CN102231474B - 轴对称四镜折迭组合co2激光器的构建方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学工程和激光加工应用领域，主要是由多个轴对称四镜折迭腔构成锁相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1-8，轴对称平行放置的放电管9-16，两转折球面镜17、21，轴上放电管20和输出镜22组成，且轴上放电管位于激光系统的对称轴上。放电时，让轴上放电管先于各轴对称平行放置的放电管放电，或轴上放电管为连续放电，而其余放电管为高重复频率放电。镜21和镜22构成轴上谐振腔，由从镜21的输出控制在其余放电区域的激光振荡。镜1-8、镜17、镜21和镜22构成各谐振子腔，它们的振荡模式与轴上振荡腔的模式相匹配，而使其各子光束之间存在确定的位相关系，最终得到i个具有相干性的子光束的并合输出光束。

Description

轴对称四镜折迭组合CO2激光器的构建方法及装置

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，主要是由轴对称组合圆管放电区、轴上放电区和相关光学元件构成的相位锁定大功率CO₂激光器的构建方法及其装置。相位锁定CO₂激光器输出光束经会聚系统会聚后可方便地应用于金属、非金属材料的表面处理、焊接、切割、打孔等方面，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特点，对金属、非金属材料进行高精度的快速加工。在现代制造业中，激光加工已成为生产线的重要环节。激光加工机已形成产业，CO₂激光加工系统的年产值逐年上升。CO₂激光机广泛使用轴流型和横流型CO₂激光器，也采用平板波导CO₂激光器。上述三种激光器各有其优缺点，轴流型CO₂激光器一般输出1KW左右，输出模式好，横流型CO₂激光器输出功率一般在10KW以上，模式较差，上述两种激光器共同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，激光输出后经过较长的传输系统后才能到达加工机机头，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激光器虽然重量轻，体积小，可直接装配到加工机机架上，激光源和加工机头装配在一起，但此种激光器的输出功率受其结构限制较小，放大技术复杂。而扩散冷却的径向板条阵列CO₂激光器具有很高的紧凑性，较之单个平板波导CO₂激光器能够将输出功率提高到很高的水平。但其采用公共的射频电源，其注入能量受到电源的限制。采用复曲面镜的圆筒形CO₂激光器虽然具有结构非常紧凑的优点，在约10cm外径、100cm放电区长度的圆筒形CO₂激光器可输出约1KW，在1.8m长的圆筒形放电区已实现输出达2KW。但这种器件的输出一般采用在谐振腔镜之一上开孔输出，而且一般从开口输出两束行波光束，光束分开而且无确定相位关系，且采用很大的复曲面腔镜其加工及装配均较为复杂。也许正是由于这个情况，至今并未在激光器产业中兴盛起来。

发明内容

本发明正是为了克服上述多种CO₂激光器的缺点而提出的，提供一种高功率锁相CO₂激光器，它采用常规圆形放电管的最紧凑的组合方式，即将各根放电管轴对称平行放置，实现由非稳腔注入进行此阵列激光器的锁相，且实现体积极小，又能保持相干性的特点，从而可在激光加工方面扮演重要角色。

本发明的目的是由以下所述方案来实现的。各个子谐振腔中的轴对称平行放置的每根圆形放电管左端都单独地贴小球面全反射镜，右端放电管外层上贴一较大的中空圆环形转折球面全反射镜，所有管的内侧右端与一圆锥形管的底部相连，所有子谐振腔的中心对称轴线与锥形管轴线重合，圆锥形管的顶部被垂直截去，截面垂直于轴线，所截处的圆形开口处贴一小球面全反射镜，凹面的右边连接一位于轴上的放电管，放电管是被稳定地支撑的，放电管的右端连接一平面输出镜。在沿各放电管和轴上放电管轴线的任一截面，均可放在竖直平面内，各放电管内的光束束轴线平行于中心对称轴线，光束经放电管右端的全反镜反射后其上下放电管截面内光束的束轴线将通过其焦点，该焦点也是轴上放电管左端镜的焦点，故该两束轴线过该镜后将平行于放电管的轴线，束轴线在轴上放电管右端的平面输出镜处一部分透射形成输出，一部分被垂直反射，反射光束的束轴线将沿原光路进行，并且不断重复这一行为，由于各放电管的左端为全反射镜，右端为全反转折镜，轴上放电管左端为全反转折镜和右端平面输出镜，在近轴光线近似下满足截面光束往返传输的稳定条件，故在任一截面内激光器均能工作。由于在公共放电区采用直流放电并首先放电，或该段区域实施连续放电而各放电管实施一定重复频率的脉冲放电，又由于输出镜和凹面镜构成的是平凹腔，它形成非稳腔，其本征模式为球面波的种子信号经轴上放电管全反射后，经焦点注入到各放电管内激发和控制各放电管内的光波振荡，最终得到i个具相干性的子光束并合输出光束。

