 12 formado principalmente de cerámica y un revestimiento de oro u otro material, como se describe con más detalle en el presente documento. El cuerpo 12 define una cavidad láser de placa 14, varios espejos 16, 18, 20 que forman un resonador 22 en la cavidad láser de placa 14, y varios electrodos 24, 26 colocados fuera del cuerpo 12 (y, por tanto, fuera de la cavidad del láser de placa 14). El láser 10 puede tener un número de Fresnel inferior a aproximadamente 0,3. El número de Fresnel de un láser generalmente puede venir dado por la fórmula: NF = a2/(AL), donde a es la mitad de la apertura del resonador, A es la longitud de onda del rayo láser y L es la longitud del resonador. Un número de Fresnel inferior a aproximadamente 0,3 puede definir generalmente una verdadera cavidad de láser de guía de ondas. Un número de Fresnel mayor que aproximadamente 3 puede definir generalmente una cavidad láser de espacio libre en la que puede haber poca o ninguna interacción entre el haz y las paredes de la cavidad láser. Los números de Fresnel entre aproximadamente 0,3 y aproximadamente 1,5 describen una cavidad láser en un espacio casi libre con diversos grados de interacción entre el haz y las paredes de la cavidad láser.

El cuerpo 12 del láser 10 está realizado ilustrativamente formado por dos componentes de imagen especular: un componente del lado izquierdo 12a y un componente del lado derecho 12b. Se apreciará que, en otras realizaciones, el cuerpo 12 puede formarse como un componente integral o puede formarse a partir de tres o más componentes. El cuerpo 12 y/o los componentes 12a, 12b también pueden ser no simétricos en algunas realizaciones. En la realización ilustrativa, el cuerpo 12 comprende alúmina (AhOs) con una pureza entre 95% y 99,9%. En otras realizaciones, el cuerpo cerámico 12 puede estar formado por óxido de berilio (BeO), nitruro de aluminio (AlN), ciertos tipos de vidrio y/o vitrocerámica, o cualquier material con propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas similares, o una combinación de los mismos. También se contempla que el cuerpo 12 pueda estar formado por otros materiales adecuados (incluidos los no cerámicos). Sin embargo, como se describe con más detalle en el presente documento, las superficies interiores están recubiertas con oro u otros materiales para proporcionar un rendimiento y una fiabilidad mejorados.

En la realización ilustrativa, el interior del cuerpo 12 define una cavidad láser de placa 14 que tiene una sección transversal generalmente rectangular. La cavidad del láser de placa 14 está parcialmente definida por dos paredes opuestas 32 y por otras dos paredes opuestas 34 del cuerpo 12 (ver figura 5). Las paredes opuestas 34 pueden faltar en su mayoría con solo soportes ocasionales o pueden incluir un mayor número de soportes (como se muestra en la figura 1). Las paredes 32, 34, en algunas realizaciones, pueden estar separadas aproximadamente 1,4 veces el ancho del haz previsto en la dirección de la guía de ondas.

Como puede verse en las figuras 1 y 5, el interior del cuerpo 12 también está formado para incluir un par de depósitos de gas 36, 38. Los depósitos de gas 36, 38 están en comunicación de gas (es decir, fluido) con la placa de la cavidad láser 14 a través de varias ranuras de comunicación de gas 40, o regiones abiertas, formadas en las paredes opuestas 34 del cuerpo 12. El tamaño y el número de ranuras de comunicación de gas 40 formadas en las paredes opuestas 34 pueden variar entre solo una ranura más grande 40 (es decir, una pared 34 casi abierta) a muchas ranuras 40 más pequeñas. En la realización ilustrativa, uno de los depósitos de gas 36 está adyacente a una pared 34, mientras que el otro depósito de gas 38 está adyacente a la pared opuesta 34. El cuerpo 12 También se puede formar para incluir desbordes 42, como se muestra en las figuras 1 y 4. Los desbordes 42 están ubicados en los extremos de la cavidad 14 del láser de placa y definen una entrada de borde rebajada a la cavidad 14 del láser de placa alejada de los espejos 16, 18, 20. Este retroceso ayuda a filtrar las estructuras de mayor orden. Puesto que en el borde de entrada rebajado de los desbordes 42 se deslizan modos indeseables y rápidamente divergentes, se reducen sus posibilidades de competir con el modo fundamental deseado. En otras realizaciones, los desbordes 42 mostrados ilustrativamente en las figuras 1 y 4 pueden adoptar otras formas, dependiendo del tipo de resonador empleado.

