CN101630807B - 一种锥形相位锁定二氧化碳激光器 - Google Patents

Abstract

本发明一种锥形相位锁定二氧化碳激光器，属光学工程和激光应用领域。它将圆锥型二氧化碳激光器和轴对称输出光束进行相位锁定，使会聚光束形成强烈的相干迭加，从而使其具有的激光加工的效率和特性与轴流型二氧化碳激光器的充分接近，以至于超过，而在器件体积和使用方便方面又大占优势。使其与圆筒形CO₂激光器平板波导型CO₂激光器一样，具有很好的紧凑性，其输出光束质量和相干性又高于圆筒形二氧化碳激光器的，在紧凑性和输出水平质量方面可高于平板波导器件。锥形相位锁定二氧化碳激光器输出光束经会聚系统处理后可方便地应用于金属、非金属材料的表面处理、焊接、切割、打孔等，可成为激光加工的重要设备。

Description

一种锥形相位锁定二氧化碳激光器 

技术领域

本发明涉及光学工程和激光应用领域，主要是由锥形放电区和相关光学元件构成的相位锁定的大功率二氧化碳激光器的构建方法及装置。锥形相位锁定二氧化碳激光器输出光束经会聚系统处理后可方便地应用于金属、非金属材料的表面处理、焊接、切割、打孔等，可成为激光加工的重要设备。 

背景技术

激光加工是利用激光的优良的方向性、高输出功率和相干性的特点对金属和非金属材料进行高精度的快速加工。用于加工的激光器，在1967年之前主要是脉冲振荡的红宝石激光器和钕玻璃激光器，之后，随着连续振荡的二氧化碳激光器和Nd:YAG激光器输出功率的提高，利用这两种激光器进行加工也多起来。现在除二氧化碳激光器和Nd:YAG激光器是主要的加工用激光器件外，正在发展的光纤激光器等也将成为加工用重要激光器。在现代制造业中，激光加工已经成为生产线的重要环节。激光加工机已形成产业，近几年的统计资料表明，国际上激光加工机的年产值约30多亿美元，主要是二氧化碳激光加工机和Nd:YAG激光加工机。二氧化碳激光加工系统的年产值约约15亿美元。二氧化碳激光加工机广泛使用轴流型和横流型二氧化碳激光器，也采用平板波导二氧化碳激光器。轴流型二氧化碳激光器一般输出约1KW，输出模式好，多用于金属材料的切割，打孔，焊接等，当然也可用于工件热处理，表面处理等。横流型二氧化碳激光器一般输出10KW至几十万瓦，功率大，模式较差，故一般用于金属材料工件的热处理，表面处理等。平板波导激光器输出功率可达500W-1000W，由于重量轻，体积小而可直接架于机床，用于切割打孔，焊接等。上述三种激光器各有其不足之处，轴流型二氧化碳激光器和横流型二氧化碳激光器的最大缺点是其装置特别庞大，因此加工机机头和激光器只能是分离的，两者之间往往有较长的距离，激光输出后经过较长的传输系统后才到达加工机机头，由于无传输二氧化碳激光的光纤，故光波和直线传输和方向的改变及到达加工机机头后的光路控制都靠光学元件和相应控制措施来实现。平板波导二氧化碳激光器虽然可直接装配到加工机架上，激光光源和加工机头装配在一起，但此种激光器的输出功率收其结构限制，放大技术复杂。在已有的二氧化碳激光器和二氧化碳激光器的发明专利中，最接近本发明的是圆筒形二氧化碳激光器和中空锥形气体激光器。前者在米长级器件已输出达1KW，但至今并未在激光器产业中兴盛起来，估计与其同时输出两束光源原因有关，且这两束光无确定位相关系。后者的发明专利申报号为：2007100483280。它当然也包括中空圆锥型二氧化碳激光器。本发明与之根本不同点在于其激光输出位相锁定是确实的。而专利(申请号：2007100483280)所包含的二氧化碳激光器输出的光束虽然是轴对称的，但是各部分光束间存在确定的位相关系的可能性较小，故在经会聚 系统会聚后，因相干性较差而不能形成很强的相干迭加，至少是不能形成持续的相干迭加，故在激光加工中会对加工效率，特性和稳定性等产生不利影响。 

