CN104380544A - 具有快速功率控制的二氧化碳激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能实现快速功率调制、尤其能实现高效Q开关的二氧化碳激光器。其核心思路是将谐振器划分为主要包含激活介质(1)的高功率支路以及低功率反馈支路(14)，将用于光束整形的功率敏感元件尤其是调制器布置在低功率反馈支路之中，适当布置偏振分束器(5)和λ/4移相器(2)就能实现。可以自由调整这两个元件之间的角度因此能够特别灵活地实现不同的工作模式，尤其能优化脉冲产生期间的反馈率。

Description

具有快速功率控制的二氧化碳激光器
在利用激光器对各种不同的材料进行精加工(精密加工)的绝大多数应用情况下均使用脉冲辐射，这涉及所有类型的材料加工激光器。应用情况例如有切割、钻孔以及金属、陶瓷、塑料等等的材料去除。
现代固体激光系统(二极管泵送Nd：YAG激光器，薄片激光器，光纤激光器，钛：蓝宝石激光器等等)具有脉冲性能可变范围很大的特征(从100fs跨越ps和ns直至μs范围)，但是从成本和长年的经验来看，在工业应用方面还远远落后于二氧化碳激光器。但是所有迄今为止适合于材料加工的商用二氧化碳激光器的主要缺点就是其快速功率控制能力有限，因此其脉冲性能也有限。若为例如具有千瓦级cw输出功率的二氧化碳高功率激光器，如果要将输出功率尽可能有效地转变为脉冲辐射，就会受到很大限制。仍然没有商用二氧化碳激光器能够以具有准Q开关特性的脉冲发出脉冲辐射，也就是与ns和μs脉冲长度范围内的cw功率相比功率增强至少10倍，其中作为要满足的附加要求，对于大多数二氧化碳激光器而言比较好的典型K值(至少0.6)应尽可能保持不变，并且要能够将潜在可供使用的功率(cw)有效转变为脉冲系统的平均功率。
从下列多个方面来看，给材料加工系统配备这种二氧化碳激光器意味着很大的技术进步：
a)还能够更加有效地执行迄今为止利用二氧化碳激光器实现的应用。
b)可以利用这种二氧化碳激光器实现很多迄今为止留给其它类型激光器的应用(例如对铜和铝以及必须采用特殊脉冲参数才能进行加工的其它金属-譬如钛-进行精密钻孔和切割)，或者可以实现全新的应用。
c)设备的灵活性特别高，因为可以处理极其不同的任务，在现有技术条件下需要结合运用不同类型的激光器才能完成这些任务。这里应重新提及的是例如具有精细钻孔、高难度切割轮廓的复杂部件的总体生产效率。同样重要的是可以迅速更换材料类型，例如从金属变为陶瓷。
可以将现有技术的特征总结如下。
由于其激活介质的储存性能极好，因此二氧化碳激光器适用于功率增强100倍以上的不同类型的Q开关。在其迅猛发展的前二十年中，已经研究了无数的类型，从利用简单旋转反射镜的主动Q开关、电光调制和声光调制、直至利用SF6甚至在CO2-TEA激光器利用锁模技术的被动Q开关(参见W.J.Witteman，″The CO2Laser"，Springer-Verlag 1987)。更多概况介绍可参阅例如：SPIE Milestone Series Vol.MS 22，″Selected Papers on CO2Lasers"，ed.by James D.Evans，SPIE 1990。基于这一事实，首先看起来令人差异的是，这些方法实际上在用于材料加工的二氧化碳激光器中并未得到广泛应用。该方法保持为仍然还是基础研究、大型激光控制核聚变研究设备方面感兴趣的对象，但在工业应用方面仅在一些冷僻领域起作用。
与此相反，简单但是功能可靠而且便宜的通过气体放电使二氧化碳激光器产生脉冲的方法则大行其道，实际上在每一种材料加工激光器中均利用该方法，尽管这种方法有严重的弱点，例如所产生的脉冲的功率增强很小、脉冲持续时间较大以及脉冲重复频率很小。对于众多应用而言重要的短脉冲范围(μs及以下)几乎被以上提及的固体激光系统所占据，已证明其原因很少在于激活介质的增益特性，而是更多在于波长。有很多特别适合于可见光波段和1μm左右近红外波段激光器的光学材料，例如晶体或者玻璃，这些材料均有吸收小、耐辐射性能高、电光和弹光系数大以及加工和涂层能力极佳的特点，而波长在10μm左右的材料范围则有限，尤其当涉及电光效应之类的特殊特性的时候，电光效应实际上仅限于CdTe，或者当涉及良好声光特性的时候，只有Ge才有所需的良好声光特性。普遍的问题是耐辐射能力有限，其中首要问题并非是太高的强度引起器件损坏，而是远在损伤阈值之前就已出现的、并且尤其与这些材料比较高的dn/dT(温度变化引起的折射率变化)引起的光学效应，所述光学效应会引起波前变形，并且主要对于激光谐振器之内的应用、例如对于Q开关而言是不可接受的，因为会导致激光器的光束质量严重依赖于功率。
利用干涉输出元件进行输出调制，就是一种很有前景的将二氧化碳激光器中可供使用的潜在功率完美转换成强辐射脉冲的方法(参见Schindler，K.；Staupendahl，G.：“用于材料加工的新型二氧化碳激光器”，激光年鉴(第3版)，出版者H.Kohler，Vulkan-Verlag 1993，第9～14页以及DDR专利WP H 01 S/2860725(1986)“高功率二氧化碳激光器辐射的波长选择与内部功率调制装置”)。然而这里也由于干涉输出耦合元件的、关键器件的功率敏感性，仍然没有成功以适合于工业的方式转变为较高的平均功率的领域。
由于实际意义很高，因此实现最优脉冲二氧化碳激光器仍然是激光发展的重要目标，从而在最近十年中又重新出现了关于该问题的专利文献。例如在编号为6,826,204的美国专利中就描述了具有CdTe电光Q开关的用于材料加工的脉冲二氧化碳激光器。关于Q开关的辐射负荷应尽可能小、同时平均激光输出功率(这对于高效材料加工来说特别重要)应尽可能高的基本问题，该专利文献中没有解决方案。
同一个申请人的后续专利US 7,058,093也有类似情况。这里将利用CdTe调制器实现电光Q开关的原理与特殊的功率输出耦合原理，腔倒空(cavity dumping)相结合。目的是实现与激光器的cw功率相比尽可能大幅度增强脉冲峰值功率、同时脉冲重复频率极高的脉冲序列。这里也没有解决辐射负荷的问题。
由于与CdTe相比Ge的光学特性好得多，利用基于Ge的声光调制器实现二氧化碳激光器的Q开关也是令人感兴趣的方法。DE 112008001338T5就描述了这样一种激光器。专利说明书并没有说明谐振器设计中用以实现较高平均输出功率同时实现良好光束质量的特殊措施。
