陶瓷板条、自由空间和波导激光器的制作方法

分案申请信息

本发明专利申请是申请日为2012年2月21日，申请号为201280010384.4、发明名称为“陶瓷板条、自由空间和波导激光器”的发明专利申请案的分案申请。

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2011年2月24日申请的第13/034,205号美国专利申请案的优先权，所述申请案的整个揭示内容以引用方式并入本文中。

本发明大体上涉及激光器，且更确切地说涉及单片陶瓷芯自由空间板条和波导板条激光器。

背景技术：

二氧化碳(co2)激光器通常在约10.6μm的波长下的红外线光谱中产生激光，并且可以用于许多商业、医疗和军事应用(举例来说，包含雕刻、切割等)。根据一种二氧化碳激光器的常规设计，产生、限制和冷却形成于铝电极之间的等离子体的铝电极容纳在真空封围物内，也由铝构成。这种设计需要谐振器线圈在真空密闭的充有气体的封围物中，并且一般因为有许多部件而比较复杂。这种设计还必须要有一个或一个以上电馈通件以便连接到电极和向等离子体提供电力，同时维持真空密封。这些馈通件带来了激光器中的一个弱点，因为这些馈通件往往会变烫，这归因于射频(rf)的集肤效应。另一种二氧化碳激光器的已知设计是采用陶瓷镗孔，这个陶瓷镗孔充当光波导和/或激光辐射的自由空间传播路径，并且还限制激发二氧化碳气体的放电。在任一情况下，因为光束在不同程度上与镗孔壁相互作用(取决于镗孔大小)，所以镗孔的形状和光学饰面对于激光器的性能来说非常关键。必须通过将激光器空腔折叠成多个串行光束路径以实现较高电力输出来增加增益长度，但是用于适应所需要的这些多个路径和多个反射镜的陶瓷研磨的复杂度变得成问题。

技术实现要素：

本发明可包括所附权利要求书中陈述的特征中的一者或一者以上和/或以下特征中的一者或一者以上及其组合。

在一个实施例中，一种激光器可包括：陶瓷主体，其包含第一壁和与所述第一壁相对的第二壁；第一反射镜，其定位在所述第一和第二壁的第一末端处；第二反射镜，其定位在第一和第二壁的与所述第一末端相对的第二末端处，所述第一和第二壁和所述第一和第二反射镜在所述陶瓷主体内界定板条激光器空腔。所述激光器可进一步包括：第一电极，其定位在所述激光器空腔外部，并且邻近于所述陶瓷主体的所述第一壁；以及第二电极，其定位在所述激光器空腔外部，并且邻近于所述陶瓷主体的所述第二壁，其中当将激发信号施加到所述第一和第二电极时，安置在所述板条激光器空腔中的激光器气体被激发。在一些实施例中，所述第一和第二反射镜可在所述板条激光器空腔中形成自由空间多重折叠谐振器。在其它实施例中，所述第一和第二反射镜可在所述板条激光器空腔形成自由空间不稳定谐振器。在另外其它实施例中，所述第一和第二反射镜可在所述板条激光器空腔中形成波导不稳定谐振器。

所述板条激光器空腔可沿在所述第一和第二反射镜之间延伸的纵向轴线具有大体上矩形的横截面。所述板条激光器空腔的第一横向尺寸可能至少是所述板条激光器空腔的第二横向尺寸的两倍大，所述第一横向尺寸平行于所述陶瓷主体的所述第一和第二壁，并且所述第二横向尺寸垂直于所述陶瓷主体的所述第一和第二壁。所述板条激光器空腔的所述第二横向尺寸可至少与通过所述第一和第二反射镜形成的自由空间谐振器的基谐模式的直径一样大。或者，所述板条激光器空腔的所述第二横向尺寸可以充当波导，并且具有大约小于或等于大约0.3的菲涅耳数。

所述陶瓷主体可包括氧化铝。所述第一和第二反射镜中的至少一者至少部分地上覆于在所述陶瓷主体中形成的埋头孔上。所述第一反射镜可以通过耦合到所述陶瓷主体的第一反射镜支架来支撑，所述第二反射镜通过耦合到所述陶瓷主体的第二反射镜支架来支撑，且所述陶瓷主体和所述第一和第二反射镜支架可形成容纳所述激光器气体的气密封围物。

