專利名稱：多層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高功率脈沖氣體激光器，特別是涉及平均功率數(shù)千瓦以上的脈沖氣體 激光器的輸出鏡結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
大多數(shù)氣體激光器(如C02、CO、N2、準(zhǔn)分子等)的工作原理是采用放電激勵方式 使氣體工作介質(zhì)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生自發(fā)輻射和受激輻射，并在激勵區(qū)兩側(cè)設(shè)置一定結(jié) 構(gòu)形式的光學(xué)諧振腔，使受激輻射能夠反復(fù)振蕩放大形成激光定向輸出。光學(xué)諧振腔一般 由兩塊反射鏡構(gòu)成，高功率脈沖氣體激光器多采用“平-凹”光學(xué)穩(wěn)定腔，其中一塊是材質(zhì) 為Cu的凹球面全反射鏡，另一塊是材質(zhì)為的平面部分反射鏡即是激光輸出鏡。通常情 況下，激光輸出鏡也是密閉激光工作腔的一個密封元件。激光工作腔大多工作在真空狀態(tài) 下，而且在充入工作氣體前必須要抽真空到幾帕壓力以下，以使雜質(zhì)氣體含量極少。這樣， 激光輸出窗口內(nèi)外平面就存在著基本等于一個大氣壓力的壓差，因此其必須具備較大的厚 度以承受壓力不發(fā)生塑性變形甚至損壞。通常的設(shè)計原則是，輸出鏡的厚度需大于其外徑 尺寸的十分之一，例如一個輸出鏡的外徑若為90mm，其厚度應(yīng)取為9 10mm。目前研究中發(fā)現(xiàn)了這樣的問題，當(dāng)脈沖氣體激光器的輸出功率達到數(shù)千瓦以上 時，激光輸出鏡出現(xiàn)明顯的損傷或損壞現(xiàn)象，隨著功率的增大，輸出鏡使用壽命大大縮短， 這嚴(yán)重影響其工程應(yīng)用。以高功率脈沖(X)2激光器為例，當(dāng)激光輸出平均功率超過7kW時， 連續(xù)發(fā)射激光幾分鐘，其輸出鏡在腔內(nèi)側(cè)的反射膜即出現(xiàn)損傷現(xiàn)象。一個特殊的例子 是在脈沖(X)2激光器工作時，其輸出鏡內(nèi)側(cè)平面受到了放電濺射及氣體雜質(zhì)的污染，當(dāng)以 IOkW平均功率連續(xù)發(fā)射5分鐘時，該輸出鏡出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象。激光輸出鏡的損傷有鍍膜損傷和材料本體損傷兩種情況，損傷的類型也可分為能 量損傷和功率損傷兩種，能量損傷的作用機理是激光的瞬間熱沖擊，功率損傷的作用機理 是激光的熱累積。研究結(jié)果表明，輸出鏡鍍膜的損傷主要是能量損傷，這從同等平均功率水 平的連續(xù)(X)2激光器輸出鏡鍍膜可較長時間使用的情況即可對照出來(連續(xù)(X)2激光輸出 過程無間斷且能量平穩(wěn))；對輸出鏡材料本體的損傷則主要是功率損傷，這方面基本與連 續(xù)CO2激光器性質(zhì)相同。為解決這個問題，人們采用提高輸出鏡鍍膜質(zhì)量、對輸出鏡內(nèi)側(cè)平 面進行吹氣防污冷卻、對輸出鏡安裝基座進行通水冷卻等辦法，這些使輸出鏡鍍膜的損傷 現(xiàn)象得到一定緩解，但對減小輸出鏡本體材料損傷的效果卻不明顯，主要原因是的導(dǎo) 熱系數(shù)很小，積累在材料芯部的熱量向外傳輸?shù)乃俾侍?。