專利名稱：多重折疊式激光系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光共振器，更具體地說，本發(fā)明涉及的氣體激光系統(tǒng)，其中的激光輻射光程，是用一多重折疊式共振器來延長(zhǎng)的。
市售的氣體激光器只能提供有限的單位長(zhǎng)度的功率輸出容量。就典型的數(shù)值而論，CO2激光器的上限約為0.6瓦/厘米。因此，當(dāng)將CO2激光器用在需要高輸出功率(約30瓦)的應(yīng)用場(chǎng)合時(shí)，共振器的長(zhǎng)度約長(zhǎng)50厘米。所制得的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但不堅(jiān)固或不可靠，而且攜帶時(shí)受到限制。而在波導(dǎo)激光器與鏜孔的瓷性材料一起使用時(shí)，長(zhǎng)的共振器長(zhǎng)度意味著制造過程相當(dāng)困難，因?yàn)檫@要求嚴(yán)密的機(jī)械加工公差，故產(chǎn)量低，生產(chǎn)成本高。
Chenausky等人在4，429，398和4，438，514號(hào)美國專利中采用反射鏡折疊光程來解決長(zhǎng)度問題，從而以適當(dāng)增加寬度為代價(jià)，在總的共振長(zhǎng)度上取得某種縮短。在4，429，398號(hào)專利中，兩個(gè)平行的波導(dǎo)是由一對(duì)在共用塊體里的折疊反射鏡作光耦合的。這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致有限量的衍射損耗，通過將自由空間里的傳播距離減至最小，可將這種損耗降低但不能消除。4，438，514號(hào)專利展示逐步的改進(jìn)，它用一個(gè)第三對(duì)角波導(dǎo)以頭尾地連接兩個(gè)平行波導(dǎo)。由于這些波導(dǎo)是串接的，激光共振腔會(huì)有一系列的平行波導(dǎo)、一Z字形折疊的波導(dǎo)或一環(huán)形裝置。
DeMaria在第3，361，987號(hào)美國專利中，應(yīng)用總的內(nèi)反射，使采用固體或液體放大媒質(zhì)的共振器，以連續(xù)折疊的光程增加多邊折疊式激光光程的有效增益長(zhǎng)度。Nakagome等人在第2，033，648A的英國專利申請(qǐng)中，采用類似結(jié)構(gòu)，以在半導(dǎo)體光放大器中取得長(zhǎng)的光程。DeMaria和Nakagome應(yīng)用總的內(nèi)反射，要求選擇激光媒質(zhì)和匹配媒質(zhì)的折射率以取得適當(dāng)?shù)姆瓷浣?。反射媒質(zhì)可以環(huán)繞光媒質(zhì)，或者也可以被沉積在固態(tài)媒質(zhì)的端面上。DeMaria建議使用浸入液態(tài)氧中的紅寶石激光元件。所需的折射率匹配顯著地增加了制造和操作激光器的困難。在折射率與一僅差百萬分之幾的氣體激光器中，總的內(nèi)反射不能用作光程折疊工藝方法。
可以使共振器模截面按比例增大以保持激光媒質(zhì)的容積不變而縮短共振器的長(zhǎng)度。然而，在激光共振腔的橫截面不能大過一上限尺寸，例如氦氖激光器的毛細(xì)孔徑，或者波導(dǎo)CO2激光的小通道時(shí)，縮短長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)工藝方法一直以來都要將激光共振器分成較小的分段，并使這些分段與反射鏡或棱鏡相連接。
以激光器為基體的系統(tǒng)(laser-basedsystem)的成功實(shí)現(xiàn)，可以從激光共振器尺寸的急劇縮小而得到極大的好處，特別是激光共振腔總長(zhǎng)度可以認(rèn)為是極限參數(shù)。事實(shí)上，所有需要便于攜帶和結(jié)構(gòu)緊固的用途都由于總共振腔長(zhǎng)度的縮短而得到增加。
本發(fā)明的主要目的是創(chuàng)造一種小巧而緊固的氣體激光共振器，該共振器通過多重折疊而使其總尺寸驚人的減小。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是要消除在多重折疊式激光媒質(zhì)中對(duì)總內(nèi)反射的要求。還有一個(gè)目的是要使多重折疊式激光光程的校整問題減到最小。
