CN105229874B

CN105229874B - 激光器光学件保护

Info

Publication number: CN105229874B
Application number: CN201480025453.8A
Authority: CN
Inventors: 米歇尔·W·默里; 梅尔文·J·利马
Original assignee: GSI Lumonics Inc
Current assignee: Novanta Inc
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2019-08-27
Anticipated expiration: 2034-03-17
Also published as: US9031110B2; WO2014145525A9; TR201901754T4; EP2973893B1; US20140269794A1; KR101766571B1; JP2016520994A; ES2717669T3; CN105229874A; JP6220046B2; KR20150139527A; EP2973893A1; WO2014145525A1

Abstract

本说明书和附图提出了一种使用牺牲光学部件的概念和基于诸如击穿该部件之类的对牺牲光学部件的相当大损坏的压力指示的激光器自动关机来保护激光器或其它高光功率源免受外部污染源引起的损坏的装置和方法。

Description

激光器光学件保护

技术领域

示例性且非限制性的实施方式总体上涉及激光器光学件，并且更具体地涉及保护激光器或其它高光功率源免受外部污染源引起的损坏。

背景技术

本节意图提供下面公开的实施方式的背景或上下文。本文中的描述可包括可以实行的概念，但是不一定是先前已经构思、实现或描述的那些。因此，除非另外在本文中明确地指明，在本节中描述的内容不是本申请中的描述的现有技术，并且不允许其由于包括在本节中而成为现有技术。

在最基本形式中，激光器具有最终光学表面，光学辐射(光)可以通过该最终光学表面并在空间中超过激光器传播。最终光学表面在来自激光器的功率被可粘附到最终光学表面的外部污染物所吸收时易受某些损坏。污染物的局部化加热常常导致最终光学部件的涂层和基底材料的汽化。最终光学部件可以是窗口、激光输出耦合反光镜、棱镜、透镜等。最终光学部件可单独地是昂贵的部件，但是更重要的是可能要求此部件保护激光器的内部环境。当在最终光学表面上出现损坏时，来自激光器的功率可以从激光器的外面开始钻孔穿过最终光学表面。如果最终光学部件被完全击穿，则整个激光器谐振腔可能损坏不能修复。

发明内容

根据第一方面，一种装置，包括：壳体，包括一个或多个光学部件，其中所述一个或多个光学部件的至少一个是牺牲部件，其中，在工作状态下，所述壳体在壳体的相应的一个或多个部分中具有预定的一个或多个气体压力；以及一个或多个换能器，被构造成当壳体处于工作状态时当在壳体的一个或多个部分的至少一个中的气体压力参数被改变而超过阈值水平时自动地生成激光器的关机命令，气体压力参数由所述一个或多个换能器中的至少一个压力换能器检测到且是由外部污染引起的。此外，壳体可附接到激光器或者可以是激光器的一部分。

根据第二方面，一种方法包括：提供具有壳体以及一个或多个换能器的装置，该壳体包括一个或多个光学部件，其中，所述一个或多个光学部件中的至少一个是牺牲部件；在壳体的相应的一个或多个部分中提供预定的一个或多个气体压力；以及使用所述一个或多个换能器中的至少一个压力换能器来检测当由外部污染引起所述壳体的一个或多个部分的至少一个中的气体压力参数被改变而超过阈值水平时，生成激光器的关机命令。此外，该方法还可以包括更换所述被击穿的至少一个牺牲光学部件。

