一種可調諧板條激光器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種可調諧板條激光器，屬于激光器【技術領域】，其目的在于解決提高小型化可調諧板條激光器輸出功率的問題。其技術方案為：包括真空腔體，所述真空腔體內橫向設置有光路折疊系統，所述光路折疊系統包括反射式閃耀光柵、全反射凹面鏡、全反射凸面鏡和部分反射輸出鏡，振蕩光通過閃耀光柵選頻后依次經過全反射凹面鏡、全反射凸面鏡并在全反射凹面鏡、全反射凸面鏡上產生反射，經反射后的光線最終通過部分反射輸出鏡輸出。本發明主要用于激光器，既可以保證激光器的輸出光束質量，又可以降低光柵面上的功率密度，實現更大的功率輸出。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種可調諧板條激光器，具體涉及一種可實現較大功率輸出的可調諧 板條激光器，屬于激光器【技術領域】。 -種可調諧板條激光器
【背景技術】
[0002] 可調諧激光器一般分為兩類：一種基于介質的寬帶發射光譜結合選頻技術來實現 激光振蕩波長的連續調諧，染料激光器、可調諧準分子激光器、高壓氣體激光器、固體過渡 金屬離子激光器、色心激光器、可調諧半導體激光器、自由電子激光器等均屬于這一類；另 一類是對某一固定波長激光或可調諧激光通過非線性光學的光參量過程，而得到波長連續 可調的光參量激光技術，如光參量振蕩技術、光參量放大技術、可調諧的倍頻、和頻、差頻和 喇曼移頻技術等。本申請針對的可調諧板條激光器屬于前一種。
[0003] 早期的連續氣體激光器(如二氧化碳激光器）多為直流放電，氣體為軸流運動方 式，采用石英玻璃管結合穩定腔的結構。因此氣體激光器的選支技術一開始也在這種結構 上發展，玻璃管兩端加載直流高壓，在低氣壓(典型值如30mbar)下產生穩定的輝光放電，諧 振腔的半透輸出鏡不變，而將全反射尾鏡替換為外腔反射式光柵從而實現可調諧功能。這 種可調諧激光器雖然譜線較多，但穩定性較差，長期工作在高壓直流放電條件下的電極易 腐蝕，氣體更換頻繁。且當功率較大時，激光器體積龐大，系統的集成性、便攜性差，工作環 境要求較高，不利于在實驗室以外的場所安裝使用。
[0004] 高頻(射頻、微波）激勵氣體激光器采用低壓高頻電源取代高壓直流電源，具有輸 出功率與效率更高，不會發生陰極腐蝕，可全封離長期運行等優點。板條激光器可以采用面 增比技術，不再單純的依靠增加腔長來提高輸出功率，結構緊湊，體積更小，適合實驗室以 外的環境。然而，現有的板條激光器一般采用非穩腔，這種方法可以通過面增比技術實現大 功率激光輸出，但實現可調諧時遇到障礙。如果其采用折疊穩定腔，雖然可以實現光柵調 諧，但無法發揮板條激光器依靠面增比提高功率的優勢，不利于大功率可調諧技術的實現。 另一方面，受限于光柵的最大功率承受密度所限，現有的可調諧板條激光器功率均低于百 瓦量級，難以繼續提高。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種可調諧板條激光器，旨在解決提高小型化可調諧板條 激光器輸出功率的問題。
[0006] 為實現上述目的，本發明的技術方案為： 一種可調諧板條激光器，包括真空腔體，其特征在于：所述真空腔體內橫向設置有光路 折疊系統，所述光路折疊系統包括反射式閃耀光柵、全反射凹面鏡、全反射凸面鏡和部分反 射輸出鏡，振蕩光通過反射式閃耀光柵選頻后依次射入全反射凹面鏡、全反射凸面鏡并在 全反射凹面鏡、全反射凸面鏡上產生反射，經反射后的振蕩光最終通過部分反射輸出鏡輸 出。
[0007] 進一步地，全反射凹面鏡與全反射凸面鏡的焦點重合。
[0008] 進一步地，反射式閃耀光柵的出射光和部分反射輸出鏡的入射光均為平行光。
[0009] 進一步地，光線在全反射凹面鏡和全反射凸面鏡上重復產生反射，反射的總次數 為2次、4次或6次。
[0010] 進一步地，所述真空腔體內縱向設置有上、下兩塊電極，電極通過傳輸線與射頻電 源連接并在電極之間形成增益區間。