這些目的由于采用在激光共振器擴(kuò)展區(qū)中產(chǎn)生多重折疊式的激光光程的技術(shù)而得到了滿足，從而各光程分段可以用一組沿共振器周邊放置的前表面反射元件而彼此連接起來。激光共振器可以用在氣體激光振蕩器或放大器中，而且既可以用在脈沖模式也可以用在連續(xù)波模式。此外，這種共振器涉及疊層系統(tǒng)，它能使包含折疊式光程的小塊片(單位塊片)(minims(unitliles))組裝成較大的疇。反射鏡最好環(huán)繞小塊片并配置成基本上是矩形的結(jié)構(gòu)。不需相應(yīng)增加折疊元件的數(shù)目，只要延長(zhǎng)折疊元件的長(zhǎng)度就可以取得格外長(zhǎng)的激光光程。所得的疇以均勻隔開而又相交光程的格柵而完全復(fù)蓋該平面。
最好將這些原理引入一個(gè)具有一陶瓷塊和一相交波導(dǎo)多重折疊光程的波導(dǎo)氣體激光系統(tǒng)中。激光共振器的反射鏡可以集中附裝在陶瓷塊上，以增加激光共振器的使用年限和縮小其尺寸。使用一閉合環(huán)路的光程，其中在該光程相對(duì)端處的輸出耦合器和反射鏡是在單個(gè)光學(xué)件的相鄰區(qū)域上，可以進(jìn)一步將校整問題減到最少。
關(guān)于多重折疊式激光共振器和延長(zhǎng)光程的方法以及它們的另外目的和優(yōu)點(diǎn)，這些被認(rèn)為是本發(fā)明的特征的新穎特點(diǎn)，將從隨后的敘述連同附圖，在以實(shí)例來說明本發(fā)明目前的最佳實(shí)施例中得到更好的理解。然而，很快就會(huì)知道，附圖的目的只不過是為了說明和敘述，而不是作為確定本發(fā)明的范圍。


圖1A是一個(gè)呈等進(jìn)三角形形狀的閉環(huán)小塊片。
圖1B是一個(gè)呈矩形形狀的閉環(huán)小塊片。
圖2是一個(gè)配置成等邊三角度的疊層式閉環(huán)配置形式。
圖3A是一個(gè)疊層式矩形閉環(huán)結(jié)構(gòu)。
圖3B是疊層式矩形閉環(huán)結(jié)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)施例。
圖4是一個(gè)疊層式矩形開環(huán)結(jié)構(gòu)。
圖5是疊層式矩形開環(huán)結(jié)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)施例。
圖6是一個(gè)三維的矩形開環(huán)結(jié)構(gòu)。
圖7是一個(gè)矩形二維激光共振器的分段透視圖。
圖8是沿圖7中線8-8截取的激光共振器結(jié)構(gòu)的剖面視圖。
圖9是密封式激光頭的剖視圖。
圖10是圖9中所示的密封式激光頭透視圖。
圖1A是一個(gè)呈等邊三角形形狀的最小表面面積的簡(jiǎn)單表面元件(小塊片)21。小塊片21通過三面反射鏡23傳播光程，而結(jié)點(diǎn)17位于光程19和反射面23的交界處。如結(jié)點(diǎn)17之間的間隔為“a”，則總的光程長(zhǎng)度為“3a”，而小塊片21的周邊長(zhǎng)“6a”。
圖2是一個(gè)呈等邊三角形的疊層小塊片27組件，它具有總反射鏡31和位于同一結(jié)點(diǎn)的部分反射鏡33，形成一個(gè)閉環(huán)光程。通過以這種方法式層疊小塊片，光程19與圖1的單一小塊片構(gòu)造相比是加長(zhǎng)了，而且等于疊層小塊片27的周長(zhǎng)。疊層三角形的總光程長(zhǎng)度受疊層小塊片27周長(zhǎng)的限制。盡管可能使用三角形小塊片來產(chǎn)生平面中的折疊光程，但在二維區(qū)域中要得到格外長(zhǎng)的光程只有一種方法，即增加該組件的總尺寸。
圖1B是一個(gè)呈矩形形狀的單一小塊片25。小塊片25通過四面反射鏡23傳播光程19，其結(jié)點(diǎn)17位于光程19與反射鏡23的交界處。
參考圖3A，組件26是通過將六個(gè)正方形的小塊片29層疊成三列二行得到的。內(nèi)反射18是光程自身的交點(diǎn)。所得的多重折疊式光程相交格柵可以用四個(gè)操作參數(shù)來唯一地確定。這四個(gè)參數(shù)是“i”是沿組件一個(gè)邊緣(圖3A示出沿X軸的三條邊緣)的結(jié)點(diǎn)數(shù);“j”是沿組件正交的一個(gè)邊緣(圖3A示出沿Y軸的兩條邊緣)的結(jié)點(diǎn)數(shù);“a”是沿“i”邊緣結(jié)點(diǎn)之間的間隔;而“b”是沿“j”邊緣的結(jié)點(diǎn)間隔。所得組件以規(guī)定的“i”和“j”來分類，其尺寸可從挑選格柵參數(shù)“a”和“b”加以換算。因此，選定圖3A中的結(jié)構(gòu)為M(3，2)，式中指數(shù)i＝3和指數(shù)j＝2。
