[發明專利]多層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置

無效

• 申請號: 201010613610.0
• 申請日: 2010-12-30
• 公開（公告）號: CN102082387A
• 公開（公告）日: 2011-06-01
• 發明（設計）人: 邵春雷;孟范江;張傳勝;郭勁
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: H01S3/034
• 分類號: H01S3/034;H01S3/041
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 南小平

技術領域

本發明涉及高功率脈沖氣體激光器，特別是涉及平均功率數千瓦以上的脈沖氣體激光器的輸出鏡結構。

背景技術

大多數氣體激光器(如CO₂、CO、N₂、準分子等)的工作原理是：采用放電激勵方式使氣體工作介質發生粒子數反轉，產生自發輻射和受激輻射，并在激勵區兩側設置一定結構形式的光學諧振腔，使受激輻射能夠反復振蕩放大形成激光定向輸出。光學諧振腔一般由兩塊反射鏡構成，高功率脈沖氣體激光器多采用“平-凹”光學穩定腔，其中一塊是材質為Cu的凹球面全反射鏡，另一塊是材質為ZnSe的平面部分反射鏡即是激光輸出鏡。通常情況下，激光輸出鏡也是密閉激光工作腔的一個密封元件。激光工作腔大多工作在真空狀態下，而且在充入工作氣體前必須要抽真空到幾帕壓力以下，以使雜質氣體含量極少。這樣，激光輸出窗口內外平面就存在著基本等于一個大氣壓力的壓差，因此其必須具備較大的厚度以承受壓力不發生塑性變形甚至損壞。通常的設計原則是，輸出鏡的厚度需大于其外徑尺寸的十分之一，例如：一個輸出鏡的外徑若為90mm，其厚度應取為9～10mm。

目前研究中發現了這樣的問題，當脈沖氣體激光器的輸出功率達到數千瓦以上時，激光輸出鏡出現明顯的損傷或損壞現象，隨著功率的增大，輸出鏡使用壽命大大縮短，這嚴重影響其工程應用。以高功率脈沖CO₂激光器為例，當激光輸出平均功率超過7kW時，連續發射激光幾分鐘，其ZnSe輸出鏡在腔內側的反射膜即出現損傷現象。一個特殊的例子是：在脈沖CO₂激光器工作時，其輸出鏡內側平面受到了放電濺射及氣體雜質的污染，當以10kW平均功率連續發射5分鐘時，該輸出鏡出現炸裂現象。

激光輸出鏡的損傷有鍍膜損傷和材料本體損傷兩種情況，損傷的類型也可分為能量損傷和功率損傷兩種，能量損傷的作用機理是激光的瞬間熱沖擊，功率損傷的作用機理是激光的熱累積。研究結果表明，輸出鏡鍍膜的損傷主要是能量損傷，這從同等平均功率水平的連續CO₂激光器輸出鏡鍍膜可較長時間使用的情況即可對照出來(連續CO₂激光輸出過程無間斷且能量平穩)；對輸出鏡材料本體的損傷則主要是功率損傷，這方面基本與連續CO₂激光器性質相同。為解決這個問題，人們采用提高輸出鏡鍍膜質量、對輸出鏡內側平面進行吹氣防污冷卻、對輸出鏡安裝基座進行通水冷卻等辦法，這些使輸出鏡鍍膜的損傷現象得到一定緩解，但對減小輸出鏡本體材料損傷的效果卻不明顯，主要原因是ZnSe的導熱系數很小，積累在材料芯部的熱量向外傳輸的速率太慢。由于輸出鏡鍍膜的損傷可通過拋光去除后再鍍膜重新使用，而材料本體損傷導致輸出鏡產生裂紋、破碎等現象而無法再重復使用，故避免輸出鏡材料本體損傷成為亟待解決的問題。

發明內容

為了解決因輸出鏡較厚使芯部熱量難以盡快傳出導致材料本體產生損傷的問題，本發明提供一種多層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置。

本發明解決技術問題所采用的技術方案如下：

多層氣流冷卻激光器輸出鏡裝置，包括多塊輸出鏡、多個環形墊和一個安裝座；每塊輸出鏡的厚度相同，一塊輸出鏡的一面鍍有部分反射膜，另一面鍍有增透膜，其余輸出鏡的兩面都鍍有增透膜；多塊輸出鏡呈同軸且平行設置，鍍有部分反射膜的輸出鏡置于激光器工作腔側，且鍍有部分反射膜的一面與激光器光學諧振腔的凹面全反射鏡相對，同時該輸出鏡與激光器工作腔體的接觸面密封，其余兩面都鍍有增透膜的輸出鏡依次排列，最外側接觸大氣；多塊輸出鏡之間分別通過環形墊兩兩相隔，且環形墊與輸出鏡的接觸面密封，多塊輸出鏡的組合通過安裝座固定在激光器工作腔體上。

上述環形墊在徑向設置有相對的兩個通孔；安裝座在徑向也設置有相對的通孔，并與所述環形墊的通孔沿軸向依次對應。

上述每兩塊輸出鏡之間的密閉空間內設有密閉循環冷卻氣流，并通過安裝座上相對的通孔外接管道形成多個并列密閉管道，管道內充有氣體并設有使氣體形成密閉循環流動的驅動風機，管道外部連接有真空泵和壓力顯示裝置，必要時，也可以在管道內設有換熱器。

本發明的有益效果如下：

1)、由于將現有一塊較厚的輸出鏡改為多塊較薄的輸出鏡，使得材料芯部的熱量能夠盡快傳出來，減小了芯部與外側的溫度差，從而減小了輸出鏡的熱變形；

2)、由于在每兩塊輸出鏡之間增設了密閉循環冷卻氣流，加強了對輸出鏡的冷卻效果，這在很大程度上減小了激光對輸出鏡材料本體的損傷程度，大大提高了輸出鏡材料本體的使用壽命周期，同時也對輸出鏡鍍膜的損傷起到了減緩作用；