一種可調(diào)諧板條激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可調(diào)諧板條激光器，屬于激光器【技術領域】，其目的在于解決提高小型化可調(diào)諧板條激光器輸出功率的問題。其技術方案為：包括真空腔體，所述真空腔體內(nèi)橫向設置有光路折疊系統(tǒng)，所述光路折疊系統(tǒng)包括反射式閃耀光柵、全反射凹面鏡、全反射凸面鏡和部分反射輸出鏡，振蕩光通過閃耀光柵選頻后依次經(jīng)過全反射凹面鏡、全反射凸面鏡并在全反射凹面鏡、全反射凸面鏡上產(chǎn)生反射，經(jīng)反射后的光線最終通過部分反射輸出鏡輸出。本發(fā)明主要用于激光器，既可以保證激光器的輸出光束質(zhì)量，又可以降低光柵面上的功率密度，實現(xiàn)更大的功率輸出。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種可調(diào)諧板條激光器，具體涉及一種可實現(xiàn)較大功率輸出的可調(diào)諧 板條激光器，屬于激光器【技術領域】。 -種可調(diào)諧板條激光器

【背景技術】
[0002] 可調(diào)諧激光器一般分為兩類：一種基于介質(zhì)的寬帶發(fā)射光譜結(jié)合選頻技術來實現(xiàn) 激光振蕩波長的連續(xù)調(diào)諧，染料激光器、可調(diào)諧準分子激光器、高壓氣體激光器、固體過渡 金屬離子激光器、色心激光器、可調(diào)諧半導體激光器、自由電子激光器等均屬于這一類；另 一類是對某一固定波長激光或可調(diào)諧激光通過非線性光學的光參量過程，而得到波長連續(xù) 可調(diào)的光參量激光技術，如光參量振蕩技術、光參量放大技術、可調(diào)諧的倍頻、和頻、差頻和 喇曼移頻技術等。本申請針對的可調(diào)諧板條激光器屬于前一種。
[0003] 早期的連續(xù)氣體激光器(如二氧化碳激光器）多為直流放電，氣體為軸流運動方 式，采用石英玻璃管結(jié)合穩(wěn)定腔的結(jié)構(gòu)。因此氣體激光器的選支技術一開始也在這種結(jié)構(gòu) 上發(fā)展，玻璃管兩端加載直流高壓，在低氣壓(典型值如30mbar)下產(chǎn)生穩(wěn)定的輝光放電，諧 振腔的半透輸出鏡不變，而將全反射尾鏡替換為外腔反射式光柵從而實現(xiàn)可調(diào)諧功能。這 種可調(diào)諧激光器雖然譜線較多，但穩(wěn)定性較差，長期工作在高壓直流放電條件下的電極易 腐蝕，氣體更換頻繁。且當功率較大時，激光器體積龐大，系統(tǒng)的集成性、便攜性差，工作環(huán) 境要求較高，不利于在實驗室以外的場所安裝使用。
[0004] 高頻(射頻、微波）激勵氣體激光器采用低壓高頻電源取代高壓直流電源，具有輸 出功率與效率更高，不會發(fā)生陰極腐蝕，可全封離長期運行等優(yōu)點。板條激光器可以采用面 增比技術，不再單純的依靠增加腔長來提高輸出功率，結(jié)構(gòu)緊湊，體積更小，適合實驗室以 外的環(huán)境。然而，現(xiàn)有的板條激光器一般采用非穩(wěn)腔，這種方法可以通過面增比技術實現(xiàn)大 功率激光輸出，但實現(xiàn)可調(diào)諧時遇到障礙。如果其采用折疊穩(wěn)定腔，雖然可以實現(xiàn)光柵調(diào) 諧，但無法發(fā)揮板條激光器依靠面增比提高功率的優(yōu)勢，不利于大功率可調(diào)諧技術的實現(xiàn)。 另一方面，受限于光柵的最大功率承受密度所限，現(xiàn)有的可調(diào)諧板條激光器功率均低于百 瓦量級，難以繼續(xù)提高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種可調(diào)諧板條激光器，旨在解決提高小型化可調(diào)諧板條 激光器輸出功率的問題。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案為： 一種可調(diào)諧板條激光器，包括真空腔體，其特征在于：所述真空腔體內(nèi)橫向設置有光路 折疊系統(tǒng)，所述光路折疊系統(tǒng)包括反射式閃耀光柵、全反射凹面鏡、全反射凸面鏡和部分反 射輸出鏡，振蕩光通過反射式閃耀光柵選頻后依次射入全反射凹面鏡、全反射凸面鏡并在 全反射凹面鏡、全反射凸面鏡上產(chǎn)生反射，經(jīng)反射后的振蕩光最終通過部分反射輸出鏡輸 出。
