可變腔長的光學諧振腔光腔頭的製作方法
2023-09-12 13:37:45
專利名稱：可變腔長的光學諧振腔光腔頭的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種雷射光學諧振腔光腔頭，特別是一種可調節諧振腔腔長的光腔頭，屬雷射裝置技術領域。
目前在工業生產和科學研究中使用的大功率二氧化碳雷射器主要用於部件的表面改性處理、打孔切割和焊接三個方面。
用於雷射表面改性處理的雷射器的光束橫模多數為高階多模，而用於雷射切割和焊接的雷射器的光束橫模多數是低階模或基模。在雷射孔徑相同的情況下，雷射光束的橫模特性主要取決於雷射器光學諧振腔的長度。光學諧振腔越短、輸出雷射束的橫模階數越高、可能存在的橫模模式越多。反之，光學諧振腔越長，輸出雷射束的橫模階數越低，可能同時存在的橫模模式越少，最低可達基模，在有限的體積內實現低階模輸出的一項基本技術就是光學諧振腔的摺疊技術。
目前國內外只有僅輸出低階模或僅輸出高階模的橫向流動二氧化碳雷射器，還沒有在同一臺雷射器中可方便地實現輸出高階多模和低階多模的轉換。國內可輸出低階模的橫向流動二氧化碳雷射器多採用限模的方法，而國外的輸出低階模的橫向流動二氧化碳雷射器雖採用摺疊式光學諧振腔，但都不能在諧振腔外部進行光學諧振腔的調整。
本實用新型的目的是提供一種在同一臺橫向流動二氧化碳雷射器中通過簡便的轉換即可選擇輸出高階多模或低階多模的光學諧振腔腔頭，而且還可在諧振腔外部進行光學諧振腔的調整。
本實用新型的目的是這樣實現的一種可變腔長的光學諧振腔光腔頭，它包括輸出耦合鏡、尾鏡、腔頭板等，其基本改進之處是它還設有轉折鏡及其調整機構；所述輸出耦合鏡、尾鏡及調整機構均安裝在腔頭板的諧振腔外側面上；所述轉折鏡安裝在腔頭板的諧振腔內側面上，所述轉折鏡調整機構安裝在諧振腔外側；所述輸出耦合鏡、尾鏡與轉折鏡並行排列在腔頭板的縱軸位置上，腔頭板的安裝位置設計成可作180度反轉的對稱結構，反轉後，輸出耦合鏡、尾鏡與轉折鏡的位置交換。
上述可變腔長的光學諧振腔光腔頭，所述輸出耦合鏡、尾鏡安裝座固定於輸出耦合鏡、尾鏡調整架之上，由波汶管與腔頭板密封連接，在輸出耦合鏡、尾鏡調整架上有呈直角三角形分布的三隻調整螺栓，其中直角頂位置的螺栓是固定的，另兩隻調整螺栓可調整。
上述可變腔長的光學諧振腔光腔頭，所述轉折鏡調整機構為由轉折鏡調整架內固定板、轉折鏡調整架固定螺栓、轉折鏡調整架外固定板組成的轉折鏡調整架，三隻波汶管一端與轉折鏡調整架固定螺栓緊密相連，另一端與腔頭板緊密相連，為真空密封；轉折鏡調整架內固定板上有轉折鏡安裝座；轉折鏡調整架外固定板上有調整螺栓，調整螺栓共三隻呈直角三角形分布，其中，直角頂位置的調整螺栓固定，另兩隻調整螺栓可調整。
本實用新型由於採取上述結構，可帶來兩大優點第一，通過180度調轉腔頭板的安裝位置，使耦合鏡、尾鏡與轉折鏡的相對位置發生變化，可實現光學諧振腔在單程腔和任意奇數摺疊腔之間的方便轉換，從而改變光學諧振腔的腔長，可選擇輸出多階多模或低階多模的光束；第二，採用波汶管密封技術和直角三角形位置配置調整螺栓還可解決在諧振腔外部對耦合鏡、尾鏡和轉折鏡進行精密調整和密封的難題。
以下結合附圖對本實用新型進行詳述
圖1是本實用新型腔頭板的主視圖；圖2是本實用新型腔頭板的左視圖；圖3是本實用新型腔頭板的右視圖；圖4是本實用新型單程光學諧振腔示意圖；圖5是本實用新型摺疊光學諧振腔示意圖；圖6是本實用新型五折腔頭腔頭板與輸出耦合鏡、尾鏡和轉折鏡的相對位置示意圖；圖7是本實用新型七折腔頭腔頭板與輸出耦合鏡、尾鏡和轉折鏡的相對位置示意圖；圖1、圖2、圖3所描述的光學諧振腔光腔頭，其結構是由輸出耦合鏡、尾鏡機構(它包括調整螺栓、密封波汶管、安裝座等)、轉折鏡及其調整機構(它包括轉折鏡調整架、轉折鏡調整架固定螺杆密封波汶管，調整螺栓等)、腔頭板三個主要部分組成。除輸出耦合鏡與尾鏡的安裝座可有些差異外，輸出腔頭和後腔頭的基本結構完全相同。輸出耦合鏡、尾鏡調整架2帶有輸出耦合鏡、尾鏡安裝座4，通過波汶管9與腔頭板1密封連接，調整三隻調整螺栓3可實現鏡面的精密調整。這三隻螺檢呈直角三角形配置，直角頂處的螺栓可固定(不調整)，另兩隻螺栓分別負責鏡面在兩個互相垂直方向的調整，因而這兩隻調整螺栓互不幹擾。轉折鏡調整架外固定板6、轉折鏡調整架內固定板13、轉折鏡調整架固定螺杆10、轉折鏡調整架緊固螺栓7和11，他們之間剛性連接，構成轉折鏡調整架。三隻波汶管5一端與轉折鏡調整架固定螺杆10緊密相連，另一端與腔頭板1緊密相連，以實現真空密封。腔頭板1上對應於轉折鏡調整架固定螺杆的部位各有一個較大的孔，以便整個調整架能在一定範圍內調整。轉折鏡調整架內固定板上帶有轉折鏡12及其水冷機構、轉折鏡安裝座14等。整個調整架由三隻調整螺栓8實現精密調整，整調螺栓8的配置與調整方法與上述耦合鏡、尾鏡的調整螺栓類似。
