气体激光器中的增强型波导表面的制作方法

气体激光器中的增强型波导表面
[0001]
相关申请的交叉参考
[0002]
本申请要求2019年8月19日提交的第62/888,741号美国临时专利申请的权益，所述临时专利申请的整个公开内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003]
本公开大体上涉及激光器，且更确切地说涉及波导气体激光器。


背景技术：

[0004]
激光器(例如，气体激光器)通过如下方式操作：将能量抽吸到活性介质(例如，气体，比如二氧化碳(co2))以便提取所述能量中的一些能量作为有用的激光用于雕刻、切割或其它应用。在co2激光器(例如，其中活性介质为co2的激光器)中，抽吸包括跨其中存在活性介质的谐振器进行放电。通常，抽吸能量越大，则可生成的激光越多，直至饱和点，当超出饱和点时，激光输出保持恒定乃至减小。对于所有类型的激光器，重要参数是输出功率随时间的一致性。所述一致性通常测量为在例如30分钟等指定间隔内功率的百分比变化。co2激光器常常在无功率的闭合环路反馈的情况下操作。如此，co2激光器可经历固有功率变化，经受内部加热和环境因素。激光器的性能的其它量度为“上升时间”和“下降时间”，其指代由谐振器发射的激光响应于激光气体(例如，活性介质，也称为增益介质)的电抽吸多快地接通和关断。虽然存在来自电路的一些贡献，但针对上升时间和下降时间的限制性因素对于激光气体和谐振器的设计是固有的。
[0005]
在射频(rf)驱动的co2激光器中，例如气体电离速率和离散增益等机制对上升和下降时间强加下限。激光器的性能的另一显著量度是壁式插座效率。壁式插座效率是针对由产生激光的设备消耗的给定功率量生成多少激光功率的量度。举例来说，从设施电源插座汲取1,000瓦电力的100瓦激光器的效率将为10％。注入到增益介质中的许多功率作为激光形成过程的一部分而变为废热。然而，可通过优化增益介质(例如，气体混合物)、较激进的冷却技术和/或减小谐振器光学损耗来改进效率。
[0006]
激光器的性能的另一重要量度是激光器的光输出的偏振可受控的程度。来自激光器的光输出可100％偏振、0％偏振(即，非偏振)，或0-100％偏振之间(即，部分偏振)。偏振的控制在例如激光雕刻、打标或切割等材料处理应用中很重要。通过例如来自反射镜和波导表面的偏振相依反射率等内部谐振器性质来确定激光的偏振度(dop)和偏振状态(sop)。除上文所论述的激光器的性能方面之外，另一重要参数是可靠性，因为增益介质内的不同气体的比率可随时间改变。此外，谐振器内的波导的表面可能随时间降级，从而归因于波导表面内激光的吸收和/或激光从波导表面的散射而产生损耗。


技术实现要素：

[0007]
在一个实施例中，提供一种激光器。所述激光器包含陶瓷芯体，其限定含有激光气体的气密罩壳。所述气密罩壳限定波导厚板激光腔。波导厚板激光腔的内表面涂覆有一层
金属。激光器还包含多个反射镜，其在波导厚板激光腔中形成谐振器。激光器另外包含多个电极，其定位在气密介电罩壳外部使得在激发信号施加到所述多个电极时激发波导厚板激光腔中所含有的激光气体。
[0008]
在一些实施例中，所述金属可以是金。所述金属可另外或替代地包含银、铜、镍和/或铂。层的厚度可为小于一微米到超过一百微米的范围。在一些实施例中，金属层是不连续的。举例来说，层可由跨波导的内表面的一组金属条带形成。在其它实施例中，层可通过在内表面上溅镀金属的沉积物而形成。层可具有比陶瓷大的光学反射率。另外或替代地，层可比陶瓷更平滑。在一些实施例中，层可利用玻璃粘结剂结合到波导的内表面。在一些实施例中，层可包含金纳米粒子。
