CN103545701A - 相位锁定的圆筒形co2激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学工程和激光应用领域，主要是相位锁定大功率CO₂激光器的构建方法及其装置。相位锁定圆筒形CO₂激光器主要装置包括复曲面全反射镜4、平凸透镜5、凹面全反射镜9、凹凸透镜10、圆筒形放电管1、轴上放电管8，且轴上放电管位于圆筒形放电管的中心轴线上。当轴上放电管8优先直流放电而圆筒形放电管1为射频放电时，轴上放电管8上的由凹面全反射镜9与平凸透镜5的前表面构成的谐振腔之输出光束被凹凸透镜10的前表面反射后会聚于其焦点和平凸透镜5的后表面凸面的焦点，过焦点后进入圆筒放电管1，激发和控制其内复曲面反射镜4和平凸透镜5间的激光振荡实现锁相，由凹凸透镜10输出会聚的大功率CO₂激光。

Description

相位锁定的圆筒形CO2激光器

技术领域

本发明涉及光学工程和激光应用领域，主要是由圆筒形放电区、单管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。

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。目前，国际上用于加工的激光器中，CO₂激光器仍然占据着主要地位。目前，激光加工用CO₂激光器中，横流CO₂激光器的输出功率很高(10KW至几十万瓦)，但其输出模式较差，体积庞大，器件一般用于金属材料工件热处理、表面处理等。轴快流CO₂激光器的输出功率高(1KW左右），模式好，输出稳定，目前作为激光工业加工的主力光源，多用于金属材料的焊接、切割、打孔等，当然也可用于工件热处理、表面处理等。但其体积庞大，总效率不够高。不过，这种器件经过改进（气体循环系统的优化设计,其核心在于热交换以及流场的优化），还会在一定时期内存在。激光介质的温升限制了激光输出功率，随着扩散冷却技术在大功率气体激光器上的成功应用，板条波导和同轴圆筒波导气体激光器引起了人们的广泛兴趣．研究表明：扩散冷却的大面积板条或环形激光系统的功率遵循增益面积放大规律，可达30 KW／m（而管状扩散制冷激光器每单位长度的输出功率被限定在80W／m），因此这类系统具有很好的发展前途。国外千瓦级以上激光输出的板条结构射频激励扩散冷却CO₂激光器已达商品化程度，国内在大功率板条结构射频激励扩散冷却CO₂ 激光器方面已达一定水平，已获得1KW 量级的激光输出。此种结构激光器重量轻，体积小，可直接设置在自动控制的机床上，使用方便。但它存在两个主要问题需要克服：一是光束质量较差，需外加光学器件对其整形；二是实施面积放大技术时受到限制，板条大易变形。而同轴圆筒形结构具有轴向长度短、结构紧凑稳定、单位轴向长度上的增益体积大（远大于板条结构）、内部放电体积大的优点，且可实现自由传输空间激光振荡，射频激励与扩散冷却使得总效率可以很高。但腔的技术难度较高，简单谐振腔在环形增益几何结构中已不适用，必须采用新的谐振腔来有效提取优质激光。德国已采用复曲面镜倾斜非稳环形腔，从内径为49mm，外径为55mm、增益长度为1.8m的圆筒形放电区获得了2KW的输出。但此种器件的输出一般采用在谐振腔镜之一上开孔输出，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。日本90年代末提出了一种带卡格伦镜的圆筒形CO₂激光器，其输出光束质量较好，但它不是一种各部分输出相位锁定的激光器。

