CN102005690B

CN102005690B - 多重co2激光系统的构建方法及装置

Info

Publication number: CN102005690B
Application number: CN2010105122685A
Authority: CN
Inventors: 陈梅; 赵晓凤; 刘静伦
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2030-10-20
Also published as: CN102005690A

Abstract

本发明涉及光学工程和现代制造业领域的激光加工，主要是由多个CO₂激光器构成腔内共点的紧凑的大功率激光系统的构建方法及其装置。此激光器由全反射镜0-8，放电管9-17，输出镜18，中空圆台支架20，圆盘支架21、22、23，公用水冷套24，激光器支架25和双曲型玻璃管26组成。各谐振腔轴线交于腔内公共区域的一点，各谐振腔共用一输出镜，既可获大功率输出，又可保护输出镜不受光损伤，利于长期有效工作，当公共点处放电区连续放电而各放电管脉冲放电时，其各支光束间将由于公共区公共点处受激粒子的同步激励各腔本征模振荡而使它们出现某种程度上的锁相运行，更加有利于会聚后的激光加工应用。

Description

多重CO2激光系统的构建方法及装置

技术领域：

本发明涉及光学工程和现代制造业领域的激光加工，主要是由多个CO₂激光器构成腔内共点的紧凑的大功率激光系统。

背景技术：

激光加工是利用激光束的优良方向性、高输出功率的特点，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CO₂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。近几年的资料表明，国际上激光加工系统的年产值约30多亿美圆，主要是CO₂激光器和Nd:YAG激光器。CO₂激光加工系统的年产值约为15亿美圆。CO₂激光激光加工系统广泛采用轴流型和横流型CO₂激光器，也采用平板波导型CO₂激光器。轴流CO₂激光器一般输出1千瓦至几千瓦左右，模式好，多用于金属材料的焊接、切割、打孔等。横流型CO₂激光器一般输出万瓦至至数万瓦，功率高，但模式较差，故一般用于金属材料工件热处理、表面处理等。平板波导CO₂激光器输出功率可达500-1000瓦，由于重量轻、体积小而可直接架于机床，用于焊接、切割、打孔等。上述三种类型的CO₂激光器各有其不足之处，轴流型CO₂激光器和横流型CO₂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，激光输出经过较长距离才到达机头，由于无传输CO₂激光的光纤，故光波的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CO₂激光器虽然可直接装于加工机，但此种激光器受其结构限制，其输出难以提高。在已有的发明专利中，虽然已经提出了一种轴对称折迭组合大功率CO₂激光器(发明专利：大功率气体激光器的构建方法及其装置，申请号：2003101040173)，但该器件的各折迭腔的输出由输出镜内表面中心点共点输出，故该镜面中心点承受很大功率密度而对输出镜会产生形变等影响，会影响器件的性能和器件输出功率的提升，这对激光加工这一类的应用是不利的。

发明内容：

本发明正是为了克服上述已有大功率CO₂激光器及发明专利的缺点而提出的，提供一种腔内共点组合、输出功率高、可实现一定程度相位锁定的CO₂激光系统。

本发明的目的是由以下所述方案来实现的。多根放电管轴对称地放置，对称轴上置放一放电管，其管心线位于系统的对称轴线，每根放电管之管心线在各管右端口后相交于一点，每对对称放置的放电管之管心线处于同一圆锥面上，且两管心线与轴线同处于一平面内，按顶角由小到大，圆锥面分别为第一圆锥面、第二圆锥面、第三圆锥面等，这些锥面以系统对称轴线为唯一对称轴线并有唯一的公共顶点，这个顶点即各管心线在右边的唯一交点，一般情况下选择第一和第二两个圆锥面就可构建千瓦级激光器。每根放电管的左端都安装全反射镜，在各放电管中心线公共交点右侧一小段距离处放置一凹凸透镜作为输出镜，其内表面为一高反射面，其曲率中心位于公共交点，同时该公共交点还位于凹凸镜的焦点处。选取适当的全反镜曲率半径，使每根放电管左端的全反镜与右端的公共输出镜内表面构成一稳定谐振腔。如此一来，所有谐振腔的输出光束在腔内有一公共点，并位于输出镜的焦点，故输出一组平行光束。由于腔内公共点附近管心线彼此靠得很近，故可在公共点附近一段区域实施CO₂混合气的放电，并使其优先于各放电管的放电，或该段区域实施连续放电而各放电管实施高重复频率的脉冲放电，则公共区域的优先辐射将注入到各放电管并可使放电管内的振荡产生一定程度上的锁相效果，即同步振荡的效果，从而使输出的一组平行光束间有一定程度上的固定位相关系，而在远场具有相干性，从而更有利于激光加工等应用。

