专利名称：高功率低阶模动态激光谐振腔的制作方法
技术领域：
本发明属于激光技术。它为横向流动高功率CO2激光器提供一种高输出功率、低阶膜(TEMmn，其中m+n≤2)、光束质量好的光学谐振腔。
在激光加工工业中，除了对激光束要求一定功率外，还有一个重要指标是光学质量，即通常所指的光束方向性(或发散角)。只有光束方向性越好，聚焦的功率密度越高，才能广泛应用于材料的切割、焊接等加工。实现这个要求，需要对激光器进行选模。目前工业用的千百级横流CO2激光器，由于其增益长度较短，而激活(放电)体积较大，如采用通常的稳腔加光栏选模的话，势必极大地牺牲输出功率而无实用意义。因此大多采用折迭腔技术，通过增加光程提高介质的单程增益，充分利用激活体积，来获得高功率单横模的激光输出。例如美国光谱物理公司的SPECTRA820型CO2激光器，采用多折腔结构，华中工学院也是多折腔。这种折迭腔结构，光学元件多，结构复杂，调整难度大，要做到高的腔稳定性较困难，特别是由于折迭光路的交叉性，放电结构也需与之相匹配，这对我国目前生产的激光器改动太大。
本发明的目的是提供一种结构简单的激光谐振腔，可以在我国目前生产的千百级工业用多模CO2激光器产品上使用，获得千百级低阶模激光输出，光束发散角小于3.5毫弧度，而且光电转换效率高，能长期稳定运转。
本发明的技术解决方案是，设计一种动态稳定的凹凸腔，它的静态结构由全反射镜、选模光栏和输出镜片组成，所说的全反射镜是水冷的凹面朝腔内的球面全反射镜，其特点是选模光栏位于输出镜片一端的谐振腔中，所说的输出镜片为一平、凹双面镜片，且平面朝腔内，在激光器高功率运转时，该输出镜片吸收光引起平面凸变而与全反射镜球面形成动态稳定的凹凸谐振腔。
所述的输出镜片系红外窗口材料制成，最好其平面镀增反膜，凹面镀增透膜，镜片的透过率为激光器多模腔时输出镜片的最佳透过率，凹面的曲率半径R＝(2～3L0)，其中L0是多模平凹腔输出最大功率时光束腰部到输出镜片的距离。
所述的选模光栏为金属片，两面均为漫反射面，光栏的光孔与所选激光模式的输出功率的关系为(Pmn)/(P0) ＝ (Sn)/(S0)式中Sn是光栏圆孔的面积，S0是多模输出时在输出镜面上光束截面积，P0是多模激光功率，Pmn为所选模式的输出功率。
所述的球面反射镜是背面水冷的铜质镀金球面反射镜，曲率半径R大于2L，这里L为球面反射镜到输出镜片的距离。
本发明与折迭腔比较，具有下列优点1.腔结构简单，迭模特性好，光束质量高，装置成本低。
2.本发明工作时呈凹凸腔结构，其模体积利用率大，对介质的均匀性要求低，故电光效率高，运用气压范围大。
3.安装方便，调整精度要求低，腔中不需要附加其它抑制寄生振荡的措施，而且腔的长期运转稳定性好。
4.用于普通多模CO2激光器，只需要换输出镜片，即可在同一台激光器上变多模为低阶模的激光输出。因此，除了进行激光热处理外，还可进行激光切割和焊接等加工，提高了激光加工机的使用效益和经济效益。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是已有技术折迭腔示意图。
图2是本发明的低阶模谐振腔原理图。
图3是本发明实施例输出功率1千瓦时的各种低阶模式。
图4是实施例TEM10模光束方向性和输出功率的关系曲线。
在图1和图2中，1-球面全反射镜，2-选模光栏，3-输出镜片，4-折迭反射镜。
本发明在工业用千瓦横流CO2激光器上进行实验，激光器在工作气体(CO2∶N2∶He＝1∶8∶11)为80托时，多模输出功率1.8KW，在相同条件下，采用本发明的谐振腔即实施例，其参数如下光栏孔径φ18mm，输出窗口用砷化镓，平面的反射率为83%，凹面镀增透膜，曲率半径为2.2L0，获得了千瓦级低阶模(TEM10)输出。用焦斑法测得输出功率1030W时，光束发散角小于1.95毫弧度，其中所含功率占93%，连续运转大于12小时，功率稳定度小于±1.16%。
图3是改变光栏孔径得到的千瓦级各种低阶模分布，图中(a)是TEM00模，(b)是TEM01模，(c)是TEM10模，(d)是TEM11模。
图4表示实施例输出不同功率下TEM10模的光束发散角2θ的变化关系，图中横坐标是输出激光束的功率，单位为×100瓦，纵坐标为焦斑法测得的光束发散全角，可见TEM10模在1200瓦内发散角在2毫弧度左右。
综上所述，本发明简单实用，选模特性好，光束质量高，性能稳定，达到国际上同类产品多折腔的技术指标。而它的制作成本低，可在多模激光器上使用，达到了发明目的。为CO2激光加工开拓了广泛的应用前景。
权利要求
1.一种高功率低阶模动态激光谐振腔，有水冷的凹面朝腔内的球面全反射镜1，选模光栏2和输出镜片3，其特征在于，选模光栏位于输出镜片一端的谐振腔中，所说的输出镜片静态时为一平凹面形镜片，且平面朝腔内，在激光器高功率运转时，该输出镜片吸收光引起平面凸变，与全反射镜球面形成动态凹凸谐振腔。
2.按照权利要求1的动态激光谐振腔，其特征是所说的输出镜片的平面镀增反膜，凹面镀增透膜，凹面的曲率R＝(2～3)L0，其中L0是多模平凹腔输出最大功率时光束腰部到输出镜片的距离，输出镜片的透过率为激光器多模腔时输出镜片的最佳透过率。
3.按照权利要求1或2的动态激光谐振腔，其特征是所说的选模光栏为金属片，两面均为漫反射面，光栏的光孔与所选模式的输出功率的关系为(Pmn)/(P0) ＝ (Sn)/(S0)式中Sn是光栏圆孔面积，S0是多模输出时在输出镜面上光束截面积，P0是多模激光功率，Pmn为所选模式的输出功率。
全文摘要
一种高功率低阶模动态激光谐振腔，由水冷球面全反射镜、选模光栏和输出镜片组成。其特点是所说的输出镜片为一块平凹双面镜片，利用激光振荡输出时，输出镜片吸收部分光而引起平面变凸而组成动态稳定的凹凸谐振腔，从而获得高效率、低阶模、光束质量好的激光输出。该腔具有结构简单、调整方便、稳定性好，选模性能优良，特别是适用于任何多模腔高功率激光器，只需更换输出腔片，即可在同一台器件上获多模或低阶模激光输出，提高了激光加工机的使用效益和经济效益。
文档编号H01S3/08GK1063970SQ9010103
公开日1992年8月26日 申请日期1990年2月27日 优先权日1990年2月27日
发明者归振兴, 陈钰明, 沈华勤 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所