專利名稱：軸對(duì)稱四鏡折迭組合CO₂激光器的構(gòu)建方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)工程和現(xiàn)代制造業(yè)領(lǐng)域的激光加工，主要是由軸對(duì)稱組合圓管放電區(qū)、軸上放電區(qū)和相關(guān)光學(xué)元件構(gòu)成的相位鎖定大功率(X)2激光器的構(gòu)建方法及其裝置。 相位鎖定(X)2激光器輸出光束經(jīng)會(huì)聚系統(tǒng)會(huì)聚后可方便地應(yīng)用于金屬、非金屬材料的表面處理、焊接、切割、打孔等方面，可成為激光加工的重要設(shè)備。
背景技術(shù)：
激光加工是利用激光的優(yōu)良的方向性、高輸出功率和相干性特點(diǎn)，對(duì)金屬、非金屬材料進(jìn)行高精度的快速加工。在現(xiàn)代制造業(yè)中，激光加工已成為生產(chǎn)線的重要環(huán)節(jié)。激光加工機(jī)已形成產(chǎn)業(yè)，CO2激光加工系統(tǒng)的年產(chǎn)值逐年上升。CO2激光機(jī)廣泛使用軸流型和橫流型(X)2激光器，也采用平板波導(dǎo)(X)2激光器。上述三種激光器各有其優(yōu)缺點(diǎn)，軸流型(X)2激光器一般輸出IKW左右，輸出模式好，橫流型CO2激光器輸出功率一般在IOKW以上，模式較差，上述兩種激光器共同的最大缺點(diǎn)是其裝置特別龐大，因此加工機(jī)機(jī)頭和激光器只能是分離的，激光輸出后經(jīng)過較長(zhǎng)的傳輸系統(tǒng)后才能到達(dá)加工機(jī)機(jī)頭，由于無傳輸CO2激光的光纖，故光波的直線傳輸和方向的改變及到達(dá)加工機(jī)機(jī)頭后的光路控制都靠光學(xué)元件和相應(yīng)控制措施來實(shí)現(xiàn)。平板波導(dǎo)(X)2激光器雖然重量輕，體積小，可直接裝配到加工機(jī)機(jī)架上，激光源和加工機(jī)頭裝配在一起，但此種激光器的輸出功率受其結(jié)構(gòu)限制較小，放大技術(shù)復(fù)雜。 而擴(kuò)散冷卻的徑向板條陣列(X)2激光器具有很高的緊湊性，較之單個(gè)平板波導(dǎo)(X)2激光器能夠?qū)⑤敵龉β侍岣叩胶芨叩乃?。但其采用公共的射頻電源，其注入能量受到電源的限制。 采用復(fù)曲面鏡的圓筒形CO2激光器雖然具有結(jié)構(gòu)非常緊湊的優(yōu)點(diǎn)，在約IOcm外徑、IOOcm放電區(qū)長(zhǎng)度的圓筒形(X)2激光器可輸出約1KW，在1. 8m長(zhǎng)的圓筒形放電區(qū)已實(shí)現(xiàn)輸出達(dá)2KW。 但這種器件的輸出一般采用在諧振腔鏡之一上開孔輸出，而且一般從開口輸出兩束行波光束，光束分開而且無確定相位關(guān)系，且采用很大的復(fù)曲面腔鏡其加工及裝配均較為復(fù)雜。也許正是由于這個(gè)情況，至今并未在激光器產(chǎn)業(yè)中興盛起來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是為了克服上述多種CO2激光器的缺點(diǎn)而提出的，提供一種高功率鎖相CO2激光器，它采用常規(guī)圓形放電管的最緊湊的組合方式，即將各根放電管軸對(duì)稱平行放置，實(shí)現(xiàn)由非穩(wěn)腔注入進(jìn)行此陣列激光器的鎖相，且實(shí)現(xiàn)體積極小，又能保持相干性的特點(diǎn)，從而可在激光加工方面扮演重要角色。