本发明所述装置的目的在于适当改进常规型式的二氧化碳激光器(尤其是用于材料加工的激光器，例如慢速或者快速轴流系统，但也包括固定充气的此类系统)，从而得到全新的快速功率控制方法，尤其是产生辐射脉冲的方法，其特征在于参数范围很宽，尤其是一方面可随时间进行控制，直至达到ns范围，另一方面脉冲峰值功率可达到100kW量级，并且平均功率达到千瓦级。
采用权利要求所述的对象，即可解决这一任务。
如果权利要求中提及谐振器轴线的直线或者弯折走向，则所涉及的是激光器纵向延伸内的几何中线。不应将此与光路混淆，因为只有当偏振分束器的两个主面精确正交于光束的时候，才不会使得经过偏振分束器的光束弯折。如果偏振分束器朝向(通过的)光束弯折，光束弯折两次发生，其中光束经过在两侧(射出或射入)相互平行。
具体而言有不同的实施可能性，并且以下将其描述为非限制性变体方案，其中可以将其中一些或者所有技术上可以合理相互组合的特征相互组合。
为了解决本发明，也可以使用激活介质在最多约为0.1巴低压或者中压范围，从而可以输入泵送能量实现cw工作的二氧化碳激光器；并且可使用与常见的(在激活介质的其中一端具有高反射端镜，并且在另一端具有输出耦合元件的)二氧化碳激光器谐振器相比经过改进的谐振器，该谐振器的特征在于，将λ/4移相器布置在激活介质的其中一端和反射率优选大于99％的第一高反射率谐振器端镜之间，并且将一个偏振分束器布置在激活介质的另一端和反射率同样也优选大于99％的第二高反射率谐振器端镜之间，并且所述偏振分束器可将从激活介质方向入射的任意偏振光束划分成功率为PA的线性偏振输出耦合光束以及功率为PR且同样具有线性偏振但是垂直于输出耦合光束偏振的反馈光束，其中所述λ/4移相器、或偏振分束器或两者均可以围绕谐振器轴线旋转，因此在垂直于谐振器轴线的λ/4移相器特征轴线与同样也垂直于谐振器轴线的偏振分束器特征轴线之间调整任意可选的角度就能调整任意所需的功率比PA/PR，并且可以将光束整形元件，尤其可以将用于快速功率调制和选择波长的元件以及特殊光阑布置在偏振分束器和第二谐振器端镜之间，也就是布置在谐振器的反馈支路之中。
只能将激活介质布置在第一谐振器端镜和偏振分束器之间的区域内，然后利用气密腔壁相对于激光器的其它区域和周围环境密封该区域(供气管和/或者排气管例外)。
电极通常是电气电极。
偏振分束器可以是基于ZnSe的薄膜偏振片，所述薄膜偏振片与谐振器轴线11之间的布鲁斯特角为αB。
在谐振器的反馈支路中可以布置(优选快速)功率调制元件，优选是电光或者声光调制器、干涉型激光辐射调制器、机械斩光盘或者(优选快速)倾斜镜。
在谐振器的反馈支路中可以布置电光调制器以及在后者和偏振分束器之间可以布置优选伽利略式的望远镜，用以使得光束直径D适应于电光调制器的自由孔径d，其中D/d比例优选在1.2和5之间，并且吸收器(26)截获在对电光调制器施加λ/4波形电压时偏振方向旋转90°之后被偏振分束器从谐振器光路中偏转出来的返回光束。
在谐振器的反馈支路中可以布置声光调制器，以及在声光调制器与偏转分束器之间可以布置优选伽利略式的望远镜，用以使得光束直径D适应于声光调制器的自由孔径d，其中D/d比例优选在1.2和5之间，两个吸收器截获在对声光调制器施加开关电压时从谐振器光路中衍射出的光束部分。
对声光调制器施加开关电压时衍射的光束被第二谐振器端镜反射，并且将其用作反馈光束，并且没有衍射的光束部分则被吸收器消除，其中可选择将用于保证最佳光束质量的特殊光阑布置在望远镜和声光调制器之间。
在谐振器的反馈支路中首先可以将干涉激光辐射调制器的光轴相对于反馈光束方向以很小的角度ε排列，使其所反射的辐射部分从谐振器光路中偏转出来并且被吸收器所截获，并且其次波长选择元件能以准确波长保证激光器的功能。
在谐振器的反馈支路中可以选择使用棱镜、优选是ZnSe或NaCl构成的双布鲁斯特角棱镜或者干涉滤光片作为波长选择元件。
在谐振器的反馈支路中可以有具有中间焦点的开普勒式的望远镜并且可以布置具有驱动元件的斩光盘，使得反馈光束恰好在该中间焦点中被斩光盘遮挡或者可以通过。
第二谐振器端镜优选可以是快速倾斜镜，并且可以选择在倾斜镜和偏振分束器之间布置优选伽利略式的望远镜，用以使得光束直径D适应于快速倾斜镜的自由孔径d，其中D/d比例优选在1.2和10之间。
可选择用于调整光束直径D使之适应于功率调制元件的自由孔径d的元件要么是透镜型式的伽利略式或开普勒式望远镜，或者是反射镜型式的伽利略式或开普勒式望远镜，或者由凸透镜或具有适合于第二个谐振器端镜的曲率的凹面镜构成的组合体。
可以借助可选择使用的波长选择元件迫使激光器在9μm＜λ＜11/μm范围内的二氧化碳激光器的旋转振动光谱的固定、但是任意可选的直线上工作，其中激光器的其余光学元件尤其是λ/4移相器和偏振分束器的特性与所选的这条直线相配。
可以将所有列举的光学元件安置在共同的真空密封外罩之中，并且输出耦合光束经由透明材料优选是ZnSe构成的窗口离开激光器。
在按照本发明所述的材料加工设备的情况下，可以以该条件将干涉激光辐射调制器整合在激光输出端与工件之间的光路之中，其中出射光束作为功率调节光束在工件的方向上传播，并且可选择将反射光束提供给吸收器/探测器进行消除或者进行在线测量。可以将声光调制器整合在激光输出端与工件之间的光路之中，其前提为衍射光束作为功率调节光束在工件(33)方向上传播，而非衍射光束则选择地被提供给吸收器/探测器进行消除或者进行在线测量，其中可选择将光束整形元件、例如将望远镜和/或者特殊光阑可选地布置在偏振分束器和声光调制器之间。
本发明所述解决方案的基本思想在于，在系统的其中一端并且在另一端的输出耦合元件上利用100％反射镜适当改进通常使用的激光谐振器基本构造，使得将谐振器划分成主要由激活介质和特殊输出耦合元件构成的高功率支路以及主要包括快速功率控制元件的低功率反馈支路。可以通过以下所述的实施方式在很宽的极限范围内改变高功率和低功率支路之间的功率比，使得控制极高功率所需的功率只有很小一部分，例如10％。这样就能将所有二氧化碳激光设备中存在但相对功率敏感的调制系统(例如声光调制器、电光调制器或者干涉激光辐射调制器)用于快速功率控制，尤其可用于高效Q开关。
现在将详细描述本发明所述的新型谐振器装置(参考附图1)。
将谐振器划分为高功率支路和低功率反馈支路的核心元件是偏振分束器。如果是二氧化碳激光器，则可以使用基于ZnSe的薄膜偏振片(Thin FilmPolarizer-TFP)。后者的特征在于，将TFP以布鲁斯特角αB置于光路之中，并且通过特殊涂层将功率为P0的入射光束适当划分，使其平行于TFP的入射平面且功率为Pp的偏振部分完全透射，并且使其垂直于入射平面且功率为Ps的偏振部分被完全反射，表达式如下
