高功率激光器的波导光束调节制造技术

一种波导小孔光束调节器包括：输入端口部段，所述输入端口部段具有接收有像差的激光束的输入端口；细长的波导主体，所述细长的波导主体由不透光材料形成，并且具有穿过其中形成的内孔；以及输出端口，所述输出端口接收导波的光束并且输出经调节的输出激光束。所述内孔的内表面为聚焦的输出光束形成波导，从而生成导波的光束。

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
大功率激光器用于材料的切割、钻孔、焊接、标记、雕刻等。特别地，当激光器内的气体介质通过在一对电极之间的射频(RF)能量的施加激励时，RF激励的气体激光器产生激光能量。气体激光器的示例为二氧化碳(CO2)激光器。激光器(特别是RF激励的气体激光器)的性能参数通常可以由激光器功率、功率稳定性和光束模式质量来表征。这些性能参数中的每一个可以受激光器自身内的一个或多个条件影响。例如，RF激励的气体激光器的电极内的气体的变化的条件可以影响电极内的气体放电的均匀性。这接着影响M2(读作“M平方”)参数，该参数被定义为实际光束的光束参数积(BPP)与在相同波长下的理想的高斯光束的光束参数积的比率(例如，“光束质量因子”)。参见，例如，The Physics and Technology of Laser Resonators,Jackson and Hall eds.其它性能指标包括椭圆度(或不对称度)和像散。参见标准ISO11145、ISO11146-1和ISO11146-2。M2因子性能指标表征了激光束可以聚焦的品质，即，聚焦强度。“完美”的光束(即，具有衍射极限性能的光束)由M2＝1.0来限定。术语“衍射极限”是指光学性质仅受衍射的不可避免的物理现象限制的光束—即，光束不具有可能负面地影响光束的性质的任何常见像差，例如，球面像差、彗形像差等。这些常见像差(其可能例如由光学系统的透镜和反射镜引起)的存在将对聚焦光斑尺寸设定较低的限制，该尺寸大于衍射极限光斑尺寸。另一方面，对于给定尺寸和波长的光束来说，衍射极限光束可以被聚焦到最小的理论光斑尺寸。激光束的椭圆度被定义为在沿着光束的特定位置处沿着光束的长轴和短轴的光斑宽度的比率。激光束的像散被定义为在激光束的光束腰部位置(具有最小光斑尺寸的位置)中的差值。换句话讲，如果设想人们沿着像散光束行进，其首先可能看到光束尺寸在x方向上达到最小值(y方向仍然不聚焦)，然后进一步行进，在y方向上的光束尺寸达到最小值的同时，x方向将扩散。在最小光束尺寸的x位置和y位置之间沿着光束的距离表征光束的像散。如果在激光束中存在椭圆度和/或像散，光束的对称性将沿着光束路径变化。对于具有椭圆和/或像散输出的激光束来说，当在材料加工应用中使用时，激光束的性能将被不利地影响，这是因为在被加工材料上聚焦的激光束的尺寸和/或形状将是次佳的，例如，在被加工材料上的激光光斑可能比理想的大。如果光束在聚焦到被加工部件上时为椭圆的，甚至具有完美的光束质量的激光器(即，M2＝1.0)也会产生较差的结果。这是因为，最佳的加工需要将最高可能的光功率密度入射到被加工部件的表面上。在椭圆和/或像散的光束中，聚焦光束功率密度将从其理论最大值减小，理论最大值将由完美的圆形光束产生。在一些情况下，椭圆光束可以通过在激光器的输出上使用一个或多个圆柱形透镜来矫正，但这可能加重光束的像散。此外，可能无法在不同的激光管之间一致地控制椭圆度，因为每个激光器的输出的对准和/或生产组装公差可能略微不同。因此，对于每次组装来说，可能需要不同焦距长度的透镜。甚至对于可以在不同的输入功率和操作频率下操作的单个激光器的情况来说，输出激光模式不可避免地发生变化，从而需要为每种激光器操作条件使用不同的光束调节布置。
技术实现思路
本
技术实现思路
被提供以用于引入一系列概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本
技术实现思路
