用於橫流二氧化碳雷射器的組合雷射諧振腔的製作方法
2023-07-03 23:39:06
專利名稱：用於橫流二氧化碳雷射器的組合雷射諧振腔的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於雷射技術領域，主要用於改善500W以上橫流二 氧化碳雷射器的光束質量。
背景技術：
本專業的技術人員十分清楚，雷射諧振腔(以下簡稱光腔)是激 光器產生雷射的不可缺少的關鍵部件。其基本原理是相同的，但在不 同的雷射器中具體結構和形態不盡相同。大功率橫流二氧化碳雷射器 因為氣體流動、氣體放電激發、雷射諧振腔的雷射束出光的三方向是 互相正交的，所以產生雷射的增益區的橫截面一般是矩形的，而且不 均勻。這樣，橫流二氧化碳雷射的光束質量一般不好，在工業應用中 受到了很大的限制。目前，橫流高功率二氧化碳雷射器的光腔主要有 三種形式平一凹穩定腔，指由平面鏡和凹球面鏡組成的光腔；共焦 點凸一凹非穩定腔，指由有公共焦點的凸球面鏡和凹球面鏡組成的光 腔；多折平一凹穩定腔，這種腔與平一凹穩定腔是一樣的思想，不同 的是用摺疊的方式增加光腔的長度改善光束質量和提高增益區的利 用效率。平一凹腔的顯著優點是光腔最為穩定，主要問題是光束質量 很差，所產生的雷射是多模雷射，聚焦性能和傳輸性能不好，聚焦的 最小光斑只能達到一毫米，只能在對光束要求不高的熱處理、熔覆等 場合中應用。共焦點凸一凹非穩定腔是根據平一凹腔的缺點提出改進 的光腔，用這種腔可以獲得比較好的光束質量，聚焦的最小光斑能達 到零點一毫米，可以進行切割、焊接等這樣的要求高的加工應用，當 然也可以在低要求的加工中應用；但共焦點凸一凹非穩定腔的所利用 的增益區的橫截面是一個圓形，它只利用了一部分增益區，從理論上 講是雷射的模體積比較小，因此產生的雷射效率比較低。多折平一凹 穩定腔是從改善光束質量和增加模體積從而提高效率出發而設計的 光腔，但實際效果是極不穩定，因為增加了光腔的長度所帶來的問題 就是難以穩定工作，例如一個五折腔的腔長是平一凹腔的五倍，任何
位移變化至少放大五倍，容易在運行中失調而導致功率顯著降低甚至 不出光。
實用新型內容
針對原有光腔的缺點，本實用新型的目的是提供一種用於橫流二 氧化碳雷射器的組合雷射諧振腔(以下簡稱組合鏡光腔)，為了達到 這個目的，本實用新型的主要技術方案是這種組合鏡光腔它由柱面 全反鏡、凹球面全反鏡和雷射輸出窗口組成，當柱面全反鏡和凹球面 全反鏡組合時，其組合鏡光腔是一個單端正支的虛共焦凸一凹非穩 腔。
本實用新型所述的組合光腔中的柱面全反鏡還可以是凹柱面全 反鏡。
本實用新型所述的組合光腔，當柱面全反鏡是一個凹柱面全反鏡 和凹球面全反鏡組合時，其組合光腔結構是一個實共焦凹一凹非穩 腔。
本實用新型的主要優點是1)、獲得準基模的雷射束輸出，這是 接近衍射極限的性能最好的光束模式；2)、儘可能充分地利用橫流激 光器的增益區，獲得儘可能大的模體積和儘可能高的雷射轉換效率； 3)、能夠長期穩定工作，便於橫流雷射器的大規模工業應用。
本實用新型除了上述顯著特點外，還具有結構簡單容易實現等適 合工程化的優點。它所需要的光學元件只有3個，安裝好後需要調整 的元件只有1個、即球面全反射鏡，在調整好以後就基本不需要動了， 特別適合工業生產應用。從高功率雷射應用方面看，橫流二氧化碳激 光是高功率氣體雷射中成本最低、效率最高、功率最高、壽命最長的 的雷射器，只是因為光束質量不好而失去了很多應用領域。本實用新 型可以徹底地解決這樣的問題，使橫流雷射器的應用產生根本的變 化。
