[发明专利]一种锥形相位锁定二氧化碳激光器

说明书

技术领域

本发明涉及光学工程和激光应用领域，主要是由锥形放电区和相关光学元件构成的相位锁定的大功率二氧化碳激光器的构建方法及装置。锥形相位锁定二氧化碳激光器输出光束经会聚系统处理后可方便地应用于金属、非金属材料的表面处理、焊接、切割、打孔等，可成为激光加工的重要设备。 

背景技术

激光加工是利用激光的优良的方向性、高输出功率和相干性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，随着连续振荡的二氧化碳激光器和Nd:YAG激光器输出功率的提高，利用这两种激光器进行加工也多起来。现在除二氧化碳激光器和Nd:YAG激光器是主要的加工用激光器件外，正在发展的光纤激光器等也将成为加工用重要激光器。在现代制造业中，激光加工已经成为生产线的重要环节。激光加工机已形成产业，近几年的统计资料表明，国际上激光加工机的年产值约30多亿美元，主要是二氧化碳激光加工机和Nd:YAG激光加工机。二氧化碳激光加工系统的年产值约约15亿美元。二氧化碳激光加工机广泛使用轴流型和横流型二氧化碳激光器，也采用平板波导二氧化碳激光器。轴流型二氧化碳激光器一般输出约1KW，输出模式好，多用于金属材料的切割，打孔，焊接等，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10KW至几十万瓦，功率大，模式较差，故一般用于金属材料工件的热处理，表面处理等。平板波导激光器输出功率可达500W-1000W，由于重量轻，体积小而可直接架于机床，用于切割打孔，焊接等。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的传输系统后才到达加工机机头，由于无传输二氧化碳激光的光纤，故光波和直线传输和方向的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。平板波导二氧化碳激光器虽然可直接装配到加工机架上，激光光源和加工机头装配在一起，但此种激光器的输出功率收其结构限制，放大技术复杂。在已有的二氧化碳激光器和二氧化碳激光器的发明专利中，最接近本发明的是圆筒形二氧化碳激光器和中空锥形气体激光器。前者在米长级器件已输出达1KW，但至今并未在激光器产业中兴盛起来，估计与其同时输出两束光源原因有关，且这两束光无确定位相关系。后者的发明专利申报号为：2007100483280。它当然也包括中空圆锥型二氧化碳激光器。本发明与之根本不同点在于其激光输出位相锁定是确实的。而专利(申请号：2007100483280)所包含的二氧化碳激光器输出的光束虽然是轴对称的，但是各部分光束间存在确定的位相关系的可能性较小，故在经会聚 系统会聚后，因相干性较差而不能形成很强的相干迭加，至少是不能形成持续的相干迭加，故在激光加工中会对加工效率，特性和稳定性等产生不利影响。 

发明内容

本发明正是为了克服上述多种二氧化碳激光器和中空圆锥型气体激光器专利的缺点而提出的，提供一种二氧化碳激光器，它将圆锥型二氧化碳激光器和轴对称输出光束进行相位锁定，使会聚光束形成强烈的相干迭加，从而使其具有的激光加工的效率和特性与轴流型二氧化碳激光器的充分接近，以至于超过，而在器件体积和使用方便方面又大占优势。使其与圆筒形CO₂激光器平板波导型CO₂激光器一样，具有很好的紧凑性，其输出光束质量和相干性又高于圆筒形二氧化碳激光器的，在紧凑性和输出水平质量方面可高于平板波导器件。