一种相位锁定组合式圆筒放电高功率二氧化碳激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种相位锁定组合式圆筒放电高功率二氧化碳激光器，涉及光学工程和激光应用领域。该激光器包括复曲面镜、轴锥镜、凹面镜、内圆筒、外圆筒、石英放电管、会聚透镜和支架。本发明专利技术提供的相位锁定组合式圆筒放电高功率二氧化碳激光器，从输出镜输出的光束经会聚镜会聚后变成一束细小的中空环形二氧化碳激光束，具有功率大、相干性好、光束质量好、结构紧凑、体积小的优点，能直接架于加工机床进行加工。

【技术实现步骤摘要】
一种相位锁定组合式圆筒放电高功率ニ氧化碳激光器
本专利技术涉及光学工程和激光应用领域，尤其涉及的是ー种相位锁定组合式圆筒放电高功率ニ氧化碳激光器。
技术介绍
激光加工是利用激光的能量高、方向性好、光斑小的特点对金属和非金属材料进行的高精度加工。在激光加工时，其能量是以光的形式会聚成一束密度非常高的激光束，当这样的光束到达被加工材料的表面吋，将会产生巨大的热量，这时材料表面的温度迅速升高而被熔化，达到加工的目的。用于加工的激光器先后经历了以红宝石激光器和钕玻璃激光器为代表的脉冲激光器，以Nd: YAG激光器和ニ氧化碳激光器为代表的连续波激光器。近年来，国际上激光加工系统主要采用Nd: YAG激光器和ニ氧化碳激光器，其产值已达到40亿美元，其中二氧化碳激光器系统产值超过20亿美元。ニ氧化碳激光加工系统有三种主要形式:轴快流型、横流型和波导型ニ氧化碳激光器。轴快流型ニ氧化碳激光器是利用气体对流方式来排出工作气体的废热，从而提高电光转换效率和输出功率，I米长的放电长度能够输出超过600W的输出功率，并且电光转换效率也在20%以上，输出的激光束为基模高斯光束，主要用于金属、非金属材料的切割、焊接、打孔等。横流型ニ氧化碳激光器的气流方向和激光的输出方向是垂直的，增益体积大，可输出上万瓦的激光，但模式差，因此，主要用于金属材料的焊接、热处理和表面处理。波导型ニ氧化碳激光器输出功率可达800W以上，由于重量轻、体积小而直接被架于机床加工。以上三类激光器具有各自的优点，但也存在不足之处，两种流动型ニ氧化碳激光器输出功率高，能广泛应用于激光エ业加工领域，但是此种激光器的体积过于庞大，因此加工机机头和激光器只能是分离的，且两者之间往往有较长的距离，目前无传输ニ氧化碳激光的光纤，因此激光的直线传输和光路控制都是依靠光学兀件和相应的控制措施来实现。相比之下，平板波导型ニ氧化碳激光器体积小可直接架于加エ机机床，但该激光器的输出功率受到结构的限制难以提高。在已有的专利中，虽然已提出了组合式圆筒放电高功率气体激光器(专利技术专利:名称:组合式圆筒放电高功率气体激光器的构建方法及装置，申请号:CN201210557750.X)，该激光器体积小、结构紧凑、能输出高功率激光，但其相干性不能达到一定要求。因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供了一种相位锁定组合式圆筒放电高功率ニ氧化碳激光器。