La realización ilustrativa del láser 10 también incluye varios espejos 16, 18, 20. Dos espejos 16, 20 están soportados por un soporte de espejo 28, que está colocado en el extremo frontal de la cavidad del láser de losa 14. El otro espejo 18 está soportado por un soporte de espejo 30, que está colocado en el extremo posterior de la cavidad láser de placa 14. En la realización ilustrativa, los soportes de espejo 28, 30 están sellados al cuerpo 12 para formar una superficie hermética o al vacío. sellado, recinto. Específicamente, los soportes de espejo 28, 30 están acoplados al cuerpo 12 usando un epoxi. Se apreciará que también se puede proporcionar un sello hermético mediante otros métodos diversos, incluidos, entre otros, soldadura, soldadura fuerte, soldadura por fritado de vidrio, etcétera, y que los componentes 12a, 12b del cuerpo 12 se pueden fijar a entre sí utilizando métodos similares. También se contempla que uno o más de los espejos 16, 18, 20 puedan fijarse directamente al cuerpo 12, sin el uso de un soporte de espejo. También se apreciará que el espejo 20 puede ser una ventana sin una superficie reflectante en otras realizaciones (por ejemplo, en realizaciones que utilizan un resonador inestable). Se contempla además que, en algunas realizaciones, los espejos se puedan colocar dentro de un recinto hermético más grande que contenga el gas láser (cuyo recinto podría estar formado por cualquier cantidad de materiales, tales como cerámica, vidrio y/o metal).

En la realización ilustrativa, el recinto hermético formado por el cuerpo 12 y los soportes de espejo 28, 30 se llena con un gas láser. El gas láser puede ser cualquier mezcla de gases (múltiples elementos y/o múltiples moléculas) suficiente para producir un medio de ganancia en la cavidad 14 del láser de placa cuando se excita. El cuerpo 12 principalmente de alúmina de la realización ilustrativa permite el acoplamiento de potencia de RF sin necesidad de un paso de RF. En otras realizaciones, el cuerpo 12 no forma en sí mismo un recinto hermético, sino que, en cambio, está colocado dentro de un recinto hermético más grande que contiene el gas láser (cuyo recinto podría estar formado por cualquier número de materiales, tales como cerámica, vidrio, y/o metal).

En el eje del espesor de la placa (es decir, la dimensión paralela a las paredes 34 del cuerpo cerámico 12), el espacio entre las paredes 32 es lo suficientemente cercano como para permitir que los fotones resonantes sean guiados por las paredes 32 de la cavidad 14 del láser de placa. En el eje inestable, el haz se acopla fuera de la cavidad del láser de losa 14 a través del borde del espejo 16.

Como se describió anteriormente, el láser 10 ilustrativo incluye varios electrodos 24, 26 colocados fuera de la cavidad 14 del láser de placa y adyacentes a las paredes 32 del cuerpo 12. El gas láser dispuesto en la cavidad 14 del láser de placa se excitará cuando se aplica una señal de excitación a los electrodos 24, 26. En la realización ilustrativa, cada uno de los electrodos 24, 26 se recibe en una ranura alargada 48 formada en una superficie exterior del cuerpo 12. Cuando se aplica una excitación de RF a los electrodos 24, 26, el gas láser en la cavidad láser de placa 14 se excita y, mediante acoplamiento capacitivo, produce un medio de ganancia de plasma. Si bien los electrodos 24, 26 se muestran como electrodos alargados en la realización ilustrativa, se contempla que los electrodos 24, 26 pueden tener diferentes formas geométricas, pueden estar segmentados y pueden ser planos o formar un ángulo con respecto a las paredes 32 del cuerpo 12. También se contempla que, en algunas realizaciones, uno o más de los electrodos 24, 26 pueden colocarse adyacentes y, por lo tanto, definir al menos parcialmente la cavidad láser de placa 14.

