專利名稱：一種錐形相位鎖定二氧化碳激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)工程和激光應(yīng)用領(lǐng)域，主要是由錐形放電區(qū)和相關(guān)光學(xué)元件 構(gòu)成的相位鎖走的大功率二氧化碳激光器的構(gòu)建方法及裝置。錐形相位鎖定二氧化碳激光器 輸出光束經(jīng)會聚系統(tǒng)處理后可方便地應(yīng)用于金屬、非金屬材料的表面處理、焊接、切割、打 孔等，可成為激光加工的重要設(shè)備。
背景技術(shù)：
激光加工是利用激光的優(yōu)良的方向性、高輸出功率和相干性的特點對金屬和 非金屬材料進行高精度的快速加工。甩于加工的激光器，在1967年之前主要是脈沖振蕩的紅 寶石激光器和釹玻璃激光器，之后，隨著連續(xù)振蕩的二氧化碳激光器和Nd:YAG激光器輸出 功率的提高，利用這兩種激光器進行加工也多起來?，F(xiàn)在除二氧化碳激光器和Nd:YAG激光 器是主要的加工用激光器件外，正在發(fā)展的光纖激光器等也將成為加工用重要激光器。在現(xiàn) 代制造業(yè)中，激光加工已經(jīng)成為生產(chǎn)線的重要環(huán)節(jié)。激光加工機已形成產(chǎn)業(yè)，近幾年的統(tǒng)計 資料表明，國際上激光加工機的年產(chǎn)值約30多億美元，主要是二氧化碳激光加工機和Nd:YAG 激光加工機。二氧化碳激光加工系統(tǒng)的年產(chǎn)值約約15億美元。二氧化碳激光加工機廣泛使用 軸流型和橫流型二氧化碳激光器，也采用平板波導(dǎo)二氧化碳激光器。軸流型二氧化碳激光器 一般輸出約1KW，輸出模式好，多用于金屬材料的切割，打孔，焊接等，當然也可用于工件 熱處理，表面處理等。橫流型二氧化碳激光器一般輸出IOKW至幾十萬瓦，功率大，模式較 差，故一般用于金屬材料工件的熱處理，表面處理等。平板波導(dǎo)激光器輸出功率可達 500W-1000W,由于重量輕，體積小而可直接架于機床，用于切割打孔，焊接等。上述三種 激光器各有其不足之處，軸流型二氧化碳激光器和橫流型二氧化碳激光器的最大缺點是其裝 置特別龐大，因此加工機機頭和激光器只能是分離的，兩者之間往往有較長的距離，激光輸 出后經(jīng)過較長的傳輸系統(tǒng)后才到達加工機機頭，由于無傳輸二氧化碳激光的光纖，故光波和 直線傳輸和方向的改變及到達加工機機頭后的光路控制都靠光學(xué)元件和相應(yīng)控制措施來實 現(xiàn)。平板波導(dǎo)二氧化碳激光器雖然可直接裝配到加工機架上，激光光源和加工機頭裝配在一 起，但此種激光器的輸出功率收其結(jié)構(gòu)限制，放大技術(shù)復(fù)雜。在己有的二氧化碳激光器和二 氧化碳激光器的發(fā)明專利中，最接近本發(fā)明的是圓筒形二氧化碳激光器和中空錐形氣體激光 器。前者在米長級器件已輸出達1KW，但至今并未在激光器產(chǎn)業(yè)中興盛起來，估計與其同時 輸出兩束光源原因有關(guān)，且這兩束光無確定位相關(guān)系。后者的發(fā)明專利申報號為 2007100483280。它當然也包括中空圓錐型二氧化碳激光器。本發(fā)明與之根本不同點在于其激 光輸出位相鎖定是確實的。而專利(申請?zhí)?007100483280)所包含的二氧化碳激光器輸出 的光束雖然是軸對稱的，但是各部分光束間存在確定的位相關(guān)系的可能性較小，故在經(jīng)會聚系統(tǒng)會聚后，'因相干性較差而不能形成很強的相干迭加，至少是不能形成持續(xù)的相干迭加， 故在激光加工中會對加工效率，特性和穩(wěn)定性等產(chǎn)生不利影響
