专利名称：一种用于横流二氧化碳激光器的非稳谐振腔的制作方法
技术领域：
本实用新型属于激光技术领域，主要用于改善高功率横流二氧化碳激光器的光束质量。
背景技术：
本专业的技术人员十分清楚，激光谐振腔(以下简称光腔)是激光器产生激光的不可缺少的关键部件。其基本物理原理是相同的，但在不同的激光器中具体结构和形态不尽相同。高功率(指平均功率200瓦以上)横流二氧化碳激光器因为气体流动、气体放电激发、激光谐振腔的激光束出光的三方向是互相正交的，所以产生激光的增益区的横截面一般是矩形的，而且不均勻。这样，横流二氧化碳激光的光束质量一般不好，在工业和军事应用中受到了很大的限制。目前，横流高功率二氧化碳激光器的光腔主要有三种形式平-凹稳定腔，指由平面镜和凹球面镜组成的光腔；多折平-凹稳定腔，这种腔与平-凹稳定腔是一样的思想，不同的是用折叠的方式增加光腔的长度改善光束质量和提高增益区的利用效率；共焦点凸-凹非稳定腔，指由有公共焦点的凸球面镜和凹球面镜组成的光腔。平-凹腔的显著优点是光腔最为稳定，主要问题是光束质量很差，所产生的激光是多模激光，聚焦性能和传输性能不好，聚焦后的最小光斑只能达到约一毫米，只能在对光束要求不高的热处理、熔覆等场合中应用。多折平-凹稳定腔是从改善光束质量和增加模体积从而提高效率出发而设计的光腔，但实际效果是光腔很不稳定，因为增加了光腔的长度所带来的问题就是难以稳定工作，例如一个五折腔的腔长是平-凹腔的五倍，任何位移变化至少放大五倍， 容易在运行中失调而导致功率显著降低甚至不出光。共焦点凸-凹非稳定腔是根据平-凹腔的缺点提出改进的光腔，用这种腔可以获得比较好的光束质量，聚焦的最小光斑能达到零点一毫米，可以进行切割、焊接、和远距离传输等这样的要求高的应用，当然也可以在低要求的加工中应用；一般共焦点凸-凹非稳定腔的所利用的增益区的横截面是一个圆形或者矩形，为了获得比较高的效率，它利用了一个凹面镜、一个凸面镜、一个45°放置的输出耦合镜和一个全透过窗口，它具有四个光学元件，具体结构的典型图示意如图1 ；这样的凸-凹非稳定腔的结构比较复杂，使用中的调节难度大，可靠性比较差；必须说明的是这种腔的输出耦合镜中间的孔如果是圆形的，其输出的激光束将是一个圆环；如果中间的孔是方型的，其输出的激光束将是一个方形环。
实用新型内容针对原有光腔的缺点，本实用新型的目的是提供一种用于横流二氧化碳激光器的凸-凹非稳定谐振腔(以下简称非稳谐振腔)，为了达到这个目的，本实用新型的主要技术方案是这种非稳谐振腔由凸球面全反镜、凹球面全反镜和激光输出窗口等三个光学元件组成，当凸球面全反镜和凹球面全反镜按照一定的方式组合时，该光腔是一个单端正支的虚共焦凸-凹非稳腔，光学上是一个望远镜型的谐振腔，其输出的激光束为平行光。本实用新型所述的非稳谐振腔的凸球面全反镜还可以是凹球面全反镜。当一个凹球面全反镜和凹球面全反镜适当组合时，该非稳谐振腔结构是一个实共焦凹-凹非稳腔。本实用新型所述的非稳谐振腔的核心内容之一是一般非稳谐振腔具有四个光学元件，其中耦合和输出是由两个光学元件完成，即45°布置的输出耦合镜和全透过窗口， 其输出光束与谐振腔光轴成90°转折，从而造成使用上的不方便和调节的困难，也使得结构复杂和不可靠；这种一般非稳腔的具体原理图如图1。而本实用新型所述的非稳谐振腔只有三个光学元件，其中采用了一个特殊的支撑结构(简称支撑杆)将输出一端的球面镜 (如果是虚共焦非稳腔该球面镜就是凸球面镜，如果是实共焦腔该球面镜就是凹球面镜) 支撑起来直接实现输出而不需要45°耦合镜。支撑杆与输出端的球面镜是直接焊接在一起或粘接在一起。具体原理图如图2。如果输出耦合的球面镜是圆形的，输出的激光束将是圆环；如果输出耦合的球面镜是方形的，输出的激光束则是方形环；但是它们的共同特点是中间都有支持杆遮挡后的阴影，即圆环或方环中间都有支撑杆阴影而不完整，使激光光束近场能看到被遮挡的部位。该支撑杆除了支撑的作用外，还有通过冷却液体从而冷却输出耦合镜的作用，因为高功率激光的功率密度大，镜片的反射率必然小于100%而存在吸收， 不冷却镜片就会变形或烧毁而影响使用。同时为了尽量避免支持杆遮挡过多的激光(被遮挡的部分能量是被浪费掉的部分)，支撑杆的结构设计为扁平结构，既保证了一定的支撑强度又使得挡光面积小，即与光轴平行方向宽、与光轴垂直方向窄、中间是空心的便于通过冷却液体。具体制作时可以用一根金属管将其支持镜片的部位压扁而其它部位维持圆形截面，这样既有比较高的强度又能保持液体在支持杆内畅通。当本实用新型所述的非稳谐振腔镜片由一般球面曲率组合就构成一般非稳谐振腔，此时输出的光束不是平行光，需要再处理才能变为平行光。本实用新型的主要优点是1)、获得准基模的激光束输出，这是接近衍射极限的性能最好的光束模式；幻、实现输出光轴和谐振腔的光轴同心而不改变光的传输方向，调节和使用起来都方便；幻、尽可能充分地利用横流激光器的增益区，获得尽可能大的模体积和尽可能高的激光转换效率；4)、能够长期稳定工作，便于横流激光器的大规模工业和军事应用。本实用新型除了上述显著特点外，还具有结构简单容易实现等适合工程化的优点。它所需要的光学元件只有三个，安装好后需要调整的元件只有一个、即一个球面全反射镜，在调整好以后就基本不需要动了，特别适合工业生产和军事应用。从高功率激光应用方面看，横流二氧化碳激光是高功率气体激光中成本最低、效率最高、功率最高、寿命最长的激光器，只是因为光束质量不好而失去了很多应用领域。本实用新型可以彻底地解决这样的问题，使横流激光器的应用产生根本的变化。本实用新型除了能用于二氧化碳激光器外，还能够用于类似的气体激光器、例如一氧化碳激光器和准分子激光器等等激光器。
