CN1110876C - 径向波激光器 - Google Patents
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Abstract
一种径向波激光器，包括环形的射频谐振腔，置于射频谐振腔内有激光工作物质，有与射频谐振腔共中心轴线的环形激光谐振腔主反射器。射频谐振腔的中间由平面垂直于中心轴线的相互平行的两电容性圆形平板的中间构成放电空间。中心轴线区有激光耦合反射器和激光输出耦合镜。激光谐振腔有单镜式、双镜式、多镜式。激光工作物质是气体、或固体、或液体、或半导体。本发明具有单模输出功率高，轴对称性好，结构稳定，运转寿命长，实用性强。
Description
本发明的径向波激光器是一种以径向波受激振荡为特征的新型射频放电激励的激光器。
已有技术中，自激光器问世以来，有效激光增益介质基本上采用棒状结构，光学谐振腔设置在棒状增益介质的轴线上。当增益介质被泵浦激活时，产生的激光沿增益介质的轴线纵向传输振荡。不管是气体激光器、液体激光器或是固体激光器大都如此。
最近发展起来的扩散冷却型横向射频激励的板条状二氧化碳气体激光器提出面积放大结构，已在770×95×2mm2的激活体积上取得1kW以上的激光功率(对比文献[1]A.D.Colley，H.J.Boker and D.R.Hall，Appl.Phys.Lett.，1992，61(2)：136)，具有很大的工业应用潜力。但是此种激光器的增益介质在垂直光轴的腔平面上的水平尺寸(95mm)和垂直尺寸(2mm)之比为47倍之多。如果采用全斑输出，激光束的横截面的宽高比也接近47倍，并且激光不是低阶模工作，光束的均匀性、方向性及轴对称性均较差，难以实用。就是采用二维曲率不同的全反射镜不稳定腔，由侧面输出激光，其光束截面的宽高比可以压缩至12左右，光束的轴对称性仍很差，必须用外部的复杂光学系统提高激光束对称性才能实用。而且这种结构的机械和光学加工很困难，光学元件的质量难以保证，调整和使用也很麻烦。为提高板条状波导激光器激光输出的空间均匀性，提高输出光束的光学质量和相干性，D.R.Hall等采用腔内空间周期调制结构[对比文献[2]“Slab Waveguide Laser”，U.S.Pat 5，608，745 mar.4.1997]。这不仅增加了腔内损耗而且无益于输出激光对称性的提高，对改善实用性无太大的好处。
为了提高射频激发CO2激光器输出光束的对称性和减小光斑尺寸，E.F.Yelden等提出了径向套叠的CO2激光器列阵系统[对比文献[3]“symmetry enhancementand spot-size reduction through radial beam stacking in a multichannel CO2 laserarray.E.F.Yelden，S.W.Scott，J.D.Strohschein，H.J.J.Seguin，C.E.Capjack and H.W.Reshef.IEEE J.Q.E.，1994，30(8)：1868～1875]。这种结构可以提高激光输出光束的对称性，但对激光的相位锁定、相干性和光束质量的提高不利，同时加工也很困难，不便实用。
可见板条状激光器及其列阵系统各有其优点和缺点，但是无法统一优点，不能促进实用。
本发明的目的就是提供一种既能有较高激光输出功率、有较好相干性的低阶模振荡，又有均匀对称的激光输出光束的实用的激光器。本发明提出的径向波激光器能确保在低阶模上受激振荡，因此具有良好的相干性和均匀性。其单基模工作的模体积可以比已有技术的棒状结构激光器的单基模体积提高两个数量级，因此将有较高的单模激光输出功率。并可以获得良好的输出光束的对称性和方向性，将非常有利于实际应用。
