[发明专利]用于激光镜的热畸变补偿

说明书

技术领域

本发明涉及高功率的二氧化碳盘形激光器。更具体地，本发明涉及降低热畸变和改善指向稳定性的镜系统的设计。 

背景技术

本发明涉及高功率的扩散冷却二氧化碳盘形激光器。这种激光器的例子可在共同拥有的美国专利No.5,140,606中找到，其通过引入方式并入本文。这些激光器包括一对矩形金属电极，所述电极设置在含有激光气体的密封外壳内。电极被紧密分隔开以限定板状放电区域。RF功率被用于激光气体以产生激光。 

这些类型的激光器通常使用混合式光学共振器，其在平行面对的电极的宽度维度上具有不稳定的共振器，并且在分隔两个电极的垂直(即，“间隙”)维度中有光导型共振器。早期设计使用正支非稳共振器(例如参见美国专利No.4,719,639，其通过引入方式并入本文)。稍后涉及使用负支非稳共振器(参见美国专利No.5,048,048)。 

相对于负支设计，所述正支非稳共振器设计约为更难以对齐的数量级，但是该设计对于输出光束的敏感性更低，作为共振器镜的曲率的变化函数的所述输出光束指向变化与温度变化。另一方面，负支共振器更容易对齐，但是它们的光束指向变化对于镜的曲率随着温度变化更加敏感。镜的曲率随着温度的变化引起输出激光光束的指向产生改变。 

为了获得负支非稳共振器的更容易对齐的优点，需要解决激光光束的指向稳定性随着镜的曲率与温度的变化而产生的较大变化。这是特别真实的，因为放电距离变得更短，并且宽度增加。分析表明激光光束的指向变化随着负支非稳共振器的宽度直接增加，并且与其长度的平方反向增加。设计较短的工业CO₂激光器的优点在于在CO₂ 激光器的工业应用中，只要光束质量没有妥协即可。就此而言，随着放电的长度制得较短，需要增加放电的宽度以维持获得相同的激光器输出功率所需要的相同放电区域。 

在负支非稳共振器设计中，输出耦合镜和反射镜具有凹形表面。镜通常在平行面对的电极的整个宽度上延伸，所述电极在垂直方向上(除了输出耦合侧)被小的间隙分隔开。由激光光束引起的镜的反射表面的直接加热产生，因为沉积在镜的表面上的高反射性的薄膜具有非常小、但有限的吸收，所述吸收加热镜的表面。来自该反射表面的热量通过镜的厚度传播，从而在镜的前面和背面之间建立温度梯度。 

由于镜的背部通常与容纳镜的大的机械外壳连接，因此镜的背部通常比前面冷，因此在前面和背面之间保持温度梯度。该温度梯度随着激光功率而增加，并且因此镜面的畸变或扭曲，以扰乱光学共振器的几何形状，从而导致激光输出光束性能(例如光束特性)和指向变化的不需要的变化。在热梯度的情况下，扭曲使得凹镜表面(朝向激光器放电侧)更加凸起。 

对应于激光器的操作条件的变化，输出光束参数(例如输入放电的RF功率、脉冲重复频率、工作循环等)发生变化，从而引起镜的热梯度的变化，这种变化在工业激光系统中是不需要的。这些激光镜的热畸变作用的消除或减少是高度需要的，并且是本发明的焦点。重要的是注意本发明具有比仅仅减少不需要的激光共振器输出光束的指向变化更宽的应用。例如，其可相关于降低光学系统中的镜畸变、和处理高的光学功率。 

我们的分析和实验测试证实使用负支非稳共振器的板状CO₂激光器输出中光束指向变化的主要原因是高反射返回镜和非稳共振器的输出耦合镜的曲率改变。这种曲率改变是由下列三种热效应引起的： 

1.镜的厚度上的温度梯度引起镜的弯曲。由于镜的背部较之镜的反射表面更冷，因此由于下列事实镜较少凹陷：前面比背部表面膨胀较多。我们发现一些程度的温度梯度可使激光器的输出光束偏离不可接受的量。 

2.通过激光辐射加热镜来增加镜的平均温度还引起镜较少凹陷，这是因为镜的材料的热膨胀。镜的曲率的改变改变了共振器的最佳对齐并劣化了激光的性能。在我们的情况下，镜的材料为铜，但使用其他的镜的材料(例如硅)可以期待曲率效应的类似改变。 

3.镜材料(通常为铜)和大型镜支承体pate-form(通常由铝制成)还改变了曲率半径，原因在于由于具有不同的热膨胀系数的两种材料引起的弯曲。重要的是注意铝的热膨胀系数大于铜的热膨胀系数。在该情况下，双金属效应使得凹镜更加凹陷。