具有快速功率控制的二氧化碳激光器制造技术

本发明专利技术涉及一种能实现快速功率调制、尤其能实现高效Q开关的二氧化碳激光器。其核心思路是将谐振器划分为主要包含激活介质(1)的高功率支路以及低功率反馈支路(14)，将用于光束整形的功率敏感元件尤其是调制器布置在低功率反馈支路之中，适当布置偏振分束器(5)和λ/4移相器(2)就能实现。可以自由调整这两个元件之间的角度因此能够特别灵活地实现不同的工作模式，尤其能优化脉冲产生期间的反馈率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在利用激光器对各种不同的材料进行精加工(精密加工)的绝大多数应用情况下均使用脉冲辐射，这涉及所有类型的材料加工激光器。应用情况例如有切割、钻孔以及金属、陶瓷、塑料等等的材料去除。现代固体激光系统(二极管泵送Nd：YAG激光器，薄片激光器，光纤激光器，钛：蓝宝石激光器等等)具有脉冲性能可变范围很大的特征(从100fs跨越ps和ns直至μs范围)，但是从成本和长年的经验来看，在工业应用方面还远远落后于二氧化碳激光器。但是所有迄今为止适合于材料加工的商用二氧化碳激光器的主要缺点就是其快速功率控制能力有限，因此其脉冲性能也有限。若为例如具有千瓦级cw输出功率的二氧化碳高功率激光器，如果要将输出功率尽可能有效地转变为脉冲辐射，就会受到很大限制。仍然没有商用二氧化碳激光器能够以具有准Q开关特性的脉冲发出脉冲辐射，也就是与ns和μs脉冲长度范围内的cw功率相比功率增强至少10倍，其中作为要满足的附加要求，对于大多数二氧化碳激光器而言比较好的典型K值(至少0.6)应尽可能保持不变，并且要能够将潜在可供使用的功率(cw)有效转变为脉冲系统的平均功率。从下列多个方面来看，给材料加工系统配备这种二氧化碳激光器意味着很大的技术进步：a)还能够更加有效地执行迄今为止利用二氧化碳激光器实现的应用。b)可以利用这种二氧化碳激光器实现很多迄今为止留给其它类型激光器的应用(例如对铜和铝以及必须采用特殊脉冲参数才能进行加工的其它金属-譬如钛-进行精密钻孔和切割)，或者可以实现全新的应用。c)设备的灵活性特别高，因为可以处理极其不同的任务，在现有技术条件下需要结合运用不同类型的激光器才能完成这些任务。这里应重新提及的是例如具有精细钻孔、高难度切割轮廓的复杂部件的总体生产效率。同样重要的是可以迅速更换材料类型，例如从金属变为陶瓷。可以将现有技术的特征总结如下。由于其激活介质的储存性能极好，因此二氧化碳激光器适用于功率增强100倍以上的不同类型的Q开关。在其迅猛发展的前二十年中，已经研究了无数的类型，从利用简单旋转反射镜的主动Q开关、电光调制和声光调制、直至利用SF6甚至在CO2-TEA激光器利用锁模技术的被动Q开关(参见W.J.Witteman，″The CO2Laser\，Springer-Verlag 1987)。更多概况介绍可参阅例如：SPIE Milestone Series Vol.MS 22，″Selected Papers on CO2Lasers\，ed.by James D.Evans，SPIE 1990。基于这一事实，首先看起来令人差异的是，这些方法实际上在用于材料加工的二氧化碳激光器中并未得到广泛应用。该方法保持为仍然还是基础研究、大型激光控制核聚变研究设备方面感兴趣的对象，但在工业应用方面仅在一些冷僻领域起作用。与此相反，简单但是功能可靠而且便宜的通过气体放电使二氧化碳激光器产生脉冲的方法则大行其道，实际上在每一种材料加工激光器中均利用该方法，尽管这种方法有严重的弱点，例如所产生的脉冲的功率增强很小、脉冲持续时间较大以及脉冲重复频率很小。对于众多应用而言重要的短脉冲范围(μs及以下)几乎被以上提及的固体激光系统所占据，已证明其原因很少在于激活介质的增益特性，而是更多在于波长。有很多特别适合于可见光波段和1μm左右近红外波段激光器的光学材料，例如晶体或者玻璃，这些材料均有吸收小、耐辐射性能高、电光和弹光系数大以及加工和涂层能力极佳的特点，而波长在10μm左右的材料范围则有限，尤其当涉及电光效应之类的特殊特性的时候，电光效应实际上仅限于CdTe，或者当涉及良好声光特性的时候，只有Ge才有所需的良好声光特性。普遍的问题是耐辐射能力有限，其中首要问题并非是太高的强度引起器件损坏，而是远在损伤阈值之前就已出现的、并且尤其与这些材料比较高的dn/dT(温度变化引起的折射率变化)引起的光学效应，所述光学效应会引起波前变形，并且主要对于激光谐振器之内的应用、例如对于Q开关而言是不可接受的，因为会导致激光器的光束质量严重依赖于功率。利用干涉输出元件进行输出调制，就是一种很有前景的将二氧化碳激光器中可供使用的潜在功率完美转换成强辐射脉冲的方法(参见Schindler，K.；Staupendahl，G.：“用于材料加工的新型二氧化碳激光器”，激光年鉴(第3版)，出版者H.Kohler，Vulkan-Verlag 1993，第9～14页以及DDR专利WP H 01 S/2860725(1986)“高功率二氧化碳激光器辐射的波长选择与内部功率调制装置”)。然而这里也由于干涉输出耦合元件的、关键器件的功率敏感性，仍然没有成功以适合于工业的方式转变为较高的平均功率的领域。由于实际意义很高，因此实现最优脉冲二氧化碳激光器仍然是激光发展的重要目标，从而在最近十年中又重新出现了关于该问题的专利文献。