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是為i克服上述多種二氧化碳激光器和中空圓錐型氣體激光器專利
的缺點而提出的，提供一種二氧化碳激光器，它將圓錐型二氧化碳激光器和軸對稱輸出光束 進行相位鎖定，使會聚光束形成強烈的相干迭加，從而使其具有的激光加工的效率和特性與 軸流型二氧化碳激光器的充分接近，以至于超過，而在器件體積和使用方便方面又大占優(yōu)勢。 使其與圓筒形C02激光器平板波導(dǎo)型C02激光器一樣，具有很好的緊湊性，其輸出光束質(zhì)量 和相干性又高于圓筒形二氧化碳激光器的，在緊湊性和輸出水平質(zhì)量方面可高于平板波導(dǎo)器 件。
本發(fā)明的目的是由以下所述方案來實現(xiàn)的。中空圓錐形激光器的放電區(qū)域是一個中空圓 錐體，但其錐體的頂部是被沿垂直于錐體軸線方向截掉的，截面上置一部分反射部分投射的 平行平面輸出鏡。而在錐體的另一端貼一圓環(huán)形球面凹面全反射鏡，圓環(huán)形鏡于輸出鏡在放 電區(qū)構(gòu)成一立體的折疊諧振腔，圓環(huán)形球面凹面的曲率中心位于輸出鏡內(nèi)表面中心。在圓錐 形管的軸上置一放電管，放電管以圓錐形體的輸出鏡為半反鏡，另一端貼一全反射鏡構(gòu)成的 身的諧振腔在整個激光器的輸出鏡后置以會聚光學(xué)系統(tǒng)，會聚光學(xué)系統(tǒng)的第一個鏡的前表面 為球面凹面，此凹面有較小的反射率，將軸上單管器件出射光反射并會聚于錐形激光器輸出 鏡的內(nèi)表面中心，并以該中心點位置為極細的束腰位置形成高斯光束，該高斯光束傳輸?shù)綀A 環(huán)形全反射鏡處的等位相面剛好與圓環(huán)形球面鏡的反射面一致，該高斯光束落在錐形區(qū)域的 部分將在圓環(huán)形球面鏡各對稱部分之間。激發(fā)形成軸對稱折疊振蕩，從而實現(xiàn)由單管器件控 第!l，圓錐^激光器輸出各方位的相位，使整個激光器成為一位相鎖定的錐形二氧化碳激光器。
取立體折疊腔的凹面球面鏡的曲率半徑位R4，并稱該鏡為Rp該折疊腔的輸出鏡是平面 鏡并用Ro表示它，凹面鏡到輸出鏡的距離為L，輸出鏡的厚度為d，其折射率為n。錐形體 放電區(qū)對稱軸上的放電管，輸出鏡也用平面鏡Ro，其另一端的全反射鏡曲率半徑為R2，并稱 該鏡為R2。輸出鏡后的會聚系統(tǒng)的第一透鏡的前表面為曲率半徑R3的凹面球面，反射率為 r3且較小。為敘述方便，在下面的描述中我們也常以曲率半徑來表示所指的鏡。過圓錐管的 軸線作截面，在截面內(nèi)我們得到由鏡R!， Ro， R!構(gòu)成的折疊腔，注意鏡Ri在截面分布于軸 線兩側(cè)，但這個折疊腔的體積都為0，為真實同時也是近似的考慮，我垂直于此截面取各較 小的厚度的區(qū)域，這個厚度一般為幾個毫米，它就等于放電區(qū)的單側(cè)的徑向?qū)挾龋布礆怏w 放電區(qū)的間隙尺寸。考慮到這個放電區(qū)的取法和分布于圓錐體軸線兩側(cè)的&的相應(yīng)的兩部分 和Ro的作用，便得到這個氣體折疊腔的一個子折疊腔。進一步取曲率半徑R,等于L，則可 定此子腔沿折疊腔軸展開后形成一個與共心腔一致的直腔并具有相應(yīng)特性。由于此折疊腔軸線夾角很小，故可不考慮象散。根據(jù)往還矩陣，計算該腔形為介穩(wěn)腔。由計算可知，在子腔 中運行的光波是球心，位于輸出鏡內(nèi)表面中心點的球面波的一部分，但由于各子腔幾乎的獨 立運行，也即不存在一個子腔的光線能夠進入各子腔的光線，故各子腔的對于由鏡Ro, R2 構(gòu)成的Ro-R2諧振腔。適當?shù)剡x擇曲率半徑R2，可使瑞利長度Zo和輸出鏡R內(nèi)表面處的束腰 尺寸Wo較大。瑞利長度Zo大，則在輸出鏡附近相當長的距離為由R2-Ro腔輸出的光束為平 行度極高的光束，以便于Ro鏡后一定位置的鏡R3的前表面和凹面反射將其很好地在Ro的內(nèi) 表面中心會聚于一點。Wo較大，則有利于選擇R2的合適曲率半徑取值和位置，便于R2-R0 腔輸出光束在鏡R3前表面處的橫向尺寸于由R!-Ro腔輸出的光束在該表面上的亮環(huán)的直徑一 致，從幾何光學(xué)的角度看，這可確保由R3前表面反射并會聚于Ro內(nèi)表面中心點的光束可有 效地進入各子折疊腔以進行控制。
