CN104779512A - 9.3μm波长激光的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种9.3μm波长激光的制备方法包括以下步骤：在二氧化碳激光器的放电管内充入¹²C¹⁸O₂、N₂、He的混合气体，调整放电管内的气压，满足1：1：6<P(¹²C¹⁸O₂)：P(N₂)：P(He)<1：1：9；充入辅助气体Xe，气压满足：3％<P(Xe)：(P(¹²C¹⁸O₂)+P(N₂)+P(He))<10％。注入射频功率，两板条间的气体放电；激发生成9.3μm波长的激光，并从密封放电管的窗口输出。上述9.3μm波长激光的制备方法降低制备9.3μm波长激光的成本。并且通过合理控制放电管内的气压，使上述9.3μm波长激光的制备方法的生产效率较高。

Description

9.3μm波长激光的制备方法

技术领域

本发明涉及一种激光的制备方法，特别是涉及9.3μm波长激光的制备方法。

背景技术

二氧化碳激光器是以二氧化碳气体作为工作物质的气体激光器。封离型射频激励扩散冷却板条波导CO₂激光器是一种常见的商用激光器，其功率范围在数瓦到数千瓦，并且具有结构紧凑，体积小，工作频率易于调制，免维护等众多优点，在激光加工中得到了广泛的应用。其放电电极由两片平行放置的金属板条构成，两板条间距一般几毫米，一侧板条连接射频电源，一侧板条接地放电发生在两板条之间。板条和激光腔镜固定安装在密封的金属外壳中，激光由金属外壳上的窗口输出。金属板条和密封外壳一般采用铝材质。在金属密封壳内充上二氧化碳工作气体，包括CO₂气体，N₂，He。注入射频功率，激励二氧化碳工作气体放电，就可以输出二氧化碳激光。

自然界中丰度最高的二氧化碳气体为¹²C¹⁶O₂，其跃迁最强的谱线中心波长为10.6μm。一般二氧化碳激光器的输出波长为10.6μm。

对于计算机、通讯产品及电子产品等的非金属材料的高精度切割、打孔、标记，采用单光子能量更高波长为9.3μm的激光，可以得到更加精细，美观的效果。目前制备9.3μm波长激光有两种方式，一种方式为采用光栅进行谱线选支，另外一种方法是利用腔镜的镀膜进行谱线选支。使用光栅进行谱线选支的不足是光栅属于高精密器件，成本比较高且容易损坏，一般不用于商用激光器。另外一种腔镜选支的方法需要通过镀膜把10.2μm，10.6μm，9.6μm抑制住，产生9.3μm波长的激光。具体而言，就是把腔镜的反射膜层对于10.2μm、10.6μm、9.6μm波长的反射率足够低，而对于9.3μm波长的反射率大于99.9％腔镜选支的方法，对腔镜的镀膜技术和工艺要求非常高，腔镜的造价非常高。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够成本较低的9.3μm波长激光的制备方法。

一种9.3μm波长激光的制备方法，包括以下步骤：

在二氧化碳激光器的放电管内充入¹²C¹⁸O₂、N₂、He的混合气体，调整放电管内的气压，并满足以下关系，1：1：6<P(¹²C¹⁸O₂)：P(N₂)：P(He)<1：1：9；其中，P(¹²C¹⁸O₂)为¹²C¹⁸O₂的气压大小，P(N₂)为N₂的气压大小，P(He)为He的气压大小；

充入辅助气体Xe，气压满足如下关系：3％<P(Xe)：(P(¹²C¹⁸O₂)+P(N₂)+P(He))<10％；其中，P(¹²C¹⁸O₂)为¹²C¹⁸O₂的气压大小，P(N₂)为N₂的气压大小，P(He)为He的气压大小，P(Xe)为Xe的气压大小；

注入射频功率，两板条间的气体放电；

激发生成9.3μm波长的激光，9.3μm波长的激光从密封放电管的窗口输出。

在其中一个实施例中，所述放电管的总气压P_总满足，80托≤P_总≤150托。

在其中一个实施例中，所述放电管内还充有¹²C¹⁶O₂气体，并且¹²C¹⁸O₂气体与¹²C¹⁶O₂气体的气压比满足：

在其中一个实施例中，在所述输出9.3μm波长的激光光束的步骤中，所述二氧化碳激光器的谐振腔包括第一全反射镜及用于输出激光光束的第二全反射镜，所述第一全反射镜与所述第二全反射镜相对设置，所述第一全反射镜及第二全反射镜对于9.3μm的反射率R_9.3μm≥99％。

