CN103843209B - 一种激光器设备以及产生激光的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光器设备，包括了复数个用于待激发气体的线形谐振管(12)，谐振管是彼此成流体连通的并且形成一个共同的管状空间；连接元件(20)，被设置在一个共同的管状空间中相邻的谐振管之间的拐角处；谐振管的激发装置(50)，用于激发谐振管中的气体来产生激光；反射镜(22)，被设置在连接元件中，用于反射谐振管之间的激光；以及部分反射输出耦合器(42)，用于耦合出激光束。这些谐振管被设置成螺旋形状，包围在一个自由中央空间周围。本发明还涉及一种使用这种激光器设备产生激光的方法。

Description

一种激光器设备以及产生激光的方法
技术领域
本发明涉及一种激光器设备，包括了复数个用于待激发气体的线形谐振管，谐振管是相互成流体连通的并且形成一个共同的管状空间；连接元件，被设置在一个共同的管状空间中相邻的谐振管之间的拐角处；谐振管的激发装置，用于激发谐振管中的气体来产生激光；反射镜，被设置在连接元件中，用于反射谐振管之间的激光；以及部分反射输出耦合器，用于耦合出激光束。
本发明还涉及一种用于产生激光的方法。
背景技术
除其他因素外，激光器设备的输出功率是由管状空间的长度所决定的，尤其是输出耦合器与背光镜之间的距离。这就意味着，随着功率需求的增加，激光器的长度也随之增加。随着激光功率接近20至30瓦特，对于许多应用来说，激光器设备的长度就变得不切实际。
如图1所示，激光器设备开发人员曾经使用过折叠管状空间，以横截面长度为代价，最小化激光器设备长度的增加。这些开发人员的设计方案已经通过把这些折叠部分尽可能挤压靠近，使得激光器设备的截面最小化。
然而，在许多应用中，尤其是在空间宝贵的激光标识应用中，该体型长、但截面小的激光器设计就会造成具有挑战性的，如果并非不可能发生的，整合问题。
美国专利US5115446公开了一种用于法兰盘以及两条激光束光路的其他元件的承载结构。根据其中一个实施例，这两条激光光路通过反射镜耦合，形成单一的共同激光束光路。
美国专利US4912718公开了一种具有复数个模块的激光器设备，这些模块至少基本上是相同的，并且通过连接法兰在这些模块的拐角处互相连接。
日本专利JP63-94695A描述了一种具有复数个被设置在一个正方形图形中的激光管的激光器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种十分经济又能提供高输出功率的一种激光器设备以及一种产生激光的方法。
根据本发明通过具有权利要求1的特征的一种激光器设备以及具有权利要求13的特征的一种产生激光的方法以解决本发明的目的。优选实施例在从属权利要求中给出。
根据本发明所述的激光器设备，其特征在于，谐振管被设置成螺旋形状，包围着一个没有谐振管的自由中央空间。产生激光的方法，其特征在于，激光是在成流体连通且形成一个共同的管状空间并且被设置成螺旋形状的复数个谐振管中产生的。
谐振管的螺旋设置给紧凑型激光器设备提供高功率密度，该激光器设备的功率从根本上是由管状空间的长度决定的，管状空间形成了该激光器设备的空腔，在空腔内，激光在位于一端的背光镜和位于相对端的部分反射输出耦合器之间反射。通过折叠包围自由中央空间的螺旋图形的谐振器，在不增加该激光器设备相同量的总长度的情况下，可增加谐振器的长度。
本发明所述的激光器设备具有一根在自由中央空间中延伸的纵轴，谐振管以螺旋方式被卷绕包围纵轴。
这些谐振管形成一个共同的管状空间，管状空间也可以被称为该激光器设备的谐振器，也就是说该激光器设备包括了一个谐振器，谐振器包含复数个可相互流体连接的谐振管。
本发明所述的激光器设备可以是气体激光器，尤其是一种二氧化碳(CO2)激光器设备，其中在谐振器或谐振管中的气体包含了二氧化碳(CO2)。气体通过激发装置被激发，以便在谐振器或谐振管中产生激光。这种激光器设备的原理是本领域公知的，从而在此将省略该原理的详细描述。
该激光器设备尤其可以是打标头，并且优选用作使用激光束标记或雕刻目标。
背光镜，优选地为全反射镜，被设置在该激光器设备的共同的管状空间的第一端；输出耦合器，尤其是一种部分反射镜，被设置在与共同的管状空间相对的第二端。于是，谐振器被背光镜以及输出耦合器限定在相对的轴向端，在管状空间内的一部分激光作为激光束通过输出耦合器被耦合出。