P0＝Pp+Ps，
其中损耗忽略不计，例如TFP中的吸收作用引起的损耗。
TFP被大致定位在常见的输出镜位置上，并且也可在本发明所述的激光器中作为输出耦合元件，也就是要么输出耦合TFP所反射的或者所透射的光束，并且光束离开谐振器。另一部分光束被用于谐振器反馈，例如可以通过可调的100％反射镜实现反馈。该反射镜和TFP之间的光路构成所述的低功率反馈支路，在其中可以布置任意的激光功率控制元件。
本发明的第二个核心思想致力于解决的问题时如何尽可能灵活调整功率比Pp/Ps，从而可以将按照本发明改进的激光器根据其基本特性尤其是其功率、激活介质的增益、并且根据所要达到的新型参数尤其是特殊脉冲参数的数量调整到最佳。定向干预激光器中所产生的辐射的偏振特性，即可实现这一点，其方式是在谐振器的“另一端”在反射率约为100％的存在的端镜前面给每个通路布置相移为λ/4的元器件。可将激光材料加工领域技术成熟的λ/4相位延迟镜(PRS)用于高功率二氧化碳激光器。在采用相应的几何布置的情况下，该元器件就能使得线偏振辐射在通过之后转变为圆偏振辐射，如果后者被第一端镜S1反射并且第二次经过λ/4移相器，就会将圆偏振辐射重新转变为线偏振辐射，但是相对于原来的方向旋转了90°。
本发明所述TFP和λ/4移相器的特性及其在谐振器中的布置可允许一系列新颖的激光功能选项，以下将对此进行详细讨论。
1.没有准轴模的连续工作激光器
我们开始观察TFP，并且假设任意偏振光束从谐振器内部、也就是从激活介质方向射向TFP。在这里分离成透射和反射光束，两者随后呈线性相互垂直偏振。原则上可以输出这两个光束的任何一个作为激光束，并且将另一个光束用作反馈光束。此外由于还将在实施例中详细讨论市面上可以买到的基于ZnSe的TFP的特性与波长的依赖关系，有意义的是，输出耦合反射光束并且反馈透射光束，使得以下观察均以该选项为基础。
首先使用没有附加功率调制元件的激光器，也就是TFP所透射的光束直接射向第二个100％端镜S2，在这里正好被反射回来，第二次(实际上没有损耗)通过TFP，然后在激活介质中使其增强，其中其线偏振方向已被TFP的位置预先确定，因此保持不变。在通过激活介质之后，光束到达λ/4移相器和S1构成的组合体，如果相应精密调整移相器，那么就会使得光束重新线偏振，但是相对于入射光束旋转了90°，现在就会在相反方向再次通过激活介质。在此公开了常规激光器与本发明所述激光器之间的重大区别：激活介质中来回传播的光波首先通常在相同方向线偏振，也就是有完全干涉能力，这就导致形成众所周知的轴模结构。而在本发明所述的激光器中，这两个光波尽管同样也是线性，但是相互垂直偏振，不会出现干涉，因此不会出现轴模结构。
就材料加工激光器而言，多数不太重视轴模结构，但不能就此认为这是合理的。由于轴模结构特别敏感(μm范围)且与谐振器长度相关联，当二氧化碳材料加工激光器的谐振器长度较大的时候，10-2℃量级的温度变化就足以大大改变轴模结构。这通常会由于平均效应而察觉不到，但是如果精度要求极高，就会发现不仅可能因此产生光束功率波动，而且也可能产生空间方向波动。轴模也就是谐振器内的驻波引起的另一个问题就是所谓的“空间烧孔”，这尤其会降低固体激光器的输出功率。其原因是具有λ/2周期的0与最大值之间的周期性驻波强度波动，这会导致无法完整检测受激发射引起的数目反转。若为没有轴模结构的激光器，就不会出现这些负面效应。
现在继续观察谐振器中的光束路径。在第二次通过激活介质之后重新射向TFP且后果严重，在之前假设和描述的条件下，实际上会将光束100％反射，也就是不会出现反馈，激光加工结束。稍后将在第3个选项“自振荡”中详细讨论这种特殊情况，这是本发明所述激光器的特殊之处。
为了实现“正常”的连续以及脉冲激光功能所需的反馈，本发明所述的激光器具有非常简单、同时很灵活的调整反馈的方法。λ/4移相器可以围绕其光束轴线旋转，本情况下就是从激活介质方向射向移相器的入射光束的轴线。根据现在移相器朝向其“理想”位置转动的程度而定，没有线偏振光束、而是或多或少椭圆偏振的光束朝向TFP返回，结果就有可以精确调整的一定部分被TFP透射并且可作为反馈光束使用。一方面可使得这部分的大小足以在尽可能完美检测激活介质的数目反转的情况下实现可靠的激光功能，但是另一方面也要使其保持尽可能小，从而使得本发明所述装置的优点不会丧失，也就是一方面要在反馈支路中实现尽可能小的辐射强度，另一方面实现没有准轴模的激光器工作模式。
由于激光输出功率与反馈率之间存在关系，在此必须根据所需的工作模式和激光器功率等级研究一种折衷方案。如果力求让激光器在连续工作模式下工作同时实现最佳输出功率，则需要例如比以下所述的脉冲(Q开关)工作模式下更高的反馈率。就这里所讨论的用于材料加工、功率范围在几百至几千瓦的二氧化碳激光器而言，当cw功率损失比较小的时候，5和20％之间的反馈率就足以满足以上所述的反馈支路中以及cw工作模式下强度尽可能小的要求。
2.没有准轴模的Q开关激光器
本发明所述二氧化碳激光器的主要应用领域是需要快速功率控制的应用，尤其是需要利用Q开关产生辐射脉中的应用。将所需的元件布置在具有强度很小的特征的反馈支路之中。与常规的二氧化碳激光器相比，这里可以利用所有可供10μm波长使用的调制方式，这些调制方式一般对较高的强度比较敏感，例如当直接布置在高功率谐振器中的时候，要么会严重恶化或者甚至破坏辐射质量。以下将讨论这种功率控制的五种方式：电光和声光调制器，干涉激光辐射调制器，简单的斩光盘以及快速振荡倾斜镜。
a)使用电光调制器(EOM)
将线性电光效应(波克尔斯效应)用于谐振器内部的激光功率控制，主要特点是可以实现亚纳秒级的极短开关时间，特别适合于激光器的Q开关，并且此外还有上升时间或者脉冲重复频率之类的开关参数灵活性非常高的特点。在可见光和近红外光谱范围内存在很多非常适用于电光开关的晶体，该选项在二氧化碳激光器的波长范围内实际上仅仅局限于市面上可以买到的CdTe调制器。由于其光学特性与例如ZnSe相比很不好，特别是其吸收比较高，只能将这些调制器用于比较低的强度。本发明所述的激光器在此通过具有与常见激光谐振器相比减小了大约一个数量级的强度(在相同激光输出功率的情况下！)的其特殊的反馈支路，提供有利的解决方法。新型装置的另一个特别有利的特点表现了这样的事实：在常规谐振器中必须针对EOM的调制作用额外加入偏振敏感元件(检偏振器)，而在本发明所述的谐振器中则已经以TFP的形式存在。由于CdTe-EOM的横截面积比较小，一般小于高功率二氧化碳激光器的光束横截面，因此在大多数情况下需要例如借助望远镜调整光束直径。
