用于激光镜的热畸变补偿制造技术

本发明专利技术公开一种激光镜组件，其具有改善的指向稳定性。细长的镜包括凹形反射部分。一对细长平面部分平行于所述凹形反射部分并在其任何一面上延伸。平面部分从反射部分下降。该镜由铜形成。一对不锈钢条带（４０）与平面部分（２６）连接。铜镜和不锈钢条带（４０）之间的双金属效应操作以抵消镜的扭曲，所述镜的扭曲是由于在操作过程中产生的差温加热效应而导致的。在可选择的实施方案中，一对铝条带设置在镜的背面上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及高功率的二氧化碳盘形激光器。更具体地，本专利技术涉及降低热畸变和改善指向稳定性的镜系统的设计。
技术介绍
本专利技术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，其通过弓|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，并且是本专利技术的焦点。重要的是注意本专利技术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C02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。现有技术中提及镜加热的劣化作用。例如，美国专利No. 5，020, 895描述使用适应 光学技术来补偿镜的热变形。该方案包括使用有源电子反馈线路，其连接有传感器和制动 器，例如压电或调解液体或气体压力腔，以提供抵消曲率半径的力，所述曲率半径由镜上的 热效应引起。该方案增加了不需要的复杂性和激光器的成本。另一个现有技术是使用有源电子反馈线路，其连接有温度传感器和加热元件，以 加热共振器的镜的背部，从而建立抵消曲率半径变化的合适的温度分布(参见美国专利 No. 5，751，750)。后面专利还在方案中报道耦合出小部分的激光光束，并且使用其辐射镜的 背面以补偿镜的前面和背面的温度。这两种方案都增加了不需要的复杂性和激光器的成 本。美国专利No. 4，287，421公开了透明的镜的材料，其具有预密封的反射涂层以允 许少量的激光辐射通过涂层和镜的材料传播，从而反过来被镜的背侧上的涂层吸收。反射 和吸收参数被选择为使得被吸收涂层吸收的辐射足以加热镜的背侧，从而补偿镜的前面和 背面之间的温度梯度。该方案的限制为需要透明的镜的材料。因此，其不用于铜镜，我们相 信铜镜比Si或ZnSe镜更耐损害。
技术实现思路
本专利技术提出使用双金属效应以改善镜的热畸变而不是劣化镜的畸变。在优选的实 施方案中，激光器外壳的管座组件受到凸缘限定，在所述凸缘上设置镜支承体。细长的镜元 件安装至支承体。镜元件由金属形成，其包括在其前面上的弯曲部分，所述前面限定共振器 的一个反射表面。前面还包括至少一个、优选两个平行于镜的弯曲部分延伸的平面区域。这 些平面区域可从弯曲部分下降。根据本专利技术，金属条带设置在镜元件的平面部分上。这些条带由热膨胀系数低于 镜元件的金属材料的热膨胀系数的材料形成。在优选的实施方案中，镜元件由铜制成，条带 由不锈钢制成。由于两种材料的不同的膨胀率，因此镜和条带表现出双金属效应。在该情况下，双金属效应容易使凹镜更加凹陷。相反，差温加热容易使镜较少凹陷。通过合适地选择不锈 钢条带的厚度和尺寸，可平衡两种效应，因此使畸变最小化。在可选择的实施方案中，一个或多个金属条带设置在镜元件的背部。在该情况下， 条带的热膨胀系数被选择为大于镜元件的热膨胀系数，以对抗由于加热镜的前面而引起的 热梯度的作用。从参照附图的下列详述中，本专利技术的另外的目的和优点是明显的，其中附图简要说明附图说明图1是示出面向激光放电侧的现有技术的镜的管座和镜的设置的透视图。图2是示出激光室外侧的现有技术管座的透视图。图3A是根据本专利技术形成的管座和镜的组件的放大透视图。图3B是图3A的管座的配合透视图。图4A是根据本专利技术形成的用在放电的输出耦合侧上的管座和镜的组件的放大透 视图。图4B是图4A的管座的配合透视图。图5是示出在测试激光器中基于使用本专利技术的指向稳定性的改善的图。图6A是根据本专利技术的第二实施方案形成的管座和镜的组件的放大透视图。图6B是图6A的管座的配合透视图。优选实施方案的详述图1和2示出管座组件10。在我们的试验中使用管座组件10以设置弯曲的镜，所 述弯曲的镜形成co2盘形激光器的部分负支非稳共振器。管座组件包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在气体放电激光器中支承端镜的管座组件，包括：凸缘，包括面向所述放电的内表面和相对的外表面，所述凸缘包括镜支承体，所述镜支承体包括位于所述凸缘的所述内表面以附接于镜元件的柱，所述镜支承体还包括位于所述凸缘的所述外表面上的镜倾斜调整机构；细长的镜元件，其基本上由金属材料形成，并且在所述镜元件的所述背面附接于所述镜支承体的所述柱，所述镜元件的前面包括用于控制光的传播的细长弯曲反射部分，所述前面还包括平行于所述弯曲部分延伸的至少一个平坦表面；以及细长条带，其与所述镜元件的所述平坦表面连接，所述条带由热膨胀系数小于形成所述镜元件的所述金属材料的热膨胀系数的金属材料形成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：LA纽曼，VA塞坤，L拉夫曼，A帕帕奈德，
申请(专利权)人：相干公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]