El uso de electrodos 24, 26 que son externos al cuerpo 12 en la realización ilustrativa, puede proporcionar varias ventajas. Por ejemplo, la energía de RF se acopla a la cavidad del láser de placa 14 a través de las paredes 32 del cuerpo 12, eliminando la necesidad de pasamuros y permitiendo que el calor se aleje más eficientemente del plasma. En otras realizaciones, se pueden usar electrodos de diferentes formas geométricas para excitar sólo ciertas porciones del gas láser en la cavidad del láser de placa 14. En otras realizaciones, se pueden excitar individualmente segmentos individuales de electrodos de múltiples segmentos. Además, el uso de electrodos externos 24, 26 permite una guía de ondas continua hasta la superficie de los espejos 16, 18 sin excitar la porción de gas láser directamente adyacente a los espejos 16, 18. Es bien conocido que un espacio entre el extremo de la guía de ondas y los espejos se pueden introducir pérdidas en el láser; cuanto mayor es la brecha, mayores son las pérdidas. Por otro lado, se debe mantener una distancia entre el plasma excitado y los espejos para evitar daños a las superficies de los espejos. El uso de electrodos externos 24, 26 protege los espejos 16, 18 del plasma, pero aún permite que el cuerpo 12 guíe la radiación láser a los espejos 16, 18 sin ninguna interrupción en las superficies de la guía de ondas. Sin embargo, como se señaló anteriormente, no se requiere el uso de electrodos que sean externos al cuerpo 12 en todas las realizaciones.

Haciendo referencia ahora a la figura 2, en la realización ilustrativa, las superficies interiores (por ejemplo, las paredes) del cuerpo 12 (por ejemplo, las superficies del resonador de guía de ondas 22) están recubiertas con una o más capas 70, 72 de material distinto de cerámica. En la realización ilustrativa, el material es oro. El espesor del recubrimiento de oro (por ejemplo, capas 70, 72) puede ser submicrónico (por ejemplo, una película delgada), o puede tener un espesor de decenas a cientos de micrones (por ejemplo, una película gruesa). Como se analizó anteriormente, ciertas características de confiabilidad y rendimiento del láser pueden mejorarse debido al recubrimiento. Además, el grado de mejora puede variar en función del espesor del revestimiento. El costo de la estructura terminada puede depender del espesor, debido al costo del oro. En algunas realizaciones, las características mejoradas de rendimiento y confiabilidad descritas anteriormente se pueden obtener minimizando al mismo tiempo la cantidad de oro requerida. Por ejemplo, en algunas realizaciones, sólo se pueden recubrir secciones estrechas de la guía de ondas (por ejemplo, en franjas) o se pueden pulverizar pequeños depósitos de oro en toda el área de la guía de ondas. Se pueden lograr mejoras específicas en el rendimiento depositando nanopartículas de oro en la superficie de la guía de ondas. En algunas realizaciones, un recubrimiento discontinuo de pequeñas secciones de la superficie de la guía de ondas puede inhibir fuertes corrientes superficiales y/o arcos eléctricos en el recubrimiento que de otro modo podrían ser inducidos por el intenso campo eléctrico de RF (por ejemplo, producido por los electrodos 24, 26).

La superficie de guía de ondas mejorada puede implementar un efecto catalítico, un efecto de prevención de oxidación, un efecto de prevención de adsorción, un efecto de control de carga superficial, un efecto de reducción de pérdida óptica, un efecto de discriminación de polarización óptica, un efecto de difracción, un efecto de banda prohibida fotónica, un efecto de interferencia óptica, o una combinación de dos o más de los efectos antes mencionados. En la realización ilustrativa, la catálisis y la reducción de pérdidas ópticas proporcionan un rendimiento láser mejorado. La presencia de oro dentro del láser de CO<2>10 proporciona una mejora catalítica de la población de CO<2>. La disociación y recombinación de moléculas de CO<2>es un fenómeno localizado dentro del volumen de descarga del láser (por ejemplo, entre los electrodos 24, 26) para un láser de gas sellado. La presencia de un catalizador en una superficie remota o adyacente ayuda a la recombinación de CO y O en CO<2>cuando esas especies pasan cerca del evento catalítico. También es posible que el efecto catalítico pueda verse potenciado por la radiación ultravioleta que es un subproducto de la descarga.

