紧凑型玻璃结构中功率二氧化碳激光器的制造方法
【专利摘要】一种激光器领域的紧凑型玻璃结构二氧化碳激光器，包括：第一反射镜、内部填充有二氧化碳激光介质气体的放电管、水冷套、第二反射镜、输出窗、第一电极和第二电极；其中：放电管材料为玻璃、石英或陶瓷，第一反射镜和第二反射镜分别设置于放电管的两端，第一反射镜和第二反射镜为全反射镜，激光输出端的第二反射镜的中心部位开有供激光输出的孔口，在孔口处设置透射式输出窗，第一电极和第二电极分别设置于放电管的两端，放电管的外部设置水冷套；本实用新型使得激光器整体结构紧凑，提高使用价值。
【专利说明】紧凑型玻璃结构中功率二氧化碳激光器【技术领域】
[0001]本实用新型涉及的是一种激光器领域的装置，具体是一种紧凑型玻璃结构的数百瓦功率级二氧化碳激光器。
【背景技术】
[0002]现有玻璃结构的二氧化碳激光器输出功率一般在一百瓦左右，为达到数百瓦的中功率输出，是通过增加放电管长度，亦即增加有效的放电气体体积(模体积)来获得大的激光输出功率，但有其先天的不足，比如放电管长度增加并进行折叠的同时，激光器在结构的紧凑性方面不够理想。同时也因输出窗为半透半反镜，其直径必须与尾端反射镜直径相同，因此其输出光束的直径难以控制到较小的尺寸，因此难以得到数百瓦功率输出且光束质量很好的效果。此类管式放电激光器若要获得数百瓦输出是困难的，若增加折叠次数又会使光路难以准直，较多的折叠反射镜也会带来传输损耗，且经过多次折叠的光路结构和基础结构是难以稳定的。
[0003]经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN1819374，
【公开日】2006_08_16，记载了一种高功率激光谐振腔，包括全反镜、输出镜和激光工作介质；全反镜由第一直角圆台的内侧面和反向的直角圆锥的外侧面组成，第一直角圆台和直角圆锥的旋转对称轴同轴，其内侧面和外侧面均为高反射面；输出镜由圆形平面半透半反镜和边缘的同心环状的全反镜组成，它们的旋转对称轴同轴，同心环状的全反镜由第二直角圆台的内侧面和反向的第三直角圆台的外侧面组成，二个直角圆台的旋转对称轴同轴，其内侧面和外侧面均为高反射面。但该技术在实施过程却是难以做到的:1)谐振腔两端的全反镜均须制作成形状极为复杂的反射面，这将使得两端的反射镜在加工成型、光学抛光及镀膜等方面都难以达到应有的技术要求。同时，由多个圆锥面组成的反射镜及输出窗镜，从材料学角度分析也存在镜片在厚度上的突变会造成温度场和应力场的不稳定及形变，尤其在激光器处于工作状态时将不可避免地使光路发生畸变而导致激光不能正常输出。2)谐振腔内一个光程周期经过4个或以上圆锥面的反射也会存在一定程度的损耗。
[0004]中国专利文献号CN101262113A所述的实用新型内容对上述专利文献号CN1819374的专利技术进行了局部改进，主要是将全反镜及输出窗镜片的直角圆锥形状改为圆弧形的环形凹面(其截面形状呈波浪状)，但仍然存在与前一技术相类似的不足，在谐振腔镜片上的沟槽结构也同样会导致技术方案难以实施且难以保证激光器工作状态的稳定。
实用新型内容
[0005]本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提供一种紧凑型玻璃结构中功率二氧化碳激光器，克服了现有技术中输出窗直径与尾部全反镜必须相同而难以配置大直径放电管以提高模体积与输出功率的弊端，进而解决了用大直径放电管和小直径输出口径来获得较大的数百瓦功率输出的可行性；同时也解决了该类激光器无法使用全透射输出窗的问题。此外，本实用新型以厚度均匀的全反射镜片和输出窗镜片取代了现有技术中的具有复杂型面的全反射镜片和输出窗镜片，从实现了玻璃结构的静态管状放电激光器获得数百瓦输出的技术可行性，并可通过实施本实用新型技术来弥补目前市场上尚没有真正可进行批量生产的静态气体玻璃管式放电激励的紧凑型数百瓦功率级二氧化碳激光器产品的空白。
[0006]本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型包括:第一反射镜、内部填充有二氧化碳激光介质气体的玻璃放电管、水冷套、第二反射镜、透射式输出窗、第一电极和第二电极，其中:第一反射镜和第二反射镜分别设置于放电管的两端，第一反射镜为全反射镜，激光输出端的第二反射镜的中心部位设置透射式输出窗，其余部分为全反射镜，第一电极和第二电极分别设置于放电管的两端，放电管的外部设置水冷套；