本发明的径向波激光器结构的轴平面剖视图如图1所示。它主要含有环形的射频谐振腔1，置于射频谐振腔1内的激光工作物质7，置于射频谐振腔1内有环形激光谐振腔主反射器2。由环形激光谐振腔主反射器2构成径向波激光谐振腔8，径向波激光谐振腔8、环形的射频谐振腔1和环形激光谐振腔主反射器2均共中心轴线(OO)，在环形的射频谐振腔1中间是平面垂直于射频谐振腔1的中心轴线OO相互平行的二个电容性圆形平板6，两电容性圆形平板6之间是放电空间5，放电空间5与环形谐振腔主反射器2的径向平面平行且对称。
在两电容性圆形平板6的中心位置，与环形激光谐振腔主反射器2同中心轴线OO地分别置有激光耦合反射器3和激光输出耦合镜4。
本发明所述的环形的射频谐振腔1当激光工作物质7是气体时，它可由金属制成，材料可以是铝、铜、金、银或者是其它金属材料制成之后在内壁镀铜、镀金或镀银。此环形的射频谐振腔1的壁可以是整块金属壁，也可以适量开孔或开缝以便利激光工作物质7气体的流动、冷却和电学参量的调节。环形的射频谐振腔1的外壁也可以和冷却水管直接接触，进行有效的传导扩散冷却。环形的射频谐振腔1的几何尺寸主要与选用的射频工作频率f0有关：
其中L0为电感量，C0为电容量，它们和环形的射频谐振腔1的几何结构参数有关。取一次近似有如下关系式： 其中a为环形的射频谐振腔1的半径，b为其电容性圆形平板6的半径，H为环形的射频谐振腔1的高度，d为放电空间5的高度，ε0为激光工作物质7(气体)的介电常数，μ0为磁导率常数。精确计算尚需计及电场和磁场的不均匀性修正。所用环形的射频谐振腔1的选用频率f0的范围为：10MHz≤f0≤3000MHz。相应的放电空间5的高度d的取值范围为：0.3mm≤d≤30mm。
本发明所述的环形激光谐振腔主反射器2可以由金属，陶瓷或玻璃等材料做成(图1)，也可以在环形的射频谐振腔1的内壁上直接切削、打磨成形，内表面抛光、镀膜提高对相应激光波长的反射率。环形激光谐振腔主反射器2的高度h必须大于放电空间5高度d，即h＞d，以减小衍射损耗。环形激光谐振腔主反射器2的径向半径R的取值范围为：b≤R≤a。其轴向剖面上的曲率半径r的取值范围为：(a-b)≤r≤∞。
用环形激光谐振腔主反射器2构成径向波激光谐振腔8可以分为单镜式(图6)，双镜式(图2)和多镜式(图1)。在低功率激光工作，低耦合输出时可用单镜式，即径向波激光谐振腔8仅含有单独一个环形激光谐振腔主反射器2(图3)、(图6)、(图8)、(图11)。此时激光输出可以在环形激光谐振腔主反射器2上开小孔耦合，环形激光谐振腔主反射器2上部分透射耦合或用激光耦合反射器3小量进入放电空间5进行反射耦合。所谓双镜式径向波激光谐振腔8就是含有环形激光谐振腔主反射器2和在环形激光谐振腔主反射器2的中心轴线(OO)区域，在激光耦合反射器3的外面同中心轴线OO设置一个圆筒形具有部分激光透过率的激光副反射器21(如图2中的21)。使其产生的激光在环形激光谐振腔主反射器2和内圆筒形激光副反射器21之间产生径向波传输振荡。此时激光束可以透过内圆筒形激光副反射器21并由激光耦合反射器3反射输出。所谓的多镜式如图4或图5所示，径向波激光谐振腔8内含有环形激光谐振腔主反射器2，激光耦合反射器3及激光输出耦合镜4。此时激光耦合反射器3和激光输出耦合镜4配合形成一个等效的内圆环形激光副反射器21。双镜式和多镜式径向波激光谐振腔8有利于高功率激光器场合。
本发明中所述的激光耦合反射器3是一个对所选用激光波长全反射的旋转圆锥体。其母线可以是直线，或是抛物线或是双曲线等。其制作材料可以是金属、陶瓷、玻璃、晶体、半导体材料等等，表面抛光并镀激光增反膜层。其旋转圆锥体的顶角θ取值范围：45°≤θ≤135°。
本发明中所述的激光输出耦合镜4由相应激光波长的透过材料如玻璃、石英、氯化钾、硒化锌、锗及砷化镓等材料制成。其结构常用片状平行平板形状，也可根据激光输出的特殊要求，配合激光耦合反射器3的面形制成球面或者是抛物面等特殊面形。通常内表面镀增反膜，外表面镀增透膜。