附图说明

为了更好地理解示例性实施方式的性质和目的，对结合以下附图进行的以下详细描述进行参考，在所述附图中：

图1是根据第一示例性实施方式的激光保护器件的图；

图2是根据第二示例性实施方式的激光保护器件的图；

图3是根据第三示例性实施方式的激光保护器件的图；

图4是根据第四示例性实施方式的激光保护器件的图；

图5是根据其它示例性实施方式的具有合理波长选择能力的激光腔内部的激光器光学件保护的图；以及

图6是举例说明本文所述的示例性实施方式的实现的流程图。

具体实施方式

以介绍的方式，美国专利号5,359,176和美国专利号5,898,522举例说明了用于保护激光器光学件免受由于来自激光器外部的源的污染而引起的损坏的常规解决方案。两个专利都要求使用流动气体来引导污染远离激光器光学件。然而，对流动气体的要求对于许多激光器应用而言并不总是实用的，特别是对于小型激光器的情况而言。如在美国专利号4,439,862中公开的那样，可通过用光学布儒斯特窗密封低压激光器气体的体积来避免流动气体的使用。在这里，将光学布儒斯特窗与激光器反射镜之间的气体空间密封以防止外部污染到达光学布儒斯特窗。当激光器的输出反射镜由于外部污染而失灵时，输出反射镜的关联光学布儒斯特窗也可能被碎屑损坏，该碎屑可由常常在光学窗或反射镜的内表面上形成的火花引入。然而，美国专利号4,439,862的公开并未提供用于关掉激光器的任何自动补救措施，这可导致激光器的输出反射镜和/或关联光学布儒斯特窗及其它内部零件的最终毁坏。

使用本文所述的实施方式可解决以上问题。

提出了一种使用牺牲光学部件的概念和基于诸如击穿该部件之类的对牺牲光学部件的相当大损坏的压力指示的自动激光器关机来保护激光器或其它高光功率的源免受由于外部污染源而引起的损坏的装置和方法。激光器可以是在光谱的可见部分(诸如离子Ar激光器)、近红外(诸如Nd:YAG或半导体GaAs激光器)、远红外(诸如CO₂激光器)等部分中的任何高强度激光器。保护器件/装置(参见图1—4)可包括包含一个或多个光学部件的壳体，其中，所述一个或多个光学部件中的至少一个是牺牲部件，壳体可附接到激光器以保护激光器的至少一个输出光学部件(诸如窗口、激光器输出耦合反光镜、透镜等)，其中，在附接工作位置上，壳体在壳体的相应的一个或多个部分中具有预定的一个或多个气体压力。

并且，保护器件/保护模块的光学部件可包括用于激光器的工作波长范围的防反射涂层以减少反射损耗和可能的干涉和背反射效应。

此外，可将本文所述的包括激光器光学件保护部件的壳体实现为激光腔内部的模块，如参考图5进一步讨论的。

此外，保护器件/激光器/装置可包括一个或多个换能器(诸如压力换能器)，其被配置成当壳体处于附接工作位置(或在激光腔内部)时当在壳体的一个或多个部分中的至少一个中的气体压力参数被改变而超过阈值水平时自动地生成激光器的关机命令，所述气体压力参数被所述一个或多个换能器的至少一个压力换能器检测到并且是由外部污染引起的。

本文所述的示例性实施方式意图通过利用成本较低的牺牲光学部件将激光器和/或激光腔的最终光学部件与由于外部污染而引起的损坏隔离来防止激光器的毁坏。较低成本光学部件的示例可以是使用ZnS制造的光学部件，与可被用于要求更高的最终光学部件的诸如ZnSe、Ge或CdTe之类的更加昂贵的材料相反。所述实施方式的目的是随着损坏形成而检测(一个或多个)牺牲光学部件上的损坏并在对激光器的输出反射镜/窗口或对激光谐振腔的损坏可以发生之前自动地将激光器关机。当发生对牺牲光学部件的损坏时，通常可以在牺牲光学部件11的外表面11a上存在污染物的地方点出火花(附图标记适用于下面详细地讨论的图1—5)。火花常常还可以在牺牲光学部件11的内表面11b上形成。然后，目的是利用压力换能器19(实现为压力致动开关、压力传感器等)检测在牺牲光学部件11被击穿时的压力变化来检测对牺牲光学部件11的此损坏。另一目的是引导碎屑远离激光器13的最终光学部件12或如图1—4中所示的最终光学件12与牺牲光学部件11之间的任何光学部件。可以在激光腔内部实现类似效果以保护激光谐振腔，如下面参考图5所讨论的。另一目的是利用来自压力换能器19的电信号(关机命令)将激光器电源20关机并防止对激光器的损坏。替换地，关机命令可在不关闭激光器的电源的情况下引起激光器的发射激光能力的终止(例如，通过关闭激光腔内部的开闭器)。

