专利名称：集束式超大功率二氧化碳激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种集束式超大功率优良模式CO2激光器，属于激光应用技术领域。
波长为10．6μm的CO2激光具有良好的水吸收特性和自由空间穿透性，尤其是作用于生物体组织，能够产生良好的生物医学效应。因此CO2激光器的研制和应用倍受重视，发展很快。自七十年代初以来，CO2激光器经历了直流激励的封离型、快速轴流型、快速横流型等三代，以及改进的快速轴流型准第四代，目前已发展到了射频激励扩散型冷却的第四代，激光器体积大大缩小，模式质量大幅提高，标志性m2值达到了1．1至1．3，真正实现了功率大、模式质量高的完美统一。但是，国内第四代CO2激光器尚处研究阶段，而进口产品价格昂贵，单支100W射频激励CO2激光器售价2万多美元，而1000W的则需30多万美元，很多临床、工程及实验的推广应用因此受阻。国内的第二、三、准四代产品由于体积庞大，外设复杂，振动噪声大等问题，也还不适合在上述场合应用。
本实用新型的目的是依据国内CO2激光的研制和生产水平，在已形成批量生产能力的第一代国产的直流激励封离型激光器的基础上，采用通常的稳频、锁模等技术改善单支激光器的性能指标，采用独特的多激光束汇聚、缩束等合成技术(非线性和几何光学处理技术)提高合成激光束质量，以低廉的成本使“合成”激光束质量接近准四代的指标。
本实用新型采用的具体技术方案是一．采用若干支激光器排列成密排正六方阵列(1)。对该阵列可用“行”和“环”两种方法加以描述“行”描述法。激光器分组排成行，行与行相互平行密排，设有一中心组，其他各组对称分列其两边，对称位置上的组数目相等。当中心组采用三支时，在其两边对称排列各一组两支，阵列可表示为“232”，阵列共有7支激光器组成；中心组为5支的阵列分5组可表示为“34543“，共有19支激光器；……依次类推，中心组为N支的阵列分N组，共有N2-2(1+2+…(N-1)／2)支。例如，中心组为7支的阵列分7组，可表示为“4567654”，共有72-2(1+2+3)=37支激光器。
“环”描述法。激光器分组排成环，环与环密排，第一层仅有一支激光器，称中心激光器；第二层有(2-1)·6=6支激光器，紧密围绕中心激光器排成正六方形，每边有2支；第三层有(3-1)·6=12支激光器，紧密围绕第二层排成正六方形，每边有3支…依此类推，第M层有(M-1)·6支，每边有M支，共有1+6+12+…+(M-1)·6支。例如，四层的阵列第四层有(4-1)·6=18支，每边有4支，四层共有1+6+12+18=37支。由于正六方形具有的对称性和周期性，我们可以只分析说明十二分之一的一角。
排成阵列的激光器互相平行，朝一个方向(前方)平行地但分散地发射激光束。
二．在激光器阵列前方设有汇聚反射镜阵列除中心激光器发射的中心激光束直行不需反射外，为其余每个激光器配备一对反射镜，其中一组外围反射镜，呈45°，把分散的激光束各向中心折射90°，另一组中央反射镜，也呈45°，把外围反射镜折射来的激光束再折射90°至与中心激光束平行并与其紧密靠拢，成为大口径合成激光束，仍呈正六边形排列。为避免各反射镜遮挡其他激光束，汇聚反射镜应前后错开排列每一层有6支或12支激光器和激光束处于以中心激光器中心为圆心的同一半径R上，是同位的、其汇聚反射镜应排在垂直于光轴的同一平面内；处于不同半径R的、不同位的激光器和激光束，其汇聚反射镜则应在不同的平面内，错开的距离应不小于反射镜的高度。
三．在大口径合成激光束前进的路径上设有一反射镜，把合成激光束折射到需要的方向，仍呈正六边形排列。
四．折射后的大口径合成激光束由缩束透镜组缩成小口径高光强的合成激光束，以便进一步传送到需要的地点，聚焦后得到足够大的焦深。
五．缩束后的合成激光束由聚焦透镜聚焦，形成规定焦长、焦深和光斑口径的超大功率的激光工作区。
