專利名稱：組合式圓筒放電高功率氣體激光器的構(gòu)建方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域，主要是利用射頻電源放電激勵(lì)由同軸的內(nèi)圓筒和外圓筒組成的組合式圓筒來(lái)獲得高功率中空環(huán)形二氧化碳激光束或一氧化碳激光束的裝置及構(gòu)建方法。高功率二氧化碳激光器因具有高功率和高光束質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)而被用于激光工業(yè)加工，是激光加工中最重要的器件之一。高功率一氧化碳激光器輸出波長(zhǎng)為5微米，是二氧化碳激光波長(zhǎng)的一半，因此可以獲得更小直徑的會(huì)聚光束，由于金屬材料對(duì)該波長(zhǎng)的激光有較強(qiáng)的吸收，能提高金屬加工速度，具有較高的加工效率。目前可用光纖來(lái)傳輸這種波長(zhǎng)較高的激光能量，使其更易用于各種復(fù)雜環(huán)境及特殊情況的加工。此外，它也是光化學(xué)、激光分離同位素的重要光源之一。
背景技術(shù)：
二氧化碳激光器是世界上最早的分子激光器，放電管橫截面為圓形，工作時(shí)需要采用冷卻措施，放電采用直流放電，一米長(zhǎng)放電管輸出功率為40瓦左右。為滿足激光加工需求，人們采用增加放電管長(zhǎng)度或折疊方式工作來(lái)提高輸出功率，前者使裝置顯得太長(zhǎng)且效率不高，后者對(duì)各個(gè)諧振腔鏡的調(diào)整和封貼要求非常高，且輸出光束由于斜入射會(huì)引起一定的象散效應(yīng)。隨著射頻激勵(lì)擴(kuò)散冷卻面增比氣體激光器這一項(xiàng)新技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用， 加拿大E. F. Yelden等人提出的輻射陣列型多通道放電氣體激光器，用IOkW的射頻電源激勵(lì)該激光器，混合氣體比例為1:1:3 (CO2 =N2 :He)，氣壓為3000Pa，輸出功率為1200W，加入 5%的Xe，增加射頻電源功率到25kW，可以獲得輸出功率為3. 5kff的激光，但效率很低(僅 14%)。如果繼續(xù)增加射頻功率，在理論上可以獲得15 kW的激光。此裝置最大的缺點(diǎn)是輸出一般運(yùn)轉(zhuǎn)于高階橫模情況。
一氧化碳激光器是繼二氧化碳激光器后又一重要的分子氣體激光器，其量子轉(zhuǎn)換效率是二氧化碳激光器的量子轉(zhuǎn)換效率的兩倍多，是研究分子光譜和激光化學(xué)最有價(jià)值的紅外激光器之一。在室溫下輸出比二氧化碳激光低，但采用液氮冷卻可獲得大功率輸出。中國(guó)辛建國(guó)等人報(bào)道的射頻激勵(lì)擴(kuò)散冷卻千瓦一氧化碳板條波導(dǎo)激光器，用液氮冷卻獲得了 1020瓦的一氧化碳激光，其缺點(diǎn)是輸出通常為低階橫模且裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，液氮和高純氣體消耗量很大。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要針對(duì)高功率二氧化碳激光器、一氧化碳激光器的缺點(diǎn)提出來(lái)的。 