专利名称：用于横流二氧化碳激光器的组合激光谐振腔的制作方法
技术领域：
本实用新型属于激光技术领域，主要用于改善500W以上横流二 氧化碳激光器的光束质量。
背景技术：
本专业的技术人员十分清楚，激光谐振腔(以下简称光腔)是激 光器产生激光的不可缺少的关键部件。其基本原理是相同的，但在不 同的激光器中具体结构和形态不尽相同。大功率横流二氧化碳激光器 因为气体流动、气体放电激发、激光谐振腔的激光束出光的三方向是 互相正交的，所以产生激光的增益区的横截面一般是矩形的，而且不 均匀。这样，横流二氧化碳激光的光束质量一般不好，在工业应用中 受到了很大的限制。目前，横流高功率二氧化碳激光器的光腔主要有 三种形式平一凹稳定腔，指由平面镜和凹球面镜组成的光腔；共焦 点凸一凹非稳定腔，指由有公共焦点的凸球面镜和凹球面镜组成的光 腔；多折平一凹稳定腔，这种腔与平一凹稳定腔是一样的思想，不同 的是用折叠的方式增加光腔的长度改善光束质量和提高增益区的利 用效率。平一凹腔的显著优点是光腔最为稳定，主要问题是光束质量 很差，所产生的激光是多模激光，聚焦性能和传输性能不好，聚焦的 最小光斑只能达到一毫米，只能在对光束要求不高的热处理、熔覆等 场合中应用。共焦点凸一凹非稳定腔是根据平一凹腔的缺点提出改进 的光腔，用这种腔可以获得比较好的光束质量，聚焦的最小光斑能达 到零点一毫米，可以进行切割、焊接等这样的要求高的加工应用，当 然也可以在低要求的加工中应用；但共焦点凸一凹非稳定腔的所利用 的增益区的横截面是一个圆形，它只利用了一部分增益区，从理论上 讲是激光的模体积比较小，因此产生的激光效率比较低。多折平一凹 稳定腔是从改善光束质量和增加模体积从而提高效率出发而设计的 光腔，但实际效果是极不稳定，因为增加了光腔的长度所带来的问题 就是难以稳定工作，例如一个五折腔的腔长是平一凹腔的五倍，任何
位移变化至少放大五倍，容易在运行中失调而导致功率显著降低甚至 不出光。
实用新型内容
针对原有光腔的缺点，本实用新型的目的是提供一种用于横流二 氧化碳激光器的组合激光谐振腔(以下简称组合镜光腔)，为了达到 这个目的，本实用新型的主要技术方案是这种组合镜光腔它由柱面 全反镜、凹球面全反镜和激光输出窗口组成，当柱面全反镜和凹球面 全反镜组合时，其组合镜光腔是一个单端正支的虚共焦凸一凹非稳 腔。
本实用新型所述的组合光腔中的柱面全反镜还可以是凹柱面全 反镜。
本实用新型所述的组合光腔，当柱面全反镜是一个凹柱面全反镜 和凹球面全反镜组合时，其组合光腔结构是一个实共焦凹一凹非稳 腔。
本实用新型的主要优点是1)、获得准基模的激光束输出，这是 接近衍射极限的性能最好的光束模式；2)、尽可能充分地利用横流激 光器的增益区，获得尽可能大的模体积和尽可能高的激光转换效率； 3)、能够长期稳定工作，便于横流激光器的大规模工业应用。
本实用新型除了上述显著特点外，还具有结构简单容易实现等适 合工程化的优点。它所需要的光学元件只有3个，安装好后需要调整 的元件只有1个、即球面全反射镜，在调整好以后就基本不需要动了， 特别适合工业生产应用。从高功率激光应用方面看，横流二氧化碳激 光是高功率气体激光中成本最低、效率最高、功率最高、寿命最长的 的激光器，只是因为光束质量不好而失去了很多应用领域。本实用新 型可以彻底地解决这样的问题，使横流激光器的应用产生根本的变 化。
图l组合光腔基本结构示意图。 图2是图1A-A剖视结构示意图。