所述陶瓷主体可进一步包含形成于其中的第一气体储集器，所述第一气体储集器经由在其间延伸的一个或一个以上气体连通狭槽与所述板条激光器空腔气体连通。所述一个或一个以上气体连通狭槽可沿所述板条激光器空腔的在所述陶瓷主体的所述第一和第二壁之间延伸的一侧布置。所述一个或一个以上气体连通狭槽可占据所述板条激光器空腔的所述侧的区域的至少一半。所述陶瓷主体可进一步包含形成于其中的第二气体储集器，所述第二气体储集器经由在其间延伸的一个或一个以上气体连通狭槽与所述板条激光器空腔气体连通。所述第一和第二气体储集器可定位在所述板条激光器空腔的相对侧上。

所述第一电极可至少部分地收纳在形成于所述陶瓷主体的外部表面中的第一狭槽中，并且所述第二电极可至少部分地收纳在形成于所述陶瓷主体的外部表面中的第二狭槽中。所述第一和第二电极可经定位以使得当将所述激发信号施加到所述第一和第二电极时，所述激光器气体的邻近于所述第一和第二反射镜的部分不被激发。

所述激光器可进一步包括热耦合到所述第一电极的第一散热片。所述第一散热片可固定在离所述第一电极预定距离处，与所述陶瓷主体的温度无关。所述激光器可进一步包括热耦合到所述第二电极的第二散热片，和连接所述第一和第二散热片的隔片。所述隔片可能是由一种材料形成，所述材料具有基本上与所述陶瓷主体的热膨胀系数和所述第一和第二电极的热膨胀系数两者匹配的热膨胀系数。

所述激光器可进一步包括用于激励所述第一和第二电极的rf电力电路。所述rf电力电路可包含邻近于所述陶瓷主体而定位并且并联地电耦合在所述第一和第二电极之间的多个谐振线圈。

所述第一和第二反射镜可形成不稳定负支谐振器。所述第一和第二反射镜可形成不稳定正支谐振器。所述第一和第二反射镜可形成稳定谐振器，其经配置以具有不超过大约20％的光束重叠。所述第一和第二反射镜中的至少一者可包括分段反射镜，所述分段反射镜具有以不同的角度定向的多个平面反射表面，使得所述光束重叠为大约0％。

在另一实施例中，一种激光器可包括：气密电介质封围物，其包含激光器气体，所述气密电介质封围物在其中界定自由空间板条激光器空腔；多个反射镜，其在所述自由空间板条激光器空腔中形成稳定多重折叠谐振器；以及多个电极，其定位在所述气密电介质封围物外部，使得当将激发信号施加到所述多个电极时，容纳在所述自由空间板条激光器空腔中的所述激光器气体被激发。

在又一实施例中，一种激光器可包括：气密电介质封围物，其容纳激光器气体，所述气密电介质封围物在其中界定自由空间板条激光器空腔；多个反射镜，其在所述自由空间板条激光器空腔中形成不稳定谐振器；以及多个电极，其定位在所述气密电介质封围物外部，使得当将激发信号施加到所述多个电极时，容纳在所述自由空间板条激光器空腔中的所述激光器气体被激发。在一些实施例中，所述多个反射镜可形成不稳定负支谐振器。在其它实施例中，所述多个反射镜可形成不稳定正支谐振器。

在又一实施例中，一种激光器可包括：气密电介质封围物，其包含激光器气体，所述气密电介质封围物在其中界定波导板条激光器空腔；多个反射镜，其在所述波导板条激光器空腔中形成不稳定谐振器；以及多个电极，其定位在所述气密电介质封围物外部，使得当将激发信号施加到所述多个电极时，容纳在所述波导板条激光器空腔中的所述激光器气体被激发。在一些实施例中，所述多个反射镜可形成不稳定负支谐振器。在其它实施例中，所述多个反射镜可形成不稳定正支谐振器。

