高功率气体CO₂激光器光学谐振腔的制作方法

专利名称：高功率气体CO₂激光器光学谐振腔的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体激光器，特别是涉及高功率激光、高脉冲能量和高重复频率 的气体TEA C02激光器的光学谐振腔装置。
背景技术：
光学谐振腔是激光器的重要部件，对于脉冲输出激光或是连续输出激光的气体 co2激光器，设计适合的光学谐振腔，是气体co2激光器获得高功率激光输出和高光束质量 输出的必要条件之一。没有光学谐振腔就不能产生激光输出，光学谐振腔可以使光脉冲信 号多次反复地沿着一定方向通过工作物质激励谐振获得多次的放大，并使脉冲信号越来越 强形成激光输出。由于高功率气体co2激光器一般是在多模状态下运转工作的(包括纵流 与横流)，从而导致复杂的时间和空间模式相干性存在。对于激光光束的两个相干性而言， 是沿着光束传播的光功率强度分布明显变化的，特别是非稳定状态下的光学谐振腔更是如 此。为获得较高功率的激光和高质量激光光束输出，必需设计理想的光学谐振腔控制激光 器的激光振荡模式，来保证输出激光有较好的时间和空间的相干性。这是高功率气体0)2激 光器(特别是脉冲气体co2激光器)技术较难解决的关键问题。更是设计光学谐振腔所必 须考虑的重要因素和内容。光学谐振腔是多种多样的，如构成光学谐振腔的反射镜可以是 平面镜，也可以是凹面或者凸面镜，两反射镜形式可以是相同的，也可以是不同的，两反射 镜的距离可以是任意的。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能在高功率激光和高质量激光光束输出条 件下长时间维持均勻场激励放电可靠稳定工作的高功率气体co2激光器光学谐振腔装置。本发明设计的平一凹共焦稳定光学腔结构装置，解决了高功率气体C02激光器经 主放电极放电维持激励谐振获得高功率激光和高质量激光光束输出稳定性问题。本发明采 用由高稳定的光学支架、光学元件、光学腔支撑结构和光学元件支架结构等技术设计的光 学谐振腔装置，可使气体co2激光器获得激光输出功率达数十kW，激光脉冲能量达数十焦耳 和激光光束的稳定度小于o. 2mrad。且该装置具有技术结构简单、制造成本低、体积相对较 小紧凑等优点。本发明的高功率气体C02激光器光学谐振腔装置包括输出反射镜压盖、短内六角 螺钉、铟钢垫圈、输出反射镜(输出窗口)、上、下位移调整块、左、右位移调整块、输出反射 镜座、波纹管大法兰盘、大0形密封圈、中0形密封圈、小0形密封圈、六角螺栓、波纹管、高 稳定光学支架、激光放电腔、放电电极、波纹管小法兰盘、全反射镜、全反射镜压盖、长内六 角螺钉、全反射镜座、仰角调整螺栓等构成的高功率气体co2激光器的光学谐振腔。各部件的位置及连接关系所述的光学谐振腔为一通长的矩形体结构，沿高稳定 光学支架的两端板上装有波纹管的大法兰盘，并通过波纹管的小法兰盘，沿轴向与激光放 电腔箱体的两端板连接；在一端的波纹管大法兰盘上装有全反射镜光学元件支架的结构装置，在另一端的波纹管大法兰盘上装有输出反射镜光学元件支架的结构装置，做为高功率 气体C02激光器发射激光的输出窗口 ；在波纹管大法兰盘上还装有调整螺栓，用来调整全反 射镜、输出反射镜的仰角，修正使其轴心与激光放电腔的空间光轴“0”同轴；在光学支架的 两端板上还装有光学谐振腔的支撑调节机构，其一是使光学支架实现高稳定度，其二是使 