分案申請信息

本發(fā)明專利申請是申請日為2011年11月17日、申請?zhí)枮?01180065352.x、發(fā)明名稱為“具有集成光束成形波導(dǎo)管的陶瓷氣體激光器”的發(fā)明專利申請案的分案申請。

相關(guān)申請案的交叉參考

本申請案主張2010年11月23日申請的第12/952,289號美國專利申請案的優(yōu)先權(quán)。該案的全文以引用的方式并入本文中。

本發(fā)明總體來說涉及激光器，且更特定來說，涉及具有集成光束成形波導(dǎo)管的陶瓷板條氣體激光器。

背景技術(shù)：

在波導(dǎo)管諧振器中，諧振器壁在一定程度上影響激光光束的傳播且對其模式進(jìn)行成形。波導(dǎo)管諧振器由所謂的菲涅爾(fresnel)數(shù)nf＝a²/(λl)<0.5來界定，其中a為諧振器孔徑的一半，λ為激光光束的波長，且l為諧振器長度。使用波導(dǎo)管諧振器來形成激光光束的一個顯著優(yōu)點在于其允許波導(dǎo)管內(nèi)部的激光光束的橫向尺寸減小這一事實。小的橫向尺寸增加由波導(dǎo)管所束縛的激光氣體的擴(kuò)散性冷卻效率。窄孔還允許廢棄熱量有效地傳輸?shù)街C振器的側(cè)壁。因為此有效的冷卻，所以等離子體溫度下，增益增加，且激光氣體的壓力可增加。這使得每一氣體體積上的能量更高且對抽運(yùn)能量的射頻脈沖的光學(xué)響應(yīng)更快。

按面積調(diào)整的“板條”波導(dǎo)管激光器利用波導(dǎo)管軸內(nèi)的有效冷卻的優(yōu)點，同時允許其它軸表現(xiàn)出“自由空間”的特點。為了將能量從腔室耦合輸出，可將諧振器設(shè)計成自由空間方向上的“不穩(wěn)定的”諧振器。此諧振器可采取負(fù)支或正支不穩(wěn)定諧振器的形式。出于穩(wěn)定性的原因，負(fù)支更受歡迎。通過允許再流通能量在鏡子之間彈跳以“離開”一個鏡子的邊緣而將光耦合輸出?？赏ㄟ^自由空間方向上的前鏡及后鏡的不同曲率的比率來控制耦合輸出的百分比。雖然擴(kuò)散冷卻板條波導(dǎo)管氣體激光器以相對小的尺寸及相對低的復(fù)雜度遞送高的輸出功率，但此類激光器通常產(chǎn)生具有不對稱橫向剖面(例如，橢圓狀橫向剖面)的激光光束，所述激光光束在一個橫軸上擁有相對于另一橫軸來說不均勻的且相對上的散度。在常規(guī)的板條波導(dǎo)管激光器中，通常通過并入有光束成形光學(xué)器件(包含至少一個柱面透鏡)來校正這些不合需要的光束性質(zhì)。此外，經(jīng)常使用空間模式濾波器來消除自由空間不穩(wěn)定諧振器方向上的光束邊緣上的伴線。這些額外的光學(xué)元件通常增加生產(chǎn)成本且因為吸收而減少輸出功率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明可包括在所附權(quán)利要求書中所引用的一個或一個以上特征及/或一個或一個以上以下特征及其組合。

在一個實施例中，激光器可包括在其中界定含有激光氣體的腔室的陶瓷體。陶瓷體可包含部分界定腔室的第一區(qū)段的多個平行壁，腔室的第一區(qū)段界定波導(dǎo)管。陶瓷體可進(jìn)一步包含部分界定腔室的第二區(qū)段的多個傾斜壁，腔室的第二區(qū)段經(jīng)成形以修改穿過腔室的第二區(qū)段的激光光束的橫向剖面。激光器可進(jìn)一步包括多個電極，所述電極位于陶瓷體的外部且靠近多個平行壁，以便當(dāng)激發(fā)信號施加到多個電極時僅激發(fā)腔室的第一區(qū)段內(nèi)的激光氣體。

