CN103326223A

CN103326223A - 超大束宽薄光束气体激光器

Info

Publication number: CN103326223A
Application number: CN2013101903364A
Authority: CN
Inventors: 刘静伦; 陈梅
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明公布一种实现超大束宽薄光束气体激光器的装置和方法，属于光学和光学工程领域，构建和提供一种产生输出光束空间分布形状宽而薄的装置和方法。该方法获得的激光光束，具有分布方正、均匀、全覆盖的特点。本发明的装置由于采用一维平凹气体激光谐振腔，合理设置谐振腔的腔参数，使输出光束竖向发散角小，横向较为均匀，纵向较薄，形成超宽薄光束。本发明可以实现微小功率和中高功率分布，以及可见和不可见超宽薄光束。本发明实现的超宽薄光束微小功率可以用于民用和军用防盗和报警，中高功率情形可以用于工业应用和国防等方面。

Description

超大束宽薄光束气体激光器

技术领域

本发明涉及光学和光学工程领域，主要是构建具有超大束宽薄光束气体激光器的装置和方法。

背景技术

激光光帘在工业生产、仓储、防盗、防窥、舞台渲染和广告等方面应用广泛。现有的激光光帘一般采用多个激光光源按照一定的空间间距排布实现多个射束充当经线从而达到用激光做帘的效果，或则采用一个或几个激光光源照射旋转棱镜镜面获得光帘效果。前者实现光帘的光束间存在间距，在垂直光束传输方向上的光斑形状为多个点斑，由射束形成的经线间隙给防盗、防窥带来隐患；后者通过扫射光束实现的动态光帘，在光束传输空间来看扫射范围为扇形，在垂直光束传输方向上的光斑形状为一字形，由扫射光束形成的扇形动态光束对于扫过的区域存在瞬时盲区，也给后续带来可以利用的隐患。

发明内容

本发明专利针对上述两类光帘产生办法发明的没有上述两类隐患更适宜防盗、防窥的装置和方法，目的在于构建和提供一种输出光束密布传输空间的气体激光器，该激光器输出的光束薄而束宽超大，容易形成全覆盖光帘。本发明的装置由于采用超宽平板一维平凹谐振腔，合理设置谐振腔的腔参数，使输出光束的横向束宽超大、纵向发散角小，形成光帘。合理设计光帘的大小和功率，可以对目标窗口实现全遮挡。本发明可以实现微小功率和中高功率分布，以及可见和不可见超宽薄光束。本发明实现的超宽薄光束微小功率可以用于民用和军用防盗和报警，中高功率情形可以用于工业应用和国防等方面。

本发明的目的是由以下措施实施的：实现超大束宽薄光束的装置为气体激光器，按激光工作物质分为氦氖激光器和二氧化碳激光器，采用射频放电方式，激光器的特征在于其谐振腔为超宽平板一维平凹谐振腔，该谐振腔沿光束传输方向上的纵剖面为平凹腔，称为谐振腔的子腔，该子腔沿垂直于子腔平面的方向平移形成一维平凹谐振腔，特意设计为输出光束束宽超宽，所以该一维平凹谐振腔上、下两管壁超宽，叫超宽平板一维平凹谐振腔。该子腔的光轴与该谐振腔的光轴位于同一平面，所有子腔的光轴形成一长方形，该长方形的长边即为输出光束的束宽。该谐振腔的横切面为长条形。该谐振腔的底部为凹面长柱面全反镜，该谐振腔的顶部为长条形平面部分反射输出镜。该谐振腔的子腔的底部为凹面全反镜，该子腔的顶部为平面部分输出镜。该谐振腔的超宽平板放电管分为上、下和前、后共4个管壁，上、下两管壁为长条形平板，前、后两管壁为三边为直角边，一边为圆弧边的平板。该谐振腔的激光工作物质区域为上、下、前、后四管壁、底部的凹面长柱面全反镜以及顶部长条形部分反射输出镜合围形成的薄层空间。该谐振腔的子腔的输出光束为二维高斯光束，该谐振腔的输出光束为以该二维高斯光束为母线沿第三维从前管壁位置平移到后管壁位置形成的光束。该二维高斯光束的光斑直径为该光束的厚度，前管壁到后管壁的距离为该光束的宽度。合理设置腔参数，使输出光束在纵向发散角小，即束厚薄，在横向束宽超大，形成超大尺寸束宽薄光束，可称为薄宽光束。本发明实现的薄宽光束，在氦氖激光小功率超大尺寸情形可以工业监控、防盗、防窥、舞台渲染和广告等方面，在二氧化碳激光小功率超大尺寸情形可以用于防盗、防尘，在二氧化碳激光中高功率超大尺寸情形可以用于国防做拦截屏、地毯式主动出击、大面积巡天以及工业加工等方面。