設(shè)輸出鏡Ro兩面的介質(zhì)膜厚度近似為O，鏡Ro的厚度為d，折射率為n，輸出鏡后的聚 光系統(tǒng)的第一表面R3距鏡Ro后表面距離為So，由此可確定由鏡Ro內(nèi)表面出發(fā)，經(jīng)透射穿過 Ro并到R3，再由R3反射并經(jīng)Ro透射到Ro的內(nèi)表面，其ABCD傳輸矩陣的矩陣直A、 B、 C、 D分別為
由輸出鏡內(nèi)表面處的由Ro-R2諧振腔決定的束腰Wo即可確定其復(fù)參數(shù)，再由高斯光束復(fù) 參數(shù)滿足的ABCD定律，由上述的傳輸矩陣元A、 B、 C、 D即可取定該光束回到Ro內(nèi)表面 處的高斯光束復(fù)參數(shù)，適當選擇d、 So、 R3參數(shù)，可回到Ro內(nèi)表面處的高斯光束半徑趨近于 0，該高斯光束繼續(xù)傳輸并擴展，使其在鏡&處的曲率半徑極其接近Rp鏡Ri則將該高斯光 束反射并傳回到Ro內(nèi)表面，經(jīng)鏡Ro內(nèi)表面的反射激發(fā)并控制各子折疊腔內(nèi)光波的振蕩。各 子折疊腔內(nèi)的振蕩在Ro處的透射便形成輸出，經(jīng)其后會聚系統(tǒng)的會聚后得到可用于激光加工 等目標的應(yīng)用。
附圖中，l是球面凹面全發(fā)射鏡，曲率半徑Rp 2為中空圓錐形放電管，3為放電管外層 管，當用射頻電源放電時，3為水冷的雙層銅管，當用直流放電時，3為每平方厘米均燒接一 放電針作為陽極的石英錐形管，4為放電管內(nèi)層管，是帶水冷的雙層銅管，用于射頻放電時，
5 = 2 —+ & l — l" 入
6它為一射頻注入電極，用于直流放電時，它為總陰極，5為平行平面輸出鏡，7為軸上帶水冷 玻璃放電管，6為全發(fā)射鏡，8為放電陽極，9為放電陰極，IO為柯閥管，11為雙法蘭密封 接頭，12為銅管，13為銅管與錐形放電管內(nèi)管的接口，從放電管7到接口 13其通光通氣孔 徑均為10， 14'為軸上單管激光器輸出的準平行光束，15為錐形放電管激光器的錐形光束， 17為會聚系統(tǒng)，16為17的第一透鏡的前球面凹面表面，18為會聚后的會聚光束，19為電源。 現(xiàn)在結(jié)合附圖對錐形相位鎖定二氧化碳激光器的工作原理進行說明。使用直流電源，從 軸上放電管7的陽極8和陰極9注入電能，使放電管7內(nèi)的二氧化碳、氮、氫混合氣發(fā)生輝 光放電，使二氧化碳分子受到激勵，其自發(fā)輻射在7內(nèi)沿軸傳輸并放大，在鏡6和鏡5組成 的諧振腔產(chǎn)生振蕩，鏡6和鏡5組成的諧振腔確定的基膜高斯光束具有很長的瑞利長度并在 鏡5處有較大的束腰，此光束實際上在離鏡5較近的范圍是半徑為該束腰半徑的高精度平行 光束14。在軸上放電管開始放電后，緊接著啟動電源對中空錐形放電管2進行電能注入，使 管2中二氧化碳、氮、氫發(fā)生輝光放電，使二氧化碳分子受到激勵，平行光束14在鏡表面 16處光斑尺寸等于或大于中空錐形管輸出的頂點位于輸出鏡表面中心的錐形光束15在該處 的橫向尺寸。