并非旨在识别要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不旨在用作限制要求保护的主题的范围的辅助手段。本公开的示例性实施方式涉及一种激光器，该激光器包括由间隙区域分离的第一电极和第二电极，间隙区域具有在第一电极内表面和第二电极内表面之间的间隙厚度。放电区域设置在间隙区域的中央部分内，且激光介质设置在放电区域内。放电区域还设置在光学腔体内。激光器还包括输出端口，以用于允许激光器的输出光束离开光学腔体。波导小孔包括：输入端口部段，其具有接收输出光束的输入端口；细长的波导主体，其具有穿过其中形成的内孔；以及输出端口，其接收导波的光束并且输出激光器的经调节的输出光束。内孔的横向宽度的横向尺寸足够小，以造成输出光束被内孔导波。本公开的示例性实施方式涉及一种用于调节激光器的输出光束的光束调节设备。光束调节设备包括光学耦合元件，该光学耦合元件将激光器的输出光束耦合到波导小孔的输入端口中。波导小孔包括：输入端口部段，其包括接收聚焦的输出光束的输入端口；细长的波导主体，其由不透光材料形成，并且具有穿过其中形成的内孔；以及输出端口，其接收导波的光束并且输出经调节的激光器的输出光束。内孔的内表面为聚焦的输出光束形成波导，从而生成导波的光束。本公开的示例性实施方式涉及一种波导小孔光束调节器。波导小孔光束调节器包括：输入端口部段，其包括接收有像差的激光束的输入端口；细长的波导主体，其由不透光材料形成，并且具有穿过其中形成的内孔；以及输出端口，其接收导波的光束并且输出经调节的输出激光束。内孔的内表面为聚焦的输出光束形成波导，从而生成导波的光束。本公开的示例性实施方式涉及一种用于调节激光器的输出光束的方法。该方法包括：将激光器的输出光束耦合到波导小孔的输入端口中；由内孔的内表面导波聚焦的输出光束，从而生成导波的光束；以及由输出端口输出导波的光束，从而生成经调节的激光器的输出光束。波导小孔包括：输入端口部段，其包括接收聚焦的输出光束的输入端口；以及细长的波导主体，其由不透光材料形成，并且具有穿过其中形成的内孔。本专利技术的其它方面将从以下描述和所附权利要求显而易见。附图说明图1示出了根据一个或多个实施方式的波导调节激光器系统；图2示出了根据本专利技术的一个或多个实施方式的激光束调节系统；图3A-3D示出了根据本专利技术的一个或多个实施方式的用于激光束调节的波导小孔的横截面。图4示出了根据本专利技术的一个或多个实施方式的用于激光束调节的波导小孔。图5A-5C示出了根据本专利技术的一个或多个实施方式的用于激光束调节的波导小孔的横截面。图6A示出了根据本专利技术的一个或多个实施方式的激光器的透视图；图6B示出了根据本专利技术的一个或多个实施方式的非稳定激光谐振器的俯视图；图7示出了根据本专利技术的一个或多个实施方式的激光谐振器的横截面。图8示出了根据本专利技术的一个或多个实施方式的光损耗与波导小孔的内孔的直径的关系的图线。图9示出了根据本专利技术的一个或多个实施方式的光损耗与波导小孔的总长度的关系的图线。图10示出了根据一个或多个实施方式的用于高功率激光器的波导调节的方法的流程图。具体实施方式现在将参照附图详细地描述用于高功率激光器的波导调节的具体实施方式。在各个附图(也称为图)中类似的元件由类似的附图标记表示以实现一致性。在实施方式的以下详细描述中，示出了许多具体细节，以便提供对带有挡板的激光管的更透彻的理解。然而，本领域的普通技术人员将显而易见的是，这些实施方式可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其它情况中，未详细描述熟知的特征，以免使描述不必要地复杂化。一般来讲，本公开的一个或多个实施方式涉及波导小孔光束调节器和激光器系统以及用于减小或消除椭圆度和像散并且使用波导小孔光束调节器改善激光器中的光束质量的方法。