光學諧振腔由上面描述的輸出腔頭16和後腔頭15兩個腔頭緊密(真空密封)地安裝在雷射器箱體相對的兩側構成。
本實用新型所描述的光學諧振腔腔頭可實現單程腔和任意奇數摺疊腔之間的方便轉換。在單程腔配置下輸出高階多模，在摺疊腔配置下輸出較低階模。在要求輸出低階模(不大於2階模)的情況下，光學諧振腔的菲聶爾數應不大於2，由此決定摺疊腔的摺疊次數。
圖4是單程腔的後腔頭15與輸出腔頭16的配置示意圖。輸出腔頭16的輸出耦合鏡與後腔頭15的尾鏡正對，此為單程腔，輸出高階多模光束。
圖5是摺疊腔時的後腔頭15與輸出腔頭16的配置情況。此時將單程腔時的後腔頭15的腔頭板1繞腔頭板對稱中心O旋轉180度，腔頭板1上的尾鏡和轉折繞位置交換，後腔頭15的尾鏡對輸出腔頭16的轉折鏡，後腔頭15的轉折鏡對輸出腔頭16的輸出鏡，光學諧振腔轉換為多折摺疊腔，圖5中的摺疊腔是單程腔的五倍，可輸出較低階模。
圖6和圖7給出五折腔頭和七折腔頭時的輸出耦合鏡、尾鏡和轉折鏡的相對位置。一般情況下，當摺疊腔的折數為2n+1時，轉折鏡的長度L=n.d(d為尾鏡的有效直徑)，轉折鏡的寬度W≥d。轉折鏡長方向的中心線與腔頭板一個方向的中心線重合，並通過輸出耦合鏡、尾鏡中心。轉折鏡寬方向一個邊緣與輸出耦合鏡、尾鏡的邊緣相切，轉折鏡寬方向的另一個與腔頭板另一中心線相距(L+d)/2(即輸出耦合鏡、尾鏡直徑與轉折鏡長度之和的平分線與腔頭板另一中心線重合)。
本實施例中，光學諧振腔腔頭全部用低熱膨脹係數材料製成，以保證光學諧振腔的熱穩定性。
權利要求1．一種可變腔長的光學諧振腔光腔頭，它包括輸出耦合鏡、尾鏡、腔頭板[1]等，其特徵在於它還設有轉折鏡[12]及其調整機構；所述轉折鏡[2]安裝在腔頭板[1]的諧振腔內側面上，所述轉折鏡調整機構安裝在諧振腔外側；所述輸出耦合鏡、尾鏡與轉折鏡[12]並行排列在腔頭板[1]的縱軸位置上，腔頭板[1]的安裝位置設計成可作180度反轉的對稱結構，反轉後，輸出耦合鏡、尾鏡與轉折鏡[2]的位置交換。
2．根據權利要求1所述的可變腔長的光學諧振腔光腔頭，其特徵在於輸出耦合鏡、尾鏡安裝座[4]固定於輸出耦合鏡、尾鏡調整架[2]之上，由波汶管[9]與腔頭板[1]密封連接，在輸出耦合鏡、尾鏡調整架[2]上有呈直角三角形分布的三隻調整螺栓[3]，其中，處於直角頂位置的調整螺栓[3]固定，另兩隻調整螺栓[3]可調整。
3．根據權利要求1所述的可變腔長的光學諧振腔光腔頭，其特徵在於轉折鏡調整機構是由轉折鏡調整架內固定板、轉折鏡調整架固定螺栓[10]、轉折鏡調整架外固定板[6]組成的轉折鏡調整架，三隻波汶管[5]一端與轉折鏡調整架固定螺栓[10]緊密相連，另一端與腔頭板[1]緊密相連，為真空密封；轉折鏡調整架內固定板[13]上有轉折鏡安裝座[14]；轉折鏡調整架外固定板[6]上有調整螺栓[8]，調整螺栓[8]共三隻呈直角三角形分布，其中，處於直角頂位置的調整螺栓[8]固定，另兩隻調整螺栓[8]可調整。
專利摘要本實用新型公開了一種可變腔長的光學諧振腔光腔頭,它包括輸出耦合鏡、尾鏡、腔頭板等,並設有轉折鏡及調整機構。通過調整輸出耦合鏡、尾鏡和轉折鏡的相對位置,可以實現光學諧振腔在單程腔和任意奇數摺疊腔之間的方便轉換,以選擇輸出多階多模或低價多模的光束。本實用新型還解決了在諧振腔外部對耦合鏡、尾鏡、轉折鏡進行調整和密封的問題。
文檔編號H01S3/00GK2318733SQ9820116
公開日1999年5月12日 申請日期1998年2月17日 優先權日1998年2月17日
發明者謝佔武, 康建章, 趙治國 申請人:河北省科學院雷射研究所