发明内容

本发明正是为了克服上述多种二氧化碳激光器和中空圆锥型气体激光器专利的缺点而提出的，提供一种二氧化碳激光器，它将圆锥型二氧化碳激光器和轴对称输出光束进行相位锁定，使会聚光束形成强烈的相干迭加，从而使其具有的激光加工的效率和特性与轴流型二氧化碳激光器的充分接近，以至于超过，而在器件体积和使用方便方面又大占优势。使其与圆筒形CO₂激光器平板波导型CO₂激光器一样，具有很好的紧凑性，其输出光束质量和相干性又高于圆筒形二氧化碳激光器的，在紧凑性和输出水平质量方面可高于平板波导器件。 

本发明的目的是由以下所述方案来实现的。中空圆锥形激光器的放电区域是一个中空圆锥体，但其锥体的顶部是被沿垂直于锥体轴线方向截掉的，截面上置一部分反射部分投射的平行平面输出镜。而在锥体的另一端贴一圆环形球面凹面全反射镜，圆环形镜于输出镜在放电区构成一立体的折叠谐振腔，圆环形球面凹面的曲率中心位于输出镜内表面中心。在圆锥形管的轴上置一放电管，放电管以圆锥形体的输出镜为半反镜，另一端贴一全反射镜构成的身的谐振腔在整个激光器的输出镜后置以会聚光学系统，会聚光学系统的第一个镜的前表面为球面凹面，此凹面有较小的反射率，将轴上单管器件出射光反射并会聚于锥形激光器输出镜的内表面中心，并以该中心点位置为极细的束腰位置形成高斯光束，该高斯光束传输到圆环形全反射镜处的等位相面刚好与圆环形球面镜的反射面一致，该高斯光束落在锥形区域的部分将在圆环形球面镜各对称部分之间。激发形成轴对称折叠振荡，从而实现由单管器件控制，圆锥形激光器输出各方位的相位，使整个激光器成为一位相锁定的锥形二氧化碳激光器。 

取立体折叠腔的凹面球面镜的曲率半径位R₁，并称该镜为R₁，该折叠腔的输出镜是平面镜并用R₀表示它，凹面镜到输出镜的距离为L，输出镜的厚度为d，其折射率为n。锥形体放电区对称轴上的放电管，输出镜也用平面镜R₀，其另一端的全反射镜曲率半径为R₂，并称该镜为R₂。输出镜后的会聚系统的第一透镜的前表面为曲率半径R₃的凹面球面，反射率为r₃且较小。为叙述方便，在下面的描述中我们也常以曲率半径来表示所指的镜。过圆锥管的轴线作截面，在截面内我们得到由镜R₁，R₀，R₁构成的折叠腔，注意镜R₁在截面分布于轴线两侧，但这个折叠腔的体积都为0，为真实同时也是近似的考虑，我垂直于此截面取各较小的厚度的区域，这个厚度一般为几个毫米，它就等于放电区的单侧的径向宽度，也即气体放电区的间隙尺寸。考虑到这个放电区的取法和分布于圆锥体轴线两侧的R₁的相应的两部分和R₀的作用，便得到这个气体折叠腔的一个子折叠腔。进一步取曲率半径R₁等于L，则可定此子腔沿折叠腔轴展开后形成一个与共心腔一致的直腔并具有相应特性。由于此折叠腔轴 线夹角很小，故可不考虑象散。根据往还矩阵，计算该腔形为介稳腔。由计算可知，在子腔中运行的光波是球心，位于输出镜内表面中心点的球面波的一部分，但由于各子腔几乎的独立运行，也即不存在一个子腔的光线能够进入各子腔的光线，故各子腔的对于由镜R₀，R₂ 构成的R₀-R₂谐振腔。适当地选择曲率半径R₂，可使瑞利长度Z₀和输出镜R内表面处的束腰尺寸W₀较大。瑞利长度Z₀大，则在输出镜附近相当长的距离为由R₂-R₀腔输出的光束为平行度极高的光束，以便于R₀镜后一定位置的镜R₃的前表面和凹面反射将其很好地在R₀的内表面中心会聚于一点。W₀较大，则有利于选择R₂的合适曲率半径取值和位置，便于R₂-R₀ 腔输出光束在镜R₃前表面处的横向尺寸于由R₁-R₀腔输出的光束在该表面上的亮环的直径一致，从几何光学的角度看，这可确保由R₃前表面反射并会聚于R₀内表面中心点的光束可有效地进入各子折叠腔以进行控制。 