由脉冲放电的组合圆管放电管、直流放电的轴上放电管、组合圆管放电管上的小球面全反射镜、一较大的中空圆环形转折球面全反射镜和一全反转折镜及一个小平面输出镜组合多重四球面镜折迭腔构成一CO₂激光器，激光振荡在组合圆管放电管上的小球面全反射镜和平面输出镜间进行，由平面输出镜、轴上放电管、全反转折镜构成的非稳腔的振荡光束经全反转折镜和中空圆环形转折球面全反射镜耦合而使组合圆管子谐振腔的振荡受到了控制，使组合圆管子谐振腔的光束各部分间存在确定的位相关系。

组合圆管放电管是按轴对称方式放置，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，每根放电管左端都单独地贴小球面镜，右端采用一个较大的球面镜，构成组合圆管子谐振腔。

由输出镜、轴上放电管、全反转折镜构成了非稳腔，其特征在于非稳腔位于组合圆管放电管的对称轴线上，非稳腔的任务是产生一种子信号，注入到组合圆管子谐振腔中。

非稳腔的振荡光束是经两转折球反射镜耦合而使组合圆管子谐振腔的振荡受到了控制的，其特征在于非稳腔内某一点的自发辐射沿轴向传播，它的近轴光线近似平行于系统轴线，经轴上放电区域放大并经非稳腔的选择，其本征球面波经两转折球面镜的重合焦点注入各放电管内激发各子谐振腔振荡，使得各放电管由受激辐射产生的光子带有信号球面波的相位信息，最终即可得到８个具有相干性的子光束的并合输出光束。

由第一全反射镜、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、第一石英或玻璃放电管、第二石英或玻璃放电管、第三石英或玻璃放电管、第四石英或玻璃放电管、第五石英或玻璃放电管、第六石英或玻璃放电管、第七石英或玻璃放电管、第八石英或玻璃放电管、中空圆环形转折球面全反射镜、全反转折镜、输出镜、激光器支架、激光器圆盘形支架、中空圆台支架和放电系统组成，第一石英或玻璃放电管、第二石英或玻璃放电管、第三石英或玻璃放电管、第四石英或玻璃放电管、第五石英或玻璃放电管、第六石英或玻璃放电管、第七石英或玻璃放电管、第八石英或玻璃放电管之左端口分别与第一全反射镜、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、第八全反射镜连接，各放电管一一对应地穿过圆盘形支架的对应小孔，与小孔边缘的间隙均为0.2mm，以弹性胶固定，各放电管的右端外沿部分一一与中空圆环形转折球面全反射镜相连接，各放电管内沿分别与锥形管相连接，锥形管的顶端与全反转折镜相连接，轴上放电石英或玻璃管右端口与输出镜连接，激光器支架、激光器圆盘形支架、中空圆台支架与激光器底坐连接，其特征在于，轴对称各放电管的管心线平行于激光器系统的对称轴线，各放电管之左端口的全反射镜分别与中空圆环形转折球面全反射镜、全反转折镜和输出镜构成8个谐振子腔，而全反转折镜和输出镜构成公共放电区的非稳腔，当公共放电区优先于各放电管放电时，轴上放电管之谐振腔在全反转折镜的输出经全反转折镜和中空圆环形转折球面全反射镜的公共焦点注入到各放电管左端的小球面全反射镜-中空圆环形转折球面全反射镜-全反转折镜-输出镜内的振荡，使得各放电管由受激辐射产生的光子带有信号球面波的相位信息，最终即可得到８个具有相干性的子光束的并合输出光束。

