CN105846289B - 一种射频co2激光器及其非稳-波导混合腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频CO2激光器及其非稳‑波导混合腔，该非稳‑波导混合腔包括波导系统和光学反馈系统,所述波导系统包括一对平板电极，所述光学反馈系统包括与所述一对平板电极的两个纵向末端相对设置的第一谐振腔镜和第二谐振腔镜，所述一对平板电极的一个纵向末端与所述第一谐振腔镜之间设置有第一波导延伸块，所述第一波导延伸块沿着纵向向所述第一谐振腔镜延伸以增加波导的长度，所述第一波导延伸块为金属材料或电绝缘材料，当所述第一波导延伸块为金属材料时，所述第一波导延伸块与所述一对平板电极之间有电绝缘体隔离。上述结构在减少激光光束在电极与谐振腔间耦合损耗的同时，也使离子体放电对谐振腔镜的污染和破坏较小。

Description

一种射频CO2激光器及其非稳-波导混合腔

技术领域

本发明涉及射频CO2激光器，特别是涉及一种射频CO2激光器及其非稳-波导混合腔。

背景技术

射频CO2激光器，由于其性能优异，应用广泛，国内外厂商都竟相发展，此外，射频CO2激光器运转模式可在连续、脉冲、增益开关和调Q之间进行选择，这给加工带来了诸多灵活性，从而博得了材料加工、医疗外科和激光雷达等业界人士的青睐。所以，关于射频CO2激光器的研究也有很多，比如输出功率、输出功率稳定性、体积的紧凑性和延长其工作寿命等。

射频板条CO2激光器是射频CO2激光器中很有发展前景的一种激光器，其光谐振腔是一种非稳-波导混合腔，其结构主要由光学反馈系统和波导系统两大部分组成。其中，光学反馈系统由一对光学镜片组成，波导系统由两个平板电极组成。非稳-波导混合腔的特点是在一个方向上是波导腔，在另一个与前一方向垂直的方向上是非稳腔。波导方向上的增益介质被平板电极所限制，非稳方向上是开放式的，增益介质没有限制。

对于非稳-波导混合腔的射频CO2激光器，存在有波导影响的放电区和无波导影响的非放电区。光束在放电区和非放电区之间往返传播，当光束由有波导影响的放电区传播到无波导影响的非放电区，再经过反射镜反射，由无波导影响的非放电区传播到有波导影响的放电区时，光束并不能全部耦合到放电区，此时就会出现轻微的光束耦合损耗。由于光束在逸出谐振腔前，经谐振腔镜的反射，会在放电区和非放电区之间往返传播多次，单次往返造成的轻微耦合损耗会经过累积而变的不可忽略。所以，为了减小这种耦合损耗，波导端面与谐振腔镜之间的距离越小越好，或者说沿着光轴方向，无波导影响的非放电区越小越好。

但是在以往的激光器中，为了避免放电区增益介质中的等离子放电对谐振腔镜的污染和破坏，电极端部与谐振腔镜之间保持一定的距离，这样就导致无波导影响的非放电区沿着光轴方向上具有一定大小，导致耦合损 耗的增加，影响激光器的性能。

以往射频激励CO2激光器非稳-波导混合腔的结构示意图如图1和图2所示，其结构主要由平板电极1’和1”、谐振腔镜2’和2”构成。与本装置相比，不同的地方在于本装置中增加了波导延伸块3’和3”，电绝缘体4’和4”、电绝缘螺钉5’和5”。

对以往射频板条CO2激光器，如图2所示，由于光束在有波导影响的放电区D和无波导影响的非放电区N中往返传播时存在累积的耦合损耗，所以其波导端面与谐振腔镜之间的距离D2不能过大，但是为了避免放电区中等离子体放电对谐振腔镜2’和2”的污染和破坏，波导端面与谐振腔镜之间的距离D2又不能过小。所以，对于以往射频CO2激光器，其波导端面与谐振腔镜之间的距离D2一般都很大，造成光束的耦合损耗大。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种射频CO2激光器的非稳-波导混合腔以及具有这种非稳-波导混合腔的射频CO2激光器，在减少激光光束在电极与谐振腔间耦合损耗的同时，不会加大离子体放电对谐振腔镜的污染和破坏。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种射频CO2激光器的非稳-波导混合腔，包括波导系统和光学反馈系统,所述波导系统包括一对平板电极，所述光学反馈系统包括与所述一对平板电极的两个纵向末端相对设置的第一谐振腔镜和第二谐振腔镜，所述一对平板电极的一个纵向末端与所述第一谐振腔镜之间设置有第一波导延伸块，所述第一波导延伸块沿着纵向向所述第一谐振腔镜延伸以增加波导的长度，所述第一波导延伸块为金属材料或电绝缘材料，当所述第一波导延伸块为金属材料时，所述第一波导延伸块与所述一对平板电极之间有电绝缘体隔离。