设输出镜R₀两面的介质膜厚度近似为0，镜R₀的厚度为d，折射率为n，输出镜后的聚光系统的第一表面R₃距镜R₀后表面距离为S₀，由此可确定由镜R₀内表面出发，经透射穿过R₀并到R₃，再由R₃反射并经R₀透射到R₀的内表面，其ABCD传输矩阵的矩阵直A、B、C、D分别为： 

$A=1-\frac{2}{R_3}(\frac{d}{n}+s_0)$

$B=2(\frac{d}{n}+s_0)(1-\frac{s_0}{R_3}-\frac{d}{n{R}_3})$

$C=-\frac{2}{R_3}$

$D=1-\frac{2}{R_3}(\frac{d}{n}+s_0)$

由输出镜内表面处的由R₀-R₂谐振腔决定的束腰W₀即可确定其复参数，再由高斯光束复参数满足的ABCD定律，由上述的传输矩阵元A、B、C、D即可取定该光束回到R₀内表面处的高斯光束复参数，适当选择d、S₀、R₃参数，可回到R₀内表面处的高斯光束半径趋近于0，该高斯光束继续传输并扩展，使其在镜R₁处的曲率半径极其接近R₁，镜R₁则将该高斯光束反射并传回到R₀内表面，经镜R₀内表面的反射激发并控制各子折叠腔内光波的振荡。各子折叠腔内的振荡在R₀处的透射便形成输出，经其后会聚系统的会聚后得到可用于激光加工等目标的应用。 

附图中，1是球面凹面全发射镜，曲率半径R₁，2为中空圆锥形放电管，3为放电管外层管，当用射频电源放电时，3为水冷的双层铜管，当用直流放电时，3为每平方厘米均烧接一放电针作为阳极的石英锥形管，4为放电管内层管，是带水冷的双层铜管，用于射频放电时， 它为一射频注入电极，用于直流放电时，它为总阴极，5为平行平面输出镜，7为轴上带水冷玻璃放电管，6为全发射镜，8为放电阳极，9为放电阴极，10为柯阀管，11为双法兰密封接头，12为铜管，13为铜管与锥形放电管内管的接口，从放电管7到接口13其通光通气孔径均为10，14为轴上单管激光器输出的准平行光束，15为锥形放电管激光器的锥形光束，17为会聚系统，16为17的第一透镜的前球面凹面表面，18为会聚后的会聚光束，19为电源。 