設(shè)計(jì)了一種由同軸嵌套式圓筒組成的組合式圓筒放電氣體激光器，與輻射陣列型板條激光器相比，放電結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，橫截面為兩同心圓環(huán)，增益區(qū)域也較相同長(zhǎng)度的板條激光器大， 因此輸出高，且結(jié)構(gòu)緊湊、輸出集中，工作主要運(yùn)行在基模情況。本發(fā)明的目的是由以下所述措施實(shí)現(xiàn)的。組合式圓筒放電高功率氣體激光器的構(gòu)建方法是首先將內(nèi)圓筒放在裝置對(duì)稱軸上，外圓筒嵌套在內(nèi)圓筒外，射頻電源陽(yáng)極放在兩圓筒之間并緊貼外圓筒內(nèi)壁和內(nèi)圓筒外壁，內(nèi)圓筒和外圓筒在外圓筒端面處密封連接，在連接過(guò)程中始終保持兩圓筒和系統(tǒng)對(duì)稱軸同軸。視頻電源陰極位于兩圓筒外，且緊貼外圓筒外壁和內(nèi)圓筒內(nèi)壁，水冷套由兩同軸的圓柱組成，組合式圓筒放置在兩圓柱之間，水冷套緊貼射頻電源陰極并保持與圓筒同軸。復(fù)曲面鏡、軸錐鏡和平面輸出鏡均位于組合式圓筒外，與系統(tǒng)對(duì)稱軸保持軸對(duì)稱且垂直該對(duì)稱軸，復(fù)曲面鏡和軸錐鏡(2)的非反射面以及軸錐鏡(3)和平面輸出鏡的非反射面位于同一豎直平面內(nèi)。軸錐鏡(2)被嵌套在復(fù)曲面鏡內(nèi)且與系統(tǒng)對(duì)稱軸保持對(duì)稱，平面輸出鏡被嵌套在軸錐鏡(3)內(nèi)且與系統(tǒng)對(duì)稱軸保持對(duì)稱，以便在圓筒內(nèi)建立激光振蕩。通過(guò)射頻激勵(lì)兩圓筒內(nèi)的氣體介質(zhì)，在四鏡穩(wěn)定諧振腔的作用下，高功率氣體激光從平面輸出鏡輸出。當(dāng)圓筒放電區(qū)內(nèi)的混合氣體為二氧化碳、氮?dú)狻⒑馇腋鱾€(gè)諧振腔鏡的反射和透射是針對(duì)波長(zhǎng)為10. 6的，在水冷作用下輸出二氧化碳激光，當(dāng)圓筒放電區(qū)內(nèi)的混合氣體為一氧化碳、氮?dú)狻⒑馇腋鱾€(gè)諧振腔鏡的反射和透射是針對(duì)波長(zhǎng)為5. 3 的，在水冷或液氮冷卻作用下輸出一氧化碳激光。 本發(fā)明的構(gòu)建方法及裝置可由附圖I和附圖2加以說(shuō)明，附圖I是組合式圓筒放電高功率氣體激光器的構(gòu)建方法及裝置，附圖2是組合式圓筒放電氣體激光器的截面圖和光路圖的構(gòu)建方法及裝置。


附圖I為本發(fā)明組合式圓筒放電高功率氣體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。在附圖I中編號(hào)為(I)、(2)、(3)的諧振腔鏡均為全反射鏡,編號(hào)為(4)的輸出鏡為部分反射鏡,激光從此鏡輸出。復(fù)曲面鏡(I)位于激光器諧振腔外，到內(nèi)圓筒左端面(5)的距離為5-lOcm，軸錐鏡 (2 )被嵌套在復(fù)曲面鏡(I)內(nèi)，并與其保持同軸，鏡(I)、( 2 )構(gòu)成一個(gè)組合鏡并被支架(11) 支撐在激光器光路上，它們的非反射面處于同一平面內(nèi)，以便滿足調(diào)腔精確度。編號(hào)為(3) 的軸錐鏡到內(nèi)圓筒右端面(6)的距離為5-lOcm，編號(hào)為(4)的輸出鏡被嵌套在軸錐鏡內(nèi)，并與其保持同軸，鏡(3)、(4)構(gòu)成另一個(gè)組合鏡并被支架(14)支撐在激光器光路上，它們的非反射面仍處于同一平面內(nèi)。