对牺牲光学部件11(或11')的损坏还可被多种其它类型的换能器检测到，举几个例子包括UV(紫外线)光电二极管、离子感烟检测器、光学感烟检测器、扩音器、红外检测器。除压力换能器之外可使用这些类型的换能器。在所有情况下，使用跨牺牲光学部件11(在图1—4中)或11'(在图5中)的压力差在如图1—4中所示引导碎屑远离激光器13的最终光学部件12或最终光学部件12与牺牲光学部件11之间的任何光学部件或者如图5中所示远离激光谐振腔方面是有益的。

图1—4举例说明用于实现激光器保护器件(装置)10的四个示例性实施方式，并且图5举例说明根据其它示例性实施方式的具有带有合理波长选择性的内置腔体保护的激光器。

根据图1中所示的第一实施方式，牺牲光学部件11可以是其中可使用第二光学窗14的光学窗。针对第一实施方式的情况，两个光学窗可在所有表面上具有防反射涂层。两个光学窗被以允许形成气密(诸如不透气)密封的手段安装在壳体15上。可用如图1中(以及其它图2—5中)所示的被夹紧环26压紧的O形环密封16或者用诸如但不限于金属密封或热固性密封之类的其它手段来形成气密密封，以在激光器13的寿命内保持可靠密封。壳体15、牺牲光学部件11和第二光学窗14形成具有光轴17的组件的一部分，该光轴17与激光器13的光轴基本上共调准。应注意的是保护性光学部件11和14可以可选地以约2°—5°略微不对准以防止不期望的背反射进入到激光谐振腔中(这种措施可以是除在保护性光学部件11和14上具有防反射涂层之外或作为其替代来实现)。此外，此特征也可适用于在图2—5中举例说明的其它实施方式。因此，术语“基本上共调准”具有如本文所述的宽泛解释，即在至少5°或更小内是对准的。

可以用诸如空气或干氮之类的气体将壳体15内部、在光学窗11和14之间的空间18加压至显著地在大气压力以上。空间18中的压力通常可在30至50psi范围内(14psi是大气压力)。还在壳体15上安装以压力致动开关或压力传感器形式的换能器(或压力换能器)以感测窗口11和14之间的空间18中的压力损失。在牺牲光学部件11被击穿的情况下，空间18中加压气体将通过经由在牺牲光学部件11中击穿的孔流出空间18来帮助保护第二光学窗14。任何碎屑将被沿着光轴17吹走，远离第二光学窗14。随着空间18中的气体的压力下降到预定阈值水平以下，来自换能器19的电信号将促使激光器13的激光器电源20关机，因此将避免进一步光学损伤。然而，在许多情况下，在牺牲光学部件11被烧穿之前可在其内表面11b上形成火花。在这种情况下，在第二光学窗14的内表面14a上也可形成损伤。因此，使得牺牲光学部件11的厚度明显小于第二光学窗14的厚度以确保牺牲光学部件11在第二光学窗14之前烧穿是有利的。在牺牲光学部件11被更换之后，可通过使用填充机构21对空间18再次加压。填充机构21可以是简单的止回阀。并且，如图1中所示可能需要尘封27以避免外部污染进入空间28并到达激光器13的最终光学部件12。尘封27可以是泡沫垫圈，并且不一定对空间28进行密闭地(hermetically)密封，所述空间28通常可以在大气压力下。

对于图2中所示的本发明的第二实施方式而言，未使用第二光学窗14。消除第二光学窗14降低了成本并消除了激光器内部的不想要的反射光的可能来源。在这种情况下，牺牲光学部件11可在外表面11a和内表面11b上具有防反射涂层。然后，针对本第二实施方式，可利用气密(密闭)密封将壳体15直接地安装在激光器13的主体上。用诸如空气或干氮之类的气体将牺牲光学部件11与激光器13的最终光学部件12之间的空间18a加压至明显在大气压力以上。空间18a中的压力通常可在30至50psi范围内。在牺牲光学部件11被击穿的情况下，空间18a中的加压气体将通过迫使碎屑从最终光学部件12吹走来保护最终光学部件12。如在第一实施方式的情况下一样，空间18a中的气体压力的下降将促使换能器(压力换能器)19产生电信号，该电信号将促使激光器13的电源20关闭，并且将避免进一步光学损伤。对于第二实施方式的情况而言，不需要尘封27，因为激光器光学件保护器件10被安装并密封在激光器13上。