现在结合附图对锥形相位锁定二氧化碳激光器的工作原理进行说明。使用直流电源，从轴上放电管7的阳极8和阴极9注入电能，使放电管7内的二氧化碳、氮、氢混合气发生辉光放电，使二氧化碳分子受到激励，其自发辐射在7内沿轴传输并放大，在镜6和镜5组成的谐振腔产生振荡，镜6和镜5组成的谐振腔确定的基膜高斯光束具有很长的瑞利长度并在镜5处有较大的束腰，此光束实际上在离镜5较近的范围是半径为该束腰半径的高精度平行光束14。在轴上放电管开始放电后，紧接着启动电源对中空锥形放电管2进行电能注入，使管2中二氧化碳、氮、氢发生辉光放电，使二氧化碳分子受到激励，平行光束14在镜表面16处光斑尺寸等于或大于中空锥形管输出的顶点位于输出镜表面中心的锥形光束15在该处的横向尺寸。平行光束14经镜表面16以小的反射率将其反射后沿光束15的逆向进入输出镜5并于镜5的内表面中心点会聚，会聚点极小，极接近点源，过此会聚点后，此光束发散，传输到镜1内表面处，其光束已经覆盖镜1表面，并且该光波的等位相面曲率半径极精确地等于发射镜1的曲率半径，镜1按此等位相面的波将其反射再回到点源位置，由于返回波在中空锥形区的任一沿轴线的截面内具有对称性，因此此返回波将经镜5内表面对称地反射到对称区域，并重复出现，这实为该区域内由轴上激光器输出光束14控制下地振荡，且这种振荡发生在中空锥形放电区地所有对称区域，这种振荡在镜5地部分透射便形成输出光束15，光束15经会聚系统17会聚后形成会聚光束18。为叙述方便，上述叙述中忽略了输出镜5的厚度，实际设计时此厚度的作用已反映在传输矩阵中。镜1的曲率中心位于镜5内表面中心点，由于沿锥形区轴线的任一截面内分布轴线两侧的放电区以及镜1，镜14在该截面内的+++中是对称的，以此截面为准选择一小厚度的放电区域，与此区域相连的镜1镜5的相应部分便形成一个折叠谐振腔，由于镜1的曲率中心位于镜5的内表面中心，故该腔为共心腔，可以将锥形区划分成连续分布的较多的折叠共心腔，若将共心腔内放电区厚度在镜1处的尺寸确定为放电区的间隙尺寸，则折叠共心腔的个数乘此间隙尺寸，应等于π乘以放电锥形区内外半径之平均值。由各子折叠腔形成的输出即为镜1与镜5构成的腔的输出，它是以镜5内表面中心点为顶点的中空锥形光束，即光束15。由于轴上放电管先启动，故镜1和镜5的腔的工作将受到光束14的控制。锥形放电区以一定重复频率脉冲放电，轴上放电管连续放电，这不仅有利于轴上放电管的激光器控制锥形激光器的输出，而且脉冲冲串式的尖峰输出也有 利于提高激光加工效率。 

具体实施方式

对于中等功率，圆环形球面凹面发射镜1可采用石英基底研磨、抛光后，经精确检查曲率半径和面形，使其达到常规激光器腔基底要求即可，然后镀金膜。输出镜14采用砷化镓材料晶体或硒化锌晶体材料作基底，两面磨成平行面，误差在10″以内较好，其中一面镀多层介质膜以达到80％左右的发射率，第二面镀增透膜，一般这种镜片已成各种规格的商品。中孔圆锥放电管加工较为复杂。内外两圆锥形管分别由大到小的厚壁圆铜筒或其他金属管经车床加工后再组合焊接而成，既便于加工，又节省材料，每段圆锥形管壁厚2，为连接方便，从大到小，第一段圆锥管的顶点在离顶3以内将其外缘车去1厚的材料，即壁厚为1，第二段圆锥管的底部离底3以内将其内缘车去1厚的材料，即壁厚为1，其余类推，特别要注意的是每段圆锥管的实际设计和使用的尺寸是从底到顶再减去了3mm，这样每段的连接才能平滑过度，每两段间的接缝处均有倒角以便焊接时填料，用小火或小焊机进行铜焊或银焊后，再进行修整，将其接触的激光混合气体的一面抛光，并将两管的底部修平，将外管的顶部修平，与底平行，两底部平面与外管顶部所在平面均垂直于轴线，并进行清洁处理，其水冷套也是锥形管，其长度比放电区锥形管稍短，水冷套可用薄的铜皮裁成一扇形进行整体加工，其加工精度要求不高，只是和锥形放电管的焊接又是一个特别仔细的环节，但这对熟练的技术人员来说并不是问题。内外锥形放电管及附在其上的水冷套及水冷都水加在一起会有一定重量，由于输出是从小端输出，故可采用倒立式装配和立式支架支撑，即将中空圆锥形管，激光器的输出端朝下，立式支架从内部以刚性吊拉式支撑内锥形电极及水冷套，从外以刚性支撑外锥形电极及水冷套，同时，此立式支架的支撑还应满足其平卧状态不改，变其支架的坚固性。轴上放电管为玻璃管，玻璃管的右端接内径相同的柯阀管，柯阀管的右端接带刃口的不锈钢法兰。将内锥形电极的顶部截去，其通光孔径管分离，并焊接一个带刃口的硬度较高的黄铜法兰，两法兰间置一紫铜软垫圈，经法兰间的压制性连接实现两者之间的密封性连接，且压封过程中注意放电管的另一端贴全反射镜，使用支架上的调整功能将两锥形管底部调整到同一平面并保持两管之间的间隙，并确保同轴，再紧圆环形球面凹面镜于锥管底部并精确调整到位并加以仍可微调的机械性固定。将立式支架平卧，也即将装置平放，使其轴线位于水平面内，第一个可调位平行光管与锥形装置轴线同轴，第二、第三可调整平行光管的光轴也位于水平面并与锥形装置轴线相交于锥顶处截面的中心点，也即相交于即将贴封的输出镜内表面中心点，第一平行光管轴线也交于该点，第四、第五可调整平行光管的光轴位于过锥形装置轴线的竖直面内并与锥形装置轴线相交于第一、二、三可调整平行光管轴线形成的交点处，也即相交于即将贴封的输出镜内表面中心点处，将圆环形球面凹面镜进行调整，并调整平行光管焦距，使圆环形镜对第二、三、四、五平行光管的出射光的反射光 均能在平行光管内获得清晰反射十字象，并分别与个平行光管的十字光源的位置重合，此时将圆环形镜用优质环氧封接与圆锥底，再将平行平面输出镜贴于锥形装置的顶部截面处，它的后表面对第一平行光管的反射十字象与它的十字光源位置重合时可将其贴封于锥形顶，至此，中空圆锥形激光器的装置总装已基本完毕，余下的即应完成射频电源的安接及阻抗匹配，安装冷却水等。激光器最好工作于工作变化不大的环境，以减少因温度变化而带来的圆环形镜、输出镜失调带来的影响。 

