具有集成光束成形波导管的陶瓷气体激光器的制作方法

分案申请信息

本发明专利申请是申请日为2011年11月17日、申请号为201180065352.x、发明名称为“具有集成光束成形波导管的陶瓷气体激光器”的发明专利申请案的分案申请。

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2010年11月23日申请的第12/952,289号美国专利申请案的优先权。该案的全文以引用的方式并入本文中。

本发明总体来说涉及激光器，且更特定来说，涉及具有集成光束成形波导管的陶瓷板条气体激光器。

背景技术：

在波导管谐振器中，谐振器壁在一定程度上影响激光光束的传播且对其模式进行成形。波导管谐振器由所谓的菲涅尔(fresnel)数nf＝a²/(λl)<0.5来界定，其中a为谐振器孔径的一半，λ为激光光束的波长，且l为谐振器长度。使用波导管谐振器来形成激光光束的一个显著优点在于其允许波导管内部的激光光束的横向尺寸减小这一事实。小的横向尺寸增加由波导管所束缚的激光气体的扩散性冷却效率。窄孔还允许废弃热量有效地传输到谐振器的侧壁。因为此有效的冷却，所以等离子体温度下，增益增加，且激光气体的压力可增加。这使得每一气体体积上的能量更高且对抽运能量的射频脉冲的光学响应更快。

按面积调整的“板条”波导管激光器利用波导管轴内的有效冷却的优点，同时允许其它轴表现出“自由空间”的特点。为了将能量从腔室耦合输出，可将谐振器设计成自由空间方向上的“不稳定的”谐振器。此谐振器可采取负支或正支不稳定谐振器的形式。出于稳定性的原因，负支更受欢迎。通过允许再流通能量在镜子之间弹跳以“离开”一个镜子的边缘而将光耦合输出。可通过自由空间方向上的前镜及后镜的不同曲率的比率来控制耦合输出的百分比。虽然扩散冷却板条波导管气体激光器以相对小的尺寸及相对低的复杂度递送高的输出功率，但此类激光器通常产生具有不对称横向剖面(例如，椭圆状横向剖面)的激光光束，所述激光光束在一个横轴上拥有相对于另一横轴来说不均匀的且相对上的散度。在常规的板条波导管激光器中，通常通过并入有光束成形光学器件(包含至少一个柱面透镜)来校正这些不合需要的光束性质。此外，经常使用空间模式滤波器来消除自由空间不稳定谐振器方向上的光束边缘上的伴线。这些额外的光学元件通常增加生产成本且因为吸收而减少输出功率。

技术实现要素：

本发明可包括在所附权利要求书中所引用的一个或一个以上特征及/或一个或一个以上以下特征及其组合。

在一个实施例中，激光器可包括在其中界定含有激光气体的腔室的陶瓷体。陶瓷体可包含部分界定腔室的第一区段的多个平行壁，腔室的第一区段界定波导管。陶瓷体可进一步包含部分界定腔室的第二区段的多个倾斜壁，腔室的第二区段经成形以修改穿过腔室的第二区段的激光光束的横向剖面。激光器可进一步包括多个电极，所述电极位于陶瓷体的外部且靠近多个平行壁，以便当激发信号施加到多个电极时仅激发腔室的第一区段内的激光气体。

激光器可进一步包括靠近腔室的第一末端的第一面镜子以及靠近腔室的第二末端的第二面镜子，所述第二末端与所述第一末端相对。第一面及第二面镜子可在腔室的第一区段内创建谐振器。多个电极可经定位以使当激发信号施加到多个电极时不激发激光气体的靠近第一面及第二面镜子的部分。陶瓷体的多个倾斜壁之间的距离在腔室的第一末端与腔室的第二末端之间可增加。

腔室的第一区段可靠近腔室的第二区段。陶瓷体的多个倾斜壁之间的距离在激光光束从腔室的第一区段进入腔室的第二区段的地方可较小且在激光光束离开腔室的第二区段的地方可较大。陶瓷体的多个倾斜壁可经成形以使当激光光束从腔室的第一区段进入腔室的第二区段时激光光束具有不对称的横向剖面且当离开腔室的第二区段时具有对称剖面。

陶瓷体可由氧化铝(al2o3)、氧化铍(beo)及氮化铝(aln)中的至少一者组成。多个电极中的每一者可包括一个多段电极。激光器可进一步包括经配置以使用射频激发信号激发多个电极的能量源。

