專利名稱：集束式超大功率二氧化碳激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種集束式超大功率優(yōu)良模式CO2激光器，屬于激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
波長(zhǎng)為10．6μm的CO2激光具有良好的水吸收特性和自由空間穿透性，尤其是作用于生物體組織，能夠產(chǎn)生良好的生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)。因此CO2激光器的研制和應(yīng)用倍受重視，發(fā)展很快。自七十年代初以來(lái)，CO2激光器經(jīng)歷了直流激勵(lì)的封離型、快速軸流型、快速橫流型等三代，以及改進(jìn)的快速軸流型準(zhǔn)第四代，目前已發(fā)展到了射頻激勵(lì)擴(kuò)散型冷卻的第四代，激光器體積大大縮小，模式質(zhì)量大幅提高，標(biāo)志性m2值達(dá)到了1．1至1．3，真正實(shí)現(xiàn)了功率大、模式質(zhì)量高的完美統(tǒng)一。但是，國(guó)內(nèi)第四代CO2激光器尚處研究階段，而進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格昂貴，單支100W射頻激勵(lì)CO2激光器售價(jià)2萬(wàn)多美元，而1000W的則需30多萬(wàn)美元，很多臨床、工程及實(shí)驗(yàn)的推廣應(yīng)用因此受阻。國(guó)內(nèi)的第二、三、準(zhǔn)四代產(chǎn)品由于體積龐大，外設(shè)復(fù)雜，振動(dòng)噪聲大等問(wèn)題，也還不適合在上述場(chǎng)合應(yīng)用。
本實(shí)用新型的目的是依據(jù)國(guó)內(nèi)CO2激光的研制和生產(chǎn)水平，在已形成批量生產(chǎn)能力的第一代國(guó)產(chǎn)的直流激勵(lì)封離型激光器的基礎(chǔ)上，采用通常的穩(wěn)頻、鎖模等技術(shù)改善單支激光器的性能指標(biāo)，采用獨(dú)特的多激光束匯聚、縮束等合成技術(shù)(非線性和幾何光學(xué)處理技術(shù))提高合成激光束質(zhì)量，以低廉的成本使“合成”激光束質(zhì)量接近準(zhǔn)四代的指標(biāo)。
本實(shí)用新型采用的具體技術(shù)方案是一．采用若干支激光器排列成密排正六方陣列(1)。對(duì)該陣列可用“行”和“環(huán)”兩種方法加以描述“行”描述法。激光器分組排成行，行與行相互平行密排，設(shè)有一中心組，其他各組對(duì)稱分列其兩邊，對(duì)稱位置上的組數(shù)目相等。當(dāng)中心組采用三支時(shí)，在其兩邊對(duì)稱排列各一組兩支，陣列可表示為“232”，陣列共有7支激光器組成；中心組為5支的陣列分5組可表示為“34543“，共有19支激光器；……依次類推，中心組為N支的陣列分N組，共有N2-2(1+2+…(N-1)／2)支。例如，中心組為7支的陣列分7組，可表示為“4567654”，共有72-2(1+2+3)=37支激光器。
“環(huán)”描述法。激光器分組排成環(huán)，環(huán)與環(huán)密排，第一層僅有一支激光器，稱中心激光器；第二層有(2-1)·6=6支激光器，緊密圍繞中心激光器排成正六方形，每邊有2支；第三層有(3-1)·6=12支激光器，緊密圍繞第二層排成正六方形，每邊有3支…依此類推，第M層有(M-1)·6支，每邊有M支，共有1+6+12+…+(M-1)·6支。例如，四層的陣列第四層有(4-1)·6=18支，每邊有4支，四層共有1+6+12+18=37支。由于正六方形具有的對(duì)稱性和周期性，我們可以只分析說(shuō)明十二分之一的一角。
排成陣列的激光器互相平行，朝一個(gè)方向(前方)平行地但分散地發(fā)射激光束。
二．在激光器陣列前方設(shè)有匯聚反射鏡陣列除中心激光器發(fā)射的中心激光束直行不需反射外，為其余每個(gè)激光器配備一對(duì)反射鏡，其中一組外圍反射鏡，呈45°，把分散的激光束各向中心折射90°，另一組中央反射鏡，也呈45°，把外圍反射鏡折射來(lái)的激光束再折射90°至與中心激光束平行并與其緊密靠攏，成為大口徑合成激光束，仍呈正六邊形排列。為避免各反射鏡遮擋其他激光束，匯聚反射鏡應(yīng)前后錯(cuò)開(kāi)排列每一層有6支或12支激光器和激光束處于以中心激光器中心為圓心的同一半徑R上，是同位的、其匯聚反射鏡應(yīng)排在垂直于光軸的同一平面內(nèi)；處于不同半徑R的、不同位的激光器和激光束，其匯聚反射鏡則應(yīng)在不同的平面內(nèi)，錯(cuò)開(kāi)的距離應(yīng)不小于反射鏡的高度。
三．在大口徑合成激光束前進(jìn)的路徑上設(shè)有一反射鏡，把合成激光束折射到需要的方向，仍呈正六邊形排列。
四．折射后的大口徑合成激光束由縮束透鏡組縮成小口徑高光強(qiáng)的合成激光束，以便進(jìn)一步傳送到需要的地點(diǎn)，聚焦后得到足夠大的焦深。
五．縮束后的合成激光束由聚焦透鏡聚焦，形成規(guī)定焦長(zhǎng)、焦深和光斑口徑的超大功率的激光工作區(qū)。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)非常明顯1．成本低廉，與相同功率的快速軸流、快速橫流工業(yè)用CO2激光器相比，僅為其成本的三分之一，與射頻激勵(lì)的相比，則不到其六分之一；2．激光功率大，模式優(yōu)良，“合成”激光束的質(zhì)量接近準(zhǔn)四代的水平；3．性能價(jià)格比高，適合我國(guó)及其他發(fā)展中國(guó)家的國(guó)情，便于推廣應(yīng)用；4．整體結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，體積小，重量輕，無(wú)機(jī)械振動(dòng)噪聲，對(duì)其他儀器設(shè)備無(wú)光、電、磁干擾，無(wú)廢氣廢物，不污染環(huán)境，不需要特殊電源，非常適合醫(yī)院手術(shù)室，科研單位實(shí)驗(yàn)室等特殊場(chǎng)合應(yīng)用。
