專(zhuān)利名稱(chēng)：折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種采用折疊式激光諧振腔的橫向激勵(lì)大氣 壓二氧化碳激光器(TEACO2激光器)。
背景技術(shù)：
折疊式激光諧振腔已廣泛應(yīng)用于直管式放電CO2激光器中。通過(guò)折疊式諧振腔將 多個(gè)放電管在光路上串聯(lián)起來(lái)，從而使激射媒質(zhì)的體積和增益長(zhǎng)度倍增，達(dá)到提高輸出功 率的目的。然而對(duì)于TEACO2激光器尚未有人采用折疊式諧振腔。為了提高TEACO2激光器 的脈沖輸出能量和輸出功率，通常的做法是增大正方形放電截面的面積，即同時(shí)增大放電 電極之間的間距和電極寬度。TEACO2激光器的增益系數(shù)(單位長(zhǎng)度的增益)很高，通常無(wú) 需通過(guò)折疊式諧振腔來(lái)使腔的總增益倍增。實(shí)際上，如果在增益區(qū)內(nèi)設(shè)置多個(gè)轉(zhuǎn)折鏡，容易 形成自激振蕩，引起功率損耗和鏡片損壞等麻煩。隨著TEACO2激光器的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，對(duì)激光器的輸出參量的要求也日益多樣 化。例如，對(duì)脈沖寬度就有不同的要求。典型的TEACO2激光器的脈沖輸出波形是由大約0. 1 微秒的尖峰和1微秒的拖尾組成。但是，在許多應(yīng)用條件下，要求有較寬的脈沖寬度，這就 必然導(dǎo)致增益系數(shù)相應(yīng)地下降。又如，TEACO2激光器雖然具有在9至11微米波長(zhǎng)范圍內(nèi)的 近百條譜線調(diào)諧的能力(line tunable)，但是對(duì)于不同的譜線，增益系數(shù)差別很大。對(duì)于增 益系數(shù)較低的那些譜線，激光諧振腔的能量提取效率下降，從而使輸出功率進(jìn)一步降低。此 外，通常大口徑TEACO2激光器的輸出光束質(zhì)量不高。即使采用非穩(wěn)定腔，往往也很難得到 理想的光斑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器(TEACO2激光 器)，具有高重復(fù)頻率、高平均功率，其在截面為矩形的放電區(qū)設(shè)置折疊式激光諧振腔，使增 益長(zhǎng)度倍增，這提高了激光器的輸出能量和功率，并改善激光器的光束質(zhì)量。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，包括主放電電極、預(yù)電離器、激光諧 振腔、風(fēng)機(jī)、導(dǎo)流板、冷卻器、密封圓筒、充排氣系統(tǒng)、脈沖電源；其主放電區(qū)的截面為矩形， 矩形截面的高度為H，寬度為W，高度與寬度之比H/W大于1或小于1，與矩形放電截面相匹 配的激光諧振腔為折疊式諧振腔，折疊腔包括輸出耦合鏡、轉(zhuǎn)折鏡和后全反射鏡。所述的折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，其所述主放電矩形截面的H/W之 比為2或1/2時(shí)，與矩形放電截面相匹配的折疊腔的折疊次數(shù)為3，轉(zhuǎn)折鏡數(shù)目為2。所述的折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，其所述主放電矩形截面的H/W之 比為3或1/3時(shí)，與矩形放電截面相匹配的折疊腔的折疊次數(shù)為5，轉(zhuǎn)折鏡數(shù)目為4。所述的折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，其所述折疊腔的輸出耦合鏡為凹 球面鏡，轉(zhuǎn)折鏡為平面鏡或凹球面鏡，后全反射鏡為平面鏡或凹球面鏡或反射式衍射光柵。
