专利名称：激光束均匀化腔内整形激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种激光器，特别是对连续运行的高功率激光束的均匀化整形。
背景技术：
在激光的工业加工应用中，如焊接、切割对激光束模式、光强分布、发散角、偏振状态都有其特定的要求。在激光热处理应用中需要光强分布均匀的平顶光束，而通常的高功率激光束为多模，分布并不均匀。若干强度极值相对于平均值要高出一倍左右。这一方面造成工件淬火不均匀，严重的还要在工件内部因热应力而造成微裂纹；另一方面对传输激光束的光学系统提出更为苛刻的耐热损伤要求。因此需要对高功率激光束做光束整形，具体来说，要对激光束作均匀化处理。
激光束作均匀化整形技术可分为空间均匀化和时间均匀化两类。前者有用于激光核聚变的微透镜阵列方法，以及随机相位片方法和二元光学方法等；后者有旋转相位片方法等。这些已有的整形方法都不适用于激光热处理所需的连续运行高功率激光器。因为这些方法均是在激光器外光路中插入微透镜阵列、相位片或二元光学等透射式器件来对光束整形，当它们用于连续运行高功率激光器上时，这些插入的光学器件要经受强的热辐射。即使没有超过其热损伤域值，热应力引起的热畸变也将改变插入器件的设计功能。
对用于激光热处理的高功率CO2激光器作均化整形的报道极少。我们检索到一篇由J.Armengo撰写的论文。论文报道了他们在腔外用二面成小角度的振动反射镜将激光束分成两半，经反射后又互相叠加。由于镜子的振动使其光斑中的光强极值不断移动，达到时间均化光强分布的目的。但它仍然是在外光路中插入的二面光学反射镜。而且二面反射镜之间交接的缝产生的衍射将影响光强分布，造成较大的传输损耗。需通水冷却的二面反射镜加上振动驱动装置，结构上也较复杂。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术中存在的腔外整形的不足之处，提出一种便于实施、有效的激光束均匀化腔内整形激光器。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是，它包括输出镜，全反射镜，构成平凹腔，两个控制元件与全反射镜相结合，使全反射镜作周期性摆动，在腔内形成随时间变化的多模激光光场分布，由激光腔直接输出一束时间均匀化的平顶激光束。
本实用新型的优点在于1.因为是腔内整形，所以适用于各种连续运行的高功率激光器。
2.本实用新型无插入光学元器件，它不会增加插入损耗，也不会因为激光功率高而使插入元器件热破坏，工作稳定。
3.结构简单，驱动电路简易，工作稳定，便于实施。
图1为本实用新型一种实施例的结构简图。
图2为图1的左视图。
图3为一种控制压电陶瓷微位移器的电路图。
图4(a)～(j)为摆动过程中不同失调位移时的光强分布图。
图4(k)为振动平凹腔的归一化输出结果与平平腔结果的比较图。
图5为腔镜不摆动时，激光在有机玻璃上烧蚀的光斑图。
图6为腔镜摆动时，激光在有机玻璃上烧蚀的光斑图。
具体实施方式
如图1、图2所示，由平面输出镜2和可作周期性摆动的凹面全反射镜3组成平凹腔。全反射镜3通过两块压电陶瓷微位移器4、6固定在镜座7上。并通过软管5通水冷却。输出镜2及镜座7分别安装在光桥1上。当两个控制元件4、6交替驱动，并以通水软管5作为支点，这面全反射镜3可作以y轴为转轴的一维摆动。采用这种新型谐振腔可以直接从激光器腔内产生时间上均匀化的平顶激光束。
本实用新型中的平凹腔也可由凹面输出镜和平面全反射镜组成。
设计这种谐振腔结构时，要考虑凹面镜的曲率半径、菲涅耳数和全反射镜摆动幅度之间的配合设计。因为曲率半径增大，即腔的失调灵敏度增加，为了减少失调损耗，摆动的幅度就必须降低，反之则要增大摆动幅度。通过计算，以下提供它们适当的参数。即当凹面镜的曲率半径10L＜R＜50L，L为激光腔腔长；菲涅尔数5O＜N＜150；全反射镜的摆动幅度δ在1.5λ≤δ≤2λ，λ为激光工作波长。
就可得到较好的整形效果。
上述控制元件为压电陶瓷微位移器控制元件，也可为电致伸缩控制元件、磁致伸缩控制元件或液压控制元件。
两块压电陶瓷微位移器4、6采用交替充放电的电路驱动，电路结构为，可控硅SCR1、SCR4阳极接输入电压V，阴极分别通过电感L1、L4接到可控硅SCR2、SCR3的阳极，可控硅SCR2、SCR3的阴极分别通过电感L2、L3接地，压电陶瓷微位移器4接在可控硅SCR2的阳极与地之间，压电陶瓷微位移器6接在可控硅SCR3的阳极与地之间。
全反射镜背后的二块压电陶瓷微位移器采用交替充放电的电路驱动，如图3所示。图中1#、2#分别为两块压电陶瓷微位移器4、6的等效电容。当可控硅SCR1、SCR3导通，SCR2、SCR4关闭时，压电陶瓷微位移器1#充电、伸长，压电陶瓷微位移器2#放电，回复原长度。充放电速率可由L1、L2、L3、L4四个电感线圈调节。