En la realización ilustrativa, la presencia de oro en las superficies más inmediatas del resonador de guía de ondas 22 que rodea el volumen de descarga aumenta el efecto catalítico. El oro, en la realización ilustrativa, se une a las superficies cerámicas interiores del resonador de guía de ondas 22 usando un aglutinante de vidrio. La porosidad de la cerámica permite la adhesión y la durabilidad a largo plazo del recubrimiento de oro que antes no era posible con diseños de láser anteriores.

La reducción de la pérdida óptica se proporciona mediante la mejora finita de la reflectividad óptica de las superficies de la guía de ondas dentro del rango espectral de operación del láser 10. Mientras que la cerámica de alúmina desnuda ofrece una reflectividad adecuada en los láseres con núcleo cerámico estándar, la superficie recubierta de oro mejora la reflectividad, reduciendo así la pérdida distribuida que se acumula a lo largo de toda la longitud del resonador de guía de ondas 22. Además, el revestimiento de oro también puede suavizar la superficie de la guía de ondas en una escala relevante para los efectos de dispersión de la superficie (por ejemplo, otro mecanismo de pérdida en los canales de guía de ondas). La superficie cerámica desnuda puede retener defectos de los pasos de fabricación (por ejemplo, esmerilado) o inclusiones de material que sirven como centros de dispersión para el modo guiado de propagación.

En cualquier resonador láser, el rendimiento está limitado por el equilibrio de ganancia y pérdida proporcionado por el medio de amplificación activo (por ejemplo, medio de ganancia) y los componentes ópticos constituyentes. El impacto negativo de las pérdidas del resonador puede tener un efecto agravante cuando la luz perdida se convierte en una fuente de calor en el resonador. En algunas realizaciones, la diferencia finita de reflectividad entre la alúmina desnuda y el oro puede tener dicho efecto de combinación. Es decir, la menor reflectividad de la alúmina puede provocar que parte de la luz se atenúe a medida que el modo guiado propaga el resonador de guía de ondas 22, y una parte de esa luz puede ser absorbida por la alúmina, produciendo calor. Por encima de cierta temperatura, la emisión de láser proporcionada por las transiciones de energía en la población de CO<2>puede verse desfavorecida. Por lo tanto, cualquier incremento de calor en el resonador 22 de guía de ondas puede limitar la potencia de salida.

Si bien el recubrimiento (por ejemplo, las capas 70, 72) se describe anteriormente como un recubrimiento de oro, en otras realizaciones, la superficie del resonador de guía de ondas 22 puede estar recubierta con películas de otros metales, tales como plata, cobre, níquel, y/o platino. Adicional o alternativamente, la superficie mejorada (por ejemplo, las capas 70, 72) del resonador de guía de ondas 22 puede incluir esmaltes cerámicos o superficies vítreas, diseñadas para una pérdida mínima de guía de ondas y/o efecto catalítico. Adicional o alternativamente, la superficie de guía de ondas mejorada (por ejemplo, la capa 70, 72) puede incluir estructuras de escala de longitud de onda o sublongitud de onda diseñadas para una pérdida mínima de guía de onda y/o de efecto catalítico. La superficie mejorada de guía de ondas puede incluir una estructura en capas análoga a los espejos láser dieléctricos de múltiples capas que utilizan interferencia óptica para permitir un rendimiento mejorado. En algunas realizaciones, la superficie mejorada de guía de ondas puede incluir una estructura incrustada o parcialmente incrustada para integrarse con el cuerpo 12. Aunque la realización ilustrativa utiliza un núcleo cerámico, donde la superficie mejorada de guía de ondas está unida al cuerpo cerámico 12, en algunas realizaciones, la superficie mejorada de guía de ondas se puede utilizar con un cuerpo metálico o un recipiente con cuerpo de vidrio. En tales realizaciones, el láser puede incluir una guía de ondas formada de un primer material (por ejemplo, un inserto cerámico) que está recubierta con una capa de un segundo material (por ejemplo, oro) que es diferente al primer material, para mejorar una o más propiedades del láser.

