CN102983486A - 组合式圆筒放电高功率气体激光器的构建方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明为组合式圆筒放电高功率气体激光器的构建方法及装置，属于光学和光学工程领域。其特征在于将同轴的内圆筒和外圆筒嵌套放置在装置对称轴上，利用射频电源放电激励该组合式圆筒来获得高功率中空环形二氧化碳激光束或一氧化碳激光束。使用四镜稳定谐振腔，从而解决了短激光腔情况下获得高功率激光输出的问题。较大功率的中空环形二氧化碳激光或一氧化碳激光能用于激光加工、材料处理等方面，较小功率的中空环形二氧化碳激光或一氧化碳激光可供激光美容、激光表面处理等使用。中空环形激光束能被聚焦成具有较小暗区的空心光束，可用于光学扳手、光钳、光学导管等等。装置具有结构紧凑、输出功率高、光束便于变换处理的优点。

Description

组合式圆筒放电高功率气体激光器的构建方法及装置

技术领域

本发明涉及光学和光学工程领域，主要是利用射频电源放电激励由同轴的内圆筒和外圆筒组成的组合式圆筒来获得高功率中空环形二氧化碳激光束或一氧化碳激光束的装置及构建方法。高功率二氧化碳激光器因具有高功率和高光束质量的优点而被用于激光工业加工，是激光加工中最重要的器件之一。高功率一氧化碳激光器输出波长为5微米，是二氧化碳激光波长的一半，因此可以获得更小直径的会聚光束，由于金属材料对该波长的激光有较强的吸收，能提高金属加工速度，具有较高的加工效率。目前可用光纤来传输这种波长较高的激光能量，使其更易用于各种复杂环境及特殊情况的加工。此外，它也是光化学、激光分离同位素的重要光源之一。

背景技术

二氧化碳激光器是世界上最早的分子激光器，放电管横截面为圆形，工作时需要采用冷却措施，放电采用直流放电，一米长放电管输出功率为40瓦左右。为满足激光加工需求，人们采用增加放电管长度或折叠方式工作来提高输出功率，前者使装置显得太长且效率不高，后者对各个谐振腔镜的调整和封贴要求非常高，且输出光束由于斜入射会引起一定的象散效应。随着射频激励扩散冷却面增比气体激光器这一项新技术的出现和应用，加拿大E.F.Yelden等人提出的辐射阵列型多通道放电气体激光器，用10kW的射频电源激励该激光器，混合气体比例为1:1:3（CO₂：N₂：He），气压为3000Pa，输出功率为1200W，加入5%的Xe，增加射频电源功率到25kW，可以获得输出功率为3.5kW的激光，但效率很低（仅14%）。如果继续增加射频功率，在理论上可以获得15 kW的激光。此装置最大的缺点是输出一般运转于高阶横模情况。

   一氧化碳激光器是继二氧化碳激光器后又一重要的分子气体激光器，其量子转换效率是二氧化碳激光器的量子转换效率的两倍多，是研究分子光谱和激光化学最有价值的红外激光器之一。在室温下输出比二氧化碳激光低，但采用液氮冷却可获得大功率输出。中国辛建国等人报道的射频激励扩散冷却千瓦一氧化碳板条波导激光器，用液氮冷却获得了1020瓦的一氧化碳激光，其缺点是输出通常为低阶横模且装置结构复杂，液氮和高纯气体消耗量很大。

发明内容

    本发明主要针对高功率二氧化碳激光器、一氧化碳激光器的缺点提出来的。设计了一种由同轴嵌套式圆筒组成的组合式圆筒放电气体激光器，与辐射阵列型板条激光器相比，放电结构较简单，横截面为两同心圆环，增益区域也较相同长度的板条激光器大，因此输出高，且结构紧凑、输出集中，工作主要运行在基模情况。本发明的目的是由以下所述措施实现的。组合式圆筒放电高功率气体激光器的构建方法是：首先将内圆筒放在装置对称轴上，外圆筒嵌套在内圆筒外，射频电源阳极放在两圆筒之间并紧贴外圆筒内壁和内圆筒外壁，内圆筒和外圆筒在外圆筒端面处密封连接，在连接过程中始终保持两圆筒和系统对称轴同轴。视频电源阴极位于两圆筒外，且紧贴外圆筒外壁和内圆筒内壁，水冷套由两同轴的圆柱组成，组合式圆筒放置在两圆柱之间，水冷套紧贴射频电源阴极并保持与圆筒同轴。复曲面镜、轴锥镜和平面输出镜均位于组合式圆筒外，与系统对称轴保持轴对称且垂直该对称轴，复曲面镜和轴锥镜（2）的非反射面以及轴锥镜（3）和平面输出镜的非反射面位于同一竖直平面内。轴锥镜（2）被嵌套在复曲面镜内且与系统对称轴保持对称，平面输出镜被嵌套在轴锥镜（3）内且与系统对称轴保持对称，以便在圆筒内建立激光振荡。通过射频激励两圆筒内的气体介质，在四镜稳定谐振腔的作用下，高功率气体激光从平面输出镜输出。当圆筒放电区内的混合气体为二氧化碳、氮气、氦气且各个谐振腔镜的反射和透射是针对波长为10.6                                                的，在水冷作用下输出二氧化碳激光，当圆筒放电区内的混合气体为一氧化碳、氮气、氦气且各个谐振腔镜的反射和透射是针对波长为5.3

