專利名稱：一種用于橫流二氧化碳激光器的非穩(wěn)諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，主要用于改善高功率橫流二氧化碳激光器的光束質(zhì)量。
背景技術(shù)：
本專業(yè)的技術(shù)人員十分清楚，激光諧振腔(以下簡稱光腔)是激光器產(chǎn)生激光的不可缺少的關(guān)鍵部件。其基本物理原理是相同的，但在不同的激光器中具體結(jié)構(gòu)和形態(tài)不盡相同。高功率(指平均功率200瓦以上)橫流二氧化碳激光器因?yàn)闅怏w流動(dòng)、氣體放電激發(fā)、激光諧振腔的激光束出光的三方向是互相正交的，所以產(chǎn)生激光的增益區(qū)的橫截面一般是矩形的，而且不均勻。這樣，橫流二氧化碳激光的光束質(zhì)量一般不好，在工業(yè)和軍事應(yīng)用中受到了很大的限制。目前，橫流高功率二氧化碳激光器的光腔主要有三種形式平-凹穩(wěn)定腔，指由平面鏡和凹球面鏡組成的光腔；多折平-凹穩(wěn)定腔，這種腔與平-凹穩(wěn)定腔是一樣的思想，不同的是用折疊的方式增加光腔的長度改善光束質(zhì)量和提高增益區(qū)的利用效率；共焦點(diǎn)凸-凹非穩(wěn)定腔，指由有公共焦點(diǎn)的凸球面鏡和凹球面鏡組成的光腔。平-凹腔的顯著優(yōu)點(diǎn)是光腔最為穩(wěn)定，主要問題是光束質(zhì)量很差，所產(chǎn)生的激光是多模激光，聚焦性能和傳輸性能不好，聚焦后的最小光斑只能達(dá)到約一毫米，只能在對(duì)光束要求不高的熱處理、熔覆等場(chǎng)合中應(yīng)用。多折平-凹穩(wěn)定腔是從改善光束質(zhì)量和增加模體積從而提高效率出發(fā)而設(shè)計(jì)的光腔，但實(shí)際效果是光腔很不穩(wěn)定，因?yàn)樵黾恿斯馇坏拈L度所帶來的問題就是難以穩(wěn)定工作，例如一個(gè)五折腔的腔長是平-凹腔的五倍，任何位移變化至少放大五倍， 容易在運(yùn)行中失調(diào)而導(dǎo)致功率顯著降低甚至不出光。共焦點(diǎn)凸-凹非穩(wěn)定腔是根據(jù)平-凹腔的缺點(diǎn)提出改進(jìn)的光腔，用這種腔可以獲得比較好的光束質(zhì)量，聚焦的最小光斑能達(dá)到零點(diǎn)一毫米，可以進(jìn)行切割、焊接、和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)冗@樣的要求高的應(yīng)用，當(dāng)然也可以在低要求的加工中應(yīng)用；一般共焦點(diǎn)凸-凹非穩(wěn)定腔的所利用的增益區(qū)的橫截面是一個(gè)圓形或者矩形，為了獲得比較高的效率，它利用了一個(gè)凹面鏡、一個(gè)凸面鏡、一個(gè)45°放置的輸出耦合鏡和一個(gè)全透過窗口，它具有四個(gè)光學(xué)元件，具體結(jié)構(gòu)的典型圖示意如圖1 ；這樣的凸-凹非穩(wěn)定腔的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用中的調(diào)節(jié)難度大，可靠性比較差；必須說明的是這種腔的輸出耦合鏡中間的孔如果是圓形的，其輸出的激光束將是一個(gè)圓環(huán)；如果中間的孔是方型的，其輸出的激光束將是一個(gè)方形環(huán)。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)原有光腔的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的是提供一種用于橫流二氧化碳激光器的凸-凹非穩(wěn)定諧振腔(以下簡稱非穩(wěn)諧振腔)，為了達(dá)到這個(gè)目的，本實(shí)用新型的主要技術(shù)方案是這種非穩(wěn)諧振腔由凸球面全反鏡、凹球面全反鏡和激光輸出窗口等三個(gè)光學(xué)元件組成，當(dāng)凸球面全反鏡和凹球面全反鏡按照一定的方式組合時(shí)，該光腔是一個(gè)單端正支的虛共焦凸-凹非穩(wěn)腔，光學(xué)上是一個(gè)望遠(yuǎn)鏡型的諧振腔，其輸出的激光束為平行光。本實(shí)用新型所述的非穩(wěn)諧振腔的凸球面全反鏡還可以是凹球面全反鏡。當(dāng)一個(gè)凹球面全反鏡和凹球面全反鏡適當(dāng)組合時(shí)，該非穩(wěn)諧振腔結(jié)構(gòu)是一個(gè)實(shí)共焦凹-凹非穩(wěn)腔。