进一步地：

所述第一波导延伸块为金属材料，所述第一波导延伸块通过电绝缘材料的螺钉固定到所述一对平板电极的对应端面。

所述第一波导延伸块为电绝缘材料，所述第一波导延伸块通过金属材料的螺钉固定到所述一对平板电极的对应端面。

所述一对平板电极的另一个纵向末端与所述第二谐振腔镜之间设置有第二波导延伸块，所述第二波导延伸块沿着纵向向所述第二谐振腔镜延伸 以增加波导的长度，所述第二波导延伸块为金属材料或电绝缘材料，当所述第二波导延伸块为金属材料时，所述第二波导延伸块与所述一对平板电极之间有电绝缘体隔离。

所述第二波导延伸块为金属材料，所述第二波导延伸块通过电绝缘材料的螺钉固定到所述一对平板电极的对应端面。

所述第二波导延伸块为电绝缘材料，所述第二波导延伸块通过金属材料的螺钉固定到所述一对平板电极的对应端面。

所述第一波导延伸块和所述第二波导延伸块分别具有沿着横向分离且相互对立的表面，相互对立的表面构成波导的边界，所述电绝缘体阻止所述一对平板电极与所述第一波导延伸块之间、所述一对平板电极与所述第二波导延伸块之间的气体放电。

所述一对平板电极与所述第一波导延伸块及所述第二波导延伸块之间分别具有一个间距为G的间隙，G不小于0.4mm。

所述电绝缘材料为陶瓷。

一种射频CO2激光器，具有所述的非稳-波导混合腔。

本发明的有益效果：

本发明在平板电极的纵向末端与谐振腔镜之间设置波导延伸块，波导延伸块延长了波导的长度，减小了波导端面与谐振腔镜之间的距离，同时，波导延伸块采用电绝缘材料，或波导延伸块采用金属材料但与平板电极之间有电绝缘体隔离，在波导延伸块处形成了非放电区，如此，本发明在减少激光光束在电极与谐振腔间耦合损耗的同时，却不会加大离子体放电对谐振腔镜的污染，有效避免谐振腔镜受到等离子体放电的污染和破坏。

附图说明

图1为以往射频CO2激光器非稳-波导混合腔结构轴测示意图；

图2为以往射频CO2激光器非稳-波导混合腔结构YZ平面示意图；

图3为本发明实施例的射频CO2激光器非稳-波导混合腔结构轴测示意图；

图4为本发明实施例的射频CO2激光器非稳-波导混合腔结构YZ平面示意图；

图5为图4所示右端的具体示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图3至图5，在一种实施例中，一种射频CO2激光器的非稳-波导混合腔，包括波导系统和光学反馈系统,所述波导系统包括一对平板电极1’和1”，所述光学反馈系统包括与所述一对平板电极1’和1”的两个纵向末端相对设置的第一谐振腔镜2’和第二谐振腔镜2”，所述一对平板电极1’和1”的一个纵向末端与所述第一谐振腔镜2’之间设置有第一波导延伸块3’，所述第一波导延伸块3’沿着纵向向所述第一谐振腔镜2’延伸以增加波导的长度，所述第一波导延伸块3’为金属材料或电绝缘材料，当所述第一波导延伸块3’为金属材料时，所述第一波导延伸块3’与所述一对平板电极1’和1”之间有电绝缘体4’隔离。

在典型的实施例中，平板电极1’和1”可以是两个矩形的平板形状，其在纵向有两个末端，在与纵向垂直的方向上两个电极板有一定的间距D1，且间距满足在该方向上的菲涅尔数小于0.75。由混合气体(CO2、N2、He)组成的增益介质充满平板电极1’和1”之间，并处于一定的工作压力。射频激励电源通过电极使两电极间的混合气体产生等离子体放电，进而产生受激辐射，经过谐振腔镜的放大，进而产生激光输出。

第一谐振腔镜2’和第二谐振腔镜2”为两个光学镜片，其中，一个镜片放置在两个平板电极1’和1”纵向的一端，另一个镜片放置在两个平板电极1’和1”纵向的另一端。这两个镜片组成激光器的光反馈系统，使微小的受激辐射在谐振腔中放大，进而产生激光输出。