在另一实施例中，激光器可包括含有激光气体的腔室且所述腔室可包含(i)由彼此之间具有固定间隙的第一多个电介质壁所部分束缚的谐振器区段及(ii)由彼此之间具有可变间隙的第二多个电介质壁所部分束缚的光束成形区段。激光器还可包括多个电极，所述电极位于腔室的外部且靠近第一多个电介质壁，以使当激发信号施加到多个电极时仅激发腔室的谐振器区段内的激光气体。

第一多个电介质壁可界定在腔室的谐振器区段行进的激光光束的波导管，且第二多个电介质壁可经成形以修改在腔室的光束成形区段行进的激光光束的横向剖面。第一及第二多个电介质壁可包括气密陶瓷器皿的壁。激光器可进一步包括位于腔室的谐振器区段的相对末端处的一对镜子。多个电极可经定位以使当激发信号施加到多个电极时不激发激光气体的靠近所述对镜子中的每一者的部分。

腔室的谐振器区段可靠近腔室的光束成形区段。部分限制腔室的光束成形区段的第二多个电介质壁之间的可变间隙可从激光光束从腔室的谐振器区段进入腔室的光束成形区段的第一位置增加到激光光束离开腔室的光束成形区段的第二位置。部分限制腔室的光束成形区段的第二多个电介质壁可经成形以使当激光光束从腔室的谐振器区段进入腔室的光束成形区段时激光光束具有不对称的横向剖面且当激光光束离开腔室的光束成形区段时激光光束具有大体上对称的剖面。

在又一实施例中，激光器可包括由至少两个平行电介质壁及至少两面镜子所限制的波导管谐振器。激光器还可包括由至少两个倾斜电介质壁限制的锥形波导管，锥形波导管靠近波导管谐振器。激光器可进一步包括至少两个电极，所述电极位于波导管谐振器的外部以使当激发信号施加到至少两个电极时仅在波导管谐振器中产生增益介质。所述至少两面镜子可形成不稳定负支谐振器。所述至少两面镜子可形成不稳定正支谐振器。所述至少两个电极可经定位以使当激发信号施加到所述至少两个电极时在所述至少两面镜子中的每一者与增益介质之间存在间隙。

附图说明

图1为具有集成光束成形波导管的陶瓷气体激光器的一个说明性实施例的等角视图。

图2为将图1的陶瓷气体激光器移除掉一些组件以展示激光器的内部结构的等角视图。

图3为沿着线3—3(在x-z平面内)的图1的陶瓷气体激光器的剖面图，包含对穿过谐振器区段及光束成形区段两者且通过出射窗口离开激光器的激光光束的描述。

图4为沿着线4—4(在x-y平面内)的图1的陶瓷气体激光器的剖面图。

图5为沿着线5—5(在y-z平面内)的图1的陶瓷气体激光器的剖面图。

具体实施方式

出于促进对本发明的原理的理解的目的，现在将参考附图中所展示的说明性实施例且将使用具体的语言来描述这些说明性实施例。

根据本发明的激光器10的一个说明性实施例展示于图1到5的图中。激光器10体现为具有集成光束成形波导管的陶瓷气体激光器。激光器10一般包含谐振器区段12及光束成形区段14。谐振器区段12由彼此之间具有恒定间隙的平行壁限制，所述平行壁针对在谐振器区段12内行进的激光光束充当波导管谐振器。光束成形区段14由彼此之间具有可变间隙的倾斜壁限制，所述倾斜壁的作用是将在光束成形区段14内行进的激光光束的横向剖面重新成形。在说明性实施例中，谐振器区段12内的激光气体的部分被激发且创建激光器增益介质，但没有激发光束成形区段14内的激光气体。因此，光束成形区段对穿过其行进的激光光束来说没有放大作用。

现在参考图1及2，激光器10的说明性实施例包含陶瓷体16、一对电极18、20、一对镜子22、24以及出射窗口26。图2中的激光器10的视图类似于图1中的视图，除了已在图2中将电极20及陶瓷体16的一部分移除以使得激光器10的内部可见之外。使用相同的参考数字来识别图1到5的激光器10的类似组件。