激光器可進(jìn)一步包括靠近腔室的第一末端的第一面鏡子以及靠近腔室的第二末端的第二面鏡子，所述第二末端與所述第一末端相對。第一面及第二面鏡子可在腔室的第一區(qū)段內(nèi)創(chuàng)建諧振器。多個電極可經(jīng)定位以使當(dāng)激發(fā)信號施加到多個電極時不激發(fā)激光氣體的靠近第一面及第二面鏡子的部分。陶瓷體的多個傾斜壁之間的距離在腔室的第一末端與腔室的第二末端之間可增加。

腔室的第一區(qū)段可靠近腔室的第二區(qū)段。陶瓷體的多個傾斜壁之間的距離在激光光束從腔室的第一區(qū)段進(jìn)入腔室的第二區(qū)段的地方可較小且在激光光束離開腔室的第二區(qū)段的地方可較大。陶瓷體的多個傾斜壁可經(jīng)成形以使當(dāng)激光光束從腔室的第一區(qū)段進(jìn)入腔室的第二區(qū)段時激光光束具有不對稱的橫向剖面且當(dāng)離開腔室的第二區(qū)段時具有對稱剖面。

陶瓷體可由氧化鋁(al2o3)、氧化鈹(beo)及氮化鋁(aln)中的至少一者組成。多個電極中的每一者可包括一個多段電極。激光器可進(jìn)一步包括經(jīng)配置以使用射頻激發(fā)信號激發(fā)多個電極的能量源。

在另一實施例中，激光器可包括含有激光氣體的腔室且所述腔室可包含(i)由彼此之間具有固定間隙的第一多個電介質(zhì)壁所部分束縛的諧振器區(qū)段及(ii)由彼此之間具有可變間隙的第二多個電介質(zhì)壁所部分束縛的光束成形區(qū)段。激光器還可包括多個電極，所述電極位于腔室的外部且靠近第一多個電介質(zhì)壁，以使當(dāng)激發(fā)信號施加到多個電極時僅激發(fā)腔室的諧振器區(qū)段內(nèi)的激光氣體。

第一多個電介質(zhì)壁可界定在腔室的諧振器區(qū)段行進(jìn)的激光光束的波導(dǎo)管，且第二多個電介質(zhì)壁可經(jīng)成形以修改在腔室的光束成形區(qū)段行進(jìn)的激光光束的橫向剖面。第一及第二多個電介質(zhì)壁可包括氣密陶瓷器皿的壁。激光器可進(jìn)一步包括位于腔室的諧振器區(qū)段的相對末端處的一對鏡子。多個電極可經(jīng)定位以使當(dāng)激發(fā)信號施加到多個電極時不激發(fā)激光氣體的靠近所述對鏡子中的每一者的部分。

腔室的諧振器區(qū)段可靠近腔室的光束成形區(qū)段。部分限制腔室的光束成形區(qū)段的第二多個電介質(zhì)壁之間的可變間隙可從激光光束從腔室的諧振器區(qū)段進(jìn)入腔室的光束成形區(qū)段的第一位置增加到激光光束離開腔室的光束成形區(qū)段的第二位置。部分限制腔室的光束成形區(qū)段的第二多個電介質(zhì)壁可經(jīng)成形以使當(dāng)激光光束從腔室的諧振器區(qū)段進(jìn)入腔室的光束成形區(qū)段時激光光束具有不對稱的橫向剖面且當(dāng)激光光束離開腔室的光束成形區(qū)段時激光光束具有大體上對稱的剖面。

在又一實施例中，激光器可包括由至少兩個平行電介質(zhì)壁及至少兩面鏡子所限制的波導(dǎo)管諧振器。激光器還可包括由至少兩個傾斜電介質(zhì)壁限制的錐形波導(dǎo)管，錐形波導(dǎo)管靠近波導(dǎo)管諧振器。激光器可進(jìn)一步包括至少兩個電極，所述電極位于波導(dǎo)管諧振器的外部以使當(dāng)激發(fā)信號施加到至少兩個電極時僅在波導(dǎo)管諧振器中產(chǎn)生增益介質(zhì)。所述至少兩面鏡子可形成不穩(wěn)定負(fù)支諧振器。所述至少兩面鏡子可形成不穩(wěn)定正支諧振器。所述至少兩個電極可經(jīng)定位以使當(dāng)激發(fā)信號施加到所述至少兩個電極時在所述至少兩面鏡子中的每一者與增益介質(zhì)之間存在間隙。

附圖說明

圖1為具有集成光束成形波導(dǎo)管的陶瓷氣體激光器的一個說明性實施例的等角視圖。

圖2為將圖1的陶瓷氣體激光器移除掉一些組件以展示激光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的等角視圖。