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所述的折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，其所述折疊腔的輸出耦合鏡為平 面鏡，轉(zhuǎn)折鏡和后全反射鏡中至少有一個(gè)為凹球面鏡，其余為平面鏡。所述的折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，其所述后全反射鏡或?yàn)榉瓷涫窖?射光柵。所述的折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，其所述折疊腔的后全反射鏡采用 反射式衍射光柵時(shí)，激光輸出波長(zhǎng)可以調(diào)諧。所述的折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，其激光氣體為C02、N2*He的混合 氣體，或在C02、N2和He的混合氣體中攙有少量H2和CO氣體，總氣壓在50 1200mbar之 間。本發(fā)明的折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，能同時(shí)滿(mǎn)足應(yīng)用中對(duì)高平均輸 出功率、較寬的激光脈沖寬度、高光束質(zhì)量和波長(zhǎng)可調(diào)諧的需求，在激光加工、激光雷達(dá)、大 氣環(huán)境監(jiān)控、激光化學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的一種折疊腔TEAC02激光器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是折疊式諧振腔示意圖；圖3是可調(diào)諧折疊式諧振腔示意圖。
具體實(shí)施例方式為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的特征及結(jié)構(gòu)，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。請(qǐng)參閱圖1，為一種折疊腔TEAC02激光器，且具有高重復(fù)頻率、高平均功率，包括上 主放電電極1、下主放電電極2、預(yù)電離器3、激光諧振腔4、風(fēng)機(jī)5、導(dǎo)流板6、冷卻器7、真空 密封外筒8、充排氣系統(tǒng)9和高壓脈沖電源10。其中主放電電極1和2為成型電極，電極表 面面型和電極間距設(shè)計(jì)保證能在電極間形成一個(gè)矩形截面的均勻放電區(qū)，矩形截面的高度 為H，寬度為W。H值基本上就是主放電電極之間的間距。圖中矩形截面的H/W比值為2。風(fēng) 機(jī)5在放電區(qū)產(chǎn)生高速氣流將脈沖放電產(chǎn)生的熱量通過(guò)導(dǎo)流板6和冷卻器7傳導(dǎo)出去，使 激光器能夠在高重復(fù)頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生高平均輸出功率。激光諧振腔4為折疊式諧振腔(簡(jiǎn) 稱(chēng)折疊腔)，如圖2所示。折疊式諧振腔由輸出耦合鏡41，轉(zhuǎn)折鏡42、43，和后全反射鏡44 組成。采用特定的準(zhǔn)直方法使四個(gè)鏡子形成N形三折疊腔。折疊腔的采用大大地增加了腔 的總增益，并且使激光輸出的脈沖寬度可以做得較寬。典型的TEAC02激光器的脈沖波形是 由大約0. 1微秒的尖峰和1微秒的拖尾組成。但是當(dāng)要求較寬的輸出激光脈沖波形時(shí)，激 光媒質(zhì)的氣體組分和放電參數(shù)也必須予以調(diào)整，相應(yīng)的增益系數(shù)也隨之下降，導(dǎo)致腔的能 量提取效率大幅降低。折疊腔的采用使增益長(zhǎng)度倍增，可以保證諧振腔的能量提取效率維 持在很高的水平。折疊腔的折疊次數(shù)和矩形放電截面的H/W比值相匹配，使腔中的模體積 盡可能和放電增益區(qū)體積相重迭。但折疊次數(shù)過(guò)多將會(huì)使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。取折疊次數(shù)為3或 5為宜。此外，矩形放電截面的H/W比值也可取為1/2或1/3，即矩形放電截面的寬度是高 度的2或3倍，同樣也對(duì)應(yīng)三折腔和五折腔。折疊腔的輸出耦合鏡為凹面鏡，轉(zhuǎn)折鏡和后全反射鏡為平面鏡或凹球面鏡，形成 一個(gè)穩(wěn)定腔，參數(shù)選擇使低階模盡可能與放電區(qū)重疊，保證激光束有高的光學(xué)質(zhì)量。輸出耦合鏡也可以為平面鏡，在此情況下，轉(zhuǎn)折鏡和后全反射鏡中至少有一個(gè)為凹球面鏡，其余為 平面鏡，參數(shù)選擇應(yīng)在穩(wěn)定區(qū)，并且使低階模盡可能與放電區(qū)重疊。折疊腔的后全反射鏡根據(jù)需求也可采用反射式衍射光柵，如圖3所示。圖中的45 為反射式衍射光柵。在此情況下，激光器的輸出波長(zhǎng)可以調(diào)諧。激光氣體為C02、N2和He的混合氣體，或在C02、N2和He的混合氣體中攙有少量H2 和CO氣體，總氣壓在50mbar和1200mbar之間。
