[发明专利]激光器镜的瞬态受热补偿

说明书

技术领域

本发明总体涉及气体放电激光器。本发明特别涉及用于气密的、高功率的、扩散冷却的、二氧化碳(CO₂)盘形激光器的镜的设计和构造。

背景技术

CO₂盘形激光器包括一对矩形、平面、金属电极，所述电极安装在密封的壳体内，所述壳体收容激光气体混合物，所述激光气体混合物包括CO₂和惰性气体。电极彼此平行且被紧密分隔开以限定盘形放电区。RF功率用于激励气体混合物以用于产生激光辐射线。在转让给本发明的受让人的美国专利No.5,140,606中可找到对这种激光器的说明，并且该专利的全部内容通过引用并入本文中。

这类激光器通常包括混合式光学共振器。共振器为平行间隔开的电极的宽度维度上的非稳共振器和与电极的平面垂直的尺寸的波导型共振器。在早期的模型中，非稳共振器为正支非稳共振器。在后期的模型中，优选为负支非稳共振器。

相比于负支非稳共振器，所述正支非稳共振器设计约为更难以对齐的数量级，而正支非稳共振器对于由共振器的镜的曲率变化引起的输出光束指向变化的敏感性更低，所述变化依次由于镜的温度变化引起。负支非稳共振器对于温度感应的镜曲率变化更加敏感。在大部分应用中光束指向变化存在如下问题：必须将激光束精确地引导或指引到工件上的特定的一个位置或多个位置。

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。随着使得放电的长度较短，需要增加放电的宽度以维持获得相同激光器输出功率所需的相同放电区域。

负支非稳共振器包括各自具有凹面反射表面的输出耦合镜和返回镜。通过在表面上沉淀多层薄膜涂层使得表面高度反射。输出耦合镜比返回镜短，从而提供经过镜的激光束的输出。返回镜通常在由平行面对的电极产生的放电的整个宽度上方延伸。输出耦合镜较短以允许在共振器中循环的辐射线的部分绕过镜而作为输出辐射线。

当激光束在共振器中循环时，由于激光器镜具有小而有限的光吸收，镜的反射表面被加热。当突然将激光器接通到足够高的满功率时，反射表面的快速受热使得表面突然畸变。镜突然变得较不凹面，即突然具有增大的曲率半径。曲率半径的这一突然增大使得激光束突然指向另一方向。在快瞬态受热被镜主体快速传走时，曲率半径快速地恢复而接近其原始半径。

来自反射表面的热最终传播通过镜主体的厚度，在镜的前面和背面之间建立了温度梯度。该热梯度进一步使得镜变得较不凹面直到在给定激光器输出处达到稳态镜曲率。镜的背部通常附接于大的金属板，所述金属板为密封壳体的端凸缘，共振器和激光气体封闭在所述壳体中。这使得镜的背面比前面凉。瞬态和稳态镜半径变化之间的时间响应的差别在两个数量级以上。

在低激光脉冲重复频率(PRF)工作条件下，镜半径直接响应于PRF的变化而变化。随着PRF增大，镜组件的热时间常数开始平衡镜的镜半径的时间变化。在此开始进行平均化的PRF取决于制成镜的材料的热时间常数和镜的质量。

在转让给本发明的受让人的于2008年7月7日提交的美国专利申请No.12/168,376中描述了旨在稳态工作条件下使镜曲率变化最小的一种布置，并且该申请的全部内容通过引用并入本文。该结果是通过如下实现的：设计具有特定形状的镜主体的镜，使得与主体的材料不同的材料的条附接于主体以提供补偿双金属效应。在图1和图1A中描绘了布置的实施例。

这里，镜布置10包括具有大致T形剖面的金属镜主体12，大致T形剖面具有头部14和柄部16。凹形表面被生成、抛光和涂覆到柄部的底部以提供具有曲率半径R的凹形反射表面18。通常，反射表面的宽度L约等于回转镜的盘形放电的宽度且比输出耦合镜的放电宽度稍短，例如比输出耦合镜的放电宽度短约12％和17％之间，以允许输出在脱离共振器时被耦合。反射表面的高度h通常为放电高度的六倍，即放电电极的间隔的六倍。

与主体12的金属不同的金属的条17栓接到主体的头部的底侧。在专利公布中描述的实施例中，主体12由铜制成，而条17由不锈钢制成。条的用途是形成双金属应力，在稳态工作时，双金属应力将补偿主体的不均匀膨胀，由于镜中的前面-背面的热梯度，不均匀膨胀趋于增大镜的曲率半径。

镜布置10设计为用于具有约400千瓦(kW)平均功率的盘形激光器。该布置在该功率处补偿长期曲率变化到上文引用的’577公布中描述的程度是成功的。