在其中一个实施例中，所述第二全反射镜的长度小于所述第一全反射镜的长度，从所述第一全反射反射过来的9.3μm波长激光光束的宽度大于所述第二全反射镜的长度，位于边缘的9.3μm波长激光光束从所述第二全反射镜的一侧射出。

在其中一个实施例中，所述第二全反射镜的长度等于所述第一全反射镜的长度，所述第二全反射镜开设有输出窗口，9.3μm波长激光光束从所述输出窗口射出。

在其中一个实施例中，在所述输出9.3μm波长的激光光束的步骤中，所述二氧化碳激光器的谐振腔包括全反射镜及半透镜，所述全反射镜及所述半透镜相对设置，所述全反射镜对于9.3μm的反射率R_9.3μm≥99％，所述半透镜的反射率中心波长为9.3μm，且所述半透镜对波长为9.3μm的激光的反射率R_9.3μm大于等于所述半透镜对波长为10.6μm的激光的反射率R_10.6μm。

在其中一个实施例中，所述二氧化碳激光器为封离型二氧化碳激光器。

上述9.3μm波长激光的制备方法，通过注入¹²C¹⁸O₂这一¹²C¹⁶O₂的同位素气体，并合理控制放电管内的气压，以使放电管内的¹²C¹⁸O₂得到激发，产生9.3μm波长的激光光束。上述9.3μm波长激光的制备方法相较于传统的制备9.3μm波长激光的方法，虽然使用¹²C¹⁸O₂的价钱比¹²C¹⁶O₂的价格稍微高一些，但是不需要使用昂贵的光栅和腔镜，就可以获得9.3μm波长激光，降低制备9.3μm波长激光的成本。并且通过合理控制放电管内的气压，使上述9.3μm波长激光的制备方法的生产效率较高。

附图说明

图1为本实施方式的9.3μm波长激光的制备方法的流程图；

图2为图1所述的9.3μm波长激光的制备方法的步骤S120的具体流程图；

图3为图1所示的9.3μm波长激光的制备方法使用的二氧化碳激光器的立体图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本实施方式的9.3μm波长激光的制备方法，包括以下步骤：

步骤S110，在二氧化碳激光器的放电管内充入¹²C¹⁸O₂、N₂、He的混合气体，调整放电管内的气压，并满足以下关系，1：1：6<P(¹²C¹⁸O₂)：P(N₂)：P(He)<1：1：9；其中，P(¹²C¹⁸O₂)为¹²C¹⁸O₂的气压大小，P(N₂)为N₂的气压大小，P(He)为He的气压大小。

二氧化碳激光器为封离型二氧化碳激光器。所谓封离型二氧化碳激光器是指激光器的通光孔(即形成等离子体并产生激光的地方)和工作气体密封在放电管内。本实施方式的9.3μm波长激光的制备方法中，由于在放电管内充入¹²C¹⁸O₂、N₂、He的混合气体与空气中的成分不一样，并且放电管内的气压与放电管外的气压不同。因此要保证二氧化碳激光器的放电管为密封，因此二氧化碳激光器要为封离型二氧化碳激光器。

步骤S120，充入辅助气体Xe，气压满足如下关系：3％<P(Xe)：(P(¹²C¹⁸O₂)+P(N₂)+P(He))<10％；其中，P(¹²C¹⁸O₂)为¹²C¹⁸O₂的气压大小，P(N₂)为N₂的气压大小，P(He)为He的气压大小，P(Xe)为Xe的气压大小。

具体在本实施方式中，在放电管内充入辅助气体。辅助气体还可以为一氧化碳、氢气、水蒸气或一氧化碳、氢气、水蒸气的混合物中的至少一种。在二氧化碳激光器中添加辅助气体，起到提高激光器的激光输出功率的作用。并且，辅助气体不会对激光输出波长产生影响。