实施举例取中空圆锥形放电管的高度为140cm，也即取圆环形全反射镜和平行平面输出镜之间的放电区长度为140cm，中空圆锥形放电区底部的内外半径分别为5.7cm和5.0cm，放电区的中心区位于一个圆锥面，该圆锥面的底部半径为放电区底部内外半径之平均值，即为5.65cm，该圆锥面的顶部位于输出镜内表面中心点，该圆锥面也是锥形放电管内振荡光波的束轴面，在过圆锥形放电区轴线的纵截面内，该圆锥面在截面内的截线与放电区轴线间的夹角幅度值为arcsin(5.35/140)。中空圆锥形放电管的内层管顶部被开口，开口距输出镜内表面约10cm，在开口处焊硬质黄铜管即带刃口的法兰，长度30cm，带有刃口的不锈钢法兰，与黄铜法兰之间放软紫铜电圈，强制密封，不锈钢法兰事先已连接柯阀管，柯阀管已与放电管连接，不锈钢法兰与柯阀管共长5cm，石英或玻璃放电管长度为95cm，各连接部分内径均为1cm，圆环形全反射镜的曲率半径为140cm，为石英基底镀金全反射镜，或铜为基底的镀金全反射镜。曲率中心位于输出镜内表面中心点，输出镜是厚度为4mm的ZnSe平行平面镜片，内表面镀多层介质膜，使其对10.6μm波长的光波放射率为80％，其背面对波镀增透膜。轴上放电管左端的全反射镜为石英基底镀金全反射镜，曲率半径为1500cm，与锥形管使用同一个输出镜。输出镜后的会聚系统由两个透镜组合，采用ZnSe为透镜材料，各透镜前表面镀减反膜，后表面镀增透膜，第一个透镜为凹凸透镜，它的第一个面离输出镜的距离为98.5mm，它的曲率半径为200mm，经镀减反膜使其反射率为5％，两透镜的其余反射面、透射面的反射率、透射率应分别接近0％和100％。会聚系统的光轴与锥形放电管轴线同轴。很容易获知轴上单管激光器位于输出镜的束腰半径为3.84mm，瑞利长度为4363mm，故输出光束在输出镜附近数十厘米内其平行度较高，输出光束在第一透镜的前凹面处的半径仍为3.84mm。圆锥形管激光的输出光束一个与腔内束轴圆锥面共顶点，同轴的位于反方向的锥面，它在会聚系统第一镜面处竖直面内所截的圆的半径为3.9mm。可见在会聚系统第一镜的前表面处光斑对输出镜内表面中心点的张角基本满足，包含输出光束对输出镜内表面中心点的张角。严格计算证明轴上光学谐振腔之输出光束被会聚系统第一镜前表面反射并经输出镜透射进入其内表面中心点时光斑半径仅为0.088mm，即已近似为点光源，其在圆环形全反射镜所在的面内的光斑半径为53.77mm，等位相面曲率半径为1400.17mm，可见该光束不但覆盖了圆环形镜面，而且和该圆环形镜面的1400mm的曲率半径极为接近，显然此光束能控制圆锥形放电管内的振荡光束的形成和输出，使其整个输出光束各部分间有确定的相位关系。从而达到了相位锁定的目的。

