波长区分板条激光器制造技术

在CO2气体混合物的仅一个发射带中产生激光辐射的CO2激光器(10)具有形成不稳定谐振器的谐振器镜(12,14)和位于谐振器的光轴(18)上的至少一个光谱选择元件(24,26)。至少一个光谱选择元件(24,26)可以是一个或多个突出或凹进表面的形式。通过沿光轴(18)形成包括至少一个光谱选择元件(24,26)的稳定谐振器来增强光谱选择性。通过沿光轴(18)平移至少一个光谱选择元件(24,26)，CO2激光器(10)能在发射带之间调谐。

WAVELENGTH DIFFERENTIAL SLAB LASER

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】波长区分板条激光器优先权本申请要求于2016年9月7日提交的德国专利申请第102016116779.7号的优先权，其全部公开内容通过引用结合于本文中。
本专利技术一般涉及控制激光器的光谱输出。它特别涉及在具有不稳定谐振器的激光器中选择增益介质的发射带。
技术介绍
二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO)激光器使用受激发的气体混合物中的分子振动和旋转状态之间的跃迁来产生红外激光辐射。在CO2激光器中，气体混合物包括CO2、氦气(He)、氮气(N2)和通常较小浓度的氢气(H2)。通过在两个电极之间施加电流或射频(RF)场来激励(泵送)气体混合物。RF泵浦具有更长电极寿命的优点。受激发的CO2气体混合物可以在多个波长范围(带)上发射激光辐射，其以9.3微米(μm)、9.6μm、10.2μm和10.6μm为中心。在平板构造中，气体混合物在两个紧密间隔的电极的平面波导表面之间的体积中通电。通过两个谐振器镜围绕受激励的气体混合物形成激光谐振器，本领域技术人员将其称为“输出耦合器”或“前镜”和“高反射器”或“后镜”。气体混合物占据体积，高度由电极之间的小间隙限定，长度由谐振器镜之间的距离限定，并且宽度由谐振器镜的宽度限定。在扩散冷却配置中，通过热扩散到电极来冷却气体混合物，电极通常包括含有流动液体冷却剂的通道。在快速流动配置中，通过在包括气体容器、激光谐振器和热交换器的回路中快速循环气体混合物来实现冷却。在平板构造中，谐振器镜通常形成不稳定的激光谐振器。由谐振器镜引导的自发发射的辐射在多次通过受激励的气体混合物期间通过受激发射被放大。输出激光辐射在从高反射器作为近似准直光束的最终反射之后离开激光谐振器，穿过输出耦合器中的孔或经过输出耦合器的外边缘。光束通过的孔或边缘区域通过透明窗口气密密封。CO2激光器主要用于工业材料加工，特别是用于切割，划线，标记和焊接。诸如塑料和木材之类的切削材料通常需要几十到几百瓦的功率，而切割和焊接金属和金属合金通常需要千瓦级的功率，这取决于工件的厚度。在特定应用中优选的发射带取决于被加工材料的吸收光谱。例如，10.2μm带优选用于切割某些类型的塑料，而表明9.3μm带优选用于牙科手术中的硬组织消融。通常，CO2激光器中的谐振器镜具有金属表面，其最通常是铜，或者是在9μm和11μm之间的所有发射带处反射的宽带涂层。CO2激光器倾向于在主导的10.6μm波段中工作。在其他发射带之一中没有任何杂散发射的情况下，纯粹在一个发射带中产生激光辐射是有挑战性的。仅产生具有较小的发射截面的9.3μm波段或9.6μm波段的激光辐射尤其具有挑战性。为了仅在一个发射带中产生激光辐射，至少一个谐振器镜可以涂覆有带选择性涂层，该带选择性涂层对于所选择的发射带是高度反射的并且对于其他发射带是弱反射的。由此抑制了其他发射带的激光。这种带选择性涂层比宽带涂层厚，具有由介电材料制成的许多四分之一波长厚的层。镜面设计针对所需的光谱选择性进行了优化，但是由于介电材料的相对低的导热性，这种厚涂层易于受到颗粒引起的光学损伤。由涂层表面上的颗粒吸收激光辐射引起的局部加热会引起灾难性损坏。这种厚涂层具有与下面的基底材料不同的热膨胀特性，也易于分层。与简单的宽带涂层相比，带选择性涂层的另一个缺点是成本高。已知通过将SiO2的钝化层施加到至少一个电极的平坦波导表面并精确地设定电极之间的距离，可以抑制更长波长10.2μm和10.6μm的波段。这种布置在美国专利第8,331,416号中有所描述，并且可以制成生成9.3μm波段的激光辐射，但不能仅在9.6μm波段或10.2μm波段内提供稳定的操作。