本發(fā)明的目的是由以下所述方案來實(shí)現(xiàn)的。各個(gè)子諧振腔中的軸對(duì)稱平行放置的每根圓形放電管左端都單獨(dú)地貼小球面全反射鏡，右端放電管外層上貼一較大的中空?qǐng)A環(huán)形轉(zhuǎn)折球面全反射鏡，所有管的內(nèi)側(cè)右端與一圓錐形管的底部相連，所有子諧振腔的中心對(duì)稱軸線與錐形管軸線重合，圓錐形管的頂部被垂直截去，截面垂直于軸線，所截處的圓形開口處貼一小球面全反射鏡，凹面的右邊連接一位于軸上的放電管，放電管是被穩(wěn)定地支撐的，放電管的右端連接一平面輸出鏡。在沿各放電管和軸上放電管軸線的任一截面，均可放在豎直平面內(nèi)，各放電管內(nèi)的光束束軸線平行于中心對(duì)稱軸線，光束經(jīng)放電管右端的全反鏡反射后其上下放電管截面內(nèi)光束的束軸線將通過其焦點(diǎn)，該焦點(diǎn)也是軸上放電管左端鏡的焦點(diǎn)，故該兩束軸線過該鏡后將平行于放電管的軸線，束軸線在軸上放電管右端的平面輸出鏡處一部分透射形成輸出，一部分被垂直反射，反射光束的束軸線將沿原光路進(jìn)行， 并且不斷重復(fù)這一行為，由于各放電管的左端為全反射鏡，右端為全反轉(zhuǎn)折鏡，軸上放電管左端為全反轉(zhuǎn)折鏡和右端平面輸出鏡，在近軸光線近似下滿足截面光束往返傳輸?shù)姆€(wěn)定條件，故在任一截面內(nèi)激光器均能工作。由于在公共放電區(qū)采用直流放電并首先放電，或該段區(qū)域?qū)嵤┻B續(xù)放電而各放電管實(shí)施一定重復(fù)頻率的脈沖放電，又由于輸出鏡和凹面鏡構(gòu)成的是平凹腔，它形成非穩(wěn)腔，其本征模式為球面波的種子信號(hào)經(jīng)軸上放電管全反射后，經(jīng)焦點(diǎn)注入到各放電管內(nèi)激發(fā)和控制各放電管內(nèi)的光波振蕩，最終得到i個(gè)具相干性的子光束并合輸出光束。


在附圖1中，此圖為軸對(duì)稱四鏡折迭組合CO2激光器的透視圖。1、2、3、4、5、6、7、 8分別為軸對(duì)稱平行放置的各圓管放電管左端的第一全反射鏡、第二全反射鏡、第三全反射鏡、第四全反射鏡、第五全反射鏡、第六全反射鏡、第七全反射鏡、第八全反射鏡。9、10、11、 12、13、14、15、16分別為第一放電管、第二放電管、第三放電管、第四放電管、第五放電管、第六放電管、第七放電管、第八放電管。17為中空?qǐng)A環(huán)形全反射鏡，18為連接到各放電管內(nèi)沿的錐形管，19為連接處，20為公共放電區(qū)的軸上放電管，21為小球面反射鏡，22為平面輸出鏡，M為鏡21和鏡22的公共焦點(diǎn)。23為激光器支架，26為激光器中空?qǐng)A臺(tái)支架，25為激光器圓盤形支架，27為激光器底座，28為光束軸線，四為輸出光束，30為軸上放電管與中空球全反射鏡17的內(nèi)環(huán)間的密封環(huán)。31為20的支架，32為錐形管18的支架，33為21的調(diào)整架。放電管9、10、11、12、13、14、15、16的管心線平行于激光器系統(tǒng)的對(duì)稱軸線，位于以激光器系統(tǒng)對(duì)稱軸線為中心的同一圓柱面上，各放電管都自帶水冷套和放電電極?，F(xiàn)結(jié)合附圖1對(duì)其工作原理作進(jìn)一步說明。