在例如圖3A所示的疊層式閉環(huán)結(jié)構(gòu)中，總反射鏡31和部分反射鏡33位于同一結(jié)點(diǎn)處。最有效的層疊是一種閉環(huán)“準(zhǔn)方”結(jié)構(gòu)，如圖3B所示，圖中的結(jié)構(gòu)切除了一個(gè)頂角，以提供光程19的入射口與出射口。從功能的觀點(diǎn)來看，最好選用“準(zhǔn)方”結(jié)構(gòu)，即一種組件，其指數(shù)相差正一或負(fù)一，例如M(3，4)或M(5，4)。當(dāng)光程多重折疊成“準(zhǔn)方”時(shí)，一給定的光程長(zhǎng)度具有最小的結(jié)點(diǎn)數(shù)。當(dāng)組件26用作激光共振器時(shí)，它可以有任一種多邊形狀，但使用矩形折疊型將允許在一給定面積中有一最密集的光程填充。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，最好的折疊反射鏡的“準(zhǔn)方”布置是45度的反射(a＝b的正方形小塊片)。
如圖3B所示，一塊光學(xué)基底35可以“中分鍍膜”，以合并總反射鏡31和部分反射鏡33，該光學(xué)基底裝入一個(gè)萬向支架中以作適當(dāng)調(diào)整，調(diào)向波導(dǎo)格柵?；?5安放在垂直光程19的入射分段的位置上。使用單一的光學(xué)基底35，因?yàn)橹恍枰粋€(gè)支架，故可以得到成本較低的光學(xué)裝置。因?yàn)椴糠址瓷溏R33和總反射鏡不需要獨(dú)立調(diào)整，故調(diào)整工作比較容易。建議采用平-平結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)激光器，因?yàn)樵谶@種解決方案中優(yōu)選了平面反射元件。
在部分反射鏡33和總反射鏡31放在不同的結(jié)點(diǎn)上的開環(huán)配置，在圖4中選定為M(15，2.5)，在圖5中選定為(2.5，2)。當(dāng)部分反射鏡33放置在一頂角上，而總反射鏡31放置在相對(duì)的頂角上(見圖4)時(shí)，一光軸保持在入射通道和出射通道之間，并具有由通道間隔所確定的補(bǔ)償。由于輸出光束與輸入光束平行，故這是一種用作單通放大器的最佳結(jié)構(gòu)。當(dāng)在共振器中使用而需要引進(jìn)特殊的光學(xué)元件時(shí)，例如波長(zhǎng)控制用的棱鏡或光柵，共振腔控制用的壓電元件，或腔內(nèi)電光或聲光元件，或有限曲率半徑的總反射鏡或部分反射鏡，最好選用允許這些元件獨(dú)立安裝的開環(huán)結(jié)構(gòu)。
合格的成套閉環(huán)結(jié)構(gòu)是用層疊小塊片制成的，得到的組件是通過挑選兩個(gè)沒有共同的最小公分母的指數(shù)“i”和“j”的整數(shù)值來確定的。因此，舉例說，M(4，5)可以接受，但M(4，6)不可接受，因?yàn)檎麛?shù)4和6都可以被2整除。
令“i”、“j”之一或兩者都等于半整體，例如M(1.5，2)或M(1.5，2.5)，可以為開環(huán)配置產(chǎn)生相似的型式。
組件參數(shù)“a”、“b”、“i”和“j”可以用來確定二維格柵的下列激光參數(shù)激光器參數(shù)符號(hào)表達(dá)式激光器尺度X，Yia，jb總光程長(zhǎng)度 L 2ija2+ b2]]>開環(huán)結(jié)點(diǎn)反射數(shù)R2(i+j-1)內(nèi)交義數(shù)C(2i-1)×(2j-1)/2閉環(huán)結(jié)點(diǎn)反射數(shù)R2(i+j)內(nèi)交叉數(shù)Ci(j-1)+j(i-1)在這些公式中沒有考慮閉環(huán)結(jié)構(gòu)中切去的頂角。