Haciendo referencia ahora en general a las figuras 3-5, el láser 10 también incluye un circuito de potencia de RF para energizar los electrodos 24, 26. El circuito de potencia de RF incluye un amplificador de potencia de radiofrecuencia (RFPA) 50 y varias bobinas resonantes 52, entre otros componentes. En la realización ilustrativa, las bobinas resonantes 52 están colocadas adyacentes al cuerpo 12 y acopladas eléctricamente en paralelo entre los electrodos 24, 26. Los electrodos 24, 26 están acoplados eléctricamente a las bobinas 52 para proporcionar un circuito resonante LC que es impulsado por el RFPA 50. Se usan correas de cobre 54 para conectar los electrodos 24, 26 a las bobinas resonantes 52. Estas correas de cobre 54 también constituyen parte de la inductancia del circuito. La capacitancia del circuito LC se compone tanto de la capacitancia entre los dos electrodos 24, 26 como de la capacitancia entre cada electrodo 24, 26 y un disipador de calor correspondiente 56 (descrito con más detalle a continuación). Como se muestra en la figura 5, el espacio entre los electrodos 24, 26, incluida la cavidad del láser de placa 14, da como resultado una capacitancia bastante baja. Para reducir la capacitancia general a la que están conectadas las bobinas resonantes 52, los electrodos 24, 26 pueden estar flotando en ambos lados. El RFPA 50 se puede conectar al circuito resonante del láser en una configuración de accionamiento“push-pul”lo en una configuración de accionamiento de un solo lado. Como se muestra en la figura 5, los dos disipadores de calor 56 están acoplados eléctricamente entre sí mediante placas 58 en toda su longitud para minimizar la inductancia de la parte del disipador de calor del circuito LC y proporcionar el mejor blindaje posible. Dado que el circuito que incluye los electrodos 24, 26 y las bobinas resonantes 52 es un emisor de energía de RF, los disipadores de calor 56 y otros recintos del láser 10 se convierten en escudos y parte del circuito de RF al mismo tiempo.

Como se mencionó anteriormente, el láser 10 también puede incluir uno o más dispositivos 56 de disipación o transferencia térmicas para evitar temperaturas excesivas en el láser 10. Por ejemplo, en algunas realizaciones se podrían usar placas enfriadas por agua o electrodos enfriados por agua. En la realización ilustrativa, el cuerpo 12 generalmente está intercalado entre dos disipadores de calor 56. Cada disipador de calor 56 está acoplado térmicamente a uno de los electrodos 24, 26 para extraer calor de ese electrodo e, indirectamente, de la cavidad del láser de placa 14 en el cuerpo 12. Entre el disipador de calor 56 y el electrodo respectivo 24, 26, se usa un material delgado 60 para aislar eléctricamente el electrodo 24, 26 del disipador de calor 56 y, al mismo tiempo, conducir térmicamente calor al disipador de calor 56. En la realización ilustrativa, el material delgado 60 comprende una pasta espesa que se carga con alúmina y se cura hasta obtener un material suave similar al caucho. También se contempla que podría usarse una tira cerámica delgada para el material delgado 60. El material delgado 60 también puede colocarse entre los electrodos 24, 26 y el cuerpo 12 para llenar cualquier espacio de aire que pueda existir y promover la conducción térmica. En cualquier caso, el material 60 tendrá una constante dieléctrica alta (por ejemplo, en el intervalo de 8 o 9). El alta constante dieléctrica del material 60 hace que la capacitancia entre uno de los electrodos 24, 26 y el disipador de calor 56 sea mucho mayor que la capacitancia entre los electrodos 24, 26.

Para evitar una sintonización incontrolada de la resonancia más allá de la mejor coincidencia de frecuencia con el RFPA 50, la capacitancia del láser 10 debe mantenerse constante. Dado que la capacitancia entre cada par de electrodos 24, 26 y disipadores de calor 56 es muy sensible al espaciado, el láser 10 está diseñado para mantener el disipador de calor 56 a una distancia predeterminada del electrodo respectivo 24, 26 independientemente de la temperatura del cuerpo 12 (sobre el rango de temperaturas de funcionamiento para el láser 10). En la realización ilustrativa, el espacio entre los dos disipadores de calor 56 se mantiene mediante espaciadores 62 que están hechos de un material que coincide estrechamente con el coeficiente de expansión térmica tanto del cuerpo 12 como de los electrodos 24, 26. Los espaciadores 62 pueden estar formados por varios materiales posibles, incluidos, entre otros, titanio o aluminio 7075-T6, dependiendo del cuerpo particular 12 y los electrodos 24, 26 que se utilicen. En otras realizaciones, las esquinas del cuerpo 12 pueden perforarse (de manera que se eviten los depósitos de gas 36, 38) para permitir la instalación de insertos roscados. En estas realizaciones, el propio cuerpo 12 se convierte en el espaciador 62 a medida que se expande y contrae con los cambios de temperatura.