例如在编号为6,826,204的美国专利中就描述了具有CdTe电光Q开关的用于材料加工的脉冲二氧化碳激光器。关于Q开关的辐射负荷应尽可能小、同时平均激光输出功率(这对于高效材料加工来说特别重要)应尽可能高的基本问题，该专利文献中没有解决方案。同一个申请人的后续专利US 7,058,093也有类似情况。这里将利用CdTe调制器实现电光Q开关的原理与特殊的功率输出耦合原理，腔倒空(cavity dumping)相结合。目的是实现与激光器的cw功率相比尽可能大幅度增强脉冲峰值功率、同时脉冲重复频率极高的脉冲序列。这里也没有解决辐射负荷的问题。由于与CdTe相比Ge的光学特性好得多，利用基于Ge的声光调制器实现二氧化碳激光器的Q开关也是令人感兴趣的方法。DE 112008001338T5就描述了这样一种激光器。专利说明书并没有说明谐振器设计中用以实现较高平均输出功率同时实现良好光束质量的特殊措施。本专利技术所述装置的目的在于适当改进常规型式的二氧化碳激光器(尤其是用于材料加工的激光器，例如慢速或者快速轴流系统，但也包括固定充气的此类系统)，从而得到全新的快速功率控制方法，尤其是产生辐射脉冲的方法，其特征在于参数范围很宽，尤其是一方面可随时间进行控制，直至达到ns范围，另一方面脉冲峰值功率可达到100kW量级，并且平均功率达到千瓦级。采用权利要求所述的对象，即可解决这一任务。如果权利要求中提及谐振器轴线的直线或者弯折走向，则所涉及的是激光器纵向延伸内的几何中线。不应将此与光路混淆，因为只有当偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
二氧化碳激光器，具有在两端利用谐振器端镜(3，4)封闭的含有激活介质(1)的谐振器，并且具有用于供应泵送能量的电极，其中正交于谐振器端镜(3，4)延伸，在谐振器轴线(11)方向将所述谐振器在谐振器端镜(3，4)之间划分为高功率支路和反馈支路(14)，其中通过用来将谐振器中产生的激光束(7)的一部分输出耦合的偏振分束器(5)将高功率支路和反馈支路(14)相互分开，其中将激活介质(1)和λ/4移相器(2)布置在第一谐振器端镜(3)和偏振分束器(5)之间的高功率支路之中，其中将光束整形元件(15)布置在第二谐振器端镜(4)和偏振分束器(5)之间的反馈支路(14)之中，其中所述λ/4移相器(2)和偏振分束器(5)能够相对彼此以角度旋转，而且是以平行于谐振器轴线(11)的至少一个旋转分量围绕旋转轴线或者围绕谐振器轴线(11)旋转，其中所述谐振器轴线(11)直线延伸，或者被偏振分束器(5)折弯地伸展，并且其中可以通过作为光束整形元件(15)的波长选择元件替换第二个谐振器端镜(4)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.02.03 DE 102012002470.31.二氧化碳激光器，具有在两端利用谐振器端镜(3，4)封闭的含有
激活介质(1)的谐振器，并且具有用于供应泵送能量的电极，
其中正交于谐振器端镜(3，4)延伸，在谐振器轴线(11)方向将所
述谐振器在谐振器端镜(3，4)之间划分为高功率支路和反馈支路(14)，
其中通过用来将谐振器中产生的激光束(7)的一部分输出耦合的偏振
分束器(5)将高功率支路和反馈支路(14)相互分开，
其中将激活介质(1)和λ/4移相器(2)布置在第一谐振器端镜(3)
和偏振分束器(5)之间的高功率支路之中，
其中将光束整形元件(15)布置在第二谐振器端镜(4)和偏振分束器
(5)之间的反馈支路(14)之中，
其中所述λ/4移相器(2)和偏振分束器(5)能够相对彼此以角度旋
转，而且是以平行于谐振器轴线(11)的至少一个旋转分量围绕旋转轴线或
者围绕谐振器轴线(11)旋转，
其中所述谐振器轴线(11)直线延伸，或者被偏振分束器(5)折弯地
伸展，并且
其中可以通过作为光束整形元件(15)的波长选择元件替换第二个谐
振器端镜(4)。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳激光器，其中谐振器(14)尤其是
高功率支路中的激活介质具有小于0.2巴、尤其小于0.1巴的压力，并且/
或者其中将λ/4移相器(2)布置在激活介质(1)和第一谐振器端镜(3)
之间。
3.根据权利要求1或2所述的二氧化碳激光器，其中两个谐振器端
镜(3，4)具有大于95％、尤其大于99％的反射率。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的二氧化碳激光器，其中所述光
束整形元件(15)选自由功率调制元件、波长选择元件、特殊光阑以及2个
或更多此类元件的组合体组成的群组。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的二氧化碳激光器，其中所述λ/4
移相器(2)尤其是适合于高功率的λ/4相位延迟反射镜(16)。
6.根据权利要求1～6中任一项所述的二氧化碳激光器，
其中可以调整角度其条件是经由激活介质(1)在偏振分束器(5)

\t的方向上传...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉斯贝特·施陶彭达尔，
申请(专利权)人：IAI工业系统有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL