CN101232147A - 中空光束气体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明中空光束气体激光器，属光学和光学工程领域。中空激光光束的产生分为两种，一种是变换已知光束，该方法要么对已知光束的特性要求严格，要么需要复杂的辅助光学元件，技术上的困难。另一是种由激光器直接产生，直接输出空心光束，但固体器件所需晶体以及泵浦用的半导体激光器成本较高。本发明的激光器属于第一类。是一种输出中空激光光束的气体激光的方法及装置。它构建简单，输出稳定。瓦级输出的中空二氧化碳激光，以及毫瓦级输出的中空氦氖激光能被聚焦成具有极小暗区尺寸的空心光束，可用作光镊，光学扳手，光学导管等。激光器能被挟持进行工作。大型中空二氧化碳激光可用于材料处理方面。

Description

中空光束气体激光器

技术领域

本发明涉及光学和光学工程领域，主要是由中空圆锥谐振腔配置和放电激励来获得一种输出中空激光光束的气体激光的方法及装置。

背景技术

中空激光光束是光束的中心有光强为零的暗区的光束，主要应用于照相平板印刷，材料处理，荧光显微镜，光镊以及光学扳手等方面。目前，中空激光光束的产生分为两种，一种是用已知光束经过复杂的技术变换获得，比如利用铁电液晶二元空间光调制器变换经偏振分束板分束的经过准直的s偏振的单模二极管激光成为p偏振光，再经过偏振分束板后被透镜聚焦，在焦平面附近获得中空激光光束；利用两束反向传输的径向偏振一阶拉盖尔-高斯光束和4π聚焦系统，在焦点获得有较小暗区、球面对称空心光束；利用氩离子激光照明液晶显示器从而获得任意形状的动态光场的计算全息术，等等。它们要么对已知光束要求严格，要么需要复杂的光学元件。另一种是由激光器直接产生，比如采用平凹谐振腔的端面泵浦Nd:YVO₄激光器，能出射空心光束。然而，Nd:YVO₄晶体以及用于泵浦的半导体激光器成本较高。

发明内容

本发明的目的在于构建和提供一种可直接产生中空激光光束的气体激光器，该激光器输出的光束经过简单的聚焦可以获得包括极小尺寸在内的各种尺寸的中空激光光束，可用于许多材料和工件的特殊加工处理，当其尺寸极小时可用于操纵微观粒子。

本发明的目的是由以下措施实现的：中空圆锥气体激光器的装置按激光工作物质分为氦氖激光器或二氧化碳激光器，其谐振腔采用两镜谐振腔，放电采用易于在异形放电区实现辉光放电的射频放电方式进行，激光器的特征在于其谐振腔是中空圆锥形谐振腔，即由一个位于顶角为θ的中空圆锥形气体激光介质区底部的圆环形曲面反射镜和一个位于此锥形区顶部的平面输出镜构成的谐振腔，全反镜的镜面关于圆锥形介质区的中心轴线旋转对称，平面镜的法线与该中心轴线一致，谐振腔对锥形区任一沿中心对称轴的纵剖面内的传输光线簇构成折迭腔运行，光线与对称轴线夹角为θ/2，该折迭腔，是稳定腔。因此，这种构建方法提供的激光器与同样放电区长度的一般气体激光器相比具有增益区体积和输出功率大很多(数量级的增加)的优点，故可做成体积较小而输出较高的激光器装置。当做成小型器件时，因小的激光器重量，该激光器能被挟持进行操作，输出光束经过透镜聚焦，其中空光束用于微小粒子的操纵，当做成体积不大而输出极高的激光器件时，便于直接架于多维移动机床，将激光会聚成各种尺寸中空光束对特殊工件或材料进行加工等。

氦氖激光器，放电管采用玻璃或石英管。二氧化碳激光器，其激光波长范围从9.2到10.8微米，放电管采用玻璃或石英管或其它绝缘材料，大型的二氧化碳激光器采用射频放电激励方式或预电离激励方式，工作方式是连续的，采用风机驱动工作气体兼水冷散热方式，当对射频电源进行调制而进行脉冲放电时，工作方式则是脉冲的。

