CN104184040B

CN104184040B - 一种行波腔高功率二氧化碳激光器的构建方法及装置

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Publication number: CN104184040B
Application number: CN201410470437.1A
Authority: CN
Inventors: 徐勇根; 樊群超; 王时建
Original assignee: Xihua University
Current assignee: Xihua University
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2034-09-16
Also published as: CN104184040A

Abstract

本发明为一种行波腔高功率二氧化碳激光器的构建方法及装置，涉及光学工程和激光应用领域。该激光器包括凹面镜、环形全反射镜、平面输出镜、放电管、水冷管、正负电极、储气室、回气管、放电管支架、激光器支架。本发明提供的行波腔高功率二氧化碳激光器，从输出镜输出的激光束关于激光器对称轴呈对称分布，该激光器具有功率大、光束质量好、结构紧凑、体积小的优点，是激光加工的主要器件之一。其特征在于将16支组合管按照对称的方式放置在激光器对称轴上，利用直流电源激励并在由凹面镜、环形全反射镜、平面输出镜组成的行波腔作用下输出高功率二氧化碳激光的构建方法及装置。较大功率的二氧化碳激光能直接用于激光加工、材料处理等方面，较小功率的二氧化碳激光可供激光美容、激光表面处理等使用。

Description

一种行波腔高功率二氧化碳激光器的构建方法及装置

技术领域

本发明涉及光学工程和激光应用领域，尤其涉及一种行波腔高功率二氧化碳激光器，主要是利用直流电源激励激光器各个放电管并在谐振腔镜作用下获得高功率二氧化碳激光输出的装置及构建方法。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。

背景技术

二氧化碳激光器是世界上最早的分子激光器，高功率二氧化碳激光器主要用于激光工业加工。近年来，国际上激光加工系统主要采用Nd:YAG激光器和二氧化碳激光器，其产值已达到40多亿美元，其中二氧化碳激光器系统产值超过20亿美元。二氧化碳激光加工系统有三种主要形式：轴快流型、横流型和波导型二氧化碳激光器。轴快流型二氧化碳激光器是利用气体对流方式来排出工作气体的废热，从而提高电光转换效率和输出功率，输出的激光束通常为基模高斯光束，主要用于金属、非金属材料的焊接、打孔、切割等。横流型二氧化碳激光器增益体积大，可输出上万瓦的激光，但激光模式相对较差，因此，主要用于金属材料的焊接、热处理和表面处理。波导型二氧化碳激光器由于重量轻、体积小而直接被架于机床加工。以上三类激光器具有各自的优点，但也存在不足之处，轴快流和横流型二氧化碳激光器输出功率高，能广泛应用于激光工业加工领域，但是此种激光器的体积过于庞大，因此加工机机头和激光器只能是分离的，且两者之间往往有较长的距离，目前无传输二氧化碳激光的光纤，因此激光的直线传输和光路控制都是依靠光学元件和相应的控制措施来实现。相比之下，平板波导型二氧化碳激光器体积小可直接架于加工机机床，但该激光器的输出功率受到结构的限制难以提高，并且光束质量也受到一定限制。

在已有的专利中，虽然已提出了高功率二氧化碳激光器的构建方法及装置（发明专利名称：大功率气体激光器的构建方法及装置，申请号：CN200310104017；发明专利名称：相位锁定轴对称折迭组合二氧化碳激光器，申请号：CN200810044294），此类激光器采用单边折叠的方式：1）要提高激光器输出功率，只能通过延长放电管来实现，这样会导致激光器体积过于庞大，使用不方便；2）在确保激光器体积的情况下，输出功率又达不到要求。

本发明就是为了克服此类问题提出来的，所述的行波腔高功率二氧化碳激光器采用双边折叠的方式，在相同激光器体积情况下，输出功率较单边折叠方式构建的激光器更高，因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供了一种行波腔高功率二氧化碳激光器。

本发明的技术方案如下：

一种行波腔高功率二氧化碳激光器，包括凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）、放电管（1-16）、水冷管（17-32）、正电极（49-64）、负电极（33-48）、储气室（100-101）、回气管（102）、放电管支架（105-108）、激光器支架（109-114），其技术方案为：

1）组合管ⓐ-ⓟ分别按照图1、图3、图4、图5、图6的位置放置在激光中，按照从ⓐ-ⓟ的顺序，组合管包括：放电管（1-16）、水冷管（17-32）、负电极（33-48）、正电极（49-64）、进水管（65-80）、出水管（81-96），各组合管按照图1所示的位置对称地放置在激光器中，以便精确调腔；