平行光束14經(jīng)鏡表面16以小的反射率將其反射后沿光束15的逆向進入輸出鏡 5并于鏡5的內(nèi)表面中心點會聚，會聚點極小，極接近點源，過此會聚點后，此光束發(fā)散， 傳輸?shù)界R1內(nèi)表面處，其光束已經(jīng)覆蓋鏡1表面，并且該光波的等位相面曲率半徑極精確地 等于發(fā)射鏡1的曲率半徑，鏡1按此等位相面的波將其反射再回到點源位置，由于返回波在 中空錐形區(qū)的任一沿軸線的截面內(nèi)具有對稱性，因此此返回波將經(jīng)鏡5內(nèi)表面對稱地反射到 對稱區(qū)域，并重復(fù)出現(xiàn)，這實為該區(qū)域內(nèi)由軸上激光器輸出光束14控制下地振蕩，且這種振 蕩發(fā)生在中空錐形放電區(qū)地所有對稱區(qū)域，這種振蕩在鏡5地部分透射便形成輸出光束15， 光束15經(jīng)會聚系統(tǒng)17會聚后形成會聚光束18。為敘述方便，上述敘述中忽略了輸出鏡5的 厚度，實際設(shè)計時此厚度的作用已反映在傳輸矩陣中。鏡1的曲率中心位于鏡5內(nèi)表面中心 點，由于沿錐形區(qū)軸線的任一截面內(nèi)分布軸線兩側(cè)的放電區(qū)以及鏡l，鏡14在該截面內(nèi)的+++ 中是對稱的，以此截面為準選擇一小厚度的放電區(qū)域，與此區(qū)域相連的鏡1鏡5的相應(yīng)部分 便形成一個折疊諧振腔，由于鏡l的曲率中心位于鏡5的內(nèi)表面中心，故該腔為共心腔，可 以將錐形區(qū)劃分成連續(xù)分布的較多的折疊共心腔，若將共心腔內(nèi)放電區(qū)厚度在鏡1處的尺寸 確定為放電區(qū)的間隙尺寸，則折疊共心腔的個數(shù)乘此間隙尺寸，應(yīng)等于 r乘以放電錐形區(qū)內(nèi) 外半徑之平均值。由各子折疊腔形成的輸出即為鏡1與鏡5構(gòu)成的腔的輸出，它是以鏡5內(nèi) 表面中心點為頂點的中空錐形光束，即光束15。由于軸上放電管先啟動，故鏡1和鏡5的腔 的工作將受到光束14的控制。錐形放電區(qū)以一定重復(fù)頻率脈沖放電，軸上放電管連續(xù)放電， 這不僅有利于軸上放電管的激光器控制錐形激光器的輸出，而且脈沖沖串式的尖峰輸出也有利于提高激光加工效率。
具體實施方式
對于中等功率，圓環(huán)形球面凹面發(fā)射鏡1可采用石英基底研磨、拋光后， 經(jīng)精確檢査曲率半徑和面形，使其達到常規(guī)激光器腔基底要求即可，然后鍍金膜。輸出鏡14 采用砷化鎵材料晶體或硒化鋅晶體材料作基底，兩面磨成平行面，誤差在10"以內(nèi)較好，其中 一面鍍多層介質(zhì)膜以達到80%左右的發(fā)射率，第二面鍍增透膜， 一般這種鏡片巳成各種規(guī)格
的商品。中孔圓錐放電管加工較為復(fù)雜。內(nèi)外兩圓錐形管分別由大到小的厚壁圓銅筒或其他
金屬管經(jīng)車床加工后再組合焊接而成，既便于加工，又節(jié)省材料，每段圓錐形管壁厚2，為 連接方便，從大到小，第一段圓錐管的頂點在離頂3以內(nèi)將其外緣車去1厚的材料，即壁厚 為l，第二段圓錐管的底部離底3以內(nèi)將其內(nèi)緣車去1厚的材料，即壁厚為l，其余類推，特 別要注意的是每段圓錐管的實際設(shè)計和使用的尺寸是從底到頂再減去了 3mm，這樣每段的連-接才能平滑過度，每兩段間的接縫處均有倒角以便焊接時填料，用小火或小焊機進行銅焊或 銀焊后，再進行修整，將其接觸的激光混合氣體的一面拋光，并將兩管的底部修平，將外管 的頂部修平，與底平行，兩底部平面與外管頂部所在平面均垂直于軸線，并進行清潔處理， 其水冷套也是錐形管，其長度比放電區(qū)錐形管稍短，水冷套可用薄的銅皮裁成一扇形進行整 體加工，其加工精度要求不高，只是和錐形放電管的焊接又是一個特別仔細的環(huán)節(jié)，但這對 熟練的技術(shù)人員來說并不是問題。