[0009]
在另一实施例中，提供一种激光器。所述激光器包含芯体，其由第一材料形成且至少部分限定波导厚板激光腔。波导厚板激光腔的内表面涂覆有不同于第一材料的一层第二材料。所述激光器还包含多个反射镜，其在波导厚板激光腔中形成谐振器。此外，激光器包含多个电极，其定位成使得在激发信号施加到所述多个电极时激发波导厚板激光腔中所含有的激光气体。
[0010]
在一些实施例中，芯体中使用的第一材料可包含金属或玻璃。在一些实施例中，第一材料包含陶瓷。此外，第二材料可包含金。层中使用的第二材料可具有比芯体中使用的第一材料大的光学反射率。
[0011]
在又一实施例中，提供一种激光器。所述激光器包含芯体，其由第一材料形成且至少部分限定波导厚板激光腔。波导厚板激光腔的内表面涂覆有不同于第一材料的一层第二材料。在一些实施例中，内表面涂覆有多个层，所述多个层被配置成作为利用光学干涉来增加激光器的功率输出的介电激光反射镜的多个层操作。在一些实施例中，第一材料可包含陶瓷，而第二材料可包含金。
附图说明
[0012]
图1是根据一个说明性实施例具有拥有增强型表面的波导谐振器的气体激光器的若干组件的分解视图。
[0013]
图2是图1的气体激光器的陶瓷芯体的一个说明性实施例的图式，其中波导谐振器的内表面涂覆有金。
[0014]
图3是根据一个说明性实施例的已组装的激光器的示意图。
[0015]
图4是图3的激光器的若干组件的部分分解视图。
[0016]
图5是沿线5-5截取的图3的激光器的若干组件的横截面图。
具体实施方式
[0017]
为了便于理解本发明的原理，现在将参考附图中展示的说明性实施例，并且将使用特定的语言来描述这些说明性实施例。
[0018]
图1-5的图式中展示根据本公开的激光器10的一个说明性实施例。激光器10说明性地体现为陶瓷芯体波导激光器，其中波导谐振器的内表面涂覆有金。相比于典型的气体激光器，激光器10增强型波导表面延伸激光输出的范围。更确切地说，增强型波导表面可提供饱和点，所述饱和点是无增强型波导表面(例如，无涂层)的等效激光器所提供的饱和点
的至少两倍高。此外，增强型波导表面大大减少功率变化。也就是说，与利用波导的典型气体激光器(例如，约10％的功率变化)相比，增强型波导表面实现激光器10的功率输出的更大稳定性(例如，小于3％的功率变化)。此外，增强型波导表面显著缩短上升和下降时间，从约75微秒到约20微秒。此外，相比于典型的气体激光器，增强型波导表面可改进壁式插座效率(例如，减小作为光形成过程的一部分产生的废热的量)。此外，增强型波导表面促进支持规定的偏振(例如，借此改进偏振性质的控制)的谐振器的设计。举例来说，裸的波导表面(例如，由陶瓷芯体形成，比如主要由氧化铝制成的芯体)展现偏振非相依反射率。因此，陶瓷芯体的输出为非偏振的。可使波导的增强型表面偏振相依来支持来自激光器10的光输出的高达100％偏振。
[0019]
在可靠性方面，增强型波导表面可减小气体组分(例如，增益介质内气体的混合物)耗损(例如，解离为不同气体和/或以其它方式从预定义比率改变)的速率。也就是说，在典型的气体激光器中，co2群体的一部分可解离为co和o。因此，所述群体的所述部分可不再有助于激光器操作。长期，在此类激光器中，co和o可通过吸收、氧化或其它途径而永久分离。本文中所公开的增强型波导表面可有利于将co和o重组为co2以增加co2的瞬时群体。此外，增加的重组通过将其优选状态维持为co2分子抑制了从活性混合物移除co和o的那些其它途径。此外，虽然典型的co2激光器可能归因于波导表面的降级(例如，源自氧化、吸收、光漂白、色心形成或放电体积中发生的其它过程)而耗损，借此减小净光学增益和输出功率(例如，源自吸收和/或散射)，但增强型波导表面可抑制降级，因为可使表面为非反应性的。如此，增强型波导表面用以保持初始气体分子的所要群体。