通過選擇這些參數(shù)的數(shù)值和解出上述表達(dá)式，就可以設(shè)計(jì)出共振器。例如，可以選擇光程長(zhǎng)度(L)＝50厘米以將結(jié)點(diǎn)總數(shù)減至最少。這一點(diǎn)對(duì)于具有低的本征增益的系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合是重要的，因?yàn)槊恳粋€(gè)結(jié)點(diǎn)都會(huì)導(dǎo)致由于低于最佳的鏡面反射率所引起的損耗。選擇閉環(huán)“準(zhǔn)方”結(jié)構(gòu)時(shí)，i＝2，j＝3。如果使用正方形小塊片(a＝b)，則結(jié)點(diǎn)間隔“a”算得為2.95厘米，在X＝5.89厘米和Y＝8.84厘米時(shí)，A＝52平方厘米。
相反，對(duì)于有高的本征增益的激光器而言，如果要使一定表面積中的光程長(zhǎng)度盡量大，則不論結(jié)點(diǎn)數(shù)是多少，可使用不同的解決方法。這些選用的參數(shù)是A＝52平方厘米(與前例相同)，i＝4，j＝5(還是一個(gè)閉環(huán)“準(zhǔn)方”的圖形)，而且又再使用正方形小塊片(a＝b)，因此，結(jié)點(diǎn)間隔“a”算得為1.61厘米，X＝6.45厘米，Y＝8.06厘米，從而產(chǎn)生一個(gè)91厘米的光程長(zhǎng)度(L)。
圖6說明如何使本發(fā)明的原理應(yīng)用到三維結(jié)構(gòu)。圖示一簡(jiǎn)化的開環(huán)圖形有四面反時(shí)鏡37。總反射鏡31和輸出耦合器33相對(duì)于光程19和折疊反射鏡37配置，通過激光共振腔里的各個(gè)連續(xù)反射，使得能提高光程。
圖7和圖8描繪出波導(dǎo)波導(dǎo)氣體激光系統(tǒng)里的激光共振器47的最佳實(shí)施例，該共振器包括多邊形陶瓷塊體49，在塊體49中形成的交叉波導(dǎo)57，反射鏡59，帶有總反射鏡63和在單塊光學(xué)基底62上“中分鍍膜”的輸出耦合器61。
各波導(dǎo)中裝有氣體激光增益媒質(zhì)。任何一種能起激光作用的氣體混合物都適用于這種多重折疊式波導(dǎo)氣體激光結(jié)構(gòu)中作為增益媒質(zhì)。用于氣體激光器的典型氣體包括二氧化碳，氬氣和氦氖氣體。最好選用波導(dǎo)CO2激光器，其中的混合物是氙、二氧化碳、氮和氦，它們間的典型比例為5-10-20-65%。
當(dāng)使用矩形光程型式時(shí)，陶瓷塊體49相對(duì)的垂直外表面55是互相平行的。反射鏡59平行安裝在塊體49的垂直外表面55的鄰近。在第二折疊反射鏡上的入射角最好互補(bǔ)于第一折疊式反射鏡上的入射角，以產(chǎn)生規(guī)則而均勻間隔的光程。在以層疊正方形小塊片而得到的組件的情況下，波導(dǎo)57相對(duì)反射鏡59成45度和135度角而安置，而在每次對(duì)反射鏡的入射時(shí)，都有九十度的反射光線。
在只用一個(gè)輸出耦合器61和一個(gè)反射鏡63的情況下，通過將一個(gè)以上激光共振器47串聯(lián)連接，或者用一個(gè)串聯(lián)連接到一個(gè)或更多個(gè)放大級(jí)的激光共振器47，可以產(chǎn)生較高的功率輸出。這些放大級(jí)可以是標(biāo)準(zhǔn)的放大器，或者可以利用本發(fā)明的多重折疊式設(shè)計(jì)。利用放大用的本設(shè)計(jì)需要用有防反射鍍膜的窗口代替輸出耦合器61和反射鏡63。
陶瓷塊體49是由例如氧化鋁或氧化一類的固態(tài)陶瓷組成的。塊體49有基本上平行于第二水平表面53的第一水平表面51，以及四個(gè)垂直的外表面55。塊體49包括一系列的相交波導(dǎo)57。這些波導(dǎo)可以切入塊體的第一水平表面51，也可以鉆入塊體中(未示出)。不是圖7和圖8中所描繪的扁平波導(dǎo)槽溝57，而可以采用鉆入塊體49的具有圓形橫截面的波導(dǎo)。具有圓形橫截面的波導(dǎo)較易調(diào)整，并可造成一種更穩(wěn)定的激光輻射型結(jié)構(gòu)。然而，圓形槽溝較難機(jī)械加工，因?yàn)檫@些槽溝是和外表面55成銳角而鉆得的。
有較長(zhǎng)光程長(zhǎng)度的激光器(因而有較高的功率)不僅可由機(jī)械加工較大的塊體，也可由層疊較小的塊體得到。在這些波導(dǎo)相交的點(diǎn)，引入的內(nèi)腔衍射損耗是可以忽略的。波導(dǎo)的橫截面最好約為2.5毫米，而相交點(diǎn)之間的距離至少是波導(dǎo)橫截面的2.5倍。