[0007]第二反射镜的中心部位开输出孔，激光束通过封接于输出孔外侧的透射式输出窗输出腔外，输出孔的直径小于或等于1/2第二反射镜的直径，透射式输出窗的直径等于或大于输出孔的直径；
[0008]或者，第二反射镜及其中心位置的透射式输出窗为一体式结构，第二反射镜的环状内表面为全反射面，透射式输出窗为圆形透射面，由同一块红外透过材料，即硒化锌通过镀膜方式实现。
[0009]第一反射镜的形状为圆形，其直径范围为10?60mm、厚度随直径的大小而调整。
[0010]第二反射镜的形状为圆形，其直径范围为10?60mm、厚度随直径的大小而调整。
[0011]或者，所述第一反射镜为红外全反射凹球镜；第二反射镜为红外全反射凹球镜或平面镜。
[0012]所述的透射式输出窗为红外透射镜。
[0013]本实用新型所涉及到的激光反射镜和透射式输出窗镜片，均为常规光学加工易于生产的光学兀件。
[0014]所述的第一电极和第二电极为环状电极，施加的激励源为直流、交流或射频电源，第一电极和第二电极分别位于放电管两端的内侧，当激励源为射频电源时，第一电极和第二电极分别位于放电管的内侧或外侧。
[0015]所述的放电管的长度小于等于3000mm。
[0016]本实用新型激光器放电管中被激励振荡的激光介质体积与现有技术ZL00116695.6及CN200620108059相比，因为无需折叠就可通过一根较大直径放电管获得相同或远大于现有技术所具有的激光介质体积，在一定的冷却条件下，体积较大的放电等离子体形成的粒子数反转量也会较大，从而可从较小直径的输出窗口获得光束质量很好的大功率激光输出。本实用新型的优点如下:
[0017]1、激光谐振腔无需使用沟槽形状的反射腔镜，即可通过透射式输出窗获得大的稳定的激光输出功率。
[0018]2、与折叠式激光器件相比较，由于无需折叠，也就无需增加更多的转折反射镜，这样可使激光器结构大为简化与紧凑，使得光学谐振腔光路易于准直调校，且结构稳定，也使得输出光束的功率稳定度和模式更好。
[0019]3、放电管两端仅需配置2至3块光学镜片就可在一根直径较大的放电管获得大体积的激光激励介质及大的粒子数反转量，从而获得大的稳定的激光功率输出；同时，输出光束的直径可通过第二反射镜上的输出孔径来选择和控制。对于批量性生产来说，便于产品制造过程中对谐振腔光路的准直，制造成本低，加工周期短，有利于提高生产率。在一根放电管空间内即可获得大的激光输出功率，进而使二氧化碳激光器实现小型化，为玻璃结构的管式放电型激光器实现数百瓦功率的输出提供了新的技术途径。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为实施例1的结构示意图；
[0021]图2为实施例2的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
[0023]实施例1
[0024]如图1所示，本实施例包括:第一反射镜1、放电管2、水冷套3、第二反射镜4、透射式输出窗5、第一电极6和第二电极7。
[0025]所述第一反射镜I为红外全反射凹面镜，第二反射镜4为中央有孔的红外全反射平面镜，透射式输出窗5为可透过红外的光学镜片,透射式输出窗5封装在第二反射镜4上。放电管2的长度1600mm。
[0026]第一反射镜I的形状为圆形，其直径为40mm、厚度为8mm。
[0027]第二反射镜4的形状为圆环形,其外径为40mm、内径为6mm、厚度为8mm。
[0028]第二反射镜4的中心部为圆孔，透射式输出窗5封接于该孔的外侧，该孔的直径为6mm,透射式输出窗5为直径10_的红外透射镜片、厚度为3_。
[0029]本实施例中，所述第一反射镜I与所述第二反射镜4封接在放电管2的两端面上，透射式输出窗5封接在第二反射镜4的外侧面，所述内侧面为面向放电管2管端的面。
[0030]所述透射式输出窗5为红外透射镜，其材料为硒化锌。
[0031]本实施例中，所述放电管2的材质为玻璃、石英或陶瓷。