2）组合管中各放电管（1-16）长均为100厘米，直径均为10厘米；组合管中各水冷管（17-32）长均为80厘米，直径均为14厘米；放电管被嵌套在水冷管内并与之保持同轴；各放电管与水冷管之间存在一定间隙，循环水在此间隙间循环，目的是为了充分冷却各个放电管管壁，达到提高激光增益的目的；

3）凹面镜（97）是全反射镜，被激光器第一支架（109）与激光器第六支架（114）固定在激光器对称轴（116）上，到放电管第一支架（105）的水平距离为10厘米，放电管（1-8）的轴线相交于凹面镜（97）的中心，用于建立过由凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）组成的行波谐振腔的振荡；

4）平面输出镜（99）是部分反射镜，被激光器第五支架（113）与激光器第六支架（114）固定在激光器对称轴（116）上，到放电管第四支架（108）的水平距离为10厘米；放电管（9-16）的轴线相交于平面输出镜（99）的中心，用于建立过由凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）组成的行波谐振腔的振荡；

5）环形全反射镜（98），被激光器第三支架（111）与激光器第六支架（114）固定放置在激光器对称轴（116）上，到放电管第二支架（106）与放电管第三支架（107）的水平距离均为15厘米，用于建立过由凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）组成的行波谐振腔的振荡；

6）放电管第一支架（105）与放电管第二支架（106）按照图1所示的位置将组合管ⓐ-ⓗ固定在激光器对称轴（116）上；放电管第三支架（107）与放电管第四支架（108）按照图1所示的位置将组合管ⓘ-ⓟ固定在激光器对称轴（116）上；

7）第一储气室（100）与第二储气室（101）由回气管（102）连接，补充激光器各个放电管内的增益介质，确保激光器工作稳定，输出稳定激光；

8）组合管ⓐ-ⓗ的阴极接地，距离放电管左端口2厘米，靠近阴极的放电管端口未密封并按照图3、图4的方式被固定在放电管支架（105）上，组合管ⓐ-ⓗ的放电管右端封闭，靠近放电管右端口2厘米处放置激光器电源阳极，在距离放电管右端5厘米处用放电管支架（106）将组合管ⓐ-ⓗ按照图1、图3、图4的方式固定在激光器上；组合管ⓘ-ⓟ的阴极接地，距离放电管右端口2厘米，靠近阴极的放电管端口未密封并按照图5、图6的方式被固定在放电管支架（108）上，组合管ⓘ-ⓟ的放电管左端封闭，靠近放电管左端口2厘米处放置激光器电源阳极；在距离放电管左端5厘米处用放电管支架（107）将组合管ⓘ-ⓟ按照图1、图5、图6的方式固定在激光器上；

9）组合管按照从ⓐ-ⓟ的顺序，将上一组合管且位置相对较高的出水管（81）-（95）依次对应连接到下一组合管且位置相对较低的进水管（66）-（80），因此，按照上述的连接方式，循环水从进水管（65）流入，依次充满组合管ⓐ-ⓟ的放电管与水冷管之间的间隙，最后从出水管（96）流出，确保放电管管壁被循环水充分冷却，提高激光器增益的目的。

所述的凹面镜（97）为全反射镜、环形全反射镜（98）为全反射镜、平面输出镜（99）为部分反射镜，其材料为硒化锌；凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）构成行波谐振腔。

所述的行波谐振腔是由凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）及放电管（1-16）构成，各个谐振腔镜曲率半径的选择应满足稳定性条件。

所述的行波腔高功率二氧化碳激光器，是将组合管ⓐ-ⓟ的各个放电管阴极（33-48）接地，阳极（49-64）接直流电源，向激光器充入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，其特征在于：利用电源激励放电管内的混合气体，并在由凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）所组成的行波腔谐振腔镜作用下，产生振荡光束；以凹面镜（97）为参考面，其特征在于振荡光束首先被凹面全反射镜反射，然后到达环形全反射镜（98）再次被反射到达平面部分反射镜，振荡光束再次被反射到达环形全反射镜（98），并再次被反射到达凹面镜（97）上，在达到激光输出阈值前，振荡光束将按照上述反射方式继续被谐振腔镜反射，振荡光束按照上述方式在腔内传输；组合管ⓐⓗⓟⓘ及凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）构成第一行波腔，组合管ⓑⓖⓞⓙ及凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）构成第二行波腔，组合管ⓒⓕⓝⓚ及凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）构成第三行波腔，组合管ⓓⓔⓜⓛ及凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）构成第四行波腔，所述的四个行波腔有共同的对称轴（116）；以第一行波腔为例对该激光器的振荡光束在腔内的几何光路图进行说明，所述方法如图2所示，以凹面镜（97）的反射面为参考面，在电源激励下，振荡光束将按照图2所示的几何光路在由组合管ⓐⓗⓟⓘ构成的行波腔内振荡，当达到激光输出阈值时，振荡光束不再被平面输出镜（99）反射，而是从该镜按照图2所示的方式对称地输出二氧化碳激光（115），从四个行波腔激光器输出的二氧化碳激光具有功率大的特性，因此，这样的激光器为行波腔高功率二氧化碳激光器。