內(nèi)圓筒和外圓筒構(gòu)成一個(gè)組合式圓筒放置在分別由鏡(I)、(2)和鏡(3)、(4)構(gòu)成的兩組合鏡之間并與其保持同軸，編號(hào)為(17)的射頻電源陽(yáng)極放置在內(nèi)圓筒和外圓筒之間，且緊貼外圓筒內(nèi)壁和內(nèi)圓筒外壁，編號(hào)為(18)的射頻電源陰極位于內(nèi)圓筒和外圓筒兩側(cè)，且緊貼外圓筒外壁和內(nèi)圓筒內(nèi)壁，編號(hào)為(19)水冷套由兩同軸的圓柱組成，與編號(hào)為(18)的射頻電源陰極，組合式圓筒由支架(12)、(13)支撐，以上諧振腔鏡、組合式圓筒以及電極均與編號(hào)為(16)的激光器對(duì)稱軸保持同軸。內(nèi)圓筒放電區(qū)(7)、外圓筒放電區(qū)(10)內(nèi)充滿作為激光增益介質(zhì)的高純混合氣體，通過(guò)射頻激勵(lì)兩圓筒內(nèi)的氣體介質(zhì)來(lái)獲得激光。鏡(1)、(2)、(3)、(4)及放電區(qū)(7)、(10)構(gòu)成四鏡腔，各個(gè)諧振腔曲率半徑的選擇應(yīng)滿足激光振蕩的穩(wěn)定性條件。
在附圖2中，通過(guò)射頻電源激勵(lì)圓筒內(nèi)的混合氣體，在圓筒內(nèi)將產(chǎn)生受激輻射光并沿著軸線方向傳播并被放大，當(dāng)該輻射光達(dá)到復(fù)曲面鏡時(shí)又被其反射并沿著外圓筒的軸線傳播再次被放大，再經(jīng)軸錐鏡(3)反射沿著內(nèi)圓筒的軸線方向傳播并被放大，然后到達(dá)軸錐鏡(2)并被其反射后到達(dá)輸出鏡(4)，在被輸出鏡(4)反射后重復(fù)上述的反射、傳播、放大過(guò)程，當(dāng)光的增加和在鏡面處的損耗相等時(shí)，便在腔內(nèi)形成穩(wěn)定的振蕩光束，即在鏡面上可以形成穩(wěn)定的場(chǎng)分布。當(dāng)光在諧振腔鏡之間振蕩時(shí)，每次通過(guò)反射鏡邊緣都會(huì)由于衍射而損耗一些能量，因此，光在腔內(nèi)經(jīng)過(guò)多次反射后，靠近邊緣的光將越來(lái)越弱，而中心光束的光強(qiáng)將越來(lái)越強(qiáng)，即振蕩光束(20)、(21)將逐漸變強(qiáng)，當(dāng)達(dá)到激光輸出閾值時(shí)，從輸出鏡(4)輸出具有較好相干性的中空環(huán)形激光束(22)。本發(fā)明的采用復(fù)曲面鏡主要是為了減小損耗和保持腔的穩(wěn)定性，采用軸錐鏡主要是為了避免在反射過(guò)程中帶來(lái)的象散，輸出鏡由鍺或硒化鋅材料構(gòu)成，現(xiàn)有的鍺平面鏡能承受千瓦級(jí)的一氧化碳或二氧化碳激光。
具體實(shí)施方式
例I,參照附圖1，內(nèi)圓筒和外圓筒厚度(即圓筒切面兩同心圓環(huán)的寬度)均為Icm, 外圓筒半徑(即外圓筒管芯到系統(tǒng)對(duì)稱軸的距離)為12cm，內(nèi)圓筒半徑(即內(nèi)圓筒管芯到系統(tǒng)對(duì)稱軸的距離)為IOcm,兩圓筒管芯距為2cm,外圓筒長(zhǎng)度為Im,內(nèi)圓筒長(zhǎng)度為I. 06m,兩圓筒與系統(tǒng)對(duì)稱軸保持同軸。