CN105144510A - 强脉冲自注入式co2激光器 - Google Patents

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Abstract

本公开内容公开一种CO2激光器和一种用于CO2激光器的方法。所述CO2激光器包括：不稳定激光器腔，所述激光器腔采用具有半透明输出耦合器(3)的第一光学谐振器的形式；所述不稳定激光器腔中的激光介质(2)；以及用于激发所述激光介质(2)的构件(1)。在所述输出耦合器(3)的所述光孔径之外传播的所述激光束的一部分被引导到第二谐振器，所述第二谐振器包括至少一个聚焦部件(6)，并且所述第二谐振器的光学长度等于所述第一光学谐振器的光学长度或为其倍数。穿过所述聚焦部件(6)的焦平面的所述激光束的所述部分通过使用Q开关装置(8)以一定的方式被调制，从而使得所述激光介质的激发与所述Q开关装置(8)的操作同步。

Description

强脉冲自注入式CO2激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术，且确切地说，涉及高功率脉冲激光器系统。
背景技术
当创建激光器系统时，可能遇到的问题是，在获得激光辐射的高输出功率同时具有激光束的低发散。
输出激光辐射的发散主要由激光器腔的性质确定。不稳定的腔可用于产生发散极低的激光束。在此类腔中，激光介质发射的可见光子以固定数量的往返行程到达腔孔径的边缘，即使可见光子是以至光轴的不明显的角度发射也是如此。通过这种方式，可能存在于激光介质和腔反射器中的光学像差并不会显著影响输出辐射的光学质量。
不稳定腔的特征可在于放大场因数M，其可定义为腔中两个连续行程中的线性光束尺寸之间的比。
基于不稳定腔的激光器可包括具有高反射率的输出镜。在此类激光器中，输出激光束可在输出镜的孔径之外以环形形式产生。然而，这种形式的光束可能不适合下列应用：要求使用具有最大轴向光强(高斯空间光强分布或接近于一致)的光束。
或者，基于不稳定腔的激光器可包括半透明的输出耦合器。在此类激光器中，可以实现输出光束的空间分散与其实用方便性之间的折衷。
例如，通过Q开关的方法(也称为巨脉冲形成)，可获得具有高峰值功率的激光脉冲。这种激光器操作模式可包括在激发激光器腔内的激光介质的过程中，将腔损耗从高值变为低值。
当腔损耗因数为高值时，激光生成阈值维持在阻止激光生成发展的水平。在此阶段，激光介质从激发源接收激发能量并积聚该能量。当存储的能量达到所需的水平时，腔损耗被尽快降低到低值。生成阈值动态减少，并且激光器开始以一定的方式生成受激发射，使得增益显著超过损耗。
因此，当脉冲的能量接近激光介质中存储的能量时，强激光输出脉冲便会出现，直到腔损耗减少时为止。脉冲持续时间等于腔行程的若干时期。
Q开关可用多种方式进行实施。一种简单的方法便是所谓的光机技术。在此方法中，通过将机械斩波器放置在腔内来实现腔中的高损耗水平。通过从辐射路径中移除斩波器来获得低损耗水平。
当使用光机技术时，通过在机械斩波器位置的平面中使用尽可能小尺寸的激光束，可以最小化从高损耗状态过渡到低损耗状态所需的时间。
为了最小化机械斩波器位置的平面中的激光束尺寸，可使用额外腔内部件或腔凹面镜的聚焦特性(参见“用于脉冲激光沉积的Q开关CO2激光器的定标《ScalingofaQ-switchCO2laserforpulsedlaserdeposition》”SPIE会议记录，1998年，第3343卷，759到768页)。