本发明径向波激光器的环形射频谐振腔激励系统中所述的环形的射频谐振腔1激励的径向波气体激光器和激励射频电源的联接如图3所示。其中射频激励电源9通过射频同轴电缆10及射频功率耦合环11与环形的射频谐振腔1进行电学联接。在环形的射频谐振腔1中注入适量的激光工作物质7的气体之后，起动射频激励电源7供给与环形的射频谐振腔1的谐振频率f0相接近的频率的射频功率，此时，在环形的射频谐振腔1中产生射频电磁振荡。如果供给的射频功率足够高，在环形的射频谐振腔的两电容性圆形平板6之间的放电空间5中就产生大面积气体辉光放电。这种大面积气体辉光放电激发激光工作物质7的气体，使之造成激光工作气体的粒子数反转，引起激光辐射。在径向波激光谐振腔8的作用下，在环形激光谐振腔主反射器2包围的空间中造成激光的径向波振荡。就可用激光耦合反射器3和激光输出耦合反射镜4耦合出适当比例的激光功率。
本发明径向波激光器其气体激光器的环形射频谐振腔激励系统中所述的径向波气体激光器的激光工作物质7的气体是He-Ne，或是CO2-N2-He，或是CO-N2-He，或是Xe，或是Ar等等。
本发明径向波激光器所述的环形的射频谐振腔1轴向剖面结构，不仅可以是H形的，如图1，图2，图3。或者是n形的，如图4，或者是双圆形的如图5。或者是多种结构形状的叠合形，以适应高功率激光器的需要。
本发明所述的射频谐振腔激励的径向波气体激光器，主要利用射频谐振腔共振激励结构实现激光的径向波面积放大。这种径向波振荡放大的激光器结构也可应用于激光工作物质7为固体、液体及半导体等各种激光器上。可以使这些激光器更便于基模振荡，并且能够大大扩展这些激光器基模激光振荡的体积，因此能大大提高基模激光的输出功率。
对于固体激光器或液体激光器或染料激光器大多采用光泵浦形式，包括氙灯泵浦、氪灯泵浦、太阳光泵浦以及半导体激光泵浦。因此可不用气体激光器那样的射频谐振腔激励系统，结构就可大为简化。图6，图7，图8和图9画出了以固体(或流体)激光器的几种基本结构形式。图6是基本型径向波固体激光器。其中2是环形激光谐振腔主反射器，激光工作(或液体)物质7是固体、61是泵浦光，62是经环形激光谐振腔主反射器2透射的径向波激光束。图7是具有热聚焦修正曲面的径向波激光器示意图。其中环形激光谐振腔主反射器2是具有热聚焦修正曲面的。图7中21是在固体激光工作物质7的轴向中心孔表面，径抛光、镀膜形成激光副反射器。图8是由旋转抛物面81和环形平面反射镜82组成环形激光谐振腔主反射器2的，具有轴向环形激光束输出的固体径向波激光器结构示意图。其中环形激光谐振腔主反射器2是由固体激光工作物质7的外圆呈旋转抛物面81，上、下端面与轴线垂直，上平面上外圆平面抛光镀增反膜层构成环形平面反射镜82所构成。此类结构有利抑制激光环形振荡。
图9是当激光工作物质7为固体时，它是由两个圆锥形光学表面组成环形激光谐振腔主反射器2的径向波固体激光器示意图。图中91为固体激光工作物质7外圆上的上圆锥面，92为下圆锥面，这两个圆锥面抛光上下对称同轴配置，并且上下两圆锥面的母线夹角为90°，构成内全反射棱镜结构，由此结构组成环形激光谐振腔主反射器2。这种结构可以省略镀膜工艺。
对于径向波半导体激光器，其结构大致与径向波固体激光器相似，所不同的是需要在激光工作物质7旋转轴的垂直平面上配置电极，如图10，图11所示。图10为带有泵浦电极101的激光工作物质7为半导体的有轴向激光束62输出的径向波半导体激光器。其中101是泵浦电极，102是电极引线。图11是激光工作物质7为半导体的具有环形轴向激光束62输出的径向波半导体激光器结构示意图。此类径向波半导体激光器的激光输出光束62的轴对称性比传统结构的要好得多。
本发明径向波激光器具有的优点是：
1.由于环形的射频谐振腔1内置有环形激光谐振腔主反射器2构成径向波激光谐振腔8，在激光工作物质7内形成向心会聚波束和离心发散波束两种激光波的传输振荡，因此，它所激励的径向波激光器有很大的单模工作的模体积，比已有技术轴向波激光器单模体积大二个数量级以上，因此可以大大提高激光的单模输出功率，特别适宜制造高功率气体激光器。
2.径向波激光器有利于低阶模激光运转，特别有利于基模运转，因此激光的相干性好，激光束输出的轴向对称好，光强分布的均匀性也好，有利实际应用。
3.环形的射频谐振腔1激励的径向波气体激光器除输出窗之外采用全金属材料制造，结构稳定牢固，可以真空硬封接，能长寿命运转，便于使用。
