Q开关CO2激光器制造技术

一种被配置为产生红外电磁辐射的CO2激光器包括光学元件，所述光学元件包括具有基本上周期性特征图案的频率选择结构。光学元件的频率响应被配置为在接收到信号时变化。CO2激光器的Q因数在接收到信号时变化。一种激光标记系统可包括CO2激光器。激光器。激光器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】Q开关CO2激光器


[0001]本公开的方面和实现一般地涉及一种可调谐光学元件，所述可调谐光学元件包括具有周期性特征图案的频率选择结构。可调谐光学元件的频率响应是可控的，并且被配置为在接收到信号时变化。可调谐光学元件可被包括在各种光学装置中以至少部分地控制光学装置。例如，可调谐光学元件能够被包括作为激光器(例如，二氧化碳(CO2)激光器)的反射镜或输出耦合器。可调谐光学元件可被用于在接收到信号时对激光器进行Q切换。

技术介绍

[0002]激光器被用在各种工业生产线中以通过例如蚀刻、雕刻、机加工、切割和/或焊接来对工件执行操作。激光标记系统可被用于在各种产品的表面上压印标记，例如图像、识别编号、截止日期和/或条形码。材料的标记可能受烧蚀(即，材料的去除)、颜色变化或受材料的表面纹理的变化影响。当由激光束照射的材料的温度超过待受影响的物理过程的阈值时，发生通过所有这些过程来执行的标记。材料的物理性质确定阈值温度。关键材料性质是在激光照射的波长的吸收率、热扩散率和热导率。因此，对于每种材料，存在达到阈值温度以影响预期标记过程所需的激光能量密度(其可由单位J/mm2表示)的唯一值。标记特定材料所需的激光能量密度至少部分地确定需要的激光器类型(例如，CO2激光器)和光束参数(例如，光斑尺寸、功率等)。激光能量密度可被理解为激光的峰值功率乘以激光工作时间(即，在其期间激光束入射在材料上的时间)除以激光束照射的材料的面积(即，(P*t)/(光斑尺寸))。激光器的光学设计确定光斑尺寸。光斑尺寸可包括大约50μm或更大的直径。光斑尺寸可包括大约700μm或更小的直径。
[0003]随着时间过去由激光器施加于材料的能量或功率至少部分地由应用(例如，待标记的材料、可用于标记材料的时间、标记的复杂性等)确定。例如，典型的纸基包装材料可使用低功率(例如，10
‑
30瓦特)连续波激光器来进行标记。作为另一示例，金属通常需要具有短工作时间(例如，大约1μs或更短)的高峰值功率(例如，大约1kW或更高)激光器以克服金属的相对迅速的散热并且保留预期标记对比度。作为另一示例，一些塑料(诸如，HDPE)需要高峰值功率以达到可读标记所需的温度。
[0004]下面的情况可能是不切实际的：利用在连续波(恒定输出)模式下操作的激光器来产生具有影响金属工件的预期变化所需的功率量的激光束。能够制造使用称为Q切换的技术的一些激光器以产生包括光脉冲的脉冲输出光束，所述光脉冲具有与将会由在连续波模式下操作的相同激光器产生的峰值功率相比高得多的峰值功率。尽管Q开关通常是已知的，但仍然需要能够为在某些范围的波长(例如，红外波长)中操作的激光器大规模制造的紧凑的相对便宜的Q开关。

