具有多折諧振腔的波導CO2激光器制造技術

一種氣體放電波道CO2激光器具有由三個陶瓷管形成的Z形折疊的波導。相鄰管的端部被定形且裝配在一起以形成共同孔徑。通過間隔開的平行的放電電極來保持管裝配在一起。四個反射鏡被布置以形成具有延伸貫通管的縱軸線的激光器諧振腔。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】具有多折諧振腔的波導CO2激光器
本專利技術一般涉及波導CO2氣體放電激光器。本專利技術尤其涉及具有多折諧振腔的CO2激光器。
技術介紹
具有大約100瓦（W）或更低的輸出功率的波導CO2氣體放電激光器通常優選用于諸如產品加標記、雕刻和精細切割的應用，其中高的束品質是重要的。在這種激光器中，通過將激光模式沿相互垂直的橫向軸線約束在介電波導中來控制激光器的諧振腔中的激光模式。沿一個橫向軸線供給到波導的相對側上的電極的射頻（RF）功率在波導的激光氣體混合物中形成了氣體放電。氣體放電激勵激光氣體混合器，并且因此提供激光器諧振腔中的光學增益。激光氣體混合物典型地為二氧化碳（CO2）與諸如氮和氦的惰性氣體的混合物。對于任何給定的激光氣體混合物，以及施加至電極的RF電力，激光器諧振腔將具有一定的每單位長度增益。由于這點，從激光器輸送的束中的功率尤其直接取決于激光器諧振腔的長度。為了將波導CO2激光器約束在方便的空間或“覆蓋區”內，激光器諧振腔典型地由多個反射鏡“折疊”一次或多次。這種折疊諧振腔、波導CO2激光器的詳細說明提供于專利號為6,192,061的美國專利中，該專利已轉讓給本專利技術的受讓人，并且其全部公開內容通過引用合并于本文中。這些波導CO2激光器的主要特征在于，相應折疊的波導通過研磨工藝被加工成諸如鋁土的陶瓷材料塊。這容許彼此成角度的相鄰的波導分支在“折”處重疊，并且合并成單個孔徑。這種經加工的波導分支的一個優點在于，波導分支被永久地保持為彼此精確對準。然而，經加工的波導分支的缺點在于，研磨操作費時且相對昂貴。以舉例的方式，Z形三通道波導的成本能夠如帶有電源的整個激光器的成本的17%那樣高。因此，對于不需要昂貴的陶瓷加工或研磨操作的相當的折疊陶瓷波導布置存在需求。專利技術概述在本專利技術的一個方案中，氣體放電激光器包括激光器殼體，所述激光器殼體包含激光氣體。多個陶瓷管定位在激光器殼體中并且填充有激光氣體。陶瓷管中的相鄰陶瓷管彼此成銳角，并且相鄰陶瓷管的端部被定形且裝配在一起以提供共同孔徑。第一和第二電極定位在激光器殼體中并且被布置為當電力施加至電極時在陶瓷管中的激光氣體中產生氣體放電。多個反射鏡被布置為形成具有延伸貫通多個陶瓷管的縱軸線的激光器諧振腔。在本專利技術的優選實施方案中，電極彼此間隔開且平行，陶瓷管定位在電極之間且位于電極中的相應凹槽中。通過將電極擠壓到一起的彈簧力來保持陶瓷管裝配在一起。附圖說明并入說明書并構成本專利技術的一部分的附圖示意性地圖示了本專利技術的優選實施方案，并且與上文給出的一般性描述和下面給出的優選實施方案的詳細描述一起用于解釋本專利技術的原理。圖1為示意性地圖示出依照本專利技術的折疊波導激光器諧振腔的優選實施方案的平面圖，其中折疊波導包括三個陶瓷管的子組件。圖1A為大致沿圖1的方向1A-1A看到的端視圖，示意性地圖示出圖1的陶瓷管子組件的進一步的細節。圖2為示意性地圖示出圖1的子組件的單個陶瓷管的細節的平面圖。圖3為示意性地圖示出包括圖1的陶瓷管子組件以及用于激發陶瓷管中的氣體放電的細長的放電電極的組件的分解三維視圖，所述電極被構造為將陶瓷管子組件一起保持在組件中。圖4為示意性地圖示出在激光器殼體的一個實施例中圖3的陶瓷管和電極的組件的細節的斷面三維視圖。圖5為沿圖4的激光器殼體的中部看到的縱向剖視圖，示意性地圖示出激光器殼體中的陶瓷管和電極的組件的進一步的細節。專利技術詳述現在參考附圖，其中相似的部件由相似的附圖標記表示，圖1和圖1A示意性地圖示出依照本專利技術的折疊波導激光器諧振腔裝置的優選實施方案10。裝置10包括實際上形成折疊波導的陶瓷管（波導）的子組件12。在子組件12中，存在分別具有第一和第二端14A和14B的兩個間隔開且平行的陶瓷管14以及分別具有第一和第二端16A和16B的橫向陶瓷管16。橫向管16的端16A與一個陶瓷管14的端14A相接觸（裝配在一起），并且陶瓷管16的端16B與另一陶瓷管14的端14B相接觸以賦予子組件“Z”形狀，平行的陶瓷管14和橫向陶瓷管16之間成銳角θ。陶瓷管的接觸端被切割以使管組合以形成如圖1A所描繪的共同孔徑17。具有縱軸線20的折疊激光器諧振腔由端面鏡22和24端接且由折疊反射鏡26A和26B折疊。優選地，使得端面鏡22和24中的一個在激光器諧振腔的基波長上部分地透射并且用作輸出耦合反射鏡。另一端面鏡和折疊反射鏡在基波長上最大程度地反射。在陶瓷管14和16的端相接觸（裝配在一起）的情況下，陶瓷管的長度被削減以使共同孔徑17具有細長“腰部狹窄”的形式。