圖l組合光腔基本結構示意圖。 圖2是圖1A-A剖視結構示意圖。
圖中組合腔的基本結構示意如圖1，構成光腔的光學元件共有 3個，其中元件(1)是柱面全反射鏡(根據具體雷射器的需要可以
是凸柱面或凹柱面)，元件(2)是凹球面全反射鏡，(1)和(2)構 成了柱面一凹球面光腔，是組合腔的核心，元件(3)是雷射輸出窗 口、是耦合輸出雷射的。這3個元件的具體幾何尺寸和光學參數(包 括鏡面的曲率半徑)根據具體雷射器的需要計算確定。這種柱面鏡和 球面鏡組合起來的組合腔與傳統的平面鏡與球面鏡組成的光腔或者 球面鏡與球面鏡組成的光腔在結構上有顯著的差別。在圖1所示的剖 面看，當(1)為凸柱面全反射鏡時，組合腔是一個單端正支的虛共
焦凸一凹非穩腔；當(1)為凹柱面鏡時，組合腔則設計為實共焦凹
—凹非穩腔，它輸出的是平面波基模雷射束，具有性能最好的光束模 式，但與普通單端正支的虛共焦凸一凹非穩腔相比、組合腔利用了全 部矩形空間增益區而具有最大的模體積，因此既有好的光束質量、又
有高的雷射轉換效率。在與圖l成90度的剖面看，組合腔是一個平 一凹穩定腔，其結構如圖2所示，因此具有十分穩定的特點。
具體實施方式本實用新型的具體實施例子如下
一個功率為6000W的橫流二氧化碳雷射器，光腔長度2000mm， 其氣體放電產生的增益區截面為60mmX30mm的矩形，元件(1)是曲 率半徑為4000mm、鏡面尺寸為30mmX 30mm正方形、厚度為IO腿的 凸柱面全反射鏡;元件(2)是曲率半徑為8000mm、鏡面尺寸為70mmX 35mm矩形、厚度為20的凹球面全反射鏡；元件(3)是鏡面尺寸為 40mmX 40mm矩形、厚度為5腿、透過率為100%或接近100%的平面輸 出窗口。這樣的組合腔從圖1的方向看是一個放大倍率M (兩個全反 射鏡的曲率半徑8000mra和4000mm的比值)為2的單端正支的虛共焦 凸一凹非穩腔，從圖2的方向看是一個曲率半徑8000mm的全反射鏡 和平面鏡組成的平一凹穩定腔。這個組合腔的輸出光束模式為基膜， 功率仍然有6000W，極大地改善了光束質量和拓寬了橫流二氧化碳激 光器的應用範圍。
權利要求1、一種用於橫流二氧化碳雷射器的組合雷射諧振腔，它由柱面全反鏡、凹球面全反鏡和雷射輸出窗口組成，其特徵在於當柱面全反鏡和凹球面全反鏡組合時，其組合鏡光腔是一個單端正支的虛共焦凸-凹非穩腔。
2、 按權利要求1所述的一種用於橫流二氧化碳雷射器的組合激 光諧振腔，其特徵在於柱面全反鏡還可以是凹柱面全反鏡。
3、 按權利要求1所述的一種用於橫流二氧化碳雷射器的組合激 光諧振腔，其特徵在於柱面全反鏡是一個凹柱面全反鏡和凹球面全 反鏡組合時，其組合鏡光腔結構是一個實共焦凹一凹非穩腔。
專利摘要用於橫流二氧化碳雷射器組合雷射諧振腔，本實用新型屬於雷射技術領域，本實用新型的目的是提供一種用於橫流二氧化碳雷射器組合鏡雷射諧振腔，這種組合鏡光腔它由柱面全反鏡、凹球面全反鏡和雷射輸出窗口組成，當柱面全反鏡和凹球面全反鏡組合時，其組合鏡光腔是一個單端正支的虛共焦凸-凹非穩腔，當柱面全反鏡是一個凹柱面全反鏡和凹球面全反鏡組合時，其組合鏡光腔結構是一個實共焦凹-凹非穩腔，本實用新型除了上述顯著特點外，具有結構簡單容易實現等適合工程化的優點。
文檔編號H01S3/03GK201001000SQ20062009896
公開日2008年1月2日 申請日期2006年9月14日 優先權日2006年9月14日
發明者陳清明 申請人:武漢金石凱雷射技術有限公司