復(fù)曲面鏡曲率半徑為5m，軸錐鏡(2)被嵌套在復(fù)曲面鏡內(nèi)，二鏡構(gòu)成一組合鏡并放置在內(nèi)圓筒左端面左邊5cm處，輸出鏡被嵌套在軸錐鏡(3)內(nèi)，二鏡構(gòu)成另一組合鏡并被放置在內(nèi)圓筒右端面右邊5cm處，整個(gè)裝置與系統(tǒng)對(duì)稱軸保持同軸，兩圓筒均以水冷方式冷卻，圓筒內(nèi)在達(dá)到真空133. 3 X 10_3Pa后按照C02:N2:He=2:3:5或近似比例充均勻混合氣體10-20、133. 3Pa。對(duì)波長(zhǎng)10. 6 全反射鏡反射率為98%以上，輸出鏡反射率為80%，透射率為20%。在射頻電源激勵(lì)下可從輸出鏡獲得高功率中空環(huán)形二氧化碳激光輸出。
例2，諧振腔鏡、圓筒參數(shù)與放置與例I相同，兩圓筒均以水冷方式或液氮冷卻方式冷卻，圓筒內(nèi)在達(dá)到真空133. 3 X 10_5Pa后按照C0:N2:He=l: 2:17或近似比例充均勻混合氣體10-20 X 133. 3Pa。對(duì)波長(zhǎng)5. 3 ,全反射鏡反射率為99%以上，輸出鏡反射率為90%， 透射率為10%。在射頻電源激勵(lì)下可從輸出鏡獲得高功率中空環(huán)形一氧化碳激光輸出。
本發(fā)明裝置的優(yōu)點(diǎn)在于能輸出高功率的中空環(huán)形二氧化碳激光或一氧化碳激光。與板條激光器相比，該裝置輸出激光模式主要運(yùn)轉(zhuǎn)在基模情況，光束質(zhì)量好、方向性好。 較大功率激光能用于激光加工、材料處理等方面，較小功率激光可供激光美容、激光表面處理等使用。該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、光束便于變換處理并用于特殊環(huán)境。
權(quán)利要求
1.組合式圓筒放電高功率二氧化碳激光器或一氧化碳激光器的構(gòu)建方法，主要是把具有同軸的組合式圓筒嵌套放置在裝置的對(duì)稱軸上，使用四鏡穩(wěn)定諧振腔，利用射頻電源放電激勵(lì)組合式圓筒內(nèi)的氣體激光器介質(zhì)來(lái)獲得激光輸出的方法；當(dāng)圓筒放電區(qū)內(nèi)的混合氣體為二氧化碳、氮?dú)?、氦氣且各個(gè)諧振腔鏡的反射和透射是針對(duì)波長(zhǎng)為10.6 的，則輸出二氧化碳激光，當(dāng)圓筒放電區(qū)內(nèi)的混合氣體為一氧化碳、氮?dú)?、氦氣且各個(gè)諧振腔鏡的反射和透射是針對(duì)波長(zhǎng)為5.3 m的，則輸出一氧化碳激光；其特征在于諧振腔由復(fù)曲面鏡(I)、軸錐鏡(2) (3)和平面輸出鏡(4)組成，在射頻電源激勵(lì)下腔內(nèi)的振蕩光束從輸出鏡(4)輸出從而獲得中空環(huán)形激光；使用會(huì)聚鏡變換可獲得平行的空心光束或會(huì)聚的實(shí)心光束或發(fā)散的空心光束。
2.按照權(quán)利要求I的方法，放電管是由玻璃或石英材料制成的組合式圓筒，以復(fù)曲面鏡(I)為參考面，其特征在于諧振腔內(nèi)的振蕩光束首先被復(fù)曲面鏡(I)反射經(jīng)外圓筒放電區(qū)(10)達(dá)到軸錐鏡(3)，再被軸錐鏡(3)反射經(jīng)內(nèi)圓筒放電區(qū)(7)達(dá)到軸錐鏡(2)，最后經(jīng)軸錐鏡(2 )反射后從輸出鏡(4 )輸出。