本发明提供的行波腔高功率二氧化碳激光器，从输出镜输出的光束关于激光器对称轴对称，具有功率大、相干性好、光束质量好、结构紧凑、体积小的优点，能直接架于加工机床进行加工，是激光加工中最重要的器件之一。

附图说明

附图1为行波腔高功率二氧化碳激光器的装置结构图。

附图2 为振荡光束在行波腔高功率二氧化碳激光器内的几何光路图。

附图3 为第1组合管、2组合管、3组合管、4组合管的结构及在激光器内的位置图。

附图4 为第5组合管、6组合管、7组合管、8组合管的结构及在激光器内的位置图。

附图5 为第9组合管、10组合管、11组合管、12组合管的结构及在激光器内的位置图。

附图6 第13组合管、14组合管、15组合管、16组合管的结构及在激光器内的位置图。

我们结合附图及激光器工作原理对本发明作进一步说明。在附图1-6中，放电管编号依次为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16，水冷管编号依次为17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32，凹面镜编号为97，在表面镀增反膜，其曲率半径为5米，到放电管1-8左端距离为4厘米，环形全反射镜编号为98，在表面镀增反膜，其曲率半径为2米，到放电管1-8右端距离与到放电管9-16左端距离均为4厘米，平面输出镜编号为99，在表面镀部分反射膜，曲率半径为无穷大，到放电管9-16右端距离均为4厘米。组合管编号依次为ⓐ、ⓑ、ⓒ、ⓓ、ⓔ、ⓕ、ⓖ、ⓗ、ⓘ、ⓙ、ⓚ、ⓛ、ⓜ、ⓝ、ⓞ、ⓟ，放电管支架依次为105、106、107、108，激光器支架依次为109、110、111、112、113、114，储气室编号依次为100、101。由凹面镜97、环形全反射镜98、平面输出镜99构成的并过组合管ⓐⓗⓟⓘ的第一行波腔，由凹面镜97、环形全反射镜98、平面输出镜99构成的并过组合管ⓑⓖⓞⓙ的第二行波腔，由凹面镜97、环形全反射镜98、平面输出镜99构成的并过组合管ⓒⓕⓝⓚ的第三行波腔，由凹面镜97、环形全反射镜98、平面输出镜99构成的并过组合管ⓓⓔⓜⓛ的第四行波腔，其放电管轴线一端相交于凹面镜97的中心，另一端相交于平面输出镜99的中心。利用直流电激励各个放电管内的混合气体，并在行波谐振腔镜的作用下，从输出镜输出对称的高功率二氧化碳激光。其特征在于：按照上述方式构建的四组行波腔内的混合气体通过电源激励并在行波谐振腔作用下产生振荡光束，振荡光束在腔内将按照附图2所示的方式获得较高增益而被不断放大。因此，从每一组行波腔输出的二氧化碳激光束输出功率较同样体积大小的驻波腔激光器的输出功率更高。按照上述方式组建的高功率二氧化碳激光器可以实现多组行波腔的组合，从而达到高功率二氧化碳激光输出。

本发明采用行波腔的方式获得高功率激光输出，主要是通过双边折叠的方式来缩小激光器体积，提高激光器增益和输出功率的装置及构建方法。

具体实施方式

例1，参照附图1-6，激光器各个放电管长度均为1米，内直径10厘米，外直径12厘米，正负电极到放电管两端口距离均为2厘米，水冷管被嵌套在放电管外面并与之保持同轴，长度均为0.8米，内直径均为14厘米，外直径均为16厘米，按照附图1所示的方式放置在激光器对称轴上。凹面镜曲率半径为5米，放置在激光器对称轴上，到放电管1-8左端距离为4厘米，环形全反射镜曲率半径为2米，放置在激光器对称轴上，到放电管1-8右端距离与到放电管9-16左端距离均为4厘米，平面输出镜放置在激光器对称轴上，到放电管9-16右端距离均为4厘米。整个装置与激光器对称轴保持同轴，放电管均按照附图3-6所示的结构以水冷方式冷却，放电管内在达到真空133.310^-3Pa后按照CO₂:N₂:He=1.5:1.5:7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99%以上，输出镜反射率为80%，透射率为20%。通过直流电源激励并在行波谐振腔作用下可从输出镜获得对称的高功率二氧化碳激光输出。