本實(shí)用新型所述的非穩(wěn)諧振腔的核心內(nèi)容之一是一般非穩(wěn)諧振腔具有四個(gè)光學(xué)元件，其中耦合和輸出是由兩個(gè)光學(xué)元件完成，即45°布置的輸出耦合鏡和全透過窗口， 其輸出光束與諧振腔光軸成90°轉(zhuǎn)折，從而造成使用上的不方便和調(diào)節(jié)的困難，也使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜和不可靠；這種一般非穩(wěn)腔的具體原理圖如圖1。而本實(shí)用新型所述的非穩(wěn)諧振腔只有三個(gè)光學(xué)元件，其中采用了一個(gè)特殊的支撐結(jié)構(gòu)(簡稱支撐桿)將輸出一端的球面鏡 (如果是虛共焦非穩(wěn)腔該球面鏡就是凸球面鏡，如果是實(shí)共焦腔該球面鏡就是凹球面鏡) 支撐起來直接實(shí)現(xiàn)輸出而不需要45°耦合鏡。支撐桿與輸出端的球面鏡是直接焊接在一起或粘接在一起。具體原理圖如圖2。如果輸出耦合的球面鏡是圓形的，輸出的激光束將是圓環(huán)；如果輸出耦合的球面鏡是方形的，輸出的激光束則是方形環(huán)；但是它們的共同特點(diǎn)是中間都有支持桿遮擋后的陰影，即圓環(huán)或方環(huán)中間都有支撐桿陰影而不完整，使激光光束近場(chǎng)能看到被遮擋的部位。該支撐桿除了支撐的作用外，還有通過冷卻液體從而冷卻輸出耦合鏡的作用，因?yàn)楦吖β始す獾墓β拭芏却螅R片的反射率必然小于100%而存在吸收， 不冷卻鏡片就會(huì)變形或燒毀而影響使用。同時(shí)為了盡量避免支持桿遮擋過多的激光(被遮擋的部分能量是被浪費(fèi)掉的部分)，支撐桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為扁平結(jié)構(gòu)，既保證了一定的支撐強(qiáng)度又使得擋光面積小，即與光軸平行方向?qū)?、與光軸垂直方向窄、中間是空心的便于通過冷卻液體。具體制作時(shí)可以用一根金屬管將其支持鏡片的部位壓扁而其它部位維持圓形截面，這樣既有比較高的強(qiáng)度又能保持液體在支持桿內(nèi)暢通。當(dāng)本實(shí)用新型所述的非穩(wěn)諧振腔鏡片由一般球面曲率組合就構(gòu)成一般非穩(wěn)諧振腔，此時(shí)輸出的光束不是平行光，需要再處理才能變?yōu)槠叫泄?。本?shí)用新型的主要優(yōu)點(diǎn)是1)、獲得準(zhǔn)基模的激光束輸出，這是接近衍射極限的性能最好的光束模式；幻、實(shí)現(xiàn)輸出光軸和諧振腔的光軸同心而不改變光的傳輸方向，調(diào)節(jié)和使用起來都方便；幻、盡可能充分地利用橫流激光器的增益區(qū)，獲得盡可能大的模體積和盡可能高的激光轉(zhuǎn)換效率；4)、能夠長期穩(wěn)定工作，便于橫流激光器的大規(guī)模工業(yè)和軍事應(yīng)用。本實(shí)用新型除了上述顯著特點(diǎn)外，還具有結(jié)構(gòu)簡單容易實(shí)現(xiàn)等適合工程化的優(yōu)點(diǎn)。它所需要的光學(xué)元件只有三個(gè)，安裝好后需要調(diào)整的元件只有一個(gè)、即一個(gè)球面全反射鏡，在調(diào)整好以后就基本不需要?jiǎng)恿?，特別適合工業(yè)生產(chǎn)和軍事應(yīng)用。從高功率激光應(yīng)用方面看，橫流二氧化碳激光是高功率氣體激光中成本最低、效率最高、功率最高、壽命最長的激光器，只是因?yàn)楣馐|(zhì)量不好而失去了很多應(yīng)用領(lǐng)域。本實(shí)用新型可以徹底地解決這樣的問題，使橫流激光器的應(yīng)用產(chǎn)生根本的變化。本實(shí)用新型除了能用于二氧化碳激光器外，還能夠用于類似的氣體激光器、例如一氧化碳激光器和準(zhǔn)分子激光器等等激光器。

圖1是普通虛共焦非穩(wěn)諧振腔基本結(jié)構(gòu)示意圖。在普通的虛共焦非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)中，組成光腔的光學(xué)元件是四個(gè)其中元件(1)是凹球面鏡，⑵是凸球面鏡，⑶是45°度耦合鏡，⑷是輸出窗口。元件⑴和(2)組成基本的諧振腔，(3)用于耦合，(4)用于隔離激光工作氣體和大氣。[0012]圖2是本實(shí)用新型虛共焦非穩(wěn)諧振腔基本結(jié)構(gòu)示意圖。在本實(shí)用新型的虛共焦非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)中，組成光腔的光學(xué)元件是三個(gè)其中元件 (5)是凹球面鏡，(6)是凸球面鏡，(7)是輸出窗口。元件(5)和(6)組成基本的諧振腔，(7) 用于隔離激光工作氣體和大氣。