在实施举例中，我们也可采用直流电源对中空圆锥形放电区放电，但此时放电管的外层管应换成带风冷的每平方厘米有一放电针作为阳极石英管，而内层管人为带水冷的铜管或其他金属管，但此时它总阴极，电源为许多小直流低压电源组合系统，中空圆锥形管相位锁定二氧化碳激光器由中空圆锥放电管二、圆环形球面凹面全反射镜1、平面输出镜5、轴上放电管7、位于轴上放电管左端凹面全反射镜6、输出镜后的会聚系统的第一透镜前凹面部分反射面、会聚系统和电源组成。中空圆锥形放电管2之左端与圆环形球面凹面全反射镜1连接，之右端通过外锥形管3去顶部与输出镜5连接，轴上放电管之左端与全反射镜6连接，之右端与柯阀管10连接，柯阀管与双法兰接头11连接，双法兰接头11右端与硬质黄铜管12连接，黄铜管12之右端与中空圆锥管之内管4之顶部开口焊接形成接口13，会聚系统17位于输出镜后并与中空锥形放电管同轴，会聚系统17之第一镜之前表面16为部分反射的凹面球面，用射频电源时，中空锥形放电管内外层管均为带水冷的铜管并作为注入电极，用直流电源激励时中空锥形放电管外管为每平方厘米均有一放电针作为直流电阳极，中空锥形放电管内管为带水冷的铜管且作为总阴极，轴上带水冷的玻璃放电管7用直流电源经其阳极8、阴极9注入电能，其特征在于轴上放电管和左右腔镜6和5形成一个在输出近场平行度很高的高斯光束，该高斯光束经会聚系统17之第一镜之前表面的凹面的部分反射并经输出镜透射输出镜内表面中心会聚为一个近似的点源，然后再发散传输到中空锥形放电区并到达该放电区之左端的圆环形全反射镜1，并且其等位相面与镜1的曲率半径一致，经镜各局部反射并传回到输出镜内表面中心，由于镜1相应局部的对称关系，故光波在各对称的相应局部之间经输出镜内表面反射来回传输，此乃由轴上单管激光器所控制的振荡光波，光波之各部分间必有锁定的相位关系，该振荡光波在输出镜5处的投射即为相位锁定的锥形输出光束15，经会聚系统17会聚后即可满足使用要求的极细相干光束。其优点在于，器件体积小，输出功率大，由于采用管壁冷却散热而总效率较高，它可方便的配备到激光加工机的机头上。 

附图是锥形相位锁定二氧化碳激光器的装置图。 

Claims (5)

1.一种中空圆锥形放电管，所述圆锥形放电管的底部贴一圆环形凹球面全反射镜，所述圆锥形放电管的顶部被去掉以后贴一平面输出镜，所述圆环形凹球面全反射镜的曲率中心位于所述平面输出镜的内表面中心点，所述圆锥形放电管的对称轴上置有一个轴上放电管，所述轴上放电管与所述圆锥形放电管的内层管顶部连接并于该顶部实行通光通气性连接，所述轴上放电管的左端设有一个第二全反射镜，所述轴上放电管的右端与所述圆锥形放电管共用同一个所述平面输出镜；所述圆环形凹球面全反射镜与所述平面输出镜组成了一个立体折叠式第一谐振腔，即在所述圆环形凹球面全反射镜的各部分与其相对应的轴对称部分之间的光波经平面输出镜内表面反射而来回地传输，即建立了振荡，所述第二全反射镜与所述平面输出镜组成了一个第二谐振腔；所述第一谐振腔和所述第二谐振腔共用的所述平面输出镜给出的输出光束经设置在所述平面输出镜后面的会聚系统作用变为细长的会聚光束；其特征在于：所述轴上放电管激光器先被放电启动，其输出光束经所述会聚系统的第一个镜的前凹表面反射会聚进入所述平面输出镜，并在所述平面输出镜的内表面中心点处形成一束腰极小的近似的点光源，从而控制了所述圆锥形放电管激光器的振荡，使述圆锥形放电管激光器的各部分光波间的相位得到锁定，从而输出位相锁定的光束。