氦氖激光器的放电管采用玻璃或石英。二氧化碳激光器的放电管可以采用石英、绝缘材料或部分采用绝缘材料部分采用作为电极金属材料，大型的二氧化碳激光器采用射频放电激励或预电离激励方式，工作方式为连续的，采用风机驱动工作气体兼水冷散热方式，当对射频电源进行调制而进行脉冲放电时，工作方式是脉冲的。

附图说明图1是超宽平板一维平凹谐振腔的立体图及坐标系，图2是超宽平板一维平凹谐振腔的放电结构示意图，图3是超大束宽薄光束气体激光器纵剖面示意图，图4是该激光器俯视图，图5是超宽平板一维平凹谐振腔拆分图及输出光束示意图，图6是超宽平板一维平凹谐振腔纵剖面示意图及坐标系，图7是超宽平板谐振腔及其输出光束的纵剖面示意图的标示图。

在附图1和5中，0是超大束宽薄光束气体激光器的射频电源及匹配网络，1是超宽平板一维平凹谐振腔的凹面长柱面全反镜，可简称全反镜1，2是超宽平板一维平凹谐振腔的长条形平面部分反射输出镜，可简称输出镜2，3和3′是超宽平板一维平凹谐振腔放电管的上、下管壁，可分别简称为上管壁3、下管壁3′，5和5′是超宽平板一维平凹谐振腔放电管的前、后管壁，可分别简称为前管壁5、后管壁5′，6是超大束宽薄光束，7是凹面长柱面全反镜1的水冷套，8是超宽平板一维平凹谐振腔放电管的水冷套，9是超宽平板一维平凹谐振腔放电管的储气套，10是长条形平面部分反射输出镜2的水冷套， 11是超宽平板一维平凹谐振腔子腔的光轴，与z轴平行，全反镜1到输出镜2的距离L ₁为放电管的长度，上管壁3和下管壁3′之间的距离d ₁为放电管的厚度，前管壁5和后管壁5′之间的距离d ₂为放电管的宽度，该宽度也是超大束宽薄光束的光束宽度，上管壁3和下管壁3，前管壁5和后管壁5′，一起构成超宽平板放电管12。图6为超宽平板一维平凹谐振腔的纵剖面图，图7为超宽平板一维平凹谐振腔及其输出光束的剖面图。该纵剖面形成的平凹腔为谐振腔的子腔，该子腔出射的高斯光束在任意一z处的光斑半径为ω(z)， 2ω(z)即为超大束宽薄光束在z处的厚度，该子腔出射的高斯光束的发散角，即为超大束宽薄光束在纵向的发散角，当光束长为L ₂，此处光束的光斑直径为2ω(L ₂)。当用于氦氖激光器时，附图中，7、8和10不用设置。当用于二氧化碳激光器时，需要设置水冷套7、8和10并为水冷套设置循环水设备，当用于中高功率二氧化碳激光器时，需要为9设置风机。在附图1中，坐标系设在长条形平面部分反射输出镜2的出射面的中心，z轴垂直于该输出镜2的镜面，由x和y轴形成的平面在输出镜2的镜面上，x轴平行于输出镜2的短边，y轴平行于输出镜2的长边。

具体实施方式 下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

本发明的凹面长柱面全反镜1，采用长条形平底光学玻璃或石英块作基底，对He-Ne激光器和CO₂激光器适用，对很高输出的CO₂激光器，采用致密性很好、硬度较高的长条形铜块作基底。研磨镜面的磨具采用低碳钢材料由数控机床按照设计加工，由于镜面曲率中心为一直线，磨具曲率中心也为一直线。磨具加工好后，对镜的研磨要保持曲率中心在同一直线上。镜面研磨抛光后，经过严格清洗并镀上全反射膜后可用于本发明器件上。本发明的前、后管壁5和5′为长方形平面光学玻璃或石英块，将它们靠近镜1的一端，研磨为和镜1的凹切面吻合的凸面。本发明的上、下管壁3和3′为长方形平面平底光学玻璃或石英块并分别附上正、负电极，或者直接用金属材料制作充当正、负电极。镜2基底的材质，对于氦氖激光器可选用玻璃，对于二氧化碳激光，根据功率要求可选用锗片或硒化锌等。