[0020]
激光器10通常包括主体12，其主要由陶瓷和金或其它材料涂层形成，如本文中更详细描述。主体12限定厚板激光腔14、在厚板激光腔14中形成谐振器22的若干反射镜16、18、20，以及定位在主体12外部(并且，因此，在厚板激光腔14外部)的若干电极24、26。激光器10可具有小于约0.3的菲涅耳数。激光器的菲涅耳数可通常由公式n
f
＝a2/(λl)给定，其中a为谐振器孔径的一半，λ为激光束的波长，且l为谐振器长度。小于约0.3的菲涅耳数可以通常限定真实的波导激光腔。大于约3的菲涅耳数可以通常限定自由空间激光腔，其中在波束与激光腔的壁之间存在极少或没有相互作用。约0.3与约1.5之间的菲涅耳数描述了在波束与激光腔的壁之间有不同程度的相互作用的准自由空间激光腔。
[0021]
激光器10的主体12被说明性地体现为由两个镜像组件形成：左侧组件12a和右侧组件12b。应了解，在其它实施例中，主体12可以形成为一体式组件或可以由三个或三个以上组件形成。在一些实施例中，主体12和/或组件12a、12b还可为不对称的。在说明性实施例中，主体12包括纯度在95％与99.9％之间的氧化铝(al2o3)。在其它实施例中，陶瓷主体12可以由氧化铍(beo)、氮化铝(aln)、某些类型的玻璃和/或玻璃陶瓷或任何具有类似电机械和热特性的材料或其组合形成。此外，预期主体12可由其它合适的材料(包含非陶瓷)形成。然而，如本文中更详细描述，内表面涂覆有金或其它材料以提供增强的性能和可靠性。
[0022]
在说明性实施例中，主体12的内部限定具有大体矩形横截面的厚板激光腔14。厚板激光腔14部分由主体12的两个相对的壁32和另外两个相对的壁34限定(参看图5)。相对的壁34可能大部分缺失，只有偶然的支撑件，或者可包含较大数目的支撑件(如图1中所示)。在一些实施例中，壁32、34可在波导方向中分隔既定波束宽度的约1.4倍。
[0023]
图1和5中可以看出，主体12的内部还形成为包含一对气体储层36、38。气体储层
36、38经由形成于主体12的相对的壁34中的若干气体连通槽40或敞开区与厚板激光腔14成气体(即，流体)连通。形成于相对的壁34中的气体连通槽40的尺寸和数目可在仅一个较大槽40(即，接近打开的壁34)到许多较小槽40之间变化。在说明性实施例中，气体储层中的一个36邻近于一个壁34，而另一气体储层38邻近于相对的壁34。主体12还可形成为包含埋头孔42，如图1和4中所展示。埋头孔42位于厚板激光腔14的端部处且限定从反射镜16、18、20后移的到厚板激光腔14的凹入边缘入口。此后移有助于滤出高阶模结构。因为不合需要，所以在埋头孔42的凹入入口边缘上撇去了快速发散模，其与所要基模竞争的机率降低。在其它实施例中，图1和4中说明性地展示的埋头孔42可采用其它形式，这取决于所采用的谐振器的类型。
[0024]
