7] 本實用新型提供一種C02激光器及其外光路傳輸系統(tǒng)。為使本實用新型的目的、技 術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本實用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng) 當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0028] 請參閱圖1和圖2,本實用新型提供一種C02激光器的外光路傳輸系統(tǒng)，包括用于將 C02激光器10發(fā)出的徑向截面為橢圓的激光束、整形成徑向截面為圓形激光束的光束整形 裝置20,所述光束整形裝置20包括設(shè)置在C02激光器出射光的光路上的棱鏡210;所述棱鏡 210的第一側(cè)面211與C02激光器10的出射光垂直，C02激光器射出的激光束（圖中實線箭頭 所示)垂直第一側(cè)面211進(jìn)入棱鏡210,并在棱鏡210的第二側(cè)面212發(fā)生折射后射出；所述棱 鏡210的主截面與所述橢圓的長軸D1平行，所述棱鏡的頂角a小于棱鏡的第二側(cè)面212發(fā)生 全反射的臨界角。
[0029] 由于所述棱鏡210的主截面與所述橢圓的長軸D1平行，故光斑(徑向截面)為橢圓 的激光束通過棱鏡后，其長軸的長度被壓縮，短軸的長度不變，因此，原本激光束的光斑為 橢圓，經(jīng)過棱鏡210的整形后，光斑趨向于圓形，提高了激光束的一致性，使C02激光器切割 材料時，切割的效果一致。
[0030] 如圖1所示，入射光束垂直于棱鏡210的第一側(cè)面211入射，因為垂直入射第一側(cè)面 211，所以在第一側(cè)面211上并沒有反射和折射，光束繼續(xù)傳輸?shù)降诙?cè)面212,在第二側(cè)面 212處發(fā)生折射，入射角度即為棱鏡的頂角a，折射角度為b，光束入射方向和折射后光束方 向之間的角度差為c(圖中未示出）。
[0031] 設(shè)棱鏡210的折射率為n，空氣的折射率為，由折射定律得：

[0035] 由于一般棱鏡的折射率η大于1，屬于光密介質(zhì)，而空氣折射車？為1，屬于光疏 介質(zhì)，根據(jù)光束折射定律，當(dāng)光束由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時，如果入射角a大于全反射 的臨界角f，則光束將全部被反射回原介質(zhì)。所以可得臨界角f滿足公式：
。因此，棱鏡的頂角a小于棱鏡 的第二側(cè)面212發(fā)生全反射的臨界角f，確保了激光束不會在棱鏡210中發(fā)生全反射，避免激 光束損耗。
[0036] 本實施例中，所述棱鏡210為硒化鋅光楔，即，所述光楔采用硒化鋅(ZnSe)作為光 楔材料，硒化鋅對C02激光器射出的激光的折射率為n=2.4，所以臨界角f=24.624°。故，頂角 a介于0~24.624°之間的棱鏡，均可用于本實用新型提供的外光路傳輸系統(tǒng)。
[0037] 圖1中，棱鏡210右側(cè)為C02激光器射出的激光束(整形前的激光束），其波長范圍為 9~Ι?μπι，整形前的激光束的徑向截面為橢圓形（即，光斑為橢圓形），該橢圓長軸的長度為 D1，短軸的長度為D2，設(shè)橢圓長軸D1與短軸D2之比為u。棱鏡的第二側(cè)面212出射的激光束的 截面理想的形狀為圓形（即，光斑為圓形），該圓形的直徑為D3，即，橢圓長軸D1方向上的光 經(jīng)過棱鏡210后，其長度被壓縮成了 D3。所述棱鏡的第一側(cè)面211和第二側(cè)面212的表面均覆 蓋有(鍍有)高透射膜層，所述高透射膜層對激光束有高透過率，使得激光束高效透射。
