波长区分板条激光器的制作方法

本申请要求于2016年9月7日提交的德国专利申请第102016116779.7号的优先权，其全部公开内容通过引用结合于本文中。

本发明一般涉及控制激光器的光谱输出。它特别涉及在具有不稳定谐振器的激光器中选择增益介质的发射带。

背景技术：

二氧化碳(co2)和一氧化碳(co)激光器使用受激发的气体混合物中的分子振动和旋转状态之间的跃迁来产生红外激光辐射。在co2激光器中，气体混合物包括co2、氦气(he)、氮气(n2)和通常较小浓度的氢气(h2)。通过在两个电极之间施加电流或射频(rf)场来激励(泵送)气体混合物。rf泵浦具有更长电极寿命的优点。受激发的co2气体混合物可以在多个波长范围(带)上发射激光辐射，其以9.3微米(μm)、9.6μm、10.2μm和10.6μm为中心。

在平板构造中，气体混合物在两个紧密间隔的电极的平面波导表面之间的体积中通电。通过两个谐振器镜围绕受激励的气体混合物形成激光谐振器，本领域技术人员将其称为“输出耦合器”或“前镜”和“高反射器”或“后镜”。气体混合物占据体积，高度由电极之间的小间隙限定，长度由谐振器镜之间的距离限定，并且宽度由谐振器镜的宽度限定。在扩散冷却配置中，通过热扩散到电极来冷却气体混合物，电极通常包括含有流动液体冷却剂的通道。在快速流动配置中，通过在包括气体容器、激光谐振器和热交换器的回路中快速循环气体混合物来实现冷却。

在平板构造中，谐振器镜通常形成不稳定的激光谐振器。由谐振器镜引导的自发发射的辐射在多次通过受激励的气体混合物期间通过受激发射被放大。输出激光辐射在从高反射器作为近似准直光束的最终反射之后离开激光谐振器，穿过输出耦合器中的孔或经过输出耦合器的外边缘。光束通过的孔或边缘区域通过透明窗口气密密封。

co2激光器主要用于工业材料加工，特别是用于切割，划线，标记和焊接。诸如塑料和木材之类的切削材料通常需要几十到几百瓦的功率，而切割和焊接金属和金属合金通常需要千瓦级的功率，这取决于工件的厚度。在特定应用中优选的发射带取决于被加工材料的吸收光谱。例如，10.2μm带优选用于切割某些类型的塑料，而表明9.3μm带优选用于牙科手术中的硬组织消融。

通常，co2激光器中的谐振器镜具有金属表面，其最通常是铜，或者是在9μm和11μm之间的所有发射带处反射的宽带涂层。co2激光器倾向于在主导的10.6μm波段中工作。在其他发射带之一中没有任何杂散发射的情况下，纯粹在一个发射带中产生激光辐射是有挑战性的。仅产生具有较小的发射截面的9.3μm波段或9.6μm波段的激光辐射尤其具有挑战性。

为了仅在一个发射带中产生激光辐射，至少一个谐振器镜可以涂覆有带选择性涂层，该带选择性涂层对于所选择的发射带是高度反射的并且对于其他发射带是弱反射的。由此抑制了其他发射带的激光。这种带选择性涂层比宽带涂层厚，具有由介电材料制成的许多四分之一波长厚的层。镜面设计针对所需的光谱选择性进行了优化，但是由于介电材料的相对低的导热性，这种厚涂层易于受到颗粒引起的光学损伤。由涂层表面上的颗粒吸收激光辐射引起的局部加热会引起灾难性损坏。这种厚涂层具有与下面的基底材料不同的热膨胀特性，也易于分层。与简单的宽带涂层相比，带选择性涂层的另一个缺点是成本高。

已知通过将sio2的钝化层施加到至少一个电极的平坦波导表面并精确地设定电极之间的距离，可以抑制更长波长10.2μm和10.6μm的波段。这种布置在美国专利第8,331,416号中有所描述，并且可以制成生成9.3μm波段的激光辐射，但不能仅在9.6μm波段或10.2μm波段内提供稳定的操作。

