相位鎖定兩鏡腔共點組合二氧化碳激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學、光學工程和太赫茲激光領(lǐng)域，尤其涉及一種相位鎖定兩鏡腔共點組合二氧化碳激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化碳激光器是最早的分子氣體激光器，放電管為圓形放電管，采用直流放電，但激光器工作需要采取冷卻措施，這種激光器件I米長放電管輸出40W 二氧化碳激光；近年來，國際上激光加工系統(tǒng)主要采用二氧化碳激光器，其產(chǎn)值超過30億美元。波導(dǎo)型、軸快流型、橫流型二氧化碳激光器是激光加工系統(tǒng)中最主要的激光器，波導(dǎo)型二氧化碳激光器由于重量輕、體積小而直接被架于機床加工，軸快流型二氧化碳激光器是利用氣體對流方式來排出工作氣體的廢熱，從而提高電光轉(zhuǎn)換效率和輸出功率，主要用于金屬、非金屬材料的焊接、打孔、切割等，橫流型二氧化碳激光器增益體積大，可輸出上萬瓦的激光，但激光模式相對較差，因此，主要用于金屬材料的焊接、熱處理和表面處理。以上激光器在激光加工領(lǐng)域雖然具有各自的優(yōu)點，但也存在不足之處，流動型二氧化碳激光器雖然輸出功率高，但激光器的體積龐大，因此加工機機頭和激光器只能是分離的，因此激光的直線傳輸和光路控制都是依靠光學元件和相應(yīng)的控制措施來實現(xiàn)；相比之下，平板波導(dǎo)型二氧化碳激光器體積小可直接架于加工機機床，但該激光器的輸出功率由于結(jié)構(gòu)限制，從而難以提高。為了提高輸出，通常采用增加放電管數(shù)量來提高增益，在已有的專利中，雖然已提出了高功率二氧化碳激光器裝置(發(fā)明專利名稱:大功率氣體激光器的構(gòu)建方法及裝置，申請?zhí)?CN200310104017 ;發(fā)明專利名稱:一種行波腔高功率二氧化碳激光器的構(gòu)建方法及裝置，申請?zhí)?CN201410470437)，上述發(fā)明的各個放電管相交于輸出鏡鏡面中心，即來自各個諧振腔的振蕩光束具有公共輸出點。對于放電管較多的高功率激光器，對稱的陣列激光束相交于輸出鏡鏡面上一點，必然導(dǎo)致輸出鏡局部功率密度過大，從而引起非線性效應(yīng)，導(dǎo)致輸出鏡溫度過高，從而引起熱透鏡效應(yīng)，進而導(dǎo)致輸出光束質(zhì)量變差。已有的發(fā)明專利，發(fā)明專利名稱:一種兩鏡腔高功率陣列氣體激光器的構(gòu)建方法及裝置，申請?zhí)?CN201510009838，采用兩鏡腔，雖然能有效地避免上述局部激光功率密度過大和溫度過高的問題，但其相干性不能滿足激光快速加工和高精度加工的要求，也不能為太赫茲激光提供一種穩(wěn)定的理想的激光光源。
[0003]因此，現(xiàn)有技術(shù)存在缺陷，需要改進。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種相位鎖定兩鏡腔共點組合二氧化碳激光器，輸出光束是具有極好相干性的二氧化碳激光。
[0005]為了達到上述目的本發(fā)明采用如下方案:
[0006]相位鎖定兩鏡腔共點組合二氧化碳激光器，包括9根放電管，9個分別連接在9根放電管上的電源陽極，用于支撐放電管的放電管第一支架和放電管第二支架，及電源陰極、儲氣室、回氣裝置接口、輸出鏡、鎖相鏡和球面反射鏡；
[0007]所述的9根放電管關(guān)于激光器對稱軸呈軸對稱放置，其中I根放電管軸線與激光器對稱軸重合，另外8根放電管關(guān)于這I根放電管呈軸對稱分布，9根放電管的軸線與激光器對稱軸相交于公共交點；各個放電管左端均密封并對稱固定在放電管第一支架上，右端對稱固定在放電管第二支架上；
[0008]所述的9個電源陽極分別密封連接在距各個放電管左端端面5cm處；
[0009]所述的球面反射鏡能夠?qū)碜?根放電管的光束原路反射并聚焦于公共交點；
[0010]所述輸出鏡為彎凸鏡，放置在激光器對稱軸上，且位于公共交點右側(cè)20cm處，第一反射面的曲率半徑為20cm，第二反射面的曲率半徑為12cm，折射率為1.5，且輸出鏡中心是1cm的空腔；會聚鏡焦距為10cm，放置在激光器對稱軸上，且位于輸出鏡后40cm處；
