CN103904537B - 激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光器，其包括一全反镜、一输出镜、一放电管和一工作介质。所述全反镜和输出镜分别设置于所述放电管的两端，由所述全反镜、输出镜和放电管组成一谐振腔，所述工作介质填充于所述谐振腔内。所述全反镜具有一反射面，所述反射面上设置有微结构。所述微结构包括至少一个凹孔。所述凹孔的深度及直径均在0.5λ~2λ之间，其中，λ为所述激光器的工作波长。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器。
背景技术
目前，各类激光器已广泛应用于军事、民用和科学研究等领域。然而，由于大多数激光器（特别是高功率激光器）产生的模式是多模，其光束发散角大，光束中心的光强并不非常明显地高于光束边缘的光强，光束的稳定性也较差。采取“小孔光阑”限模法、“软边光阑”选模法等虽可得到基横模，却又使激光的功率大大下降，效率很低，效果并不理想。
通过在激光器的谐振腔内设置特定厚度的相位片，利用光束相干叠加的原理，可以获得光束发散角较小、光强强度较大的激光束。然而，该种激光器仍存在着某些不足之处，如激光束的中心光斑的尺寸还不够小，功率密度尤其是中心功率密度不够大，远距离传输时损耗较高等。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种能够获得具有较小光束发散角、较长焦深、较高功率密度、远距离传输时较小损耗的激光束的激光器。
本发明提供一种激光器，其包括一全反镜、一输出镜、一放电管和一工作介质，其中，所述全反镜和输出镜分别设置于所述放电管的两端，由所述全反镜、输出镜和放电管组成一谐振腔，所述工作介质填充于所述谐振腔内，所述全反镜具有一反射面，所述反射面上设置有微结构，所述微结构包括至少一个凹孔。
进一步地，所述微结构包括多个间隔设置的凹孔。
进一步地，所述微结构包括至少一个凹孔台阶。
进一步地，所述微结构包括多个间隔设置的凹孔台阶。
进一步地，所述凹孔的深度及直径均在0.5λ~2λ之间；任意两个相邻的所述凹孔或凹孔台阶之间的间距均在0.5λ~20λ之间；其中，λ为所述激光器的工作波长。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：第一，利用本发明的激光器获得的激光束，其光斑直径非常小，达到微米级；第二，利用本发明的激光器获得的激光束，其功率密度大，尤其是其中心功率密度大,因此可广泛应用于切割、焊接等工业加工中；第三，利用本发明的激光器获得的激光束，其具有很长的焦深，因此在远距离传输时损耗较小。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的激光器的结构示意图。
图2为本发明实施例一提供的激光器中的全反镜的结构示意图。
图3为本发明实施例二提供的激光器的结构示意图。
图4为本发明实施例二提供的激光器中的全反镜的平面示意图。
图5为本发明实施例三提供的激光器的结构示意图。
图6为本发明实施例三提供的激光器中的全反镜的平面示意图。
图7为本发明实施例四提供的激光器的结构示意图。
图8为本发明实施例四提供的激光器中的全反镜的平面示意图。
主要元件符号说明
| 激光器 | 10，20，30，40 |
| 全反镜 | 102，202，302，402 |
| 反射面 | 1021，2021，3021，4021 |
| 本体 | 1020，2020，3020，4020 |
| 金属膜 | 1022，2022，3022，4022 |
| 输出镜 | 104，204，304，404 |
| 放电管 | 106，206，306，406 |
| 工作介质 | 108，208，308，408 |
| 谐振腔 | 110，210，310，410 |
| 微结构 | 112，212，312，412 |
| 凹孔 | 1120，2120，3120，4120 |
| 凹孔台阶 | 3122，4122 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的激光器做进一步的详细说明。
实施例一
请一并参见图1和图2，本发明实施例提供一种激光器10，其包括一全反镜102、一输出镜104、一放电管106和一工作介质108。其中，所述全反镜102和输出镜104分别设置于所述放电管106的两端。由所述全反镜102、输出镜104和放电管106组成一谐振腔110。所述工作介质108填充于所述谐振腔110内。所述全反镜102具有一反射面1021，所述反射面1021上设置有微结构112，所述微结构112为一凹孔1120。所述反射面1021设置在所述全反镜102靠近所述输出镜104的表面。本发明中所述的凹孔1120，是指一向远离所述反射面1021方向凹陷的孔状结构，其具有一深度及一直径。
进一步地，所述激光器10还可包括水冷套、冷却水进口、冷却水出口、贮气套、连气管以及电极等多个元件（图未示）。由于上述多个元件在本发明提供的激光器10中的结构及位置关系等与其在现有技术的激光器中的结构及位置关系等均相同，故不再在此赘述。
所述全反镜102为一球面反射镜，其曲率半径大于等于0.5米且小于等于5米。