激光器10的陶瓷体16被示意性地表现为含有激光气体的封闭的气密器皿。在一些实施例中，陶瓷体16可由氧化铝(al2o3)、氧化铍(beo)及/或氮化铝(aln)形成。还预期陶瓷体16可由其它合适的电介质材料(包含非陶瓷)形成。在说明性实施例中，陶瓷体16至少部分界定激光器10的谐振器区段12及光束成形区段14两者。特定来说，陶瓷体16包含部分界定谐振器区段12的两个平行壁28、30以及部分界定光束成形区段14的两个倾斜壁32、34。下文将更为详细地描述这些壁28-34(其在图2、4及5中一般可见)的相应的功能。虽然陶瓷体16在说明性实施例中被展示为一体式组件，但在其它实施例中陶瓷体16可由若干截然不同的零件组成。在另外其它实施例中，预期陶瓷体16可比谐振器及光束成形区段12、14大且可包含额外腔室以固持气体存储器。

激光器10包括位于谐振器区段12的相对末端的一对镜子22、24。在说明性实施例中，两面镜子22、24附接到陶瓷体16且与被陶瓷体16围封的激光气体接触。镜子22、24可为球面的、非球面的、平面的、圆柱的或其它形状，这取决于激光器10的设计。两面镜子22、24面对面且形成谐振器。如图3中所说明，在说明性实施例中，镜子22、24形成不稳定负支谐振器，其具有位于镜子之间的焦点位置36。当激发镜子22、24之间的谐振器区段12内的激光气体的一部分时(如下文进一步解释)，被激发的激光气体充当激光辐射的增益介质。当激光辐射在z方向上在镜子22、24之间来回弹跳时激光辐射被放大，直到激光光束38通过出射或耦合输出窗口26而离开激光器10为止。在采用负支不稳定谐振器的说明性实施例中，激光光束38大体上平行于光轴z而离开出射窗口26。虽然说明性实施例被展示为具有透明出射窗口26，但其它实施例可采用覆盖激光器10的整个末端但具有部分反射性区域以允许光束离开的镜子24。

激光器10还包含一对电极18、20以激发被陶瓷体16所围封的激光气体的部分。特定来说，电极18、20经定位以激发激光器10的谐振器区段12内的激光气体的部分(而不是光束成形区段14内的激光气体的部分)。电极18、20连接到射频电压源(未图示)。说明为在40mhz到150mhz的范围内的射频激发用于激发电极18、20之间的激光气体，这借助通过16的陶瓷壁进行的电容耦合而产生等离子体。在说明性实施例中，两个电极18、20位于陶瓷体16的外部、平行壁28、30的上方且彼此相对(参看图4)。因而，所述这对电极18、20仅包围陶瓷体16的谐振器区段12。当给其提供能量时，电极18、20仅激发谐振器区段12内电极18、20之间的激光气体的部分。

电极18、20的每一者可具有不同的几何形状，其可为片段状且可与陶瓷体16的平行壁28、30成平面或成一定的角度。使用位于陶瓷体16的外部的电极18、20产生了许多优点。举例来说，在一些实施例中，可使用不同几何形状的电极来仅激发谐振器区段12内的激光气体的某些部分。在其它实施例中，可分别激发一个多段电极的单个片段。此外，使用外部电极18、20允许一直达到镜子22、24的表面的连续的波导管，并且不会激发直接靠近镜子22、24的激光气体的部分。众所周知，波导管的末端与镜子之间的间隙可对激光器造成损失；间隙越大，损失越高。另一方面，在被激发的等离子体与镜子之间必须维持一定距离以免损害镜子表面。使用外部电极18、20会保护镜子22、24免受等离子体破坏，但仍允许陶瓷体16在波导管表面中没有任何中断的情况下将激光辐射导引到镜子22、24。

陶瓷体16的平行壁28、30及所述对镜子22、24在说明性的激光器10(因此，“板条”激光器)的谐振器区段12内形成波导管谐振器。陶瓷体16的壁28、30在x及z方向上彼此平行延伸且在y方向上被小间隙a1分开，进而形成波导管。在说明性实施例中，虽然此间隙处于1.3mm到3mm的范围内，但针对其它实施例而预期其它距离。因此在谐振器区段12内建立的任何激光辐射将通过波导管被限制在y方向内且演进成稳定模式。x方向上的激光辐射将形成与镜子22、24相符的无限制的自由空间模式。在说明性实施例中，此将为不稳定激光器模式，其最佳地利用了谐振器的体积且递送接近衍射限制的光束。如所属领域的技术人员将了解，末端镜子22、24将必须得到适当配置以实现此模式。在y方向上，镜子22、24可几乎为平坦的，因为光束由波导管限制。