這使得在確保諧振腔軸線20與陶瓷管的縱軸線共線以優化激光效率的同時將折疊反射鏡26A和26B與陶瓷管的端部間隔開。尤其地，要求反射鏡間距保持反射鏡遠離將在陶瓷管中被激發的放電物，并且允許在諧振腔中反射鏡的對齊。適于用作陶瓷管14和16的擠壓鋁土毛細管能夠通過商業方式從眾多公司中的SacramentoCalifornia的OrTech有限公司、BereaOhio的SentroTech公司和Colorado的Golden的CoorsTek獲得。圖2是以拆卸形式示意性地圖示出圖1的陶瓷管子組件的平面圖。在管14中，每個管的一端具有長度L1，在該長度L1上，管與陶瓷管的縱軸線成角度θ/2被切成斜角或倒角。陶瓷管16相應地被倒角以當其倒角的端部相接觸時在陶瓷管之間提供角度θ。長度L2優選地對于兩個陶瓷管14的管都相同，陶瓷管16具有(L1+L2)/Cosθ的總長度，以使陶瓷管的端部能夠在共同的平面中對齊。在制造操作中，對管進行切斜角或倒角能夠通過批量研磨來完成，從而使得陶瓷加工成本最小化。管的總長度L1+L2被選擇以與期望的激光器長度相符合。數量或臂（陶瓷管）能夠僅為兩個，或者多于此處示例的三個，呈V形、Z形、M形或一些其它更加復雜的形狀。典型地，能夠獲得每英寸波導長度大約12.5W的CO2激光器輸出功率。陶瓷波導的內徑d被選擇以滿足用于抑制高階模態的小菲涅耳數（(d/2)/Lλ）要求。在CO2激光器中，λ（激光器輻射線的波長）將在10.0微米（μm）的階上。菲涅耳數的優選值為大約0.5。優選地，波導子組件的角度θ在大約2°和10°之間。較大的角度θ增加了波導結構的寬度以及組件的相應殼體的寬度。較小的角度θ增加了陶瓷管14和16的重疊的長度L2。這會導致在重疊區域中的擴大放電區域內的放電“熱點”。這種放電熱點會導致激光器效率降低。合并陶瓷管14和16以形成一個孔徑提供了相鄰管中的放電之間的耦合，以確保兩放電幾乎同時點燃。在形成陶瓷管子組件12時的特別的挑戰之處在于，用粘合劑或接合劑保持陶瓷管14和陶瓷管16的端部相接觸不切實際。其原因之一在于，這種粘合劑或接合劑會對激光氣體混合物進行“除氣”并污染激光氣體混合物。此外，管的上述優選尺寸以及陶瓷材料的脆性本質導致陶瓷管略易碎。需要設計這樣一種組裝方法：將確保陶瓷管可在其切有斜角的端處確實保持接觸；保持彼此正確對齊，以使其縱軸線可保持與諧振腔軸線對齊；并且以避免陶瓷管受到機械應力的方式被保持，其中機械應力會導致其撓曲或者甚至破碎。下文參考圖3提供了這樣一種優選方法的描述。此處，以拆卸形式描繪的組件30分布包括上方電極32和下方電極34。這些電極是用于在陶瓷管14和16中產生本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2011.05.03 US 13/100,1981.氣體放電激光器，包括：激光器殼體，其包含激光氣體；多個獨立的陶瓷波導管，其定位在所述激光器殼體中并且填充有所述激光氣體，其所述陶瓷波導管中的相鄰陶瓷波導管彼此成銳角，并且其相鄰陶瓷波導管的端部被切成斜角或倒角且裝配在一起以提供共同孔徑；第一和第二電極，其定位在所述殼體中并且被布置為當電力施加至所述電極時在所述陶瓷波導管中的所述激光氣體中產生氣體放電；以及多個反射鏡，其被布置為形成具有延伸貫通所述多個陶瓷波導管的縱軸線的激光器諧振腔。2.如權利要求1所述的激光器，其中在以Z形裝配在一起的多個中存在三個陶瓷波導管。3.如權利要求2所述的激光器，其中所述陶瓷波導管中的相鄰陶瓷波導管之間的角度在兩度和十度之間。4.如權利要求1所述的激光器，其中所述電極彼此間隔開且平行，所述陶瓷波導管介于所述電極之間且在所述電極中的相應凹槽中。5.如權利要求4所述的激光器，其中通過朝向彼此擠壓電極的彈簧力將所述陶瓷波導管保持裝配在一起。6.如權利要求5所述的激光器，其中所述第二電極停靠在所述殼體的底座上，并且通過壓縮在所述第一電極和所述殼體之間的一個或多個彈簧將所述彈簧力施加至上方電極。7.如權利要求5所述的激光器，其中存在沿所述電極的相對側間隔開的呈張緊彈簧形式的多個感應線圈，其中每個感應線圈將所述第一電極連接至所述第二電極以使彈簧張力提供朝向彼此擠壓所述電極的所述彈簧力。8.如權利要求4所述的激光器，其中所述殼體的內部處于亞大氣壓下，并且所述殼體和電極被構造和布置為使得由于所述殼體外的大氣壓而使所述殼體向所述電極施加壓力，從而保持裝配在一起的所述陶瓷波導管。9.氣體放電激光器，包括：激光器殼體，其包含激光氣體；多個獨立的陶瓷波導管，其定位在所述激光器殼體中并且填充有所述激光氣體，其所述陶瓷波導管中的相鄰陶瓷波導管彼此成...

【專利技術屬性】
技術研發人員：A·J·德瑪麗亞，R·R·奧斯汀，
申請(專利權)人：相干公司，
類型：
國別省市：