附图说明

图1是根据一个说明性实施例的陶瓷自由空间多重折叠激光器的若干组件的分解视图。

图2是可以与图1的激光器一起使用的自由空间谐振器的一个说明性实施例的图。

图3是可以与图1的激光器一起使用的自由空间或波导谐振器的一个说明性实施例的图。

图4是可以与图1的激光器一起使用的自由空间或波导谐振器的另一说明性实施例的图。

图5是根据一个说明性实施例的经组装的激光器的示意图。

图6是图5的激光器的若干组件的部分分解视图。

图7是沿线7-7截取的图5的激光器的若干组件的横截面图。

具体实施方式

为了促进理解本发明的原理，现在将参考附图中展示的说明性实施例，并且将使用特定的语言来描述这些说明性实施例。

图1和5-7的图中展示了根据本发明的激光器10的一个说明性实施例。激光器10被说明性地体现为陶瓷自由空间多重折叠激光器。虽然出于说明的目的在图1和5-7中展示了自由空间多重折叠激光器，但是本发明还预期激光器10体现为陶瓷自由空间不稳定激光器或陶瓷波导不稳定激光器。激光器10大体上包含陶瓷主体12，陶瓷主体12界定一板条激光器空腔14、多个反射镜16、18、20(其形成板条激光器空腔14中的谐振器22)和多个电极24、26，所述电极定位在陶瓷主体12外部(并且因此在板条激光器空腔14外部)。根据本发明，板条激光器空腔14可以是自由空间(即，非波导)板条激光器空腔或波导板条激光器空腔。可以参看激光器10的菲涅耳数来理解自由空间板条激光器空腔和波导板条激光器空腔两者。可以大体上通过公式nf＝a²/(λl)来给定激光器的菲涅耳数，其中a是谐振器孔径的一半，λ是激光束的波长，并且l是谐振器长度。小于大约0.3的菲涅耳数可以大体上界定真实的波导激光器空腔。大于大约3的菲涅耳数可以大体上界定自由空间激光器空腔，其中在光束与激光器空腔壁之间存在极少的相互作用或没有相互作用。大约0.3与大约1.5之间的菲涅耳数描述了在光束与激光器空腔壁之间的不同程度的相互作用的准自由空间激光器空腔。根据所述说明性实施例，激光器10可以具有大于大约1的菲涅耳数。在其它实施例中，激光器10可以具有小于大约0.3的菲涅耳数。

现在参看图1，激光器10的说明性实施例包含一陶瓷主体12、一对电极24、26和一对反射镜支架28、30。激光器10的陶瓷主体12被说明性地体现为由两个镜像组件形成：左侧组件12a和右侧组件12b。应了解，在其它实施例中，陶瓷主体12可以形成一体式组件或可以包括三个或三个以上的组件。在一些实施例中，陶瓷主体12还可以是非对称的。在说明性实施例中，陶瓷主体12包括纯度在95％与99.9％之间的氧化铝(al2o3)。在其它实施例中，陶瓷主体12可以由氧化铍(beo)、氮化铝(aln)、某些类型的玻璃和/或玻璃陶瓷或任何具有类似电机械和热性质的材料，或其组合形成。还预期陶瓷主体12可以由其它合适的电介质材料(包括非陶瓷)形成。

在图1的说明性实施例中，陶瓷主体12的内部界定具有大体上矩形的横截面的自由空间板条激光器空腔14。板条激光器空腔14部分上是由陶瓷主体12的两个相对的壁32和由两个相对的壁34(参见图7)界定。相对的壁34可能大多数缺失，只有偶然的支撑件，或者可包含较大数目的支撑件(如图1中所示)。在说明性实施例中，平行于壁32的板条激光器空腔14的尺寸超过平行于壁34的尺寸的两倍。在说明性实施例中，所述两个尺寸(沿壁32和沿壁34)还至少与谐振器22的基谐模式的直径一样大，从而使得壁32、34实质上不干扰行进通过板条激光器空腔14的激光器光束(即，自由空间谐振器)。在波导谐振器的替代实施例中，壁32、34可以在波导方向上分开既定光束宽度的大约1.4倍。