2.根据权利要求1所述的中空圆锥形放电管，其特征在于：所述轴上放电管激光器左端的所述第二全反射镜曲率半径较大，使得振荡光束有很长的瑞利长度，从而在近场有平行度很好的光束，并有较大的光束半径，从而使该光束在所述会聚系统的第一镜的前凹表面处横向尺寸与中空圆锥形放电管的谐振腔的锥形输出光束横向尺寸相当。

3.根据权利要求1所述的中空圆锥形放电管，所述圆锥形放电管的放电区的内外层锥管都是带水冷的金属管。

4.根据权利要求1所述的中空圆锥形放电管，所述圆锥形放电管的放电区的内层锥管是带水冷的金属管，外层锥管也可以是带水冷的并且每平方厘米均有一放电阴极针的石英玻璃管。

5.一种中空圆锥管相位锁定二氧化碳激光器装置，包括中空圆锥形放电管(2)、圆环形球面全反射镜(1)、平面输出镜(5)、轴上放电管(7)、位于所述轴上放电管(7)左端的凹面全反射镜(6)、位于所述平面输出镜(5)后面会聚系统(17)、会聚系统(17)的第一镜的前凹面部分反射面和光源(19)；所述圆环形球面全反射镜(1)与所述中空圆锥形放电管(2)的左端连接，所述平面输出镜(5)与所述中空圆锥形放电管(2)的右端连接，所述凹面全反射镜(6)与所述轴上放电管(7)左端连接，所述轴上放电管(7)的右端与柯阀管(10)连接，所述柯阀管(10)右端与双密封法兰(11)连接，所述双密封法兰(11)再与硬质黄铜管(12)连接，所述硬质黄铜管(12)的右端再与所述中空圆锥形放电管的内层锥管(4)顶部的开口处连接并形成接口(13)，阳极(8)与轴上放电管(7)左端连接，阴极(9)与所述轴上放电管(7)的右端连接，所述会聚系统(17)位于所述平面输出镜(5)之后并与所述中空圆锥形放电管(2)同轴；所述会聚系统(17)所述的第一镜的前表面(16)为部分反射的凹球面，所述中空圆锥形放电管(2)的内层锥管(4)是带水冷的铜管，并作为电源的一个注入电极，所述中空圆锥形放电管(2)的外层管(3)为带水冷的铜管或带风冷的每平方厘米均有一放电阳极针的石英玻璃管；当内外层均为带水冷的金属管的装置时则电源(19)采用射频电源，电能通过内外层注入；当内层管为带水冷的金属管而外层管为石英玻璃管的装置则电源(19)采用直流电源，内层管为总阴极，外层石英玻璃管上的阳极设计为阳极；其特征在于：所述轴上放电管和所述凹面全反射镜(6)、所述平面输出镜(5)构成的所述轴上激光器产生一个在输出近场平行度很高的高斯光束，该高斯光束经所述会聚系统(17)的第一镜的前表面的凹面的部分反射并经所述平面输出镜透射到所述平面输出镜内表面中心会聚为一个近似的点光源，然后在发散传输到中空锥形放电区并到达该放电区的左端的所述圆环形球面全反射镜(1)，并且其等位相面与所述圆环形球面全反射镜(1)的曲率半径一致，经所述圆环形球面全反射镜(1)各局部反射并且传回到所述平面输出镜内表面中心，由于所述圆环形球面全反射镜(1)的各相应局部有对称关系，故光波在各对称的相应局部之间经所述平面输出镜内表面反射而来回传输形成轴上单管激光器所控制的振荡光波，所述振荡光波在所述平面输出镜(5)处的透射即为相位锁定的锥形输出光束(15)，经所述会聚系统(17)会聚后获得极细的相干光束。