通过在平板电极1’和1”与第一谐振腔镜2’和/或第二谐振腔镜2”之间使用波导延伸块和电绝缘材料，形成有波导影响的非放电区N，这样在纵向上增加了波导的长度，减小了波导端面与谐振腔镜之间的距离D2，进而减小激光光束在放电区D与非放电区N之间的耦合损耗，同时还可以有效避免谐振腔镜受到等离子体放电的污染和破坏。

在优选实施例中，所述第一波导延伸块3’为金属材料，所述第一波导延伸块3’通过电绝缘材料的螺钉固定到所述一对平板电极1’和1”的对应端面。

在另一些实施例中，所述第一波导延伸块3’为电绝缘材料，所述第一波导延伸块3’通过金属材料的螺钉固定到所述一对平板电极1’和1”的对应端面。

上述电绝缘材料可以为陶瓷。

在优选实施例中，所述一对平板电极1’和1”的另一个纵向末端与所述 第二谐振腔镜2”之间设置有第二波导延伸块3”，所述第二波导延伸块3”沿着纵向向所述第二谐振腔镜2”延伸以增加波导的长度，所述第二波导延伸块3”为金属材料或电绝缘材料，当所述第二波导延伸块3”为金属材料时，所述第二波导延伸块3”与所述一对平板电极1’和1”之间有电绝缘体4”隔离。

在更优选实施例中，所述第二波导延伸块3”为金属材料，所述第二波导延伸块3”通过电绝缘材料的螺钉固定到所述一对平板电极1’和1”的对应端面。

在另一些实施例中，所述第二波导延伸块3”为电绝缘材料，所述第二波导延伸块3”通过金属材料的螺钉固定到所述一对平板电极1’和1”的对应端面。

上述电绝缘材料可以为陶瓷。

在优选的实施例中，所述第一波导延伸块3’和所述第二波导延伸块3”分别具有沿着横向分离且相互对立的表面，相互对立的表面构成波导的边界，所述电绝缘体阻止所述一对平板电极1’和1”与所述第一波导延伸块3’之间、所述一对平板电极1’和1”与所述第二波导延伸块3”之间的气体放电。

在更优选的实施例中，所述一对平板电极1’和1”与所述第一波导延伸块3’及所述第二波导延伸块3”之间分别具有一个间距为G的间隙，G不小于0.4mm。

在另一种实施例中，一种射频CO2激光器，可具有前述任一实施例的非稳-波导混合腔。

以下结合附图进一步描述具体实施例。本装置针对的射频CO2激光器，其非稳-波导混合腔结构示意图如图3和图4所示，其结构主要由平板电极1’和1”、第一、二谐振腔镜2’和2”、第一、二波导延伸块3’和3”、电绝缘体4’和4”、电绝缘螺钉5’和5”组成。

在平板电极1’和1”的两端部各增加一个波导延伸块3’和3”。其中，第一波导延伸块3’放置在两个平板电极1’和1”第一末端与第一谐振腔镜2’之间，波导延伸块3’沿着Z轴向谐振腔镜2’延伸，且波导延伸块3’与平板电极1’和1”之间有电绝缘体4’隔离；第二波导延伸块3”放置在两个平板电极1’和1”第二末端与第二谐振腔镜2”之间，波导延伸块3”沿着Z轴向向谐振腔镜2”延伸，且波导延伸块3”与平板电极1’和1”之间有电绝缘 体4”隔离。

波导延伸块3’和3”有沿着Y轴分离且相互对立的表面，两个相互对立的表面构成波导的边界。电绝缘体4’和4”放置在电极1’和1”端部与波导延伸块3’和3”之间以阻止第一电极1’与第一波导延伸块3’之间、第一电极1’与第二波导延伸块3”之间、第二电极1”与第一波导延伸块3’之间、第二电极1”与第二波导延伸块3”之间的气体放电。由于波导延伸块与电极之间由电绝缘体隔离，因此波导延伸块的两相互对立的表面之间也不会产生放电。在电极1’和1”与波导延伸块3’之间，电极1’和1”与波导延伸块3”之间形成了一个间距为G的间隙，如图5所示。间隙G的大小要保证电极板1’和1”与波导延伸块3’之间的气体和电极板1’和1”与波导延伸块3”之间的气体不能被击穿，一般取值大于0.4mm。