[0011] 進一步地，真空腔體內設置有水冷流道，所述水冷流道兩端分別通過連接接頭與 進水管、出水管--對應連接。
[0012] 進一步地，進水管與真空腔體之間、出水管與真空腔體之間均通過0型氟橡膠密 封圈旋轉密封。
[0013] 進一步地，還包括用于調節反射式閃耀光柵角度的旋轉手柄，所述旋轉手柄一端 穿過真空腔體與反射式閃耀光柵連接。
[0014] 進一步地，還設有兩組反射鏡調節裝置，所述反射鏡調節裝置包括鏡座、螺桿和調 節蓋板，全反射凹面鏡或全反射凸面鏡安裝于鏡座上，螺桿一端穿過真空腔體與鏡座連 接，螺桿另一端與固定安裝于真空腔體上的調節蓋板螺紋連接。
[0015] 進一步地，所述每一組反射鏡調節裝置中螺桿設置三根，螺桿與真空腔體之間通 過0型氟橡膠密封圈旋轉密封。
[0016] 與現有技術相比，本發明的有益效果在于： 1.真空腔體內的增益區間由上下兩塊平板電極構成，增益區間兩側分布四個光學元 器件，分別為全反射凹面鏡、全反射凸面鏡、部分反射輸出鏡和反射式閃耀光柵；作為激光 器輸出f禹合鏡的部分反射輸出鏡和反射式閃耀光柵構成了傳統的選支腔；在一般條件下， 反射式閃耀光柵單位面積所能承受的功率密度是有限的，因此限制了選支腔的激光輸出功 率，但加入兩片全反鏡折疊光路后，每次震蕩經折疊一次后，光束經歷一次擴束，到達全反 射光柵時光束直徑相對于部分反射輸出鏡處放大，既保證了激光器的輸出光束質量，又降 低了光柵面上的功率密度，從而實現更大的功率輸出；本激光器在繼承板條激光器高增益、 小體積等優點的前提下實現了選支調諧功能，實現大功率可調諧輸出。此外，本可調諧板條 激光器結構簡單、緊湊，易實現，采用全金屬真空腔體，可實現全封離運行。
[0017] 2.全反射凹面鏡與全反射凸面鏡的焦點重合，全反射凹面鏡與全反射凸面鏡的橫 向幾何尺寸設計合理，振蕩光束的每個折疊光路盡量靠近，以達到充分利用增益工作介質 的目的，提1?激光效率。
[0018] 3.設計時，光線在光路折疊系統中的折疊次數不易太多，折疊次數過多則會導致 諧振腔的失調特性下降，輕微的振動和變形就可能造成光路偏差過大而不能起振，激光器 很難穩定工作，而折疊次數在4次或6次時，效果較好。
[0019] 4.增益區間由上下兩塊平板電極構成，間距f3mm，構成波導腔，在波導方向利用 光柵腔最低階模、波導最低階模以及小范圍增益體積的良好匹配，實現高效、高光束質量的 激光振蕩；另一方面，腔內的望遠鏡折疊系統既起到了利用板條放電區域的作用，同時也對 振蕩激光進行了擴束，降低了光柵面上的激光功率密度，使得光柵調諧激光器可以實現更 大的功率輸出，且光束質量優秀。
[0020] 5.電極內加工有水冷流道，即圖1中虛線所示，水冷流道通過連接接頭與進水管、 出水管相連從而實現擴散冷卻。
[0021] 6.旋轉手柄一端穿過真空腔體與反射式閃耀光柵連接，通過旋轉手柄調節反射式 閃耀光柵的角度并最終進行調諧。
[0022] 7.全反射凹面鏡或全反射凸面鏡安裝于鏡座上，鏡座通過穿墻的螺桿安裝在腔體 壁上，螺桿的調節功能通過與腔體上的調節蓋板上的細牙螺紋配合實現，且螺桿三根一組 配合使用，實現二維方向的調節準直。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發明的結構示意圖； 圖2為本發明中光線折疊示意簡圖； 圖3為本發明中全反射凹面鏡與全反射凸面鏡的參數設計簡圖； 其中，附圖標記為：1 一增益區間、2-全反射凹面鏡、3-全反射凸面鏡、4一部分反射 輸出鏡、5-反射式閃耀光柵、6-電極、7-進水管、8-出水管、9一連接接頭、10-輸出鏡鏡 座、11 一螺桿、12-調節蓋板、13、14 一鏡座、15-旋轉手柄、16-真空腔體。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖，對本發明做進一步說明： 實施例一 一種可調諧板條激光器，包括真空腔體，真空腔體為全金屬結構，本實施例中其材料為 鋁材，散熱性佳，重量輕，加工時進行熱處理減少變形。射頻電源通過傳輸線連接到真空腔 體內壁的上、下兩壁上構成波導腔。