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
技術領域：
本實用新型屬于激光技術領域，主要用于改善高功率橫流二氧化碳激光器的光束質量。
背景技術：
本專業(yè)的技術人員十分清楚，激光諧振腔(以下簡稱光腔)是激光器產生激光的不可缺少的關鍵部件。其基本物理原理是相同的，但在不同的激光器中具體結構和形態(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為氣體流動、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量一般不好，在工業(yè)和軍事應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量和提高增益區(qū)的利用效率；共焦點凸-凹非穩(wěn)定腔，指由有公共焦點的凸球面鏡和凹球面鏡組成的光腔。平-凹腔的顯著優(yōu)點是光腔最為穩(wěn)定，主要問題是光束質量很差，所產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到約一毫米，只能在對光束要求不高的熱處理、熔覆等場合中應用。多折平-凹穩(wěn)定腔是從改善光束質量和增加模體積從而提高效率出發(fā)而設計的光腔，但實際效果是光腔很不穩(wěn)定，因為增加了光腔的長度所帶來的問題就是難以穩(wěn)定工作，例如一個五折腔的腔長是平-凹腔的五倍，任何位移變化至少放大五倍， 容易在運行中失調而導致功率顯著降低甚至不出光。共焦點凸-凹非穩(wěn)定腔是根據平-凹腔的缺點提出改進的光腔，用這種腔可以獲得比較好的光束質量，聚焦的最小光斑能達到零點一毫米，可以進行切割、焊接、和遠距離傳輸等這樣的要求高的應用，當然也可以在低要求的加工中應用；一般共焦點凸-凹非穩(wěn)定腔的所利用的增益區(qū)的橫截面是一個圓形或者矩形，為了獲得比較高的效率，它利用了一個凹面鏡、一個凸面鏡、一個45°放置的輸出耦合鏡和一個全透過窗口，它具有四個光學元件，具體結構的典型圖示意如圖1 ；這樣的凸-凹非穩(wěn)定腔的結構比較復雜，使用中的調節(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圓環(huán)；如果中間的孔是方型的，其輸出的激光束將是一個方形環(huán)。
實用新型內容針對原有光腔的缺點，本實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)，為了達到這個目的，本實用新型的主要技術方案是這種非穩(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光學元件組成，當凸球面全反鏡和凹球面全反鏡按照一定的方式組合時，該光腔是一個單端正支的虛共焦凸-凹非穩(wěn)腔，光學上是一個望遠鏡型的諧振腔，其輸出的激光束為平行光。本實用新型所述的非穩(wěn)諧振腔的凸球面全反鏡還可以是凹球面全反鏡。當一個凹球面全反鏡和凹球面全反鏡適當組合時，該非穩(wěn)諧振腔結構是一個實共焦凹-凹非穩(wěn)腔。本實用新型所述的非穩(wěn)諧振腔的核心內容之一是一般非穩(wěn)諧振腔具有四個光學元件，其中耦合和輸出是由兩個光學元件完成，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°轉折，從而造成使用上的不方便和調節(jié)的困難，也使得結構復雜和不可靠；這種一般非穩(wěn)腔的具體原理圖如圖1。而本實用新型所述的非穩(wěn)諧振腔只有三個光學元件，其中采用了一個特殊的支撐結構(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，如果是實共焦腔該球面鏡就是凹球面鏡) 支撐起來直接實現輸出而不需要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，因為高功率激光的功率密度大，鏡片的反射率必然小于100%而存在吸收， 不冷卻鏡片就會變形或燒毀而影響使用。同時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掉的部分)，支撐桿的結構設計為扁平結構，既保證了一定的支撐強度又使得擋光面積小，即與光軸平行方向寬、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度又能保持液體在支持桿內暢通。當本實用新型所述的非穩(wěn)諧振腔鏡片由一般球面曲率組合就構成一般非穩(wěn)諧振腔，此時輸出的光束不是平行光，需要再處理才能變?yōu)槠叫泄狻１緦嵱眯滦偷闹饕獌?yōu)點是1)、獲得準基模的激光束輸出，這是接近衍射極限的性能最好的光束模式；幻、實現輸出光軸和諧振腔的光軸同心而不改變光的傳輸方向，調節(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)和軍事應用。本實用新型除了上述顯著特點外，還具有結構簡單容易實現等適合工程化的優(yōu)點。它所需要的光學元件只有三個，安裝好后需要調整的元件只有一個、即一個球面全反射鏡，在調整好以后就基本不需要動了，特別適合工業(yè)生產和軍事應用。從高功率激光應用方面看，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，只是因為光束質量不好而失去了很多應用領域。本實用新型可以徹底地解決這樣的問題，使橫流激光器的應用產生根本的變化。本實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)諧振腔基本結構示意圖。在普通的虛共焦非穩(wěn)腔結構中，組成光腔的光學元件是四個其中元件(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是本實用新型虛共焦非穩(wěn)諧振腔基本結構示意圖。在本實用新型的虛共焦非穩(wěn)腔結構中，組成光腔的光學元件是三個其中元件 (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)有一個支撐桿將凸球面鏡支撐起來實現激光的直接輸出，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。支撐桿的結構設計為扁平結構， 既保證了一定的支撐強度又使得擋光面積小，即與光軸平行方向寬、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)裝配起來的機械結構示意圖，其中圖3是主視圖、圖4是俯視圖、圖5是側視圖。在這三個圖中，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。如果將凸球面鏡設計為圓形的，則輸出的激光光斑是圓環(huán)形的。圖2中的三個光學元件的具體幾何尺寸和光學參數(包括鏡面的曲率半徑)根據具體激光器的需要計算確定。
具體實施方式
本實用新型的具體實施例子如下一個平均功率為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)諧振腔是一個放大倍率M(兩個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外邊長為46mm、內邊長為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量和拓寬了橫流二氧化碳激光器的應用范圍。
權利要求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，其特征在于當凹球面全反鏡和凸球面全反鏡組合時，其組合鏡光腔是一個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 當凸球面全反鏡改為凹球面全反鏡時，通過球面曲率組合，虛共焦非穩(wěn)腔就變成實共焦非穩(wěn)腔。
3.按照權利要求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現輸出而不需要45°耦合鏡。
4.按照權利要求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，為了減少對輸出激光的遮擋，支撐桿采用扁平結構。
5.按照權利要求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構便于冷卻介質通過。
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量。該激光諧振腔的主要技術方案是這種非穩(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光學元件組成，當凸球面全反鏡和凹球面全反鏡按照一定的方式組合時，該光腔是一個單端正支的虛共焦凸-凹非穩(wěn)腔，光學上是一個望遠鏡型的諧振腔，其輸出的激光束為平行光。
文檔編號H01S3/22GK202025978SQ20102051951
公開日2011年11月2日 申請日期2010年9月7日 優(yōu)先權日2010年9月7日
發(fā)明者潘浩, 陳清明 申請人:武漢大族金石凱激光系統有限公司