如上文所描述，位于电极18、20之间的谐振器区段12内的激光气体的部分被激发且针对在两面镜子22、24之间来回弹跳的任何激光辐射充当增益介质，进而放大激光辐射。横向上的波导管壁28、30之间的窄的距离a1允许激光气体的有效的扩散冷却。在这些情形下激光气体所固有的高增益及高饱和度还允许具有小的几何尺寸的高功率且高效率的激光器。激光辐射将继续在谐振器区段12内被放大直到光束到达光束进入光束成形区段14的位置40为止。谐振器区段12具有通过镜子22、24的设计及其彼此相对的位置而界定的某一耦合输出系数。此系数在镜子22处的位置40处确定x方向上的光束的宽度k。如在背景技术部分中所描述，在位置40处，激光光束具有不对称的、椭圆形的光束剖面且在波导管平面(y)及自由空间平面(x)内具有不同的发散角。

如上文所描述，光束成形区段14集成到激光器10的陶瓷体16中。在光束成形区段14内，陶瓷体16包含彼此成一定角度的倾斜壁32、34(即壁32、34并不平行)。换句话说，壁32、34被或者在z方向上或者在x方向上或者在此两个方向上改变的间隙在y方向上分开。这些倾斜壁32、34形成将激光光束的横向剖面重新成形的锥形波导管。光束成形区段14经成形以将以椭圆形光束剖面进入的激光光束改变成具有圆形光束剖面(或任何其它所需的光束剖面)的激光光束。

在说明性实施例中，光束成形区段14在靠近后镜22的位置40处开始。在此区段14内于陶瓷体16中所形成的波导管包含下壁32及上壁34。这些波导管壁32、34在y方向上具有可变间隙距离，所述可变间隙距离在光束38离开激光器10的出射窗口26处从高度a1(在位置40处)过渡到高度a2。光束成形区段14的宽度k在说明性实施例中是恒定的。在操作中，从谐振器区段12到达的激光光束从镜子22反射且被引导穿过光束成形区段14。虽然穿过了光束成形区段14的锥形波导管而行进，但当壁32、34之间的间隙在变宽时，光束在y方向上以受控速率在变宽。在x方向上(即，不稳定谐振器方向)，光束持续变得更加平行，从而保持其光束宽度k。在出射窗口26处，如果a2＝k，那么光束将在x及y方向上具有相同的直径。因此，使出射处的距离a2的大小等于宽度k将在出射窗口26处产生对称的光束剖面。刚刚所讨论的几种距离被示意性地展示于图4及5的剖面图中。

预期在其它实施例中光束成形区段14的倾斜壁32、34可额外地或替代地进行弯曲或挠曲。此外，在一些实施例中，下或上壁32、34中的仅一者可进行倾斜或弯曲。在其它实施例中，光束成形区段14的壁32、34的部分可倾斜或弯曲，而壁32、34的其它部分可彼此平行。出射窗口26处的所需光束形状或剖面指示光束成形区段14的形状。波导管可包括三个壁(包含一侧壁，如在说明性实施例中所展示)或可在x方向上敞开。还应了解，可在光束成形区段14内形成在激光器10的长度上折叠若干次以增加其长度的波导管。

如上文所描述，仅谐振器区段12位于电极18、20之间。因此，仅激发谐振器区段12内的激光气体，因此仅谐振器区段12含有增益介质。光束成形区段14还充满激光气体的一部分但并未展示激光辐射的任何放大。相反，区段14的“冷”波导管在其剖面上具有完全统一的吸收，这将不会扭曲激光光束剖面。因为等离子体放电仅发生在谐振器区段12内，所以电极18、20之间的距离a1严格统一。此事实结合等离子体与电极18、20之间的陶瓷体16一起提供了非常统一的放电，所述放电允许以高功率及高光束质量两者产生激光光束。

虽然在前述附图及描述中已对本发明进行详细的说明及描述，但所述说明及描述应被视为说明性而非限制性的性质，应了解，仅已展示及描述其说明性的实施例，且在本发明的精神内的所有变更及修改需要受到保护。