內(nèi)外錐形放電管及附在其上的水冷套及水冷都水加在一起 會有一定重量，由于輸出是從小端輸出，故可采用倒立式裝配和立式支架支撐，即將中空圓 錐形管，激光器的輸出端朝下，立式支架從內(nèi)部以剛性吊拉式支撐內(nèi)錐形電極及水冷套，從 外以剛性支撐外錐形電極及水冷套，同時，此立式支架的支撐還應(yīng)滿足其平臥狀態(tài)不改，變 其支架的堅固性。軸上放電管為玻璃管玻璃管的右端接內(nèi)徑相同的柯閥管，柯閥管的右端 接帶刃口的不銹鋼法蘭。將內(nèi)錐形電極的頂部截去，其通光孔徑管分離，并焊接一個帶刃口 的硬度較高的黃銅法蘭，兩法蘭間置一紫銅軟墊圈，經(jīng)法蘭間的壓制性連接實現(xiàn)兩者之間的 密封性連接，且壓封過程中注意放電管的另一端貼全反射鏡，使用支架上的調(diào)整功能將兩錐 形管底部調(diào)整到同一平面并保持兩管之間的間隙，并確保同軸，再緊圓環(huán)形球面凹面鏡于錐 管底部并精確調(diào)整到位并加以仍可微調(diào)的機械性固定。將立式支架平臥，也即將裝置平放， 使其軸線位于水平面內(nèi)，第一個可調(diào)位平行光管與錐形裝置軸線同軸，第二、第三可調(diào)整平 行光管的光軸也位于水平面并與錐形裝置軸線相交于錐頂處截面的中心點，也即相交于即將 貼封的輸出鏡內(nèi)表面中心點，第一平行光管軸線也交于該點，第四、第五可調(diào)整平行光管的 光軸位于過錐形裝置軸線的豎直面內(nèi)并與錐形裝置軸線相交于第一、二、三可調(diào)整平行光管 軸線形成的交點處，也即相交于即將貼封的輸出鏡內(nèi)表面中心點處，將圓環(huán)形球面凹面鏡進 行調(diào)整，并調(diào)整平行光管焦距，使圓環(huán)形鏡對第二、三、四、五平行光管的出射光的反射光
8均能在平行光管內(nèi)獲得清晰反射十字象，并分別與個平行光管的十字光源的位置重合，此時
將圓環(huán)形鏡用優(yōu)質(zhì)環(huán)氧封接與圓錐底，再將平行平面輸出鏡貼于錐形裝置的頂部截面處，它
的后表面對第一平行光管的反射十字象與它的十字光源位置重合時可將其貼封于錐形頂，至
此，中空圓錐形激光器的裝置總裝已基本完畢，余下的即應(yīng)完成射頻電源的安接及阻抗匹配，
安裝冷卻水等。激光器最好工作于工作變化不大的環(huán)境，以M少因溫度變化而帶來的圓環(huán)形
鏡、輸出鏡失調(diào)帶來的影響。
實施舉例取中空圓錐形放電管的高度為140cm，也即取圓環(huán)形全反射鏡和平行平面輸
出鏡之間的放電區(qū)長度為140cm，中空圓錐形放電區(qū)底部的內(nèi)外半徑分別為5.7cm禾Q 5.0cm，
放電區(qū)的中心區(qū)位于一個圓錐面，該圓錐面的底部半徑為放電區(qū)底部內(nèi)外半徑之平均值，即
為5.65cm，該圓錐面的頂部位于輸出鏡內(nèi)表面中心點，該圓錐面也是錐形放電管內(nèi)振蕩光波
的束軸面，在過圓錐形放電區(qū)軸線的縱截面內(nèi)，該圓錐面在截面內(nèi)的截線與放電區(qū)軸線間的
夾角幅度值為arcsin(5.35/140)。中空圓錐形放電管的內(nèi)層管頂部被開口 ，開口距輸出鏡內(nèi)表
面約10cm，在開口處焊硬質(zhì)黃銅管即帶刃口的法蘭，長度30cm，帶有刃口的不銹鋼法蘭，
與黃銅法蘭之間放軟紫銅電圈，強制密封，不銹鋼法蘭事先已連接柯閥管，柯閥管已與放電
管連接，不銹鋼法蘭與柯閥管共長5cm，石英或玻璃放電管長度為95cm，各連接部分內(nèi)徑均
為lcm，圓環(huán)形全反射鏡的曲率半徑為140cm，為石英基底鍍金全反射鏡，或銅為基底的鍍
金全反射鏡。曲率中心位于輸出鏡內(nèi)表面中心點，輸出鏡是厚度為4mm的ZnSe平行平面鏡