需要一种高功率CO2激光器，其仅在一个选定的发射带中可靠地产生激光辐射，这对于制造而言是成本有效的并且不易于发生光学损坏。优选地，这种CO2激光器能够纯粹在9μm和11μm之间的任何一个发射带中产生激光辐射，其输出发射带在其制造或操作期间是可选择的。专利技术概述在一个方面，根据本专利技术的激光装置包括具有多个发射带的增益介质。提供第一和第二谐振器镜。每个谐振器镜具有反射表面。谐振器镜围绕增益介质布置以形成不稳定的激光谐振器，其具有光轴。谐振器镜中的至少一个包括光谱选择元件，其占据至少一个谐振器镜的反射表面的小于30％的部分。光谱选择元件位于光轴上。对于期望的发射带，光谱选择元件的反射损耗小于约4％，而对于其他发射带，反射损耗大于10％。激励增益介质产生来自不稳定的激光谐振器的激光辐射，不稳定的激光谐振器在所需发射带中具有比在其他发射带中更高的功率。附图说明包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示意性地示出了本专利技术的优选实施方案，并且与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本专利技术原理。图1A是横截面的平面图，示意性地示出了根据本专利技术的激光装置的优选实施方案，用于在增益介质的期望发射带中产生激光辐射，包括形成具有光轴的不稳定激光谐振器的双谐振器镜，并且两个光谱选择元件插入谐振器镜中并位于光轴上。图1B是横截面的侧视图，示意性地示出了图1A的激光装置。图1C是横截面的平面图，示意性地示出了图1A的激光装置的附加细节。图2是横截面的平面图，示意性地示出了根据本专利技术的激光装置的另一个实施方案的细节，类似于图1C的实施方案，但是仅包括一个能沿光轴平移的光谱选择元件。图3是示意性地示出作为沿着图2的激光装置的光轴的平移的函数的四个发射带中的分数幂的曲线图，激光装置具有增益介质，增益介质是气体混合物并且包括CO2。图4是横截面的平面图，示意性地示出了根据本专利技术的激光装置的又一个实施方案的细节，类似于图1的实施方案，但是包括位于光轴上的两个光谱选择镜。图5A是横截面的平面图，示意性地示出了根据本专利技术的激光装置的又一个实施方案的细节，类似于图1C的实施方案，但是仅包括一个光谱选择元件，其形式为与光轴同心的多个阶梯表面。图5B是横截面的端视图，图5C是横截面的侧视图，示意性地示出了图5A的激光装置的附加细节。图6A是横截面的端视图，图6B是横截面的侧视图，示意性地示出了根据本专利技术的激光装置的又一实施方案的细节，类似于图5A-5C的实施方案，但具有形式为突出的矩形表面的光谱选择元件。图7A是横截面的端视图，图7B是横截面的侧视图，示意性地示出了根据本专利技术的激光装置的又一实施方案的细节，类似于图6A和6B的实施方案，但具有多个平行的突出矩形表面。图8A，8B和8C是作为时间函数的四个发射带中的建模分数幂的曲线图，比较了现有技术激光器和根据本专利技术的两个激光器的光谱选择性。图9是横截面的平面图，示意性地示出了在图1A的不稳定的激光谐振器中被放大的光线的传播。专利技术详述现在参考附图，其中相同的特征用相同的标号表示。图1A是横截面的平面图，示意性地示出了根据本专利技术的激光装置的一个优选实施方案10。激光器10包括左谐振器镜12和右谐振器镜14，它们共同形成具有光轴18的激光谐振器16。阴影线描绘激光辐射20，其通过受激发的气体增益介质中的受激发射而被放大并且沿着输出光束路径22离开激光谐振器。在平面XZ中，激光谐振器是不稳定的，其中被放大的任何光束遵循蛇形路径并且尺寸增大直到它作为准直激光辐射束从其泄漏。增益介质具有多个能够通过受激发射放大的发射带。左谐振器镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.激光装置，包括：具有多个发射带的增益介质；第一和第二谐振器镜，每个谐振器镜具有反射表面，所述谐振器镜布置在所述增益介质周围以形成不稳定的激光谐振器，所述不稳定的激光谐振器具有光轴；其中至少一个谐振器镜包括光谱选择元件，光谱选择元件占据至少一个谐振器镜的反射表面的小于30％的部分，所述光谱选择元件位于光轴上，所述光谱选择元件对于所需发射带的反射损耗小于约4％，而对于其它发射带的反射损耗大于10％；并且其中激励所述增益介质产生来自不稳定的激光谐振器的激光辐射，所述激光谐振器在所需发射带中具有比在其它发射带中更高的功率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.07 DE 102016116779.71.