波导延伸块3’与电极1’和1”之间的电绝缘体4’和波导延伸块3”与电极1’和1”之间的电绝缘体4”选用无机非金属材料或者其他类似的材料，如95％的氧化铝陶瓷。作为电绝缘体的陶瓷片的形状可以是圆形、矩形、方形等其他尺寸合适的形状。

波导延伸块3’和3”通过螺钉连接到平板电极的端面。为了避免两个平板电极1’和1”与波导延伸块3’和3”之间通过螺钉连通导电，当波导延伸块3’和3”采用金属材料时，如铝合金，螺钉5’和5”则必须选用电绝缘材料，如陶瓷螺钉。当波导延伸块3’和3”采用电绝缘材料时，如无机非金属材料中的陶瓷，螺钉5’和5”可以选用普通金属螺钉。研究表明，与金属波导边界相比，陶瓷波导边界会带来激光光束更多的其他损耗。另外，考虑到陶瓷材料相对金属材料，如铝合金，有着更高的成本，所以此处波导延伸块3’和3”选用铝合金材料，螺钉5’和5”选用陶瓷材料。

波导延伸块3’使平板电极1’与谐振腔镜2’之间、波导延伸块3”使平板电极1”与谐振腔镜2”之间各形成了一个有波导影响的非放电区N，如图4所示。相比于图2所示的结构，波导延伸块在Z轴方向上就增加了波导的长度，减少波导端面与谐振腔镜之间的距离D2，进而减少光束在此处的耦合损耗，同时波导延伸块3’和3”的非放电区N还保护了谐振腔镜免于等离子体放电的污染和破坏。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这 些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种射频CO2激光器的非稳-波导混合腔，包括波导系统和光学反馈系统，所述波导系统包括一对平板电极，所述光学反馈系统包括与所述一对平板电极的两个纵向末端相对设置的第一谐振腔镜和第二谐振腔镜，其特征在于，所述一对平板电极的一个纵向末端与所述第一谐振腔镜之间设置有第一波导延伸块，所述第一波导延伸块沿着纵向向所述第一谐振腔镜延伸以增加波导的长度，所述第一波导延伸块为金属材料，所述第一波导延伸块与所述一对平板电极之间由第一电绝缘体隔离并相连，所述第一波导延伸块与所述第一电绝缘体形成有波导影响的非放电区，在纵向上增加了波导的长度，减小激光光束在放电区与非放电区之间的耦合损耗。

2.如权利要求1所述的射频CO2激光器的非稳-波导混合腔，其特征在于，所述第一波导延伸块通过电绝缘材料的螺钉固定到所述一对平板电极的对应端面。

3.如权利要求1所述的射频CO2激光器的非稳-波导混合腔，其特征在于，所述一对平板电极的另一个纵向末端与所述第二谐振腔镜之间设置有第二波导延伸块，所述第二波导延伸块沿着纵向向所述第二谐振腔镜延伸以增加波导的长度，所述第二波导延伸块为金属材料或电绝缘材料，当所述第二波导延伸块为金属材料时，所述第二波导延伸块与所述一对平板电极之间有第二电绝缘体隔离。

4.如权利要求3所述的射频CO2激光器的非稳-波导混合腔，其特征在于，所述第二波导延伸块为金属材料，所述第二波导延伸块通过电绝缘材料的螺钉固定到所述一对平板电极的对应端面。

5.如权利要求3所述的射频CO2激光器的非稳-波导混合腔，其特征在于，所述第二波导延伸块为电绝缘材料，所述第二波导延伸块通过金属材料的螺钉固定到所述一对平板电极的对应端面。

6.如权利要求3至4任一项所述的射频CO2激光器的非稳-波导混合腔，其特征在于，所述第一波导延伸块和所述第二波导延伸块分别具有沿着横向分离且相互对立的表面，相互对立的表面构成波导的边界，所述第一电绝缘体阻止所述一对平板电极与所述第一波导延伸块之间的气体放电，当所述第二波导延伸块为金属材料时，所述第二电绝缘体阻止所述一对平板电极与所述第二波导延伸块之间的气体放电。

7.如权利要求4所述的射频CO2激光器的非稳-波导混合腔，其特征在于，所述一对平板电极与所述第一波导延伸块及所述第二波导延伸块之间分别具有一个间距为G的间隙，G不小于0.4mm。

8.如权利要求2至5任一项所述的射频CO2激光器的非稳-波导混合腔，其特征在于，所述电绝缘材料为陶瓷。

9.一种射频CO2激光器，其特征在于，具有如权利要求1至8任一项所述的非稳-波导混合腔。