真空腔體內橫向設置有光路折疊系統，該光路折疊系統 包括反射式閃耀光柵、全反射凹面鏡、全反射凸面鏡和部分反射輸出鏡，反射式閃耀光柵和 全反射凸面鏡安裝于真空腔體內表面的一側壁上；全反射凹面鏡和部分反射輸出鏡安裝于 真空腔體內表面與反射式閃耀光柵或全反射凸面鏡相對的側壁上，其中，部分反射輸出鏡 安裝于真空腔體側壁預先開設的通孔內，輸出鏡鏡座部分伸入該通孔內并與部分反射輸出 鏡固定連接，輸出鏡鏡座通過螺釘連接固定安裝于真空腔體外壁。全反射凹面鏡和全反射 凸面鏡的鏡面均采用無氧銅作基底，超精車工藝加工鏡面，鏡面可以是球面也可以為柱面， 全反射凹面鏡和全反射凸面鏡的鏡面均傾斜設置，且兩者的傾斜方向、分別與真空腔體的 側壁的夾角均相同，部分反射輸出鏡是指部分反射的輸出鏡；部分反射輸出鏡為半透半反 鏡，透反比依據激光增益大小和各處衍射損耗綜合權衡，如射頻二氧化碳激光器可用ZnSe 基底材料鍍膜實現90%左右的反射率。
[0025] 振蕩光通過反射式閃耀光柵選頻后入射在全反射凹面鏡上產生第一次全反射，第 一次全反射光線入射在全反射凸面鏡上產生第二次全反射，光線在全反射凹面鏡、全反射 凸面鏡上重復產生偶數次全反射，最終光線經全反射凸面鏡全反射后入射至部分反射輸出 鏡輸出。振蕩光經折疊一次后，光束經歷一次擴束，使得到達反射式閃耀光柵時光束直徑相 對于到達部分反射輸出鏡位置時被放大。由一塊部分反射輸出鏡和一塊反射式閃耀光柵構 成的光柵選支腔、由真空腔體內壁的上、下兩壁構成空心波導腔、由一面全反射凹面鏡和一 面全反射凸面鏡構成的望遠鏡折疊系統三者組成一種折疊波導光柵腔，作為可調諧板條激 光器的諧振腔。
[0026] 真空腔體內壁的上、下兩壁之間形成增益區間，在增益區間的兩側分布四個光學 元器件分別為反射式閃耀光柵、全反射凹面鏡、全反射凸面鏡和部分反射輸出鏡。作為激光 器輸出f禹合鏡的部分反射輸出鏡和反射式閃耀光柵構成了傳統的選支腔，在一般條件下， 反射式閃耀光柵單位面積所能承受的功率密度是有限的，因此限制了選支腔的激光輸出功 率。若增加選支腔的菲涅爾數，即增大部分反射輸出鏡和反射式閃耀光柵的橫向尺寸，又會 導致輸出光束質量下降，且會帶來散熱問題。但在光路中加入全反射凹面鏡、全反射凸面鏡 折疊光路后，每次震蕩經折疊一次后，光束經歷一次擴束，到達反射式閃耀光柵時光束直徑 相對于部分反射輸出鏡處放大，既保證了激光器的輸出光束質量，又降低了光柵面上的功 率密度，從而實現更大的功率輸出。此外，本可調諧板條激光器結構簡單、緊湊，易實現。采 用全金屬真空腔體，可實現全封離運行。
[0027] 實施例二 在實施例一的基礎上，全反射凹面鏡與全反射凸面鏡的焦點〇重合(共焦)，共焦點〇與 全反射凸面鏡之間的距離L2為全反射凸面鏡的曲率半徑R2的一半，共焦點0與全反射凹 面鏡間的距離L1為全反射凸面鏡的曲率半徑R1的一半，具體設計如圖2所示。如此設計， 則可以使得振蕩光束的每個折疊光路盡量靠近，以達到充分利用增益工作介質的目的，提 高激光效率。振蕩光通過反射式閃耀光柵選頻后的出射光為平行光，最后一次經全反射凸 面鏡反射后射入部分反射輸出鏡的入射光仍為平行光。諧振腔實際上等效于一個插入周期 性擴束系統的穩定腔。設光路在光柵與輸出鏡之間周期折疊了 η次，則經過了 η次擴束有 如下尺寸關系：（a+c_b)=nMa，M為放大倍數。實際工作時，光線折疊次數不易太多，否則會 導致諧振腔的失調特性下降，輕微的振動和變形就可能造成光路偏差過大而不能起振，激 光器很難穩定工作。如圖3所示，圖3給出的折疊次數為六次，顯然可以理解，本發明并不 限定折疊次數，可以為2、4、6等依此類推。插入的望遠鏡折疊系統并不會對腔內模式造成 本質的影響。
[0028] 實施例三 在實施例一或實施例二的基礎上，在真空腔體內縱向設置有上、下兩塊電極，電極可用 鋁或銅加工制作，本實施例中電極材料為銅，上電極靠近真空腔體內部頂面，下電極靠近真 空腔體內部底面，上、下兩塊電極之間的間距為l~3mm，兩電極通過傳輸線與射頻電源連接 并在電極之間形成增益區間。