附图说明

在附图1中，此图为轴对称四镜折迭组合CO₂激光器的透视图。1、2、3、4、5、6、7、8分别为轴对称平行放置的各圆管放电管左端的第一全反射镜、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。9、10、11、12、13、14、15、16分别为第一放电管、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。17为中空圆环形全反射镜，18为连接到各放电管内沿的锥形管，19为连接处，20为公共放电区的轴上放电管，21为小球面反射镜，22为平面输出镜，24为镜21和镜22的公共焦点。23为激光器支架，26为激光器中空圆台支架，25为激光器圆盘形支架，27为激光器底座，28为光束轴线，29为输出光束，30为轴上放电管与中空球全反射镜17的内环间的密封环。31为20的支架，32为锥形管18的支架，33为21的调整架。放电管9、10、11、12、13、14、15、16的管心线平行于激光器系统的对称轴线，位于以激光器系统对称轴线为中心的同一圆柱面上，各放电管都自带水冷套和放电电极。

现结合附图1对其工作原理作进一步说明。由镜1、镜5分别与镜17、镜21、镜22构成两谐振子腔，类似的，在水平切面的镜3、镜7和正负45度切面的镜2、镜6和镜4、镜8，分别与镜17、镜21、镜22构成谐振子腔。镜21和镜22构成公共放电区的非稳腔。当各放电管和公共放电区内CO₂混合气受到激励，轴对称各放电管内沿管心线方向的辐射受到放大，管内平行于管心线的光线经中空圆环反射镜17的反射后会聚于其焦点，该焦点又是镜21的焦点，故光线经镜21后平行于中心轴线后传输到输出平面镜22，经输出平面镜22的反射后又沿原光路通过镜21，镜17，再沿管心线平行地传输到镜1-8上，镜1-8再将其按原路返回，在输出镜输出。然而上述过程在本发明专利中是受轴上放电管非稳腔的谐振所控制的。其控制机制是：当公共放电区20优先于各放电管放电时，轴上放电管之谐振腔在镜21的输出经镜21和镜17的公共焦点24注入到各放电管激发镜i（i=1-8）-镜17-镜21-镜22内的振荡，使得各放电管由受激辐射产生的光子带有信号球面波的相位信息，最终即可得到i（本专利中i=8）个具有相干性的子光束的并合输出光束。

具体实施方式

位于同一圆柱面上对称放置的各圆形放电管为带水冷全套的硬质黄铜管，其左端均插于固定圆盘支架25的一一对应的圆孔中，每根放电管的外缘与25的对应圆孔间的间隙为0.2mm左右，管与盘间采用弹性固定。轴上放电管为带水冷全套的硬质铜管，其伸出距17约5cm处，且与17的内环紧密接触。去顶圆锥形管18为单层硬质铜管，上下面均垂直于其激光器的中心轴线，将其底部边缘与内层铜管焊接。 20和18通过支架31和32支撑固定于内层铜管内，且18、20的中心轴线与激光器系统的对称中心轴线重合。23、25和26为铝基板做的支架。输出镜22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。当让轴上放电管公共区施优先于各放电管放电并均加以直流放电时，公共区域内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8根石英或玻璃管作放电管，呈轴对称分布，每根管长1m，放电管内径为14mm，各放电管左端的全反镜1-8的曲率半径为12m，右端的中空圆环全反镜17其外径为43mm，内径36mm，其曲率半径为76.92cm，小球面反射镜21的曲率半径为23.08cm，各放电管中心离轴上放电管中心线距离为25mm，轴上放电管为石英管，其管径为20mm，右端与输出镜22相连接，镜22为ZnSe材料，平行平面镜内表面镀增反膜，外表面镀增透膜，镜的反射率为80%。镜22与镜21的距离为50cm，与镜17距离50mm。镜1-8分别与镜17、镜21、镜22构成稳定四镜腔，而镜21与镜22构成非稳腔。阴极分别位于镜22左端20mm处和轴对称分布全反镜1-8右端30mm处，为圆筒镍电极，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，故可将铝基圆盘支架23和26作为接地的公共阳极。当轴上器件先于轴对称分布放电管放电时，可在输出镜处获得8支呈轴对称分布相位锁定的输出光束。