本实用新型的优点非常明显1．成本低廉，与相同功率的快速轴流、快速横流工业用CO2激光器相比，仅为其成本的三分之一，与射频激励的相比，则不到其六分之一；2．激光功率大，模式优良，“合成”激光束的质量接近准四代的水平；3．性能价格比高，适合我国及其他发展中国家的国情，便于推广应用；4．整体结构科学合理，体积小，重量轻，无机械振动噪声，对其他仪器设备无光、电、磁干扰，无废气废物，不污染环境，不需要特殊电源，非常适合医院手术室，科研单位实验室等特殊场合应用。
以下结合附图
一所示由19支激光器组成的集束式超大功率激光器的实施例进一步说明该技术方案附图一为本实用新型的原理结构示意图。
一．从附图一可见，该集束式超大功率激光器由19支激光器密排成正六方形阵列(1)，共五组，中心组有5支紧密排成一行，另各有两组分别有4支和3支，对称地排列在其两旁，可描述为“34543”阵列；也可描述为共有3环，第一层为中心激光器，第二层6支，分布半径R1，第三层12支，分布半径R2、R3。19支激光器相互平行，朝一个方向(前方)平行地但分散地发射出19条激光束(2)。
二．在激光器阵列(1)的前方，设有18对外围反射镜(3)和中央反射镜(4)组成的汇聚反射镜阵列，从A-O-B剖面可见除中心激光器发射的中心激光束直行外，每个激光器发射的激光束先由各自的外围反射镜(3)向中心折转90°，再由各自的中央反射镜(4)折转90°至与中心激光束平行并互相靠拢成为大口径合成激光束；对应于相同半径R的同位激光器的6对外围反射镜和中央反射镜分布在垂直于光轴的同一平面内；对应于不同半径R1、R2、R3的汇聚反射镜分布在前后错开足够距离不互相遮挡的三个平面内。从俯视图可见，经汇聚后的大口径合成激光束仍按“34543”或“3环”排成密集的正六方形阵列，光强基本未变。
三．由一个大反射镜(5)把大口径合成激光束折射到需要的方向、口径、形状和光强基本未变。
四．由一个凸透镜与一个凹透镜组成缩束透镜组(6)，对合成激光束进行缩束，缩小其口径，提高其光强，不改变阵列形状。
五．由聚焦透镜(7)对小口径高光强的合成激光束来进行聚焦，形成规定焦长、焦深及光斑口径的超大功率的激光工作区。
权利要求1.一种集束式超大功率激光器，其特征在于采用多支激光器(7、19、37、61…)按多行方式排成正六方形阵列，各激光器相互平行，朝一个上方方向平行但分散地发射多束激光束；在激光器阵列前方，设汇聚反射镜阵列，将分散的激光束汇聚成大口径密集正六方形阵列的合成激光束；由缩束透镜缩小合成激光束的口径；由聚焦透镜把缩束后的小口径合成激光束聚焦成规定焦长、焦深和光斑口径的工作区。
2.根据权利要求1所述的超大功率激光器，其特征在于多支激光器(7、19、37、61…)按多组形成三组232、五组34543、七组4567654、九组567898765排成正六方形阵列，对N组的阵列，其中心组有N支，两面对称向外递减。
3.根据权利要求1所述的超大功率激光器，其特征在于中心组激光器发出的每束激光各经一面45°中心反射镜折转90°，经一次反射成为合成激光束的中心组，为其余各组激光器配有一对外围反射镜和中央反射镜，外围反射镜(3)把激光束向中心折转90°，中央反射镜再折转90°至与中心组激光束相平行，经二次反射成为合成激光束的外围组，合成激光束密排为正六方形阵列。对应采用7、19、37、61…支激光器，汇聚反射镜阵列的反射镜面数目分别为11、33、67、113…。
4.根据权利要求1所述的超大功率激光器，其特征在于它包括一片凸透镜和一片凹透镜，对大口径合成激光束进行缩束。
专利摘要本实用新型涉及一种集束式超大功率二氧化碳激光器,采用多支激光器按多排或多环方式排成正六方形密封阵列,各激光器相互平行,朝一个方向平行地发射多束激光束;在激光器阵列前方,设汇聚反射镜阵列,将分散的激光束汇聚成大口径密集的合成激光束;由大反射镜把合成激光束折射到需要的方向;这种激光脉冲质量优良,能够达到诸如心外科手术、机械加工、深孔打孔及特殊的实验室应用。
文档编号H01S3/23GK2413412SQ9925776
公开日2001年1月3日 申请日期1999年12月27日 优先权日1999年12月27日
发明者张志远, 宋永成, 邬江兴, 邓珂, 吴明营 申请人:国家数字交换系统工程技术研究中心