Si bien la invención se ha ilustrado y descrito en detalle en los dibujos y la descripción anteriores, la misma debe considerarse de carácter ilustrativo y no restrictivo, entendiéndose que sólo se han mostrado y descrito realizaciones ilustrativas de la misma y que se desea proteger todos los cambios y modificaciones que entran dentro de la invención, siempre que estén dentro del alcance de la reivindicación independiente 1.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un láser de gas (10) que comprende:

un núcleo (12) formado a partir de un primer material y que define al menos parcialmente una cavidad (14) de láser de placa de guía de ondas, en el que una superficie interior de la cavidad (14) de láser de placa de guía de ondas está recubierta con una capa (70, 72) de un segundo material que es diferente al primer material; una pluralidad de espejos (18, 20) externos a la cavidad del láser de placa de guía de ondas (14) y que forman un resonador (22) en la cavidad del láser de placa de guía de ondas (14);

una pluralidad de electrodos (24, 26) externos a la cavidad del láser de placa de guía de ondas (14) y colocados de manera que el gas láser en la cavidad del láser de placa de guía de ondas (14) se excita cuando se aplica una señal de excitación a la pluralidad de electrodos (24, 26); y

una pluralidad de disipadores de calor (56) separados de los electrodos (24, 26) por una distancia definida por al menos un espaciador (62) que tiene un coeficiente de expansión térmica que coincide con un coeficiente de expansión térmica del núcleo (12).

2. El láser de gas (10) de la reivindicación 1, en el que el primer material comprende cerámica.

3. El láser de gas (10) de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el segundo material comprende oro.

4. El láser de gas (10) de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el segundo material es plata, cobre, níquel o platino.

5. El láser de gas (10) de una cualquiera de las reivindicaciones 2-4, en el que el núcleo cerámico (12) define un recinto hermético que contiene el gas láser, y en el que la pluralidad de electrodos (24, 26) están colocados fuera del recinto hermético.

6. El láser de gas (10) de una cualquiera de las reivindicaciones 2-4, en el que el núcleo cerámico (12) es un inserto colocado dentro de un recinto hermético que contiene el gas láser, y en el que la pluralidad de electrodos (24, 26) están colocados dentro del recinto hermético.

7. El láser de gas (10) de cualquier reivindicación anterior, en el que la capa (70, 72) tiene un espesor inferior a un micrómetro.

8. El láser de gas (10) de cualquiera una de las reivindicaciones 1-6, en el que la capa (70, 72) tiene un espesor que es más de cien micrómetros.

9. El láser de gas (10) de cualquier reivindicación anterior, en el que la capa (70, 72) es discontinua.

10. El láser de gas (10) de cualquier reivindicación anterior, en el que la capa (70, 72) está formada a partir de un conjunto de franjas del segundo material a lo largo de la superficie interior.

11. El láser de gas (10) de cualquier reivindicación anterior, en el que la capa (70, 72) está formada a partir de depósitos de pulverización catódica del segundo material sobre la superficie interior.

12. El láser de gas (10) de cualquier reivindicación anterior, en el que el segundo material tiene una reflectividad óptica mayor que el primer material, o en el que el segundo material es más suave que el primer material.

13. El láser de gas (10) de cualquier reivindicación anterior, en el que la capa (70, 72) está unida a la superficie interior con un aglutinante de vidrio.

14. El láser de gas (10) de cualquier reivindicación anterior, en el que la capa (70, 72) comprende nanopartículas de oro.

15. El láser de gas (10) de cualquier reivindicación anterior, en el que la capa (70, 72) es una de un conjunto de capas (70, 72) y las capas están configuradas para operar como múltiples capas de espejos láser dieléctricos que utilizan interferencia óptica para aumentar la potencia de salida de un láser.