專利名稱：中空圓臺諧振腔氣體激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學和光學工程領域，主要是由中空圓臺諧振腔來獲得一 種特殊形狀的激光光束的氣體激光的方法及裝置。
背景技術：
激光光束的空間形狀通常有實心光束和空心光束之分。它們在各自的 應用領域發(fā)揮重要作用?？招墓馐膶崿F(xiàn)可以通過實心光束變換獲得。氣體激光光束質(zhì)量 好，方向性穩(wěn)定。專利ZL2007100483280構建和提供了一種可直接產(chǎn)生中空激光光束的氣 體激光器。該發(fā)明簡單可行。不過，該發(fā)明的激光器的輸出光束的腰斑恰好位于輸出鏡位 置，要想獲得大功率的激光，對輸出鏡材質(zhì)的選取以及冷卻處理，必須重點考慮。并且由于 該激光器輸出光束的腰斑位于輸出鏡位置，此處功率密度分布最大，在使用過程中，由于樣 品放置與輸出鏡鏡面必須保持一定的距離以保證輸出鏡不會被濺射污染，因此該激光器輸 出功率密度分布最大的地方不能的被有效利用。第三就是該激光器的輸出光束需要經(jīng)過聚 焦才可以獲得包括極小尺寸在內(nèi)的各種尺寸的中空激光光束。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對專利ZL2007100483280發(fā)明的更具有普適性的的方法及 裝置，目的在于構建和提供一種產(chǎn)生特殊空間形狀激光光束的氣體激光器，該激光器輸出 的光束隨著傳輸距離的增加，從空心光束演化為實心光束，再演化為空心光束。通過合理 設置諧振腔，兩臺該激光器的輸出光束還可以實現(xiàn)空鼓形狀激光區(qū)域。本發(fā)明不但繼承了 ZL2007100483280直接產(chǎn)生中空光束以及氣體激光光束質(zhì)量好，方向性穩(wěn)定的優(yōu)點，而且克 服了它的輸出光束從輸出鏡位置開始發(fā)散的缺點。本發(fā)明由于采用旋轉對稱圓環(huán)部分反射 輸出鏡，且光束的腰斑位于腔外，有效的降低了輸出鏡的需要承受的功率密度，即使是高功 率情況，對輸出鏡的材質(zhì)的選取也容易實現(xiàn)，且輸出光束的最小光束半徑位置距離輸出鏡 足夠遠，使實驗樣品能有效利用光束的最大功率密度分布位置且不會濺污輸出鏡片。由于 該發(fā)明直接通過激光器在腔外實現(xiàn)和束，容易實現(xiàn)高功率輸出。發(fā)明可以實現(xiàn)中小功率激 光以及高功率激光，該發(fā)明實現(xiàn)的激光光束可以用于生物醫(yī)學、科學研究以及對材料的特 殊處理等方面。本發(fā)明的目的是由以下措施實現(xiàn)的中空圓臺氣體激光器的裝置按激光工作物 質(zhì)分為氦氖激光器或二氧化碳激光器，采用易于在異形放電區(qū)實現(xiàn)輝光放電的射頻放電方 式，激光器的特征在于其諧振腔是中空圓臺形諧振腔，諧振腔的底部為旋轉對稱凹面圓環(huán) 全反鏡，頂部為旋轉對稱凸面圓環(huán)部分反射輸出鏡，用兩頂角相等的中空圓臺形狀材料嵌 套形成的中空圓臺夾層為激光介質(zhì)區(qū)域，該凹鏡面以及凸鏡面關于圓臺形狀介質(zhì)區(qū)的中心 軸線旋轉對稱，諧振腔沿激光介質(zhì)區(qū)的中心對稱軸線的縱剖面內(nèi)的傳輸光線簇構成凹凸穩(wěn) 定腔，稱為中空圓臺形諧振腔的子腔，該子腔的腔軸和激光介質(zhì)區(qū)的中心對稱軸線相交，子 腔輸出光束的腰斑位置根據(jù)需要可以設置在輸出鏡距離子腔的對稱軸線與激光介質(zhì)區(qū)的 中心對稱軸線的交點之間、也可以與該交點重合或之外。因此，這種構建方法提供的激光器 與同樣放電區(qū)長度的一般氣體激光器相比具有增益區(qū)體積和輸出功率大很多(數(shù)量級的 增加)的優(yōu)點，由于輸出光束的腰斑位于輸出鏡外，在同樣輸出功率情況下，本發(fā)明的輸出 鏡比專利ZL2007100483280的輸出鏡單位面積需要承受的功率小很多(數(shù)量級的減小)，并 且由于輸出光束的腰斑位于輸出鏡外，有利于樣品有效利用光束最大功率密度分布位置，比專利ZL2007100483^0(輸出光束的腰斑位于輸出鏡上)更具有實用性。故可做成體積 較小而輸出較高的激光器裝置。且子腔的腰斑位置可以根據(jù)需要合理設置，從而實現(xiàn)光束 的空間分布出現(xiàn)空心光束到實心光束再到空心光束的演化。本發(fā)明的輸出光束小功率情形 可以用于激光生物醫(yī)學研究(實現(xiàn)光扳手、光鑷、光針灸等)、微電子以及激光教學實驗等 方面，大功率氦氖激光可以用于光動力學醫(yī)療，大功率二氧化碳激光可以用于材料的特殊 處理。氦氖激光器，放電管采用玻璃或石英管。二氧化碳激光器，其激光波長范圍從9. 2 到10. 8微米，放電管采用玻璃或石英管或其它絕緣材料，大型的二氧化碳激光器采用射頻 放電激勵方式或預電離激勵方式，工作方式是連續(xù)的，采用風機驅動工作氣體兼水冷散熱 方式，當對射頻電源進行調(diào)制而進行脈沖放電時，工作方式則是脈沖的。
圖1、2、3是中空圓臺型氣體激光器裝置結構立體圖、裝置的剖面圖、中 空圓臺形激光器沿軸縱剖面內(nèi)關于腔鏡的示意圖。在附圖1-3中，1是旋轉對稱凹面圓環(huán)形全反射鏡，2是內(nèi)電極，3是中空圓臺形放 電管，4是外電極，5是水冷套，6是旋轉對稱凸面圓環(huán)部分反射鏡，7是風機，8是射頻電源及 匹配網(wǎng)絡，9是儲氣管，1是相對于10旋轉對稱的凹面鏡，剖面內(nèi)該鏡的上、下部分之曲率中 心分別位于0n、012，曲率半徑為6是相對于軸10旋轉對稱的凸面鏡，剖面內(nèi)該鏡的上、下 部分之曲率中心分別位于021、O22,曲率半徑為r2，1是鏡1和鏡6之間的距離，即放電管的 長度。當用于氦氖激光器時，附圖1-2中，5和7是不需要的，故用于該激光器時，5和7被 取消。圖2中10為圓臺形氣體激光介質(zhì)區(qū)的對稱軸線，與圖3中的10 —致，11為圓臺形氣 體介質(zhì)區(qū)的中心圓錐面與縱剖面的交線，也是該縱剖面內(nèi)光線簇的軸線及諧振腔在該剖面 區(qū)的子腔腔軸，上、下子腔輸出光束的腰斑位置分別位于Oc^Otl2，軸10與軸11的交點為0。 Oc^O02可以設計為位于鏡6和交點0之間，也可以都與0點重合。θ為中心圓錐面的頂角， a為氣體介質(zhì)區(qū)的徑向寬度，1為介質(zhì)區(qū)的長度。當放電管3被抽成高真空后充入氣體激光 介質(zhì)，通過電極2和4的射頻放電來激勵介質(zhì)，沿如圖2所示任一剖面之軸線11傳輸?shù)淖?發(fā)輻射感應的受激輻射受到放大，并在該剖面受到反射鏡1和6的反復反射并建立振蕩，輸 出由鏡6的透射給出，當氣體介質(zhì)需冷卻時則由5和7執(zhí)行，當氣體介質(zhì)不需要冷卻時，則 不設5和7，此時5和7與放電管3的連通管道是被真空密封性阻塞的，儲氣管9可使激光 器有更多工作物質(zhì)而延長使用壽命。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做詳細描述。本發(fā)明的旋轉對稱凹面圓環(huán)形全反射鏡1采用圓形光學玻璃或石英塊作基底，對 He-Ne激光器和(X)2激光器適用，采用致密性很好的硬度較高的圓銅塊作基底，這對很高輸 出的CO2激光器是適用的，采用孔切割裝置將其中間的部分按環(huán)形鏡內(nèi)緣尺寸要求切割下 來，但中間這部分應和環(huán)形塊膠合在一起以便于磨制加工。研磨鏡面的磨具采用低碳鋼材 料由數(shù)控機床按設計加工，由于鏡面不具備單一曲率中心，故磨具也不具備單一曲率中心， 故設計和加工較困難一些，但是它的曲面具有嚴格的旋轉軸對稱特性，因此磨具的加工不 存在較大困難。磨具加工好后，對鏡的研磨過程仍應保持嚴格的旋轉軸對稱要求，鏡面研磨 拋光后再將膠合在中心的一塊取下，即可得到旋轉對稱曲面反射鏡，經(jīng)嚴格清洗并鍍?nèi)?膜后方可用于本發(fā)明器件上。本發(fā)明的凸面圓環(huán)部分反射鏡6，研磨過程與鏡1的研磨過程 一致，不同之處在于鏡6是凸面作為部分反射鏡反射面鍍部分反射膜，與凸面相對的另一
4面從迎著中心對稱軸線的方向看是錐形，該錐形的母線與剖面的凹凸腔的腔軸垂直。鏡6 基底的材質(zhì)，對于氦氖激光器可選用玻璃，對于二氧化碳激光，根據(jù)功率要求可選用鍺片或 硒化鋅等。本發(fā)明的中空圓臺形放電管3，對氦氖激光器則采用玻璃或石英熔化的液體注入 處于一定溫度的石墨模具內(nèi)再逐漸冷卻后制得。中空圓臺形放電管由內(nèi)外兩層圓臺形玻璃 或石英管構成，故石墨模具應為兩套。石墨強度較好，故能上車床較為精確地按設計加工， 精度可達0. 1毫米。當模具較長時，則可用幾塊石墨料分段加工后再組裝，模具內(nèi)外層均可 采用一定的輔助夾具。模具在使用后若精度不夠，則應修復或更換新的模具。本發(fā)明的中 空圓臺形放電管，對CO2激光器則采用鋁、銅或薄的不銹鋼材料制作，內(nèi)外兩中空圓臺形金 屬管則直接用作為兩放電電極。在本發(fā)明的激光器組裝過程中，本發(fā)明的中空圓臺形放電管3的內(nèi)外兩個圓臺面 的支撐和固定是通過采用專門支架來實現(xiàn)的。當為氦氖激光器時，兩玻璃或石英圓臺面的 底部和頂部均是研磨的，底部圓環(huán)鏡1的縱剖面為凹面，過該凹面的中點的直徑平行于圓 臺母線，頂部圓環(huán)鏡6的縱剖面反射面部分為凸面，過該凸面的中點的直徑平行于圓臺母 線。鏡1的背面研磨為平面，當鏡1和中空圓臺放電管膠合時，鏡1的背面平面垂直于中空 圓臺放電管的對稱軸線10。鏡6的背面研磨為錐面。該錐面的縱剖面為直線垂直于中空圓 臺放電管的母線。選擇一個兩面彼此平行且平面度較高的玻璃或石英圓環(huán)，圓環(huán)的內(nèi)緣半 徑比內(nèi)圓臺面底部的內(nèi)緣半徑略小，外緣半徑比外圓臺面底部的外緣半徑略大。將此圓環(huán) 置于一個不高的金屬支架的較平的頂部，再將內(nèi)外緣尺寸與圓臺形管底部尺寸相配而略可 松動的鏡1置于該環(huán)上，將較輕的電極置于內(nèi)層圓臺形玻璃或石英管的內(nèi)部，再將內(nèi)圓臺 形管的底部置于該圓環(huán)上并位于軸對稱曲面鏡內(nèi)緣之內(nèi)，再將外層圓臺面底部置于該圓環(huán) 上并套在鏡1的外緣，由于元件的加工確保了精度，故在光學校準儀器的適當監(jiān)測和通過 輔助手段對各元件適當調(diào)整后即可達到要求，然后再用真空密封膠將鏡1、內(nèi)外圓臺管和圓 環(huán)粘在一起，頂部的鏡6則在事先已和軸線一致的校準光束監(jiān)測下進行安裝和膠合。再將 外電極裝上。該激光器可在該支架立式工作，從頂部輸出，其優(yōu)點是裝配方便，光學元件受 力很小。也可在裝配完畢后橫放或倒立式工作，但是在橫放或倒立前應對支架作一定處理， 使其對內(nèi)外層圓臺形管有一定強度的輔助支撐，使其橫放或倒立后內(nèi)外層圓臺管及電極的 重力幾乎均由支架支持，此時激光輸出鏡從橫向或從下面輸出。當為二氧化碳激光器時， 由于內(nèi)外層圓臺形管為金屬管且同時作為電極，故管的強度很高，其支撐問題容易解決，裝 配前的準備和裝配過程與氦氖激光器的基本相同，值得注意的是在于兩電極之間的絕緣問 題，當用玻璃或石英基底軸對稱曲面鏡時，若鍍介質(zhì)膜則不存在問題，若鍍金屬膜，則應在 兩圓錐底部與全反射鏡連接之間有絕緣層，不過射頻電源的電壓都是較低的。激光器組裝好后，將放電管及連接部分均抽成高真空。對氦氖激光器當真空度達 10-6X133. 3Pa時，按Ne He = I 8的比例，充入混合氣壓強為0. 8 X 133. 3Pa，半反射 鏡對0. 6328微米波長光波的反射率為98%，全反射鏡反射率為99. 8%以上，對其施以射頻 放電，即可獲得輸出。對二氧化碳激光器，當真空度達10_3X 133. 3Pa時，按(X)2 N2 He =1 1.5 7. 5，總壓為10X133. 3Pa，半反射鏡對10. 6微米波長光波反射率為80%，全 反射鏡反射率為99%以上，對其施以射頻放電，即可獲得輸出。實施例放電管3采用300毫米長的中空臺形玻璃管，內(nèi)外層圓臺形管間間距a =4毫米，圓臺的頂角為2. 29度(0. 04弧度)，全反射鏡1為旋轉對稱凹面圓環(huán)形鏡，內(nèi)外緣 半徑分別為16毫米、20毫米，剖面凹面的曲率半徑為1100毫米，輸出鏡6為旋轉對稱凸面 圓環(huán)形部分輸出鏡，內(nèi)外緣半徑分別為10毫米、14毫米，剖面凸面的曲率半徑為900毫米， 剖面凹凸腔構成穩(wěn)定腔，鏡6輸出的光束波長632. 8納米，環(huán)形光束環(huán)寬0. 66毫米，環(huán)形光 束暗中心半徑11. 67毫米，環(huán)形光束外環(huán)半徑12. 33毫米，距離輸出鏡600毫米遠的環(huán)形光 束環(huán)寬0. 53毫米，環(huán)形光束暗中心半徑1. 73毫米，環(huán)形光束外環(huán)半徑2. 26毫米。中空圓臺形諧振腔氣體激光器，包括旋轉對稱凹面圓環(huán)形全反射鏡，中空圓臺形 放電管，旋轉對稱凸面圓環(huán)部分反射鏡，內(nèi)電極，外電極，儲氣管，風機，射頻電源及匹配網(wǎng) 絡，水冷套，參照圖1至圖2，旋轉對稱凹面圓環(huán)形全反射鏡1與中空圓臺形放電管3的底部 連接，凸面圓環(huán)部分反射鏡6與放電管3的頂部連接，內(nèi)電極2與放電管3內(nèi)側緊貼或由內(nèi) 層壁直接為內(nèi)電極(當為金屬材料時)外電極4與放電管外側緊貼或由外層壁直接為外電 極(當為金屬材料時)，儲氣管9與放電管相連接并環(huán)繞放電管，水冷套5環(huán)繞放電管，風機 7通過儲氣管與放電管連接，射頻電源及匹配網(wǎng)絡8與內(nèi)電極2和外電極4連接。其特征在 于放電管3是一個中空圓臺形放電管，其內(nèi)外壁是圓臺形管，由兩圓臺形管之間的圓臺形 夾層空間構成放電區(qū)，它的底部和頂端分別由全反射鏡1和部分反射鏡6真空性封貼，使中 空圓臺形夾層空間能抽高真空，在高真空條件下將氦氖混合氣或二氧化碳、氮、氦混合氣充 入放電管3，其特征還在于諧振腔是一個中空圓臺形諧振腔，它由安裝于中空圓臺形放電管 底部的旋轉對稱凹面圓環(huán)形全反射鏡1和一個安裝于放電管頂部的旋轉對稱凸面圓環(huán)部 分反射鏡6組成，全反射鏡1的對稱軸、部分反射鏡6的對稱軸與放電管3的軸線重合，在 激光器沿放電管軸線的任一剖面內(nèi)，全反鏡1以及部分反射鏡6都分別有兩個曲率中心對 稱分布于放電管軸線兩側，諧振腔對剖面內(nèi)光線簇構成兩凹凸腔子腔，設計為穩(wěn)定腔，該子 腔輸出光束的腰斑位于腔外。本發(fā)明與現(xiàn)有產(chǎn)生空心激光光束技術相比，具有如下特點1，本發(fā)明產(chǎn)生的光束隨傳輸距離的增加空心光束演化為實心光束，再演化為空心 光束。2，本發(fā)明采用氣體激光器，光束質(zhì)量好，方向性穩(wěn)定。3，本發(fā)明提出中空圓臺型諧振腔直接產(chǎn)生中空激光光束，其中空激光光束的獲得 重復性好。4，本發(fā)明波長范圍寬，適宜多種需要。本發(fā)明與現(xiàn)有專利ZL2007100483280相比，具有如下特點1，本發(fā)明采用的諧振腔沿對稱軸線的剖面為凹凸穩(wěn)定腔(子腔)，該子腔輸出光 束的腰斑位于腔外，對于同樣高功率情況，輸出鏡需要承受的功率密度分布降低很多(數(shù) 量級降低)。2，本發(fā)明輸出光束的最小光束半徑位置距離輸出鏡位置足夠遠，使實驗樣品能有 效利用光束的最大功率密度分布位置且不會濺污輸出鏡片。3，本發(fā)明通過激光器在腔外直接實現(xiàn)和束，容易實現(xiàn)高功率輸出。
權利要求
1.一種氣體激光器，用于輸出特殊形狀的光束，其特征在于諧振腔為是中空圓臺形狀， 增益介質(zhì)為中空圓臺形狀。
2.按照權利要求1所述的激光器，其諧振腔為中空圓臺諧振腔，其特征在于，在中空圓 臺形放電管的底部貼旋轉對稱凹面圓環(huán)形全反射鏡(1)，在圓臺形放電管的頂部貼旋轉對 稱凸面圓環(huán)部分反射鏡(6)作輸出鏡用，激光器沿中心對稱軸(10)的任一縱剖面內(nèi)諧振腔 對光線簇構成兩個彼此獨立的、相對于激光器中心對稱軸(10)軸對稱的凹凸腔(子腔)，為 穩(wěn)定腔，兩凹凸腔自己的腔軸(11)與激光器中心對稱軸相交于點0，兩子腔輸出光束的腰 斑位置可以與交點0重合，也可以不重合，此時鏡(1)的縱剖面為凹面全反鏡，鏡(6)的縱 剖面為凸面部分反射鏡，且輸出面端為直線。
3.—種中空圓臺諧振腔氣體激光器裝置，包括玻璃或石英放電管(3)，旋轉對稱凹面 圓環(huán)形全反射鏡(1)，旋轉對稱凸面圓環(huán)部分反射鏡(6)，內(nèi)電極0)，外電極G)，儲氣管 (9)，風機(7)，水冷套(5)，射頻電源(8)，鏡⑴與放電管(3)底部連接，鏡(6)與放電管 (3)的頂部連接，內(nèi)電極⑵緊貼于放電管⑶內(nèi)側壁，外電極⑷與放電管⑶外側壁緊 貼，射頻電源及匹配網(wǎng)絡⑶與內(nèi)電極0)，外電極⑷連接，儲氣管(5)與放電管(3)連接 并環(huán)繞放電管(3)，水冷套(5)與放電管(3)外壁連接，風機(7)與放電管(3)連接，其特征 在于放電管C3)是一個中空圓臺形放電管，其內(nèi)外壁均是一個圓臺形管，由兩個圓臺形管 之間的中空圓臺形夾層空間構成放電區(qū)，它的底部和頂端分別由鏡⑶和鏡(6)真空性封 貼，使中空圓臺形夾層空間能抽高真空，在高真空條件下將氦氖混合氣或二氧化碳，氮，氦 混合氣充入放電管。
全文摘要
本發(fā)明中空圓臺諧振腔氣體激光器，屬光學和光學工程領域，構建和提供一種產(chǎn)生特殊空間分布形狀激光光束的氣體激光器。該激光器輸出的光束隨著傳輸距離的增加，從空心光束演化為實心光束，再演化為空心光束。本發(fā)明由于采用圓環(huán)部分反射輸出鏡，光束的腰斑位置位于腔外，有效的降低了輸出鏡的需要承受的功率密度，即使是高功率情況，對輸出鏡的材質(zhì)的選取也容易實現(xiàn)，且樣品位置距離輸出鏡足夠遠并能有效利用光束的最大功率密度分布位置。由于該發(fā)明直接通過激光器在腔外實現(xiàn)和束，容易實現(xiàn)高功率輸出。本發(fā)明可以實現(xiàn)中小功率激光以及高功率激光。本發(fā)明實現(xiàn)的激光光束可以用于生物醫(yī)學、科學研究以及對材料的特殊處理等方面。
文檔編號H01S3/083GK102064458SQ20091021621
公開日2011年5月18日 申請日期2009年11月13日 優(yōu)先權日2009年11月13日
發(fā)明者劉靜倫, 李繼陶, 李育德, 陳梅 申請人:四川大學