Claims (5)

1.一种轴对称四镜折迭组合CO₂激光器的构建方法，其特征在于由脉冲放电的组合圆管放电管、直流放电的轴上放电管、组合圆管放电管上的小球面全反射镜、一较大的中空圆环形转折球面全反射镜和一全反转折镜及一个小平面输出镜组合多重四球面镜折迭腔构成一CO₂激光器，激光振荡在组合圆管放电管上的小球面全反射镜和平面输出镜间进行，由平面输出镜、轴上放电管、全反转折镜构成的非稳腔的振荡光束经全反转折镜和中空圆环形转折球面全反射镜耦合而使组合圆管子谐振腔的振荡受到了控制，使组合圆管子谐振腔的光束各部分间存在确定的位相关系。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于组合圆管放电管是按轴对称方式放置，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，每根放电管左端都单独地贴小球面镜，右端采用一个较大的球面镜，构成组合圆管子谐振腔。

3.根据权利要求1所述方法，由输出镜、轴上放电管、全反转折镜构成了非稳腔，其特征在于非稳腔位于组合圆管放电管的对称轴线上，非稳腔的任务是产生一种子信号，注入到组合圆管子谐振腔中。

4.根据权利要求1所述方法，非稳腔的振荡光束是经两转折球反射镜耦合而使组合圆管子谐振腔的振荡受到了控制的，其特征在于非稳腔内某一点的自发辐射沿轴向传播，它的近轴光线近似平行于系统轴线，经轴上放电区域放大并经非稳腔的选择，其本征球面波经两转折球面镜的重合焦点注入各放电管内激发各子谐振腔振荡，使得各放电管由受激辐射产生的光子带有信号球面波的相位信息，最终即可得到８个具有相干性的子光束的并合输出光束。

5.一种激光装置，由第一全反射镜、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、第一石英或玻璃放电管、第二石英或玻璃放电管、第三石英或玻璃放电管、第四石英或玻璃放电管、第五石英或玻璃放电管、第六石英或玻璃放电管、第七石英或玻璃放电管、第八石英或玻璃放电管、中空圆环形转折球面全反射镜、全反转折镜、输出镜、激光器支架、激光器圆盘形支架、中空圆台支架和放电系统组成，第一石英或玻璃放电管、第二石英或玻璃放电管、第三石英或玻璃放电管、第四石英或玻璃放电管、第五石英或玻璃放电管、第六石英或玻璃放电管、第七石英或玻璃放电管、第八石英或玻璃放电管之左端口分别与第一全反射镜、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、第八全反射镜连接，各放电管一一对应地穿过圆盘形支架的对应小孔，与小孔边缘的间隙均为0.2mm，以弹性胶固定，各放电管的右端外沿部分一一与中空圆环形转折球面全反射镜相连接，各放电管内沿分别与锥形管相连接，锥形管的顶端与全反转折镜相连接，轴上放电石英或玻璃管右端口与输出镜连接，激光器支架、激光器圆盘形支架、中空圆台支架与激光器底坐连接，其特征在于，轴对称各放电管的管心线平行于激光器系统的对称轴线，各放电管之左端口的全反射镜分别与中空圆环形转折球面全反射镜、全反转折镜和输出镜构成8个谐振子腔，而全反转折镜和输出镜构成公共放电区的非稳腔，当公共放电区优先于各放电管放电时，轴上放电管之谐振腔在全反转折镜的输出经全反转折镜和中空圆环形转折球面全反射镜的公共焦点注入到各放电管左端的小球面全反射镜-中空圆环形转折球面全反射镜-全反转折镜-输出镜内的振荡，使得各放电管由受激辐射产生的光子带有信号球面波的相位信息，最终即可得到８个具有相干性的子光束的并合输出光束。

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