CN102545030A

CN102545030A - 轴对称共点组合氦氖激光器

Info

Publication number: CN102545030A
Application number: CN2011104116662A
Authority: CN
Inventors: 李育德; 刘静伦; 陈梅
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2031-12-12
Also published as: CN102545030B

Abstract

本发明涉及光学、光学工程和激光医疗领域，主要是采用多根圆形石英或玻璃放电管、多个谐振腔，共用一个输出镜获得用于激光医学领域的大功率He-Ne激光输出的方法及装置，其特征在于多根放电管轴对称地排放，其管心线相交于共用输出镜的内表面的曲率中心，并位于以内表面曲率中心为顶点以输出镜轴线为轴的圆锥面上，各放电管离共用输出镜较远的一端封以全反射镜，分别与输出镜内表面各局部部分反射面构成稳定的、可精确调整的平凹镜，腔轴线与放电管管心线重合，各腔经共用输出镜局部部分反射面输出的激光经共用输出镜内表面除局部部分反射面以外的全反射膜和输出镜外凸球面上的除中心为全透射区外的全反射膜的往返反射，最后经共用输出镜外凸球面中央处会聚输出，输出耦合进光纤并传输到使用位置。

Description

轴对称共点组合氦氖激光器

技术领域

本发明涉及光学、光学工程和激光医疗领域，主要是采用多根圆形石英或玻璃放电管经由管心线共点的轴对称组合和适配的谐振腔在放电激励下获得较大氦氖激光输出功率的方法及装置。

背景技术

氦氖激光器相对于半导体激光器具有波长稳定的优势。一般的氦氖激光器采用单根圆形截面放电管，米长级器件能获40毫瓦输出。中国凌一鸣发明放电管截面为矩形的氦氖激光器，米长级器件输出达80毫瓦，多管平行排列，各管输出经多个反射镜聚合到一起可达输出800毫瓦。发明专利《一种紧凑型氦氖激光器装置》（ZL200410040005.3）采用同一放电管但含多个矩形截面放电区的结构，可获较大输出。但上述两种矩形截面结构器件中放电管制作工艺复杂，成品率不高。整机复杂，安装调试难度较大。而发明专利《大功率气体激光器的构建方法及装置》（ZL200310104017.3）所提供的器件之一氦氖激光器，虽然也是共点轴对称组合型器件，但是该技术采用折迭腔技术，这对圆形截面较小的放电管系统，存在调整难度较高的缺点。本发明正是针对上述器件及专利技术的缺点而提出的，并受到四川省科技厅项目（2010SZ0159）经费资助。

发明内容

本发明的目的在于构建提供一种结构简单、紧凑、调整方便的放电管组合大功率氦氖激光器。

本发明所构建提供的大功率氦氖激光器是由氦氖放电管、光学谐振腔及直流电源组成的激光器，其特征在于各圆形放电管的管心线在较大的凹凸球面公共输出镜内反射球面的曲率中心交于一点，垂直于各管心线的小全反射平面镜与公共输出镜内表面的局部构成易于精确调整的平凹谐振腔，各谐振腔的输出是经公共输出镜的内外表面的全反射膜多次往返反射后达到输出镜外表面中心全透明区而透射会聚输出的。会聚光进入光纤，最终由光纤输出。

本发明提供的大功率氦氖激光器与现有的氦氖激光器相比，具有输出功率大、结构紧凑、简单、安装调试方便、成本较低、便于生产、便于使用等优点。可供激光医疗、激光生物、激光舞台照明及与多路激光系统有关的应用场合或领域。

附图说明 附图是这种轴对称共点组合构建方法提供的氦氖激光器的示意图，其中1，2，3，4，5，6分别代表第一放电管、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，放电管均为玻璃或石英管；7，8，9，10，11，12分别代表第一全反射平面镜、第二全反射平面镜、第三全反射平面镜、第四全反射平面镜、第五全反射平面镜、第六全反射平面镜；13，14，15，16,17,18分别代表第一阳极、第二阳极、第三阳极、第四阳极、第五阳极、第六阳极；19是玻璃或石英汇集管；20代表输出镜，输出镜内表面边沿部分或靠近各放电管右端的输出镜的各局部内表面为部分反射面，其余部分为全反射面，内表面的曲率中心位于点21处，输出镜外表面除中心部位22是全透明的外，其余部分为全反射面，内外表面均为球面；23为各放电管的金属圆筒固定支架，由铝筒或不锈钢筒加工而成；24,25，26,27,28，29分别是第一微调器、第二微调器、第三微调器、第四微调器、第五微调器、第六微调器，分别对第一放电管、第二放电管、第三放电管、第四放电管、第五放电管、第六放电管方位微调，因而也对谐振腔全反镜微调；30为阴极玻泡；31为总阴极；32为阴极引出线；33和34分别是激光器第一支架、激光器第二支架。