需要一种高功率co2激光器，其仅在一个选定的发射带中可靠地产生激光辐射，这对于制造而言是成本有效的并且不易于发生光学损坏。优选地，这种co2激光器能够纯粹在9μm和11μm之间的任何一个发射带中产生激光辐射，其输出发射带在其制造或操作期间是可选择的。

发明概述

在一个方面，根据本发明的激光装置包括具有多个发射带的增益介质。提供第一和第二谐振器镜。每个谐振器镜具有反射表面。谐振器镜围绕增益介质布置以形成不稳定的激光谐振器，其具有光轴。谐振器镜中的至少一个包括光谱选择元件，其占据至少一个谐振器镜的反射表面的小于30％的部分。光谱选择元件位于光轴上。对于期望的发射带，光谱选择元件的反射损耗小于约4％，而对于其他发射带，反射损耗大于10％。激励增益介质产生来自不稳定的激光谐振器的激光辐射，不稳定的激光谐振器在所需发射带中具有比在其他发射带中更高的功率。

附图说明

包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示意性地示出了本发明的优选实施方案，并且与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本发明原理。

图1a是横截面的平面图，示意性地示出了根据本发明的激光装置的优选实施方案，用于在增益介质的期望发射带中产生激光辐射，包括形成具有光轴的不稳定激光谐振器的双谐振器镜，并且两个光谱选择元件插入谐振器镜中并位于光轴上。

图1b是横截面的侧视图，示意性地示出了图1a的激光装置。

图1c是横截面的平面图，示意性地示出了图1a的激光装置的附加细节。

图2是横截面的平面图，示意性地示出了根据本发明的激光装置的另一个实施方案的细节，类似于图1c的实施方案，但是仅包括一个能沿光轴平移的光谱选择元件。

图3是示意性地示出作为沿着图2的激光装置的光轴的平移的函数的四个发射带中的分数幂的曲线图，激光装置具有增益介质，增益介质是气体混合物并且包括co2。

图4是横截面的平面图，示意性地示出了根据本发明的激光装置的又一个实施方案的细节，类似于图1的实施方案，但是包括位于光轴上的两个光谱选择镜。

图5a是横截面的平面图，示意性地示出了根据本发明的激光装置的又一个实施方案的细节，类似于图1c的实施方案，但是仅包括一个光谱选择元件，其形式为与光轴同心的多个阶梯表面。

图5b是横截面的端视图，图5c是横截面的侧视图，示意性地示出了图5a的激光装置的附加细节。

图6a是横截面的端视图，图6b是横截面的侧视图，示意性地示出了根据本发明的激光装置的又一实施方案的细节，类似于图5a-5c的实施方案，但具有形式为突出的矩形表面的光谱选择元件。

图7a是横截面的端视图，图7b是横截面的侧视图，示意性地示出了根据本发明的激光装置的又一实施方案的细节，类似于图6a和6b的实施方案，但具有多个平行的突出矩形表面。

图8a，8b和8c是作为时间函数的四个发射带中的建模分数幂的曲线图，比较了现有技术激光器和根据本发明的两个激光器的光谱选择性。

图9是横截面的平面图，示意性地示出了在图1a的不稳定的激光谐振器中被放大的光线的传播。

发明详述

现在参考附图，其中相同的特征用相同的标号表示。图1a是横截面的平面图，示意性地示出了根据本发明的激光装置的一个优选实施方案10。激光器10包括左谐振器镜12和右谐振器镜14，它们共同形成具有光轴18的激光谐振器16。阴影线描绘激光辐射20，其通过受激发的气体增益介质中的受激发射而被放大并且沿着输出光束路径22离开激光谐振器。在平面xz中，激光谐振器是不稳定的，其中被放大的任何光束遵循蛇形路径并且尺寸增大直到它作为准直激光辐射束从其泄漏。增益介质具有多个能够通过受激发射放大的发射带。

左谐振器镜12(它是输出耦合镜)包括左光谱选择元件24。右谐振器镜14(它是高反射镜)包括右光谱选择元件26。光谱选择元件24和26位于光轴18上。光谱选择元件中的每一个对于增益介质的期望发射带产生低反射损耗并且对于其他发射带产生高反射损耗。在本文中，“低反射损耗”意指小于约4％的损耗，或等效地大于约96％的反射率。“高反射损耗”意指大于约10％的损耗，或等效地小于约90％的反射率。