发明内容

本发明正是为了克服上述多种CO₂激光器和已有圆筒形CO₂激光器的缺点而提出的，提供一种圆筒形CO₂激光器，其轴对称输出光束之各部分是位相锁定的，输出经会聚光学系统会聚后形成强烈的相干迭加，激光器既具有体积较小的优势，又能保持其相干性的特点，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。圆筒形放电管的左端是复曲面全反射镜，其右端贴一特殊的平凸透镜，平面朝左，凸面朝右。此平凸透镜的右侧中心区域磨平，左侧平面中心区域连接一位于轴上的放电管，且轴上放电管是被稳定地支撑的，轴上放电管的左端连接一凹面全反射镜。轴上放电管与圆筒形放电管同轴。在平凸透镜右边且位于轴上放一凹凸透镜，其前表面镀有部分反射膜，背面镀增透膜。复曲面镜，平凸透镜、凹面全反射镜和凹凸透镜中心处于同一直线上。圆筒形区的上下截面内的光束束轴线平行于放电管的轴线，光束经圆筒形左端的复曲面全反镜反射后其上下截面内光束的束轴线将通过平凸透镜及其焦点，即由复曲面镜—平凸透镜腔输出的光束会聚于平凸透镜右侧焦点和凹凸透镜的左侧焦点，两焦点重合，并经凹凸透镜透射会聚于作用对象，由凹面全反射镜与平凸透镜的左边平面构成的腔之输出光束被凹凸透镜的左边凹面反射后会聚于其焦点和平凸透镜的右侧焦点，过焦点后进入圆筒放电室，并作为控制光束进行锁相。圆筒形区域产生的激光在平凸透镜后经轴上凹凸透镜部分透射作为最终输出，一部分被凹凸透镜凹面反射并进入轴上放电管及其谐振腔，经轴上谐振腔的调整再进入圆筒区，使锁相进一步得到确保。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。由于在轴上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圆筒形放电管实施一定重复频率的射频放电，故全反射凹面镜和平凸透镜构成平凹稳腔优先振荡，其本征模式信号经凹凸透镜的凹面反射后注入到圆筒形放电管内激发和控制圆筒形放电管内的激光振荡，从而实现锁相。

附图说明

在附图1中，此图为圆筒形锁相CO₂激光器的纵剖面图。1为圆筒形放电管，2为该管的外层管，3为该管的内层管，4为圆筒形管左端的曲率中心分布在一个圆上的复曲面全反射镜，5为圆筒形管右端的平凸透镜，6为平凸透镜的前表面，其为一平面，平面镀增反膜，对光波大部分反射，部分透射，7为平凸透镜的后表面，其为一中心区域磨平的凸面，后表面镀增透膜，8为轴上放电管， 9为轴上放电管左端的凹面全反射镜，10为凹凸透镜，11为凹凸透镜的凹面，凹面为部分反射面，对激光大部分透射，小部分反射，12为凹凸透镜的凸面，凸面镀增透膜，13为平凸透镜5和凹凸透镜10的公共焦点， 14为整个激光器的会聚输出光束，15为轴上放电管第一支架，16为轴上放电管第二支架，17为激光器第一中空圆台支架，18为激光器第二中空圆台形支架，19为凹凸透镜支架，20为激光器底座，21为光束轴线。轴上放电管8、圆筒形放电管1的对称中心轴线与激光器系统的中心轴线重合。圆筒形放电管和轴上放电管都自带水冷套和放电电极。

在附图2中，附图2左是圆筒形放电管及轴上放电管实施组装结构纵剖面示意图，附图2右是圆筒放电管右端示意图。1—9与图1中相同，15、16与图1相同，22是圆筒形管内层管定位条块，23是圆筒形管内层管的定位肋，24是内层管定位环盘，25是内层管的内壁贴管。

现结合附图1对其工作原理作进一步说明。复曲面镜4和平凸透镜前表面6边缘区域构成圆筒形管的径向稳定谐振腔，凹面全反射镜9和平凸透镜5的前表面6中心区域构成轴上放电管8的谐振腔，两腔的光波经凹凸透镜10的部分反射而相耦合，经凹凸透镜透射形成会聚输出。圆筒形放电区和轴上放电管内混合气中CO₂受到激励，圆筒形区内沿轴线方向的辐射受到放大，位于圆筒形区的内外层管间中间位置的以对称轴为轴线的圆柱面上平行于轴线的光线代表着圆筒形区光束的传输方向，称其为中心柱面上的光线，复曲面的曲率中心位于被延长了的中心柱面上的一个圆上，中心柱面上光线所代表的纵向传输的光波在复曲面镜4和平凸透镜5的前表面6间建立激光振荡，作为传输光波代表的中心柱面上的光线经平凸透镜5透射后会聚于其右侧焦点13，该焦点13又是凹凸透镜10的左反射面11的焦点，故中心柱面上的光线经凹凸透镜10的左边部分反射面11反射后平行于轴线传输到平凸透镜的中心区域并部分透射进入轴上放电管再到达凹面全反射镜9，符合轴上放电谐振腔模式选择要求的光波又沿原进入光路返回，依次再通过平凸透镜5、凹凸透镜10和平凸透镜5，再返回到圆筒放电管谐振腔，从而实现两腔间的振荡耦合，圆筒形放电管谐振腔右端平凸透镜5的透射光的绝大部分则经凹凸透镜10形成会聚输出光束14。然而上述过程是受轴上放电管的平凹腔谐振腔的谐振所控制的。其控制机制是：轴上放电管的谐振腔为稳定腔，腔内振荡形成的光束为高斯光束，当轴上放电管8先于圆筒形放电管1放电时，轴上谐振腔在平凸透镜5处输出的高斯光束经凹凸透镜10部分反射后到达平凸透镜5和凹凸透镜10的公共焦点13而后再注入到圆筒形放电管1，激发复曲面反射镜4和平凸透镜5间的激光振荡，从而控制整个器件的输出而实现锁相。