[0032]所述水冷套3包裹着放电管2，用于对放电管2进行冷却；放电管2内填充有激光介质气体，本实施例中优选填充含二氧化碳的激光介质气体。
[0033]本实施例中，所述第一电极6和所述第二电极7位于所述放电管2两端管内，通过对第一电极6和第二电极7施加电流，对放电管2内的激光介质气体进行放电激励，在水冷套3的冷却作用下使被激励的激光介质气体形成有效的粒子数反转，便可从输出窗镜片5获得激光输出。所述第一电极6和第二电极7为环状电极，施加于两电极上的激励源可以是直流、交流或射频电源；当采用射频电源时，所述第一电极6和所述第二电极7也可以置于所述放电管2的外部。
[0034]本实施例中，所述第一反射镜1、所述第二反射镜4和透射式输出窗5构成激光谐振腔。所述放电管2、第一反射镜I及第二反射镜4的直径均大于现有玻璃结构激光器的相应尺寸。与现有技术激光器相比较，在放电管长度相同的情况下，本实用新型实施例的激光器放电管中被激励振荡的激光介质体积可远大于现有激光器技术所具有的激光介质体积，在一定的冷却条件下，体积较大的放电等离子体形成的粒子数反转量也会较大，从而可从输出窗口获得400瓦激光功率输出。
[0035]实施例2
[0036]如图2所示，本实施例与实施例1的基本结构及工作原理相同。
[0037]所述第一反射镜I为红外全反射凹面镜，直径为45mm、厚度为8mm，但第二反射镜及其中心位置的透射式输出窗5由同一块红外透过材料(硒化锌)制成，通过镀膜方式实现其反射与透过的综合功能，即该透过材料的环状内表面为全反射面，而该材料中心圆部分为透射输出窗口 ；第二反射镜4的外径为45mm、厚度为8mm、中心圆部分的激光输出窗口直径为6mm。
[0038]与实施例1相比较，在放电管2长度相同的情况下，由于本实施例中处于两端的谐振腔片直径大于实施例1的腔片，本实用新型实施例的激光器放电管中被激励振荡的激光介质体积要大于实施例1所具有的激光介质体积，在一定的冷却条件下，体积较大的放电等离子体形成的粒子数反转量也会较大，可从输出窗口获得500瓦激光功率输出。
【权利要求】
1.一种紧凑型玻璃结构二氧化碳激光器，其特征在于，包括:第一反射镜、内部填充有二氧化碳激光介质气体的放电管、水冷套、第二反射镜、透射式输出窗、第一电极和第二电极，其中:第一反射镜和第二反射镜分别设置于放电管的两端，第一反射镜为全反射镜，激光输出端的第二反射镜的中心部位设置透射式输出窗，其余部分为全反射镜，第一电极和第二电极分别设置于放电管的两端，放电管的外部设置水冷套；第二反射镜的中心部位开输出孔，激光束通过封接于输出孔外侧的透射式输出窗输出腔外，输出孔的直径小于或等于1/2第二反射镜的直径，透射式输出窗的直径等于或大于输出孔的直径；或者，第二反射镜及其中心位置的透射式输出窗为一体式结构，第二反射镜的环状内表面为全反射面，透射式输出窗为圆形透射面。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征是，所述的第一反射镜的形状为圆形，其直径范围为10?60_ ； 第二反射镜的形状为圆形，其直径范围为10?60mm。
3.根据权利要求2所述的激光器，其特征是，所述的第一反射镜为凹球面全反镜；第二反射镜为中心开有输出孔的凹球面全反镜或平面全反镜；透射式输出窗封接于该孔的外侧。
4.根据权利要求1所述的激光器，其特征是，所述的放电管为玻璃材料，也可由石英或陶瓷材料制成。
5.根据权利要求1所述的激光器，其特征是，所述的透射式输出窗材料为硒化锌、砷化镓或氯化钠，其表面可以进行镀膜处理。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的激光器，其特征是，所述的第一电极和第二电极为环状电极，施加的激励源为直流、交流或射频电源，第一电极和第二电极分别位于放电管两端的内侧，当激励源为射频电源时，第一电极和第二电极分别位于放电管的内侧或外侧。
7.根据权利要求6所述的激光器，其特征是，所述的放电管的长度小于等于3000_。
【文档编号】H01S3/08GK203674548SQ201320888570
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】丁健君 申请人:丁健君