在本发明的装置组装过程中，本发明的放电管的四个管壁的支撑和固定是通过采用专门支架来实现的。当为氦氖激光器时，四个管壁的连接处采用氢氧焰烧焊和管壁材料相同的玻璃或石英，将连接好的超宽平板放电管12的两端仔细研磨，在研磨的过程中采用平行光管和氦氖激光器监测光路，并将镜1和镜2试贴，通过光路检查判断研磨情况。将研磨好后的放电管用清水冲洗，再用丙酮清洗，之后用去离子水冲洗，最后烘干。将电极烧到上、下两管壁3和3′内，并引出接头。将处理好电极的放电管烧焊上储气管9。将处理好的储气套和电极的放电管固定置于支架上，保证支架的水平与防震。将镜2置于放电管的输出端紧贴并用支架在该镜背面向放电管压紧，通过监测光路调节该压力点的位置，然后将镜2和放电管真空密封胶合固定。镜1的安装方法和镜2的安装方法一样。由于研磨已经通过光路监测，所以最后的胶合固定误差可控。当为二氧化碳激光器的时候，到了烧上储气管9这一步要同时烧上水冷套7。当为中高功率的二氧化碳激光器时，上、下两带电极的管壁直接用金属板材代替，同时储气套连上风机，全反镜1用金属镜，全反镜1和输出镜2分别套上水冷套。该激光器可在支架上横向工作，也可以竖立或倒立从下往上，或上往下输出，后两种方式光学元件受力小，第一种工作方式在制作激光器的时候需要将管壁的强度考虑得更高一些。对于二氧化碳激光器，若镀介质膜则不存在问题，若镀金属膜，则应在圆台形管底部与各自的全反射镜的连接部位之间有绝缘层，不过射频电源的电压通常都是较低的。

装置组装好后，将放电管及连接部分抽成真空。对氦氖激光器当真空度达10^-6×133.3Pa时，按Ne:He=1:8的比例，充入混合气压强为0.8×133.3Pa，两部分反射镜对0.6328微米波长光波的反射率为98%，两全反射镜反射率为99.8%以上，对其施以射频放电，即可获得输出。对二氧化碳激光器，当真空度达到10^-3×133.3Pa时，按照CO₂:N₂:He =1:1.5:7.5，总压为10×133.3Pa，两部分反射镜对10.6微米波长光波反射率为80%，两全反射镜反射率为99%以上，对其施以射频放电即可获得输出。

实施例 超大束宽薄光束二氧化碳激光器波长10.6μm，超宽平板放电管12采用长L ₁为0.1mm，宽d ₂为1m，厚d ₁ (即高)为20mm的玻璃管，凹面长柱面全反射镜1的切面凹面的曲率半径半径为549.09m，横向宽度为1m，切面高度为20mm；长条形平面部分输出镜2的切面高度为20mm，横向宽度为1m。在图7谐振腔的子腔中输出的光束腰斑直径为10mm，输出光束在L ₂等于1m处的腰斑直径为10.09mm。在图2中谐振腔的输出光束束宽为1m，1m内的光束厚度从10mm增加到10.09mm，用此实例做的光帘为束宽为1m，1m内的光束厚度月为10mm，为不可见红外超大束宽薄光束光帘。