由于輸出鏡鍍膜的損傷可通過 拋光去除后再鍍膜重新使用，而材料本體損傷導(dǎo)致輸出鏡產(chǎn)生裂紋、破碎等現(xiàn)象而無法再 重復(fù)使用，故避免輸出鏡材料本體損傷成為亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決因輸出鏡較厚使芯部熱量難以盡快傳出導(dǎo)致材料本體產(chǎn)生損傷的問題， 本發(fā)明提供一種多層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下多層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置，包括多塊輸出鏡、多個環(huán)形墊和一個安裝座；每 塊輸出鏡的厚度相同，一塊輸出鏡的一面鍍有部分反射膜，另一面鍍有增透膜，其余輸出鏡 的兩面都鍍有增透膜；多塊輸出鏡呈同軸且平行設(shè)置，鍍有部分反射膜的輸出鏡置于激光 器工作腔側(cè)，且鍍有部分反射膜的一面與激光器光學(xué)諧振腔的凹面全反射鏡相對，同時該 輸出鏡與激光器工作腔體的接觸面密封，其余兩面都鍍有增透膜的輸出鏡依次排列，最外 側(cè)接觸大氣；多塊輸出鏡之間分別通過環(huán)形墊兩兩相隔，且環(huán)形墊與輸出鏡的接觸面密封， 多塊輸出鏡的組合通過安裝座固定在激光器工作腔體上。上述環(huán)形墊在徑向設(shè)置有相對的兩個通孔；安裝座在徑向也設(shè)置有相對的通孔， 并與所述環(huán)形墊的通孔沿軸向依次對應(yīng)。上述每兩塊輸出鏡之間的密閉空間內(nèi)設(shè)有密閉循環(huán)冷卻氣流，并通過安裝座上相 對的通孔外接管道形成多個并列密閉管道，管道內(nèi)充有氣體并設(shè)有使氣體形成密閉循環(huán)流 動的驅(qū)動風(fēng)機，管道外部連接有真空泵和壓力顯示裝置，必要時，也可以在管道內(nèi)設(shè)有換熱器。本發(fā)明的有益效果如下1)、由于將現(xiàn)有一塊較厚的輸出鏡改為多塊較薄的輸出鏡，使得材料芯部的熱量 能夠盡快傳出來，減小了芯部與外側(cè)的溫度差，從而減小了輸出鏡的熱變形；2)、由于在每兩塊輸出鏡之間增設(shè)了密閉循環(huán)冷卻氣流，加強了對輸出鏡的冷卻 效果，這在很大程度上減小了激光對輸出鏡材料本體的損傷程度，大大提高了輸出鏡材料 本體的使用壽命周期，同時也對輸出鏡鍍膜的損傷起到了減緩作用；3)、由于在每兩塊輸出鏡之間設(shè)置的環(huán)形墊的兩側(cè)平面具有極高的平行精度，使 得多塊輸出鏡之間具有極高的平行精度，從而對激光的傳輸方向不會產(chǎn)生影響。


圖1是本發(fā)明一實施例的雙層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置示意圖。圖中1、安裝座，1-1、安裝座第一通孔，1-2、安裝座第二通孔，2、外側(cè)輸出鏡，3、內(nèi) 側(cè)輸出鏡，4、環(huán)形墊，4-1、環(huán)形墊第一通孔，4-2、環(huán)形墊第二通孔，5、激光器工作腔體。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。以兩塊輸出鏡構(gòu)成的雙層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置為例對本發(fā)明進行如下說 明雙層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置是將現(xiàn)有激光器的一塊輸出鏡改為由兩塊輸出 鏡構(gòu)成，兩塊輸出鏡的外徑與原輸出鏡相同，厚度相等且等于原一塊輸出鏡厚度的二分之 一，例如，假設(shè)原一塊輸出鏡厚度為10mm，則兩塊輸出鏡的厚度都為5mm。