激光器10的说明性实施例还包含若干反射镜16、18、20。两个反射镜16、20由定位于厚板激光腔14的前端处的反射镜安装件28支撑。另一反射镜18由定位于厚板激光腔14的前端处的反射镜安装件30支撑。在说明性实施例中，反射镜安装件28、30密封到主体12以形成气密或真空密封罩壳。确切地说，反射镜安装件28、30使用环氧树脂联接到主体12。应了解，也可通过各种其它方法提供气密密封，所述方法包含(但不限于)铜焊、焊接、玻璃烧结等等，并且主体12的组件12a、12b可以使用类似方法彼此粘附。还预期，反射镜16、18、20中的一或多个可以直接粘附到主体12，而并不使用反射镜安装件。还应了解，在其它实施例中(例如，在利用不稳定谐振器的实施例中)，反射镜20可以是无反射表面的窗。进一步预期，在一些实施例中，反射镜可放置在含有激光气体的较大气密罩壳内部(所述罩壳可能由例如陶瓷、玻璃和/或金属等任何数目的材料形成)。
[0025]
在说明性实施例中，由主体12和反射镜安装件28、30形成的气密罩壳填充有激光气体。激光气体可以是任何足以在被激发时在厚板激光腔14中产生增益介质的气体混合物(多个元素和/或多个分子)。说明性实施例的主要氧化铝主体12允许不需要rf馈通而进行rf功率的耦合。在其它实施例中，主体12本身不形成气密罩壳，而是定位在含有激光气体的较大气密罩壳内部(所述罩壳可能由例如陶瓷、玻璃、和/或金属等任何数目的材料形成)。
[0026]
在厚板厚度轴线(即，平行于陶瓷主体12的壁34的维度)中，壁32之间的间隔足够接近以允许由厚板激光腔14的壁32导引谐振光子。在不稳定轴线中，波束跨反射镜16的边缘从厚板激光腔14解耦。
[0027]
如上文所描述，说明性激光器10包含若干电极24、26，其定位在厚板激光腔14外部且邻近于主体12的壁32。安置于厚板激光腔14中的激光气体将在激发信号施加到电极24、26时被激发。在说明性实施例中，电极24、26各自接收在形成于主体12的外表面中的伸长槽48中。当rf激发信号施加到电极24、26时，厚板激光腔14中的激光气体被激发，且经由电容耦合产生等离子体增益介质。虽然在说明性实施例中电极24、26展示为伸长电极，但预期电极24、26可具有不同几何形状，可分段，且可为平坦的或与主体12的壁32成角度。还预期，在一些实施例中，电极24、26中的一或多个可定位成邻近于且因此至少部分限定厚板激光腔14。
[0028]
在说明性实施例中，在主体12外部的电极24、26的使用可提供若干优点。举例来说，rf能量经由主体12的壁32耦合到厚板激光腔14中，从而不需要馈通，且允许热量更高效地从等离子体解耦。在其它实施例中，不同几何形状的电极可用于仅激发厚板激光腔14中的激光气体的某些部分。在其它实施例中，多个片段电极的单个片段可个别地激发。此外，
外部电极24、26的使用允许直到反射镜16、18的表面的连续波导，而不激发激光气体的紧邻反射镜16、18的部分。众所周知，波导的端部和反射镜之间的间隙可能向激光器中引入损耗；间隙越大，则损耗越高。另一方面，必须在激发的等离子体与反射镜之间维持一段距离，以避免损坏反射镜表面。使用外部电极24、26保护了反射镜16、18免受等离子体影响，但是仍然允许主体12向反射镜16、18导引激光辐射，并且在波导表面中没有任何中断。然而，如上所述，在主体12外部的电极的使用并非在所有实施例中都是必需的。
[0029]