由鏡1、鏡5分別與鏡17、鏡21、鏡22 構(gòu)成兩諧振子腔，類似的，在水平切面的鏡3、鏡7和正負(fù)45度切面的鏡2、鏡6和鏡4、鏡 8，分別與鏡17、鏡21、鏡22構(gòu)成諧振子腔。鏡21和鏡22構(gòu)成公共放電區(qū)的非穩(wěn)腔。當(dāng)各放電管和公共放電區(qū)內(nèi)(X)2混合氣受到激勵(lì)，軸對(duì)稱各放電管內(nèi)沿管心線方向的輻射受到放大，管內(nèi)平行于管心線的光線經(jīng)中空?qǐng)A環(huán)反射鏡17的反射后會(huì)聚于其焦點(diǎn)，該焦點(diǎn)又是鏡21的焦點(diǎn)，故光線經(jīng)鏡21后平行于中心軸線后傳輸?shù)捷敵銎矫骁R22，經(jīng)輸出平面鏡22 的反射后又沿原光路通過鏡21，鏡17，再沿管心線平行地傳輸?shù)界R1-8上，鏡1-8再將其按原路返回，在輸出鏡輸出。然而上述過程在本發(fā)明專利中是受軸上放電管非穩(wěn)腔的諧振所控制的。其控制機(jī)制是當(dāng)公共放電區(qū)20優(yōu)先于各放電管放電時(shí)，軸上放電管之諧振腔在鏡21的輸出經(jīng)鏡21和鏡17的公共焦點(diǎn)M注入到各放電管激發(fā)鏡i (i=l_8)-鏡17-鏡 21-鏡22內(nèi)的振蕩，使得各放電管由受激輻射產(chǎn)生的光子帶有信號(hào)球面波的相位信息，最終即可得到i (本專利中i=8)個(gè)具有相干性的子光束的并合輸出光束。
具體實(shí)施例方式位于同一圓柱面上對(duì)稱放置的各圓形放電管為帶水冷全套的硬質(zhì)黃銅管，其左端均插于固定圓盤支架25的一一對(duì)應(yīng)的圓孔中，每根放電管的外緣與25的對(duì)應(yīng)圓孔間的間隙為0. 2mm左右，管與盤間采用彈性固定。軸上放電管為帶水冷全套的硬質(zhì)銅管，其伸出距 17約5cm處，且與17的內(nèi)環(huán)緊密接觸。去頂圓錐形管18為單層硬質(zhì)銅管，上下面均垂直于其激光器的中心軸線，將其底部邊緣與內(nèi)層銅管焊接。20和18通過支架31和32支撐固定于內(nèi)層銅管內(nèi)，且18、20的中心軸線與激光器系統(tǒng)的對(duì)稱中心軸線重合。23、25和沈?yàn)殇X基板做的支架。輸出鏡22采用等優(yōu)質(zhì)紅外材料制作，其前表面鍍?cè)龇茨?，反射率?80%，其后表面鍍?cè)鐾改ぁ．?dāng)讓軸上放電管公共區(qū)施優(yōu)先于各放電管放電并均加以直流放電時(shí)，公共區(qū)域內(nèi)的激發(fā)態(tài)粒子的躍遷對(duì)各放電管內(nèi)的振蕩在一定程度上有著鎖相的效果。
實(shí)施舉例
取8根石英或玻璃管作放電管，呈軸對(duì)稱分布，每根管長(zhǎng)lm，放電管內(nèi)徑為14mm，各放電管左端的全反鏡1-8的曲率半徑為12m，右端的中空?qǐng)A環(huán)全反鏡17其外徑為43mm，內(nèi)徑 36mm，其曲率半徑為76. 92cm，小球面反射鏡21的曲率半徑為23. 08cm，各放電管中心離軸上放電管中心線距離為25mm，軸上放電管為石英管，其管徑為20mm，右端與輸出鏡22相連接，鏡22為材料，平行平面鏡內(nèi)表面鍍?cè)龇茨?，外表面鍍?cè)鐾改?，鏡的反射率為80%。 鏡22與鏡21的距離為50cm，與鏡17距離50mm。鏡1_8分別與鏡17、鏡21、鏡22構(gòu)成穩(wěn)定四鏡腔，而鏡21與鏡22構(gòu)成非穩(wěn)腔。陰極分別位于鏡22左端20mm處和軸對(duì)稱分布全反鏡1-8右端30mm處，為圓筒鎳電極，與負(fù)高壓電源的高電壓端連接；而陽極對(duì)電極材料無特別要求，故可將鋁基圓盤支架23和沈作為接地的公共陽極。當(dāng)軸上器件先于軸對(duì)稱分布放電管放電時(shí)，可在輸出鏡處獲得8支呈軸對(duì)稱分布相位鎖定的輸出光束。