光学支架能够左、右和上、下位移调整，使激光器光学谐振腔的空间轴心与校准光源的光轴 同轴，实现激光器输出激光方向的准确性(准直度)；在光学元件全反射镜和输出反射镜与 光学元件支架的结构压盖之间装有铟钢垫圈，其除将光学元件与压盖间的缝隙添实使之压 紧配合外，另一个作用是将镜片吸收的激光光束热量传导散热出去，延长光学元件的工作 寿命；光学元件与镜座的连接和波纹管大法兰盘与镜座的连接，都是采用0形圈接触压紧 密封连接，使激光器的密闭气体循环通道腔室内的工作物质与大气相隔离，并具有非常高 的气密性，使工作物质保持稳定的工作气压在密闭循环通道腔室内流动。由放电电极激励 放电后产生的光电子脉冲，经全反射镜和输出反射镜多次反复的谐振放大，由输出窗口发 射激光构成的高功率气体C02激光器光学谐振腔装置。所述的高稳定的光学支架为桁架机械结构，由两个端板和三根拉杆构成(见图 1)。在一块端板上装有光学元件全反射镜、光学腔支撑及位移调整结构和光学元件支架结 构；另一块端板上装有光学元件输出反射镜、光学腔支撑及位移调整结构和光学元件支架 结构，作为激光器的输出窗口端。所述的光学谐振腔的支撑调节结构为安装在高稳定光学支架端板上的上、下位移 调整块和左、右位移调整块；用外部设备校准光源和光栏校定使激光器主放电极的空间光 轴与光源的光轴同轴后，调整位移上、下和左、右位移调整块，使校准光源的光轴、主放电极 的空间光轴、全反射镜的轴心和输出反射镜的轴心为同一光轴，实现激光器输出激光方向 的准确性即准直度。所述的全反射镜和输出反射镜镜座通过0形密封圈与波纹管的大法兰盘紧固连 接；全反射镜和输出反射镜通过0形密封圈与镜座紧固连接；波纹管小法兰盘通过0形密 封圈与激光放电腔紧固连接。其作用是不使激光器的工作物质(混合气体)泄露到大气中 去，确保激光器始终在设定好的工作气压范围稳定的运行工作。所述的在大法兰盘上还安装有仰角调整螺栓，用外部设备校准光源和光栏校定使 激光器主放电极的空间光轴与光源的光轴同轴后，调整仰角使全反射镜和输出反射镜的光 轴心与主放电极的空间光轴与光源的光轴同轴。本发明的光学谐振腔装置与激光器主机设备固定连接，由储能充放电路提供注入 电能量，将激光放电腔放电电场内被电离的工作气体，通过预电离触发针的预先火花放电 和一对主放电极的滞后均勻场辉光放电而获得光电子，再由光学谐振腔的全反射镜与输出 反射镜进行光电子多次谐振后获得激光输出。由于高功率TEA 0)2激光器是属高电压，高 重频状态下运行工作的大型激光设备，光学谐振腔除具有获得高功率激光输出和高质量激 光光束能力外，还要求其光学腔便于安装调试和光学元件的调换。本发明的光学谐振腔装 置通过位移调整块和仰角调整螺栓的精确调整定位，并使事先装配好的全反镜装置和输出 窗口装置快速调换，解决了光学谐振腔激光光束是在稳定状态下且沿着光功率强度分布明 显变化的难题。本发明的优点光学谐振腔具有高稳定度抖动小、放电光电子谐振持续稳定、输出激光光斑较大和光学元件可以承受较大工作破坏阈值等特点。使高功率气体C02激光器不 再因为不能长久维持激励谐振和破坏光学元件，故可以延长气体C02激光器的工作使用寿 命，另外本发明的气体C02激光器光学谐振腔装置与激光器的激光放电腔结合成为一体，构 成一个体积较小、结构紧凑简单和制造成本低新型激光器件装置，可应用于各类高功率气 体激光器和高功率脉冲气体C02激光器中。