附图说明：

我们结合附图及工作原理对本发明作进一步详细说明。在附图中，全反射镜的编号依次为0、1、2、3、4、5、6、7、8，并分别称为第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、第四全反射镜、第五全反射镜、第六全反射镜、第七全反射镜、第八全反射镜、第九全反射镜。放电管的编号依次为9、10、11、12、13、14、15、16、17，并分别称为第一放电管、第二放电管、第三放电管、第四放电管、第五放电管、第六放电管、第七放电管、第八放电管、第九放电管。18为凹凸输出镜，19为镜18前表面曲率中心，也是镜18的焦点。20为不锈钢中空圆台形支架，21、22和23为激光器圆盘形支架，分别称为第一圆盘支架、第二圆盘支架和第三圆盘支架。24为公共水冷套，25为激光器底座，26为中部小两头粗的双曲型玻璃管，镜0与镜18前表面构成稳定腔，其间的放电管9的管心线位于激光器的对称轴线，镜1与镜18前表面构成稳定腔，其间的放电管10的管心线过19，镜2与镜18前表面构成稳定腔，其间的放电管11的管心线过19，镜3与镜18前表面构成稳定腔，其间的放电管12的管心线过19，镜4与镜18前表面构成稳定腔，其间的放电管13的管心线过19，镜5与镜18前表面构成稳定腔，其间的放电管14的管心线过19，镜6与镜18前表面构成稳定腔，其间的放电管15的管心线过19，镜7与镜18前表面构成稳定腔，其间的放电管16的管心线过19，镜8与镜18前表面构成稳定腔，其间的放电管17的管心线过19。放电管10、11、12、13、14、15、16、17的管心线位一同一圆锥面上。各放电管都自带水冷套和放电电极，各放电管的水冷套在公共水冷套24处汇合。当各放电管放电激励其内CO₂混合气时，各谐振腔均起作用，均通过镜18给出激光输出。其特征在于各束激光的公共交点位于镜18在腔内的焦点19处，输出光束彼此平行，而且容易实现轴对称输出变换，如会聚等，其特征还在于光束公共交点位于气体介质区，同时在输出镜上光斑分布均匀、对称、紧凑，不存在对输出镜的损坏；当双曲型玻璃管在公共交点19处施以直流放电而各放电管施以一定重复频率的同步放电时，输出光束间存在一定程度上的相位锁定。

具体实施方式：

轴上放电管和位于同一圆锥面上对称放置的放电管均插于固定圆盘支架21、22和23的一一对应的圆孔中，并在23向输出镜方向伸出1cm左右。每根放电管的外缘与21和22的对应圆孔间的间隙为0.2mm左右，管与盘间采用弹性固定。23为不锈钢基板做的圆盘支架，各对应孔接有柯伐管，各柯伐管与玻璃过渡接头连接，放电管从柯伐管内部穿出与过渡接头右端连接。各放电管的阴极位于全反射镜一段，与负高压电源的高电压端连接；而阳极对电极材料无特别要求，故可将各柯伐管及不锈钢圆盘支架23作为接地的公共阳极。输出镜18采用ZnSe等优质红外材料制作，其前表面镀增反膜，反射率为80％，其后表面镀增透膜。输出镜18和圆台形支架20之间通过粘接密封式连接双典型玻璃管26，玻璃管在公共交点19附近的一段直径较小，并可施以直流放电，当这公共区域为连续放电，而各放电管为经调制后的重复频率的脉冲放电时，公共区域交点附近的激发态粒子的跃迁对各放电管内的振荡在一定程度上有着锁相的效果。

实施举例：

取各两镜腔腔长取为1.4m，各全反射镜曲率半径为1290mm，输出镜内表面曲率半径为200mm，输出镜在腔内的焦距也为200mm。取9根石英管或玻璃管作放电管，每根长1m，由粗细两段管子连接而成，左段内径为15mm，长40cm，腔内光束半径小于7.5mm，右段长60cm，壁厚1mm，其左边长56cm，内径10mm，右边长4cm，外径10mm，腔内光束半径小于4mm。这样安排放电管，是因各谐振腔中因镜18的曲率半径较小，故其腔内光束在放电管左段较大。各放电管左端中心离轴上放电管中心线距离为120mm，右端端口中心离轴上放电管中心线距离为20mm，阴极位于全反射镜镜面前30mm处，为圆筒镍电极。中空圆台形支架20长10cm，直径5cm，它与输出镜之间连接一段长30cm的双曲型玻璃管，玻璃管靠公共交点19处直径约为2cm，在该处的上下按一针状电极进行直流放电，玻璃管右端端口直径5cm，以便和输出镜连接。将由输出镜输出9支平行光束，轴上一束，其余8束对称分布，其在输出镜上光束中心位于直径为4cm的圆上，光斑均匀分布，每支光束功率可达40W以上，若气体慢速流动，总输出可接近一千瓦，经会聚后可用于激光材料加工。当公共交点19附近区域介质直流放电，而各放电管以一定重复频率同步脉冲放电时，可得一定程度的锁相激光输出。