反射鏡59和基底62與垂直外表面55相鄰。如圖8所示，反射鏡59和基底62可以整體的附裝在塊體49上。另一種做法是將反射鏡可以離開塊體一段小距離而固定安裝，給氣流(如圖9所示)留下一個(gè)小縫隙(0.2至5毫米)?？蓪|片插在塊體49的基底62之間以保證在這些元件之間有一均一的距離。
一般說來，反射鏡59基本上平行于垂直外表面55。但其它反射裝置，例如衍射光柵或棱鏡也可以使用。通常光柵或棱鏡是和頂端外表面不相平行的，因而增加了激光共振器47的尺寸。然而，使用光柵或棱鏡可以使激光輸出輻射得以調(diào)諧。
因?yàn)槎嘀卣郫B式共振腔導(dǎo)致許多在反射鏡59上的入射線，而每一條線入射會(huì)引起某些反射損耗，因此，嚴(yán)格要求使用高品質(zhì)的光學(xué)部件，反射損耗可以用高質(zhì)量的表面，例如增強(qiáng)的銀或增強(qiáng)的金表面(99.8%的反射率)，減至最小。較低反射率的表面，例如金剛石車削銅(diamondtruredcopper)(99%的反射率)，隨著在反射鏡上的入射數(shù)目增加而變得較不適用。輸出耦合器61使共振器47中的一部分光輻射能夠逸出(典型值為5.25%)，而且反射其余的光輻射以滿足在增益媒質(zhì)中的振蕩條件。
折疊反射鏡的目的是要以最小的損耗而光學(xué)連接相鄰的波導(dǎo)通道。在10.6微米(CO2)波長(zhǎng)下的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)代化反射器包括有增強(qiáng)的和保護(hù)性的銀或金鍍膜的硅基底，其測(cè)得的反射率(以45度入射角)就S偏振(平行于反射鏡的前表面)而言是99.8%，而對(duì)P偏振(垂直于反射鏡的前表面)為99.5%。在沒有任何其他的偏振測(cè)定元件時(shí)，這種差別支配著在帶有十個(gè)或更多結(jié)點(diǎn)的波導(dǎo)組件的固定偏振中的激光操作，固定偏振激光器一般優(yōu)于有隨機(jī)或變化偏振平面的激光器。一種典型的折疊反射鏡長(zhǎng)5至10厘米，高6毫米，厚6毫米。
多重反射增加了調(diào)整激光共振器的困難。雖然可以使用安裝在一系列平面上各結(jié)點(diǎn)處的各反射鏡(未示出)，但這種反射鏡的多重性引起調(diào)整問題。把調(diào)整問題減到最少的做法是用最少的反射鏡59，使反射鏡59和基底62固定安裝在塊體49附近或整體地附裝在塊體49上，而且將不止一個(gè)結(jié)點(diǎn)定位在各反射鏡59上。從而將波導(dǎo)57和這些光學(xué)部件之間的距離減到最小。這種共振器的設(shè)計(jì)有幾個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)。首先，在波導(dǎo)通道之外的光程是可以忽略的，從而降低衍射損耗。其次，總的非增益光程減至最小。再者。固定安裝的反射鏡59和基底62增強(qiáng)了共振器的穩(wěn)定性，緊固性和輕便性。
輸出耦合器61可以是鍺或硒化鋅(ZnSe)基底。在波導(dǎo)CO2激光器中，內(nèi)腔功率密度可能超過2千瓦/平方厘米，這時(shí)最好使用ZnSe，因?yàn)殒N有熱擊穿的缺點(diǎn)?；自谶h(yuǎn)離陶瓷波導(dǎo)的表面上鍍有防反射膜，并在面向陶瓷波導(dǎo)的表面上鍍以適當(dāng)反射率的膜。反射率的數(shù)值視共振器長(zhǎng)度、共振器損耗和充氣壓力而定，但一般在75%至95%的范圍內(nèi)。在典型的情況下，輸出耦合器61和反射鏡63大約有相同的尺寸，其直徑約6-9毫米，厚度約3毫米。反射鏡63、輸出耦合器61和折疊反射鏡59在市面上可從激光光學(xué)裝置公司(LaserOpticsInc.)買到。
圖9和圖10是密封式激光頭73的剖面?zhèn)纫晥D和透視圖。包括反射鏡59和陶瓷塊體49在內(nèi)的激光共振器47位于第一電極75和第二電極77之間。圖9中所示的電極是外電極，它們位于塊體49的第一水平表面51和第二水平表面53的上方和下方。另一種做法可將電極做成混合式即一個(gè)電極位于激光共振器里面而另一電極在激光共振器外面，或者兩個(gè)電極都在共振器里面。最好用外電極配置，因?yàn)樗鼘⒔饘匐姌O移離有效放電區(qū)，從而延長(zhǎng)共振器的壽命。電極間的放電使增益媒質(zhì)激發(fā)而產(chǎn)生總體轉(zhuǎn)化。雖然也可使用其它的放電源，但電極最好從射頻發(fā)生器接收功率。激光共振器47和第一電極75被裝進(jìn)由第二電極77、壁81和法蘭83所界定的密封容積79里。只有激光共振器47才需要處于密封容積里。密封容積79里的氣體混合物可以通過反射鏡59和陶瓷塊體49(如圖9所示)之間的縫隙流入和流出波導(dǎo)57。此外，不使用較大的密封容積，也可以將氣體混合物完全密封在激光共振器47里。