在图1和7中可以看到，陶瓷主体12的内部还形成为包含一对气体储集器36、38。气体储集器36、38经由在陶瓷主体12的相对的壁34中形成的多个气体连通狭槽40或敞开区域与板条激光器空腔14气体(即，流体)连通。在相对的壁34中形成的气体连通狭槽40的大小和数目可以在仅一个较大狭槽40(即，几乎开放的壁34)与许多较小狭槽40之间变化。在说明性实施例中，气体储集器36中的一者邻近于一个壁34，而另一气体储集器38邻近于相对的壁34。陶瓷主体12还可形成为包含埋头孔42，如图1和6中所示。埋头孔42位于板条激光器空腔14的末端，并且界定从反射镜16、18、20后退的板条激光器空腔14的凹入边缘入口。这种后退有助于过滤掉较高阶模式结构。因为不合需要，所以在埋头孔42的凹入入口边缘上撇去了快速发散模式，所述快速发散模式与所要的基谐模式竞争的机率降低。在其它实施例中，图1和6中说明性地展示的埋头孔42可采用其它形式，这取决于所采用的谐振器的类型。

激光器10的说明性实施例还包含多个反射镜16、18、20。两个反射镜16、20通过反射镜支架28来支撑，所述反射镜支架定位在板条激光器空腔14的前端处。另一反射镜18通过反射镜支架30来支撑，所述反射镜支架定位在板条激光器空腔14的后端处。反射镜支架28、30被密封到陶瓷主体12，从而形成气密的或真空密封的封围物。在说明性实施例中，反射镜支架28、30使用环氧树脂耦合到陶瓷主体。应了解，也可通过各种其它方法提供气密密封，所述方法包含(但不限于)铜焊、焊接、玻璃烧结等等，并且陶瓷主体12的组件12a、12b可以使用类似方法彼此粘附。还预期反射镜16、18、20中的一者或一者以上可以直接粘附到陶瓷主体12，而不使用反射镜支架。还将了解，在采用自由空间或波导不稳定谐振器的实施例中，反射镜20可以是没有反射表面的窗口。

通过陶瓷主体12和反射镜支架28、30形成的气密封围物被填充有激光器气体，举例来说例如co2。激光器气体可以是足以在被激发时在板条激光器空腔14中产生增益介质的任何气体混合物(多种元素和/或多种分子)。在一些实施例中，所述增益可以通过使用同位素来促进除了10.6μm左右的波长之外的波长，并且可能并不是基于co2，而是基于另一分子(举例来说，比如co)。在说明性实施例中，陶瓷主体12被完全氧化，并且因而将不与激光器气体反应。另外，因为陶瓷主体12不具有内部部件，所以不存在因为两个表面之间的紧密接近而形成的虚拟泄漏(类似于现有技术激光器中发现的电极的夹层与绝缘体之间的泄漏)。在表面不接触的情况下，这些表面在加热和冷却时其间不存在擦刷，从而导致气体污染和恶化问题。此外，说明性实施例的氧化铝主体12允许不需要rf馈通进行rf电力的耦合。最后，可以将陶瓷主体12清洁到比铝高得多的标准(提供更长的激光器寿命)，并且可以将氧化铝芯主体完全回收成类似于新的状况(从而在几年后单元报废且被回收到工厂时提供产品成本优点)。

说明性实施例的反射镜16-20在板条激光器空腔14中共同形成自由空间多重折叠谐振器22。“多重折叠”谐振器是其中激光束在至少三个不同的但部分重叠的路径上在多个反射镜(例如，反射镜16-20)之间来回行进的谐振器。说明性实施例的激光器10采用具有五个不同的激光束路径的多重折叠稳定谐振器22。图2中展示了增益介质44(即，板条激光器空腔14内的激发的激光器气体)内的这个光束图案的表示。在谐振器22的此实施例中，后反射镜18以球面波前光束直径呈球面地弯曲，并且正面反射镜16、20是扁平的，且具有平波前光束直径。通过在反射镜18与输出耦合反射镜20之间形成的最终光束路径来确定光束特性。然而，另外四个光束路径全部是复制品，因为每一光束路径形成于一个末端处的扁平反射镜16与另一个末端处的相同弯曲反射镜18之间。这五个光束路径之间的总间距主要是由反射镜16与反射镜20之间的角度来确定。在说明性实施例中，这个角度经设置以使得反射46的光束重叠不超过大约20％。“光束重叠”可以被界定为反射镜中的一者处的不同的激光束路径(例如，图2中的反射镜18上的光束反射46)之间的相交量，其被表达成光束直径的百分比。大于20％的光束重叠可能导致光束路径之间的竞争，并且模式可能受到影响。如图2中所示，从第一光束反射之后的每一后续光束反射46更靠近上一次光束反射地撞击反射镜18。换句话说，随着光束反射的数目增加，后来的光束反射46变得在反射镜18上更加重叠。出于此原因，说明性实施例使用五个光束路径的配置(在反射镜18上有三个反射46)以避免光束路径之间的过度竞争，因为这种竞争可能导致混乱的模式和较差的功率。