图1b是包括光轴18的另一平面中的激光器10的横截面侧视图。电极28和电极30一起形成用于平面yz中的激光辐射16的波导。尽管谐振器镜12和14在平面yz中被描绘为平坦的，但是它们可以替代地具有轻微的凹形形状以便以最小的衍射损耗将反射的激光辐射引导回波导中。在平面yz中，激光谐振器是有效稳定的，其中被放大的任何光束沿着由波导限定的光束路径进行多次往复通过。

增益介质填充两个谐振器镜与电极28和30之间的整个体积。rf频率的电功率由其源产生并施加在电极上以在电极之间产生激励增益介质的rf场。为了便于说明，图1a和1b中未示出rf电功率源、增益介质、用于增益介质的强制循环的元件，以及用于冷却增益介质的元件。rf电功率源、强制循环装置和增益介质冷却装置都是本领域公知的。其描述对于理解本发明的原理不是必需的。

光谱选择元件24和26分别占据由激光辐射20照射的谐振器镜12和14的表面区域的相对小部分。小部分小于30％，优选小于15％，最优选小于5％。在平面yz中，谐振器镜的照射基本上与光谱选择元件重叠，而在平面xz中，只有一小部分照射入射在光谱选择元件上。

图1c是横截面的平面图，示出了激光谐振器16的附加细节。为了便于说明，光轴18在图中缩短。谐振器镜12和14的表面32和34分别对于期望的发射带具有高反射率，并且还可以对增益介质的其他发射带反射。光谱选择元件24和26分别插入谐振器镜12和14中，并从表面32和34突出距离d1和d2。光谱选择元件24和26分别具有表面36和38。为了制造方便，表面36和38可以由与表面32和34相同的材料制成，但是选择的任何材料或涂层必须对于所需发射带是反射性的。

距离d1和d2各自约等于所需发射带的中心波长的半整数，使得在从表面32和36以及从表面34和38反射的激光辐射之间存在相长干涉。对于其他发射带中的辐射，来自表面32和36以及表面34和38的镜面反射将是异相的，从而防止放大到相干激光辐射。有效地，对于其他发射带，表面36和38在谐振器镜12和14中表现为高损耗孔。相反，对于所需的发射带，谐振器镜具有连续的低反射损耗。通过使表面36和38从表面32和34凹进，也可以实现光谱选择性，而不脱离本发明的精神和范围。这里，这种凹入的光谱选择元件具有负距离d1和d2。

举例来说，激光器10具有包括co2气体的增益介质，其具有在约9.3μm，9.6μm，10.2μm和10.6μm的中心波长处的发射带。电极28和30分开约2毫米(mm)。左谐振器镜12的宽度约为170mm，右谐振器镜14的宽度约为190mm。左谐振器镜12的焦距约为470mm，右谐振器镜14的焦距约为530mm。谐振器镜间隔约1000mm。

示例性的光谱选择元件24和26是圆柱形的并且具有约4mm的直径。表面32、34、36和38对所有四个发射带具有高反射率。表面可以由金属制成，例如金、银、铜、铬或镍。可替代地，表面可以覆盖有由四分之一波长的介电材料层制成的宽带涂层。通过在示例性co2激光器的制造期间设定距离d1和d2来选择用于输出激光辐射的期望发射带。无论所需的发射带如何，本发明的激光器都具有所有组成部件都是通用的优点。

尽管描绘了激光器10具有包括在两个谐振器镜中的光谱选择元件，但是在许多情况下通过仅在谐振器镜12和14中的一个中包括光谱选择元件来实现足够的光谱选择性。发明人已经确定谐振器镜在抑制其他发射带方面表现不同。他们还确定左谐振器镜12上的突出表面36的作用类似于右谐振器镜14上的凹进表面38。

图2是横截面的平面图，示意性地示出了根据本发明的激光装置40的另一实施方案的细节。激光器40类似于图1c的激光器10，除了左谐振器镜12包括能沿光轴18平移的光谱选择元件42，如矢量t所示。光谱选择元件42具有表面44，其对增益介质的多个发射带是反射性的。

平移光谱选择元件42改变距离d3，距离d3是表面44是从表面32突出或从表面32凹进的距离。光谱选择元件42可以由商用测微计平移，商用测微计可以手动致动或者可以机动化。可替代地，光谱选择元件42可以连接到压电(pzt)元件，通过施加电势来控制平移。用于光学元件的精确线性平移的装置在本领域中是公知的，并且其进一步描述对于理解本发明的原理不是必需的。距离d3可以在激光器的制造期间设定或者在激光器的操作期间设定。

图3是描绘作为沿光轴18的平移的函数的上述示例性co2激光器的四个发射带中的建模分数幂的曲线图。示例性光谱选择元件42是圆柱形的，具有平坦表面44，直径约为4毫米。表面32、34和44对于所有四个发射带是高度反射的。该模型的发射截面在9.3μm下为630x10-¹²m²，在9.6μm下为650x10-¹²m²，在10.2μm下为670x10-¹²m²，在10.6μm下为750x10-¹²m²。应当注意，看起来超过100％的分数幂是产生图形的伪像，并且实际上表示模型中约100％的分数幂。还应注意，图形中平移的数值是从光轴18上的任意位置的位移，但是这些值对应于相对小的距离d3。

每当距离d3约等于四个发射带之一的中心波长的半整数时，在从表面32和44反射的激光辐射之间发生相长干涉。在这种情况下，来自激光谐振器16的输出激光辐射主要在该发射带中，而其他发射带被抑制。例如，大部分输出功率在约-4.5μm和0.3μm的平移处在9.6μm发射带中。类似地，大多数输出功率在约为-3.5μm和1.6μm的平移处在10.2μm发射带中。9.3μm发射带具有最低的发射截面，并且在该实施例中从不超过80％的分数幂。图3表明，当在应用中需要时，激光器40可以在发射带之间有效地调谐。

图4是横截面的平面图，示意性地示出了根据本发明的激光装置50的又一个实施方案的细节。激光器50类似于图1c的激光器10，除了左谐振器镜12包括具有光谱选择性涂层54的光谱选择镜52，右谐振器镜14包括具有光谱选择性涂层58的光谱选择镜56。光谱选择性涂层54和58对于期望的发射带具有低反射损耗。对于每个其他发射带，至少一个光谱选择性涂层具有高反射损耗。

光谱选择镜52和56抑制其他发射带而不从谐振器镜的表面32和34突出或凹进。然而，与其他实施方案一样，它们也可以布置成突出或凹进以增强光谱选择性。选择光谱选择镜的涂层表面与谐振器镜的表面之间的距离，以使所需发射带的损耗最小化并进一步抑制其它发射带。

光谱选择镜52和56可以具有如图所示的平坦表面，可以具有与谐振器镜具有相同曲率的表面，或具有不同的表面曲率的表面。可以选择表面曲率以在光谱选择镜之间形成稳定的激光谐振器。稳定的激光谐振器将产生主要在所需发射带中的激光辐射，其通过衍射泄漏到由谐振器镜12和14形成的不稳定的激光谐振器中。稳定的激光谐振器因此用所需发射带中的激光辐射有效地接种不稳定的激光谐振器。

激光器50比具有覆盖每个谐振器镜的整个表面的光谱选择性涂层的现有技术设计更可靠。在激光器50中，光谱选择镜52和56占据由激光辐射照射的谐振器镜12和14的表面区域的相对小部分。优选地，照射表面积的一小部分应小于15％，最优选为5％。对于上述示例性co2激光器，示例性光谱选择镜52和56是圆形的，具有约4mm的直径。光谱选择性表面占谐振器镜的总照射表面积的约2％，从而与现有技术设计相比相称地降低了颗粒引起的光学损伤的风险。仅在谐振器镜表面的一小部分上具有光谱选择性涂层的另一个优点是其整体加热较少。光谱选择性涂层比较薄的宽带涂层更具吸收性。尽管描绘了激光器50具有包括在两个谐振器镜中的光谱选择元件，但是在许多情况下通过仅在一个谐振器镜中包括光谱选择元件来实现足够的光谱选择性，从而进一步降低了光学损伤的成本和风险。