圖3為沿著線3—3(在x-z平面內(nèi))的圖1的陶瓷氣體激光器的剖面圖，包含對穿過諧振器區(qū)段及光束成形區(qū)段兩者且通過出射窗口離開激光器的激光光束的描述。

圖4為沿著線4—4(在x-y平面內(nèi))的圖1的陶瓷氣體激光器的剖面圖。

圖5為沿著線5—5(在y-z平面內(nèi))的圖1的陶瓷氣體激光器的剖面圖。

具體實施方式

出于促進(jìn)對本發(fā)明的原理的理解的目的，現(xiàn)在將參考附圖中所展示的說明性實施例且將使用具體的語言來描述這些說明性實施例。

根據(jù)本發(fā)明的激光器10的一個說明性實施例展示于圖1到5的圖中。激光器10體現(xiàn)為具有集成光束成形波導(dǎo)管的陶瓷氣體激光器。激光器10一般包含諧振器區(qū)段12及光束成形區(qū)段14。諧振器區(qū)段12由彼此之間具有恒定間隙的平行壁限制，所述平行壁針對在諧振器區(qū)段12內(nèi)行進(jìn)的激光光束充當(dāng)波導(dǎo)管諧振器。光束成形區(qū)段14由彼此之間具有可變間隙的傾斜壁限制，所述傾斜壁的作用是將在光束成形區(qū)段14內(nèi)行進(jìn)的激光光束的橫向剖面重新成形。在說明性實施例中，諧振器區(qū)段12內(nèi)的激光氣體的部分被激發(fā)且創(chuàng)建激光器增益介質(zhì)，但沒有激發(fā)光束成形區(qū)段14內(nèi)的激光氣體。因此，光束成形區(qū)段對穿過其行進(jìn)的激光光束來說沒有放大作用。

現(xiàn)在參考圖1及2，激光器10的說明性實施例包含陶瓷體16、一對電極18、20、一對鏡子22、24以及出射窗口26。圖2中的激光器10的視圖類似于圖1中的視圖，除了已在圖2中將電極20及陶瓷體16的一部分移除以使得激光器10的內(nèi)部可見之外。使用相同的參考數(shù)字來識別圖1到5的激光器10的類似組件。

激光器10的陶瓷體16被示意性地表現(xiàn)為含有激光氣體的封閉的氣密器皿。在一些實施例中，陶瓷體16可由氧化鋁(al2o3)、氧化鈹(beo)及/或氮化鋁(aln)形成。還預(yù)期陶瓷體16可由其它合適的電介質(zhì)材料(包含非陶瓷)形成。在說明性實施例中，陶瓷體16至少部分界定激光器10的諧振器區(qū)段12及光束成形區(qū)段14兩者。特定來說，陶瓷體16包含部分界定諧振器區(qū)段12的兩個平行壁28、30以及部分界定光束成形區(qū)段14的兩個傾斜壁32、34。下文將更為詳細(xì)地描述這些壁28-34(其在圖2、4及5中一般可見)的相應(yīng)的功能。雖然陶瓷體16在說明性實施例中被展示為一體式組件，但在其它實施例中陶瓷體16可由若干截然不同的零件組成。在另外其它實施例中，預(yù)期陶瓷體16可比諧振器及光束成形區(qū)段12、14大且可包含額外腔室以固持氣體存儲器。

激光器10包括位于諧振器區(qū)段12的相對末端的一對鏡子22、24。在說明性實施例中，兩面鏡子22、24附接到陶瓷體16且與被陶瓷體16圍封的激光氣體接觸。鏡子22、24可為球面的、非球面的、平面的、圓柱的或其它形狀，這取決于激光器10的設(shè)計。兩面鏡子22、24面對面且形成諧振器。如圖3中所說明，在說明性實施例中，鏡子22、24形成不穩(wěn)定負(fù)支諧振器，其具有位于鏡子之間的焦點位置36。當(dāng)激發(fā)鏡子22、24之間的諧振器區(qū)段12內(nèi)的激光氣體的一部分時(如下文進(jìn)一步解釋)，被激發(fā)的激光氣體充當(dāng)激光輻射的增益介質(zhì)。當(dāng)激光輻射在z方向上在鏡子22、24之間來回彈跳時激光輻射被放大，直到激光光束38通過出射或耦合輸出窗口26而離開激光器10為止。在采用負(fù)支不穩(wěn)定諧振器的說明性實施例中，激光光束38大體上平行于光軸z而離開出射窗口26。雖然說明性實施例被展示為具有透明出射窗口26，但其它實施例可采用覆蓋激光器10的整個末端但具有部分反射性區(qū)域以允許光束離開的鏡子24。