在其它实施例中，反射镜16可以被具有以不同的角度定向的多个平面反射表面的经金刚石切削的分段反射镜取代。这种分段反射镜16可以重新引导每一光束路径，以便将反射镜18上的光束反射46隔开。由于反射镜16上的点的这种较好的分离和较小直径，所以不存在光束重叠(即，光束重叠大约为0％)，并且可以容易地选出反射镜20处的最后一个光束反射。然而，在阻止了光束之间的竞争的同时，反射镜18、20上的光束反射的增加的数目可能导致呈吸收形式的所得反射损耗。分段反射镜几何形状可以允许形成超过五个光束。

谐振器22可以替代地体现为自由空间不稳定谐振器22，如图3和4中所示。这些说明性实施例的谐振器22在板条宽度(即，沿陶瓷主体12的壁32的尺寸)的轴线中是不稳定的，并且在板条厚度(即，沿陶瓷主体12的壁34的尺寸)的轴线上是稳定的。在不稳定的轴线中，光束往往会跨越谐振器22几何地扩大，直到其跨越反射镜16的边缘从空腔耦合出为止。在稳定的轴线中，光束遵循标准高斯光束传播定律在反射镜16与反射镜18之间传播。图3中展示“负支“配置，其中在不稳定方向上反射镜16、18两者都是凹面的。图4中展示“正支”配置，其中反射镜16是凸面的，并且反射镜18是凹面的。在这两个实施例中，两个反射镜16、18的半径的比率界定除了1:1之外的比率，以使得保证一部分光逸出。此比率与谐振器22的输出耦合百分比是等效的。不稳定谐振器22的这两个实施例均使用具有非球面表面(即一个方向上的半径不同于另一垂直方向上的半径)的反射镜16、18。

在另外其它实施例中，谐振器22可以替代地体现为波导不稳定谐振器22，也如图3和4中所示。自由空间谐振器实施例与波导谐振器实施例之间的主要差异在于，在板条厚度的轴线上(即，平行于陶瓷主体12的壁34的尺寸)，壁32之间的间距靠近得多，从而允许在所述方向上通过板条激光器空腔14的壁32来导引谐振光子。在不稳定轴线中，与自由空间谐振器实施例中一样，光束跨越反射镜16的边缘从板条激光器空腔14耦合出。采用波导不稳定谐振器22的激光器10的实施例具有优于自由空间谐振器实施例的气体冷却优点，因为冷的波导壁32与等离子体的中心靠近得多。这类实施例的更好的散热和更高的增益允许更大功率提取。

现在返回图1，激光器10还包含多个电极24、26，其定位在板条激光器空腔14外部，并且邻近于陶瓷主体12的壁32。在将激发信号施加到电极24、26时，安置在板条激光器空腔14中的激光器气体将被激发。在说明性实施例中，电极24、26各自被收纳在形成在陶瓷主体12的外部表面中的细长狭槽48中。当将rf激发信号被施加到电极24、26时，板条激光器空腔14中的激光器气体被激发，并且通过电容耦合而产生等离子体增益介质44。虽然在说明性实施例中电极24、26被展示为细长电极，但是预期电极24、26可以具有不同几何形式，可以是分段的，并且可能是扁平的，或者与陶瓷主体12的壁32有一角度。

使用在陶瓷主体12外部的电极24、26带来许多优点。举例来说，在说明性实施例中，rf能量通过陶瓷主体12的壁32耦合到板条激光器空腔14中，从而不再需要馈通，并且允许热量更有效率地从等离子体耦合离开。在其它实施例中，可以使用不同几何形式的电极来激发板条激光器空腔14中的激光器气体的仅某些部分。在其它实施例中，可能单独地激发多个片段电极中的单个片段。此外，使用外部电极24、26允许直到反射镜16、18的表面的连续波导，而不需要激发激光器气体的直接邻近于反射镜16、18的部分。众所周知，波导的末端与反射镜之间的间隙可能会给激光器带来损耗；间隙越大，损耗越高。另一方面，必须在被激发的等离子体与反射镜之间维持一段距离，以避免损害反射镜表面。使用外部电极24、26保护了反射镜16、18免受等离子体影响，但是仍然允许陶瓷主体12向反射镜16、18引导激光器辐射，并且在波导表面中没有任何中断。