技术实现思路

[0005]根据本公开的第一方面，提供一种光学元件，所述光学元件包括具有基本上周期性特征图案的频率选择结构，其中所述光学元件的频率响应被配置为在接收到信号时变
化。
[0006]所述光学元件有益地允许用户控制包括所述光学元件的光学系统的频率响应。例如，通过改变光学元件的频率响应以在频率的给定范围内反射、透射和/或吸收更多或更少的电磁辐射，光学元件可被用于对激光器进行Q切换。光学元件有益地能够实现紧凑的Q切换系统，所述紧凑的Q切换系统具有比已知Q开关低的形状因数。与已知的Q开关相比，所述光学元件有益地具有提高的能量效率。与已知的Q开关相比，制造所述光学元件更便宜。
[0007]基本上周期性特征图案可具有变化小于大约10％的周期性。基本上周期性特征图案可被称为周期性特征图案。
[0008]所述信号可由控制器产生。所述信号可包括热能、电能和/或光能。所述信号可包括施加的电磁场。所述信号可包括电磁辐射。所述信号可包括施加的电压或偏置。
[0009]对于入射电磁辐射的频率的范围，频率选择结构可用作带通滤光器或带阻滤光器。作为整体的频率选择结构和/或光学元件的带通或带阻动作可在接收到信号时变化，以使得以前通过的电磁辐射的频率范围现在被拒绝，反之亦然。在一些实施例中，频率选择结构可包括频率选择表面。
[0010]在接收到信号时，光学元件的反射率、透射率和/或吸收率可在电磁辐射的频率的范围上变化。
[0011]按照命令改变光学元件的反射率、透射率和/或吸收率可允许光学元件用作激光器中的Q开关。例如，光学元件的反射率能够被设置为第一相对低值(例如，小于大约50％)，并且在激光器的激光发射腔中引起相对大的损耗。基于激光的脉冲宽度(例如，大约100μs或更短时间)在短时间段内将反射率改变为第二相对高值(例如，大约99％)可减小激光发射腔中的损耗并且允许激光发射发生，由此对激光器进行Q切换。第二值可以是最佳值。最佳值可取决于正在使用的激光器的类型、由激光器产生的脉冲的预期性质、由激光器产生的脉冲的用途等。
[0012]所述电磁辐射的频率的范围可包括红外辐射。
[0013]红外激光器(诸如，CO2激光器)具有各种用途，诸如在生产线上标记产品。一些材料(诸如，一些塑料)可能需要相对高功率的红外辐射的脉冲以便被标记。光学元件可被用于对红外激光器进行Q切换，并且由此有益地能够实现更大量材料的标记。光学元件可被配置为对于红外辐射具有可控的频率响应。光学元件可被配置为对于大约8μm或更大的波长具有可控的频率响应。光学元件可被配置为对于大约15μm或更小的波长具有可控的频率响应。光学元件可被配置为对于以大约9.3μm、大约9.6μm、大约10.2μm和大约10.6μm为中心的一个或多个波长带具有可控的频率响应。
[0014]本公开的光学元件可被用于对其它类型的激光器(诸如，紫外(UV)激光器和/或可见光激光器)进行Q切换。
[0015]光学元件可包括可操作地耦合到频率选择结构的切换部件。
[0016]切换部件可采用光学元件上的层的形式。切换部件可至少部分地包围频率选择结构的周期性特征图案。频率选择结构可被嵌入在切换层中，或者由切换层以其它方式包围。切换部件可被接合到频率选择结构。例如，频率选择结构可包括在有源切换层上提供(例如，蚀刻或安放)的周期性特征图案。周期性特征图案可包括金属。切换部件可包括半金属(例如，石墨烯)。切换部件可包括具有可调整的电荷载流子密度的值的半导体(例如，
GaAs)。切换部件可包括液晶(例如，由位于德国达姆施塔特(Darmstadt，Germany)的公司Merck KGaA提供的液晶E7)。切换部件可包括相变材料(例如，二氧化钒)。
[0017]光学元件可包括信号传送部件，所述信号传送部件被可操作地耦合到切换部件，被配置为接收信号并且将信号传送给切换部件。
[0018]信号传送部件可包括氧化铟锡、图案化金属(诸如，金)、图案化硅、砷化镓和/或另一半导体材料。光学元件可包括可变形材料，所述可变形材料被配置为在接收到信号时改变周期性特征图案的周期性和/或几何形状。
[0019]可变形材料可形成致动器的一部分，所述致动器被配置为对信号做出响应。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种被配置为产生红外电磁辐射的CO2激光器，包括：光学元件，包括具有基本上周期性特征图案的频率选择结构，其中所述光学元件的频率响应被配置为在接收到信号时变化，其中所述CO2激光器的Q因数在接收到所述信号时变化。2.如权利要求1所述的CO2激光器，包括：激光腔，包括CO2增益介质；和射频激发源，被配置为激发所述CO2增益介质以产生红外电磁辐射。3.如权利要求2所述的CO2激光器，包括控制系统，所述控制系统被配置为：向所述光学元件提供所述信号以对所述CO2激光器进行Q切换；并且向所述射频激发源提供单独的控制信号以激发所述CO2增益介质。4.如权利要求1至3中任一项所述的CO2激光器，其中所述光学元件形成所述CO2激光器的后反射镜的一部分。5.如权利要求1至3中任一项所述的CO2激光器，包括具有折叠反射镜的折叠腔，其中所述光学元件形成所述CO2激光器的所述折叠反射镜的一部分。6.如权利要求4或权利要求5所述的CO2激光器，其中所述光学元件包括硅或GaAs。7.如权利要求1至3中任一项所述的CO2激光器，其中所述光学元件形成所述CO2激光器的输出耦合器的一部分。8.如权利要求1至3中任一项所述的CO2激光器，其中所述光学元件形成位于所述CO2激光器的激光腔中的无源光学部件的一部分。9.如权利要求7或权利要求8所述的CO2激光器，其中所述光学元件包括ZnSe、GaAs、Ge或ZnS。10.如任一前面权利要求所述的CO2激光器，其中所述光学元件包括石墨烯。11.如权利要求1至9中任一项所述的CO2激光器，其中所述光学元件包括相变材料，所述相变材料被配置为在接收到所述信号时改变相。12.如权利要求11所述的CO2激光器，其中所述相变材料包括VO2。13.如权利要求1至9中任一项所述的CO2激光器，其中所述光学元件包括半导体。14.如权利要求13所述的CO2激光器，其中所述半导体包括GaAs、Si或Ge中的至少一种。15.如权利要求1至9中任一项所述的CO2激光器，其中所述光学元件包括液晶，其中所述液晶的光学性质被配置为在接收到所述信号时变化。16.如权利要求10至15中任一项所述的CO2激光器，其中所述信号包括偏置电压。17.如权利要求10至15中任一项所述的CO2激光器，其中所述信号包括激光脉冲。18.如任一前面权利要求所述的CO2激光器，其中所述光学元件的反射率、透射率和/或吸收率在接收到所述信号时在红外电磁辐射的频率的范围上变化。19.如任一前面权利要求所述的CO2激光器，其中所述光学元件包括切换部件，所述切换部件被可操作地耦合到所述频率选择结构。20.如权利要求19所述的CO2激光器，其中所述光学元件包括信号传送部件，所述信号传送部件被可操作地耦合到所述切换部件，被配置为接收所述信号并且将所述信号传送给所述切换部件。21.如任一前面权利要求所述的CO2激光器，其中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：傲科激光应用技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：