输出镜内表面为球面，各放电管的右端靠近输出镜的内表面边沿的一个环形带，环形带以输出镜镜面中心为中心，带宽与放电管的直径相等，各管右端中心到系统轴线的距离与环形中心圆半径R₁相等，各放电管的左端中心位于半径为R₂的圆上，左端到输出镜的距离为L，则R₁，R₂，L和输出镜内表面曲率半径

Figure 2011104116662100002DEST_PATH_IMAGE001

的关系满足

,显然R₂小于R₁，在满足各二镜腔稳定的条件下，应选择较大的曲率半径，这样可有较大的R₂，以便放置更多的放电管，获得更大输出。显然，各放电管的中心线和各谐振腔轴线均位于以输出镜内表面曲率中心为顶点，以输出镜轴线为对称轴的圆锥面上。显然，还可选择多个这样的圆锥面，但各圆锥面上放电管应彼此错开，以避免输出光束在输出镜两表面间反射因遇部分反射而引起的反射损耗。输出镜内表面除被各二镜腔使用的局部为部分反射外，其余的部分均为全反射膜。当激光器经抽高真空并放电清洗后，充以He、Ne混合气一托左右，在直流放电激励下，各放电管的左端全反射平面镜和右端输出镜的局部部分反射面构成的谐振腔内则建立632.8nm光波的激光振荡。

输出镜20的内外表面所镀的全反射介质膜，能将从内表面部分反射膜透射的各激光管的输出经若干次反射后到达输出镜外表面中心处的全透射区，形成会聚光出射，便于和光纤耦合，由光纤将激光传输到使用部位。

具体实施方式：本发明提供的大功率氦氖激光器可以由如下方案实施。放电管1、2、3、4、5和6采用壁较厚，管直且内径均匀的圆形石英管或玻璃管；它们的内径相近。按设计的R₁和R₂，选择一个圆铝管或不锈钢管23，此圆金属管的右端焊接一个圆的金属环，环上对称分布地钻六个孔，孔的直径比所选放电管的外径大0.4mm，孔中心到圆金属管管心线距离为R₁，此圆金属管的左端焊接一个圆金属环，此金属环上对称分布地钻六个孔，六个孔的直径比所选放电管的外径大2mm，孔中心到环的中心和管心线距离为R₂。焊接左端金属环前，应先用可调焦平行光管沿金属圆管23的轴线从左端看清右端金属环上的六个孔，并让位于同一直径上的两孔的象中心位于平行光管的十字线的水平标准线上，再将左端金属环置于管23的左端初步定位，并调整此环，使其位于同一直径上的两孔的象中心位于平行光管十字线水平标准线上，再选与放电管相近的试用管同时穿过两金属环上对应孔并精确定位后再小心焊接，并边焊接边检查是否出现不适的情况，左端的金属环各孔旁有微调附于其上，左右两环焊接后将正式用的六根放电管分别穿过两环上的对应孔，并能前后移动，并在左端各孔位放电管外侧加一层薄金属片，使管位于中心位置。在较粗的石英管或玻璃管19的底部先连接一较小较长的石英管或玻璃管作为阴极玻泡30，再将阴极玻泡深入圆管23内并进行定位，然后将放电管1伸出右环8cm，与管19的底部边沿焊接，然后再逐一地将放电管2,3，4,5，6与管19的底部边沿进行焊接，再后则是对六管与管19连接统一检查、退火等处理。然后对石英管或玻璃管放电管系统进行清洗，清洗烘干后将石英管或玻璃管放电管系统及所连带的圆金属管23一起送入烘烤箱进行300⁰C左右的退火处理。然后磨端面、局部清洗、烧接放电阳极和阴极，再贴输出镜和各全反射镜，再抽真空等。

