专利名称：折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光器技术领域，特别是一种采用折叠式激光谐振腔的横向激励大气 压二氧化碳激光器(TEACO2激光器)。
背景技术：
折叠式激光谐振腔已广泛应用于直管式放电CO2激光器中。通过折叠式谐振腔将 多个放电管在光路上串联起来，从而使激射媒质的体积和增益长度倍增，达到提高输出功 率的目的。然而对于TEACO2激光器尚未有人采用折叠式谐振腔。为了提高TEACO2激光器 的脉冲输出能量和输出功率，通常的做法是增大正方形放电截面的面积，即同时增大放电 电极之间的间距和电极宽度。TEACO2激光器的增益系数(单位长度的增益)很高，通常无 需通过折叠式谐振腔来使腔的总增益倍增。实际上，如果在增益区内设置多个转折镜，容易 形成自激振荡，引起功率损耗和镜片损坏等麻烦。随着TEACO2激光器的应用范围不断扩大，对激光器的输出参量的要求也日益多样 化。例如，对脉冲宽度就有不同的要求。典型的TEACO2激光器的脉冲输出波形是由大约0. 1 微秒的尖峰和1微秒的拖尾组成。但是，在许多应用条件下，要求有较宽的脉冲宽度，这就 必然导致增益系数相应地下降。又如，TEACO2激光器虽然具有在9至11微米波长范围内的 近百条谱线调谐的能力(line tunable)，但是对于不同的谱线，增益系数差别很大。对于增 益系数较低的那些谱线，激光谐振腔的能量提取效率下降，从而使输出功率进一步降低。此 外，通常大口径TEACO2激光器的输出光束质量不高。即使采用非稳定腔，往往也很难得到 理想的光斑。
发明内容
本发明的目的是提供一种折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器(TEACO2激光 器)，具有高重复频率、高平均功率，其在截面为矩形的放电区设置折叠式激光谐振腔，使增 益长度倍增，这提高了激光器的输出能量和功率，并改善激光器的光束质量。为实现上述目的，本发明的技术解决方案是一种折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，包括主放电电极、预电离器、激光谐 振腔、风机、导流板、冷却器、密封圆筒、充排气系统、脉冲电源；其主放电区的截面为矩形， 矩形截面的高度为H，宽度为W，高度与宽度之比H/W大于1或小于1，与矩形放电截面相匹 配的激光谐振腔为折叠式谐振腔，折叠腔包括输出耦合镜、转折镜和后全反射镜。所述的折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，其所述主放电矩形截面的H/W之 比为2或1/2时，与矩形放电截面相匹配的折叠腔的折叠次数为3，转折镜数目为2。所述的折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，其所述主放电矩形截面的H/W之 比为3或1/3时，与矩形放电截面相匹配的折叠腔的折叠次数为5，转折镜数目为4。所述的折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，其所述折叠腔的输出耦合镜为凹 球面镜，转折镜为平面镜或凹球面镜，后全反射镜为平面镜或凹球面镜或反射式衍射光栅。
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所述的折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，其所述折叠腔的输出耦合镜为平 面镜，转折镜和后全反射镜中至少有一个为凹球面镜，其余为平面镜。所述的折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，其所述后全反射镜或为反射式衍 射光栅。所述的折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，其所述折叠腔的后全反射镜采用 反射式衍射光栅时，激光输出波长可以调谐。所述的折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，其激光气体为C02、N2*He的混合 气体，或在C02、N2和He的混合气体中搀有少量H2和CO气体，总气压在50 1200mbar之 间。本发明的折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，能同时满足应用中对高平均输 出功率、较宽的激光脉冲宽度、高光束质量和波长可调谐的需求，在激光加工、激光雷达、大 气环境监控、激光化学等领域有广泛的应用前景。
图1是本发明的一种折叠腔TEAC02激光器结构示意图；图2是折叠式谐振腔示意图；图3是可调谐折叠式谐振腔示意图。