的，在水冷或液氮冷却作用下输出一氧化碳激光。本发明的构建方法及装置可由附图1和附图2加以说明，附图1是组合式圆筒放电高功率气体激光器的构建方法及装置，附图2是组合式圆筒放电气体激光器的截面图和光路图的构建方法及装置。

附图说明

附图1为本发明组合式圆筒放电高功率气体激光器的结构示意图。在附图1中编号为（1）、（2）、（3）的谐振腔镜均为全反射镜，编号为（4）的输出镜为部分反射镜，激光从此镜输出。复曲面镜（1）位于激光器谐振腔外，到内圆筒左端面（5）的距离为5-10cm，轴锥镜（2）被嵌套在复曲面镜（1）内，并与其保持同轴，镜（1）、（2）构成一个组合镜并被支架（11）支撑在激光器光路上，它们的非反射面处于同一平面内，以便满足调腔精确度。编号为（3）的轴锥镜到内圆筒右端面（6）的距离为5-10cm，编号为（4）的输出镜被嵌套在轴锥镜内，并与其保持同轴，镜（3）、（4）构成另一个组合镜并被支架（14）支撑在激光器光路上，它们的非反射面仍处于同一平面内。内圆筒和外圆筒构成一个组合式圆筒放置在分别由镜（1）、（2）和镜（3）、（4）构成的两组合镜之间并与其保持同轴，编号为（17）的射频电源阳极放置在内圆筒和外圆筒之间，且紧贴外圆筒内壁和内圆筒外壁，编号为（18）的射频电源阴极位于内圆筒和外圆筒两侧，且紧贴外圆筒外壁和内圆筒内壁，编号为（19）水冷套由两同轴的圆柱组成，与编号为（18）的射频电源阴极，组合式圆筒由支架（12）、（13）支撑，以上谐振腔镜、组合式圆筒以及电极均与编号为（16）的激光器对称轴保持同轴。内圆筒放电区（7）、外圆筒放电区（10）内充满作为激光增益介质的高纯混合气体，通过射频激励两圆筒内的气体介质来获得激光。镜（1）、（2）、（3）、（4）及放电区（7）、（10）构成四镜腔，各个谐振腔曲率半径的选择应满足激光振荡的稳定性条件。

在附图2中，通过射频电源激励圆筒内的混合气体，在圆筒内将产生受激辐射光并沿着轴线方向传播并被放大，当该辐射光达到复曲面镜时又被其反射并沿着外圆筒的轴线传播再次被放大，再经轴锥镜（3）反射沿着内圆筒的轴线方向传播并被放大，然后到达轴锥镜（2）并被其反射后到达输出镜（4），在被输出镜（4）反射后重复上述的反射、传播、放大过程，当光的增加和在镜面处的损耗相等时，便在腔内形成稳定的振荡光束，即在镜面上可以形成稳定的场分布。当光在谐振腔镜之间振荡时，每次通过反射镜边缘都会由于衍射而损耗一些能量，因此，光在腔内经过多次反射后，靠近边缘的光将越来越弱，而中心光束的光强将越来越强，即振荡光束（20）、（21）将逐渐变强，当达到激光输出阈值时，从输出镜（4）输出具有较好相干性的中空环形激光束（22）。本发明的采用复曲面镜主要是为了减小损耗和保持腔的稳定性，采用轴锥镜主要是为了避免在反射过程中带来的象散，输出镜由锗或硒化锌材料构成，现有的锗平面镜能承受千瓦级的一氧化碳或二氧化碳激光。

具体实施方式

    例1，参照附图1，内圆筒和外圆筒厚度（即圆筒切面两同心圆环的宽度）均为1cm，外圆筒半径（即外圆筒管芯到系统对称轴的距离）为12cm，内圆筒半径（即内圆筒管芯到系统对称轴的距离）为10cm，两圆筒管芯距为2cm，外圆筒长度为1m，内圆筒长度为1.06m，两圆筒与系统对称轴保持同轴。复曲面镜曲率半径为5m，轴锥镜（2）被嵌套在复曲面镜内，二镜构成一组合镜并放置在内圆筒左端面左边5cm处，输出镜被嵌套在轴锥镜（3）内，二镜构成另一组合镜并被放置在内圆筒右端面右边5cm处，整个装置与系统对称轴保持同轴，两圆筒均以水冷方式冷却，圆筒内在达到真空133.3