Claims

1.一种多重CO₂激光系统的构建方法，其特征在于是用石英或玻璃管作放电管，将多根放电管进行组合，使用多个二镜驻波谐振腔，放电管内CO₂、N₂、He气体混合物经放电激励，在各谐振腔作用下激光从输出镜输出，所述方法的特征在于将多根石英或玻璃放电管进行组合是按轴对称组合方式进行，相对于系统对称轴线成对称地放置，每对对称放置的放电管的管心线与该轴线位于一平面，每支放电管配有一个由管端全反射镜和凹凸输出镜构成的二镜谐振腔，管心线位于对称轴上的放电管也配有一个同样的二镜谐振腔，所有两镜腔公用一个凹凸输出镜，所有放电管的管心线和管内激光束束轴线均于对称轴线上交于气体介质区内凹凸输出镜在腔内的焦点处一点，较大功率的输出光束由公共交点以轴对称形式平行射出，便于变换或会聚光束。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于组合中每对关于该组合对称轴对称放置的放电管的管心线对称地处于同一圆锥面上，圆锥面按顶角由小到大分为第一、第二、第三圆锥面等，这些圆锥面以该组合的对称轴为唯一对称轴，以所有放电管管心线的公共交点为唯一公共点，此公共点位于气体介质区内凹凸输出镜在腔内的焦点处。

3.根据权利要求1所述方法，所有二镜腔使用一个公共的输出镜，其特征在于输出镜内反射面为球面，其曲率中心正好位于所有放电管中心线的公共交点上，所有两镜腔的腔轴线唯一地相交于这一公共交点，而且每个二镜腔均为稳定腔。

4.根据权利要求1所述方法，大功率输出光束以公共交点为出发点轴对称地从公共输出镜射出，其特征在于公共输出镜的半径之选择满足分布其上的各腔的光束均匀、对称、紧凑地分布，使得镜面承受很大的总功率，同时镀有增透膜的输出镜的背面为一球面，它与前表面构成的组合的焦点位于各放电管中心线的交点，使得输出光束为平行光束。

5.一种激光装置，由第一石英或玻璃放电管(9)、第二石英或玻璃放电管(10)、第三石英或玻璃放电管(11)、第四石英或玻璃放电管(12)、第五石英或玻璃放电管(13)、第六石英或玻璃放电管(14)、第七石英或玻璃放电管(15)、第八石英或玻璃放电管(16)、第九石英或玻璃放电管(17)、第一全反射镜(0)、第二全反射镜(1)、第三全反射镜(2)、第四全反射镜(3)、第五全反射镜(4)、第六全反射镜(5)、第七全反射镜(6)、第八全反射镜(7)、第九全反射镜(8)、输出镜(18)、中空圆台支架(20)、第一圆盘支架(21)、第二圆盘支架(22)、第三圆盘支架(23)、公用水冷套(24)、激光器支架(25)、双曲型玻璃管(26)组成，第一石英或玻璃放电管(9)、第二石英或玻璃放电管(10)、第三石英或玻璃放电管(11)、第四石英或玻璃放电管(12)、第五石英或玻璃放电管(13)、第六石英或玻璃放电管(14)、第七石英或玻璃放电管(15)、第八石英或玻璃放电管(16)、第九石英或玻璃放电管(17)之左端口分别与第一全反射镜(0)、第二全反射镜(1)、第三全反射镜(2)、第四全反射镜 (3)、第五全反射镜(4)、第六全反射镜(5)、第七全反射镜(6)、第八全反射镜(7)、第九全反射镜(8)连接，各放电管一一对应地穿过第一圆盘支架(21)、第二圆盘支架(22)的对应小孔，与小孔边缘的间隙均为0.2mm，以弹性胶固定，各放电管的水冷套与公共水冷套(24)连接，各放电管的右端一一对应地穿过第三圆盘支架(23)的对应孔并伸出1cm，分别与对应孔相连接的柯伐管过渡接头相连接，中空圆台支架(20)左端与第三圆盘支架(23)连接，右端与中部小两头粗的双曲型玻璃管(26)连接，双曲型玻璃管(26)右端口与输出镜(18)连接，第一圆盘支架(21)、第二圆盘支架(22)、第三圆盘支架(23)与激光器支架(25)连接，其特征在于，所有放电管的中心线在腔内公共区相交于一公共点，各放电管之左端口的全反射镜与公共的输出镜内表面均构成稳定二镜腔，各稳定二镜腔腔轴均通过公共点，公共点既是输出镜内表面的曲率中心，也是输出镜在腔内的焦点，输出一组平行光束，当公共点处介质连续放电和各放电管以一定重复频率同步放电时，可输出存在一定程度的锁相效果的激光束。