然后开关或者调制功能就会如以下所述执行。从TFP进入反馈支路的光束呈线性并且平行于TFP的入射平面偏振，经过光束整形装置(望远镜)和没有电压的EOM，并且被100％反射镜所反馈，其中如果已对所述元件进行了最佳调整，那么返回到激活介质之中的光束就会具有与入射光束相同的传播特性(发散度)和相同的偏振，从而保证了准理想谐振器功能(横模结构！)，也就是激光器以最佳功率工作。如果现在对EOM施加λ/4电压从线偏振光束形成圆偏振光束，后者就会在遇到100％反射镜反射并且第二次通过EOM之后重新变为线偏振，但是现在垂直于入射光束。当该光束抵达TFP时，就会将其从谐振器光路中完全反射出来并且被吸收器截获，也就是反馈趋向于0。在所产生的谐振器损耗使得系统处在“激光阈值”以下的时刻停止产生辐射。需再次强调的是，以这种方式可开关大致比反馈支路中的功率高一个数量级的激光功率！可以实现的最小开关时间取决于EOM本身的特性及其控制以及谐振器长度，并且通常为ns量级。
b)使用声光调制器(AOM)
通常用Ge晶体为二氧化碳激光器制作基于声光效应的调制器。这些均与CdTe一样，其允许负荷能力明显有限，根据要求，即使存在交变负荷，例如当激光功率变化时，谐振器内的光路也必须保持尽可能不受影响。不应超过100W/cm2。本发明所述激光器的原理也能在这里提供出路。因为AOM与EOM完全类似，其自由孔径有限，原理构造与a)所述的相似，也就是使用望远镜，AOM取代EOM的位置。通常情况下重新针对无电压的AOM确定激光器功能空闲。激活AOM，从而在两次通过时使得辐射从反馈支路中衍射出来并且利用吸收器将其截获，使得激光功能停止，就可以关闭激光器，也就是将反馈减小到阈值以下。在实施例中也描述了将衍射光束用于反馈的第二种可能性。
可实现的开关时间在μs范围内及以下，也就是可以利用AOM实现MHz范围内的调制频率。使用AOM的优点主要是稳健性较高，并且Ge的光学均匀性好于CdTe，所需的开关电压较低以及成本较低。
c)使用干涉激光辐射调制器(ILM)
这种类型的调制器基于法布里-珀罗干涉仪(FPI)的原理，并且通常给其配备两块ZnSe板作为光学作用元件。由于ZnSe的特性非常好，并且在二氧化碳激光技术领域的用途很广，因此ILM的优点在于一方面可以对其进行调整，使之适应于谐振器内部的光束直径，从而不需要附加的望远镜，另一方面耐辐射能力大大高于CdTe和Ge。利用此类调制器也可以开关本发明所述类型的多千瓦激光器。
ILM作为可变分束器工作，就是说以实际上没有损耗的方式将入射激光功率划分为透射光束和反射光束，其中划分比例非常灵活，当然仅仅在kHz范围内，可以通过相应的控制器予以改变。由于ILM在透射率最大时达到值1，因此可将其适当布置在光路之中(类似于EOM和AOM的位置)，使其符合全激光功能的状态。现在利用控制电流将其朝向反射增大方向调整得越大，则谐振器损耗就会上升，因为反射部分由于ILM轴线相对于谐振器轴线的倾角很小而从反馈光路中被反射出来并且被吸收器消除。如果由于损耗重新下降到激光阈值以下，激光功能就会停止。
这些布置方式可以实现的开关或脉冲参数是μs级的开关时间和脉冲持续时间以及达到104Hz量级的脉冲重复频率。由于ILM类型的调制器可以承受几百瓦的负荷，因此可以实现多个千瓦的平均激光输出功率。
d)使用机械开关
也可以将简单的机械开关用于本发明所述激光器的Q开关，尤其适宜使用旋转针孔或狭缝光阑或者快速振荡倾斜镜。例如可以将具有中间焦点的开普勒望远镜置于反馈支路之中，并且在该焦点处利用快速旋转的孔盘或者狭缝盘在μs范围的短时间内对其进行开关。视圆盘上的自由孔数量和排列及其旋转速度而定，可以非常有效地将可供使用的激光器平均功率转变为功率大幅增强、脉冲重复频率达到几十个10kHz和μs级脉冲持续时间的脉冲。反馈支路中较低的辐射强度在这里也有很好的影响：当产生功率很强的脉冲时，旋转圆盘的开关边沿就会遭受很高的辐射强度，如果是常规激光器，这就会引起烧蚀过程，并且因此可能会迅速破坏开关边沿，而在本发明所述的激光器中则可以避免这种情况。在实施例中也描述了具有快速振荡倾斜镜的方案。
3.自振荡
如上已经所述，本发明所述的激光器因其特殊的谐振器构造而具有一种完全特别的工作模式-自振荡。以下还将详细解释这种新的效应。出现自振荡的基础是精密调整所述激光器的两个特征元件，即谐振器其中一端的λ/4移相器和另一端的TFP，其中波长选择元件在需要时必须保证激光器在某个精确定义的、符合移相器和TFP的特征的波长上工作。所谓“精确调整”表示λ/4移相器的入射面(如果假设在此所涉及的是常见的PRS)和TFP恰好相对转动了45°。同样必须以常见的方式精确调整谐振器的两个100％端镜。
为了定性理解激光器接通之后的所有运行过程，假设激活介质中的数目反转已达到了准平衡状态，并且现在观察首先仅仅由随机恰好在激光器轴线方向运动的自发发射光子所构成的初始辐射光束在谐振器内继续传播的路径上是怎样的情况。如果假设该初始辐射光束在位于TFP中的激活介质的端部开始传播，并且在激活介质内部的方向上、也就是在λ/4移相器的方向上运动，那么该效应就会变得最为明显。在该路径上使得光束增强，对于自发发射的初始辐射光束而言典型的非偏振状态实际上保持不变。移相器-100％端镜-移相器路径分段也不会改变什么，因为这里将所有辐射部分均旋转了90°，也就是光束保持非偏振。在第二次通过激活介质继续增强之后，现在射向TFP并且在那里基本上被分为两个强度相同、呈线性但是相互垂直偏振的部分光束。将其中一个输出耦合，将另一个反馈。后者现在重新朝向λ/4移相器经过激活介质，但是其特性与初始辐射光束相比显著改变：首先为线偏振，其次由于感应发射而具有高得多的功率。在第二次“往返(roundtrip)”通过谐振器时使其继续增强，并且使其在重复通过λ/4移相器时在其偏振方向旋转90°(自振荡的决定性因素)，使其在到达TFP时被完全输出耦合，反馈为0。这样就不会通过感应发射继续增强，在所述形式的新循环开始之前，激光器的输出功率实际上短时间趋向于0。从过程的定性说明可以清楚看出，每当光束完成两次循环时，也就是当经过了距离4L(L是谐振器长度)，激光输出功率就会变为最大。由此得出脉冲重复频率fimp
fimp＝c/4L，
式中c是光速。若为数米长的谐振器，则会产生10MHz量级的脉冲重复频率。其前提条件是：激活介质中的数目反转没有因为辐射光束四次通过而大幅降低，从而需要与相应激光器的泵送速率有关的一定“泵送时间”来重新开始循环。如果后者是这种情况，脉冲重复频率自然就会下降。