[0011]所述儲氣室密封連接在放電管第二支架與輸出鏡之間，電源陰極與回氣裝置接口密封連接在儲氣室上，各個放電管與放電管支架之間均密封連接；
[0012]所述鎖相鏡放置在激光器對稱軸上，且位于輸出鏡后15cm處，第二反射面的反射率為10%，透射率為90%，曲率半徑為70cm ;或鎖相鏡放置在激光器對稱軸上，且位于輸出鏡后5cm處，第二反射面的反射率為10%，透射率為90%，曲率半徑為50cm ;
[0013]所述球面反射鏡、軸線與激光器對稱軸重合的I根放電管、鎖相鏡構(gòu)成第一兩鏡腔或軸上兩鏡腔；球面反射鏡、另外8根放電管、輸出鏡分別構(gòu)成第二兩鏡腔、第三兩鏡腔、第四兩鏡腔、第五兩鏡腔、第六兩鏡腔、第七兩鏡腔、第八兩鏡腔、第九兩鏡腔；公共交點位于各個兩鏡腔內(nèi)；
[0014]在放電管內(nèi)充入C02、N2, He的混合氣體，且各個兩鏡腔的反射和透射是針對波長
10.6 μπι的，通過電源激勵放電管內(nèi)的混合氣體，并在兩鏡腔作用下輸出呈對稱分布的二氧化碳陣列激光束。
[0015]進一步地，所述球面反射鏡放置在激光器第一支架上、放電管第一支架放置在激光器第二支架上、放電管第二支架放置在激光器第三支架上、輸出鏡放置在激光器第四支架上、鎖相鏡放置在激光器第五支架上、會聚鏡放置在激光器第六支架上；激光器第一支架、激光器第二支架、激光器第三支架、激光器第四支架、激光器第五支架、激光器第六支架放置在激光器第七支架上。
[0016]進一步地，所述放電管均為圓形管，由石英材料制成，其內(nèi)徑均為12mm，外徑均為14mm0
[0017]進一步地，所述球面反射鏡為組合鏡或球面鏡。
[0018]進一步地，所述組合鏡包括在在鏡面上對稱放置的第一凹面全反射鏡、第二凹面全反射鏡、第三凹面全反射鏡、第四凹面全反射鏡、第五凹面全反射鏡、第六凹面全反射鏡、第七凹面全反射鏡、第八凹面全反射鏡和第九凹面全反射鏡，其軸線分別與第一放電管、第二放電管、第三放電管、第四放電管、第五放電管、第六放電管、第七放電管、第八放電管和第九放電管的軸線重合；各個凹面全反射鏡曲率半徑為2m，橫向尺寸均為6cm，其鏡面中心均位于組合鏡的同一球面上。
[0019]進一步地，首先對軸線與激光器對稱軸重合的I根放電管放電，并在由組合鏡和位于輸出鏡后15cm處的鎖相鏡構(gòu)成第一兩鏡腔作用下產(chǎn)生控制光束；控制光束被鎖相鏡的第二反射面部分反射后作為注入光束從公共交點處發(fā)散地注入到各個兩鏡腔內(nèi)；組合鏡鏡面上的各個凹面全反射鏡與輸出鏡的參數(shù)選擇構(gòu)成非穩(wěn)腔，激光器的諧振腔長為L =
1.5m，從而獲得激光輸出；注入光束具有較大的激光尺寸和發(fā)散角，然后再對各個對稱的另外8根放電管進行直流放電；如果注入信號較強，注入光束將在各個兩鏡腔內(nèi)建立相應(yīng)的振蕩，并消耗腔內(nèi)的反轉(zhuǎn)粒子，然后在由組合鏡和輸出鏡的第一反射面組成的兩鏡腔作用下產(chǎn)生受激輻射光振蕩，其振蕩形式應(yīng)該與注入光束一致，即:振蕩光束的頻率和相位完全被注入光束所控制；該振蕩光束在兩鏡腔內(nèi)以駐波的形式振蕩并沿各自軸線方向傳輸放大；當各個兩鏡腔內(nèi)振蕩光束達到輸出閾值時，在輸出鏡表面得到對稱的發(fā)散的陣列光束，這些光束經(jīng)輸出鏡及會聚鏡會聚后變成相干性極好的會聚光束，并相交于會聚鏡的焦點處，從而實現(xiàn)相位鎖定。
[0020]進一步地，首先對軸線與激光器對稱軸重合的I根放電管放電，并在由曲率半徑為1.3m的球面鏡和位于輸出鏡后5cm處的鎖相鏡構(gòu)成第一兩鏡腔作用下產(chǎn)生控制光束；控制光束被鎖相鏡的第二反射面部分反射后作為注入光束從公共交點處以近似點光源的形式發(fā)散地注入到各個兩鏡腔內(nèi)；球面鏡與輸出鏡的參數(shù)選擇構(gòu)成共心腔，激光器的腔長為L=L 5m，從而獲得激光輸出；注入光束具有較大的激光尺寸和發(fā)散角，然后再對各個對稱的另外8