图1为本发明的气体C02激光器光学谐振腔装置的剖视图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明本发明的气体C02激光器光学谐振腔装置包括输出反射镜压盖1 ；M6内六角螺 钉2 ；铟钢垫圈3 ；输出反射镜(输出窗口)4 ；上、下位移调整块5 ；左、右位移调整块6 ；输 出反射镜座7 ；波纹管大法兰盘8 ；中0形密封圈9 ；大0形密封圈10 ；M6六角螺栓11 ；波纹 管12 ；高稳定光学支架13 ；激光放电腔14 ；放电电极15 ；波纹管小法兰盘16 ；全反射镜17 ； 全反射镜压盖18 ；小0形密封圈19 ；全反射镜座21 ；仰角调整螺栓22等构成光学谐振腔装 置。所述的光学元件全反射镜为直径76. 2mm的凹面镜，曲率半径R为18m，凹面表面镀 金膜，全反射率为99. 8% ；光学元件输出反射镜(输出窗口)为直径95mm的平面镜，平镜 的一端表面镀工作介质反射膜，透过率T为70%，该表面与激光器工作气体接触，平镜的另 一端表面镀增透膜，透过率T为99. 9%，该表面与大气的空气接触。所述的光学元件支架的结构是安装在波纹管大法兰盘上外径为150mm、内径为 60mm的全反射镜和外径为150mm、内径为80mm的输出反射镜镜座，与镜座紧固连接外径为 106mm、内径为72mm全反射镜和外径为122mm、内径为80mm输出反射镜压盖；与压盖和镜片 紧密连接的外径为76mm、内径为72mm全反射镜和外径为94mm、内径为82mm输出反射镜铟 钢垫圈，光学元件支架结构可以将镜片牢固的固定在相应的位置，使其不能发生松动和位 移，同时具有将镜片所吸收的激光光束热量传导散热出去作用，延长光学元件的工作寿命。所述的输出反射镜压盖1直径95mm的子口位置装入铟钢垫圈3和光学元件输出 反射镜4，将0形密封圈9装入输出反射镜座7上，用6个M6短内六角螺钉2，将输出反射 镜压盖1和输出反射镜座7紧固连接；构成输出窗口结构装置。输出反射镜4采用硒化锌 (ZnSe)材料制作，0形密封圈9采用橡胶材料制作，输出反射镜压盖1和输出反射镜座7采 用不锈钢材料制作。所述的全反射镜压盖18直径76mm的子口位置装入光学元件全反射镜17，将小0 形密封圈19装入全反射镜座21上，用6个M6长内六角螺钉20将全反射镜压盖18和全反 射镜座21紧固连接；构成全反射镜结构装置。全反射镜17采用无氧铜材料制作，0形密封 圈19采用橡胶材料制作，全反射镜压盖18和全反射镜座21采用不锈钢材料制作。所述的光学支架13是由三根直径50mm、长2. 0m的铟钢管，每根铟钢管两端装配带 有M20螺纹的堵头，并与两块800*600*30的端板用6个M20的螺母紧固连接，在两块端板 的中心位置上同轴开有直径为170mm的圆孔，构成桁架式的高稳定的光学支架结构。两块端板采用不锈钢材料制作。所述的上、下位移调整块5和左、右位移调整块6均为4组；将上、下位移调整块5 分别用4个M6内六角螺钉紧固连接在端板外端面下角方向的左、右位置处；将左、右位移调 整块6分别用4个M6内六角螺钉紧固连接在端板侧端下面的板厚中心位置处；构成光学谐 振腔光轴，可以上、下和左、右位移的调整结构装置。每组上、下位移调整块5和左、右位移 调整块6采用不锈钢材料制作。所述的仰角调整螺栓22共计6个分为两组，按120°等分安装在两端的波纹管大 法兰盘8上，旋动仰角调整螺栓22可以修正输出窗口结构和全反射镜结构的光学元件全反 射镜与输出反射镜的光轴同轴；仰角调整螺栓22采用不锈钢材料制作。