[发明专利]轴对称四镜折迭组合CO2激光器的构建方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学工程和现代制造业领域的激光加工，主要是由轴对称组合圆管放电区、轴上放电区和相关光学元件构成的相位锁定大功率CO₂激光器的构建方法及其装置。相位锁定CO₂激光器输出光束经会聚系统会聚后可方便地应用于金属、非金属材料的表面处理、焊接、切割、打孔等方面，可成为激光加工的重要设备。

背景技术

激光加工是利用激光的优良的方向性、高输出功率和相干性特点，对金属、非金属材料进行高精度的快速加工。在现代制造业中，激光加工已成为生产线的重要环节。激光加工机已形成产业，CO₂激光加工系统的年产值逐年上升。CO₂激光机广泛使用轴流型和横流型CO₂激光器，也采用平板波导CO₂激光器。上述三种激光器各有其优缺点，轴流型CO₂激光器一般输出1KW左右，输出模式好，横流型CO₂激光器输出功率一般在10KW以上，模式较差，上述两种激光器共同的最大缺点是其装置特别庞大，因此加工机机头和激光器只能是分离的，激光输出后经过较长的传输系统后才能到达加工机机头，由于无传输CO₂激光的光纤，故光波的直线传输和方向的改变及到达加工机机头后的光路控制都靠光学元件和相应控制措施来实现。平板波导CO₂激光器虽然重量轻，体积小，可直接装配到加工机机架上，激光源和加工机头装配在一起，但此种激光器的输出功率受其结构限制较小，放大技术复杂。而扩散冷却的径向板条阵列CO₂激光器具有很高的紧凑性，较之单个平板波导CO₂激光器能够将输出功率提高到很高的水平。但其采用公共的射频电源，其注入能量受到电源的限制。采用复曲面镜的圆筒形CO₂激光器虽然具有结构非常紧凑的优点，在约10cm外径、100cm放电区长度的圆筒形CO₂激光器可输出约1KW，在1.8m长的圆筒形放电区已实现输出达2KW。但这种器件的输出一般采用在谐振腔镜之一上开孔输出，而且一般从开口输出两束行波光束，光束分开而且无确定相位关系，且采用很大的复曲面腔镜其加工及装配均较为复杂。也许正是由于这个情况，至今并未在激光器产业中兴盛起来。

发明内容

本发明正是为了克服上述多种CO₂激光器的缺点而提出的，提供一种高功率锁相CO₂激光器，它采用常规圆形放电管的最紧凑的组合方式，即将各根放电管轴对称平行放置，实现由非稳腔注入进行此阵列激光器的锁相，且实现体积极小，又能保持相干性的特点，从而可在激光加工方面扮演重要角色。

本发明的目的是由以下所述方案来实现的。各个子谐振腔中的轴对称平行放置的每根圆形放电管左端都单独地贴小球面全反射镜，右端放电管外层上贴一较大的中空圆环形转折球面全反射镜，所有管的内侧右端与一圆锥形管的底部相连，所有子谐振腔的中心对称轴线与锥形管轴线重合，圆锥形管的顶部被垂直截去，截面垂直于轴线，所截处的圆形开口处贴一小球面全反射镜，凹面的右边连接一位于轴上的放电管，放电管是被稳定地支撑的，放电管的右端连接一平面输出镜。在沿各放电管和轴上放电管轴线的任一截面，均可放在竖直平面内，各放电管内的光束束轴线平行于中心对称轴线，光束经放电管右端的全反镜反射后其上下放电管截面内光束的束轴线将通过其焦点，该焦点也是轴上放电管左端镜的焦点，故该两束轴线过该镜后将平行于放电管的轴线，束轴线在轴上放电管右端的平面输出镜处一部分透射形成输出，一部分被垂直反射，反射光束的束轴线将沿原光路进行，并且不断重复这一行为，由于各放电管的左端为全反射镜，右端为全反转折镜，轴上放电管左端为全反转折镜和右端平面输出镜，在近轴光线近似下满足截面光束往返传输的稳定条件，故在任一截面内激光器均能工作。由于在公共放电区采用直流放电并首先放电，或该段区域实施连续放电而各放电管实施一定重复频率的脉冲放电，又由于输出镜和凹面镜构成的是平凹腔，它形成非稳腔，其本征模式为球面波的种子信号经轴上放电管全反射后，经焦点注入到各放电管内激发和控制各放电管内的光波振荡，最终得到i个具相干性的子光束并合输出光束。

附图说明