激光装置，包括：具有多个发射带的增益介质；第一和第二谐振器镜，每个谐振器镜具有反射表面，所述谐振器镜布置在所述增益介质周围以形成不稳定的激光谐振器，所述不稳定的激光谐振器具有光轴；其中至少一个谐振器镜包括光谱选择元件，光谱选择元件占据至少一个谐振器镜的反射表面的小于30％的部分，所述光谱选择元件位于光轴上，所述光谱选择元件对于所需发射带的反射损耗小于约4％，而对于其它发射带的反射损耗大于10％；并且其中激励所述增益介质产生来自不稳定的激光谐振器的激光辐射，所述激光谐振器在所需发射带中具有比在其它发射带中更高的功率。2.根据权利要求1所述的激光器，其中所述增益介质是包括二氧化碳的气体混合物。3.根据权利要求1所述的激光器，其中所述增益介质是包括一氧化碳的气体混合物。4.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中所述其他发射带的反射损耗大于约20％。5.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，其中，所述光谱选择元件占据所述至少一个谐振器镜的反射表面的小于15％的部分。6.根据权利要求5所述的激光器，其中所述光谱选择元件占据所述至少一个谐振器镜的反射表面的小于5％的部分。7.根据任一前述权利要求所述的激光器，其中所述光谱选择元件从所述反射表面的其他部分突出或从所述反射表面的其他部分凹进。8.根据权利要求7所述的激光器，其中通过设定光谱选择元件突出或凹进的距离来选择所述期望发射带。9.根据权利要求8所述的激光器，其中所述期望发射带具有中心波长，所述光谱选择元件突出或凹进的距离约等于所述中心波长的半整数。10.根据权利要求8所述的激光器，其中光谱选择元件沿光轴平移，改变所述光谱选择元件突出或凹进的距离，从而调谐所述发射带之间的激光辐射。11.根据权利要求7至10中任一项所述的激光器，其中，所述光谱选择元件被插入所述至少一个谐振器镜中。12.根据权利要求7至10中任一项所述的激光器，其中所述光谱选择元件在其制造期间被机加工到所述至少一个谐振器镜中。13.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，其中，在所述第一和第二谐振器镜中的每一个中包括光谱选择元件。14.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，其中所述第一镜和所述第二镜中的光谱选择元件形成稳定的激光谐振器，所述稳定的激光谐振器产生主要在所需发射带中的激光辐射，通过稳定谐振器产生的激光辐射泄漏到不稳定的激光谐振器中，从而使不稳定的激光谐振器接种。15.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，其中第一镜中的光谱选择元件和第二镜中的光谱选择元件形成稳定的激光谐振器，所述稳定的激光谐振器产生主要在所需发射带中的激光辐射，由稳定的谐振器产生的激光辐射泄漏到不稳定的激光谐振器中，从而对所述不稳定的激光谐振器进行接种。16.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，其中所述光谱选择元件具有平坦的反射表面。17.根据权利要求1至15中任一项所述的激光器，其中所述光谱选择元件具有弯曲的反射表面。18.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，其中所述光谱选择元件是具有光谱选择性涂层的光谱选择性镜子。19.根据权利要求18所述的激光器，其中所述光谱选择性涂层是在所述至少一个谐振器镜的小于30％部分上生长的光谱选择性涂层。20.根据前述权利要求中任一项所述的激光器，其中，所述光谱选择元件是具有多个阶梯表面的结构。21.根据权利要求20所述的激光器，其中所述阶梯表面与所述光轴同心。22.根据权利要求20所述的激光器，其中所述阶梯表面的...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·A·罗森塔尔，J·舒特勒，F·恩格尔，华恭学，
申请(专利权)人：罗芬新纳激光有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE