專利名稱：激光束均勻化腔內(nèi)整形激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種激光器，特別是對連續(xù)運行的高功率激光束的均勻化整形。
背景技術(shù)：
在激光的工業(yè)加工應用中，如焊接、切割對激光束模式、光強分布、發(fā)散角、偏振狀態(tài)都有其特定的要求。在激光熱處理應用中需要光強分布均勻的平頂光束，而通常的高功率激光束為多模，分布并不均勻。若干強度極值相對于平均值要高出一倍左右。這一方面造成工件淬火不均勻，嚴重的還要在工件內(nèi)部因熱應力而造成微裂紋；另一方面對傳輸激光束的光學系統(tǒng)提出更為苛刻的耐熱損傷要求。因此需要對高功率激光束做光束整形，具體來說，要對激光束作均勻化處理。
激光束作均勻化整形技術(shù)可分為空間均勻化和時間均勻化兩類。前者有用于激光核聚變的微透鏡陣列方法，以及隨機相位片方法和二元光學方法等；后者有旋轉(zhuǎn)相位片方法等。這些已有的整形方法都不適用于激光熱處理所需的連續(xù)運行高功率激光器。因為這些方法均是在激光器外光路中插入微透鏡陣列、相位片或二元光學等透射式器件來對光束整形，當它們用于連續(xù)運行高功率激光器上時，這些插入的光學器件要經(jīng)受強的熱輻射。即使沒有超過其熱損傷域值，熱應力引起的熱畸變也將改變插入器件的設(shè)計功能。
對用于激光熱處理的高功率CO2激光器作均化整形的報道極少。我們檢索到一篇由J.Armengo撰寫的論文。論文報道了他們在腔外用二面成小角度的振動反射鏡將激光束分成兩半，經(jīng)反射后又互相疊加。由于鏡子的振動使其光斑中的光強極值不斷移動，達到時間均化光強分布的目的。但它仍然是在外光路中插入的二面光學反射鏡。而且二面反射鏡之間交接的縫產(chǎn)生的衍射將影響光強分布，造成較大的傳輸損耗。需通水冷卻的二面反射鏡加上振動驅(qū)動裝置，結(jié)構(gòu)上也較復雜。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的腔外整形的不足之處，提出一種便于實施、有效的激光束均勻化腔內(nèi)整形激光器。
為達到上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是，它包括輸出鏡，全反射鏡，構(gòu)成平凹腔，兩個控制元件與全反射鏡相結(jié)合，使全反射鏡作周期性擺動，在腔內(nèi)形成隨時間變化的多模激光光場分布，由激光腔直接輸出一束時間均勻化的平頂激光束。
本實用新型的優(yōu)點在于1.因為是腔內(nèi)整形，所以適用于各種連續(xù)運行的高功率激光器。
2.本實用新型無插入光學元器件，它不會增加插入損耗，也不會因為激光功率高而使插入元器件熱破壞，工作穩(wěn)定。
3.結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動電路簡易，工作穩(wěn)定，便于實施。
圖1為本實用新型一種實施例的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖2為圖1的左視圖。
圖3為一種控制壓電陶瓷微位移器的電路圖。
圖4(a)～(j)為擺動過程中不同失調(diào)位移時的光強分布圖。
圖4(k)為振動平凹腔的歸一化輸出結(jié)果與平平腔結(jié)果的比較圖。
圖5為腔鏡不擺動時，激光在有機玻璃上燒蝕的光斑圖。
圖6為腔鏡擺動時，激光在有機玻璃上燒蝕的光斑圖。
具體實施方式
如圖1、圖2所示，由平面輸出鏡2和可作周期性擺動的凹面全反射鏡3組成平凹腔。全反射鏡3通過兩塊壓電陶瓷微位移器4、6固定在鏡座7上。并通過軟管5通水冷卻。輸出鏡2及鏡座7分別安裝在光橋1上。當兩個控制元件4、6交替驅(qū)動，并以通水軟管5作為支點，這面全反射鏡3可作以y軸為轉(zhuǎn)軸的一維擺動。采用這種新型諧振腔可以直接從激光器腔內(nèi)產(chǎn)生時間上均勻化的平頂激光束。
本實用新型中的平凹腔也可由凹面輸出鏡和平面全反射鏡組成。
設(shè)計這種諧振腔結(jié)構(gòu)時，要考慮凹面鏡的曲率半徑、菲涅耳數(shù)和全反射鏡擺動幅度之間的配合設(shè)計。因為曲率半徑增大，即腔的失調(diào)靈敏度增加，為了減少失調(diào)損耗，擺動的幅度就必須降低，反之則要增大擺動幅度。通過計算，以下提供它們適當?shù)膮?shù)。即當凹面鏡的曲率半徑10L＜R＜50L，L為激光腔腔長；菲涅爾數(shù)5O＜N＜150；全反射鏡的擺動幅度δ在1.5λ≤δ≤2λ，λ為激光工作波長。
就可得到較好的整形效果。
上述控制元件為壓電陶瓷微位移器控制元件，也可為電致伸縮控制元件、磁致伸縮控制元件或液壓控制元件。
兩塊壓電陶瓷微位移器4、6采用交替充放電的電路驅(qū)動，電路結(jié)構(gòu)為，可控硅SCR1、SCR4陽極接輸入電壓V，陰極分別通過電感L1、L4接到可控硅SCR2、SCR3的陽極，可控硅SCR2、SCR3的陰極分別通過電感L2、L3接地，壓電陶瓷微位移器4接在可控硅SCR2的陽極與地之間，壓電陶瓷微位移器6接在可控硅SCR3的陽極與地之間。
全反射鏡背后的二塊壓電陶瓷微位移器采用交替充放電的電路驅(qū)動，如圖3所示。圖中1#、2#分別為兩塊壓電陶瓷微位移器4、6的等效電容。當可控硅SCR1、SCR3導通，SCR2、SCR4關(guān)閉時，壓電陶瓷微位移器1#充電、伸長，壓電陶瓷微位移器2#放電，回復原長度。充放電速率可由L1、L2、L3、L4四個電感線圈調(diào)節(jié)。
觸發(fā)SCR1、SCR2、SCR3、SCR4四個可控硅的脈沖發(fā)生器主要由KA3525A、CD4050B兩個集成塊組成。KA3525A集成塊供電電壓為直流15V，它的11、14腳分別輸出兩個相位差為180度的方波，其脈沖頻率可調(diào)。通過CD4050B后將得到兩兩相差均為180度的四個方波。再經(jīng)由微分電路和脈沖變壓器分別將同相位的兩個觸發(fā)脈沖去觸發(fā)SCR1、SCR3。另兩個同相位但與上述脈沖相位差180度的觸發(fā)脈沖去觸發(fā)SCR2、SCR4。這樣就實現(xiàn)了兩塊壓電陶瓷微位移器的交替充放電過程。
壓電陶瓷微位移器伸長的幅度可調(diào)節(jié)充電電壓V來選擇。
兩塊壓電陶瓷4、6交替伸長縮短，所以全反射鏡就可以通水軟管5作為支點實現(xiàn)周期性擺動。
眾所周知，穩(wěn)定腔產(chǎn)生的激光束模式是由于光束在腔內(nèi)來回振蕩時，受腔鏡衍射作用產(chǎn)生的。對于各種諧振腔都可以通過迭代法求解衍射積分方程，得到其本征函數(shù)和本征值。對于不加選模裝置的高功率CO2激光器，由于有較高的小信號增益系數(shù)，通常是多模輸出，激光束的橫向空間光強分布總有若干光強極值。運用迭代法求解一面腔鏡輕微失調(diào)的平凹腔的衍射積分方程，我們可以得到不同于原先的光強分布，其極大值偏移開原光軸。設(shè)想當平凹腔中的全反射鏡作周期性擺動時，光強分布中的極值就隨之作周期性移動，擺動頻率足夠高時，我們就得到了光強均勻分布的激光。即在某一時刻呈現(xiàn)的若干光強極值不均勻分布的激光，在一段時間范圍內(nèi)觀察，由于時間均化效應，它就成了一束均勻化的激光束?；５挠嬎憬Y(jié)果如圖4所示，圖4(a)～(j)為擺動過程中不同失調(diào)位移時的光強分布，可以看到某一時刻的光強峰值，在另一時刻就可能成了光強谷值。將這些光強值作代數(shù)平均，可以得到圖4(k)的時間平均光強分布。
利用本實用新型提出的激光束均勻化腔內(nèi)整形激光器，在華中科技大學激光技術(shù)國家重點實驗室的連續(xù)運行的2kwCO2激光器上試驗。諧振腔為平凹腔，腔長1.2m，凹面鏡直徑60mm，曲率半徑23m，N為70，當凹面全反射鏡擺動幅度為15μm～20μm就有較明顯的均化效果，此時失調(diào)增加的損耗與原平凹腔損耗的比值在8％左右。圖5為當腔鏡不擺動、激光功率1080W時在有機玻璃上燒蝕的光斑，圖6為腔鏡擺動時激光在有機玻璃上燒蝕的光斑，此時功率降為920W。用測微千分卡測量，對于腔鏡不擺動情況下得到的多模光斑，其中燒蝕最深處是平均燒蝕深度的2.69倍。而當腔鏡擺動時，其燒蝕深度最深處僅是平均燒蝕深度的1.36倍。光強分布的均勻化程度得到令人滿意的改善。
權(quán)利要求1.一種激光束均勻化腔內(nèi)整形激光器，包括輸出鏡，其特征在于它還包括全反射鏡(3)，構(gòu)成平凹腔，兩個控制元件(4)、(6)與全反射鏡(3)相結(jié)合，使全反射鏡(3)作周期性擺動，在腔內(nèi)形成隨時間變化的多模激光光場分布，由激光腔直接輸出一束時間均勻化的平頂激光束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于凹面鏡的曲率半徑10L＜R＜50L，L為激光腔腔長，菲涅爾數(shù)50＜N＜150，全反射鏡(3)的擺動幅度δ在1.5λ≤δ≤2λ，λ為激光工作波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光器，其特征在于兩個控制元件(4)、(6)為壓電陶瓷微位移器控制元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光器，其特征在于兩個控制元件(4)、(6)為電致伸縮控制元件或磁致伸縮控制元件或液壓控制元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光器，其特征在于兩塊壓電陶瓷微位移器(4)、(6)采用交替充放電的電路驅(qū)動，電路結(jié)構(gòu)為，可控硅SCR1、SCR4陽極接輸入電壓V，陰極分別通過電感L1、L4接到可控硅SCR2、SCR3的陽極，可控硅SCR2、SCR3的陰極分別通過電感L2、L3接地，壓電陶瓷微位移器(4)接在可控硅SCR2的陽極與地之間，壓電陶瓷微位移器(6)接在可控硅SCR3的陽極與地之間。
專利摘要本實用新型提供了一種激光束均勻化腔內(nèi)整形激光器。該激光器的激光腔為一種新型的平凹激光諧振腔，它包括輸出鏡和全反射鏡，兩個控制元件與全反射鏡相結(jié)合，使全反射鏡作周期性擺動，在腔內(nèi)形成隨時間變化的多模激光光場分布，由激光腔直接輸出一束時間均勻化的平頂激光束。該實用新型結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動電路簡易，工作穩(wěn)定，便于實施。
文檔編號H01S3/00GK2640073SQ0325506
公開日2004年9月8日 申請日期2003年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月8日
發(fā)明者張耀寧, 程祖海, 鄒雪芬, 侯冬蘭 申請人:華中科技大學