[发明专利]相位锁定轴对称折迭组合二氧化碳激光器

说明书

技术领域

本发明涉及光学工程和现代制造业领域的激光加工，主要是由轴对称折迭组合二氧化碳激光器系统、输出镜、透镜和反射镜系统的组合构建相位锁定轴对称折迭组合二氧化碳激光系统的方法及装置。相位锁定轴对称折迭组合二氧化碳激光器主要用于金属、非金属材料的切割、焊接、打孔、表面处理等。

背景技术

激光加工是利用激光束的优良的方向性和高输出功率的特点对金属和非金属材料进行高精度的快速加工。用于加工的激光器，在1967年之前主要还是脉冲振荡的红宝石激光器和钕玻璃激光器。之后，随着连续波振荡的Nd:YAG激光器和二氧化碳激光器的输出功率的提高，利用这些激光器进行加工也多起来。近几年的统计资料表明，国际上激光加工系统的产值约30亿美元，主要采用二氧化碳激光器和Nd:YAG激光器，二氧化碳激光加工系统年产值约15亿美元。二氧化碳激光加工系统广泛采用轴流型二氧化碳激光器和横流型二氧化碳激光器，也采用平板波导型二氧化碳激光器。轴流型二氧化碳激光器一般输出1千瓦至几千瓦，模式好，多用于金属、非金属材料的切割、焊接、打孔等，当然也可用于工件热处理、表面处理等。横流型二氧化碳激光器一般输出万瓦至数万瓦，功率大，但模式较差，故一般用于金属材料工件的热处理、表面处理等。平板波导型二氧化碳激光器输出功率可达500瓦-1000瓦，由于重量轻、体积小而可直接架于机床，用于切割、焊接、打孔等。上述三种激光器各有其不足之处，轴流型二氧化碳激光器和横流型二氧化碳激光器的最大缺点是其装置特别庞大，因此加工机机头和激光器只能是分离的，两者之间往往有较长的距离，激光输出后经过较长距离的传输后才到达机头。由于无传输二氧化碳激光的光纤，故光波的直线传输和方向改变及到达加工机机头后的光路控制都靠光学元件和相应控制措施来实现。平板波导型二氧化碳激光器虽然可直接装于加工机，激光光源和机头装配在一起，但此种激光器的输出功率受其结构的限制，难于提高。在已有的发明专利中，虽然已经提出了一种轴对称折迭组合大功率二氧化碳激光器(发明专利：名称：大功率气体激光器的构建方法及装置，申请号：2003101040173公布日：)，但该器件的各折迭腔的输出在相位上是不相关的，仅仅同一折迭腔两放电管的输出光束是相干的。因此，它的相干性需要通过各折迭腔的输出之间的相位锁定来提高。这对激光加工来说是很重要的。

发明内容

本发明正是为了克服上述已有大功率二氧化碳激光器及发明专利的缺点而提出的，提供一种相位锁定的轴对称折迭组合二氧化碳激光器，具有功率大、光束质量好、相干性好、结构紧凑、体积小、可直接作为激光加工机机头的优点。

本发明的目的是由以下所述方案来实现的。多根石英或玻璃放电管轴对称地放置，组合成一个系统，系统的对称轴上放置有一石英或玻璃放电管，其管心线位于系统对称轴线，每对对称放置的放电管之管心线处于同一圆锥面上，且两管心线与系统对称轴线同处于一平面内，按顶角由小到大，圆锥面分别为第一圆锥面，第二圆锥面，第三圆锥面等，这些锥面以系统对称轴线为唯一对称轴线并有唯一的公共顶点。一般情况下，选择第一和第二两个圆锥面就可以构建千瓦级激光器。两个对称放置的放电管，我们称之为一对折迭管，每对折迭管离光路折迭处远的两端分别装全反射镜，光路折迭处位于输出镜，两全反镜和输出镜构成一折迭谐振腔。所有成对的放电管的光路折迭处均在同一个输出镜。各折迭腔的全反镜一般离输出镜的距离相同，曲率半径也相同。对称轴上的放电管的一端的全反射镜和输出镜构成一谐振腔，它的全反射镜的曲率半径等参数可与折迭腔的不同。输出镜为唯一输出镜，一般为平面输出镜。所有谐振腔的轴线均在唯一输出镜的内表面中心点相交。轴上单管激光器的输出光束经过输出镜后的会聚系统的第一透镜前表面或直接由输出镜的后表面的较小部分的反射而会聚于输出镜的内表面中心点处，该光束发散后传输到各折迭腔的全反射镜处，其等位相面与这些全反射镜的曲率半径极为接近或相同，并与各折迭腔的本征模式耦合，以此来控制各折迭腔运行光波的波长和位相，使各折迭腔通过输出镜的输出光束不仅共点轴对称，而且均与轴上输出光束有确定相位关系。锁定位相关系的输出光束经会聚系统会聚后可得到相干性显著、光束质量优良的大功率的会聚细光束，可直接用于激光加工等。

附图说明