附图说明

图1是中空圆锥型气体激光器装置结构图，图2、图3、图4、图5分别是该装置的侧视图、剖面图、左视图、右视图。

在附图1-5中，1是圆环形曲面全反射镜，2是内电极，3是中空圆锥形放电管，4是外电极，5是储气管，6是平面部分反射镜，7是风机，8是射频电源及匹配网络，9是水冷套，图6是中空圆锥型激光器沿轴纵剖面内关于腔镜的示意图，1是相对于轴10轴对称的曲面镜，剖面内该镜的上、下部分之曲率中心分别位于O₁、O₂，曲率半径均为r，6为平面输出境，l是镜1和镜6之间的距离，当r＝l时，则镜1为一球面镜，其余表示与图3一致。当用于氦氖激光器时，附图1-3中，7和9和附图4和5中的7是不需要的，故用于该激光器时，7和9被取消。图3中10为圆锥形气体激光介质区的对称轴线，与图6中的10一致，11为圆锥形气体介质区的中心圆锥面与纵剖面的交线，也是该纵剖面内光线簇的轴线及谐振腔在该剖面区的腔轴，θ为中心圆锥面的顶角，a为气体介质区的径向宽度，l为介质区的长度。当放电管3被抽成高真空后充入气体激光介质，通过电极2和4的射频放电来激励介质，沿如图3所示任一剖面之轴线11传输的自发辐射感应的受激辐射受到放大，并在该剖面受到反射镜1和6的反复反射并建立振荡，输出由镜6的透射给出，当气体介质需冷却时则由7和9执行，当气体介质不需要冷却时，则不设7和9，此时7和9与放电管3的连通管道是被真空密封性阻塞的，储气管5可使激光器有更多工作物质而延长使用寿命。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

本发明的轴对称圆环形曲面反射镜1采用圆形光学玻璃或石英块作基底，对He-Ne激光器和CO₂激光器适用，采用致密性很好的硬度较高的圆铜块作基底，这对很高输出的CO₂激光器是适用的，它们的外缘尺寸与我们的要求一致，采用孔切割装置将其中间的部分按环形镜内缘尺寸要求切割下来，但中间这部分应和环形块胶合在一起以便于磨制加工。研磨镜面的磨具采用低碳钢材料由数控机床按设计加工，由于镜面不具备单一曲率中心，故磨具也不具备单一曲率中心，故设计和加工较困难一些，但是它的曲面具有严格的轴对称特性，因此磨具的加工不存在较大困难。磨具加工好后，对镜的研磨过程仍应保持严格的轴对称要求，镜面研磨抛光后再将胶合在中心的一块取下，即可得到轴对称曲面反射镜，经严格清洗并镀全反膜后方可用于本发明器件上。当曲面镜具有同一曲率中心时，即当r＝l时，该曲面镜为一球面镜，加工很容易。

本发明的中空圆锥形放电管3，对氦氖激光器则采用玻璃或石英熔化的液体注入处于一定温度的石墨模具内再逐渐冷却后制得。中空圆锥形放电管由内外两层圆锥形玻璃或石英管构成，故石墨模具应为两套。石墨强度较好，故能上车床较为精确地按设计加工，精度可达0.1毫米。当模具较长时，则可用几块石墨料分段加工后再组装，模具内外层均可采用一定的辅助夹具。模具在使用后若精度不够，则应修复或更换新的模具。本发明的中空圆锥形放电管，对CO₂激光器则采用铝。铜或薄的不锈钢材料制作，内外两中空圆锥形金属管则直接用作为两放电电极。

在本发明的激光器组装过程中，本发明的中空圆锥形放电管3的内外两个圆锥面的支撑和固定是通过采用专门支架来实现的。当为氦氖激光器时，两玻璃或石英圆锥面的底部是研磨的，底部所在平面垂直于圆锥面的轴线，用于外层的圆锥的顶部在计算所得高度处去顶研磨，该研磨面也垂直于圆锥面的中心轴线，即垂直于图3中的10，轴对称曲面镜的背面也是研磨的，研磨后的背面垂直该曲面镜的对称轴线。选择一个两面彼此平行且平面度较高的玻璃或石英圆环，圆环的内缘半径比内圆锥面底部的内缘半径略小，外缘半径比外圆锥面底部的外缘半径略大。将此圆环置于一个不高的金属支架的较平的顶部，再将内外缘尺寸与圆锥形管底部尺寸相配而略可松动的轴对称曲面镜置于该环上，将较轻的电极置于内层圆锥形玻璃或石英管的内部，再将内圆锥形管的底部置于该圆环上并位于轴对称曲面镜内缘之内，再将外层圆锥面底部置于该圆环上并套在轴对称曲面镜的外缘，由于元件的加工确保了精度，故在光学校准仪器的适当监测和通过辅助手段对各元件适当调整后即可达到要求，然后再用真空密封胶将曲面镜、内外圆锥管和圆环粘在一起，顶部的平面镜则在事先已和轴线一致的校准光束监测下进行安装和胶合。再将外电极装上。该激光器可在该支架立式工作，从顶部输出，其优点是装配方便，光学元件受力很小。也可在装配完毕后横放或倒立式工作，但是在横放或倒立前应对支架作一定处理，使其对内外层圆锥形管有一定强度的辅助支撑，使其横放或倒立后内外层圆锥管及电极的重力几乎均由支架支持，此时激光输出镜从横向或从下面输出。当为二氧化碳激光器时，由于内外层圆锥形管为金属管且同时作为电极，故管的强度很高，其支撑问题容易解决，装配前的准备和装配过程与氦氖激光器的基本相同，值得注意的是在于两电极之间的绝缘问题，当用玻璃或石英基底轴对称曲面镜时，若镀介质膜则不存在问题，若镀金属膜，则应在两圆锥底部与全反射镜连接之间有绝缘层，好在射频电源的电压都是较低的。

激光器组装好后，将放电管及连接部分均抽成高真空。对氦氖激光器当真空度达10^-6×133.3Pa时，按Ne∶He＝1∶8的比例，充入混合气压强为0.8×133.3Pa，半反射镜对0.6328微米波长光波的反射率为98％，全反射镜反射率为99.8％以上，对其施以射频放电，即可获得输出。对二氧化碳激光器，当真空度达10^-3×133.3Pa时，按CO₂∶N₂∶He＝1∶1.5∶7.5，总压为10×133.3Pa，半反射镜对10.6微米波长光波反射率为80％，全反射镜反射率为99％以上，对其施以射频放电，即可获得输出。

实施例放电管3采用0.3米长的中空锥形玻璃管，内外层圆锥形管间间距a＝8毫米，圆锥的顶角为3.44度(0.06弧度)，全反射镜采用球面圆环形镜，内外缘半径分别为：14毫米、4毫米，曲率半径为0.3米，折迭腔构成共心稳定腔，平面输出镜输出的光束半径为3毫米，波长10.6微米，距离平面输出镜5毫米远的薄透镜焦距为10毫米，在薄透镜的焦平面附近获得的中空激光光束，其暗区半径为50微米，有光强的光环宽5-10微米。

中空圆锥型气体激光器，包括轴对称圆环形曲面反射镜，中空圆锥形放电管，平面部分反射镜，内电极，外电极，储气管，风机，射频电源及匹配网络，水冷套，参照图1至图5，轴对称圆环形曲面全反射镜1与中空圆锥形放电管3的底部连接，平面部分反射镜6与放电管3的顶部连接，内电极2与放电管3内侧紧贴或由内层壁直接为内电极(当为金属材料时)外电极4与放电管外侧紧贴或由外层壁直接为外电极(当为金属材料时)，储气管与放电管相连接，水冷套9与储气管5外壁连接，风机7与放电管连接，射频电源及匹配网络8与内电极2和外电极4连接。其特征在于放电管3是一个中空圆锥形放电管，其内壁是圆锥形管，其外壁是去掉顶部的圆锥形管，由两圆锥形管之间的圆锥形夹层空间构成放电区，它的底部和顶端分别由全反射镜3和平面部分反射镜6真空性封贴，使圆锥形夹层空间能抽高真空，在高真空条件下将氦氖混合气或二氧化碳、氮、氦混合气充入放电管3，其特征还在于谐振腔是一个中空圆锥形谐振腔，它由安装于中空圆锥形放电管底部的轴对称圆环形曲面反射镜1和一个安装于放电管顶部的平面部分反射镜6组成，全反射镜1的对称轴与放电管3的轴线重合，平面镜6的法线与放电管3的轴线一致，在激光器沿放电管轴线的任一纵剖面内，全反镜1都有两个曲率中心对称分布于放电管轴线两侧，谐振腔对剖面内光线簇构成一折迭腔，且为稳定腔。

本发明与现有产生中空激光光束技术相比，具有如下特点：

1，本发明采用气体激光器，光束质量好，方向性稳定。

2，本发明提出中空圆锥型谐振腔直接产生中空激光光束，其中空激光光束的获得重复性好。

3，本发明所附加的聚焦透镜，体积小，质量轻，可制作成小型可挟持操作的激光器。

4，本发明波长范围宽，适宜多种需要。

Claims (9)