4.全金属材料制成的环形的射频谐振腔1激励的径向波气体激光器可直接利用传导扩散冷却结构，提高热交换效率，减小激光器的整体体积。
5.对于激光工作物质7为气体时可以全金属制成的环形的射频谐振腔激励系统，属射频密封结构，不会向空间辐射电磁波，不会引起电磁干扰。
6.环形的射频谐振腔激励的径向波气体激光器结构，元件大部分采用轴对称结构形状，加工相对容易，因此能大大降低制造成本，经济效益高。
7.环形的射频谐振腔激励的径向波气体激光器中的主要元件环形激光谐振腔主反射器2本身是一个整体，结构稳定，不用调准。只需对激光耦合反射器3少量调节即可，因此激光器整体结构中要调节元件少，工作稳定，使用方便。
8.本发明径向波激光器的激光工作物质7可以是气体，或者是固体、或者是液体、或者是半导体等。也就是说，不仅有径向波气体激光器，还有径向波固体激光器、径向波液体激光器和径向波半导体激光器等。本发明的径向波激光器不仅将传统激光器由棒状改变成圆盘状，大大缩小空间结构体积，提高了稳定性，而更重要的是可以大大提高此类激光器单模工作的激光模体积(～102)，因此也能大大提高此类激光器的激光单模输出功率。全面改善激光器的性能。
附图说明：
图1.为本发明的当激光工作物质7是气体时，径向波(气体)激光器结构的轴平面剖视示意图。
图2.为环形激光谐振腔主反射器2直接成形在环形的射频谐振腔1内壁上，并带有激光副反射器21的径向波气体激光器示意图。
图3.为径向波气体激光器和射频激励电源的联接示意图。
图4.轴向剖面结构为n形的环形的射频谐振腔1的径向波气体激光器示意图。
图5.轴向剖面结构为双圆环形的环形的射频谐振腔1结构的径向波气体激光器示意图。
图6.基本型径向波固体激光器示意图。
图7.具有热聚焦修正曲面的双镜式径向波固体激光器示意图。
图8.由旋转抛物面81和环形平面反射镜82组成环形激光谐振腔主反射器2的径向波固体激光器示意图。
图9.由两个圆锥面91、92组成内全反射棱镜结构的环形激光谐振腔主反射器2的径向波固体激光器示意图。
图10.带泵浦电极102的具有轴上激光束输出的径向波半导体激光器示意图。
图11.具有环形轴向激光束输出的径向波半导体激光器示意图。
实施例：
本发明径向波激光器以激光工作物质7为气体CO2的径向波CO2激光器为实施例，结合图2和图3进一步说明本发明的结构。
为了叙述简单起见采用H型上下对称的环形的射频谐振腔1激励的径向波CO2激光器(如图2)为例给出具体结构说明。图2中的环形的射频谐振腔1采用锻打的紫铜(最好是无氧铜)制成，其环形的射频谐振腔1的内径2a＝975mm，环形的射频谐振腔1的高度H＝195mm，二个电容性圆形平板6的直径2b＝585mm，两电容性圆形平板6之间的放电空间5的高度d＝6mm。放电空间5和环形的射频谐振腔1内充有的激光工作物质7为气体，为了简化结构，将环形激光谐振腔主反射器2直接成形在环形的射频谐振腔1的内壁中间位置上，因此，环形激光谐振腔主反射器2与环形的激光谐振腔1是同轴的。环形激光谐振腔主反射器2经切削、打磨、抛光、镀膜(镀金)使其对10.6μm激光光波的反射率大于98％，当然，此时环形激光谐振腔主反射器2的径向半径R接近于环形的激光谐振腔1半径a，R≈a＝487.5mm，轴向高度h＝2d＝12mm，轴向剖面上的圆弧曲率半径r，取r≈2R≈2a＝975mm。
激光耦合反射器3用硅晶体材料制成。圆锥形的激光耦合反射器3的顶角θ＝90°，底部直径为30mm，圆锥面抛光镀金膜层，使对10.6μm的激光束反射率大于98％，精确安装在环形激光谐振腔主反射器2的中心轴线OO上，使它们两者的中心轴线(OO)重合。调节激光耦合反射器3的锥体深入二电容性圆形平板6之间的放电空间5的程度即可调节激光输出的耦合量。
激光输出耦合镜4为硒化锌材料做成的直径40mm的平行平板，外表面镀10.6μm激光波长的增透膜，内表面镀10.6μm激光波长的增反膜。与激光耦合反射器3相对称，同轴地分别安装在两电容性圆形平板6的中心位置上，均居放电空间5轴向的上下两边。(并使反射面的法线和环形激光谐振腔主反射器2的轴线平行)