具体在本实施方式中，请参阅图2，步骤S120具体还包括步骤S121，调节放电管的总气压，放电管的总气压P_总满足，80托≤P_总≤150托。其中，1托等于1mm汞柱，即为133.3帕。放电管内的气压满足上述关系，则二氧化碳激光器可以得到高功率的9.3μm波长激光输出。

具体在本实施方式中，为了进一步减小成本，还包括步骤S122，放电管内充入¹²C¹⁶O₂气体。并且¹²C¹⁸O₂气体与¹²C¹⁶O₂气体的体积比满足： $\frac{C_{16}^{12}{O}_2}{C_{16}^{12}{O}_2+C_{18}^{12}{O}_2}\&le;20\%.$

对于二氧化碳的两种同位素气体¹²C¹⁶O₂分子和¹²C¹⁸O₂分子，其跃迁谱线都包括10.6μm、9.6μm、10.2μm、9.3μm等不同波长。不同的谱线之间存在不同的跃迁几率，每种分子的跃迁几率最大的谱线是该种分子的跃迁最强谱线。¹²C¹⁶O₂的跃迁最强谱线中心波长是10.6μm，而¹²C¹⁸O₂的跃迁最强谱线中心波长是9.3μm。

在产生激光输出的过程中，不同谱线之间存在谱线竞争，首先产生激光输出的谱线，会抑制住其他波长的谱线产生激光输出，从而获得唯一中心波长的激光输出。因此，在相同的条件下，跃迁最强谱线最先产生激光输出，抑制了其他波长的激光输出，从而产生唯一中心波长的激光输出。在混合气体中，最终产生的输出激光波长是由每种分子的分子个数乘以其自身最强谱线的跃迁几率而决定的。为了降低成本，在¹²C¹⁸O₂加入少量的¹²C¹⁶O₂，由于混合气中主要为¹²C¹⁸O₂，跃迁最强谱线中心波长为9.3μm。所以，输出的激光为9.3μm波长。

具体在本实施方式中，¹²C¹⁸O₂气体与¹²C¹⁶O₂气体的体积比满足可以保证二氧化碳激光器的输出中心波长为9.3μm的激光振荡，其他9.6μm、10.6μm、10.2μm中心波长的激光不会振荡输出。

请参阅图3，步骤S130，注入射频功率，两板条13之间气体放电。其中一个板条13通入射频，另一板条13接地。

步骤S140，产生9.3μm波长的激光，9.3μm波长的激光从密封的放电管(图未示)上的窗口输出。

请参阅图3，具体在本实施方式中，二氧化碳激光器的谐振腔包括第一全反射镜11及用于输出激光光束的第二全反射镜12。第一全反射镜11与第二全反射镜12相对设置。第一全反射镜11及第二全反射镜12对于9.3μm波长激光的反射率R_9.3μm≥99％。

9.3μm波长激光光束10经第一全反射镜11反射，入射到第二全反射镜12上。第二全反射镜12的长度小于第一全反射镜11的长度。因此，从第一全反射镜11反射过来的9.3μm波长激光光束的宽度大于第二全反射镜12的长度，位于边缘的9.3μm波长激光光束10从第二全反射镜12的一侧射出。

在其他实施方式中，第二全反射镜12的长度等于第一全反射镜11的长度。第二全反射镜12开设有输出窗口(图未示)，输出窗口用于输出激光光束。9.3μm波长激光从输出窗口射出。

可以理解，第二全反射镜12可以省略。在其他实施方式中，二氧化碳激光器的谐振腔包括半透镜。半透镜与第一全反射镜11相对设置。9.3μm波长激光经全反射镜反射，入射到半透镜上。半透镜的反射率中心波长为9.3μm。中心波长为在波长范围内能量最大的那个分量的波长。且半透镜对波长为9.3μm的激光的反射率R_9.3μm大于等于半透镜对波长为10.6μm的激光的反射率R_10.6μm。反射率为从非发光体表面反射的辐射与入射到该表面的总辐射之比，它是表征物体表面反射能力的物理量。绝对黑体的反射率为0，纯白物体的反射率为1。实际物体的反射率介于0与1之间。9.3μm的激光经过半透镜透射输出。