触发SCR1、SCR2、SCR3、SCR4四个可控硅的脉冲发生器主要由KA3525A、CD4050B两个集成块组成。KA3525A集成块供电电压为直流15V，它的11、14脚分别输出两个相位差为180度的方波，其脉冲频率可调。通过CD4050B后将得到两两相差均为180度的四个方波。再经由微分电路和脉冲变压器分别将同相位的两个触发脉冲去触发SCR1、SCR3。另两个同相位但与上述脉冲相位差180度的触发脉冲去触发SCR2、SCR4。这样就实现了两块压电陶瓷微位移器的交替充放电过程。
压电陶瓷微位移器伸长的幅度可调节充电电压V来选择。
两块压电陶瓷4、6交替伸长缩短，所以全反射镜就可以通水软管5作为支点实现周期性摆动。
众所周知，稳定腔产生的激光束模式是由于光束在腔内来回振荡时，受腔镜衍射作用产生的。对于各种谐振腔都可以通过迭代法求解衍射积分方程，得到其本征函数和本征值。对于不加选模装置的高功率CO2激光器，由于有较高的小信号增益系数，通常是多模输出，激光束的横向空间光强分布总有若干光强极值。运用迭代法求解一面腔镜轻微失调的平凹腔的衍射积分方程，我们可以得到不同于原先的光强分布，其极大值偏移开原光轴。设想当平凹腔中的全反射镜作周期性摆动时，光强分布中的极值就随之作周期性移动，摆动频率足够高时，我们就得到了光强均匀分布的激光。即在某一时刻呈现的若干光强极值不均匀分布的激光，在一段时间范围内观察，由于时间均化效应，它就成了一束均匀化的激光束。基模的计算结果如图4所示，图4(a)～(j)为摆动过程中不同失调位移时的光强分布，可以看到某一时刻的光强峰值，在另一时刻就可能成了光强谷值。将这些光强值作代数平均，可以得到图4(k)的时间平均光强分布。
利用本实用新型提出的激光束均匀化腔内整形激光器，在华中科技大学激光技术国家重点实验室的连续运行的2kwCO2激光器上试验。谐振腔为平凹腔，腔长1.2m，凹面镜直径60mm，曲率半径23m，N为70，当凹面全反射镜摆动幅度为15μm～20μm就有较明显的均化效果，此时失调增加的损耗与原平凹腔损耗的比值在8％左右。图5为当腔镜不摆动、激光功率1080W时在有机玻璃上烧蚀的光斑，图6为腔镜摆动时激光在有机玻璃上烧蚀的光斑，此时功率降为920W。用测微千分卡测量，对于腔镜不摆动情况下得到的多模光斑，其中烧蚀最深处是平均烧蚀深度的2.69倍。而当腔镜摆动时，其烧蚀深度最深处仅是平均烧蚀深度的1.36倍。光强分布的均匀化程度得到令人满意的改善。
权利要求1.一种激光束均匀化腔内整形激光器，包括输出镜，其特征在于它还包括全反射镜(3)，构成平凹腔，两个控制元件(4)、(6)与全反射镜(3)相结合，使全反射镜(3)作周期性摆动，在腔内形成随时间变化的多模激光光场分布，由激光腔直接输出一束时间均匀化的平顶激光束。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于凹面镜的曲率半径10L＜R＜50L，L为激光腔腔长，菲涅尔数50＜N＜150，全反射镜(3)的摆动幅度δ在1.5λ≤δ≤2λ，λ为激光工作波长。
3.根据权利要求1或2所述的激光器，其特征在于两个控制元件(4)、(6)为压电陶瓷微位移器控制元件。
4.根据权利要求1或2所述的激光器，其特征在于两个控制元件(4)、(6)为电致伸缩控制元件或磁致伸缩控制元件或液压控制元件。
5.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于两块压电陶瓷微位移器(4)、(6)采用交替充放电的电路驱动，电路结构为，可控硅SCR1、SCR4阳极接输入电压V，阴极分别通过电感L1、L4接到可控硅SCR2、SCR3的阳极，可控硅SCR2、SCR3的阴极分别通过电感L2、L3接地，压电陶瓷微位移器(4)接在可控硅SCR2的阳极与地之间，压电陶瓷微位移器(6)接在可控硅SCR3的阳极与地之间。
专利摘要本实用新型提供了一种激光束均匀化腔内整形激光器。该激光器的激光腔为一种新型的平凹激光谐振腔，它包括输出镜和全反射镜，两个控制元件与全反射镜相结合，使全反射镜作周期性摆动，在腔内形成随时间变化的多模激光光场分布，由激光腔直接输出一束时间均匀化的平顶激光束。该实用新型结构简单，驱动电路简易，工作稳定，便于实施。
文档编号H01S3/00GK2640073SQ0325506
公开日2004年9月8日 申请日期2003年8月8日 优先权日2003年8月8日
发明者张耀宁, 程祖海, 邹雪芬, 侯冬兰 申请人:华中科技大学