兩塊輸出鏡中的 一塊一面鍍部分反射膜，另一面鍍增透膜，也稱減反膜；另一塊輸出鏡兩面都鍍增透膜。安 裝時兩塊輸出鏡呈同軸且平行設(shè)置，將鍍有部分反射膜的一塊輸出鏡放置在緊靠激光器工 作腔側(cè)，并將鍍有部分反射膜的一面朝向內(nèi)側(cè)，即與激光器光學(xué)諧振腔的凹面全反射鏡相 對，且與激光器工作腔體接觸面采取密封方法(如用橡膠密封圈密封)以使激光器工作腔保持密閉狀態(tài)；將另一塊輸出鏡放置在接觸大氣側(cè)。兩塊輸出鏡之間采用一個金屬材料制 成的環(huán)形墊相隔，環(huán)形墊在徑向設(shè)置有相對的兩個通孔，其兩側(cè)平面具有極高的平行精度， 可使兩塊輸出鏡間保持極高的平行精度，并與兩塊輸出鏡接觸面都采取密封方法(如用橡 膠密封圈密封)，使兩塊輸出鏡之間形成的空間也可保持在密閉狀態(tài)。兩塊輸出鏡與環(huán)形墊 通過一個安裝座固定在激光器工作腔體上。雙層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置除保持原有的技術(shù)方法如對鏡片內(nèi)側(cè)平面(即 靠激光器工作腔側(cè))施加吹氣(即配制好的混合工作氣體)防污冷卻和對安裝座加設(shè)通水 冷卻外，又增加了一項技術(shù)方法，即對兩塊輸出鏡之間形成的空間施加流動的冷卻氣體，通 過一定的管道聯(lián)接結(jié)構(gòu)使該氣流通道保持在密閉狀態(tài)下，管道外部連接真空泵和壓力顯示 裝置，管道內(nèi)加設(shè)驅(qū)動風(fēng)機使氣體形成密閉循環(huán)流動(即與激光工作腔內(nèi)的氣體循環(huán)系統(tǒng) 相同)，必要時還可在管道中加設(shè)換熱器。使用時，先采用純凈氣體(如高純氮氣)將密閉 管道清洗干凈，然后采用真空泵抽真空至0. 5個大氣壓力(即0. 05MPa)，在發(fā)射激光時，啟 動驅(qū)動風(fēng)機使內(nèi)部氣體循環(huán)流動。由于現(xiàn)有采用一塊輸出鏡的激光窗口必須具有較大的厚度來抵抗內(nèi)外平面間最 大為ι個大氣壓的壓力(即0. IMPa)，使得材料芯部吸收的激光熱量很難快速傳出來，造成 芯部與外側(cè)具有很大的溫度差，從而使材料易于發(fā)生變形或損壞。正如人們所知，材料的 厚度越薄，芯部的熱量傳到外側(cè)的時間就越短，這就是所有換熱器的腔壁和翅片厚度都盡 量做的很薄的原因。因此，本實施例的雙層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置是將原一塊較厚的 輸出鏡改為兩塊較薄的輸出鏡，目的就是使材料芯部的熱量盡快傳出來，減小芯部與外側(cè) 的溫度差，并在兩塊輸出鏡之間增設(shè)了密閉循環(huán)冷卻氣流，進一步加強了對輸出鏡的冷卻 效果，這在很大程度上減小了激光對輸出鏡材料本體的損傷程度，大大提高了輸出鏡材料 本體的使用壽命周期，同時也對輸出鏡鍍膜的損傷起到了減緩作用。由于原一塊輸出鏡的 厚度能夠抵抗1個大氣壓的壓力，而其二分之一厚度的輸出鏡將不能抵抗這個壓力，故本 實施例將兩塊輸出鏡之間的氣流通道設(shè)計成密閉的，在使用時將其充入0. 5個大氣壓的氣 體，這樣，每塊輸出鏡所承受的最大壓力就不會超過0. 5個大氣壓，則兩塊二分之一厚度的 鏡片各承受0.5個大氣壓力，與原一塊鏡片承受1個大氣壓力的狀態(tài)是相同的，完全可以滿 足使用要求。采用高純氮氣作為冷卻介質(zhì)對激光輸出功率(或能量)的影響可以忽略不計。 兩塊輸出鏡之間的環(huán)形墊因兩側(cè)平面具有極高的平行精度，可使兩塊輸出鏡具有極高的平 行精度，從而對激光的傳輸方向不會產(chǎn)生影響。如圖1所示，雙層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置是由安裝座1、外側(cè)輸出鏡2、內(nèi)側(cè)輸 出鏡3和環(huán)形墊4組成。安裝座1是由金屬材料制成的，徑向加工有相對的安裝座第一通孔 1-1和安裝座第二通孔1-2，在圓周還加工有安裝螺釘用的通孔和進出冷卻水的內(nèi)外通道。 外側(cè)輸出鏡2和內(nèi)側(cè)輸出鏡3是兩塊材料為^1 的圓形平面鏡，外徑與激光器現(xiàn)有使用一 塊輸出鏡的外徑相同，厚度各為原輸出鏡的二分之一。外側(cè)輸出鏡2的兩側(cè)平面都鍍有增 透膜，內(nèi)側(cè)輸出鏡3的一側(cè)平面鍍有部分反射膜，另一側(cè)平面鍍有增透膜。環(huán)形墊4是一個 金屬材料制成的環(huán)形墊，兩側(cè)平面具有極高的平行精度，即平行精度小于2角秒，并在合適 半徑位置加工有可裝橡膠密封圈的環(huán)形凹槽，在徑向加工有相對的環(huán)形墊第一通孔4-1和 環(huán)形墊第二通孔4-2，并且，環(huán)形墊第一通孔4-1與安裝座第一通孔1-1相通，環(huán)形墊第二通 孔4-2與安裝座第二通孔1-2相通。激光器工作腔體5在與內(nèi)側(cè)輸出鏡3接觸面的合適位置加工有可裝橡膠密封圈的環(huán)形凹槽。雙層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置中各零件的安裝關(guān)系如圖1所示內(nèi)側(cè)輸出鏡3 緊靠在激光器工作腔體5上，其鍍有部分反射膜的表面朝向工作腔側(cè)，激光器工作腔體5的 環(huán)形凹槽內(nèi)裝有橡膠密封圈，使內(nèi)側(cè)輸出鏡3與激光器工作腔體5之間形成密封連接；激 光器工作腔體5上設(shè)有吹氣裝置，在激光器工作時可將混合好的工作氣體直接吹到內(nèi)側(cè)輸 出鏡3的腔內(nèi)側(cè)表面上(為使激光器功率穩(wěn)定，設(shè)有充排氣方法，發(fā)射激光時可實時補充新 氣，排出廢氣，保持工作氣壓的穩(wěn)定，該吹氣方法與補充新氣是合二為一結(jié)合在一起的)，對 內(nèi)側(cè)輸出鏡3起到防污冷卻作用。將環(huán)形墊4設(shè)置在內(nèi)側(cè)輸出鏡3與外側(cè)輸出鏡2之間，環(huán) 形墊4兩側(cè)平面的環(huán)形凹槽內(nèi)都裝有橡膠密封圈，使內(nèi)側(cè)輸出鏡3與外側(cè)輸出鏡2之間形 成密閉狀態(tài)。采用安裝座1將內(nèi)側(cè)輸出鏡3、環(huán)形墊4和外側(cè)輸出鏡2緊固在激光器工作腔 5上，并將其徑向通氣孔與環(huán)形墊4上的徑向通氣孔位置對正，使流道通暢。安裝座1上的 徑向通氣孔與一套設(shè)有風(fēng)機、換熱器、真空泵和壓力顯示儀器的管道相連，形成密閉循環(huán)管 道，使用時先采用純凈氮氣將密閉管道清洗干凈，然后采用真空泵抽真空至0. 05MI^壓力， 激光器工作時，啟動驅(qū)動風(fēng)機使氣體循環(huán)流動，對內(nèi)側(cè)輸出鏡3和外側(cè)輸出鏡2都起到冷卻 作用。安裝座1上還設(shè)有冷卻通道，與外部一水循環(huán)管路相連，激光器工作時通過水循環(huán)對 內(nèi)側(cè)輸出鏡3和外側(cè)輸出鏡2起輔助的冷卻作用。本發(fā)明以雙層氣流冷卻輸出鏡裝置為例來說明本發(fā)明的技術(shù)方案，但并不只限于 兩層，也可形成三層或更多層結(jié)構(gòu)形式。