本专利技术的技术方案如下:一种相位锁定组合式圆筒放电高功率ニ氧化碳激光器，包括复曲面镜(I )、轴锥镜、凹面镜、内圆筒(31)、外圆筒(32)、石英放电管(25)、会聚透镜(26)和支架，其技术方案为:I)复曲面镜(I)位于激光器谐振腔外，第一轴锥镜(2 )被嵌套在复曲面镜(I)内，并与其保持同轴；复曲面镜(I)和第一轴锥镜(2)构成ー个组合镜并被第一支架(11)支撑在激光器光路上；复曲面镜(I)和第一轴锥镜(2)的非反射面处于同一平面内，以便满足调腔精确度；2)第一凹面镜(4)被嵌套在第二轴锥镜(3)内，两者保持同轴；第二轴锥镜(3)和第一凹面镜(4)构成另一个组合镜并被第四支架(14)支撑在激光器光路上；第二轴锥镜(3)和第一凹面镜(4)的非反射面仍处于同一平面内；3)第一凹面镜(4)的中心区域是空心的，输出镜(24)放置在该空心位置；凹面反射镜(29)位于输出镜的右面，距离输出镜(24) 35-40cm ;会聚透镜(26)也位于输出镜(24)的右面，距离输出镜(24) 50-55cm ；4)内圆筒(31)和外圆筒(32)构成ー个组合式圆筒放置在分别由复曲面镜(I)、第一轴锥镜(2)和第二轴锥镜(3)、第一凹面镜(4)构成的两组合镜之间，并与其保持同轴；5)射频电源阳极(17)放置在内圆筒(31)和外圆筒(32)之间，且紧贴外圆筒(32)内壁和内圆筒(31)外壁；射频电源阴极(18)位于内圆筒(31)和外圆筒(32)两侧，且紧贴外圆筒(32 )外壁和内圆筒(31)内壁；水冷套(19 )由两同轴的圆柱组成；水冷套(19 )、射频电源阴极(18)和组合式圆筒由第二支架(12)和第三支架(13)支撑在激光器光路上；6)内圆筒放电区(7)、外圆筒放电区(10)内充满ニ氧化碳、氦气和氮气组成的高纯混合气体；7)石英放电管(25)放置在激光器对称轴(16)上，并用小石英管(30)将其与组合式圆筒连接；第二凹面镜(23)位于组合式圆筒内，与输出镜(24)构成提供相位锁定源光束的两镜腔。所述的复曲面镜(I)到内圆筒左端面(5)的距离为5-lOcm ;第二轴锥镜(3)到内圆筒右端面(6)的距离为5-10cm。所述复曲面镜(I)和第一轴锥镜(2)构成的组合镜、第二轴锥镜(3)和第一凹面镜(4)构成的另ー个组合镜、输出镜(24)、第二凹面镜(23)、凹面反射镜(29)、会聚透镜(26)以及组合式圆筒与激光器对称轴(16)同轴。所述的相位锁定组合式圆筒放电高功率ニ氧化碳激光器，其复曲面镜(I)、第一轴锥镜(2)、第二轴锥镜(3)、第一凹面镜(4)、第二凹面镜(23)均为全反射镜；输出镜(24)为部分反射镜，其材料为硒化锌。所述的相位锁定组合式圆筒放电高功率ニ氧化碳激光器，其复曲面镜(I)、第一轴锥镜(2)、第二轴锥镜(3)、第一凹面镜(4)、第二凹面镜(23)、输出镜(24)及内圆筒放电区(7)、外圆筒放电区(10)构成六镜折叠腔，各个谐振腔曲率半径的选择应满足激光振荡的稳定性条件。所述的相位锁定组合式圆筒放电高功率ニ氧化碳激光器，其石英放电管(25)放电并在第二凹面镜(23)、输出镜(24)两镜腔的作用下产生种子激光(27)，该种子激光(27)从输出镜(24)输出，然后被输出镜(24)的凸面部分反射并作为高斯激光束(28)发散地注入到组合式圆筒内，注入的高斯激光束(28)具有较大的光束尺寸和发散角，在第二凹面镜(23)的作用下被反射到达第一凹面镜(4)的反射面，被第一凹面镜(4)反射后到达第一轴锥镜(2)的反射面，再通过两次反射后经组合式圆筒内圆筒(31)到达第二轴锥镜(3)的反射面，通过两次反射后经组合式圆筒外圆筒(32)到达复曲面镜(I)的反射面；注入光束将在组合式圆筒谐振腔内来回振荡，如果注入信号较强，它将在组合式圆筒区域内激发相应的激光模式；如果注入光束能够在组合式圆筒区域内建立振荡，组合式圆筒激光器的本征模将被注入激光控制，并消耗组合式圆筒激活区域内的反转粒子，然后通过射频电源激励组合式圆筒内的混合气体，在组合式圆筒内将产生受激辐射光振荡，其振荡形式必然与注入信号的形式一致，该振荡光束在镜复曲面镜(I)、第一轴锥镜(2)、第二轴锥镜(3)、第一凹面镜(4)、第二凹面镜(23)、输出镜(24)组成的六镜折叠腔的作用下在腔内振荡，消耗反转粒子，使电能转换为激光能量，并沿着各自轴线方向传播并被放大；当振荡光束在腔内形成稳定的模式时，从输出镜(24)可输出一束相干性极好的中空环形激光束(22)，该输出中空环形激光束(22)被会聚透镜(26)会聚后，可获得一束细细的相干性极好的平行中空环形ニ氧化碳激光束，从而达到相位锁定的目的。所述的相位锁定组合式圆筒放电高功率ニ氧化碳激光器，其石英放电管(25)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相位锁定组合式圆筒放电高功率二氧化碳激光器，包括复曲面镜（1）、轴锥镜、凹面镜、内圆筒（31）、外圆筒（32）、石英放电管（25）、会聚透镜（26）和支架，其特征在于：1）复曲面镜（1）位于激光器谐振腔外，第一轴锥镜（2）被嵌套在复曲面镜（1）内，并与其保持同轴；复曲面镜（1）和第一轴锥镜（2）构成一个组合镜并被第一支架（11）支撑在激光器光路上；复曲面镜（1）和第一轴锥镜（2）的非反射面处于同一平面内，以便满足调腔精确度；2）第一凹面镜（4）被嵌套在第二轴锥镜（3）内，两者保持同轴；第二轴锥镜（3）和第一凹面镜（4）构成另一个组合镜并被第四支架（14）支撑在激光器光路上；第二轴锥镜（3）和第一凹面镜（4）的非反射面仍处于同一平面内；3）第一凹面镜（4）的中心区域是空心的，输出镜（24）放置在该空心位置；凹面反射镜（29）位于输出镜的右面，距离输出镜（24）35?40cm；会聚透镜（26）也位于输出镜（24）的右面，距离输出镜（24）50?55cm；4）内圆筒（31）和外圆筒（32）构成一个组合式圆筒放置在分别由复曲面镜（1）、第一轴锥镜（2）和第二轴锥镜（3）、第一凹面镜（4）构成的两组合镜之间，并与其保持同轴；5）射频电源阳极（17）放置在内圆筒（31）和外圆筒（32）之间，且紧贴外圆筒（32）内壁和内圆筒（31）外壁；射频电源阴极（18）位于内圆筒（31）和外圆筒（32）两侧，且紧贴外圆筒（32）外壁和内圆筒（31）内壁；水冷套（19）由两同轴的圆柱组成；水冷套（19）、射频电源阴极（18）和组合式圆筒由第二支架（12）和第三支架（13）支撑在激光器光路上；6）内圆筒放电区（7）、外圆筒放电区（10）内充满二氧化碳、氦气和氮气组成的高纯混合气体；7）石英放电管（25）放置在激光器对称轴（16）上，并用小石英管（30）将其与组合式圆筒连接；第二凹面镜（23）位于组合式圆筒内，与输出镜（24）构成提供相位锁定源光束的两镜腔。...