[0029] 實施例四 在實施例一、實施例二或實施例三的基礎上，真空腔體內設置有水冷流道(如圖1中虛 線所示)，所述水冷流道為蛇形水冷流道，水冷流道的兩端均分別通過連接接頭與進水管、 出水管一一對應連接，其中進水管與真空腔體之間、出水管與真空腔體之間均通過〇型氟 橡膠密封圈旋轉動密封，所述進水管、出水管均采用不銹鋼管或銅管，本實施例中進水管、 出水管均采用不銹鋼管，且進水管、出水管均通過軟管連接到冷水機。通過連接接頭與進水 管、出水管相連實現擴散冷卻。
[0030] 實施例五 在上述實施例的基礎上，反射式閃耀光柵一端連接有用于調節反射式閃耀光柵角度的 旋轉手柄，該旋轉手柄一端穿過真空腔體并與真空腔體內的反射式閃耀光柵連接，旋轉手 柄另一端為自由端。通過手動轉動旋轉手柄從而實現調節光柵角度的調諧。
[0031] 實施例六 在上述實施例的基礎上，該可調諧板條激光器還設有兩組反射鏡調節裝置，兩組反射 鏡調節裝置對應全反射凹面鏡與全反射凸面鏡。所述反射鏡調節裝置包括鏡座、螺桿和調 節蓋板，全反射凹面鏡或全反射凸面鏡安裝于鏡座上，其中，全反射凹面鏡與鏡座13連接， 全反射凸面鏡與鏡座14連接，螺桿一端穿過真空腔體與鏡座連接，螺桿另一端與調節蓋板 螺紋連接，該調節蓋板位于真空腔體外表面的凹槽內。每一組反射鏡調節裝置中螺桿設置 三根，螺桿與真空腔體之間通過0型氟橡膠密封圈旋轉密封。
【權利要求】
1. 一種可調諧板條激光器，包括真空腔體（16)，其特征在于：所述真空腔體（16)內橫 向設置有光路折疊系統，所述光路折疊系統包括反射式閃耀光柵（5)、全反射凹面鏡（2)、 全反射凸面鏡（3)和部分反射輸出鏡（4)，振蕩光通過反射式閃耀光柵（5)選頻后依次射入 全反射凹面鏡（2)、全反射凸面鏡（3)并在全反射凹面鏡（2)、全反射凸面鏡（3)上產生反 射，經反射后的振蕩光最終通過部分反射輸出鏡（4)輸出。
2. 如權利要求1所述的一種可調諧板條激光器，其特征在于：全反射凹面鏡（2)與全反 射凸面鏡（3)的焦點重合。
3. 如權利要求1所述的一種可調諧板條激光器，其特征在于：光線在全反射凹面鏡（2) 和全反射凸面鏡（3)上重復產生反射，反射的總次數為2次、4次或6次。
4. 如權利要求1所述的一種可調諧板條激光器，其特征在于：所述真空腔體（16)內縱 向設置有上、下兩塊電極（6)，電極（6)通過傳輸線與射頻電源連接并在電極（6)之間形成 增益區間。
5. 如權利要求1所述的一種可調諧板條激光器，其特征在于：真空腔體（16)內設置有 水冷流道，所述水冷流道兩端分別通過連接接頭（9)與進水管（7)、出水管（8) -一對應連 接。
6. 如權利要求5所述的一種可調諧板條激光器，其特征在于：進水管（7)與真空腔體 (16)之間、出水管（8)與真空腔體（16)之間均通過0型氟橡膠密封圈旋轉密封。
7. 如權利要求1所述的一種可調諧板條激光器，其特征在于：還包括用于調節反射式 閃耀光柵（5)角度的旋轉手柄（15)，所述旋轉手柄（15)-端穿過真空腔體（16)與反射式閃 耀光柵（5)連接。
8. 如權利要求1所述的一種可調諧板條激光器，其特征在于：還設有兩組反射鏡調節 裝置，所述反射鏡調節裝置包括鏡座（13)、螺桿（11)和調節蓋板（12)，全反射凹面鏡（2) 或全反射凸面鏡（3)安裝于鏡座（13、14)上，螺桿（11) 一端穿過真空腔體（16)與鏡座（13) 連接，螺桿（11)另一端與固定安裝于真空腔體（16)上的調節蓋板（12)螺紋連接。
9. 如權利要求8所述的一種可調諧板條激光器，其特征在于：所述每一組反射鏡調節 裝置中螺桿（11)設置三根，螺桿（11)與真空腔體（16)之間通過0型氟橡膠密封圈旋轉密 封。
【文檔編號】H01S3/042GK104064945SQ201410336194
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月16日 優先權日:2014年7月16日
【發明者】王度, 周遜, 李賾宇, 羅振飛, 孔維鵬, 李光彬, 鄒明芮 申請人:成都精密光學工程研究中心