例2，谐振腔镜、放电管、水冷管参数及放置方式与例1相同，放电管内在达到真空133.310^-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99%以上，输出镜反射率为70%，透射率为30%。通过直流电源激励并在行波谐振腔作用下可从输出镜获得对称的高功率二氧化碳激光输出。

本发明装置的优点在于：能输出对称的高功率二氧化碳激光束。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。所述的行波腔高功率二氧化碳激光器采用双边折叠的方式，在相同激光器体积情况下，输出功率较单边折叠方式构建的激光器更高，是激光工业加工的主要器件之一。

Claims

1.一种行波腔高功率二氧化碳激光器，包括凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）、放电管（1-16）、水冷管（17-32）、电源正极（49-64）、电源负极（33-48）、储气室（100-101）、回气管（102）、放电管支架（105-108）、激光器支架（109-114），其特征在于：

1）第一组合管

是由第一放电管（1），第一水冷管（17）、第一电源负极（33），第一电源正极（49），第一进水管（65），第一出水管（81）组成；第二组合管

是由第二放电管（2），第二水冷管（18）、第二电源负极（34），第二电源正极（50），第二进水管（66），第二出水管（82）组成；第三组合管

是由第三放电管（3），第三水冷管（19）、第三电源负极（35），第三电源正极（51），第三进水管（67），第三出水管（83）组成；第四组合管

是由第四放电管（4），第四水冷管（20）、第四电源负极（36），第四电源正极（52），第四进水管（68），第四出水管（84）组成；

2）第五组合管

是由第五放电管（5），第五水冷管（21）、第五电源负极（37），第五电源正极（53），第五进水管（69），第五出水管（85）组成；第六组合管

是由第六放电管（6），第六水冷管（22）、第六电源负极（38），第六电源正极（54），第六进水管（70），第六出水管（86）组成；第七组合管

是由第七放电管（7），第七水冷管（23）、第七电源负极（39），第七电源正极（55），第七进水管（71），第七出水管（87）组成；第八组合管

是由第八放电管（8），第八水冷管（24）、第八电源负极（40），第八电源正极（56），第八进水管（72），第八出水管（88）组成；

3）第九组合管

是由第九放电管（9），第九水冷管（25）、第九电源负极（41），第九电源正极（57），第九进水管（73），第九出水管（89）组成；第十组合管

是由第十放电管（10），第十水冷管（26）、第十电源负极（42），第十电源正极（58），第十进水管（74），第十出水管（90）组成；第十一组合管

是由第十一放电管（11），第十一水冷管（27）、第十一电源负极（43），第十一电源正极（59），第十一进水管（75），第十一出水管（91）组成；第十二组合管

是由第十二（12）放电管，第十二水冷管（28）、第十二电源负极（44），第十二电源正极（60），第十二进水管（76），第十二出水管（92）组成；

4）第十三组合管

是由第十三放电管（13），第十三水冷管（29）、第十三电源负极（45），第十三电源正极（61），第十三进水管（77），第十三出水管（93）组成；第十四组合管

是由第十四放电管（14），第十四水冷管（30）、第十四电源负极（46），第十四电源正极（62），第十四进水管（78），第十四出水管（94）组成；第十五组合管

是由第十五放电管（15），第十五水冷管（31）、第十五电源负极（47），第十五电源正极（63），第十五进水管（79），第十五出水管（95）组成；第十六组合管

是由第十六放电管（16），第十六水冷管（32）、第十六电源负极（48），第十六电源正极（64），第十六进水管（80），第十六出水管（96）组成。

5）凹面镜（97）与放电管第一支架（105）放置在激光器第一支架（109）上；放电管第二支架（106）放置在激光器第二支架（110）上；环形全反射镜（98）放置在激光器第三支架（111）上；放电管第三支架（107）放置在激光器第四支架（112）上；放电管第四支架（108）与平面输出镜（99）放置在激光器第五支架（113）上；激光器第一支架（109）、激光器第二支架（110）、激光器第三支架（111）、激光器第四支架（112）、激光器第五支架（113）放置在激光器第六支架（114）上；激光器第六支架（114）放置在水平地面上。

6）组合管

的电源负极接地，距离放电管左端口2厘米，靠近电源负极的放电管端口未密封并固定在放电管第一支架（105）上；凹面镜（97）与放电管第一支架（105）连接成第一储气室（100）；组合管