片，內(nèi)表面鍍多層介質(zhì)膜，使其對10.6pm波長的光波放射率為80n/。，其背面對波鍍增透膜。
軸上放電管左端的全反射鏡為石英基底鍍金全反射鏡，曲率半徑為1500cm，與錐形管使用同
一個輸出鏡。輸出鏡后的會聚系統(tǒng)由兩個透鏡組合，采用ZnSe為透鏡材料，各透鏡前表面鍍
減反膜，后表面鍍增透膜，第一個透鏡為凹凸透鏡，它的第一個面離輸出鏡的距離為98.5mm，
它的曲率半徑為200mm，經(jīng)鍍減反膜使其反射率為5%，兩透鏡的其余反射面、透射面的反
射率、透射率應(yīng)分別接近0%和100%。會聚系統(tǒng)的光軸與錐形放電管軸線同軸。很容易獲知
軸上單管激光器位于輸出鏡的束腰半徑為3.84mm，瑞利長度為4363mm，故輸出光束在輸出
鏡附近數(shù)十厘米內(nèi)其平行度較高，輸出光束在第一透鏡的前凹面處的半徑仍為3.84mm。圓錐
形管激光的輸出光束一個與腔內(nèi)束軸圓錐面共頂點，同軸的位于反方向的錐面，它在會聚系
統(tǒng)第一鏡面處豎直面內(nèi)所截的圓的半徑為3.9mm。可見在會聚系統(tǒng)第一鏡的前表面處光斑對
輸出鏡內(nèi)表面中心點的張角基本滿足，包含輸出光束對輸出鏡內(nèi)表面中心點的張角。嚴格計
算證明軸上光學(xué)諧振腔之輸出光束被會聚系統(tǒng)第一鏡前表面反射并經(jīng)輸出鏡透射進入其內(nèi)表
面中心點時光斑半徑僅為0.088mm,即已近似為點光源，其在圓環(huán)形全反射鏡所在的面內(nèi)的
光斑半徑為53.77mm,等位相面曲率半徑為1400.17mm，可見該光束不但覆蓋了圓環(huán)形鏡面，
9而且和該圓環(huán)形鏡面的1400mm的曲率半徑極為接近，顯然此光束能控制圓錐形放電管內(nèi)的 振蕩光束的形成和輸出，使其整個輸出光束各部分間有確定的相位關(guān)系。從而達到了相位鎖 定的目的。
在實施舉例中，我們也可采用直流電源對中空圓錐形放電區(qū)放電，但此時放電管的外層 管應(yīng)換成帶風冷的每平方厘米有一放電針作為陽極石英管，而內(nèi)層管人為帶水冷的銅管或其 他金屬管，但此時它總陰極，電源為許多小直流低壓電源組合系統(tǒng)，中空圓錐形管相位鎖定 二氧化碳激光器由中空圓錐放電管二、圓環(huán)形球面凹面全反射鏡l、平面輸出鏡5、軸上放電 管7、位于軸上放電管左端凹面全反射鏡6、輸出鏡后的會聚系統(tǒng)的第一透鏡前凹面部分反射 面、會聚系統(tǒng)和電源組成。中空圓錐形放電管2之左端與圓環(huán)形球面凹面全反射鏡1連接， 之右端通過外錐形管3去頂部與輸出鏡5連接，'軸上放電管之左端與全反射鏡6連接，之右 端與柯閥管10連接，柯閥管與雙法蘭接頭11連接，雙法蘭接頭11右端與硬質(zhì)黃銅管12達 接，黃銅管12之右端與中空圓錐管之內(nèi)管4之頂部開口焊接形成接口 13，會聚系統(tǒng)17位于 輸出鏡后并與中空錐形放電管同軸，會聚系統(tǒng)17之第一鏡之前表面16為部分反射的凹面球 面，用射頻電源時，中空錐形放電管內(nèi)外層管均為帶水冷的銅管并作為注入電極，用直流電 源激勵時中空錐形放電管外管為每平方厘米均有一放電針;f乍為直流電陽極，中空錐形放電管 內(nèi)管為帶水冷的銅管且作為總陰極，軸上帶水冷的玻璃放電管7用直流電源經(jīng)其陽極8、陰 極9注入電能，其特征在于軸上放電管和左右腔鏡6和5形成一個在輸出近場平行度很高的 高斯光束，該高斯光束經(jīng)會聚系統(tǒng)17之第一鏡之前表面的凹面的部分反射并經(jīng)輸出鏡透射輸 出鏡內(nèi)表面中心會聚為一個近似的點源，然后再發(fā)散傳輸?shù)街锌斟F形放電區(qū)并到達該放電區(qū) 之左端的圓環(huán)形全反射鏡1，并且其等位相面與鏡1的曲率半徑一致，經(jīng)鏡各局部反射并傳 回到輸出鏡內(nèi)表面中心，由于鏡1相應(yīng)局部的對稱關(guān)系，故光波在各對稱的相應(yīng)局部之間經(jīng) 輸出鏡內(nèi)表面反射來回傳輸，此乃由軸上單管激光器所控制的振蕩光波，光波之各部分間必 有鎖定的相位關(guān)系，該振蕩光波在輸出鏡5處的投射即為相位鎖定的錐形輸出光束15，經(jīng)會 聚系統(tǒng)17會聚后即可滿足使用要求的極細相干光束。