该激光器设备提供了一个被谐振管包围的自由内部空间，并且该自由内部空间可放置该激光器设备的附加部件，例如，这样的附加部件可以是诸如用于激发装置的驱动器的电子部件，或者诸如用于偏转激光束的一块或多块透镜或者一块或多块反射镜的光学部件。这样的部件可被稳定地容纳于该激光器设备中央的自由内腔中。
谐振管的螺旋设置还考虑到谐振管的有效散热，因为谐振管并不是如图1所示的典型的折叠结构那样被挤压在一起。
谐振管，尤其是线形或直形管，也就是说，这些谐振管有沿着一条直线延伸的纵轴。在相邻的谐振管之间会形成拐角区域。
连接元件或者拐角法兰被设置在谐振管之间的拐角处，并且在各种情况下连接相邻的两根谐振管，反射镜被放置在连接元件中或者被容纳在连接元件内，用于耦合谐振管之间的激光，连接元件或者拐角法兰优选含有陶瓷材料。其中一个连接元件包括输出耦合器，同时同一个或者另一个连接元件包括背光镜。
本发明的一个优选实施例中，谐振管被设置成多边形的螺旋图形，尤其是矩形或正方形螺旋图形。在这种情况下，螺旋横截面是多边形，并且谐振管包围在基本上是多边形的自由空间周围。优选地，具有多边形或立方形的中央空间的整个激光器设备的横截面是多边形的，优选为矩形或正方形的。
谐振管被设置在多边形或立方形空置中央空间的外表面。
谐振管若不是矩形或正方形螺旋图形，还可以被设置为任何其他多边形形状，比如三角形螺旋图形或者横截面为五角、六角或更多角的螺旋图形。
根据本发明所述，两个相邻谐振管所形成的拐角优选大于60°，更优选至少90°，根据本发明所述，这些两根相邻谐振管之间的角度还优选为各个角的角度相等。
一种非常紧凑的激光器设备，尤其是用于标记目标的激光器设备，可以通过本发明所述激光器设备来实现，其可被配置为发射激光束进入被谐振管包围的自由中央空间中。为此，可提供偏转镜，偏转在自由中央空间的方向上穿过输出耦合器的激光束，偏转镜还可以是输出镜，优选地被设置在该激光器设备的谐振器外。
激光束偏转至被谐振管闭合的空间的一个根本优点在于，该激光器设备的附加光学元件可被放置在该激光器设备中，诸如透镜或者用于偏转和/或重新设置激光束的附加镜，由此可以提供一种非常紧凑的设计。
在另一个优选实施例中提供了一种扫描装置，包含至少一块可移动的反射镜，用于将经过输出耦合器耦合输出的激光束偏转至预定方向。该扫描装置可被设置在被谐振管包围的自由中央空间中，可通过该激光器设备壳体的开口，将激光束从该激光器设备内部重定向至激光器设备的外部。
为了提供共同的管状空间，优选地，至少一个连接元件包括至少一个内腔，内腔与至少两根相邻的在螺旋图形中的谐振管成流体连通，内腔可具有在空腔中的第一轴向端的第一轴向开口和第二轴向端的第二轴向开口的管道状形态。该空腔的第一轴向端可以连接第一谐振管，同时该空腔的第二轴向端可以连接第二谐振管。此外，在连接法兰上形成的内腔可以在一个拐角部分有一个第三开口，在第三开口上可附上一块反射镜，用于反射在谐振管之间的激光。
本发明的另一个优选实施例中，至少一个连接元件包括复数个独立的内腔，每一个独立的内腔都与两根相邻的在螺旋图形中的谐振管成流体连通，也就是说，至少一个连接元件沿着该激光器设备的一条边缘延伸并且连接着几根螺旋图形的谐振管。构造这样一个集成的支撑结构或拐角法兰或边缘法兰，为几对谐振管之间提供几个流体连接和/或光学连接。此类连接元件优选连接在螺旋结构中不同层级的各个谐振管。
本发明的一个优选实施例中，在螺旋图形中的谐振管具有一个恒定的斜率。就是说，复数个谐振管中，优选地，所有谐振管中，该激光器设备纵轴和谐振管纵轴之间形成的角度相同。在这种情况下，所有谐振管以及所有连接元件的构造相同。
本发明的另一个优选实施例中，谐振管的螺旋图形由被设置于平行的平面上的第一组复数个谐振管和在各种情况下都连接着不同平面上的两个谐振管的第二组复数个谐振管形成。该实施例提供了一种具有良好稳定性的紧凑型设计。大多数谐振管被设置在平行的平面或层级，并且这些平面或层级通过连接相对于其他谐振管倾斜的谐振管互相连接。