所公开的示例特别地涉及混合波导非稳定CO2谐振器，但在不脱离本公开的范围的情本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光器，包括：第一电极，所述第一电极包括第一电极内表面；第二电极，所述第二电极包括第二电极内表面，其中，所述第一电极在第一横向方向上与所述第二电极分离，从而限定在所述第一电极内表面和所述第二电极内表面之间具有间隙厚度的间隙区域；其中，放电区域设置在所述间隙区域的中央部分内；激光介质，所述激光介质设置在所述放电区域内；其中，所述放电区域设置在光学腔体内；输出端口，以用于允许所述激光器的输出光束离开所述光学腔体；以及波导小孔，所述波导小孔包括：输入端口部段，所述输入端口部段包括接收所述输出光束的输入端口；细长的波导主体，所述细长的波导主体具有穿过其中形成的内孔，其中，所述内孔的横向宽度足够小，以造成所述输出光束被所述内孔导波；输出端口，所述输出端口接收所述导波的光束并且输出所述激光器的经调节的输出光束。

【技术特征摘要】
2015.05.08 US 14/707,0851.一种激光器，包括：第一电极，所述第一电极包括第一电极内表面；第二电极，所述第二电极包括第二电极内表面，其中，所述第一电极在第一横向方向上与所述第二电极分离，从而限定在所述第一电极内表面和所述第二电极内表面之间具有间隙厚度的间隙区域；其中，放电区域设置在所述间隙区域的中央部分内；激光介质，所述激光介质设置在所述放电区域内；其中，所述放电区域设置在光学腔体内；输出端口，以用于允许所述激光器的输出光束离开所述光学腔体；以及波导小孔，所述波导小孔包括：输入端口部段，所述输入端口部段包括接收所述输出光束的输入端口；细长的波导主体，所述细长的波导主体具有穿过其中形成的内孔，其中，所述内孔的横向宽度足够小，以造成所述输出光束被所述内孔导波；输出端口，所述输出端口接收所述导波的光束并且输出所述激光器的经调节的输出光束。2.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述输入端口部段和所述细长的波导主体形成一体化单元。3.根据权利要求2所述的激光器，其中，所述一体化单元由金属材料形成。4.根据权利要求2所述的激光器，其中，所述一体化单元由陶瓷材料形成。5.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述输入端口部段由金属材料形成，并且所述细长的波导主体由陶瓷材料形成。6.根据权利要求1所述的激光器，其中，在所述内孔的横向宽度a和所述细长的波导主体的长度L之间的关系满足关系1≤a2/Lλ，其中，λ为所述输出光束的波长。7.一种用于调节激光器的输出光束的光束调节设备，所述光束调节设备包括：光学耦合元件，所述光学耦合元件将所述激光器的输出光束耦合到波导小孔的输入端口中；以及所述波导小孔，包括：输入端口部段，所述输入端口部段包括接收聚焦的输出光束的所述输入端口；细长的波导主体，所述细长的波导主体由不透光材料形成，并且具有穿过其中形成的内孔，其中，所述内孔的内表面为所述聚焦的输出光束形成波导，从而生成导波的光束；输出端口，所述输出端口接收所述导波的光束并且输出所述激光器的经调节的输出光束。8.根据权利要求7所述的光束调节设备，其中，所述输入端口部段和所述细长的波导主体形成一体化单元。9.根据权利要求8所述的光束调节设备，其中，所述一体化单元由金属材料形成。10.根据权利要求8所述的光束调节设备，其中，所述一体化单元由陶瓷材料形成。11.根据权利要求7所述的光束调节设备，其中，所述输入端口部段由金属材料形成，并且所述细长的波导主体由陶瓷材料形成。12.根据权利要求7所述的光束调节设备，其中，在所述内孔的横向宽度a和所述细长的波导主体的所...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹森·W·贝瑟尔，
申请(专利权)人：GSI集团公司，
类型：发明
国别省市：美国;US