【技术特征摘要】
1.一种相位锁定组合式圆筒放电高功率二氧化碳激光器，包括复曲面镜(I)、轴锥镜、凹面镜、内圆筒(31)、外圆筒(32)、石英放电管(25)、会聚透镜(26)和支架，其特征在于: 1)复曲面镜(I)位于激光器谐振腔外，第一轴锥镜(2)被嵌套在复曲面镜(I)内，并与其保持同轴；复曲面镜(I)和第一轴锥镜(2)构成ー个组合镜并被第一支架(11)支撑在激光器光路上；复曲面镜(I)和第一轴锥镜(2)的非反射面处于同一平面内，以便满足调腔精确度； 2)第一凹面镜(4)被嵌套在第二轴锥镜(3)内，两者保持同轴；第二轴锥镜(3)和第一凹面镜(4)构成另一个组合镜并被第四支架(14)支撑在激光器光路上；第二轴锥镜(3)和第一凹面镜(4)的非反射面仍处于同一平面内； 3)第一凹面镜(4)的中心区域是空心的，输出镜(24)放置在该空心位置；凹面反射镜(29)位于输出镜的右面,距离输出镜(24) 35-40cm ;会聚透镜(26)也位于输出镜(24)的右面，距离输出镜(24) 50-55cm ； 4)内圆筒(31)和外圆筒(32)构成ー个组合式圆筒放置在分别由复曲面镜(I)、第一轴锥镜(2)和第二轴锥镜(3)、第一凹面镜(4)构成的两组合镜之间，并与其保持同轴； 5)射频电源阳极(17)放置在内圆筒(31)和外圆筒(32)之间，且紧贴外圆筒(32)内壁和内圆筒(31)外壁；射频电源阴极(18)位于内圆筒(31)和外圆筒(32)两侧，且紧贴外圆筒(32)外壁和内圆筒(31)内壁；水冷套(19)由两同轴的圆柱组成；水冷套(19)、射频电源阴极(18)和组合式圆筒由第二支架(12)和第三支架(13)支撑在激光器光路上； 6)内圆筒放电区(7)、外圆筒放电区(10)内充满二氧化碳、氦气和氮气组成的高纯混合气体； 7)石英放电管(25)放置在激 光器对称轴(16)上，并用小石英管(30)将其与组合式圆筒连接；第二凹面镜(23)位于组合式圆筒内，与输出镜(24)构成提供相位锁定源光束的两镜腔。2.根据权利要求1所述的相位锁定组合式圆筒放电高功率二氧化碳激光器，其特征是，复曲面镜(I)到内圆筒左端面(5)的距离为5-lOcm;第二轴锥镜(3)到内圆筒右端面(6)的距离为5-10cm。3.根据权利要求1所述的相位锁定组合式圆筒放电高功率二氧化碳激光器，其特征是，所述复曲面镜(I)和第一轴锥镜(2)构成的组合镜、第二轴锥镜(3)和第一凹面镜(4)构成的另ー个组合镜、输出镜(24)、第二凹面镜(23)、凹面反射镜(29)、会聚透镜(26)以及组合式圆筒与激光器对称轴(16)同轴。4.根据权利要求1所述的相位锁定组合式圆筒放电高功率二氧化碳激光器，其特征是，复曲面镜(I)、第一轴锥镜(2)、第二轴锥镜(3)、第一凹面镜(4)、第二凹面镜(23)均为全反射镜；输出镜(24)为部分反射镜，其材料为硒化锌。5.根据权利要求1所述的相位锁定组合式圆筒放电高功率二氧化碳激光器，其特征是，复曲面镜(I)、第一轴锥镜(2)、第二轴锥镜(3)、第一凹面镜(4)、第二凹面镜(23)、输出镜(24)及内圆筒放电区(7)、外圆筒放电区(10)构成六镜折叠腔，各个谐振腔曲率半径的选择应满足激光振荡的稳定性条件。6.根据权利要求1-5任一所述的相位锁定组合式圆筒放电高功率二氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐勇根，樊群超，王时建，
申请(专利权)人：西华大学，
类型：发明
国别省市：