以三層為例，每塊輸出鏡的厚度將是原一塊輸出鏡 的三分之一，會形成兩個氣體密閉循環(huán)通道，靠近激光器工作腔的通道充氣壓力為三分之 一大氣壓(0. 33MPa)，靠近大氣側(cè)的通道充氣壓力為三分之二大氣壓(0.66MPa)，其它技術(shù) 特征與雙層結(jié)構(gòu)的相同。對于采用雙層輸出鏡在鏡片厚度還較厚的情況下，就可以考慮采 用三層甚至更多層的結(jié)構(gòu)，將會對減小輸出鏡材料本體損傷起到良好的效果。
權(quán)利要求
1.多層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置，其特征在于，該裝置包括多塊輸出鏡、多個環(huán)形墊 和一個安裝座；每塊輸出鏡的厚度相同，一塊輸出鏡的一面鍍有部分反射膜，另一面鍍有增 透膜，其余輸出鏡的兩面都鍍有增透膜；多塊輸出鏡呈同軸且平行設(shè)置，鍍有部分反射膜的 輸出鏡置于激光器工作腔側(cè)，且鍍有部分反射膜的一面與激光器光學(xué)諧振腔的凹面全反射 鏡相對，同時該輸出鏡與激光器工作腔體的接觸面密封，其余的兩面都鍍有增透膜的輸出 鏡依次排列，最外側(cè)接觸大氣；多塊輸出鏡之間分別通過環(huán)形墊兩兩相隔，且環(huán)形墊與輸出 鏡的接觸面密封，多塊輸出鏡的組合通過安裝座固定在激光器工作腔體上。
2.如權(quán)利要求1所述的多層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置，其特征在于，所述環(huán)形墊在 徑向設(shè)置有相對的兩個通孔。
3.如權(quán)利要求1或2所述的多層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置，其特征在于，所述安裝座 在徑向設(shè)置有相對的通孔，并與所述環(huán)形墊的通孔沿軸向依次對應(yīng)。
4.如權(quán)利要求1所述的多層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置，其特征在于，所述每兩塊輸 出鏡之間的密閉空間內(nèi)設(shè)有密閉循環(huán)冷卻氣流。
全文摘要
多層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置屬于高功率脈沖氣體激光器領(lǐng)域，該裝置包括多塊輸出鏡、多個環(huán)形墊和一個安裝座；輸出鏡厚度相同，一塊輸出鏡一面鍍部分反射膜，另一面鍍增透膜，其余輸出鏡的兩面都鍍增透膜；輸出鏡呈同軸且平行設(shè)置，鍍反射膜的輸出鏡置于激光器工作腔側(cè)，且鍍反射膜的面與光學(xué)諧振腔的凹面全反射鏡相對，其余兩面都鍍增透膜的輸出鏡依次排列，最外側(cè)接觸大氣；多塊輸出鏡之間分別通過環(huán)形墊兩兩相隔，且環(huán)形墊與輸出鏡的接觸面密封，密封后的輸出鏡通過安裝座固定在激光器工作腔體上，在兩塊輸出鏡之間形成的密閉空間設(shè)有密閉循環(huán)冷卻氣流。本發(fā)明降低了激光對輸出鏡材料本體的損傷程度，提高了輸出鏡材料本體的使用壽命周期。
文檔編號H01S3/041GK102082387SQ201010613610
公開日2011年6月1日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者孟范江, 張傳勝, 邵春雷, 郭勁 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所