激光器10還包含一對電極18、20以激發(fā)被陶瓷體16所圍封的激光氣體的部分。特定來說，電極18、20經(jīng)定位以激發(fā)激光器10的諧振器區(qū)段12內(nèi)的激光氣體的部分(而不是光束成形區(qū)段14內(nèi)的激光氣體的部分)。電極18、20連接到射頻電壓源(未圖示)。說明為在40mhz到150mhz的范圍內(nèi)的射頻激發(fā)用于激發(fā)電極18、20之間的激光氣體，這借助通過16的陶瓷壁進(jìn)行的電容耦合而產(chǎn)生等離子體。在說明性實施例中，兩個電極18、20位于陶瓷體16的外部、平行壁28、30的上方且彼此相對(參看圖4)。因而，所述這對電極18、20僅包圍陶瓷體16的諧振器區(qū)段12。當(dāng)給其提供能量時，電極18、20僅激發(fā)諧振器區(qū)段12內(nèi)電極18、20之間的激光氣體的部分。

電極18、20的每一者可具有不同的幾何形狀，其可為片段狀且可與陶瓷體16的平行壁28、30成平面或成一定的角度。使用位于陶瓷體16的外部的電極18、20產(chǎn)生了許多優(yōu)點。舉例來說，在一些實施例中，可使用不同幾何形狀的電極來僅激發(fā)諧振器區(qū)段12內(nèi)的激光氣體的某些部分。在其它實施例中，可分別激發(fā)一個多段電極的單個片段。此外，使用外部電極18、20允許一直達(dá)到鏡子22、24的表面的連續(xù)的波導(dǎo)管，并且不會激發(fā)直接靠近鏡子22、24的激光氣體的部分。眾所周知，波導(dǎo)管的末端與鏡子之間的間隙可對激光器造成損失；間隙越大，損失越高。另一方面，在被激發(fā)的等離子體與鏡子之間必須維持一定距離以免損害鏡子表面。使用外部電極18、20會保護(hù)鏡子22、24免受等離子體破壞，但仍允許陶瓷體16在波導(dǎo)管表面中沒有任何中斷的情況下將激光輻射導(dǎo)引到鏡子22、24。

陶瓷體16的平行壁28、30及所述對鏡子22、24在說明性的激光器10(因此，“板條”激光器)的諧振器區(qū)段12內(nèi)形成波導(dǎo)管諧振器。陶瓷體16的壁28、30在x及z方向上彼此平行延伸且在y方向上被小間隙a1分開，進(jìn)而形成波導(dǎo)管。在說明性實施例中，雖然此間隙處于1.3mm到3mm的范圍內(nèi)，但針對其它實施例而預(yù)期其它距離。因此在諧振器區(qū)段12內(nèi)建立的任何激光輻射將通過波導(dǎo)管被限制在y方向內(nèi)且演進(jìn)成穩(wěn)定模式。x方向上的激光輻射將形成與鏡子22、24相符的無限制的自由空間模式。在說明性實施例中，此將為不穩(wěn)定激光器模式，其最佳地利用了諧振器的體積且遞送接近衍射限制的光束。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，末端鏡子22、24將必須得到適當(dāng)配置以實現(xiàn)此模式。在y方向上，鏡子22、24可幾乎為平坦的，因為光束由波導(dǎo)管限制。

如上文所描述，位于電極18、20之間的諧振器區(qū)段12內(nèi)的激光氣體的部分被激發(fā)且針對在兩面鏡子22、24之間來回彈跳的任何激光輻射充當(dāng)增益介質(zhì)，進(jìn)而放大激光輻射。橫向上的波導(dǎo)管壁28、30之間的窄的距離a1允許激光氣體的有效的擴(kuò)散冷卻。在這些情形下激光氣體所固有的高增益及高飽和度還允許具有小的幾何尺寸的高功率且高效率的激光器。激光輻射將繼續(xù)在諧振器區(qū)段12內(nèi)被放大直到光束到達(dá)光束進(jìn)入光束成形區(qū)段14的位置40為止。諧振器區(qū)段12具有通過鏡子22、24的設(shè)計及其彼此相對的位置而界定的某一耦合輸出系數(shù)。此系數(shù)在鏡子22處的位置40處確定x方向上的光束的寬度k。如在背景技術(shù)部分中所描述，在位置40處，激光光束具有不對稱的、橢圓形的光束剖面且在波導(dǎo)管平面(y)及自由空間平面(x)內(nèi)具有不同的發(fā)散角。