3.按照權(quán)利要求I的方法，復(fù)曲面鏡(I)、軸錐鏡(2)(3)和平面輸出鏡(4)均位于組合式圓筒外，且內(nèi)圓筒和外圓筒在外圓筒端面(8) (9)處連接；內(nèi)圓筒端面(5) (6)和外圓筒端面(8) (9)均與系統(tǒng)對(duì)稱軸垂直，復(fù)曲面鏡(I)和軸錐鏡(2)以及軸錐鏡(3)和平面輸出鏡(4)的非反射面位于同一豎直平面內(nèi)，以便調(diào)腔，其軸線與系統(tǒng)對(duì)稱軸(16)完全一致。
4.組合式圓筒放電高功率氣體激光器裝置包括復(fù)曲面鏡(I)、軸錐鏡(2)(3)和平面輸出鏡(4)、內(nèi)圓筒其端面為(5) (6)、外圓筒其端面為(8) (9)、支架(11)、(12)、(13)、(14)、(15)、射頻電源陽(yáng)極(17)、射頻電源陰極(18)、水冷套(19)組成；內(nèi)圓筒和外圓筒在外圓筒端面(8) (9)處連接成一個(gè)整體，構(gòu)成組合式圓筒，兩圓筒的對(duì)稱軸保持一致；陽(yáng)極(17)位于兩圓筒之間，且緊貼外圓筒內(nèi)壁和內(nèi)圓筒外壁，陰極(18)位于兩圓筒外，且緊貼外圓筒外壁和內(nèi)圓筒內(nèi)壁，通過(guò)射頻激勵(lì)兩圓筒內(nèi)的氣體介質(zhì)來(lái)獲得激光；水冷套(19)由兩同軸的圓柱組成，組合式圓筒放置在兩圓柱之間，水冷套緊貼射頻電源陰極(18)并保持與圓筒同軸；諧振腔鏡(1-4)位于圓筒外，通過(guò)支架(11)、(14)使其保持與圓筒同軸，組合式圓筒水平放置在支架(12)、(13)上，支架(11-14)被固定在支架(15)上，并與其垂直，支架(15)放置在水平地面上，且與地面保持平行；通過(guò)射頻電源激勵(lì)氣體介質(zhì)，外圓筒內(nèi)的振蕩光束(20 )、內(nèi)圓筒內(nèi)的振蕩光束(21)在諧振腔鏡(1-4 )作用下從輸出鏡(4 )輸出，從而獲得中空環(huán)形激光束(22)。
全文摘要
本發(fā)明為組合式圓筒放電高功率氣體激光器的構(gòu)建方法及裝置，屬于光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域。其特征在于將同軸的內(nèi)圓筒和外圓筒嵌套放置在裝置對(duì)稱軸上，利用射頻電源放電激勵(lì)該組合式圓筒來(lái)獲得高功率中空環(huán)形二氧化碳激光束或一氧化碳激光束。使用四鏡穩(wěn)定諧振腔，從而解決了短激光腔情況下獲得高功率激光輸出的問(wèn)題。較大功率的中空環(huán)形二氧化碳激光或一氧化碳激光能用于激光加工、材料處理等方面，較小功率的中空環(huán)形二氧化碳激光或一氧化碳激光可供激光美容、激光表面處理等使用。中空環(huán)形激光束能被聚焦成具有較小暗區(qū)的空心光束，可用于光學(xué)扳手、光鉗、光學(xué)導(dǎo)管等等。裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、輸出功率高、光束便于變換處理的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01S3/08GK102983486SQ201210557750
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者徐勇根, 樊群超, 王時(shí)建 申請(qǐng)人:西華大學(xué)