例如：用内径

3mm，外径

7mm，长1.2 m的硬质玻璃管六根，取外径

60mm，壁厚2mm，长200 mm的硬质玻璃管一根，外径

60mm的玻璃管的一端与外径

30mm长400 mm的硬质玻璃管连接，后者封底以作阴极玻泡和储气用，在两段玻管的连接处尽量做到给出一个环形的较平的台阶。取1根1m、外径

60mm，内径

56mm的直合金铝管1根，在其右端紧配合装进一个外径

56mm，内径38mm，厚10mm的合金铝环，在紧配合装进的铝环上均匀分布着六个孔，孔心位于环上半径为23.5mm圆上，每个孔为右孔径7.4mm、左孔径8mm的喇叭型孔，同时紧配合装进的铝环还被侧边埋头螺钉与圆筒合金铝管紧密连接，在圆筒铝管的左端紧配合装进一个合金铝环，铝环的外径为

56mm，内径26mm，厚10mm，均匀分布着六个直孔，孔心位于半径为20mm的圆上，孔径为9 mm，环与圆筒管经埋头螺钉紧密连接，在每个孔的内外侧都有

4mm的螺钉孔安微调部件，外侧孔还与圆筒管的配合孔一致，环上每个孔的左右侧也安有微调部件。位于合金铝圆筒管左右两端环上的六个孔应分别对准，孔心连线交于圆筒轴线上的输出镜内表面的曲率中心，用可调焦平行光管进行监测，存在误差则由左侧的微调来弥补。将已烧制好的带有阴极玻泡的粗玻璃管从圆形铝管右端送入，并用石棉布将其定位在中间，然后将六根外径为

7mm的玻璃放电管逐个送入并从圆筒管右端伸出100mm与粗玻璃管环形台阶相连接，每个玻璃放电管在左端定位处均外套一个与之配合的厚度为0.2mm的不锈钢管套，以免在微调时损坏玻管，微调处距离右端较远而不会在右端损坏玻管，待六个玻璃放电管都与粗管连接后再在连接处进行整体软化调整，使粗管外侧与圆铝管外侧近似处于同一柱面上，粗玻管右端口距圆铝管右端口300mm。选择的输出镜为玻璃凹凸镜，直径为60mm，内凹表面曲率半径为9600mm，外凸表面曲率半径为500mm，内表面

44mm-

60mm的环带对6328Å波的反射率为97%，透过3%，其余为全反射面，外表面中心部位为

6mm直径的全透射区，其余为全反射区。电极的烧接、贴全反射镜和输出镜和真空处理等均容易进行。较大的输出以会聚光形式从输出镜中央出射，并配以光纤传输。

轴对称共点组合氦氖激光器装置，包括石英或玻璃放电管1、2、3、4、5、6，全反射平面镜7、8、9、10、11、12，放电阳极13、14、15、16、17、18，石英或玻璃汇集管19，输出镜20，铝或不锈钢金属圆筒支架23，放电管及谐振腔全反镜微调器24、25、26、27、28、29，放电管阴极玻泡30，总阴极31，阴极引出线32，激光器支架33和34组成，放电管1、2、3、4、5、6之左端口分别与全反射平面镜7、8、9、10、11、12连接，放电阳极13、14、15、16、17、18分别与放电管1、2、3、4、5、6在离全反镜5cm处连接，管1-6之右端口分别与汇集管19的左端底部边沿连接，阴极玻泡30与汇集管左端底部中间部位连接，汇集管的右端口与输出镜20连接，总阴极31置于阴极玻泡30内，阴极引出线32从汇集管下侧引出，各放电管由圆筒支架23支撑，微调器24-29与圆筒支架23左端连接，圆筒支架23与激光器支架33和34连接，所有石英或玻璃管的连接处及各全反镜、输出镜与放电管或汇集管的封接处均是真空密封性的，各放电管中心线位于顶点在输出镜内表面曲率中心21的圆锥面上，全反射平面镜7、8、9、10、11、12的轴线分别与放电管1、2、3、4、5、6的中心线重合，分别靠近放电管1、2、3、4、5、6右端口的输出镜内表面局部与全反射平面镜7、8、9、10、11、12分别以放电管中心线为腔轴构成谐振腔，各腔的输出经输出镜内外表面的反射，最终到达输出镜20外表面中央22处会聚输出，再由光纤进行传输。