具体实施方式

圆筒形放电区内的外层管2为带水冷全套的硬质黄铜管，壁厚2mm，外管两端端面垂直于轴线，误差均为数秒以内。圆筒放电管的内层管3是石英管，25是紧贴石英管的内壁的薄铜管，对其进行适当的冷却，其右端与圆筒形管右端的金属部分保持2cm的距离，内层薄铜管25和外层管2作为射频放电的电极，两电极之间的绝缘是靠石英管3来确保的。22是内含于外层管2内的对内层管3进行定位的4个相同的定位条块，四个定位条块22对称地分布于外层管2左端内并焊接于其内壁，定位条块22沿外层管2纵向放置，每个定位条块的纵向长度为1cm，宽度为1mm，由于圆筒形放电管1较长且激光沿横向传输，定位条块对激光振荡影响极小，其障碍作用可有利于限制在圆周方向非稳腔的振荡。定位肋23的作用是类似于定位条块22的，但四个定位条块靠中心的一端焊接了一个定位环形盘24，如图2右所示，四个定位条块22先与定位环盘24焊接好，再与外层管2右端内壁焊接，定位条块22右侧、定位环盘24右侧和外层管2右端最后经加工处理处于同一个平面内，并垂直于圆筒轴线，定位环盘24左侧有一个凸起的环台阶以便于石英管的中心定位和圆盘与石英管间的粘接，环台阶如图2左图中的23所示。15、16是两个中间带孔的轴上石英放电管支架，分别为轴上放电管第一支架和第二支架，支架固定于石英管3之内，轴上放电管带水冷套。环形复曲面镜4粘贴于外层管2的左端并同时将环形复曲面镜4内侧粘贴于石英管3上，石英管3右端粘接于定位环盘24左侧，平凸透镜5粘贴于外层管2的右端及定位环盘24右侧。定位条块22、定位肋23和定位环盘24也采用黄铜材料。轴上放电管2右端粘接于平凸透镜5左侧平面。圆筒形放电管的左、右端分别固定于圆台形第一中空圆台支架17和圆台形第二中空圆台支架18上。轴上放电管8、圆筒形放电管1的对称中心轴线与激光器系统的中心轴线重合。凹凸透镜10用凹凸透镜支架19固定，支架对镜可进行方位、位移调整。激光器底座20为铝基板做的支架。复曲面镜4采用玻璃基底研磨，镀金膜，平凸透镜5和凹凸透镜10采用ZnSe优质红外材料制作，其前表面镀增反膜，平凸透镜5的反射率为80%，凹凸透镜10的反射率为97%，其后表面均镀增透膜。当让轴上放电管区域优先放电并施以直流放电，而圆筒形放电管为经调制后的重复频率的射频放电时，轴上放电管内谐振腔的输出对圆筒形放电管内的振荡在一定程度上有着锁相的效果。

实施举例

取圆筒形放电管的外层管内径为80 mm，管长1000mm，内层管外径为68 mm，管长1020mm，平凸透镜5和凹凸透镜10的厚度分别为10 mm和8mm，轴上放电管为石英管，长1000 mm，内径20 mm，外径24 mm，复曲面镜的曲率半径为5000mm，轴上凹面全反射镜的曲率半径为9000mm，平凸透镜5的焦距为80mm，凹凸透镜10的前表面距平凸透镜左侧平面101.6mm，前表面曲率半径为43.2mm，后表面曲率半径为23mm，由凹凸透镜输出圆筒锁相激光器的会聚光束，光束会聚点位于凹凸透镜右侧151.8mm处，可方便地用于激光加工作用。

Claims (6)