在同样的射频注入功率和板条结构的情况下，上述二氧化碳激光器输出9.3μm波长的激光的功率不低于输出为10.6μm波长激光的功率。

上述9.3μm波长激光的制备方法，通过注入¹²C¹⁸O₂这一¹²C¹⁶O₂的同位素气体，并合理控制放电管内的气压，以使放电管内的¹²C¹⁸O₂得到激发，产生9.3μm波长的激光光束。上述9.3μm波长激光的制备方法相较于5传统的制备9.3μm波长激光的方法，虽然使用¹²C¹⁸O₂的价钱比¹²C¹⁶O₂的价格稍微高一些，但是不需要使用昂贵的光栅和腔镜，就可以获得9.3μm波长激光，降低制备9.3μm波长激光的成本。并且通过合理控制放电管内的气压，使上述9.3μm波长激光的制备方法的生产效率较高。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种9.3μm波长激光的制备方法，包括以下步骤：

在二氧化碳激光器的放电管内充入¹²C¹⁸O₂、N₂、He的混合气体，调整放电管内的气压，并满足以下关系，1：1：6<P(¹²C¹⁸O₂)：P(N₂)：P(He)<1：1：9；其中，P(¹²C¹⁸O₂)为¹²C¹⁸O₂的气压大小，P(N₂)为N₂的气压大小，P(He)为He的气压大小；

充入辅助气体Xe，气压满足如下关系：3％<P(Xe)：(P(¹²C¹⁸O₂)+P(N₂)+P(He))<10％；其中，P(¹²C¹⁸O₂)为¹²C¹⁸O₂的气压大小，P(N₂)为N₂的气压大小，P(He)为He的气压大小，P(Xe)为Xe的气压大小；

注入射频功率，两板条间的气体放电；

激发生成9.3μm波长的激光，9.3μm波长的激光从密封放电管的窗口输出。

2.根据权利要求1所述的9.3μm波长激光的制备方法，其特征在于，所述放电管的总气压P_总满足，80托≤P_总≤150托。

3.根据权利要求1所述的9.3μm波长激光的制备方法，其特征在于，所述放电管内还充有¹²C¹⁶O₂气体，并且¹²C¹⁸O₂气体与¹²C¹⁶O₂气体的气压比满足： $\frac{C_{16}^{12}{O}_2}{C_{16}^{12}{O}_2+C_{18}^{12}{O}_2}\&le;20\%.$

4.根据权利要求1所述的9.3μm波长激光的制备方法，其特征在于，在所述输出9.3μm波长的激光光束的步骤中，所述二氧化碳激光器的谐振腔包括第一全反射镜及用于输出激光光束的第二全反射镜，所述第一全反射镜与所述第二全反射镜相对设置，所述第一全反射镜及第二全反射镜对于9.3μm的反射率R_9.3μm≥99％。

5.根据权利要求4所述的9.3μm波长激光的制备方法，其特征在于，所述第二全反射镜的长度小于所述第一全反射镜的长度，从所述第一全反射反射过来的9.3μm波长激光光束的宽度大于所述第二全反射镜的长度，位于边缘的9.3μm波长激光光束从所述第二全反射镜的一侧射出。

6.根据权利要求4所述的9.3μm波长激光的制备方法，其特征在于，所述第二全反射镜的长度等于所述第一全反射镜的长度，所述第二全反射镜开设有输出窗口，9.3μm波长激光光束从所述输出窗口射出。

7.根据权利要求1所述的9.3μm波长激光的制备方法，其特征在于，在所述输出9.3μm波长的激光光束的步骤中，所述二氧化碳激光器的谐振腔包括全反射镜及半透镜，所述全反射镜及所述半透镜相对设置，所述全反射镜对于9.3μm的反射率R_9.3μm≥99％，所述半透镜的反射率中心波长为9.3μm，且所述半透镜对波长为9.3μm的激光的反射率R_9.3μm大于等于所述半透镜对波长为10.6μm的激光的反射率R_10.6μm。

8.根据权利要求1所述的9.3μm波长激光的制备方法，其特征在于，所述二氧化碳激光器为封离型二氧化碳激光器。