[发明专利]具有快速功率控制的二氧化碳激光器

说明书

在利用激光器对各种不同的材料进行精加工(精密加工)的绝大多数应用情况下均使用脉冲辐射，这涉及所有类型的材料加工激光器。应用情况例如有切割、钻孔以及金属、陶瓷、塑料等等的材料去除。

现代固体激光系统(二极管泵送Nd：YAG激光器，薄片激光器，光纤激光器，钛：蓝宝石激光器等等)具有脉冲性能可变范围很大的特征(从100fs跨越ps和ns直至μs范围)，但是从成本和长年的经验来看，在工业应用方面还远远落后于二氧化碳激光器。但是所有迄今为止适合于材料加工的商用二氧化碳激光器的主要缺点就是其快速功率控制能力有限，因此其脉冲性能也有限。若为例如具有千瓦级cw输出功率的二氧化碳高功率激光器，如果要将输出功率尽可能有效地转变为脉冲辐射，就会受到很大限制。仍然没有商用二氧化碳激光器能够以具有准Q开关特性的脉冲发出脉冲辐射，也就是与ns和μs脉冲长度范围内的cw功率相比功率增强至少10倍，其中作为要满足的附加要求，对于大多数二氧化碳激光器而言比较好的典型K值(至少0.6)应尽可能保持不变，并且要能够将潜在可供使用的功率(cw)有效转变为脉冲系统的平均功率。

从下列多个方面来看，给材料加工系统配备这种二氧化碳激光器意味着很大的技术进步：

a)还能够更加有效地执行迄今为止利用二氧化碳激光器实现的应用。

b)可以利用这种二氧化碳激光器实现很多迄今为止留给其它类型激光器的应用(例如对铜和铝以及必须采用特殊脉冲参数才能进行加工的其它金属-譬如钛-进行精密钻孔和切割)，或者可以实现全新的应用。

c)设备的灵活性特别高，因为可以处理极其不同的任务，在现有技术条件下需要结合运用不同类型的激光器才能完成这些任务。这里应重新提及的是例如具有精细钻孔、高难度切割轮廓的复杂部件的总体生产效率。同样重要的是可以迅速更换材料类型，例如从金属变为陶瓷。

可以将现有技术的特征总结如下。

由于其激活介质的储存性能极好，因此二氧化碳激光器适用于功率增强100倍以上的不同类型的Q开关。在其迅猛发展的前二十年中，已经研究了无数的类型，从利用简单旋转反射镜的主动Q开关、电光调制和声光调制、直至利用SF6甚至在CO₂-TEA激光器利用锁模技术的被动Q开关(参见W.J.Witteman，″The CO₂Laser"，Springer-Verlag 1987)。更多概况介绍可参阅例如：SPIE Milestone Series Vol.MS 22，″Selected Papers on CO₂Lasers"，ed.by James D.Evans，SPIE 1990。基于这一事实，首先看起来令人差异的是，这些方法实际上在用于材料加工的二氧化碳激光器中并未得到广泛应用。该方法保持为仍然还是基础研究、大型激光控制核聚变研究设备方面感兴趣的对象，但在工业应用方面仅在一些冷僻领域起作用。

与此相反，简单但是功能可靠而且便宜的通过气体放电使二氧化碳激光器产生脉冲的方法则大行其道，实际上在每一种材料加工激光器中均利用该方法，尽管这种方法有严重的弱点，例如所产生的脉冲的功率增强很小、脉冲持续时间较大以及脉冲重复频率很小。对于众多应用而言重要的短脉冲范围(μs及以下)几乎被以上提及的固体激光系统所占据，已证明其原因很少在于激活介质的增益特性，而是更多在于波长。有很多特别适合于可见光波段和1μm左右近红外波段激光器的光学材料，例如晶体或者玻璃，这些材料均有吸收小、耐辐射性能高、电光和弹光系数大以及加工和涂层能力极佳的特点，而波长在10μm左右的材料范围则有限，尤其当涉及电光效应之类的特殊特性的时候，电光效应实际上仅限于CdTe，或者当涉及良好声光特性的时候，只有Ge才有所需的良好声光特性。普遍的问题是耐辐射能力有限，其中首要问题并非是太高的强度引起器件损坏，而是远在损伤阈值之前就已出现的、并且尤其与这些材料比较高的dn/dT(温度变化引起的折射率变化)引起的光学效应，所述光学效应会引起波前变形，并且主要对于激光谐振器之内的应用、例如对于Q开关而言是不可接受的，因为会导致激光器的光束质量严重依赖于功率。