1.一种激光器，用于输出中空激光光束，光束中心沿传输方向具有光强为零的暗区，其特征在于其谐振腔是使振荡光波位于中空圆锥形区的中空圆锥谐振腔，其工作物质为气体介质，其放电管是中空圆锥形放电管。

2.按照权利要求1所述的激光器，其工作物质为气体介质其特征在于，按激光工作物质分为氦氖激光器或二氧化碳激光器。

3.按照权利要求1所述的激光器，其谐振腔为中空圆锥谐振腔，其特征在于，在中空圆锥形放电管的底部贴圆环形曲面全反镜(1)，在圆锥形放电管的顶部贴平面高反镜(6)作输出镜用。

4.按照权利要求3所述的全反镜是圆环形曲面镜(1)，其特征在于，圆环形全反镜的反射曲面关于圆锥形放电管的中心轴旋转对称，在激光器沿中心对称轴的任一纵剖面内谐振腔对光线簇构成折迭腔，该纵剖面的介质区的中心线即为此剖面内折迭腔的腔轴，折迭腔为稳定腔。

5.按照权利要求1所述的激光器，放电管为圆锥形玻璃或石英放电管，其特征在于采用两个圆锥形玻璃或石英管组合而成，内层圆锥形玻璃或石英管的底部研磨平整，所在平面垂直于圆锥形管的中心轴线，外层圆锥形玻璃或石英管的底部研磨平整，顶部被去掉，然后将上端口研磨平整，使此外层管上下端平行，且上下端所在平面均垂直于管的中心轴线，组合时，两圆锥形管中心轴线重合，底部均在同一个平面，两管间的空隙区的底部直径等于内层管外径和外层管内径之和的二分之一的几何圆锥面顶角与内外层相同且此几何锥面的顶点恰好位于外层管顶端口的中心点，在此条件下将全反镜和平面部分反射镜再安装胶合上，且保证全反镜的对称轴与圆锥形管的轴线严格一致，平面镜严格垂直于该轴。

6.按照权利要求1或权利要求2所述的激光器，其特征在于，氦氖激光器和小型的二氧化碳激光器，是紧凑的激光器装置，具有小的激光器重量，能挟持激光器操作。

7.按照权利要求1或权利要求2所述的激光器，其特征在于，输出光束经过透镜聚焦，用于微小粒子的操纵。

8.按照权利要求2所述的激光器，其特征在于，大型的二氧化碳激光器采用射频放电激励方式或预电离激励方式，其输出光束作加工应用。

9.一种圆锥形气体激光装置，包括玻璃或石英放电管(3)，全反射镜(1)，平面部分反射镜(6)，内电极(2)，外电极(4)，储气管(5)，风机(7)，水冷套(9)，射频电源(8)，全反射镜(1)与放电管(3)底部连接，平面部分反射镜(6)与放电管(3)的顶部连接，内电极(2)紧贴于放电管(3)内侧壁，外电极(4)与放电管(3)外侧壁紧贴，射频电源及匹配网络(8)与内电极(2)，外电极(4)连接，储气管(5)与放电管(3)连接，水冷套(9)与储气管(5)外壁连接，风机(7)与放电管(3)连接，其特征在于放电管(3)是一个中空圆锥形放电管，其内壁是一个圆锥形管，其外壁是去掉顶部的圆锥形管，由两个圆锥形管之间的圆锥形夹层空间构成放电区，它的底部和顶端分别由全反射镜(3)和平面部分反射镜(6)真空性封贴，使圆锥形夹层空间能抽高真空，在高真空条件下将氦氖混合气或二氧化碳，氮，氦混合气充入放电管，其特征还在于谐振腔是一个中空圆锥谐振腔，它由安装于中空圆锥形放电管底部的轴对称圆环形曲面全反射镜(1)和一个安装于放电管顶部的平面部分反射镜(6)组成，全反射镜(1)的对称轴与中空圆锥形放电管的轴线重合，平面反射镜(6)的法线与放电管轴线一致，在激光器沿放电管轴线的任一纵剖面内，全反射镜(1)都有两个曲率中心对称分布于放电管轴线两侧，谐振腔对剖面内的光线簇构成一折迭腔，且为稳定腔。

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