超大束宽薄光束气体激光器，包括凹面长柱面全反镜，由上、下、前、后四管壁构成的超宽平板放电管，长条形平面部分输出镜，上电极，下电极，储气管，水冷套，射频电源与匹配网络，参照图1至图5，凹面长柱面全反镜1与超宽平板放电管12的底部连接，长条形平面部分输出镜2与超宽平板放电管12的顶部连接，上电极与放电管12的上管壁3内侧紧贴或由上管壁直接为上电极(当为金属材料时)，下电极与放电管12的下管壁3′内侧紧贴或由下管壁直接为下电极(当为金属材料时)，储气管9与放电管相连接并环绕放电管，水冷套8环绕放电管，水冷套7环绕全反镜1，水冷套10环绕输出镜2，风机通过储气管9与放电管12连接，射频电源及匹配网络0与上、下电极连接。其特征在于放电管12是一个超宽平板放电管，它的顶部和底部分别与长条形平面部分输出镜2和凹面长柱面全反镜1真空性封贴，使超宽夹层空间能抽高真空，在高真空条件下将氦氖或二氧化碳、氮、氦混合气充入放电管12，其特征还在于谐振腔是一个超宽平板一维平凹谐振腔，它由安装于超宽平板放电管的底部的凹面长柱面全反镜1和一个安装于放电管顶部的长条形平面部分输出镜2组成，在激光器沿放电管轴线的任一剖面内，全反镜1以及输出镜2构成平凹腔，该平凹腔设计为稳定腔，为该超宽谐振腔的子腔，该子腔的输出光束的腰斑位于输出镜2上。其特征还在于所述激光器输出的光束横向方正、超宽，纵向较薄、发散角小。

本发明与现有光帘相比，具有如下特点：

1、本发明输出的光帘，光束横向方正、超宽，纵向较薄、发散角小，光帘在较长距离能量变化缓慢；

2、本发明可是实现可见光光帘，也可以实现不可见红外光帘。

本发明与板条激光器相比，具有如下特点：

1、本发明的超宽平板一维平凹谐振腔在纵剖面的子腔为平凹腔，该平凹腔沿垂直于该平凹腔所在平面的方向一维滑动形成超宽平板一维平凹谐振腔，该谐振腔采用长条形平面输出镜，目的是获得宽度均匀、宽度超大、厚底较薄的输出光束；

2、本发明可以实现可见光束。

本发明与扁平放电管氦氖激光器相比，具有如下优点：

1、本发明超宽平板放电管的宽度远远大于扁平放电管氦氖激光器的宽度；

2、本发明的目的是为了获得超大束宽薄光束，不是单纯为了获得更高功率；

3、本发明可以实现不可见红外光。

Claims

1.在超大束宽薄光束气体激光器，其特征在于包括具有超宽平板一维平凹谐振腔构成的气体激光器，所述的超宽平板一维平凹谐振腔由超宽平板放电管（12）以及（12）底部贴的凹面长柱面全反镜（1）和（12）顶部贴的长条形平面部分输出镜（2）构成，在激光器沿放电管轴线的任一剖面内，全反镜（1）的纵剖面以及输出镜（2）的纵剖面构成平凹腔，该平凹腔设计为稳定腔，为该超宽谐振腔的子腔，该子腔沿垂直于该子腔所在平面的方向一维滑动形成超宽平板一维平凹谐振腔。

2.根据权利要求1所述的超大束宽薄光束气体激光器，其特征在于所述激光器输出的光束横向方正、超宽，纵向较薄、发散角小。

3.根据权利要求1所述的超大束宽薄光束气体激光器，包括凹面长柱面全反镜（1），长条形平面部分输出镜（2），上管壁（3）、下管壁（3′）、前管壁（5）、后管壁（5′）构成超宽平板放电管（12），凹面长柱面全反镜（1）与超宽平板放电管（12）的底部连接，长条形平面部分输出镜（2）与超宽平板放电管（12）的顶部连接，上电极与放电管（12）的上管壁（3）内侧紧贴或由上管壁（3）直接为上电极(当为金属材料时)，下电极与放电管（12）的下管壁（3′）内侧紧贴或由下管壁（3′）直接为下电极(当为金属材料时)，储气管（9）与放电管（12）相连接并环绕放电管（12），水冷套（8）环绕放电管（12），水冷套（7）环绕全反镜（1），水冷套（10）环绕输出镜（2），风机通过储气管（9）与放电管（12）连接，射频电源及匹配网络（0）与上、下电极连接，其特征在于放电管（12）是一个超宽平板放电管，它的顶部和底部分别与长条形平面部分输出镜（2）和凹面长柱面全反镜（1）真空性封贴，使超宽夹层空间能抽高真空，在高真空条件下将氦氖或二氧化碳、氮、氦混合气充入放电管（12）。