[发明专利]用于高功率激光器的热补偿透镜

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求当前未决的美国非临时专利申请No.12/756,642的优先权，该申请在2010年4月8日提交，题目为“用于高功率激光器的热补偿透镜”，其通过引用在此并入。

技术领域

本发明一般地涉及激光器领域。更具体地，涉及用于高功率激光器的透镜。

背景技术

一个或多个高质量熔融石英透镜(fused silica lens)被用于聚焦超过一千瓦（1kW）的高功率光纤激光器。更具体地，至少一个高质量熔融石英透镜被用于准直从光纤激光器发射的激光，该光纤激光器中的光纤的直径范围从50微米至超过300微米。光在已经准直之后被引导至由一个或多个高质量熔融石英透镜制成的聚焦透镜组件，其将该光聚焦在要被切割、钻孔、划线、标记或焊接的表面上。

虽然熔融石英透镜材料是高透射性的，一些辐射在透镜内被吸收或者散射，使得透镜加热。所有光学玻璃材料具有当它们加热时改变透镜的聚焦特性的特定热属性。具体地，热膨胀系数α和作为温度函数的折射率变化(dn/dT)改变透镜的焦度。透镜的焦度受这两个属性影响并且被称作透镜的热焦度：

Ψp=[dn/dT(n-1)-α]]]>

透镜的焦度作为温度的函数而通过以下方程式改变：

ΔΦ=Φ[dn/dT(n-1)-α]]]>

其中Φ是透镜的焦度。因而焦度的改变是透镜的原始焦度乘以透镜的热焦度Ψp。

ΔΦ=ΦΨ_p

熔融石英具有非常低的热膨胀系数、贯穿电磁频谱的紫外线至近红外波长的非常高的透射性，和低的散射性能。它是当前用于本任务的最成本有效的玻璃。然而，如上述的方程式指示地，它和所有的其他的光学玻璃一起，随着玻璃温度增加而易受焦度改变的影响。由于热的焦度改变的问题对于具有平均功率现在超过20kW的常规光纤激光器是成问题的。

熔融石英的热膨胀系数(CTE)大约是0.5×10^-6/°K并且具有~10×10^-6/°K的dn/dT。对于100°C的温度增加，具有200mm的标称焦距的熔融石英透镜焦点将具有超过350微米的改变。虽然对于这种长焦距透镜来说这不是巨大的量，但是当作为光纤的准直器使用时它对于怎样从光纤准直光具有实质影响。