如上文所描述，光束成形區(qū)段14集成到激光器10的陶瓷體16中。在光束成形區(qū)段14內(nèi)，陶瓷體16包含彼此成一定角度的傾斜壁32、34(即壁32、34并不平行)。換句話說，壁32、34被或者在z方向上或者在x方向上或者在此兩個方向上改變的間隙在y方向上分開。這些傾斜壁32、34形成將激光光束的橫向剖面重新成形的錐形波導(dǎo)管。光束成形區(qū)段14經(jīng)成形以將以橢圓形光束剖面進(jìn)入的激光光束改變成具有圓形光束剖面(或任何其它所需的光束剖面)的激光光束。

在說明性實施例中，光束成形區(qū)段14在靠近后鏡22的位置40處開始。在此區(qū)段14內(nèi)于陶瓷體16中所形成的波導(dǎo)管包含下壁32及上壁34。這些波導(dǎo)管壁32、34在y方向上具有可變間隙距離，所述可變間隙距離在光束38離開激光器10的出射窗口26處從高度a1(在位置40處)過渡到高度a2。光束成形區(qū)段14的寬度k在說明性實施例中是恒定的。在操作中，從諧振器區(qū)段12到達(dá)的激光光束從鏡子22反射且被引導(dǎo)穿過光束成形區(qū)段14。雖然穿過了光束成形區(qū)段14的錐形波導(dǎo)管而行進(jìn)，但當(dāng)壁32、34之間的間隙在變寬時，光束在y方向上以受控速率在變寬。在x方向上(即，不穩(wěn)定諧振器方向)，光束持續(xù)變得更加平行，從而保持其光束寬度k。在出射窗口26處，如果a2＝k，那么光束將在x及y方向上具有相同的直徑。因此，使出射處的距離a2的大小等于寬度k將在出射窗口26處產(chǎn)生對稱的光束剖面。剛剛所討論的幾種距離被示意性地展示于圖4及5的剖面圖中。

預(yù)期在其它實施例中光束成形區(qū)段14的傾斜壁32、34可額外地或替代地進(jìn)行彎曲或撓曲。此外，在一些實施例中，下或上壁32、34中的僅一者可進(jìn)行傾斜或彎曲。在其它實施例中，光束成形區(qū)段14的壁32、34的部分可傾斜或彎曲，而壁32、34的其它部分可彼此平行。出射窗口26處的所需光束形狀或剖面指示光束成形區(qū)段14的形狀。波導(dǎo)管可包括三個壁(包含一側(cè)壁，如在說明性實施例中所展示)或可在x方向上敞開。還應(yīng)了解，可在光束成形區(qū)段14內(nèi)形成在激光器10的長度上折疊若干次以增加其長度的波導(dǎo)管。

如上文所描述，僅諧振器區(qū)段12位于電極18、20之間。因此，僅激發(fā)諧振器區(qū)段12內(nèi)的激光氣體，因此僅諧振器區(qū)段12含有增益介質(zhì)。光束成形區(qū)段14還充滿激光氣體的一部分但并未展示激光輻射的任何放大。相反，區(qū)段14的“冷”波導(dǎo)管在其剖面上具有完全統(tǒng)一的吸收，這將不會扭曲激光光束剖面。因為等離子體放電僅發(fā)生在諧振器區(qū)段12內(nèi)，所以電極18、20之間的距離a1嚴(yán)格統(tǒng)一。此事實結(jié)合等離子體與電極18、20之間的陶瓷體16一起提供了非常統(tǒng)一的放電，所述放電允許以高功率及高光束質(zhì)量兩者產(chǎn)生激光光束。

雖然在前述附圖及描述中已對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明及描述，但所述說明及描述應(yīng)被視為說明性而非限制性的性質(zhì)，應(yīng)了解，僅已展示及描述其說明性的實施例，且在本發(fā)明的精神內(nèi)的所有變更及修改需要受到保護(hù)。