具体实施例方式为进一步说明本发明的特征及结构，以下结合附图对本发明作详细描述。请参阅图1，为一种折叠腔TEAC02激光器，且具有高重复频率、高平均功率，包括上 主放电电极1、下主放电电极2、预电离器3、激光谐振腔4、风机5、导流板6、冷却器7、真空 密封外筒8、充排气系统9和高压脉冲电源10。其中主放电电极1和2为成型电极，电极表 面面型和电极间距设计保证能在电极间形成一个矩形截面的均勻放电区，矩形截面的高度 为H，宽度为W。H值基本上就是主放电电极之间的间距。图中矩形截面的H/W比值为2。风 机5在放电区产生高速气流将脉冲放电产生的热量通过导流板6和冷却器7传导出去，使 激光器能够在高重复频率下运转产生高平均输出功率。激光谐振腔4为折叠式谐振腔(简 称折叠腔)，如图2所示。折叠式谐振腔由输出耦合镜41，转折镜42、43，和后全反射镜44 组成。采用特定的准直方法使四个镜子形成N形三折叠腔。折叠腔的采用大大地增加了腔 的总增益，并且使激光输出的脉冲宽度可以做得较宽。典型的TEAC02激光器的脉冲波形是 由大约0. 1微秒的尖峰和1微秒的拖尾组成。但是当要求较宽的输出激光脉冲波形时，激 光媒质的气体组分和放电参数也必须予以调整，相应的增益系数也随之下降，导致腔的能 量提取效率大幅降低。折叠腔的采用使增益长度倍增，可以保证谐振腔的能量提取效率维 持在很高的水平。折叠腔的折叠次数和矩形放电截面的H/W比值相匹配，使腔中的模体积 尽可能和放电增益区体积相重迭。但折叠次数过多将会使结构复杂化。取折叠次数为3或 5为宜。此外，矩形放电截面的H/W比值也可取为1/2或1/3，即矩形放电截面的宽度是高 度的2或3倍，同样也对应三折腔和五折腔。折叠腔的输出耦合镜为凹面镜，转折镜和后全反射镜为平面镜或凹球面镜，形成 一个稳定腔，参数选择使低阶模尽可能与放电区重叠，保证激光束有高的光学质量。输出耦合镜也可以为平面镜，在此情况下，转折镜和后全反射镜中至少有一个为凹球面镜，其余为 平面镜，参数选择应在稳定区，并且使低阶模尽可能与放电区重叠。折叠腔的后全反射镜根据需求也可采用反射式衍射光栅，如图3所示。图中的45 为反射式衍射光栅。在此情况下，激光器的输出波长可以调谐。激光气体为C02、N2和He的混合气体，或在C02、N2和He的混合气体中搀有少量H2 和CO气体，总气压在50mbar和1200mbar之间。
权利要求
一种折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，包括主放电电极、预电离器、激光谐振腔、风机、导流板、冷却器、密封圆筒、充排气系统、脉冲电源；其特征在于主放电区的截面为矩形，矩形截面的高度为H，宽度为W，高度与宽度之比H/W大于1或小于1，与矩形放电截面相匹配的激光谐振腔为折叠式谐振腔，折叠腔包括输出耦合镜、转折镜和后全反射镜。
2.如权利要求1所述的折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，其特征在于所述主 放电矩形截面的H/W之比为2或1/2时，与矩形放电截面相匹配的折叠腔的折叠次数为3， 转折镜数目为2。
3.如权利要求1所述的折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，其特征在于所述主 放电矩形截面的H/W之比为3或1/3时，与矩形放电截面相匹配的折叠腔的折叠次数为5， 转折镜数目为4。
4.如权利要求1所述的折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，其特征在于所述折 叠腔的输出耦合镜为凹球面镜，转折镜为平面镜或凹球面镜，后全反射镜为平面镜或凹球 面镜或反射式衍射光栅。
5.如权利要求1所述的折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，其特征在于所述折 叠腔的输出耦合镜为平面镜，转折镜和后全反射镜中至少有一个为凹球面镜，其余为平面镜。
6.如权利要求5所述的折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，其特征在于所述后 全反射镜或为反射式衍射光栅。
7.如权利要求4或6所述的折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，其特征在于所 述折叠腔的后全反射镜采用反射式衍射光栅时，激光输出波长可以调谐。
8.如权利要求1所述的折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，其特征在于其激光 气体为C02、N2和He的混合气体，或在C02、N2和He的混合气体中搀有少量H2和CO气体，总 气压在50 1200mbar之间。
全文摘要
本发明公开了一种折叠腔横向激励大气压二氧化碳激光器，涉及激光器技术，包括主放电电极、预电离器、激光谐振腔、风机、导流板、冷却器、密封圆筒、充排气系统、脉冲电源等。其中，主放电区的截面为矩形，与矩形放电截面相匹配的激光谐振腔为折叠式谐振腔，由输出耦合镜、转折镜和后全反射镜组成。本发明激光器能同时满足应用中对高重复频率、高平均输出功率、较宽的激光脉冲宽度、高光束质量和波长可调谐的需求，在激光加工、激光雷达、大气环境监控、激光化学等领域有广泛的应用前景。
文档编号H01S3/081GK101895055SQ20091008416
公开日2010年11月24日 申请日期2009年5月20日 优先权日2009年5月20日
发明者万重怡, 刘世明, 吴谨, 周锦文, 王东蕾, 谭荣清 申请人:中国科学院电子学研究所