图5a是横截面的平面图，示意性地示出了根据本发明的激光装置60的又一个实施方案的细节。激光器60类似于图1c的激光器10，除了右谐振器镜14包括具有从表面34突出的多个阶梯表面(这里是三个)的光谱选择性结构62，这些阶梯表面与光轴18同心。表面64a突出距离d4，表面64b突出距离d5，并且表面64c突出距离d6。距离d4，d5和d6约等于所需发射带的中心波长的不同半整数。图5b是端视图(面对表面34)，而图5c是示意性地示出激光器60的进一步细节的侧视图(横截面)。

光谱选择性结构62的操作原理与图1c的光谱选择元件24和26相同，由此，对于期望的发射带，在从表面34，64a，64b和64c反射的激光辐射之间存在相长干涉。对于其他发射带中的辐射，来自这些表面的镜面反射将是异相的。相反，反射的辐射被衍射远离光轴18，从而从激光谐振器16中丢失而没有显着的放大。光谱选择性结构62在抑制其他发射带方面比图1c的光谱选择元件24和26更有效。

通过在表面36和38或阶梯表面64a，64b和64c上包括光谱选择性涂层，可以进一步改善光谱选择性。距离d1，d2，d4，d5和d6相当小，例如在1μm和10μm之间的范围内，因此使用多层介电涂层的设计必须考虑激光辐射穿透涂层本身的深度。

光谱选择性结构可以包括在右谐振器镜14中，如图5a-5c所示的，或者包括在左谐振器镜12中。光谱选择性结构的阶梯表面可以从相应的谐振器镜的表面突出或从相应的谐振器镜的表面凹进。发明人已经确定在左谐振器镜上具有突出结构的配置有利于抑制波长比期望发射带长的发射带。相反，在左谐振器镜上具有凹进结构或在右谐振器镜上具有突出结构的配置有利于抑制较短波长的发射带。

图6a是端视图(面对表面34)，而图6b是侧视图(横截面)，示意性地示出了根据本发明的激光装置70的又一实施方案的细节的侧视图。激光器70类似于图5a-5c的激光器60，但是具有从表面34突出距离d7的矩形表面74形式的光谱选择性结构72。光谱选择性结构72相比于在不稳定的激光谐振器的yz平面上高，在不稳定的激光谐振器的xz平面中更宽。对于上述示例性co2激光器，示例性光谱选择性结构72的宽度约为4mm，高度约为0.2mm。激光器70具有优于激光器60的优点，即对于不稳定的激光谐振器的对准灵敏度较低，即对于沿y方向的轴旋转的对准灵敏度较低。通过沿光轴18平移光谱选择性结构72，如矢量t所示，可以在发射带之间调谐激光器70。

图7a是端视图(面对表面34)，而图7b是侧视图(横截面)，示意性地示出了根据本发明的激光装置80的又一实施方案的细节的侧视图。激光器80类似于图6a和6b的激光器70，但是具有从表面34突出的多个平行矩形表面(这里是三个)形式的光谱选择性结构82。表面84a，84b和84c都从表面34突出距离d8。与图6a和6b的光谱选择性结构72相比，光谱选择性结构82在抑制其他发射带方面更有效。尽管激光器70和80具有矩形突出表面，但是使用具有其他细长形状的突出表面可以减小不稳定激光谐振器的对准灵敏度，所述突出表面定向在不稳定激光谐振器的平面中。

根据本文教导的原理，本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以用其他形式的光谱选择性结构代替所呈现的实施方案。例如，另一种形式是阶梯式矩形表面的布置，其布置成用于从每个矩形表面反射的期望发射带中的辐射的相长干涉。

图8a-8c是描绘作为时间函数的co2气体混合物的发射带中的模拟分数幂的曲线图。图8a-8c全部绘制成相同的时间标度，其对应于激光谐振器中的几百个往返辐射。图8a是现有技术的设计，其具有完全涂覆有用于所需发射带的光谱选择性涂层的谐振器镜，这里是9.3μm发射带。两个镜子在9.3μm处具有100％的反射率。一个谐振器镜涂层在9.6μm处具有75％的反射率。另一个谐振器镜涂层在10.2μm处具有60％的反射率，在10.6μm处具有40％的反射率。在激光谐振器中进行少量往返之后，建立所需9.3μm发射带中的稳定操作。