[0007] 進一步地，全反射凹面鏡與全反射凸面鏡的焦點重合。
[0008] 進一步地，反射式閃耀光柵的出射光和部分反射輸出鏡的入射光均為平行光。
[0009] 進一步地，光線在全反射凹面鏡和全反射凸面鏡上重復產(chǎn)生反射，反射的總次數(shù) 為2次、4次或6次。
[0010] 進一步地，所述真空腔體內(nèi)縱向設置有上、下兩塊電極，電極通過傳輸線與射頻電 源連接并在電極之間形成增益區(qū)間。
[0011] 進一步地，真空腔體內(nèi)設置有水冷流道，所述水冷流道兩端分別通過連接接頭與 進水管、出水管--對應連接。
[0012] 進一步地，進水管與真空腔體之間、出水管與真空腔體之間均通過0型氟橡膠密 封圈旋轉(zhuǎn)密封。
[0013] 進一步地，還包括用于調(diào)節(jié)反射式閃耀光柵角度的旋轉(zhuǎn)手柄，所述旋轉(zhuǎn)手柄一端 穿過真空腔體與反射式閃耀光柵連接。
[0014] 進一步地，還設有兩組反射鏡調(diào)節(jié)裝置，所述反射鏡調(diào)節(jié)裝置包括鏡座、螺桿和調(diào) 節(jié)蓋板，全反射凹面鏡或全反射凸面鏡安裝于鏡座上，螺桿一端穿過真空腔體與鏡座連 接，螺桿另一端與固定安裝于真空腔體上的調(diào)節(jié)蓋板螺紋連接。
[0015] 進一步地，所述每一組反射鏡調(diào)節(jié)裝置中螺桿設置三根，螺桿與真空腔體之間通 過0型氟橡膠密封圈旋轉(zhuǎn)密封。
[0016] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于： 1.真空腔體內(nèi)的增益區(qū)間由上下兩塊平板電極構(gòu)成，增益區(qū)間兩側(cè)分布四個光學元 器件，分別為全反射凹面鏡、全反射凸面鏡、部分反射輸出鏡和反射式閃耀光柵；作為激光 器輸出f禹合鏡的部分反射輸出鏡和反射式閃耀光柵構(gòu)成了傳統(tǒng)的選支腔；在一般條件下， 反射式閃耀光柵單位面積所能承受的功率密度是有限的，因此限制了選支腔的激光輸出功 率，但加入兩片全反鏡折疊光路后，每次震蕩經(jīng)折疊一次后，光束經(jīng)歷一次擴束，到達全反 射光柵時光束直徑相對于部分反射輸出鏡處放大，既保證了激光器的輸出光束質(zhì)量，又降 低了光柵面上的功率密度，從而實現(xiàn)更大的功率輸出；本激光器在繼承板條激光器高增益、 小體積等優(yōu)點的前提下實現(xiàn)了選支調(diào)諧功能，實現(xiàn)大功率可調(diào)諧輸出。此外，本可調(diào)諧板條 激光器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易實現(xiàn)，采用全金屬真空腔體，可實現(xiàn)全封離運行。
[0017] 2.全反射凹面鏡與全反射凸面鏡的焦點重合，全反射凹面鏡與全反射凸面鏡的橫 向幾何尺寸設計合理，振蕩光束的每個折疊光路盡量靠近，以達到充分利用增益工作介質(zhì) 的目的，提1?激光效率。
[0018] 3.設計時，光線在光路折疊系統(tǒng)中的折疊次數(shù)不易太多，折疊次數(shù)過多則會導致 諧振腔的失調(diào)特性下降，輕微的振動和變形就可能造成光路偏差過大而不能起振，激光器 很難穩(wěn)定工作，而折疊次數(shù)在4次或6次時，效果較好。