将装配好的光学支架13用M10的螺栓通过角块固定连接在外部结构装置激光器 的支撑平台上，先将波纹管大法兰盘8用M10的螺栓紧固连接在光学支架13两端的端板 上，后将波纹管小法兰盘16装上小0形密封圈，再用M10的螺栓紧固连接在激光放电腔14 两端的端板上，然后将两端波纹管大法兰盘8装上大0形密封圈10，将输出窗口结构装置和 全反射镜结构装置用两组M6内六角螺钉分别与波纹管大法兰盘8紧固连接。构成完整的 高功率气体C02激光器光学谐振腔装置。配合主机设备和储能充放电系统完成激光器激励 放电并使光电子脉冲充分谐振获得激光输出。光学谐振腔是气体C02激光器基础技术的关键技术之一，本发明的光学谐振腔采 用高稳定度抖动小、放电光电子脉冲谐振持续稳定、输出激光光斑较大和光学元件可以承 受较大工作破坏阈值等技术特点，使高功率气体C02激光器即能长久维持激励谐振，同时不 破坏光学元件，实现了气体激光器的光学谐振腔配附激光器主机高功率稳定可靠的运行工 作。本发明的装置具有技术结构简单制造成本低，体积相对较小且紧凑等优点，机械结构设 计与机械零部件加工非常易于实现，装置高稳定可靠，便于全反射镜和输出反射镜的调换 与安装，能够使气体co2激光器系统长时间稳定工作，适用于高功率气体激光器和脉冲气体 激光器技术。
权利要求
高功率气体CO2激光器的光学谐振腔，其特征在于包括输出反射镜压盖(1)、短内六角螺钉(2)、铟钢垫圈(3)、输出反射镜(4)、上、下位移调整块(5)、左、右位移调整块(6)、输出反射镜座(7)、波纹管大法兰盘(8)、中O形密封圈(9)、大O形密封圈(10)、六角螺栓(11)、波纹管(12)、高稳定光学支架(13)、激光放电腔(14)、放电电极(15)、波纹管小法兰盘(16)、全反射镜(17)、全反射镜压盖(18)、小O形密封圈(19)、长内六角螺钉(20)、全反射镜座(21)、仰角调整螺栓(22)构成光学谐振腔；各部件的位置及连接关系所述的光学谐振腔为一通长的矩形体结构，沿高稳定光学支架(13)的两端板上装有波纹管的大法兰盘(8)，并通过波纹管(12)和波纹管小法兰盘(16)，沿轴向与激光放电腔(14)箱体的两端板连接；在一端的波纹管大法兰盘(8)上装有全反射镜光学元件支架，在另一端的波纹管大法兰盘(8)上装有输出反射镜光学元件支架，做为高功率气体CO2激光器发射激光的输出窗口；在波纹管大法兰盘(8)上还装有仰角调整螺栓(22)，用来调整全反射镜(17)、输出反射镜(4)的仰角，修正使其轴心与激光放电腔(14)的空间光轴0同轴；在光学支架(13)的两端板上还装有光学谐振腔的支撑和位移调节机构上、下位移调整块(5)和左、右位移调整块(6)，通过调整使激光器光学谐振腔的空间光轴0与校准光源的光轴0同轴；在光学元件的全反射镜(17)和输出反射镜(4)与光学元件支架(13)的结构压盖之间装有铟钢垫圈(3)；光学元件与镜座(7)、(21)的连接和波纹管大法兰盘(8)与输出反射镜座(7)、全反射镜座(21)的连接，都是采用中O形密封圈(9)、大密封圈(10)接触压紧密封连接；由放电电极激励放电后产生的光电子脉冲，经全反射镜(17)和输出反射镜(4)多次反复的谐振放大，由输出窗口发射获得高功率激光和高质量光束。