与本发明所述特殊谐振器配置相关的自振荡效应可在连续泵送时因其相应的周期性脉冲序列，不必将附加功率调制元件整合到谐振器光路之中！值得注意的是，“自振荡辐射”的平均功率实际上等于激光器的cw值。
4.激光-工件辐射解耦
除了上述快速功率调制的可能性之外，本发明所述二氧化碳激光器在实际应用于材料加工设备之中时提供另一个吸引人的优点。
经常必须加工高反射材料，尤其是金属，这些材料会反射或者散射很大一部分入射辐射。由于该辐射经过聚焦元件朝向激光器至少非常好地平行返回，并且可能经由输出耦合元件进入谐振器之中，因此明显会干扰谐振器内部的辐射产生，从而明显感到光束质量变差以及功率波动，尤其是脉冲的峰值功率波动。因此常见的现有技术是利用ATFR反射镜、也就是偏振相关的反射镜/吸收器与λ/4相位延迟反射镜组合体构成用于在激光器和工件之间实现辐射解耦的“光学二极管”，所述光学二极管允许激光辐射在工件方向通过，但是会吸收返回部分。
如果现在利用本发明所述的二氧化碳激光器进行工作，在激光器内部就以偏振分束器的形式确定了ATFR反射镜的作用。如前所述，光束以线偏振方式离开激光器。当光束在朝向/离开工件的往返路径上两次通过λ/4相位延迟反射镜的时候，就会使其偏振平面旋转90°，从而可在射向偏振分束器时自动从谐振器光路中将其偏转出来，并且可以通过吸收器将其截获。
因此就产生了两个优点：首先可以放弃使用ATFR反射镜，其次需要消除的光束部分并非像ATFR反射镜那样被温度敏感元件本身吸收，而是以所需的方式使其从光路中偏转出来，并且将其引向合适的吸收器。
5.外部功率调制
在完成众多的激光材料加工任务时，必须在加工过程期间改变激光功率。通常以干预激光加工工艺的方式予以实现，一般是通过改变泵送能量输入。这样当然会影响光束质量，就是说K值会随着被调用的功率而变化，结果就会降低加工质量。外部调制器可在这里提供出路，所述外部调制器允许在很大程度上改变工件上的功率，同时保持光束质量。
本发明所述的激光器对于某个所选的参数集(例如脉冲持续时间、脉冲重复频率和脉冲峰值功率)具有按照最佳光束质量定义的最优工作模式，因此有利于通过不影响激光功能的外部调制器实现所需的功率变化。
为此主要可提供两种有效的方法，即声光调制器和干涉激光辐射调制器，可以将其各自布置在激光输出端附近，并且不会干扰其它所需的光束整形措施，例如之前所讨论的激光-工件辐射解耦。
在AOM的情况下最好将衍射光束用作加工光束，因为可以将其功率从0调节到最大值。要么可通过吸收器消除非衍射部分，或者例如将其引向探测器对激光功率进行在线检查。可根据需要使用光束整形元件(望远镜，光阑)，以使得来自激光器的辐射场完美适应于调制器。
可以不使用此类附加元件将ILM整合到光路之中，因为可以调整干涉平板的自由孔径使之毫无问题地适应于激光辐射。ZnSe构成的FPI平板能够承受几百瓦辐射功率，在通常用作加工光束的透射光束中不会出现光束质量变差。要么可以重新通过吸收器消除未使用的反射部分，或者将其用于在线检查。
还需提及的是，有利的是将本发明所述的激光器全部装在外罩中，以防止直接属于激光器的元件受到灰尘、空气湿度和气候波动之类的外界因素的影响。通常这通过这种方式有益地解决：使得整个外罩与激活介质直接结合，就是说这些元件均被激光气体包围。
这样就能使其使用寿命适合于激光器的常见标准。
以下根据附图中示意绘出的实施例解释了本发明的对象。相关附图如下：
附图1是本发明所述二氧化碳激光器的示意图
附图2是布置λ/4相位延迟反射镜(PRS)作为λ/4移相器的原理图
附图3是基于ZnSe的薄膜偏振片(TFP)的工作原理
附图4是具有TFP并且透射光束作为输出耦合光束以及将反射光束作为反馈光束的布置方案
附图5是本发明所述二氧化碳激光器的布置方案
a)具有TFP和快速功率调制元件的方案
b)用于实现自振荡-第一次谐振器往返的方案
c)用于实现自振荡-第二次谐振器往返的方案
附图6是利用EOM实现快速功率调制的布置方案
附图7是利用AOM实现快速功率调制的两种布置方案
a)利用透射光束进行反馈
b)利用衍射光束进行反馈
附图8是利用ILM实现快速功率调制的布置方案
附图9是利用斩光盘产生脉冲的布置方案
附图10是利用倾斜镜产生脉冲的布置方案
附图11是在使用本发明所述二氧化碳激光器的情况下的激光器-工件辐射解耦布置
附图12是激光辐射的外部功率控制
a)利用ILM的方案
b)利用AOM的方案
附图13是谐振器输出耦合端上的真空密封外罩
附图1所示为本发明所述二氧化碳激光器的基本构造示意图。在此关于激活介质1存在哪些具体的几何比例并不重要。如图所示，在两端分别由高反射镜3和4封闭谐振器。通过偏振分束器5将谐振器划分为主要包含激活介质1的高功率支路和功率较低的反馈支路14。可通过偏振分束器5与谐振器另一端的λ/4移相器2的相互作用，按照以下方式实现所需的这种划分。当来自激活介质1方向具有任意偏振的辐射6射向偏振分束器5时，就会将其划分为两个相互垂直线偏振的部分，其中一部分被反射，另一部分则被透射。在附图1中这就是具有水平偏振10的输出耦合光束7和具有垂直偏振9的反馈光束8。后者遇到端镜4反射之后重新通过偏振分束器5，在激活介质1中使其增强，然后通过λ/4移相器2。根据偏振分束器5的特征轴线13和λ/4移相器2的特征轴线12之间所调整的哪一个角度而定，垂直线偏振入射波的偏振状态可能会因此变化。在第一种特殊情况下保持不变，在第二种特殊情况下变为圆形，一般情况下则为椭圆形。在光波遇到端镜3反射并且第二次通过λ/4移相器2之后，在第二种特殊情况下重新产生线偏振辐射，当然现在具有水平偏振，在一般情况下椭圆偏振保持不变，但是改变了轴比。该偏振椭圆的垂直和水平部分之间的关系现在就是通过偏振分束器5实现功率划分的决定性因素，只有在激活介质1中继续增强之后，修正波才会重新到达偏振分束器。如前所述，本发明所述二氧化碳激光器的主要目标是将具有垂直偏振9的反馈光束8的功率保持尽可能低，且在此不会影响激光器的所需功能。如果λ/4移相器2(优选予以实现)或者偏振分束器5或两者均可以围绕谐振器轴线11旋转排列，那么相应调整角度就能找到最佳状态。这里本发明所述解决方案相对于常规激光器的另一个优点在于：就后者来说必须更换具有不同反射率的输出耦合元件，才能优化反馈率，而这里只要简单改变角度就足以找到激光功能的最佳状态。