10^-3Pa后按照CO₂:N₂:He=2:3:5或近似比例充均匀混合气体10-20133.3Pa。对波长10.6

全反射镜反射率为98%以上，输出镜反射率为80%，透射率为20%。在射频电源激励下可从输出镜获得高功率中空环形二氧化碳激光输出。

例2，谐振腔镜、圆筒参数与放置与例1相同，两圆筒均以水冷方式或液氮冷却方式冷却，圆筒内在达到真空133.3

10^-5Pa后按照CO:N₂:He=1:2:17或近似比例充均匀混合气体10-20

133.3Pa。对波长5.3全反射镜反射率为99%以上，输出镜反射率为90%，透射率为10%。在射频电源激励下可从输出镜获得高功率中空环形一氧化碳激光输出。

本发明装置的优点在于：能输出高功率的中空环形二氧化碳激光或一氧化碳激光。与板条激光器相比，该装置输出激光模式主要运转在基模情况，光束质量好、方向性好。较大功率激光能用于激光加工、材料处理等方面，较小功率激光可供激光美容、激光表面处理等使用。该装置具有结构紧凑、光束便于变换处理并用于特殊环境。 

Claims (4)

1.组合式圆筒放电高功率二氧化碳激光器或一氧化碳激光器的构建方法，主要是把具有同轴的组合式圆筒嵌套放置在装置的对称轴上，使用四镜稳定谐振腔，利用射频电源放电激励组合式圆筒内的气体激光器介质来获得激光输出的方法；当圆筒放电区内的混合气体为二氧化碳、氮气、氦气且各个谐振腔镜的反射和透射是针对波长为10.6                                                

的，则输出二氧化碳激光，当圆筒放电区内的混合气体为一氧化碳、氮气、氦气且各个谐振腔镜的反射和透射是针对波长为5.3的，则输出一氧化碳激光；其特征在于谐振腔由复曲面镜（1）、轴锥镜（2）（3）和平面输出镜（4）组成，在射频电源激励下腔内的振荡光束从输出镜（4）输出从而获得中空环形激光；使用会聚镜变换可获得平行的空心光束或会聚的实心光束或发散的空心光束。

2.按照权利要求1的方法，放电管是由玻璃或石英材料制成的组合式圆筒，以复曲面镜（1）为参考面，其特征在于谐振腔内的振荡光束首先被复曲面镜（1）反射经外圆筒放电区（10）达到轴锥镜（3），再被轴锥镜（3）反射经内圆筒放电区（7）达到轴锥镜（2），最后经轴锥镜（2）反射后从输出镜（4）输出。

3.按照权利要求1的方法，复曲面镜（1）、轴锥镜（2）（3）和平面输出镜（4）均位于组合式圆筒外，且内圆筒和外圆筒在外圆筒端面（8）（9）处连接；内圆筒端面（5）（6）和外圆筒端面（8）（9）均与系统对称轴垂直，复曲面镜（1）和轴锥镜（2）以及轴锥镜（3）和平面输出镜（4）的非反射面位于同一竖直平面内，以便调腔，其轴线与系统对称轴（16）完全一致。

4.组合式圆筒放电高功率气体激光器装置包括复曲面镜（1）、轴锥镜（2）（3）和平面输出镜（4）、内圆筒其端面为（5）（6）、外圆筒其端面为（8）（9）、支架（11）、（12）、（13）、（14）、（15）、射频电源阳极（17）、射频电源阴极（18）、水冷套（19）组成；内圆筒和外圆筒在外圆筒端面（8）（9）处连接成一个整体，构成组合式圆筒，两圆筒的对称轴保持一致；阳极（17）位于两圆筒之间，且紧贴外圆筒内壁和内圆筒外壁，阴极（18）位于两圆筒外，且紧贴外圆筒外壁和内圆筒内壁，通过射频激励两圆筒内的气体介质来获得激光；水冷套（19）由两同轴的圆柱组成，组合式圆筒放置在两圆柱之间，水冷套紧贴射频电源阴极（18）并保持与圆筒同轴；谐振腔镜（1-4）位于圆筒外，通过支架（11）、（14）使其保持与圆筒同轴，组合式圆筒水平放置在支架（12）、（13）上，支架（11-14）被固定在支架（15）上，并与其垂直，支架（15）放置在水平地面上，且与地面保持平行；通过射频电源激励气体介质，外圆筒内的振荡光束（20）、内圆筒内的振荡光束（21）在谐振腔镜（1-4）作用下从输出镜（4）输出，从而获得中空环形激光束（22）。

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