絕緣的RF(射頻)功率饋入裝置90被連接到第一電極75。密封容積79由法蘭83、墊圈85和密封蓋87封閉起來，密封蓋87則用密封螺栓89緊靠法蘭83而加以密封。密封螺栓89可以通到激光共振器47以便更換和調(diào)整。
器壁81、電極75和77、法蘭83以及密封蓋87最好由不銹鋼制成。墊圈85是由例如銅的延展性材料制成。圖10展示一圓柱形激光頭73，它用不銹鋼管材做器壁81。第二電極77在一端部密封容積79，而法蘭83、墊圈85和密封蓋87在圓柱形的相對(duì)端部封閉容積79。
可將一扁平陶瓷板45插在塊體49和第一電極75之間以提供全陶瓷的波導(dǎo)激通道。這將使金屬電極移離有效放電區(qū)，從而延長(zhǎng)電極的壽命。陶瓷板也對(duì)RF放電起適當(dāng)?shù)娜菪枣?zhèn)流的作用。
光輸出口91和充氣口93連接在器壁81上。光輸出口91和輸出耦合器63(見圖7)經(jīng)調(diào)整以盡量減少功耗。另一種做法是，可將塊體49裝在密封式激光頭73里，使得輸出耦合器63位于光輸出口91中。充氣口93可以是箍斷式的，或者也可以是供重復(fù)使用的旋塞式的，因?yàn)檫@時(shí)需要經(jīng)常交換氣態(tài)的激光增益媒質(zhì)。
功率從電極的RF放電轉(zhuǎn)移到陶瓷塊體49會(huì)引起塊材發(fā)熱。這種熱量會(huì)引起不穩(wěn)定性和使激光的功率輸出變低。使用具有高的熱傳導(dǎo)能力的陶瓷材料，例如BeO，增強(qiáng)了塊體49的熱傳導(dǎo)的耗散。
在圖9中，塊體49與第二電極77相接觸而放置，這樣可起冷卻板的作用。在約10%的典型激光效率下，加到激光氣體混合物的大部分RF功率都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?。成功的激光操作要求將這熱量通過適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)經(jīng)陶瓷塊體49移離氣體混合物。從塊材49轉(zhuǎn)移到第二電極79的熱量是用流體冷卻系統(tǒng)來耗散的，這種冷卻系統(tǒng)包括連接到冷卻流體入口95和冷卻流體出口97的管道99，使得冷卻流體的可以流過第二電極77中的腔體。借助直接通過塊體49的流體循環(huán)，塊體49也可以通過在其中形成的腔體來冷卻。
陶瓷塊體49完成雙重任務(wù)，即絕緣RF頂電極75和RF接地底板之間的隔離層，也冷卻熱激光等離子體和冷卻底板之間的界面。即使粉狀的氧化是有毒的，但由于它有高的導(dǎo)熱率，故氧化是優(yōu)選的陶瓷。氧化很容易得到，而且也容易制成波導(dǎo)格柵。高純(98.5%或更高)氧化鋁在熱負(fù)載減少的情況下可以在低功率場(chǎng)合中應(yīng)用。
一直以來都使用98.5%氧化陶瓷塊來制造有相交波導(dǎo)的原型激光共振器，并加工成一種M(3.5，4)的開環(huán)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)有13個(gè)結(jié)點(diǎn)(R)，21個(gè)交叉(C)，“a”和“b”各都等于0.75英寸(正方形小塊片)，光程長(zhǎng)度(L)為29.7英寸。其中三個(gè)折疊反射鏡長(zhǎng)1.75英寸，高0.25英寸，厚0.25英寸。第四個(gè)反射鏡長(zhǎng)2.75英寸，且有相同的高度和厚度。所有四個(gè)反射鏡離開塊體的垂直外表面0.010英寸準(zhǔn)確地定位在塊材的周邊附近。鏡的反射率對(duì)S偏振而言是每一反射達(dá)99.7%。氧化板用作頂蓋。陶瓷塊體和折疊反射鏡組件靠在起接地電極和冷卻板作用的鋁板上，鋁板并載著一條蛇形冷卻水管道。激光共振腔充有CO2、氮、氦(1∶1∶3.8)的有5%附加氙氣的混合物。在充氣壓強(qiáng)為70乇、輸出耦合器的反射率為80%和RF功率輸入為300瓦的情況下，可得輸出功率為22瓦的連續(xù)波。