现在大体上参看图5-7，激光器10还包含用于激励电极24、26的rf电力电路。rf电力电路包含一射频电力放大器(rfpa)50和多个谐振线圈52，以及其它组件。在说明性实施例中，谐振线圈52定位成邻近于陶瓷主体12，并且在电极24、26之间并联地电耦合。电极24、26电耦合到谐振线圈52，以提供被rfpa50驱动的lc谐振电路。铜条带54用于将电极24、26连接到谐振线圈52。这些铜条带54也构成了电路的一部分电感。lc电路的电容是由两个电极24、26之间的电容和每一电极24、26与对应散热片56(下文更详细描述)之间的电容两者组成。图7中展示谐振线圈52与电极24、26之间的电路径(包含散热片56)的横截面。电极24、26之间的间隙(包含板条激光器空腔14)产生极其低的电容。为了减少与谐振线圈52连接的总电容，电极24、26可以在两侧浮动。rfpa50可以用推拉驱动配置或单侧驱动配置而连接到激光器谐振电路。如图7中所示，两个散热片56经由其整个长度上方的板58彼此电耦合，以便将lc电路的散热片部分的电感减到最小，并且提供可能的最佳屏蔽。因为包含电极24、26和谐振线圈52的所述电路是rf能量的发射器，所以激光器10的散热片56和其它封围物同时成为rf电路的屏蔽物和一部分。

如上文所提及，激光器10还可包含一个或一个以上热耗散或热传递装置56，以防止激光器10中的过高温度。举例来说，在一些实施例中，可以使用水冷却板或水冷却电极。在说明性实施例中，陶瓷主体12大体上夹在两个散热片56之间。每一散热片56热耦合到电极24、26中的一者，以从所述电极吸收热量，并且间接地从陶瓷主体12中的板条激光器空腔14吸收热量。在散热片56与相应电极24、26之间，使用薄材料60将电极24、26与散热片56电隔离，并且同时将热量热传导到散热片56。在说明性实施例中，薄材料60包括加载有氧化铝并且固化成类似于软橡胶材料的厚膏。还预期可以将薄陶瓷条用于薄材料60。薄材料60还可放置于电极24、26与陶瓷主体12之间，以填充可能存在的任何气隙并且促进热传导。在任何情况下，薄材料60将具有高介电常数(例如，在8或9的范围内，其中氧化铝主体12具有介电常数10)。薄材料60的高介电常数致使电极24、26中的一者与散热片56之间的电容比电极24、26之间的电容高得多。

为了避免超出与rfpa50的最佳频率匹配的对谐振的不受控调谐，激光器10的电容应保持恒定。因为每一电极24、26与散热片56对之间的电容对于间距非常敏感，所以激光器10被设计成将散热片56维持在离相应电极24、26预定距离处，而与陶瓷主体12的温度(在激光器10的操作温度范围内)无关。在说明性实施例中，通过隔片62维持两个散热片56之间的间距，隔片62是由一种与陶瓷主体12和电极24、26的热膨胀系数紧密匹配的材料制成。这些隔片62还支撑陶瓷主体12，并且维持每一电极24、26与其邻近散热片56之间的紧密间距。隔片62可由若干可能材料形成，包含(但不限于)钛或7075-t6铝，这取决于所使用的特定陶瓷主体12和电极24、26。在其它实施例中，可以将陶瓷主体12的隅角钻穿(以避开气体储集器36、38的方式)以允许安装带螺纹的插入物。在这些实施例中，陶瓷主体12自身在随改变的温度膨胀和收缩时变成了隔片62。

虽然已在前述图式和描述中详细说明和描述了本发明，但应认为所述图式和描述本质上是说明性而非限制性的，应理解，已经展示和描述了本发明的仅说明性实施例，并且期望所有属于本发明的精神内的变化和修改受到保护。