2.根据权利要求1所述的高功率气体C02激光器的光学谐振腔装置，其特征在于高稳 定光学支架(13)为桁架机械结构，由两个端板和三根拉杆构成；在一块端板上装有光学元 件全反射镜(17)、光学腔支撑上下位移调整结构(5)、左右位移调整结构(6)和光学元件 支架全反射镜压盖(18)、全反射镜座(21)；另一块端板上装有光学元件输出反射镜(4)、光 学腔支撑及上下位移调整结构(5)、左右移调整结构(6)和光学元件支架输出反射镜压盖 (1)、输出反射镜座(7)，作为激光激励谐振反射和输出窗口。
3.根据权利要求1所述的高功率气体C02激光器的光学谐振腔装置，其特征在于光学 元件全反射镜(17)为凹面镜，凹面表面镀金膜；光学元件输出反射镜(4)为平面镜，平镜的 一端表面镀工作介质反射膜，平镜的另一端表面镀增透膜。
4.根据权利要求1所述的气体激光器的光学谐振腔装置，其特征在于支撑位移调节结 构为安装在高稳定光学支架(13)端板上的上、下位移调整块(5)；左、右位移调整块(6)； 调整上、下位移调整块(5)和左、右位移调整块(6)，使校准光源的光轴、主放电极的空间光 轴、全反射镜的轴心和输出反射镜的轴心为同一光轴“0”，实现激光器输出激光方向准直度 的准确性。
5.根据权利要求1所述的高功率气体C02激光器的光学谐振腔装置，其特征在于光学 元件支架结构是安装在波纹管大法兰盘(8)上的全反射镜座(21)和输出反射镜镜座(7)； 与镜座紧固连接全反射镜压盖(18)和输出反射镜压盖(1)；与压盖和镜片紧密连接的全反 射镜和输出反射镜铟钢垫圈(3)，光学元件支架结构可以将镜片牢固的固定在相应的位置。
6.根据权利要求1所述的高功率气体C02激光器的光学谐振腔装置，其特征在于全反射镜座(21)和输出反射镜座(7)通过大0形密封圈(10)、小0形密封圈(19)与波纹管的 大法兰盘⑶紧固连接；全反射镜(17)和输出反射镜⑷通过小0形密封圈(9)与镜座 (7)、全反射镜座(21)紧固连接；波纹管小法兰盘(16)通过0形密封圈与激光放电腔(13) 紧固连接。
7.根据权利要求1所述的高功率气体C02激光器的光学谐振腔装置，其特征在于大法 兰盘(8)上还安装有仰角调整螺栓(22)，由外部设备校准光源和光栏校定激光器主放电极 的空间光轴“0”与光源的光轴“0”同轴后，调整仰角螺栓(22)使全反射镜(4)和镜输出反 射镜(17)的光轴“0”与主放电极的空间光轴“0”与光源的光轴“0”，形成“0-0' ”三者同轴o
全文摘要
一种高功率气体CO2激光器的光学谐振腔，该光学谐振腔包括全反射镜、全反射镜座、全反射镜压盖、输出反射镜、输出反射镜座、输出反射镜压盖。其连接关系是光学谐振腔安装固定在高稳定光学支架的两端板上，经有弹性可调整的波纹管固定连接在密闭循环流动的工作气体腔室通道的两端。通过校准光源调整全反射镜、输出反射镜的轴心，与激光放电腔的空间光轴“0”同轴。储能充放电路注入电能后使激光放电腔的一对放电电极大面积均匀的辉光放电，经全反射镜和输出反射镜多次的激励谐振，使脉冲信号多次反复越来越强形成激光，并通过输出窗口发射激光而构成激光器的光学谐振腔。本发明稳定可靠，结构紧凑，适用于高功率气体激光器和脉冲气体激光器。
文档编号H01S3/081GK101854023SQ201010179488
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者耿玉民, 郭劲 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所