现在可以将各种不同的光束整形元件15整合到具有较低优化功率的反馈支路14之中，尤其是用于快速功率调制和/或者波长选择的元件，以及例如适合用于保证激光器具有较高光束质量的空间滤波器。对此这种布置的特别优点在于，可以将例如具有很高性能、但是功率敏感度很大、因此并非有利地在该功率等级的常规激光器中使用的元件毫无问题地用于本发明所述的二氧化碳激光器之中。
附图2所示为λ/4移相器2的一种有利的实际解决方案，即使用λ/4相位延迟反射镜(PRS)16。这些反射镜也适用于千瓦级的高功率。左图所示为具有可调端镜3的紧凑布置结构的剖面图，右图为使得该单元围绕谐振器轴线11旋转的可能性。如左图中所示，其中绘图平面相当于辐射的入射平面，必须适当选择各个组件的相对排列，使得不仅谐振器轴线11与PRS16的垂直线43之间、而且后者与端镜3的垂直线44之间的角度β均为45°。现在假设射向该单元的光束在入射平面中、也就是在左图的绘图平面中为线偏振，那么遇到两个反射镜就会不改变偏振反射回来，也就是几乎没有变化返回到激活介质之中。但是如果该单元如右图中所示以角度相对于该初始位置旋转，那么在的特殊情况下就会在遇到PRS 16第一次反射之后产生圆偏振辐射，在遇到端镜3反射之后并且随后遇到该端镜第二次反射之后重新产生而是与原先方向垂直的线偏振辐射。对于0°＜＜45°区间内的值将获得椭圆偏振辐射。
本发明所述激光器的关键特征就是利用所述的单元，通过调整合适的角度适当修正来自激活介质的线偏振辐射(例如附图1中所示的垂直偏振)，使得返回的辐射在垂直和平行偏振分量之间具有所需的功率比。
对于二氧化碳激光器，基于ZnSe的薄膜偏振片(TFP)17可作为偏振分束器5的实用解决方案。其作用原理如附图3所示。将经过特殊涂层处理的ZnSe平板以布鲁斯特角αB置于光路之中，并且将任意偏振的入射光束划分为在入射平面中线偏振的透射光束和与其垂直的线偏振反射光束。图中所示为TFP 17的反射率与这两个光束部分的波长的关系，当二氧化碳激光器的主波长为10.59μm，则该划分近乎完美。
与λ/4移相器2相配合，TFP 17现在就能按照本发明所述将来自激活介质方向的光束6划分为功率强的输出耦合光束7(功率PA)和功率比较弱的反馈光束8(功率PR)。在真正用于材料加工的高功率二氧化碳激光器中，通常很少百分点的入射辐射就足以进行有效反馈，因此可以应用的功率比PA/PR为10及以上，就是说可以整合到反馈支路14之中的光束整形元件的辐射负荷特别小。如前所述，可以通过角度调整、优化该比例。
原则上可按照两种方式在TFP 17上划分光束。要么输出耦合反射光束，并且将透射光束用于反馈，或者反其道而行之。两种方案均有优缺点，主要源自于TFP 17的两个特性：首先p分量的吸收率大大高于辐射的s分量，其次如附图3所示p分量的反射率与波长有很大关系。
如果现在输出耦合反射光束并且反馈透射光束，则有两个优点，首先作为s分量的强功率部分遇到TFP 17的正面被反射，并且只有极小的吸收损耗，其次所透射的并且与反馈相关的p分量的λ波长依赖性甚至具有稳定激光器功能的作用。肯定的缺点是作为p分量的反馈光束两次通过TFP17，也就是在吸收率比较高的情况下，存在谐振器内波前畸变的危险。如果反馈反射部分，该问题就会消失，但是会出现另外两个危险，也就是说，TFP17中的“热透镜”和p分量的波长依赖性会引起输出光束7的分散度受到严重影响的危险，为了避免并非所愿的激光线起振，需要在反馈支路14中采用附加的波长选择装置。附图4所示为后一种方案，以光栅反射镜25作为波长选择元件。
附图5所示为比较常用的输出耦合反射光束的方式。图5a)所示为最为重要的情况，包括作为分束器的TFP 17和反馈支路14中的功率调制元件15，以及典型的偏振比。具有垂直线偏振9的返回光束43在第一次通过时遇到λ/4移相器2变为具有弱椭圆偏振46的辐射，并且在第二次通过时遇到端镜3变为具有强椭圆偏振47的辐射，其主偏振分量在水平方向，使得激活介质1中增强的光束6在TFP 17上被划分为较强的作为s分量的反射光束7和较弱的作为p分量的透射光束8。后者两次通过光束整形尤其是功率调制元件15，接着在没有更多功率损耗的情况下通过TFP17并且重新作为具有垂直线偏振9的返回光束43通过激活介质1。
图5b)和c)所示为自振荡的特殊情况。为了更好解释效应，将示意图划分为第一次谐振器往返(5b))和第二次谐振器往返(5c))，合起来等于自振荡的一个周期。在图5b)中光束45在点44处开始，该光束首先仅仅由恰好在谐振器轴线11方向运动的自发发射光子构成。该非偏振光束(48)在激活介质1中被增强，两次通过λ/4移相器2，并且在继续增强之后仅仅作为依然非偏振的光束6到达TFP 17，现在将其分成两个同样大的部分7和8，这些部分各自为线偏振。光束8被反馈，并且在到达点44时结束第一次往返。
现在已经比较强且具有线偏振9的光束8在继续增强之后到达λ/4移相器2，该移相器经过适当调整(通过角度)，使得光束在第一次通过之后恰好具有圆偏振49，并且接着在遇到端镜3反射并且第二次通过之后重新变为水平(10)线偏振。该光束在继续增强之后到达TFP 17，并且现在将其完全反射，也就是输出耦合。反馈为0，必须重新开始图中所示的过程，也就是说，原则上以两次“往返”通过谐振器的方式确定自振荡的脉冲重复频率。输出耦合光束7中随时间变化的功率曲线取决于激光参数，并且只能通过结算平衡方程式或者通过实验予以确定。
附图6～10所示为本发明所述二氧化碳激光器的众多可行布置方案中的特征示例。
在附图6中首先将EOM 18用于谐振器的反馈支路14之中。很难将此类调制器用于二氧化碳激光器的较大波长，必须采用比较小而且昂贵的开关晶体，例如CdTe构成的晶体，这些开关晶体需要很高的开关电压，并且其光学参数(耐辐射能力和吸收率)并非最佳。但是其开关速度极高，这正是使其得到应用的正面因素。与常见的二氧化碳激光器相化，本发明所述的激光器具有能解决所述问题的明显优点。首先即使在输出耦合光束7中的平均功率比较高时，也能适当减小反馈支路14中的功率，从而例如可以使用伽利略式望远镜22调整反馈光束8的直径D使之适应于较小开关晶体18的自由孔径d，而不必担心由于功率密度提高而毁坏晶体。其次在谐振器内已经与TFP 17一起包含了利用电光晶体进行调制所需的偏振选择元件，即不必额外加入偏振选择元件。对调制器施加十分之一波长电压，就足以将反馈光束8的偏振方向旋转90°，使其在返回时被TFP 17作为光束28完全反射并且被吸收器26消除，从而完全关闭反馈。