[0019] 4.增益區(qū)間由上下兩塊平板電極構(gòu)成，間距f3mm，構(gòu)成波導腔，在波導方向利用 光柵腔最低階模、波導最低階模以及小范圍增益體積的良好匹配，實現(xiàn)高效、高光束質(zhì)量的 激光振蕩；另一方面，腔內(nèi)的望遠鏡折疊系統(tǒng)既起到了利用板條放電區(qū)域的作用，同時也對 振蕩激光進行了擴束，降低了光柵面上的激光功率密度，使得光柵調(diào)諧激光器可以實現(xiàn)更 大的功率輸出，且光束質(zhì)量優(yōu)秀。
[0020] 5.電極內(nèi)加工有水冷流道，即圖1中虛線所示，水冷流道通過連接接頭與進水管、 出水管相連從而實現(xiàn)擴散冷卻。
[0021] 6.旋轉(zhuǎn)手柄一端穿過真空腔體與反射式閃耀光柵連接，通過旋轉(zhuǎn)手柄調(diào)節(jié)反射式 閃耀光柵的角度并最終進行調(diào)諧。
[0022] 7.全反射凹面鏡或全反射凸面鏡安裝于鏡座上，鏡座通過穿墻的螺桿安裝在腔體 壁上，螺桿的調(diào)節(jié)功能通過與腔體上的調(diào)節(jié)蓋板上的細牙螺紋配合實現(xiàn)，且螺桿三根一組 配合使用，實現(xiàn)二維方向的調(diào)節(jié)準直。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明中光線折疊示意簡圖； 圖3為本發(fā)明中全反射凹面鏡與全反射凸面鏡的參數(shù)設計簡圖； 其中，附圖標記為：1 一增益區(qū)間、2-全反射凹面鏡、3-全反射凸面鏡、4一部分反射 輸出鏡、5-反射式閃耀光柵、6-電極、7-進水管、8-出水管、9一連接接頭、10-輸出鏡鏡 座、11 一螺桿、12-調(diào)節(jié)蓋板、13、14 一鏡座、15-旋轉(zhuǎn)手柄、16-真空腔體。

【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進一步說明： 實施例一 一種可調(diào)諧板條激光器，包括真空腔體，真空腔體為全金屬結(jié)構(gòu)，本實施例中其材料為 鋁材，散熱性佳，重量輕，加工時進行熱處理減少變形。射頻電源通過傳輸線連接到真空腔 體內(nèi)壁的上、下兩壁上構(gòu)成波導腔。真空腔體內(nèi)橫向設置有光路折疊系統(tǒng)，該光路折疊系統(tǒng) 包括反射式閃耀光柵、全反射凹面鏡、全反射凸面鏡和部分反射輸出鏡，反射式閃耀光柵和 全反射凸面鏡安裝于真空腔體內(nèi)表面的一側(cè)壁上；全反射凹面鏡和部分反射輸出鏡安裝于 真空腔體內(nèi)表面與反射式閃耀光柵或全反射凸面鏡相對的側(cè)壁上，其中，部分反射輸出鏡 安裝于真空腔體側(cè)壁預先開設的通孔內(nèi)，輸出鏡鏡座部分伸入該通孔內(nèi)并與部分反射輸出 鏡固定連接，輸出鏡鏡座通過螺釘連接固定安裝于真空腔體外壁。全反射凹面鏡和全反射 凸面鏡的鏡面均采用無氧銅作基底，超精車工藝加工鏡面，鏡面可以是球面也可以為柱面， 全反射凹面鏡和全反射凸面鏡的鏡面均傾斜設置，且兩者的傾斜方向、分別與真空腔體的 側(cè)壁的夾角均相同，部分反射輸出鏡是指部分反射的輸出鏡；部分反射輸出鏡為半透半反 鏡，透反比依據(jù)激光增益大小和各處衍射損耗綜合權衡，如射頻二氧化碳激光器可用ZnSe 基底材料鍍膜實現(xiàn)90%左右的反射率。
[0025] 振蕩光通過反射式閃耀光柵選頻后入射在全反射凹面鏡上產(chǎn)生第一次全反射，第 一次全反射光線入射在全反射凸面鏡上產(chǎn)生第二次全反射，光線在全反射凹面鏡、全反射 凸面鏡上重復產(chǎn)生偶數(shù)次全反射，最終光線經(jīng)全反射凸面鏡全反射后入射至部分反射輸出 鏡輸出。振蕩光經(jīng)折疊一次后，光束經(jīng)歷一次擴束，使得到達反射式閃耀光柵時光束直徑相 對于到達部分反射輸出鏡位置時被放大。由一塊部分反射輸出鏡和一塊反射式閃耀光柵構(gòu) 成的光柵選支腔、由真空腔體內(nèi)壁的上、下兩壁構(gòu)成空心波導腔、由一面全反射凹面鏡和一 面全反射凸面鏡構(gòu)成的望遠鏡折疊系統(tǒng)三者組成一種折疊波導光柵腔，作為可調(diào)諧板條激 光器的諧振腔。