根据本发明，还优选的是，谐振管的螺旋图形由设置在平行平面上的谐振管和在各种情况下都连接着不同平面上的两根谐振管的连接通道形成。基于谐振管的平行设置，所有谐振管都可以是相同的结构。为提供共同的管状空间，谐振管的层级是由连接通道互相连接的，该连接通道优选沿着该激光器设备纵轴延伸，更优选沿着一个与谐振管纵轴垂直的方向延伸。
通过将连接通道设置于连接元件内，可获得一种非常紧凑的结构设计，连接通道优选沿着各自连接元件的纵轴延伸。
为了激发谐振管中的激发气体，优选地，每一个谐振管的激发装置包含至少一个电极，尤其是一种射频电极。电极尤其可沿着谐振管的轴向长度延伸。出于对效率方面的考虑以及对谐振管中的气体的均匀激发，电极可以与射频(RF)电感器连接，例如，射频电感器具有螺旋线圈设计。这种方案的一个公知的问题是，射频电感器的螺旋线圈设计会大幅度增加该激光器设备的尺寸，代价高昂。
根据本发明，通过至少一个电极具有平面线圈设计，可以获得一种尤其紧凑和扁平设计的该激光器设备。在平面线圈设计中，线圈和电极被尤其设置在一个单独的平面上。在优选实施例中，电极的线圈被设置成盘旋形态。
本发明的一个优选实施例中，提供了一种冷却装置，用于同步冷却复数个谐振管。冷却装置可以是冷却板或者冷却块，被设置在该激光器设备的一个外表面，用于同步冷却复数个设置于螺旋谐振管结构的不同层级的谐振管。
本发明的一个优选实施例中，管状空间是一个封闭的气体系统。这意味着该激光器设备的谐振器是一个完全封闭的空腔，并且没有恒定的气流通过谐振器。谐振器中的气体，也就是在共同的管状空间中的气体，仅当该激光器设备停止工作时，在一定的时间间隔内被替换。因此，并没有为通过管状空间的恒定气流提供气体入口和气体出口，也不需要空间来设置用泵输送气体的器材。
附图说明
本发明将参考附图进一步地描述，其中：
图1所示的是根据现有技术的激光器设备的一种谐振管设置；
图2所示的是根据本发明所述的激光器设备的第一种实施例；
图3所示的是根据本发明所述的激光器设备的第二种实施例；以及
图4所示的是一种具有激发装置以及冷却装置的谐振管。
在所有附图中，相同的或相应的组件由相同的附图标记标识。
具体实施方式
图1所示的是根据现有技术的一种折叠设计的激光器设备10’的谐振管12’，该谐振管12’互相靠近设置，并且基本互相平行，以便提供一个小的横截面。
图2所示的是根据本发明所述的激光器设备10的第一种实施例，该激光器设备10可尤其是一种通过激光束标记物体的激光器设备，该激光器设备10还可以被称为用作标记物体的打标头。
该激光器设备10包括复数个谐振管12，尤其可以是氧化铝管。这些谐振管12形成了一部分共同的管状空间，可以被称为激光器设备10的谐振器。
该激光器设备10具有一个立方体的形态，有着四个侧面和两个端面，纵轴6平行于这些侧面延伸，侧边在相邻的侧面之间延伸。在该激光器设备10的内部区域形成了一个自由中央空间8，该空间8被谐振管12在该立方体激光器设备10的侧面包围。
这些谐振管12至少有部分装有激发装置50，这些激发装置50以射频电极52的形态用于激发谐振管12内含有的激发气体，这些电极52基本沿着这些用于激发其内含有的气体的谐振管12的整个长度延伸。如图6所示，内部电极52a被设置在谐振管12面向自由中央空间8的内侧，外部电极52b被设置在谐振管12外面。
这些谐振管12被设置成具有正方形横截面的螺旋形态。然而，若横截面不为正方形，这些谐振管12还可以是三角形形状或任何其他多边形形状，这种设计能够被优化至所需的功率以及特定应用的体积限制。
连接元件20被设置在多边形横截面的拐角处，用于连接相邻的谐振管12，每一个连接元件20包括基体24和反射镜22，该反射镜22将激光从一根谐振管12重定向至另一根，并且可优选地于基体24的拐角部与基体24连接。这些连接元件20可被集成在沿着该激光器设备10的边缘延伸并且连接几对谐振管12的边缘法兰上（未示出）。
其中一个连接元件20包括有背光镜44，用于在轴向端反射激光到上述共同的管状空间，该背光镜44可直接或间接地与其中一根可称之为端谐振管的谐振管12连接。
在第二谐振管12的端部，设置有输出耦合器42，用于耦合输出激光束。输出耦合器42是部分反射镜，并且可被设置在其中一个连接元件20上。在图示的实施例中，输出耦合器42发射一束远离自由空间8的激光束。为使激光束能重定向至自由空间8中，可提供附加镜（未示出）。在一个优选实施例中，背光镜44和输出耦合器42被设置在同一个连接元件20或者连接法兰上。