其優(yōu)點在于，器件體積小，輸出功率大， 由于采用管壁冷卻散熱而總效率較高，它可方便的配備到激光加工機的機頭上。


附圖是錐形相位鎖定二氧化碳激光器的裝置圖。
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權(quán)利要求
1、中空圓錐形放電管，其底部貼一圓環(huán)形凹球面全反射鏡，其頂部被去掉以后貼一平面輸出鏡，圓環(huán)形凹球面全反射鏡的曲率中心位于輸出平面鏡的內(nèi)表面中心點，同時軸上有一放電管，它與中空形圓錐形放電管的內(nèi)層管頂部連接并于該頂部實行通光通氣性連接，軸上放電管之左右為全反射鏡，之右與圓錐形放電管公用同一輸出鏡。于是，圓環(huán)形凹面鏡與輸出鏡成了一個立體折疊諧振腔，即在圓環(huán)形全反鏡的各部分與其相對應(yīng)的軸對稱部分之間光波經(jīng)平面輸出鏡內(nèi)表面反射面來回地傳輸，即建立了振蕩，軸上放電管的兩鏡諧振腔也建立了振蕩，兩個諧振腔公用的輸出鏡給出的輸出經(jīng)輸出鏡后會聚系統(tǒng)的作用后得到右實用意義的細長的會聚光束，其特征在于位于對稱軸的軸上單管激光器先被放電啟動，其輸出光束經(jīng)輸出鏡后會聚系統(tǒng)第一個鏡的前凹表面反射會聚進入輸出鏡并于內(nèi)表面中心點處形成一束腰極小近似的點光源，從而控制了中空圓錐形管激光器的振蕩，使其各部分光波間的相位得到鎖定，從而輸出位相鎖定的光束。
2、 按照權(quán)利要求1的說法，軸上單管激光器輸出光束經(jīng)輸出鏡后之后的會聚系統(tǒng)之 第一鏡前凹表面反射會聚進入輸出鏡內(nèi)表面中心點形成一束腰極小近似的點光源，，其特征在 于軸上單管激光器的全反射鏡曲率半徑較大，使得振蕩光束有很長的瑞利長度，從而在近場 有平行度很好的光束，并有較大的光束半徑，從而使該光束在會聚位的第一鏡的前凹表面處 橫向尺寸與中空圓錐形放電管的諧振腔的錐形輸出光束橫向尺寸相當。
3、 按照權(quán)利要求1的說法，軸上單管激光器的輸'出光束是經(jīng)過輸出鏡向面的會聚系 統(tǒng)第一鏡的前凹表面部分反射會聚進入輸出鏡并于內(nèi)表面中心點處形成一束腰極小近似的點 光源來控制圓錐形管的振蕩的，其特征在于會聚系統(tǒng)第一個鏡的前凹表面曲率半徑的設(shè)計， 前凹面到輸出鏡的距離的選擇，是根據(jù)軸上單管激光器高斯光束的參數(shù)，輸出鏡的折射率， 厚度，圓錐形管諧振腔的圓環(huán)形全反射鏡的曲率半徑，曲率中心位置，鏡的橫向尺寸來設(shè)計 的，也即該凹面起到了膜轉(zhuǎn)換和膜配合的作用曲率中心位于輸出鏡內(nèi)表面中心點的圓環(huán)形鏡 和輸出平面鏡構(gòu)成的諧振腔的本征膜正是點源球面波，而自身又很難獲得這一球面波。
4、 中空圓錐形放電區(qū)的內(nèi)外層管是帶水冷的銅管，也可以是其他帶水冷的金屬管， 其外管也可以是帶水冷的石英玻璃管，且每平方厘米均有一放電陰極針的石英管。