附图7所示为类似的布置，但是使用了AOM 19。由于开关速度主要取决于自由直径d(较小的d-较高的开关速度)，因此一般只有d＜10mm的调制器可以使用，使得这里也至少需要整合伽利略式望远镜22。由于在二氧化碳激光器中作为声光晶体使用的锗同样对高强度比较敏感，因此反馈支路中的低功率就是本发明所述激光器的关键优点。
附图7所示为使用AOM的两种方案。在图7a)中通过不使用控制信号直接从AOM 19朝向端镜4通过的光束实现反馈，也就是激光器工作的状态。当施加控制信号时，也就是在调制器中产生折射率光栅时，就会使得往返光束以或多或少与控制信号相关的程度从谐振器光路中衍射出来(光束29)。这样实现对反馈以及激光输出功率进行调制。如果被吸收器26吸收的衍射损耗足够高，就能使得激光器低于其阈值，并且从而可将其完全关闭-可以实现无懈可击的脉冲工作模式。
在图7b)所示的第二种方案中，将调制器在施加控制信号时所衍射的光束29用于反馈。在此很显然，当控制信号为零时反馈也为零，也就是激光器被关闭。因此也能使得在反馈很小时就已起振的高增益激光器脉冲工作。该布置的另一个有利方面是其波长选择性就在衍射过程之内，因此可以在谐振器光路中放弃使用其它波长选择元件。为了保证较高的光束质量并且消除AOM边缘区域中并非所愿的衍射效应对激光器的横模结构的可能影响，可以将特殊光阑53作为望远镜22和调制器19之间适用的空间滤波器。
附图8所示为使用ILM 20快速控制本发明所述二氧化碳激光器的功率。在附图所示的布置中，如果调制器在理想情况下被调整为透射率等于1，并且反馈光束8能够几乎没有损耗通过，则激光器就会工作。当施加相应的控制电流时，就会改变干涉仪平板的距离，并且出现或多或少的强反射辐射部分30，吸收器26重新将其消除。由于T＝1-R，因此透射部分以同样程度下降，并且反馈因此下降，可以调制或者也可以关闭激光器输出功率，并从而实现脉冲工作模式。
仅当迫使激光器在恰好某一波长上工作时，所述的情况才会顺利起作用。为此必须安排波长选择元件-在附图8中这就是衍射光栅25，该衍射光栅同时替代端镜4。
ILM也对高功率比较敏感，因为两个干涉仪平板在高负荷下可能会明显影响透射波前。因此反馈支路14中很小的辐射负荷在这里也是一个重要的因素。
附图9所示为另一种方案，不如之前所述的灵活，但是非常简单而且便宜。利用被可控电机24驱动并且至少可以调节转速的快速旋转斩光盘
21周期性接通、关闭反馈光束8。为了在μs范围内尽可能迅速地完成接通过程并且引起功率大幅度增强的真正Q开关效应，反馈光束8并非在其原始直径处被“斩断”，而是在开普勒式望远镜23的中间焦点处斩断。原则上不需要其它元件。该系统的反馈支路14中功率很小的再一个优点在于，尽管可在望远镜中进行锐聚焦，当产生功率很强的脉冲时也不会在开关边上形成火花，因此不会发生可能会使得斩光盘21的使用寿命大幅度减少的材料烧蚀。
附图10所示为现代高功率扫描系统开发所感兴趣的一种方案。为了同时说明如何可将基于透镜的望远镜替换成反射镜，在这里使用由凹面镜50和凸面镜51构成的伽利略式望远镜。通过该望远镜减小了直径的光束8射向替代端镜4的倾斜镜52。通过该倾斜镜52的快速振荡使得激光谐振器在调整和非调整状态之间迅速来回转换，以这种方式产生辐射脉冲。可以实现的脉冲重复频率为104Hz量级。由于该脉冲重复频率取决于倾斜镜52的质量及其直径，因此适宜减小光束直径。反馈支路14中很小的功率在这里也特别有益，因为可以利用mm量级很小的反射镜直径以及非常高的脉冲重复频率，没有毁坏反射镜的危险。
本发明所述二氧化碳激光器的优点并非局限于激光器的辐射特性。附图11所示为在材料加工设备中使用这种激光器带来的明显好处。对于此类设备而言，通常一方面并非将线偏振、而是将圆偏振辐射36射向工件33，另一方面要在激光器和工件之间采取辐射解耦措施，以使得例如从高反射材料朝向激光器返回的辐射37不会在激光器中导致辐射形成过程不稳定。为此在常见的设备中将反射s偏振辐射并且吸收p偏振辐射的ATFR反射镜与λ/4移相器34两个部件配合使用。如果使用本发明所述的二氧化碳激光器，则可以放弃ATFR反射镜，因为偏振分束器(在附图11中就是TFP17)可自动完成其任务。在两次通过外部λ/4移相器34之后，就会使得来自工件33的光束38而是垂直于激光辐射35线偏振，并且结果TFP 17就会使其完全通过，也就是从谐振器光路中将其消除。吸收器26可消除该辐射。
在真实的材料加工过程中通常需要改变激光功率。为了不影响激光功能的优化设置参数，尤其为了不影响激光辐射的质量，适宜进行外部功率调制。附图12所示为可以与本发明所述二氧化碳激光器配合使用的两种方法。图12a)所示为使用ILM 54进行外部功率调制。在此来自激光器的光束35被ILM 54划分为功率经过调节后输送给工件33的透射光束59以及具有剩余功率的反射光束58。在可以是吸收器或者辐射探测器的元件55中要么将后者消除，或者将其用来进行在线监测。使用ILM的优点在于其耐辐射能力比较高，但是调制速度局限在10到100μs的时间范围内。可以实现的最大/最小功率调制范围取决于所使用的干涉仪平板。典型的ILM模型允许激光束35以10和100之间的系数衰减。
如图12b)中所示，使用AOM57能够实现亚μs级的极高调制速度，在其前面布置一些用于光束整形56的光学元件，例如用于调整光束直径的望远镜以及用于保证光束质量的特殊光阑。在该示例中将衍射光束作为经过功率调节的光束59提供给工件33。重新可选择地在吸收器/探测器55中消除或者测量剩余光束58。该布置的另一个优点是可以任意减弱光束59，最小可减弱至0W。但是根据AOM模型而定，可调功率有所限制。
附图13所示为实现本发明所述二氧化碳激光器的重要因素示意图。为了保证谐振器内部敏感元件的长期稳定性，也就是防止其受到灰尘和气候影响，应将整个系统安置在真空密封的外罩31之中。附图12所示就是具有薄膜偏振片17和反馈支路元件14的激光器端部的这种情况。输出耦合光束7经由透明材料尤其是ZnSe构成的窗口32离开激光器。在谐振器的另一端同样应将λ/4相位延迟反射镜16和端镜3这些元件纳入外罩之中。实际上可以将整个真空密封的外罩31与激活介质1相连。
附图标记清单
1 激活介质
2 λ/4移相器
3 端镜1
4 端镜2
5 偏振分束器
6 射向偏振分束器5或17的光束
7 输出耦合光束
8 反馈光束
9 垂直偏振方向
10 水平偏振方向
11 谐振器轴线
12 λ/4移相器2的特征轴
13 偏振分束器5的特征轴
14 谐振器的反馈支路
15 光束整形元件