第一组复数个谐振管12a被设置在复数个平行平面上，也就是说，优选地，该第一组复数个谐振管12a具有纵轴，这些纵轴均被设置为与该螺旋结构或该激光器设备10的纵轴6互相垂直。第二组复数个谐振管12b设置如下，其一端与谐振管的第一层相连接，第二端与谐振管的第二层相连接。这些相互连接的谐振管12b被优选设置在该激光器设备10的一个共同的侧面上。
在如图3所示的第二个实施例中，谐振管12具有相等的或者恒定的斜率。位于该激光器设备10一个侧面的所有谐振管12被以平行的方式设置。
如图4所示的是带有以电极52为形态的激发装置50的谐振管12。第一电极52a在谐振管12面向自由空间8的内侧延伸，同时第二电极52b在谐振管12的外侧延伸。而且，还提供了沿着谐振管12的外侧延伸的冷却装置30。
本发明的设计提供了一种具有自由空间的非常紧凑的激光器设备，该自由空间被谐振管包围，用于容纳激光器设备的其他元件，例如用于重定向通过输出耦合器发射的激光束的光学元件，或者诸如用于控制电极的驱动电路
之类的电子部件。这些以螺旋方式绕在自由中央空间四周的谐振管，提供一种用于激光器设备的高输出功率的长长的共同的管状空间或者谐振器。

Claims (13)

1.一种激光器设备，包括：
-复数个用于待激发气体的线形谐振管(12)，所述谐振管(12)是相互成流体连通的并且形成一个共同的管状空间；
-连接元件(20)，被设置在共同的管状空间中相邻的所述谐振管(12)之间的拐角处，并且连接相邻的所述谐振管(12)；
-所述谐振管(12)的激发装置(50)，用于激发所述谐振管(12)中的气体从而产生激光；
-反射镜(22)，被设置在所述连接元件(20)中，用于反射所述谐振管(12)之间的激光；以及
-一部分反射输出耦合器(42)，用于耦合输出激光束；
其特征在于：
相互成流体连通的所述谐振管(12)，被设置成螺旋形状，包围着一个没有谐振管(12)的自由中央空间(8)。
2.如权利要求1所述的激光器设备，其特征在于：所述谐振管被设置成矩形螺旋图形。
3.如权利要求1或2所述的激光器设备，其特征在于：所述激光器设备(10)被配置为将所述激光束发射进入被所述谐振管(12)包围的所述自由中央空间(8)。
4.如权利要求1所述的激光器设备，其特征在于：至少一个所述连接元件(20)包括至少一个内腔，所述至少一个内腔与至少两个相邻的在所述螺旋图形中的所述谐振管(12)成流体连通。
5.如权利要求1所述的激光器设备，其特征在于：至少一个所述连接元件(20)包括复数个独立的内腔，所述复数个独立的内腔各自与两根相邻的在所述螺旋图形中的谐振管(12)成流体连通。
6.如权利要求1所述的激光器设备，其特征在于：在所述螺旋图形中的所述谐振管(12)具有恒定的斜率。
7.如权利要求1所述的激光器设备，其特征在于：所述谐振管(12)的所述螺旋图形是由被设置在平行平面上的第一组复数个所述谐振管(12a)以及在各种情况下都连接着两根不同平面上的所述谐振管(12a)的第二组复数个所述谐振管(12b)所形成的。
8.如权利要求1所述的激光器设备，其特征在于：所述谐振管(12)的所述螺旋图形是由被设置在平行平面上的所述谐振管(12)以及在各种情况下都连接着两根不同平面上的所述谐振管(12)的连接通道(26)所形成的。
9.如权利要求8所述的激光器设备，其特征在于：所述连接通道(26)被设置在所述连接元件(20)中。
10.如权利要求1所述的激光器设备，其特征在于：每一个所述谐振管(12)的所述激发装置(50)包括至少一个射频电极(52)。
11.如权利要求1所述的激光器设备，其特征在于：冷却装置(30)被提供用于对复数个所述谐振管同步冷却。
12.如权利要求1所述的激光器设备，其特征在于：所述管状空间是一个封闭的气体系统，没有恒定的气流通过所述谐振管(12)。
13.一种具有如权利要求1至12任一项所述的激光器设备的产生激光的方法，其特征在于：所述激光产生于复数个所述谐振管(12)中，所述谐振管(12)成流体连通并形成共同的管状空间，并被设置成螺旋形状。
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