5、 中空圓錐管相位鎖定二氧化碳激光器的裝置包括中空圓錐形放電管(2)、圓環(huán)形球面全反射鏡(1)、平面輸出鏡(5)、軸上放電管(7)、位于軸上放電管(7)左端的凹面全反射鏡(6)、平面輸出鏡(5)后面會聚系統(tǒng)的第一鏡之前凹面部分反射面、會聚系統(tǒng)(17)和光源(19)組成，圓環(huán)形球面全反射鏡(1)與中空圓錐形放電管(2)左端連接，平面輸出鏡(5)與中空圓錐形放電管(2)右端連接，凹面全反射鏡(6)與軸上放電管(7)左端連接，軸上放電管(7)右端與柯閥管(10)連接，柯閥管(10)右端與雙密封法蘭(11)連接，雙密封法蘭(11)再與硬質(zhì)黃銅管(12)連接，硬質(zhì)黃銅管(12)右端再與中空圓錐形 放電管的內(nèi)層錐管(4)的頂部之開口處與該管連接形成接口 (13)，陽極(8)與軸上放電管 (7)左端連接，陰極(9)與軸上放電管(7)右端連接，會聚系統(tǒng)(17)位于平面輸出鏡(5) 之后并與中空圓錐形放電管(2)同軸，會聚系統(tǒng)(17)之第一鏡之前表面(16)為部分反射 的凹面球面，中空圓錐形放電管(2)的內(nèi)層錐管(4)是帶水冷的銅管，并作為電源的一個 注入電極，中空圓錐形放電管(2)的外層管(3)為帶水冷的銅管或帶風冷的每平方厘米均 有一放電陽極針的石英玻璃管，內(nèi)外層均為帶水冷的銅管的裝置則電源(19)采用射頻電源， 電能通過內(nèi)外層注入，內(nèi)層管為帶水冷的銅管而外層管為石英玻璃管的裝置則電源(19)采 用直流電源，內(nèi)層管為總陰極，外層石英玻璃管上的陽極設(shè)計為陽極，，其特征在于軸上放電 管和其全反射鏡(6)、平面輸出鏡(5)構(gòu)成的軸上激光器產(chǎn)生一個在輸出近場平行度很高的 高斯光束，該高斯光束經(jīng)會聚系統(tǒng)(17)之第一鏡之前表面的凹面的部分反射并經(jīng)輸出鏡透 射輸出鏡內(nèi)表面中心會聚為一個近似的點源，然后在發(fā)散傳輸?shù)街锌斟F形放電區(qū)并到達該放 電區(qū)之左端的圓環(huán)形全反射鏡1，并且其等位相面與鏡1的曲率半徑一致，經(jīng)圓環(huán)形鏡各局 部反射并且傳回到輸出鏡內(nèi)表面中心，由于圓環(huán)形鏡(1)各相應(yīng)局部有對稱關(guān)系，故光波在 各對稱的相應(yīng)局部鏡之間經(jīng)平面輸出鏡內(nèi)表面反射而來回傳輸形成軸上單管激光器所控制的 振蕩光波，光波各部分間為有鎖定的相位關(guān)系，該振蕩光波在平面輸出鏡(5)處的透射即為 相位鎖定的錐形輸出光束(15)，經(jīng)會聚系統(tǒng)(17)會聚后獲得極細的相干光束。
全文摘要
本發(fā)明一種錐形相位鎖定二氧化碳激光器，屬光學(xué)工程和激光應(yīng)用領(lǐng)域。它將圓錐型二氧化碳激光器和軸對稱輸出光束進行相位鎖定，使會聚光束形成強烈的相干迭加，從而使其具有的激光加工的效率和特性與軸流型二氧化碳激光器的充分接近，以至于超過，而在器件體積和使用方便方面又大占優(yōu)勢。使其與圓筒形CO₂激光器平板波導(dǎo)型CO₂激光器一樣，具有很好的緊湊性，其輸出光束質(zhì)量和相干性又高于圓筒形二氧化碳激光器的，在緊湊性和輸出水平質(zhì)量方面可高于平板波導(dǎo)器件。錐形相位鎖定二氧化碳激光器輸出光束經(jīng)會聚系統(tǒng)處理后可方便地應(yīng)用于金屬、非金屬材料的表面處理、焊接、切割、打孔等，可成為激光加工的重要設(shè)備。
文檔編號H01S3/03GK101630807SQ20081004558
公開日2010年1月20日 申請日期2008年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月17日
發(fā)明者劉靜倫, 李育德, 梅 陳 申請人:四川大學(xué)