现在参看图2，在说明性实施例中，主体12的内表面(例如，壁)(例如，波导谐振器22的表面)涂覆有除陶瓷以外的一层或多层材料70、72。在说明性实施例中，所述材料为金。金涂层(例如，层70、72)的厚度可为亚微米(例如，薄膜)，或其厚度可为数十到数百微米(例如，厚膜)。如上文所论述，可归因于涂层而增强特定激光器性能和可靠性特性。此外，增强程度可依据涂层的厚度变化。因金的成本的缘故，成品结构的成本可取决于厚度。在一些实施例中，可在使所需的金的量最小化的同时获得上文描述的增强的性能和可靠性特性。举例来说，在一些实施例中，可仅涂覆波导的窄区段(例如，以条带的形式)，或可在整个波导区域中溅镀金的小沉积物。可通过在波导表面上沉积金纳米粒子来实现特定性能增强。在一些实施例中，波导表面的小区段的不连续涂覆可抑制原本可能由强烈的rf电场(例如，由电极24、26产生)引发的涂层中的强表面电流和/或电弧。
[0030]
增强型波导表面可实施催化效应、防氧化效应、防吸收效应、表面电荷控制效应、光损耗减少效应、光学偏振鉴别效应、衍射效应、光子带隙效应、光学干涉效应，或前述效应中的两个或两个以上的组合。在说明性实施例中，催化和光损耗减少提供增强的激光器性能。co2激光器10内部金的存在提供co2群体的催化增强。co2分子的解离和重组是用于密封的气体激光器的激光放电体积(例如，电极24、26之间)内的局部现象。远程或邻近表面处催化剂的存在有助于在那些物质刚好移动接近催化事件时将co和o重组为co2。还有可能可通过作为放电的副产物的紫外辐射来增强催化效应。
[0031]
在说明性实施例中，环绕放电体积的波导谐振器22的大多数即时表面上金的存在增加催化效应。在说明性实施例中，金使用玻璃粘结剂结合到波导谐振器22的内部陶瓷表面。陶瓷的孔隙度实现先前在较早激光器设计的情况下不可能实现的金涂层的粘合和长期耐久性。
[0032]
通过在激光器10的光谱操作范围内波导表面的光学反射率的有限改进来实现光损耗减少。虽然裸的氧化铝陶瓷在标准陶瓷芯体激光器中提供恰当的反射率，但涂覆金的表面改进反射率，借此减小沿着波导谐振器22的全长累积的分布损耗。此外，金涂层还可在与表面散射效应(例如，波导通道中的另一损耗机制)相关的尺度上使波导表面平滑。裸的陶瓷表面可保留来自制造步骤(例如，碾磨)或材料夹杂物的缺陷，其充当用于传播导模的散射中心。
[0033]
在任何激光谐振器中，性能受到活性放大介质(例如，增益介质)和组成光学组件所提供的增益和损耗的平衡限制。当损失的光变为谐振器中的热源时，谐振器损耗的负面影响可具有复合效应。在一些实施例中，裸的氧化铝和金之间的有限反射率差可具有此复合效应。也就是说，氧化铝的较低反射率可致使一些光随着导模传播波导谐振器22而衰减，且所述光的一部分可被氧化铝吸收，从而产生热量。在特定温度以上，由co2群体中的能量转变提供的激光发射可能变得不利。因此，波导谐振器22中的任何递增热量可限制输出功
率。
[0034]
虽然涂层(例如，层70、72)在上文描述为金涂层，但在其它实施例中，波导谐振器22的表面可涂覆有例如银、铜、镍和/或铂等其它金属的膜。另外或替代地，波导谐振器22的增强型表面(例如，层70、72)可包含陶瓷釉或玻璃态表面，其经工程设计以实现最小波导损耗和/或催化效应。另外或替代地，增强型波导表面(例如，层70、72)可包含经工程设计以实现最小波导损耗和/或催化效应的波长尺度或次波长结构。增强型波导表面可包含类似于利用光学干涉来实现改进的性能的多层介电激光反射镜的层状结构。在一些实施例中，增强型波导表面可包含嵌入式或部分嵌入式结构以与主体12集成。尽管说明性实施例利用陶瓷芯体，其中增强型波导表面附接到陶瓷主体12，但在一些实施例中，增强型波导表面可与金属主体或玻璃主体器皿一起使用。在此些实施例中，激光器可包含由第一材料(例如，陶瓷插入件)形成的波导，其涂覆有不同于第一材料的第二材料(例如，金)层，以便改进激光器的一或多个性质。