图8b是针对图5a-5c的激光器60，其中光谱选择性结构62具有从表面34突出的四个阶梯表面，阶梯表面布置成选择性地反射所需9.3μm发射带。光谱选择性结构的总直径约为0.87mm。所有这些表面对所有发射带都具有高反射率。图8b示出了激光器60能够在所需发射带中基本上排他且稳定地操作，而没有任何昂贵且易损坏的光谱选择性涂层。

图8c是针对图4的激光器50，具有高反射表面32和34。光谱选择镜52和56各自以光轴18为中心，直径为4mm，相当于谐振器镜的照射面积的约2％。光谱选择性涂层54和58对于所需的9.3μm发射带具有100％的反射率。涂层54在9.6μm具有75％的反射率，在10.2μm具有100％的反射率，在10.6μm具有100％的反射率。涂层58在9.6μm处具有100％的反射率，在10.2μm处具有60％的反射率，并且在10.6μm处具有40％的反射率。这些涂层特性使图8c的激光器50和图8a的现有技术激光器直接可比。图8c示出激光器50能够在所需发射带中进行排他且稳定的操作，但是光谱选择性涂层仅覆盖由激光辐射照射的谐振器镜的表面区域的一小部分。

图9是横截面的平面图，示意性地示出了图1a的激光器10的不稳定激光谐振器中的光线90的传播。激光器10具有本领域技术人员称为“负分支不稳定谐振器”的配置。通过在靠近光轴18的位置处的受激励的增益介质中的自发发射而产生光线90，为了清楚说明，在此将其描绘为白色虚线。光线90最初几乎平行于光轴传播，此后沿谐振器镜12和14之间的蛇形路径传播，最终在从右谐振器镜14的位置向外边缘的最后反射之后离开激光谐振器。光线90在每次通过受激励的增益介质期间通过受激发射被放大。箭头表示在最后几次通过期间光线90的传播方向。

图9示出了在本发明中使用的这种不稳定谐振器的特性，源于光轴附近的光线多次从每个谐振器镜表面反射，具有靠近光轴的高密度反射。这些光线变得高度放大。相反，任何远离光轴的光线都会通过激光谐振器进行不超过几次通过，并且只能进行弱放大。因此，靠近光轴的每个谐振器镜上的小区域对激光谐振器的性能具有很大影响，并且是光谱选择元件、光谱选择性涂层或光谱选择性结构的有利位置。

回到图3，光谱选择元件42的示例性平坦表面44和谐振器镜14的表面34共同形成稳定的激光谐振器，其以上述方式接种不稳定的激光谐振器。所描绘的发射带之间的调谐是光谱选择元件的平移和稳定的激光谐振器提供的接种的函数。通常，在不稳定的激光谐振器的光轴上形成稳定的激光谐振器改善了使用所呈现的任何光谱选择元件获得的所需发射带中的光谱纯度。这种稳定的谐振器的操作对每个光谱选择元件的精确表面形状敏感。实际上，光谱选择性对靠近不稳定激光谐振器的光轴的任何反射表面的精确形状敏感。

在许多情况下，导致反射损耗大于10％的光谱选择元件足以抑制增益介质的其他发射带中的激光发射。对于在所需发射带中的最可靠的连续操作，反射损耗大于20％是优选的。

即使通过具有一个宽发射带的级联过程发生co激光发射，本发明也可以应用于在4.5μm和6.0μm之间操作的co激光器。co激光器的问题是co标称co气体混合物中的co2分子的杂散发射，其发生在9μm和11μm之间的co2发射带中。带选择元件可用于抑制co激光器中的co2发射带。

尽管所呈现的实施方案具有插入谐振器镜中的形式的光谱选择元件和结构，但是这些结构可以在谐振器镜本身中形成，而不脱离本发明的精神和范围。例如，可以在制造期间将结构直接加工到谐振器镜中。类似地，光谱选择性涂层可以直接生长在谐振器镜表面的部分上。

以上根据优选实施方案和其他实施方案描述了本发明。然而，本发明不限于这里描述和描绘的实施方案。相反，本发明仅受所附权利要求的限制。