16 λ/4相位延迟反射镜(PRS)
17 薄膜偏振片(TFP)
18 电光调制器(EOM)
19 声光调制器(AOM)
20 干涉激光辐射调制器(ILM)
21 斩光盘
22 伽利略式望远镜
23 开普勒式望远镜
24 驱动元件
25 反射光栅
26 吸收器
27 ILM 20的光轴
28 其偏振方向被EOM 18旋转90°的光束
29 被AOM 19衍射的光束
30 被ILM 20反射的光束
31 真空密封外罩
32 透明材料构成的窗口
33 工件
34 外部λ/4移相器
35 激光器的线偏振辐射
36 在工件方向上传播的圆偏振辐射
37 从工件在激光器方向上传播的圆偏振辐射
38 来自工件并且被λ/4移相器(34)线偏振的辐射
39 偏转镜
40 加工头
41 PRS 16的垂直线
42 端镜3的垂直线
43 在λ/4移相器2方向上传播的光束
44 自发辐射的起点
45 在谐振器轴线11方向传播的较弱的自发发射光束
46 较弱的椭圆偏振
47 较强的椭圆偏振
48 非偏振辐射
49 圆偏振
50 凹面镜
51 凸面镜
52 倾斜镜
53 特殊光阑
54 布置在外部的ILM
55 可选择的吸收器或探测器
56 用于光束整形的外部元件
57 外部AOM
58 被消除的辐射部分
59 功率经过调节的辐射
c 光速
d 减小的激光束直径
D 激光束直径
fimp 脉冲重复频率
L 谐振器长度
P0 划分之前的辐射功率
Pp 平行偏振辐射部分的功率
Ps 垂直偏振辐射部分的功率
PA 输出耦合光束的功率
PR 反馈光束的功率
S1，S2 端镜
AOM 声光调制器
ATFR 吸收薄膜反射镜
cw 连续波
EOM 电光调制器
FPI 法布理-珀罗干涉仪
ILM 干涉激光辐射调制器
PRS λ/4相位延迟反射镜
TFP 薄膜偏振片
αB 布鲁斯特角
β 谐振器轴线与PRS垂直线之间的角度
ε ILM轴线相对于谐振器轴线的倾角
λ 波长
偏振分束器特征轴与λ/4移相器之间的角度

Claims (10)

1.二氧化碳激光器，具有在两端利用谐振器端镜(3，4)封闭的含有激活介质(1)的谐振器，并且具有用于供应泵送能量的电极，
其中正交于谐振器端镜(3，4)延伸，在谐振器轴线(11)方向将所述谐振器在谐振器端镜(3，4)之间划分为高功率支路和反馈支路(14)，
其中通过用来将谐振器中产生的激光束(7)的一部分输出耦合的偏振分束器(5)将高功率支路和反馈支路(14)相互分开，
其中将激活介质(1)和λ/4移相器(2)布置在第一谐振器端镜(3)和偏振分束器(5)之间的高功率支路之中，
其中将光束整形元件(15)布置在第二谐振器端镜(4)和偏振分束器(5)之间的反馈支路(14)之中，
其中所述λ/4移相器(2)和偏振分束器(5)能够相对彼此以角度旋转，而且是以平行于谐振器轴线(11)的至少一个旋转分量围绕旋转轴线或者围绕谐振器轴线(11)旋转，
其中所述谐振器轴线(11)直线延伸，或者被偏振分束器(5)折弯地伸展，并且
其中可以通过作为光束整形元件(15)的波长选择元件替换第二个谐振器端镜(4)。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳激光器，其中谐振器(14)尤其是高功率支路中的激活介质具有小于0.2巴、尤其小于0.1巴的压力，并且/或者其中将λ/4移相器(2)布置在激活介质(1)和第一谐振器端镜(3)之间。
3.根据权利要求1或2所述的二氧化碳激光器，其中两个谐振器端镜(3，4)具有大于95％、尤其大于99％的反射率。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的二氧化碳激光器，其中所述光束整形元件(15)选自由功率调制元件、波长选择元件、特殊光阑以及2个或更多此类元件的组合体组成的群组。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的二氧化碳激光器，其中所述λ/4移相器(2)尤其是适合于高功率的λ/4相位延迟反射镜(16)。
6.根据权利要求1～6中任一项所述的二氧化碳激光器，
其中可以调整角度其条件是经由激活介质(1)在偏振分束器(5)的方向上传播的光束(6)和在λ/4移相器(2)的方向上传播的光束(43)各自相互垂直线偏振，或者
其中可以调整角度其条件是经由激活介质(1)在λ/4移相器(2)的方向上传播的光束(43)为线偏振，并且经由激活介质(1)在偏振分束器(5)方向上传播的光束(6)为椭圆偏振，其中椭圆的偏心率和位置取决于
其中优选地将偏振分束器(5)所反射的光束用作输出耦合光束(7)，并且将透射光束用作反馈光束(8)，并且其中谐振器轴线(11)优选地穿过偏振分束器(5)直线延伸。
7.根据权利要求1～6所述的二氧化碳激光器，其中将偏振分束器(5)所透射的光束用作输出耦合光束(7)，并且将反射光束用作反馈光束(8)，并且其中谐振器轴线(11)优选经由偏振分束器(5)折弯地延伸。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的二氧化碳激光器，其中在谐振器的反馈支路(14)中使用第二谐振器端镜(4)的位置上的衍射光栅(25)作为波长选择元件。
9.具有用于工件的工件夹具和权利要求1～8中任一项所述二氧化碳激光器(35)的材料加工设备，其中可以利用工件夹具相对于激光器的激光输出端定位工件，其中将λ/4移相器(34)布置在激光输出端和工件(33)之间的光路之中，优选地直接布置在激光输出端旁边，其条件是将激光器(35)的线偏振辐射转变为圆偏振辐射(36)，使得遇到工件反射或者散射之后在激光器的方向返回传播的辐射部分(37)在第二次通过λ/4移相器(34)之后重新线偏振但是垂直于所发射的激光辐射(35)偏振，并且这个辐射部分(38)在进入谐振器中的激活介质(1)之前被偏振分束器(5，17)从激光束方向偏转，并且被吸收器(26)消除。
10.具有用于工件的工件夹具和权利要求1～8中任一项所述二氧化碳激光器(35)的材料加工设备，其中可以利用工件夹具相对于激光器的激光输出端定位工件，其中将功率调制元件优选是干涉激光辐射调制器(54)或者声光调制器(57)整合在激光输出端和工件(33)之间的光路之中，其条件是不改变激光器中的控制参数就能在很大程度上在其功率上调节在工件(33)的方向上传播的光束(59)。
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