1.一种圆筒形锁相CO₂激光器的构建方法，其特征在于由射频放电的圆筒形放电管和置于圆筒内轴线上的轴上放电管，圆筒形放电管配以复曲面全反射镜—平面镜腔，轴上放电管配以全反射凹球面镜—平面镜腔，经一公共使用的平凸透镜和一凹凸透镜组合构成一CO₂激光器，圆筒形区激光振荡在复曲面全反射镜和平凸透镜边缘圆环形平面区域构成的谐振腔进行，而轴上放电管内激光振荡在全反射凹球面镜和平凸透镜中央平面区域构成的谐振腔进行，圆筒形区域的光束和轴上放电管内的光束经公共腔镜平凸透镜和公共输出凹凸透镜的变换而连接为一体，由全反射凹面镜、轴上放电管、平凸透镜构成的轴上激光器的振荡光束经平凸透镜和凹凸透镜耦合而使圆筒形激光器的振荡受到了控制，使圆筒形激光器的圆环形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，其特征在于圆筒形放电管的管心线平行于激光器系统的对称轴线，圆筒形激光器由复曲面全反射镜、圆筒形放电管、平凸透镜的边缘圆环形平面区域构成。

3.根据权利要求1所述方法，由全反射凹面镜、轴上放电管、平凸透镜中央平面区域构成了轴上激光器，其特征在于该腔位于圆筒形管的内轴线上，其特征更在于轴上激光器由全反射凹面镜和平凸透镜的中央平面区域构成，中部有很高的反射率，轴上激光器的任务是产生一与圆筒形激光器模式相匹配的振荡，注入到圆筒形放电管中。

4.根据权利要求1所述方法，轴上激光器的振荡光束是经平凸透镜和凹凸透镜耦合而使圆筒形激光器的振荡受到了控制的，其特征在于主要由平凸透镜的后表面的输出经凹凸透镜会聚于凹凸透镜和平凸透镜的公共焦点处，而后经平凸透镜进入圆筒形放电区，再由圆筒形放电区左端的复曲面全反镜返回，再经圆筒形放电区右端平凸透镜会聚于其焦点，该焦点又是凹凸透镜的焦点，会聚光束入射到凹凸透镜后再变为直径很小的圆筒形平行光束，再入射到轴上激光器，全反射凹面镜再将其沿原光路返回并经平凸透镜出射后再次重复前述过程，从而形成圆筒形放电区的激光振荡，它的频率和位相面受轴上激光器振荡的控制。

5.根据权利要求1所述方法，其特征还在于圆筒形放电管的内层管采用石英管而有利于电极间的绝缘。

6.一种激光装置，由圆筒形放电管1的外层管2、圆筒形放电管1的内层管3、复曲面镜4、平凸透镜5、轴上放电管8、凹面全反镜9、凹凸透镜10、内层管3的定位条块22、内层管3的定位肋23、内层管3的定位环盘24、内层管的内壁贴管25、轴上放电管支架、激光器第一圆台支架17、激光器第二圆台支架18、凹凸透镜10的支架19和整个激光器底座20组成，定位条块22与外层管2左端内壁对称分布连接，定位肋23与外层管2右端内壁连接，定位环盘24与定位肋23靠轴线一端连接，内层管3右端与定位环盘24连接，平凸透镜5的平面6与外层管2右端和定位环盘24右侧连接，复曲面镜4与外层管2左端连接并与内层管3左端外壁连接，内壁贴管25与内层管3内壁连接，轴上放电管8与轴上放电管8第一支架15、第二支架16连接，凹凸透镜10与凹凸透镜支架19连接，外层管2的左端与激光器第一中空圆台支架17连接，外层管2的右端与激光器第二圆台形支架18连接，轴上放电管8右端与平凸透镜5的平面中央连接，轴上放电管左端与凹面全反镜9连接，复曲面镜4和平凸透镜5与内外层管两端封接形成圆筒放电管1，黄铜外层管2与内层管3内壁薄的铜质贴管为射频放电电极，复曲面镜4与平凸透镜5构成径向稳定角向非稳的谐振腔，凹面全反镜9与平凸透镜5平面中央区域构成稳定腔，当轴上放电管8优先放电而圆筒放电管1经一具重复频率的射频放电时，由凹凸透镜10输出会聚的大功率CO₂激光，其特征在于圆筒形放电管1内各纵向区域的激光振荡是由轴上放电管8之谐振腔的输出光束经公共会聚输出镜—凹凸透镜10前表面反射与圆筒形放电管1腔镜之一的平凸透镜5合作变换成准平行光束来控制的，圆筒形放电管激光器的输出光束各部分具有确定的相位关系。

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