[0038] 由于激光束垂直棱鏡210的第一側(cè)面211進(jìn)入，故激光束照射到第二側(cè)面212上形 成的光斑也是橢圓，其長軸的長度L=Dl/cosa。激光束經(jīng)過第二側(cè)面212的折射后出射，形成 光斑，該光斑的直徑D3=L X cosb。由于C02激光器10射出的激光束的光斑的短軸D2與棱鏡 210的主截面垂直，故激光束經(jīng)過棱鏡210后，其光斑短軸的長度不變，僅在短軸以外的其他 方向上被壓縮，長軸的長度壓縮得最多。因此，想要棱鏡的第二側(cè)面212出射的激光束的光 斑為圓形，只需讓D3=D2即可，換而言之，棱鏡的第二側(cè)面212出射的激光束的徑向截面的長 軸D3與C02激光器10射出的激光束的徑向截面的短軸長度D2相等，即可使棱鏡的第二側(cè)面 212出射的激光束的徑向截面為圓形，D3就是該圓的直徑。由此，我們可以推算：
[0039] u=Dl/D2=Dl/D3=(LXcosa)/(LXcosb)= cosa/ cosb；

[0042] 因此，所述棱鏡的頂角a只要滿足上述公式（1)，經(jīng)過棱鏡210后出射的激光束的徑 向截面就是圓形?？紤]到空氣的折射率#1^為1，公式（1)還可以簡化為：
[0043] 本實用新型提供的C02激光器的外光路傳輸系統(tǒng)，在光束整形裝置中，根據(jù)C02激 光器射出的激光束光斑的長短軸之比，只需設(shè)置一個頂角a滿足公式（1)的棱鏡，讓該棱鏡 的第一側(cè)面與激光束垂直，即可將橫截面為橢圓形的激光束整形成橫截面為圓形的激光 束，本實用新型相對其他光束整形系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，無需復(fù)雜的光路設(shè)計，調(diào)節(jié)方便，成本低 廉，適用范圍廣。
[0044]請參閱圖2,所述光束整形裝置20還包括用于使光束整形裝置20的出射光與C02激 光器10的出射光平行的激光反射鏡220。所述激光反射鏡220可設(shè)置在棱鏡210和C02激光器 10之間，也可以設(shè)置在棱鏡210的出射光的光路上。本實施例中，所述激光反射鏡220可轉(zhuǎn)動 的設(shè)置在所述棱鏡210和C02激光器10之間的光路上，所述激光反射鏡220具體用于改變C02 激光器10射出的激光束的路徑，使激光束垂直入射到所述棱鏡210的第一側(cè)面211上。當(dāng)然， 所述棱鏡210同樣可轉(zhuǎn)動的設(shè)置在激光反射鏡220反射光的光路上。即，所述激光反射鏡220 和棱鏡210均可繞垂直于整形前激光束入射方向的軸旋轉(zhuǎn)，也就是可以繞垂直于棱鏡主截 面的軸旋轉(zhuǎn)。激光反射鏡220可以繞垂直于棱鏡主截面的軸旋轉(zhuǎn)，所以可以保證實現(xiàn)對水平 方向入射的整形前激光束進(jìn)行角度調(diào)整，使得整形前的激光束能夠垂直于棱鏡的第一側(cè)面 211入射到棱鏡210中。聯(lián)合調(diào)節(jié)激光反射鏡220和棱鏡210與水平方向的夾角，則可實現(xiàn)對 水平入射的整形前激光束進(jìn)行角度調(diào)節(jié)，并保證其能夠垂直入射到棱鏡210的第一側(cè)面 211，并保證整形后的激光束的出射方向也為水平方向。
[0045]所述激光反射鏡220的表面設(shè)置有高反射膜層，換而言之，所述激光反射鏡220的 表面鍍有對整形前的激光束具有高反射率的膜層。
[0046 ]使棱鏡的第二側(cè)面212出射的激光束與C02激光器10出射的激光束平行，需滿足一 定條件：
[0047]設(shè)C02激光器10出射的激光束與水平方向平行，
[0049]激光束經(jīng)激光反射鏡220反射后，與水平面的夾角c=b_a;
[0051]棱鏡的第一側(cè)面211與水平方向的夾角
[0052] 由此可知，在選定了棱鏡210的材料后，其折射率就是已知的，棱鏡210和激光反射 鏡220角度的設(shè)置，只與棱鏡的頂角a有關(guān)。換而言之，激光反射鏡220與C02激光器10出射光 的夾角P滿足公式(2)、棱鏡的第一側(cè)面211與C02激光器10出射光的夾角q滿足公式(3)，即 可使棱鏡的第一側(cè)面211出射的激光束的方向與C02激光器10射出的激光束的方向平行。
[0053] 設(shè)定激光束波長為10.6um，激光束在空氣中折射率η0=1，光楔(棱鏡210)