对于具有低脉冲能量的激光器而言，辐射的腔内聚焦可是完全可以接受的。然而，在高功率激光器系统中，这可导致不良结果，例如，光学击穿。Q开关激光器中的脉冲生成持续时间可在几纳秒到几百纳秒的范围内。因此，脉冲生成的持续时间可能比机械构件降低腔内损耗所需的时间(几微秒)要短得多。在发射可达到峰值功率的同时，机械斩波器仍在发射辐射的传播线上。因此，机械斩波器可能会被发射损坏。
例如，Q开关也可以通过电光技术进行实施。这种类型的Q开关可由光学元件实施，其中传输取决于施加给该元件的电压。
将电光Q开关技术实施到高功率激光器系统中也可能会产生问题，因为与其他非晶体的腔内部件相比，电光晶体通常具有更低的光学击穿阈值。例如，美国专利US4498179公开了一种脉冲激光器，所述脉冲激光器包括：放置于主腔中的激光介质，其中输出镜是半透明的；与所述主腔光学耦合的额外谐振器；位于所述额外谐振器内部的电光Q开关；以及Q开关控制单元。由于使用电光调制器，因此，所述激光器具有低输出功率的辐射。
用于创建生成强脉冲的激光器系统的一个可能的方法是将低功率脉冲激光器与放大器相结合(“通过Q开关和腔倒空来生成CO2激光脉冲以及通过微波激发的CO2激光器进行放大《GenerationofCO2laserpulsesbyQ-switchingandcavitydumpingandtheiramplificationbyamicrowaveexcitedCO2laser》，物理学杂志，D辑：应用物理学(J.Phys.D:Appl.Phys.)”，1996年，第29期，57到67页)。在此类系统中，Q开关激光器生成低能量的短脉冲，该短脉冲随后用作放大器的输入脉冲。随着输入脉冲一次或多次穿过放大器的增益介质，辐射便达到所需的能量水平。然而，在实践中，包括放大器的激光器系统可能复杂且繁琐。它们可能要求使用额外的同步系统，从而可导致成本较高且效率降低。
通过在腔内放置调制器，或者通过使用外部辐射源将调制辐射注入到主腔中，而该主腔随后发挥多通放大器的作用，可在主激光器腔中实现有效的辐射调制。
在激光器腔内具有调制器的情况下，Q开关的要求可由腔中的调制深度与光子寿命之间的关系确定。在使用调制深度较低的调制器的激光器中，只有通过低腔损耗才能生成高对比脉冲。如果腔损耗较高(而且激光介质具有高增益)，那么调制深度可能必须要增加，这是因为光子可有时间在离开腔之前只进行几个来回行程。由于腔内调制器具有低光学击穿阈值，因此，可能难以同时实现激光辐射的高峰值功率和高平均功率。
在使用外部辐射源的情况下，可以避免上述限制，但要在主腔中实现辐射的高对比调制可能会成为问题。如果外部调制的调制注入辐射被注射到主腔中，而在该主腔中已达到自激发的条件，而且受激发射是独立于注入辐射发生的，那么主腔中的输出辐射的调制深度取决于注入光与自激发发射之间的功率比。因此，如果注入辐射的功率不足，那么注入辐射可能无法对主腔的发射实施调制。另一方面，如果调制注入辐射的功率显著增加，那么可能会出现有关上述高功率调制的问题。
发明内容
本发明的目标是提供一种方法以及一种用于实施该方法的设备，以便缓解上述缺陷。本发明的目标通过一种方法和一种布置来实现，所述方法和布置的特征在于独立权利要求中陈述的内容。随附的权利要求书中公开了本发明的优选实施方案。
一种自注入式CO2激光器可基于新结构和光学布局，其中所述激光器包括：放置于主激光器腔中的激光介质，所述主激光器腔具有半透明的输出耦合器；用于激光介质激发的构件；以及与所述激光器腔光学耦合的第二谐振器。
所述激光器腔被配置成不稳定的。所述输出耦合器可具有小于输出激光束的直径的孔径，并且在所述输出耦合器的所述孔径之外，所述谐振器可与不稳定的激光器腔光学耦合。
所述第二谐振器可由至少两个耦合的镜子界定，并且可包括至少一个聚焦部件。所述谐振器的光学长度可以等于所述激光器腔的光学长度或为其倍数。
所述激光器还包括Q开关装置。所述Q开关装置可以实施为放置在所述谐振器的所述聚焦部件的焦平面中的斩波器。用于所述Q开关装置的控制单元可电连接到用于激光介质激发的构件。所述控制可将用于激发所述激光介质的构件的操作与所述Q开关装置的操作同步。
通过使用所公开的结构和光学布局，有可能以高平均输出功率产生具有高峰值功率的高对比激光脉冲。
附图说明
下文将参考附图，借助优选实施方案来更详细地描述本发明，在附图中
图1示出示例性CO2激光器的示意性布局，所述激光器包括第二谐振器中的去像散聚焦元件；
图2和图3示出示例性激光器，其中第二谐振器包括像散聚焦部件；以及
图4和图5示出机械斩波器的示例性形状。
具体实施方式
本公开内容公开一种用于CO2激光器的方法，所述激光器包括：不稳定的激光器腔；所述激光器腔中的激光介质，例如，充满CO2激光气体混合物的激光器室；以及用于激发所述激光介质的构件。不稳定的激光器腔可采用第一光学谐振器的形式，所述第一光学谐振器具有半透明的输出耦合器。例如，不稳定的激光器腔可采用伸缩布局。在激光器腔中，可通过激发激光介质来产生激光束。
输出耦合器的孔径直径可小于不稳定的激光器腔中生成的激光束的直径。输出耦合器可被配置成将生成的激光束分成第一部分和第二部分，其中第一部分遵循穿过输出耦合器的孔径的路径，而第二部分遵循从输出耦合器的孔径旁经过的路径。
为了能够对生成的激光束进行调制，在输出耦合器的光孔径之外，第二谐振器可与第一光学谐振器光学耦合。换言之，在输出耦合器的光孔径之外传播的激光束部分(即，激光束的第二部分)可被引导到第二谐振器。第二谐振器用来调制被引导到其的激光束部分。激光束的经调制部分随后可注射回到不稳定的激光器腔。
当注射到第一光学谐振器中的辐射量为激光器总输出功率的至少20％时，可实现强辐射的有效(100％)调制。20％总功率的条件导致不稳定激光器腔的放大场因数M大于
第二光学谐振器可由至少两个镜子界定。通过使用孔径中具有孔口的第一镜，第二谐振器可与不稳定的激光器腔光学耦合。第一镜可被配置成反射激光束的第二部分，即，遵循从孔径旁经过的路径的那部分。
注入辐射与腔内波之间的相位共轭条件是所公开的激光器的重要方面。如果无法达到相位共轭的条件，那么输出激光束的光学质量可能会降低，而生成阈值增加。为了确保出现该条件，第二谐振器的光学长度可以等于第一光学谐振器的光学长度或为其倍数。
第二谐振器可包括至少一个聚焦部件。所述聚焦部件可以是去像散的或像散的。穿过聚焦部件的焦平面的激光束部分可通过使用Q开关装置以一定的方式被调制，从而使得激光介质的激发与Q开关装置的操作同步。Q开关装置可被布置在第二谐振器内部的所述聚焦部件的焦平面中。例如，Q开关装置可以是机械斩波器。
所述激光器可包括同步构件，用于将激发所述激光介质的构件的操作与所述Q开关装置的操作同步。这些构件可以电连接到用于激光介质激发的构件。
图1示出示例性CO2激光器的示意性布局，所述激光器包括第二谐振器中的去像散聚焦元件。在图1中，激光器包括采用第一光学谐振器的形式的主激光器腔，所述第一光学谐振器由用作输出耦合器的半透明输出镜3和高反射后视镜4界定。在图1中，激光介质2位于主激光器腔中。抽运装置1充当用于激发激光介质2的构件。
主激光器腔被配置成不稳定的。输出镜3的孔径直径小于主激光器腔中生成的激光束的直径。因此，激光束的第一部分穿过输出镜3的孔径，而激光束的第二部分从输出镜3的孔径旁经过。
在图1中，镜子3和4的焦点重叠，并且放大场因数M可被发现如下：
M＝R4/R3，(1)
其中R3为输出镜3的曲率半径，且R4为镜子4的曲率半径。
图1中的激光器还包括形成第二光学谐振器的镜子5、6和7。在镜子3的光孔径之外，第二光学谐振器与主激光器腔光学耦合。第二光学谐振器的光学长度等于主腔的光学长度或为其倍数。
在图1中，镜子5位于主腔的光轴上，并且具有位于孔径中心的孔口。在主腔的光轴方向上，孔口的形状与输出镜3的孔径形状相匹配。镜子5以一定的方式倾斜，从而反射在镜子3的光孔径之外从输出镜3的孔径旁经过的激光束部分，并将光束引导到镜子6和7。
在图1中，球面镜6和7充当聚焦部件。镜子6和7的放置方式使得镜子6的焦点与镜子7的曲率中心重叠。
在图1的第二光学谐振器中，Q开关装置8已被布置到镜子6的焦平面中。Q开关装置8采用机械斩波器的形式，例如，如图4所示。图4中的示例性机械斩波器包括环形斩波器板41，其具有穿过板41的环形开口42。在操作过程中，板41围绕轴43旋转，所述轴垂直于板41的平面。
图1中的激光器还包括同步构件，用于将激发激光介质2的构件的操作与Q开关装置8的操作同步。在图1中，控制单元9充当同步构件。Q开关装置电连接到控制单元9，所述控制单元继而电连接到激光介质2的抽运装置1。控制单元9基于Q开关装置8的状态(例如，旋转角度)来控制抽运装置1。
图1的激光器采用以下方式操作。通过激发激光介质2，主激光器腔中产生激光束。抽运装置1提供激光介质2中的反转布居的条件。在受到激发时，激光介质2中会出现自发发射，从主激光器腔的镜子3和4反射，并且因受激跃迁而导致放大的相干激光辐射。
由于主激光器腔不稳定且激光束每次来回行程都增加M倍，因此，光束的第一部分(即，外围部分)在输出镜3的光孔径之外传播。第一部分到达偏转镜5并由此反射。通过这种方式，光束的第一部分被引导到第二谐振器。
同时，光束的第二部分(即，在半透明输出镜3的光孔径内，在主腔内传播的激光束的近轴部分)部分从镜子3反射。光束的经反射部分开始遵循穿过主腔的路径。光束的其余部分穿过镜子3并且通过孔口而绕过偏转镜5，这是因为孔口的直径等于输出镜3的光孔径的直径。
由镜子5从主腔分配的辐射呈环形。此辐射被引导到去像散聚焦部件，该部件采用球面镜6的形式。在球面镜6的焦平面中的两个横坐标上，光束的横向尺寸达到最小。
在球面镜6的焦平面中，Q开关装置8的机械斩波器对穿过焦平面的激光束部分的幅度进行调制。控制单元9进行控制，使得激光介质2的激发与Q开关装置8的操作同步。例如，基于机械斩波器的旋转，控制单元9可以控制抽运装置1的操作。
穿过机械斩波器之后，辐射到达第二谐振器的球面后视镜7。由于从后视镜7反射，辐射以逆序通过Q开关装置8和球面镜6。随后，辐射通过偏转镜5从输出镜3的光孔径之外而被引导回到主激光器腔。在主腔内，注射光束的横向尺寸随后在每次来回行程中都减少，而辐射强度增加。
由于第二谐振器的光学长度等于主激光器腔的光学长度或为其倍数，因此，实现了注射辐射和主腔中生成的辐射的相位共轭条件。因此，注射调制辐射有效地将其调制施加到主激光器腔中的辐射，从而确保以高平均输出功率生成具有高峰值功率的高对比脉冲。
所公开的方法也可用各种其他方式实施。图2和图3示出实例，其中第二谐振器包括像散聚焦部件。
在图2中，对经过输出镜22旁的激光束的第一部分进行反射的镜子21放置在主腔的外部。在图2中，主腔的光学长度L与第二谐振器的元件间的光学距离L1、L2和L3的总和之间的比满足以下条件：
L1-L2-L3＝kL，(2)
其中k为整数。
类似于图1，光束的第一部分(即，外围部分)在输出镜22的光孔径之外传播。第一部分从偏转镜21反射并被引导到图2的第二谐振器。
在图2中，第二谐振器的像散聚焦部件由柱面凹镜23和24形成。光束的横向尺寸只在聚焦元件的焦平面中的一个横坐标上达到最小。
Q开关装置25置于镜子23的焦平面中。例如，Q开关装置25可包括机械斩波器，如图5所示。图5中的示例性机械斩波器包括环形斩波器板51，其具有穿过板51的缝形开口52。板51围绕轴53旋转，所述轴垂直于板51的平面。
在图2中，穿过机械斩波器之后，光束到达第二谐振器的柱面镜24。类似于图1，光束从后视镜24反射，经过Q开关25和柱面镜23。通过使用镜子21，光束随后被引导回到主激光器腔。
在图3中，对经过输出镜32旁的激光束的第一部分进行反射的镜子31放置在主腔的内部。如先前实例所述，主腔的光学长度L与图3中的第二谐振器的元件间的光学距离L1、L2和L3的总和之间的比满足等式(2)的条件。如图2所示，图3中的第二谐振器的像散聚焦部件由图3中的柱面凹镜33和34形成。例如，Q开关装置35可包括机械斩波器，如图5所示。
所属领域的技术人员将明白，本发明的构思可用各种方式实施。本发明及其实施方案并不限于上述实例，而是可在权利要求书的范围内改变。

Claims (9)

1.一种CO2激光器，其包括：不稳定激光器腔，所述不稳定激光器腔采用具有半透明输出耦合器的第一光学谐振器的形式；所述不稳定激光器腔中的激光介质；以及用于激发所述激光介质的构件，特征在于所述激光器还包括
在所述输出耦合器的光孔径之外与所述不稳定激光器腔光学耦合的第二光学谐振器，其中所述第二谐振器包括至少一个聚焦部件，以及其中所述第二光学谐振器的光学长度等于第一光学谐振器的光学长度或为其倍数，
布置到所述聚焦部件的焦平面中的Q开关装置，以及
用于将激发所述激光介质的所述构件的操作与所述Q开关装置的操作同步的构件。
2.根据权利要求1所述的激光器，其中
所述输出耦合器(3)的孔径的直径小于所述不稳定激光器腔中生成的激光束的直径，其中所述输出耦合器被配置成将所述生成的激光束分成第一部分和第二部分，其中所述第一部分遵循穿过所述输出耦合器的所述孔径的路径，而所述第二部分遵循从所述输出耦合器的所述孔径旁经过的路径，以及
所述第二谐振器通过孔径中具有孔口的第一镜而与所述不稳定激光器腔光学耦合，其中所述第二谐振器的所述第一镜被配置成反射所述生成的激光束的所述第二部分。
3.根据权利要求1或2所述的激光器，其中所述不稳定激光器腔的放大场因数大于1,1。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的激光器，其中所述聚焦部件是像散的。
5.根据权利要求4所述的激光器，其中所述聚焦部件是柱面凹镜。
6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的激光器，其中所述Q开关装置是机械斩波器。
7.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的激光器，其中所述谐振器具有伸缩布局。
8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的激光器，其中用于同步的所述构件基于所述Q开关装置的状态来控制用于激发所述激光介质的所述构件。
9.一种用于CO2激光器的方法，所述方法包括：
通过激发不稳定激光器腔中的激光介质，在所述激光器腔中产生激光束，所述不稳定激光器腔采用具有半透明输出耦合器的第一光学谐振器的形式，特征在于所述方法还包括：
将在所述输出耦合器的光孔径之外传播的所述激光束的一部分引导到第二谐振器，所述第二谐振器包括至少一个聚焦部件，并且所述第二谐振器的光学长度等于所述第一光学谐振器的光学长度或为其倍数，
通过使用Q开关装置以一定的方式对穿过所述聚焦部件的焦平面的激光束的所述部分进行调制，从而使得所述激光介质的激发与所述Q开关装置的操作同步。
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