與普通的虛共焦非穩(wěn)腔不同的是，元件(6)有一個(gè)支撐桿將凸球面鏡支撐起來實(shí)現(xiàn)激光的直接輸出，輸出光的方向與振蕩光的方向一致。支撐桿除了起到支撐凸球面鏡的作用外，還有冷卻凸球面鏡的作用。支撐桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為扁平結(jié)構(gòu)， 既保證了一定的支撐強(qiáng)度又使得擋光面積小，即與光軸平行方向?qū)?、與光軸垂直方向窄、中間是空心的便于通過冷卻液體。圖3、圖4和圖5是其中凸球面鏡和支撐桿以及外圍安裝環(huán)裝配起來的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖3是主視圖、圖4是俯視圖、圖5是側(cè)視圖。在這三個(gè)圖中，支撐桿(8)是扁平和空心的，凸球面鏡(9)是方形的，因此輸出的激光光斑是方環(huán)形，外圍安裝環(huán)(10)是圓形的。如果將凸球面鏡設(shè)計(jì)為圓形的，則輸出的激光光斑是圓環(huán)形的。圖2中的三個(gè)光學(xué)元件的具體幾何尺寸和光學(xué)參數(shù)(包括鏡面的曲率半徑)根據(jù)具體激光器的需要計(jì)算確定。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的具體實(shí)施例子如下一個(gè)平均功率為10000W的橫流TEA 二氧化碳激光器，工作頻率150_500Ηζ，單脈沖能量20-50J，光腔長度2000mm，其氣體放電產(chǎn)生的增益區(qū)截面為46mmX46mm的方形，元件 (5)是曲率半徑為8000mm、鏡面尺寸為Φ80πιπι、厚度為20的凹球面全反射鏡；元件(6)是曲率半徑為4000mm、鏡面尺寸為23mmX 23mm正方形、厚度為20mm的凸球面全反射鏡；元件 (7)是鏡面尺寸為Φ96πιπι、厚度為10mm、透過率接近100%的平面輸出窗口。這樣的組合起來的非穩(wěn)諧振腔是一個(gè)放大倍率M(兩個(gè)全反射鏡的曲率半徑8000mm和4000mm的比值)為2的單端正支的虛共焦凸-凹非穩(wěn)腔，其輸出光束在接近輸出窗口處的形狀是一個(gè)外邊長為46mm、內(nèi)邊長為23mm的方形環(huán)。輸出光束模式為基膜，功率為10000W，極大地改善了光束質(zhì)量和拓寬了橫流二氧化碳激光器的應(yīng)用范圍。
權(quán)利要求1.一種用于橫流二氧化碳激光器的非穩(wěn)諧振腔，它由凹球面全反鏡、凸球面全反鏡和激光輸出窗口組成，其特征在于當(dāng)凹球面全反鏡和凸球面全反鏡組合時(shí)，其組合鏡光腔是一個(gè)單端正支的虛共焦凸-凹非穩(wěn)腔，它通過窗口直接輸出激光，因此激光輸出方向與諧振方向是相同的。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種用于橫流二氧化碳激光器的非穩(wěn)諧振腔，其特征在于 當(dāng)凸球面全反鏡改為凹球面全反鏡時(shí)，通過球面曲率組合，虛共焦非穩(wěn)腔就變成實(shí)共焦非穩(wěn)腔。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種用于橫流二氧化碳激光器的非穩(wěn)諧振腔，其特征在于 采用了支撐桿將輸出一端的球面鏡支撐起來直接實(shí)現(xiàn)輸出而不需要45°耦合鏡。
4.按照權(quán)利要求1所述的一種用于橫流二氧化碳激光器的非穩(wěn)諧振腔，其特征在于 在高功率狀態(tài)下，為了減少對(duì)輸出激光的遮擋，支撐桿采用扁平結(jié)構(gòu)。
5.按照權(quán)利要求1所述的一種用于橫流二氧化碳激光器的非穩(wěn)諧振腔，其特征在于 在高功率狀態(tài)下，為了冷卻諧振腔的球面鏡，支撐桿采用空心的結(jié)構(gòu)便于冷卻介質(zhì)通過。
專利摘要一種用于橫流二氧化碳激光器的凸-凹非穩(wěn)定諧振腔，主要用于改善高功率橫流二氧化碳激光器的光束質(zhì)量。該激光諧振腔的主要技術(shù)方案是這種非穩(wěn)諧振腔由凸球面全反鏡、凹球面全反鏡和激光輸出窗口等三個(gè)光學(xué)元件組成，當(dāng)凸球面全反鏡和凹球面全反鏡按照一定的方式組合時(shí)，該光腔是一個(gè)單端正支的虛共焦凸-凹非穩(wěn)腔，光學(xué)上是一個(gè)望遠(yuǎn)鏡型的諧振腔，其輸出的激光束為平行光。
文檔編號(hào)H01S3/22GK202025978SQ20102051951
公開日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者潘浩, 陳清明 申請(qǐng)人:武漢大族金石凱激光系統(tǒng)有限公司