[0026] 真空腔體內(nèi)壁的上、下兩壁之間形成增益區(qū)間，在增益區(qū)間的兩側(cè)分布四個光學 元器件分別為反射式閃耀光柵、全反射凹面鏡、全反射凸面鏡和部分反射輸出鏡。作為激光 器輸出f禹合鏡的部分反射輸出鏡和反射式閃耀光柵構(gòu)成了傳統(tǒng)的選支腔，在一般條件下， 反射式閃耀光柵單位面積所能承受的功率密度是有限的，因此限制了選支腔的激光輸出功 率。若增加選支腔的菲涅爾數(shù)，即增大部分反射輸出鏡和反射式閃耀光柵的橫向尺寸，又會 導致輸出光束質(zhì)量下降，且會帶來散熱問題。但在光路中加入全反射凹面鏡、全反射凸面鏡 折疊光路后，每次震蕩經(jīng)折疊一次后，光束經(jīng)歷一次擴束，到達反射式閃耀光柵時光束直徑 相對于部分反射輸出鏡處放大，既保證了激光器的輸出光束質(zhì)量，又降低了光柵面上的功 率密度，從而實現(xiàn)更大的功率輸出。此外，本可調(diào)諧板條激光器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易實現(xiàn)。采 用全金屬真空腔體，可實現(xiàn)全封離運行。
[0027] 實施例二 在實施例一的基礎上，全反射凹面鏡與全反射凸面鏡的焦點〇重合(共焦)，共焦點〇與 全反射凸面鏡之間的距離L2為全反射凸面鏡的曲率半徑R2的一半，共焦點0與全反射凹 面鏡間的距離L1為全反射凸面鏡的曲率半徑R1的一半，具體設計如圖2所示。如此設計， 則可以使得振蕩光束的每個折疊光路盡量靠近，以達到充分利用增益工作介質(zhì)的目的，提 高激光效率。振蕩光通過反射式閃耀光柵選頻后的出射光為平行光，最后一次經(jīng)全反射凸 面鏡反射后射入部分反射輸出鏡的入射光仍為平行光。諧振腔實際上等效于一個插入周期 性擴束系統(tǒng)的穩(wěn)定腔。設光路在光柵與輸出鏡之間周期折疊了 η次，則經(jīng)過了 η次擴束有 如下尺寸關系：（a+c_b)=nMa，M為放大倍數(shù)。實際工作時，光線折疊次數(shù)不易太多，否則會 導致諧振腔的失調(diào)特性下降，輕微的振動和變形就可能造成光路偏差過大而不能起振，激 光器很難穩(wěn)定工作。如圖3所示，圖3給出的折疊次數(shù)為六次，顯然可以理解，本發(fā)明并不 限定折疊次數(shù)，可以為2、4、6等依此類推。插入的望遠鏡折疊系統(tǒng)并不會對腔內(nèi)模式造成 本質(zhì)的影響。
[0028] 實施例三 在實施例一或?qū)嵤├幕A上，在真空腔體內(nèi)縱向設置有上、下兩塊電極，電極可用 鋁或銅加工制作，本實施例中電極材料為銅，上電極靠近真空腔體內(nèi)部頂面，下電極靠近真 空腔體內(nèi)部底面，上、下兩塊電極之間的間距為l~3mm，兩電極通過傳輸線與射頻電源連接 并在電極之間形成增益區(qū)間。
[0029] 實施例四 在實施例一、實施例二或?qū)嵤├幕A上，真空腔體內(nèi)設置有水冷流道(如圖1中虛 線所示)，所述水冷流道為蛇形水冷流道，水冷流道的兩端均分別通過連接接頭與進水管、 出水管一一對應連接，其中進水管與真空腔體之間、出水管與真空腔體之間均通過〇型氟 橡膠密封圈旋轉(zhuǎn)動密封，所述進水管、出水管均采用不銹鋼管或銅管，本實施例中進水管、 出水管均采用不銹鋼管，且進水管、出水管均通過軟管連接到冷水機。通過連接接頭與進水 管、出水管相連實現(xiàn)擴散冷卻。
[0030] 實施例五 在上述實施例的基礎上，反射式閃耀光柵一端連接有用于調(diào)節(jié)反射式閃耀光柵角度的 旋轉(zhuǎn)手柄，該旋轉(zhuǎn)手柄一端穿過真空腔體并與真空腔體內(nèi)的反射式閃耀光柵連接，旋轉(zhuǎn)手 柄另一端為自由端。通過手動轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)手柄從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)光柵角度的調(diào)諧。