雖然在本文中只討論了包含三和四面反射鏡的幾何形狀，但本發(fā)明的原理顯然可以應(yīng)用到有更復(fù)雜的多邊形的結(jié)，包括二維或三維的布置。同樣地，雖然本公開大部分涉及波導(dǎo)激光器，但本發(fā)明的原理可以用到非波導(dǎo)氣體激光系統(tǒng)，例如自由空間型激光器。
因此，提供了按照本發(fā)明的多重折疊式氣體激光共振器，它完全滿足上面提出的全部目的。當(dāng)然，本文所用的全部條件是敘述性的而不是約束性的。盡管已經(jīng)結(jié)合具體的實(shí)施例來敘述本發(fā)明，但對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)本文公開的內(nèi)容，顯然可以有許多別的方法、改進(jìn)和變化。因此，本發(fā)明希望包括所有這些在所附權(quán)利要求的精神實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)的方法、改進(jìn)和變化。
權(quán)利要求
1.一種延長(zhǎng)激光共振腔中激光輻射光程的激光共振器，其特征在于，該共振器包括一種在激光共振腔里能支持激光作用的氣體媒質(zhì)；向激光共振腔提供功率的裝置；將熱量移離激光共振腔的裝置；一個(gè)該共振腔中的多邊形塊體，該塊體具有至少三個(gè)外表面，并具有在塊體中形成的相交波導(dǎo)通道的格柵；以及由多個(gè)反射鏡組成的反射裝置，每一反射鏡沿一外表面安放，這些反射鏡和該格柵一起用以界定激光共振腔里的折疊式光程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的激光共振器，其特征在于，它還包括一個(gè)覆蓋該塊體的平板，該平板結(jié)合該塊體將折疊式光程包圍在該激光共振腔里。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的激光共振器，其特征在于，其中的反射鏡鍍上膜以向前反射光輻射。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的激光共振器，其特征在于，向電極提供功率的裝置包括一射頻電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的激光共振器，其特征在于，它還包括一個(gè)在反射裝置附近放置的總反射器;以及一個(gè)在反射裝置附近放置的輸出耦合器，通過該輸出耦合器激光輻射可逸出激光共振腔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的激光共振器，其特征在于，其中的輸出耦合器和總反射器是在一單塊光學(xué)基底的附近區(qū)域形成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的激光共振器，其特征在于，它還包括兩個(gè)防反射的鍍膜窗口，每個(gè)窗口都安置在反射裝置的附近。
8.一種延長(zhǎng)激光共振腔中激光輻射光程的激光共振器，其特征在于，它包括一種在激光共振腔里能支持激光作用的氣體媒質(zhì);向激光共振器提供功率的裝置;將熱量移離激光共振腔的裝置;多面安放在該共振腔里的反射鏡，包括一面第一反射鏡、一面第二反射鏡和至少其它兩面反射鏡，各反射鏡形成一基本上是矩形的區(qū)域，每一面反射鏡要鍍上膜以向前反射激光輻射，以及將激光共振腔里的激光輻射導(dǎo)入各個(gè)反射鏡的裝置，第一角度是在激光輻射和第一反射鏡之間形成的，第二角度是在從第一反射鏡反射進(jìn)入第二反射鏡的激光輻射與第二反射鏡之間形成的，折疊式光程是以矩形區(qū)域形成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的激光共振器，其特征在于，它還包括一塊安放在矩形區(qū)域里的塊體，該塊體具有相交波導(dǎo)通道的格柵，該格柵與各反射鏡一起界定折疊式光程。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的激光共振器，其特征在于，其中的第一角度與第二角度互補(bǔ)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的激光共振器，其特征在于，其中的折疊式光程形成一閉環(huán)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的激光共振器，其特征在于，它還包括一個(gè)安放在多個(gè)反射鏡附近的總放射器;以及一個(gè)安放在多個(gè)反射鏡附近的輸出耦合器，通過該輸出耦合器激光輻射可從該激光共振腔逸出。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的激光共振器，其特征在于，其中的輸出耦合器和總反射器是在一單塊光學(xué)基底的毗鄰區(qū)域上形成的。