的放电管右端封闭，靠近放电管右端口2厘米处放置激光器电源正极；在距离放电管右端5厘米处用放电管第二支架（106）将组合管

固定在激光器上；组合管

的电源负极接地，距离放电管右端口2厘米，靠近电源负极的放电管端口未密封并固定在放电管第四支架（108）上；平面输出镜（99）与放电管第四支架（108）连接成第二储气室（101）；组合管

的放电管左端封闭，靠近放电管左端口2厘米处放置激光器电源正极；在距离放电管左端5厘米处用放电管第三支架（107）将组合管

固定在激光器上；组合管

的放电管被嵌套在水冷管里面并保持同轴；放电管长100厘米，直径10厘米，水冷管长80厘米，直径14厘米；组合管

的轴线相交于凹面镜（97）的中心，另一端相交于环形全反射镜（98）上；组合管

的轴线相交于平面输出镜（99）的中心，另一端相交于环形全反射镜（98）上；

7）第一储气室（100）与第二储气室（101）由回气管（102）连接，回气管上有两孔，分别连接混合气体瓶（103）、真空泵（104）；

8）循环水从组合管

的位置相对较低的第一进水管（65）流入，从位置相对较高的第一出水管（81）流出；用橡胶管将组合管

的第一出水管（81）与

的第二进水管（66）连接，按照相同的连接方式，依次将组合管从

的顺序，将上一组合管且位置相对较高的第一出水管（81）-第十五出水管（95）依次对应连接到下一组合管且位置相对较低的第二进水管（66）-第十六进水管（80）；因此，按照上述的连接方式，循环水从第一进水管（65）流入，依次充满组合管

的放电管与水冷管之间的间隙，最后从第十六出水管（96）流出；

9）组合管

及凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）构成第一行波腔；组合管

及凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）构成第二行波腔；组合管

及凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）构成第三行波腔；组合管

及凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）构成第四行波腔。

2.根据权利要求1所述的一种行波腔高功率二氧化碳激光器，其特征在于：所述的凹面镜（97）与环形全反射镜（98）均为全反射镜；平面输出镜（99）为部分反射镜。

3.根据权利要求1所述的一种行波腔高功率二氧化碳激光器，其特征在于：所述的行波腔有共同的对称轴（116）。

4.根据权利要求1所述的一种行波腔高功率二氧化碳激光器，其特征在于：关闭混合气体瓶连接孔，打开真空泵连接孔，首先将所有放电管在真空抽气泵作用下抽成近似真空；然后关闭真空泵连接孔，打开混合气体瓶连接孔，使激光器内充入混合气体；激光器工作时，回气管能不断补充激光器内气体的循环，确保激光器工作稳定，输出稳定激光。

5.根据权利要求1所述的一种行波腔高功率二氧化碳激光器，其特征在于：组合管

的进水始终从位置相对较低的进水管流入，从位置相对较高的出水管流出，达到充分冷却放电管管壁的目的，从而确保激光器有较高的增益。

6.根据权利要求1所述的一种行波腔高功率二氧化碳激光器，其特征在于：所述的组合管

各个放电管的第一电源负极（33）-第十六电源负极（48）接地，第一电源正极（49）-第十六电源正极（64）接直流电源；向激光器充入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 um的，则输出二氧化碳激光，其特征在于：

1）利用电源激励放电管内的混合气体，并在由凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）所组成的行波腔谐振腔镜作用下，产生振荡光束；以凹面镜（97）为参考面，其特征在于振荡光束首先被凹面全反射镜反射，然后到达环形全反射镜（98）再次被反射到达平面部分反射镜，振荡光束再次被反射到达环形全反射镜（98），并再次被反射到达凹面镜（97）上，在达到激光输出阈值前，振荡光束将按照上述反射方式继续被谐振腔镜反射；振荡光束按照上述方式在腔内传输，因此，由凹面镜（97）、环形全反射镜（98）、平面输出镜（99）所组成的谐振腔是行波腔；

2）以第一行波腔为例对该激光器的振荡光束在腔内的几何光路图进行说明；以凹面镜（97）的反射面为参考面，在电源激励下，振荡光束将在由组合管

构成的行波腔内振荡，当达到激光输出阈值时，振荡光束不再被平面输出镜（99）反射，而是从平面输出镜（99）对称地输出二氧化碳激光（115）；从四个行波腔激光器输出的二氧化碳激光具有功率大的特性，因此，这样的激光器为行波腔高功率二氧化碳激光器。