權(quán)利要求
1.一種軸對(duì)稱四鏡折迭組合(X)2激光器的構(gòu)建方法，其特征在于由脈沖放電的組合圓管放電管、直流放電的軸上放電管、組合圓管放電管上的小球面鏡、一較大的球面鏡和一小球面鏡及一個(gè)小平面輸出鏡組合多重四球面鏡折迭腔構(gòu)成一 (X)2激光器，激光振蕩在組合圓管放電管上的小球面鏡和輸出鏡間進(jìn)行，由輸出鏡、軸上放電管、小球面鏡構(gòu)成的非穩(wěn)腔的振蕩光束經(jīng)兩轉(zhuǎn)折球面反射鏡耦合而使組合圓管子諧振腔的振蕩受到了控制，使組合圓管子諧振腔的光束各部分間存在確定的位相關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于組合圓管放電管是按軸對(duì)稱方式放置，相對(duì)于系統(tǒng)對(duì)稱軸線成對(duì)稱地放置，每對(duì)對(duì)稱放置的放電管的管心線與該軸線位于一平面，每根放電管左端都單獨(dú)地貼小球面鏡，右端采用一個(gè)較大的球面鏡，構(gòu)成組合圓管子諧振腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，由輸出鏡、軸上放電管、小球面鏡構(gòu)成了非穩(wěn)腔，其特征在于該腔位于組合圓管放電管的對(duì)稱軸線上，其特征更在于非穩(wěn)腔由輸出鏡和一小球面反射鏡構(gòu)成，非穩(wěn)腔的任務(wù)是產(chǎn)生一種子信號(hào)，注入到組合圓管子諧振腔中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，非穩(wěn)腔的振蕩光束是經(jīng)兩轉(zhuǎn)折球反射鏡耦合而使組合圓管子諧振腔的振蕩受到了控制的，其特征在于非穩(wěn)腔內(nèi)某一點(diǎn)的自發(fā)輻射沿軸向傳播，它的近軸光線近似平行于系統(tǒng)軸線，經(jīng)軸上放電區(qū)域放大并經(jīng)非穩(wěn)腔的選擇，其本征球面波經(jīng)兩轉(zhuǎn)折球面鏡的重合焦點(diǎn)注入各放電管內(nèi)激發(fā)各子諧振腔振蕩，使得各放電管由受激輻射產(chǎn)生的光子帶有信號(hào)球面波的相位信息，最終即可得到多個(gè)(i個(gè))具有相干性的子光束的并合輸出光束。
5.當(dāng)軸上放電區(qū)采用直流放電并首先放電，而各放電管分別單獨(dú)采用直流放電時(shí)，本軸對(duì)稱四鏡折迭組合(X)2激光器可獲得一定程度的鎖相輸出。
6.一種激光裝置，由第一全反射鏡(1)、第二全反射鏡(2)、第三全反射鏡(3)、第四全反射鏡(4)、第五全反射鏡(5)、第六全反射鏡(6)、第七全反射鏡(7)、第八全反射鏡(8)、第一石英或玻璃放電管(9)、第二石英或玻璃放電管(10)、第三石英或玻璃放電管(11)、第四石英或玻璃放電管(12)、第五石英或玻璃放電管(13)、第六石英或玻璃放電管(14)、第七石英或玻璃放電管(15)、第八石英或玻璃放電管(16)、轉(zhuǎn)折中空?qǐng)A環(huán)反射鏡(17)、轉(zhuǎn)折球反射鏡(21)、輸出鏡(22)、激光器支架(23)、激光器圓盤形支架(25)、中空?qǐng)A臺(tái)支架(26)、 放電系統(tǒng)(28)組成，第一石英或玻璃放電管(9)、第二石英或玻璃放電管(10)、第三石英或玻璃放電管(11)、第四石英或玻璃放電管(12)、第五石英或玻璃放電管(13)、第六石英或玻璃放電管(14)、第七石英或玻璃放電管(15)、第八石英或玻璃放電管(16)之左端口分別與第一全反射鏡(1)、第二全反射鏡(2)、第三全反射鏡(3)、第四全反射鏡(4)、第五全反射鏡(5)、第六全反射鏡(6)、第七全反射鏡(7)、第八全反射鏡(8)連接，各放電管一一對(duì)應(yīng)地穿過圓盤形支架(25)的對(duì)應(yīng)小孔，與小孔邊緣的間隙均為0. 2mm,以彈性膠固定，各放電管的右端外沿部分一一與中空?qǐng)A環(huán)形全反射鏡17相連接，各放電管內(nèi)沿分別與錐形管18相連接，錐形管的頂端與鏡21相連接，軸上放電石英或玻璃管(20)可端口與輸出鏡(22)連接，激光器支架(23)、激光器圓盤形支架(25)、中空?qǐng)A臺(tái)支架(26)與激光器底坐(27)連接， 其特征在于，各放電管9、10、11、12、13、14、15、16的管心線平行于激光器系統(tǒng)的對(duì)稱軸線， 各放電管之左端口的全反射鏡分別與中空?qǐng)A環(huán)形全反射鏡17、全反鏡21和輸出鏡22構(gòu)成 8個(gè)諧振子腔，而全反鏡21和輸出鏡22構(gòu)成公共放電區(qū)的非穩(wěn)腔，當(dāng)公共放電區(qū)20優(yōu)先于各放電管放電時(shí)，軸上放電管之諧振腔在鏡21的輸出經(jīng)鏡21和鏡17的公共焦點(diǎn)M注入到各放電管激發(fā)鏡i (1-8)-鏡17-鏡21-鏡22內(nèi)的振蕩，使得各放電管由受激輻射產(chǎn)生的光子帶有信號(hào)球面波的相位信息，最終即可得到i (8)個(gè)具有相干性的子光束的并合輸出光束ο
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)工程和激光加工應(yīng)用領(lǐng)域，主要是由多個(gè)軸對(duì)稱四鏡折迭腔構(gòu)成鎖相大功率激光系統(tǒng)的構(gòu)建方法及其裝置。此激光器由全反射鏡1-8，軸對(duì)稱平行放置的放電管9-16，兩轉(zhuǎn)折球面鏡17、21，軸上放電管20和輸出鏡22組成，且軸上放電管位于激光系統(tǒng)的對(duì)稱軸上。放電時(shí)，讓軸上放電管先于各軸對(duì)稱平行放置的放電管放電，或軸上放電管為連續(xù)放電，而其余放電管為高重復(fù)頻率放電。鏡21和鏡22構(gòu)成軸上諧振腔，由從鏡21的輸出控制在其余放電區(qū)域的激光振蕩。鏡1-8、鏡17、鏡21和鏡22構(gòu)成各諧振子腔，它們的振蕩模式與軸上振蕩腔的模式相匹配，而使其各子光束之間存在確定的位相關(guān)系，最終得到i個(gè)具有相干性的子光束的并合輸出光束。
文檔編號(hào)H01S3/23GK102231474SQ201110130248
公開日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月19日
發(fā)明者劉靜倫, 賈凱, 趙曉鳳, 陳梅 申請(qǐng)人:四川大學(xué)