14.根據(jù)權(quán)利要求8的激光共振器，其特征在于，它還包括兩個(gè)防反射的鍍膜窗口，各個(gè)反射鏡要安置在多個(gè)反射鏡的附近。
15.根據(jù)權(quán)利要求8的激光共振器，其特征在于，其中的折疊式光程形成一開環(huán)。
16.一種延長(zhǎng)激光共振腔中激光輻射光程的激光共振器，其特征在于它包括一種在激光共振腔里能支持激光作用的氣體媒質(zhì);向激光共振腔提供功率的裝置;將熱量移離激光共振腔的裝置;多個(gè)安裝在共振腔的反射鏡，多個(gè)反射鏡要鍍上膜以向前反射激光輻射;以及將激光共振腔里的激光輻射引入各個(gè)反射鏡的裝置，形成一個(gè)三維折疊式光程，光程的仰角是隨每一次來自各個(gè)反射鏡的連續(xù)反射而逐步改變的。
17.一種延長(zhǎng)激光共振腔里的光程的方法，其特征在于，該方法包括沿一系列平面提供多面安裝在共振腔里的反射鏡，包括一面第一反射鏡、一面第二反射鏡和至少其它兩面反射鏡，各平面形成一實(shí)質(zhì)上是多邊的區(qū)域，每一面反射鏡要鍍上膜以向前反射光輻射;調(diào)整激光共振腔里的反射鏡;當(dāng)把功率提供給激光共振腔時(shí)產(chǎn)生激光輻射;以及沿著該多邊形區(qū)域里的折疊光程將激光輻射引入各個(gè)平面上的至少一面反射鏡，一個(gè)第一角度是在激光輻射和第一反射鏡之間形成的，一個(gè)第二角度是在從第一反射鏡反射進(jìn)入第二反射面的激光輻射與第二反射鏡之間形成的，折疊式光程是由平面的配置方式來界定的。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于，它還包括在多邊形區(qū)域里配置一多邊形塊體，該塊體具有在其中形成的相交波導(dǎo)通道的格柵，其中的各反射鏡和該格柵一起界定折疊式光程。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于，其中的功率由電極加到該激光共振腔。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于，其中的功率是由一射頻功率源加到該激光共振腔的。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于，其中的激光共振腔安裝在一激光振蕩器里。
22.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于，其中的激光共振腔安裝在一激光放大器里。
23.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于，其中的反射鏡是安排在實(shí)質(zhì)上是矩形的結(jié)構(gòu)里。
24.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于，其中的第一角度互補(bǔ)于第二角度。
全文摘要
一種激光共振器，通過一組前表面反射元件，使它在一擴(kuò)展區(qū)域里具有多重折疊式光程，這種激光共振器可以用于以連續(xù)波模式或脈沖模式的氣體激光振蕩器或放大器。這種光程在激光共振腔的一個(gè)多邊形區(qū)域里被折疊成較大的疇，從而不相應(yīng)增加折疊元件的數(shù)目也能取得格外長(zhǎng)的激光光程。所得的疇以均勻間隔和相交的光程的格柵完全覆蓋該平面。由于激光媒質(zhì)是氣態(tài)的，故折射率不需要匹配。
文檔編號(hào)H01S3/08GK1039332SQ8810440
公開日1990年1月31日 申請(qǐng)日期1988年7月12日 優(yōu)先權(quán)日1988年7月12日
發(fā)明者阿爾曼多·坎托尼 申請(qǐng)人:加利福尼亞實(shí)驗(yàn)室有限公司