图3图示出其中牺牲光学部件11是伽利略扩束望远镜的发散透镜的第三实施方式。牺牲光学部件11也可以是开普勒望远镜的会聚透镜。然而，伽利略望远镜可能是有利的，因为发散透镜相对于第二光学窗14的厚度而言将在光轴17处比会聚透镜更薄。在任一种情况下，望远镜可具有物镜22，其将比牺牲光学部件11更厚并将经受低得多的光强度(功率密度)。沉积在物镜22的外表面22a上的外部污染可导致在物镜22的内表面22b上形成火花。来自物镜22的内表面22b处的火花的烟雾和碎屑可沉积在牺牲光学部件11的外表面11a上，在那里，光强度可能非常高。由于望远镜设计的必要性，物镜22的厚度应大于牺牲光学部件11的厚度，使得牺牲光学部件11将最有可能首先击穿。如在本发明的前述实施方式的情况下，空间18是被加压的，并且在牺牲光学部件11被击穿时，压力的下降将被压力换能器19检测到，这将相应地使激光器13的电源20关闭。然而，不同于前述实施方式，第三实施方式在壳体15中提供了附加空间23。空间23一般地可以具有比空间18大得多的体积，并且处于低于空间18的压力。空间23中的气体的压力可以在从大气压力直至真空(几个mTorr)的范围内。当牺牲光学部件11被击穿时，碎屑将被吹到空间23中并远离第二光学窗14。通过保持完好无损，第二光学窗14可以保护激光器13的最终光学部件12。在牺牲光学部件11被更换之后，可通过使用填充机构21对空间18再次加压。另外，可利用第二填充机构21a来使得空间23中的气体压力被抽吸至低于空间18中的压力的值。对于第四实施方式的情况而言，需要尘封27以避免外部污染到达激光器13的最终光学部件12。

图4图示出其中牺牲光学部件11是开普勒扩束望远镜的会聚透镜的第四实施方式。对于开普勒扩束望远镜的情况而言，激光束可以在焦点24处聚焦到小直径。然后，将具有小孔的光阑25放置在焦点24处以减慢烟雾和碎屑到牺牲光学部件11的传递可能是有利的。另一方面，可以使得所述小孔足够大而允许激光束通过光阑25，但是又足够小以在物镜22的内表面22b上出现火花的情况下延迟烟雾和碎屑到牺牲光学部件11的传递。尽管物镜22比牺牲光学部件11厚，但光阑25的存在可使得物镜22在牺牲光学部件11之前击穿。如在第三实施方式的情况下一样，空间18是被加压的。然而，空间23被抽吸至低于大气压力，使得击穿物镜22或牺牲光学部件11将促使压力换能器19感测到空间23中的气体的相对于大气压力的压力上升。来自压力换能器19的信号然后可被用来关闭激光器13的电源20并防止对激光器13的最终光学部件12的损坏。对于第四实施方式的情况而言，要求尘封27以避免外部污染到达激光器13的最终光学部件12。

图5中所示的其它实施方式可以提供激光器13的激光谐振腔的激光器光学件保护，具有可能的波长选择能力而不需要具有特殊涂层的昂贵的衍射光栅或反射镜。在图5中，激光器光学件保护被置入激光器13的激光腔内，其中，牺牲光学部件11'具有与图1—4中的最终光学部件12类似的功能。

牺牲光学部件11'(反射镜/窗口)可在表面11b'上具有部分反射涂层(类似于输出激光腔反射镜)并在表面11a'上具有防反射涂层。另外，第二光学窗14'(其可以类似于图1、3和4中所示的光学窗14)可在外表面14a和内表面14b上具有防反射涂层。第二光学窗14'可以保护激光器13的内部环境，否则情况将如图1—4中所示的激光器13的最终光学部件12一样。此外，牺牲光学部件11'与第二光学窗14'之间的空间18b可被用特殊气体混合物加压至明显在大气压力以上，所述特殊气体混合物被选择成在除其中期望激光器光学输出功率所在的(一个或多个)波长之外的所有光学波长下具有强的光吸收。空间18b中的压力通常可在30至50psi范围内。作为示例，六氟化硫气体在10.6微米处具有非常强的吸收，其为CO₂激光器将正常地操作的波长。然而，CO₂激光器还可以在9.6微米、六氟化硫几乎不具有吸收时的波长下操作。因此，六氟化硫到空间18b中的引入将抑制10.6微米处激光器的操作，并且激光器将移位到9.6微米，其为CO₂激光器的下一最强波长。然而，如果外部污染可促使牺牲光学部件11'失灵，则压力换能器19将促使激光器13的电源20关闭，并将避免进一步光学损伤。对于在图5中举例说明的情况而言，不需要尘封27，因为激光器光学件保护模块被作为激光器13的一部分安装并密封。还应注意的是图5中所示的实施方式可以根据如本文所解释使用的加压气体而在有或没有谱/波长选择的情况下使用。

此外，图1—4中所示的其它示例可以与如在图5中举例说明的具有谱/波长选择性的气体一起使用，但是其在图1—4的示例中被用作在激光腔之外的简单谱滤波器。对于所有上述实施方式(在图1—5中示出)而言，可使用单个压力换能器19来感测空间18、18b或23的表压。然而，可以利用超过一个压力换能器来感测空间18、18b和23中的压力。另外，换能器19和/或任何附加换能器可以是绝对压力换能器或者差压换能器，其被以机械方式配置成感测空间18与空间23之间的压力差的变化(例如，如图3和4中所示)。

图6示出了举例说明本发明的示例性实施方式的实现的流程图的示例。应注意的是图6中所示的步骤的顺序并不是绝对要求的，因此原则上可不按所示的顺序执行各种步骤。并且可跳过某些步骤或者可在单独的应用中执行所选步骤或步骤组。

在根据本示例性实施方式的方法中，如图6中所示，在第一步骤50中，提供了一种装置(激光器保护器件或具有内置保护的激光器)，该装置具有包括一个或多个光学部件的壳体，其中，所述一个或多个光学部件中的至少一个是牺牲部件，并且还包括一个或多个换能器(参见图1—5中的示例)。

在下一步骤52中，所述装置被附接到激光器以保护激光器的至少一个输出光学部件(参见图1—4中的示例)。此步骤是可选的而仅针对图1—4中所示的示例执行。

在下一步骤54中，如图1—5的示例中举例说明的那样提供了在壳体的相应的一个或多个部分中的一个或多个气体压力。

在下一步骤56中，一个或多个换能器的至少一个压力换能器检测到当由外部污染引起的在壳体的一个或多个部分的至少一个中的气体压力参数超过阈值水平时生成激光器的关机命令，例如当所述至少一个牺牲光学部件被击穿时，如在图1—5的示例中举例说明的。

在下一步骤58中，更换损坏的牺牲光学部件，并且过程返回至步骤52或54。

应注意的是本文所述的各种非限制性实施方式可针对特定应用而单独地使用、组合或选择性地组合。

此外，可在没有其它所述特征的相应使用的情况下有利地使用上述非限制性实施方式的各种特征中的某些。因此应认为前述描述仅仅说明本发明的原理、教导和示例性实施方式，而不是其限制。

应理解的是上述布置仅仅说明本发明的原理的应用。在不脱离本发明的范围的情况下可由本领域的技术人员设计许多修改和替换布置，并且所附权利要求意图涵盖此类修改和布置。

Claims

1.一种装置，包括：

壳体，所述壳体包括一个或多个光学部件，其中所述一个或多个光学部件的至少一个是牺牲部件，其中，在工作状态下，所述壳体在所述壳体的相应的一个或多个部分中具有预定的一个或多个气体压力；以及

一个或多个换能器，被构造成当所述壳体处于工作状态时，当在所述壳体的所述一个或多个部分的至少一个中的气体压力参数被改变而超过阈值水平时自动地生成激光器的关机命令，所述气体压力参数被所述一个或多个换能器中的至少一个压力换能器检测到且是由外部污染引起的，

其中，所述壳体可附接到所述激光器以保护所述激光器的至少一个输出光学部件，

其中，所述一个或多个光学部件包括以2°-5°与所述激光器的光轴不对准的至少一个光学窗，并且

其中，所述壳体被使用尘封附接到所述激光器，并且在附接工作状态下，所述壳体包括：

第一部分，被加压到大气压力以上，并且所述一个或多个光学部件在所述第一部分中包括所述光学窗和第一透镜，两者与所述壳体密闭相连并且所述第一透镜以2°-5°与所述激光器的光轴不对准，以及

第二部分，位于更加远离激光器处，被加压至大气压力以下，并且所述一个或多个光学部件在所述第二部分中包括与所述第一部分共享的所述第一透镜和与所述壳体密闭相连且以2°-5°与所述激光器的光轴不对准的第二透镜，

使得当作为牺牲部件的所述第一透镜被击穿、引起所述壳体的第一和第二部分中的压力的改变时生成关机命令。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一透镜是发散透镜，并且所述第二透镜是物镜，两者形成伽利略扩束望远镜。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一透镜是会聚透镜，并且所述第二透镜是物镜，两者形成开普勒扩束望远镜，并且其中，在开普勒扩束望远镜的焦点处具有小孔的光阑针对可能的碎屑和烟雾保护作为牺牲部件的所述第一透镜。

4.根据权利要求1—3中的任一项所述的装置，其中，当所述至少一个牺牲光学部件被击穿时，生成关机命令。

5.根据权利要求1—3中的任一项所述的装置，还包括：

一个或多个填充机构，被配置成在所述壳体的所述相应的一个或多个部分中提供预定的一个或多个气体压力。

6.根据权利要求1—3中的任一项所述的装置，其中，当所述壳体处于附接工作位置时，所述预定的一个或多个气体压力中的至少一个在大气压力以上，其中，所述壳体外面的压力是大气压力。

7.根据权利要求1—3中的任一项所述的装置，其中，当所述壳体处于工作状态时，所述预定的一个或多个气体压力中的至少一个在大气压力以下。

8.根据权利要求1—3中的任一项所述的装置，其中，一个或多个光学部件包括用于所述激光器的工作波长范围的防反射涂层。

9.根据权利要求1—3中的任一项所述的装置，其中，使用空气或干氮来提供所述一个或多个气体压力中的预定的一个。

10.根据权利要求1—3中的任一项所述的装置，其中，所述激光器是CO₂激光器。

11.根据权利要求1—3中的任一项所述的装置，其中，所述激光器的所述关机命令引起所述激光器的电源的关闭。

12.根据权利要求1—3中的任一项所述的装置，其中，所述激光器的所述关机命令在不关闭所述激光器的电源的情况下引起所述激光器的发射激光能力的终止。

13.根据权利要求1—3中的任一项所述的装置，其中，所述一个或多个换能器的一个是紫外线光电二极管、离子感烟检测器、光学感烟检测器、扩音器或红外检测器，使得所述一个或多个换能器的所述一个与所述至少一个压力换能器互补地使用。

14.一种方法，包括：

提供具有壳体以及一个或多个换能器的装置，所述壳体包括一个或多个光学部件，其中，所述一个或多个光学部件中的至少一个是牺牲部件；

在所述壳体的相应的一个或多个部分中提供预定的一个或多个气体压力；

使用所述一个或多个换能器中的至少一个压力换能器来检测当由外部污染引起所述壳体的所述一个或多个部分的至少一个中的气体压力参数被改变而超过阈值水平时，生成激光器的关机命令；以及

在提供预定的一个或多个气体压力之前，将所述壳体附接到激光器以保护所述激光器的至少一个输出光学部件，

15.根据权利要求14所述的方法，其中，当所述至少一个牺牲光学部件被击穿时，生成所述关机命令。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

更换所述被击穿的至少一个牺牲光学部件。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述壳体是所述激光器的一部分。