将上述各元件安装、调准、定位之后整体密封，金属腔体外面加有冷却。此后将环形的射频谐振腔1中的空气用真空泵排气，当真空度达到0.1帕以下而且整体不漏气时，充入1∶2∶7的CO2∶N2∶He的气体混合物3000～4000帕。
做好以上准备工作后，就可开启射频激励电源9。本实施例中要求射频激励电源9的激励频率为54MHz左右。射频激励电源9的输出功率经射频同轴电缆10和射频功率耦合环11传输给环形的射频谐振腔1。此时在环形的射频谐振腔1中激发起54MHz的电磁振荡，在两电容性圆形平板6之间放电空间5内产生54MHz的交变电场。当输入的射频功率超过放电空间5中的气体击穿阈值时，放电空间5区就产生射频辉光放电。由于射频辉光放电的产生，放电空间5中充满等离子体，使环形的激光谐振腔1的频率特性向低频偏移，此时适当调节环形的射频谐振腔1的高度H使之重新对54MHz的射频输入谐振。当输入的射频功率超过激光阈值时，由环形激光谐振腔主反射器2构成的径向波激光谐振腔8中就有激光振荡，在激光输出耦合镜4上就有波长为10.6μm左右的激光束输出。当对本实施例的激光器输入15kW的射频功率时，本发明的激光器可以有单模输出1.5kW的激光功率。
Claims (7)
1.一种径向波激光器，包括：
<1>射频谐振腔(1)和激光谐振腔(8)和置于射频谐振腔(1)内的激光工作物质(7)；
其特征在于：
<2>所说的射频谐振腔(1)是环形的，置于射频谐振腔(1)内有与射频谐振腔(1)共中心轴线(OO)的环形激光谐振腔主反射器(2)，所说的激光谐振腔(8)是由环形激光谐振腔主反射器(2)构成的径向波激光谐振腔(8)；
<3>射频谐振腔(1)的中间由平面垂直于中心轴线(OO)的相互平行的两电容性圆形平板(6)的中间构成放电空间(5)；
<4>在两电容性圆形平板(6)的中心位置上，与环形激光谐振腔主反射器(2)同中心轴线(OO)的分别置有激光耦合反射器(3)和激光输出耦合镜(4)。
2.根据权利要求1所述的径向波激光器，其特征在于所说的环形的射频谐振腔(1)轴向剖面结构是H形、或是n形，或是双圆形，或是多种结构形状的叠合形。
3.根据权利要求1所述的径向波激光器，其特征在于所说的径向波激光谐振腔(8)是仅含环形谐振腔主反射器(2)的单镜式的，或者是含有环形激光谐振腔主反射器(2)和置于环形激光谐振腔主反射器(2)中心轴线(OO)区域，与环形激光谐振腔主反射器(2)同中心轴线(OO)的具有部分激光束透过率的圆筒形的激光副反射器(21)的双镜式的；或者是含有环形激光谐振腔主反射器(2)，激光耦合反射器(3)和激光输出耦合镜(4)的多镜式的。
4.根据权利要求1所述的径向波激光器，其特征在于所说的环形激光谐振腔主反射器(2)的高度h大于放电空间(5)的高度d，即h＞d；而且环形激光谐振腔主反射器(2)的径向半径R小于或等于环形的射频谐振腔(1)的半径a，大于或等于电容性圆形平板(6)的半径b，即b≤R≤a。
5.根据权利要求1或4所述的径向波激光器，其特征在于所说的放电空间(5)的高度d为0.3mm≤d≤30mm。
6.根据权利要求1所述的径向波激光器，其特征在于所说的激光耦合反射器(3)是一个对所选用激光波长全反射的旋转圆锥体，旋转圆锥体的母线是直线，或是抛物线，或是双曲线；旋转圆锥体的顶角θ为45°≤θ≤135°，旋转圆锥体的表面抛光并镀有对所选用激光波长的增反膜层。
7.根据权利要求1所述的径向波激光器，其特征在于激光工作物质(7)为固体时，环形激光谐振腔主反射器(2)是由固体的激光工作物质(7)的呈旋转抛物面(81)的外圆和上平面上的环形平面反射镜(82)构成的，或者是由固体的激光工作物质(7)外圆上，上下对称同轴配置母线夹角为90°的上圆锥面和下圆锥面构成的内全反射棱镜结构。
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