图中组合腔的基本结构示意如图1，构成光腔的光学元件共有 3个，其中元件(1)是柱面全反射镜(根据具体激光器的需要可以
是凸柱面或凹柱面)，元件(2)是凹球面全反射镜，(1)和(2)构 成了柱面一凹球面光腔，是组合腔的核心，元件(3)是激光输出窗 口、是耦合输出激光的。这3个元件的具体几何尺寸和光学参数(包 括镜面的曲率半径)根据具体激光器的需要计算确定。这种柱面镜和 球面镜组合起来的组合腔与传统的平面镜与球面镜组成的光腔或者 球面镜与球面镜组成的光腔在结构上有显著的差别。在图1所示的剖 面看，当(1)为凸柱面全反射镜时，组合腔是一个单端正支的虚共
焦凸一凹非稳腔；当(1)为凹柱面镜时，组合腔则设计为实共焦凹
—凹非稳腔，它输出的是平面波基模激光束，具有性能最好的光束模 式，但与普通单端正支的虚共焦凸一凹非稳腔相比、组合腔利用了全 部矩形空间增益区而具有最大的模体积，因此既有好的光束质量、又
有高的激光转换效率。在与图l成90度的剖面看，组合腔是一个平 一凹稳定腔，其结构如图2所示，因此具有十分稳定的特点。
具体实施方式本实用新型的具体实施例子如下
一个功率为6000W的横流二氧化碳激光器，光腔长度2000mm， 其气体放电产生的增益区截面为60mmX30mm的矩形，元件(1)是曲 率半径为4000mm、镜面尺寸为30mmX 30mm正方形、厚度为IO腿的 凸柱面全反射镜;元件(2)是曲率半径为8000mm、镜面尺寸为70mmX 35mm矩形、厚度为20的凹球面全反射镜；元件(3)是镜面尺寸为 40mmX 40mm矩形、厚度为5腿、透过率为100%或接近100%的平面输 出窗口。这样的组合腔从图1的方向看是一个放大倍率M (两个全反 射镜的曲率半径8000mra和4000mm的比值)为2的单端正支的虚共焦 凸一凹非稳腔，从图2的方向看是一个曲率半径8000mm的全反射镜 和平面镜组成的平一凹稳定腔。这个组合腔的输出光束模式为基膜， 功率仍然有6000W，极大地改善了光束质量和拓宽了横流二氧化碳激 光器的应用范围。
权利要求1、一种用于横流二氧化碳激光器的组合激光谐振腔，它由柱面全反镜、凹球面全反镜和激光输出窗口组成，其特征在于当柱面全反镜和凹球面全反镜组合时，其组合镜光腔是一个单端正支的虚共焦凸-凹非稳腔。
2、 按权利要求1所述的一种用于横流二氧化碳激光器的组合激 光谐振腔，其特征在于柱面全反镜还可以是凹柱面全反镜。
3、 按权利要求1所述的一种用于横流二氧化碳激光器的组合激 光谐振腔，其特征在于柱面全反镜是一个凹柱面全反镜和凹球面全 反镜组合时，其组合镜光腔结构是一个实共焦凹一凹非稳腔。
专利摘要用于横流二氧化碳激光器组合激光谐振腔，本实用新型属于激光技术领域，本实用新型的目的是提供一种用于横流二氧化碳激光器组合镜激光谐振腔，这种组合镜光腔它由柱面全反镜、凹球面全反镜和激光输出窗口组成，当柱面全反镜和凹球面全反镜组合时，其组合镜光腔是一个单端正支的虚共焦凸-凹非稳腔，当柱面全反镜是一个凹柱面全反镜和凹球面全反镜组合时，其组合镜光腔结构是一个实共焦凹-凹非稳腔，本实用新型除了上述显著特点外，具有结构简单容易实现等适合工程化的优点。
文档编号H01S3/03GK201001000SQ20062009896
公开日2008年1月2日 申请日期2006年9月14日 优先权日2006年9月14日
发明者陈清明 申请人:武汉金石凯激光技术有限公司