[0035]
现大体参看图3-5，激光器10还包含用于激励电极24、26的rf功率电路。rf功率电路包含射频功率放大器(rfpa)50和若干谐振线圈52，以及其它组件。在说明性实施例中，谐振线圈52定位成邻近于主体12且并行地电耦合在电极24、26之间。电极24、26电耦合到线圈52以提供由rfpa 50驱动的lc谐振电路。铜条带54用于将电极24、26连接到谐振线圈52。铜条带54也组成电路的一些电感。lc电路的电容由两个电极24、26之间的电容和每一电极24、26与相应散热片56(下文更详细描述)之间的电容两者组成。图5中展示线圈52与电极24、26之间的电路径(包含散热片56)的横截面。电极24、26之间的间隙(包含厚板激光腔14)产生极其低的电容。为了减少与谐振线圈52连接的总电容，电极24、26可以在两侧浮动。rfpa 50可以用推拉驱动配置或单侧驱动配置连接到激光谐振电路。如图5中所展示，两个散热片56经由板58在其全长上方彼此电耦合以便使lc电路的散热片部分的电感最小化且提供可能的最佳屏蔽。因为包含电极24、26和谐振线圈52的电路是rf能量的发射极，所以散热片56和激光器10的其它罩壳同时成为屏蔽物和rf电路的一部分。
[0036]
如上文所提及，激光器10还可包含一或多个热耗散或热传递装置56，以防止激光器10中的过量温度。举例来说，在一些实施例中可能使用水冷式板或水冷式电极。在说明性实施例中，主体12通常夹在两个散热片56之间。每一散热片56热耦合到电极24、26中的一个以从所述电极且间接从主体12中的厚板激光腔14拉取热量。在散热片56和相应电极24、26之间，使用薄材料60使电极24、26与散热片56电绝缘，且同时将热量以热方式传导到散热片56。在说明性实施例中，薄材料60包括厚膏体，其装载有氧化铝且固化为软橡胶状材料。还预期，可针对薄材料60使用薄陶瓷条带。薄材料60还可放置在电极24、26和主体12之间以填充可能存在并促成热传导的任何气隙。在任何情况下，材料60将具有高介电常数(例如，在8或9的范围内)。材料60的高介电常数使电极24、26中的一个与散热片56之间的电容比电极24、26之间的电容高得多。
[0037]
为了避免对谐振的超出与rfpa 50的最佳频率匹配的不受控调谐，激光器10的电容应保持恒定。因为每一电极24、26与散热片56对之间的电容对于间距非常敏感，所以激光器10被设计成将散热片56维持在距相应电极24、26预定距离处，与主体12的温度(在激光器10的操作温度范围内)无关。在说明性实施例中，通过间隔物62维持两个散热片56之间的间隔，所述间隔物由与主体12和电极24、26两者的热膨胀系数紧密匹配的材料制成。这些间隔
物62还支撑主体12并维持每一电极24、26和邻近的散热片56之间的紧密间隔。间隔物62可由若干可能的材料形成，包含(但不限于)钛或7075-t6铝，这取决于正使用的特定主体12和电极24、26。在其它实施例中，可以将主体12的拐角钻穿(用避开气体储层36、38的方式)以允许安装带螺纹的插入件。在这些实施例中，主体12自身在随改变的温度膨胀和收缩时变成了间隔物62。
[0038]
虽然已在上文的图式和描述内容中详细说明和描述了本发明，但应认为图式和描述内容本质上是说明性而非限制性的，应理解，已经展示和描述了本发明的仅仅说明性实施例，并且期望所有属于本发明的精神内的变化和修改受到保护。