權(quán)利要求
一種折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，包括主放電電極、預(yù)電離器、激光諧振腔、風(fēng)機(jī)、導(dǎo)流板、冷卻器、密封圓筒、充排氣系統(tǒng)、脈沖電源；其特征在于主放電區(qū)的截面為矩形，矩形截面的高度為H，寬度為W，高度與寬度之比H/W大于1或小于1，與矩形放電截面相匹配的激光諧振腔為折疊式諧振腔，折疊腔包括輸出耦合鏡、轉(zhuǎn)折鏡和后全反射鏡。
2.如權(quán)利要求1所述的折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，其特征在于所述主 放電矩形截面的H/W之比為2或1/2時(shí)，與矩形放電截面相匹配的折疊腔的折疊次數(shù)為3， 轉(zhuǎn)折鏡數(shù)目為2。
3.如權(quán)利要求1所述的折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，其特征在于所述主 放電矩形截面的H/W之比為3或1/3時(shí)，與矩形放電截面相匹配的折疊腔的折疊次數(shù)為5， 轉(zhuǎn)折鏡數(shù)目為4。
4.如權(quán)利要求1所述的折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，其特征在于所述折 疊腔的輸出耦合鏡為凹球面鏡，轉(zhuǎn)折鏡為平面鏡或凹球面鏡，后全反射鏡為平面鏡或凹球 面鏡或反射式衍射光柵。
5.如權(quán)利要求1所述的折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，其特征在于所述折 疊腔的輸出耦合鏡為平面鏡，轉(zhuǎn)折鏡和后全反射鏡中至少有一個(gè)為凹球面鏡，其余為平面鏡。
6.如權(quán)利要求5所述的折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，其特征在于所述后 全反射鏡或?yàn)榉瓷涫窖苌涔鈻拧?br> 7.如權(quán)利要求4或6所述的折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，其特征在于所 述折疊腔的后全反射鏡采用反射式衍射光柵時(shí)，激光輸出波長(zhǎng)可以調(diào)諧。
8.如權(quán)利要求1所述的折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，其特征在于其激光 氣體為C02、N2和He的混合氣體，或在C02、N2和He的混合氣體中攙有少量H2和CO氣體，總 氣壓在50 1200mbar之間。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種折疊腔橫向激勵(lì)大氣壓二氧化碳激光器，涉及激光器技術(shù)，包括主放電電極、預(yù)電離器、激光諧振腔、風(fēng)機(jī)、導(dǎo)流板、冷卻器、密封圓筒、充排氣系統(tǒng)、脈沖電源等。其中，主放電區(qū)的截面為矩形，與矩形放電截面相匹配的激光諧振腔為折疊式諧振腔，由輸出耦合鏡、轉(zhuǎn)折鏡和后全反射鏡組成。本發(fā)明激光器能同時(shí)滿(mǎn)足應(yīng)用中對(duì)高重復(fù)頻率、高平均輸出功率、較寬的激光脈沖寬度、高光束質(zhì)量和波長(zhǎng)可調(diào)諧的需求，在激光加工、激光雷達(dá)、大氣環(huán)境監(jiān)控、激光化學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01S3/081GK101895055SQ20091008416
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2009年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月20日
發(fā)明者萬(wàn)重怡, 劉世明, 吳謹(jǐn), 周錦文, 王東蕾, 譚榮清 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所