图1是普通虚共焦非稳谐振腔基本结构示意图。在普通的虚共焦非稳腔结构中，组成光腔的光学元件是四个其中元件(1)是凹球面镜，⑵是凸球面镜，⑶是45°度耦合镜，⑷是输出窗口。元件⑴和(2)组成基本的谐振腔，(3)用于耦合，(4)用于隔离激光工作气体和大气。[0012]图2是本实用新型虚共焦非稳谐振腔基本结构示意图。在本实用新型的虚共焦非稳腔结构中，组成光腔的光学元件是三个其中元件 (5)是凹球面镜，(6)是凸球面镜，(7)是输出窗口。元件(5)和(6)组成基本的谐振腔，(7) 用于隔离激光工作气体和大气。与普通的虚共焦非稳腔不同的是，元件(6)有一个支撑杆将凸球面镜支撑起来实现激光的直接输出，输出光的方向与振荡光的方向一致。支撑杆除了起到支撑凸球面镜的作用外，还有冷却凸球面镜的作用。支撑杆的结构设计为扁平结构， 既保证了一定的支撑强度又使得挡光面积小，即与光轴平行方向宽、与光轴垂直方向窄、中间是空心的便于通过冷却液体。图3、图4和图5是其中凸球面镜和支撑杆以及外围安装环装配起来的机械结构示意图，其中图3是主视图、图4是俯视图、图5是侧视图。在这三个图中，支撑杆(8)是扁平和空心的，凸球面镜(9)是方形的，因此输出的激光光斑是方环形，外围安装环(10)是圆形的。如果将凸球面镜设计为圆形的，则输出的激光光斑是圆环形的。图2中的三个光学元件的具体几何尺寸和光学参数(包括镜面的曲率半径)根据具体激光器的需要计算确定。
具体实施方式
本实用新型的具体实施例子如下一个平均功率为10000W的横流TEA 二氧化碳激光器，工作频率150_500Ηζ，单脉冲能量20-50J，光腔长度2000mm，其气体放电产生的增益区截面为46mmX46mm的方形，元件 (5)是曲率半径为8000mm、镜面尺寸为Φ80πιπι、厚度为20的凹球面全反射镜；元件(6)是曲率半径为4000mm、镜面尺寸为23mmX 23mm正方形、厚度为20mm的凸球面全反射镜；元件 (7)是镜面尺寸为Φ96πιπι、厚度为10mm、透过率接近100%的平面输出窗口。这样的组合起来的非稳谐振腔是一个放大倍率M(两个全反射镜的曲率半径8000mm和4000mm的比值)为2的单端正支的虚共焦凸-凹非稳腔，其输出光束在接近输出窗口处的形状是一个外边长为46mm、内边长为23mm的方形环。输出光束模式为基膜，功率为10000W，极大地改善了光束质量和拓宽了横流二氧化碳激光器的应用范围。
权利要求1.一种用于横流二氧化碳激光器的非稳谐振腔，它由凹球面全反镜、凸球面全反镜和激光输出窗口组成，其特征在于当凹球面全反镜和凸球面全反镜组合时，其组合镜光腔是一个单端正支的虚共焦凸-凹非稳腔，它通过窗口直接输出激光，因此激光输出方向与谐振方向是相同的。
2.按照权利要求1所述的一种用于横流二氧化碳激光器的非稳谐振腔，其特征在于 当凸球面全反镜改为凹球面全反镜时，通过球面曲率组合，虚共焦非稳腔就变成实共焦非稳腔。
3.按照权利要求1所述的一种用于横流二氧化碳激光器的非稳谐振腔，其特征在于 采用了支撑杆将输出一端的球面镜支撑起来直接实现输出而不需要45°耦合镜。
4.按照权利要求1所述的一种用于横流二氧化碳激光器的非稳谐振腔，其特征在于 在高功率状态下，为了减少对输出激光的遮挡，支撑杆采用扁平结构。
5.按照权利要求1所述的一种用于横流二氧化碳激光器的非稳谐振腔，其特征在于 在高功率状态下，为了冷却谐振腔的球面镜，支撑杆采用空心的结构便于冷却介质通过。
专利摘要一种用于横流二氧化碳激光器的凸-凹非稳定谐振腔，主要用于改善高功率横流二氧化碳激光器的光束质量。该激光谐振腔的主要技术方案是这种非稳谐振腔由凸球面全反镜、凹球面全反镜和激光输出窗口等三个光学元件组成，当凸球面全反镜和凹球面全反镜按照一定的方式组合时，该光腔是一个单端正支的虚共焦凸-凹非稳腔，光学上是一个望远镜型的谐振腔，其输出的激光束为平行光。
文档编号H01S3/22GK202025978SQ20102051951
公开日2011年11月2日 申请日期2010年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者潘浩, 陈清明 申请人:武汉大族金石凯激光系统有限公司