以下結(jié)合附圖
一所示由19支激光器組成的集束式超大功率激光器的實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明該技術(shù)方案附圖一為本實(shí)用新型的原理結(jié)構(gòu)示意圖。
一．從附圖一可見(jiàn)，該集束式超大功率激光器由19支激光器密排成正六方形陣列(1)，共五組，中心組有5支緊密排成一行，另各有兩組分別有4支和3支，對(duì)稱地排列在其兩旁，可描述為“34543”陣列；也可描述為共有3環(huán)，第一層為中心激光器，第二層6支，分布半徑R1，第三層12支，分布半徑R2、R3。19支激光器相互平行，朝一個(gè)方向(前方)平行地但分散地發(fā)射出19條激光束(2)。
二．在激光器陣列(1)的前方，設(shè)有18對(duì)外圍反射鏡(3)和中央反射鏡(4)組成的匯聚反射鏡陣列，從A-O-B剖面可見(jiàn)除中心激光器發(fā)射的中心激光束直行外，每個(gè)激光器發(fā)射的激光束先由各自的外圍反射鏡(3)向中心折轉(zhuǎn)90°，再由各自的中央反射鏡(4)折轉(zhuǎn)90°至與中心激光束平行并互相靠攏成為大口徑合成激光束；對(duì)應(yīng)于相同半徑R的同位激光器的6對(duì)外圍反射鏡和中央反射鏡分布在垂直于光軸的同一平面內(nèi)；對(duì)應(yīng)于不同半徑R1、R2、R3的匯聚反射鏡分布在前后錯(cuò)開(kāi)足夠距離不互相遮擋的三個(gè)平面內(nèi)。從俯視圖可見(jiàn)，經(jīng)匯聚后的大口徑合成激光束仍按“34543”或“3環(huán)”排成密集的正六方形陣列，光強(qiáng)基本未變。
三．由一個(gè)大反射鏡(5)把大口徑合成激光束折射到需要的方向、口徑、形狀和光強(qiáng)基本未變。
四．由一個(gè)凸透鏡與一個(gè)凹透鏡組成縮束透鏡組(6)，對(duì)合成激光束進(jìn)行縮束，縮小其口徑，提高其光強(qiáng)，不改變陣列形狀。
五．由聚焦透鏡(7)對(duì)小口徑高光強(qiáng)的合成激光束來(lái)進(jìn)行聚焦，形成規(guī)定焦長(zhǎng)、焦深及光斑口徑的超大功率的激光工作區(qū)。
權(quán)利要求1.一種集束式超大功率激光器，其特征在于采用多支激光器(7、19、37、61…)按多行方式排成正六方形陣列，各激光器相互平行，朝一個(gè)上方方向平行但分散地發(fā)射多束激光束；在激光器陣列前方，設(shè)匯聚反射鏡陣列，將分散的激光束匯聚成大口徑密集正六方形陣列的合成激光束；由縮束透鏡縮小合成激光束的口徑；由聚焦透鏡把縮束后的小口徑合成激光束聚焦成規(guī)定焦長(zhǎng)、焦深和光斑口徑的工作區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大功率激光器，其特征在于多支激光器(7、19、37、61…)按多組形成三組232、五組34543、七組4567654、九組567898765排成正六方形陣列，對(duì)N組的陣列，其中心組有N支，兩面對(duì)稱向外遞減。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大功率激光器，其特征在于中心組激光器發(fā)出的每束激光各經(jīng)一面45°中心反射鏡折轉(zhuǎn)90°，經(jīng)一次反射成為合成激光束的中心組，為其余各組激光器配有一對(duì)外圍反射鏡和中央反射鏡，外圍反射鏡(3)把激光束向中心折轉(zhuǎn)90°，中央反射鏡再折轉(zhuǎn)90°至與中心組激光束相平行，經(jīng)二次反射成為合成激光束的外圍組，合成激光束密排為正六方形陣列。對(duì)應(yīng)采用7、19、37、61…支激光器，匯聚反射鏡陣列的反射鏡面數(shù)目分別為11、33、67、113…。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大功率激光器，其特征在于它包括一片凸透鏡和一片凹透鏡，對(duì)大口徑合成激光束進(jìn)行縮束。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種集束式超大功率二氧化碳激光器,采用多支激光器按多排或多環(huán)方式排成正六方形密封陣列,各激光器相互平行,朝一個(gè)方向平行地發(fā)射多束激光束;在激光器陣列前方,設(shè)匯聚反射鏡陣列,將分散的激光束匯聚成大口徑密集的合成激光束;由大反射鏡把合成激光束折射到需要的方向;這種激光脈沖質(zhì)量?jī)?yōu)良,能夠達(dá)到諸如心外科手術(shù)、機(jī)械加工、深孔打孔及特殊的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01S3/23GK2413412SQ9925776
公開(kāi)日2001年1月3日 申請(qǐng)日期1999年12月27日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月27日
發(fā)明者張志遠(yuǎn), 宋永成, 鄔江興, 鄧珂, 吳明營(yíng) 申請(qǐng)人:國(guó)家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心