[0031] 實施例六 在上述實施例的基礎上，該可調(diào)諧板條激光器還設有兩組反射鏡調(diào)節(jié)裝置，兩組反射 鏡調(diào)節(jié)裝置對應全反射凹面鏡與全反射凸面鏡。所述反射鏡調(diào)節(jié)裝置包括鏡座、螺桿和調(diào) 節(jié)蓋板，全反射凹面鏡或全反射凸面鏡安裝于鏡座上，其中，全反射凹面鏡與鏡座13連接， 全反射凸面鏡與鏡座14連接，螺桿一端穿過真空腔體與鏡座連接，螺桿另一端與調(diào)節(jié)蓋板 螺紋連接，該調(diào)節(jié)蓋板位于真空腔體外表面的凹槽內(nèi)。每一組反射鏡調(diào)節(jié)裝置中螺桿設置 三根，螺桿與真空腔體之間通過0型氟橡膠密封圈旋轉(zhuǎn)密封。
【權利要求】
1. 一種可調(diào)諧板條激光器，包括真空腔體（16)，其特征在于：所述真空腔體（16)內(nèi)橫 向設置有光路折疊系統(tǒng)，所述光路折疊系統(tǒng)包括反射式閃耀光柵（5)、全反射凹面鏡（2)、 全反射凸面鏡（3)和部分反射輸出鏡（4)，振蕩光通過反射式閃耀光柵（5)選頻后依次射入 全反射凹面鏡（2)、全反射凸面鏡（3)并在全反射凹面鏡（2)、全反射凸面鏡（3)上產(chǎn)生反 射，經(jīng)反射后的振蕩光最終通過部分反射輸出鏡（4)輸出。
2. 如權利要求1所述的一種可調(diào)諧板條激光器，其特征在于：全反射凹面鏡（2)與全反 射凸面鏡（3)的焦點重合。
3. 如權利要求1所述的一種可調(diào)諧板條激光器，其特征在于：光線在全反射凹面鏡（2) 和全反射凸面鏡（3)上重復產(chǎn)生反射，反射的總次數(shù)為2次、4次或6次。
4. 如權利要求1所述的一種可調(diào)諧板條激光器，其特征在于：所述真空腔體（16)內(nèi)縱 向設置有上、下兩塊電極（6)，電極（6)通過傳輸線與射頻電源連接并在電極（6)之間形成 增益區(qū)間。
5. 如權利要求1所述的一種可調(diào)諧板條激光器，其特征在于：真空腔體（16)內(nèi)設置有 水冷流道，所述水冷流道兩端分別通過連接接頭（9)與進水管（7)、出水管（8) -一對應連 接。
6. 如權利要求5所述的一種可調(diào)諧板條激光器，其特征在于：進水管（7)與真空腔體 (16)之間、出水管（8)與真空腔體（16)之間均通過0型氟橡膠密封圈旋轉(zhuǎn)密封。
7. 如權利要求1所述的一種可調(diào)諧板條激光器，其特征在于：還包括用于調(diào)節(jié)反射式 閃耀光柵（5)角度的旋轉(zhuǎn)手柄（15)，所述旋轉(zhuǎn)手柄（15)-端穿過真空腔體（16)與反射式閃 耀光柵（5)連接。
8. 如權利要求1所述的一種可調(diào)諧板條激光器，其特征在于：還設有兩組反射鏡調(diào)節(jié) 裝置，所述反射鏡調(diào)節(jié)裝置包括鏡座（13)、螺桿（11)和調(diào)節(jié)蓋板（12)，全反射凹面鏡（2) 或全反射凸面鏡（3)安裝于鏡座（13、14)上，螺桿（11) 一端穿過真空腔體（16)與鏡座（13) 連接，螺桿（11)另一端與固定安裝于真空腔體（16)上的調(diào)節(jié)蓋板（12)螺紋連接。
9. 如權利要求8所述的一種可調(diào)諧板條激光器，其特征在于：所述每一組反射鏡調(diào)節(jié) 裝置中螺桿（11)設置三根，螺桿（11)與真空腔體（16)之間通過0型氟橡膠密封圈旋轉(zhuǎn)密 封。
【文檔編號】H01S3/042GK104064945SQ201410336194
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權日:2014年7月16日
【發(fā)明者】王度, 周遜, 李賾宇, 羅振飛, 孔維鵬, 李光彬, 鄒明芮 申請人:成都精密光學工程研究中心