本装置的优点是能将较多的放电管立体对称地组成一个紧凑的激光系统，可从同一个输出镜输出激光，而且光束是会聚输出，可便于经光纤进行后续传输和应用，而且进行光学调整的谐振腔均为易于精确调整的平凹腔，实施难度较小。

Claims

1.一种由多根氦氖激光放电管、光学谐振腔、直流电源组成的轴对称组合氦氖激光器，其特征在于将多根石英或玻璃放电管进行组合是按多根放电管的管心线于腔外相交于一点的三维轴对称组合方式进行的，采用多个平凹二镜腔分别从多根放电管获得激光输出，多个平凹腔共用一输出镜，输出光束于输出镜外表面中央位置会聚输出，便于由光纤传输。

2.按权利要求1的方法，所说的多根放电管管心线于腔外相交于一点的三维轴对称组合方式，其特征在于所有的放电管的管心线位于以输出镜内表面曲率中心为顶点以输出镜轴线为轴的圆锥面上，也可以选择多个这样的圆锥面进行安排，但各圆锥面上放电管应彼此错开，以避免输出光束在输出镜两表面间反射时因遇腔镜面部分反射而引起的反射损耗。

3.按权利要求1的方法，所说的采用多个平凹二镜腔，其特征在于各平凹腔的轴线与所含的放电管的管心线重合，平凹腔的凹面镜是以放电管管心线与输出镜内表面的交点为圆心、半径等于放电管内半径的局部部分反射的内表面。

4.按权利要求1的方法，所说的多个平凹腔共用一个输出镜，输出光束于输出镜外表面中央位置会聚输出，其特征在于被共用的输出镜内表面是轴对称地分成多个局部部分反射表面而作为各平凹腔的凹面镜使用的，输出镜内表面其余部分均为全反射膜，输出镜外表面凸球面除中央位置为全透射外其余为全反射膜面，其特征还在于输出镜内外表面全反射膜面承担着对各腔输出光束的往返全反射，最后各光束从输出镜外表面中央透射会聚输出。

5.轴对称共点组合氦氖激光器装置，由第一石英或玻璃放电管（1），第二石英或玻璃放电管（2），第三石英或玻璃放电管（3），第四石英或玻璃放电管（4），第五石英或玻璃放电管（5），第六石英或玻璃放电管（6），第一平面全反射镜（7），第二平面全反射镜（8），第三平面全反射镜（9），第四平面全反射镜（10），第五平面全反射镜（11），第六平面全反射镜（12），第一放电阳极（13），第二放电阳极（14），第三放电阳极（15），第四放电阳极（16），第五放电阳极（17），第六放电阳极（18），石英或玻璃汇集管（19），输出镜（20），铝或不锈钢圆筒支架（23），第一微调器（24），第二微调器（25），第三微调器（26），第四微调器（27），第五微调器（28），第六微调器（29），放电阴极玻泡（30），总放电阴极（31），总放电阴极引出线（32），激光器第一支架（33）和激光器第二支架（34）组成，第一至第六放电管之左端口分别与第一至第六全反射平面镜连接，第一至第六放电阳极分别与第一至第六放电管在离全反射平面镜5cm 处连接，第一至第六放电管之右端分别与汇集管（19）的左端底部边沿连接，阴极玻泡（30）与汇集管（19）左端底部中间部位连接，汇集管（19）的右端口与输出镜（20）连接，总放电阴（31）极置于阴极玻泡（30）内，总阴极引出线（32）从汇集管（19）下侧引出，各放电管由圆筒支架（23）支撑，圆筒支架（23）由激光器第一支架（33）和激光器第二支架（34）支撑，第一至第六微调器与圆筒支架左端连接并分别对第一至第六放电管及相应的全反镜承担微调作用，其特征在于第一至第六石英或玻璃放电管的管心线位于以输出镜内表面曲率中心（21）为顶点，以输出镜轴线为轴的一个圆锥面上，第一至第六平面全反镜与公共输出镜内表面相应局部部分反射表面构成平凹二镜腔，腔轴与所含放电管管心线重合并位于同一锥面，其特征还在于输出镜内外表面均为球面，各腔输出经公共输出镜内外表面反射膜的往返全反射最后从外表面的中央位置透明区会聚输出，便于光纤传输使用。