所述全反镜102包括一本体1020及位于该本体1020表面的金属膜1022。所述金属膜1022可通过电镀、蒸镀、溅射、喷涂或沉积等方式形成于所述本体1020表面。所述本体1020的材料可选择不易受热变形的非金属材料，如硅、二氧化硅或碳化硅等。本发明实施例中，优选硅作为所述本体1020的材料。所述本体1020的直径可选在5毫米至50毫米之间。本发明实施例中，所述本体1020的直径为20毫米。所述本体1020的厚度可选在2毫米至20毫米之间。本发明实施例中，该本体1020的厚度为5毫米。所述金属膜1022的材料可选择熔点较高、不易氧化且可形成表面等离子体的金属，如金、铂或钯等。本发明实施例中，优选金作为所述金属膜1022的材料。所述金属膜1022的厚度大于其趋肤深度。优选地，所述金属膜1022的厚度大于等于50纳米。
所述微结构112靠近所述全反镜102的反射面1021的中心设置。所述微结构112的材料与所述本体1020的材料相同，通过与所述本体1020一体成型制备，而所述金属膜1022形成于所述本体1020和微结构112的表面。
所述凹孔1120的形状不限，可以为圆柱、圆台、棱柱或棱台等。本发明实施例中，所述凹孔1120为一圆柱形。
所述凹孔1120的深度与该激光器10的工作波长有关。具体地，所述凹孔1120的深度在0.5λ~2λ之间，其中，λ为所述激光器10的工作波长。所述激光器10的工作波长与所述工作介质108的选择有关。优选地，所述凹孔1120的深度为0.5λ。本发明实施例中，所述工作介质108为二氧化碳，其工作波长为10.6微米，因此，该凹孔1120的深度可选在0.5微米至21.2微米之间。优选地，该凹孔1120的深度为5.3微米。
所述凹孔1120的直径也与该激光器10的工作波长有关。具体地，所述凹孔1120的直径也在0.5λ~2λ之间。优选地，所述凹孔1120的直径为0.5λ。本发明实施例中，由于所述工作介质108为二氧化碳，因此，所述凹孔1120的直径优选为5.3微米。
所述凹孔1120位于所述全反镜102的反射面1021的中心。
所述输出镜104为一平面输出镜。所述输出镜104的直径可与所述全反镜102的本体1020的直径相同。本发明实施例中，该输出镜104的直径为20毫米。所述输出镜104对光具有一定的反射率。该输出镜104的反射率在25%至55%之间。所述输出镜104的材料可选择锗、硒化锌及砷化镓中的一种。本实施例中，所述输出镜104的材料为硒化锌。
所述放电管106为一石英玻璃管。该放电管106的直径小于所述输出镜104的直径，具体地，所述放电管106的直径在2毫米至10毫米之间。优选地，该放电管106的直径在5毫米至6毫米之间。本发明实施例中，该放电管106的直径为5毫米。
所述谐振腔110的腔长在400毫米至800毫米之间。优选地，所述谐振腔110的腔长为500毫米至600毫米之间。本发明实施例中，所述谐振腔110的腔长为600毫米。
所述工作介质108可以为气体，如二氧化碳、氦气、氖气、氮气或一氧化碳；所述工作介质108也可以为固体、液体或半导体。本发明实施例中，所述工作介质108为二氧化碳。
实施例二
请一并参见图3和图4，本发明实施例提供一种激光器20，其包括一全反镜202、一输出镜204、一放电管206和一工作介质208。其中，所述全反镜202和输出镜204分别设置于所述放电管206的两端。由所述全反镜202、输出镜204和放电管206组成一谐振腔210。所述工作介质208填充于所述谐振腔210内。所述全反镜202具有一反射面2021，所述反射面2021上设置有微结构212。所述反射面2021设置在所述全反镜202靠近所述输出镜204的表面。所述微结构212包括多个间隔设置的凹孔2120。所述多个间隔设置的凹孔2120形成一阵列。
本实施例二与实施例一的区别在于，本实施例二中，所述微结构212包括多个间隔设置的凹孔2120。
所述多个凹孔2120可具有相同的深度或具有不同的深度。优选地，本发明实施例中，该多个凹孔2120具有相同的深度。该多个凹孔2120具体的深度值与该激光器20的工作波长有关。具体地，所述多个凹孔2120的深度均在0.5λ~2λ之间，其中，λ为所述激光器20的工作波长。所述激光器20的工作波长与所述工作介质208的选择有关。优选地，所述多个凹孔2120的深度均为0.5λ。本发明实施例中，所述工作介质208为二氧化碳，其工作波长为10.6微米，因此，该多个凹孔2120的深度均可选在0.5微米至21.2微米之间。优选地，该多个凹孔2120的深度均为5.3微米。
所述多个凹孔2120的直径也与该激光器20的工作波长有关。具体地，所述多个凹孔2120的直径也均在0.5λ~2λ之间。优选地，所述多个凹孔2120的直径均为0.5λ。本发明实施例中，由于所述工作介质208为二氧化碳，因此，所述多个凹孔2120的直径均为5.3微米。
任意两个相邻的所述凹孔2120之间的间距在0.5λ~20λ之间。优选地，任意两个相邻的所述凹孔2120之间的间距均相等，为0λ。本发明实施例中，由于所述工作介质208为二氧化碳，所以，任意两个相邻的所述凹孔2120之间的间距均为10.6微米。
所述多个凹孔2120靠近所述全反镜202的反射面2021中心分布。优选地，所述多个凹孔2120以所述全反镜202的反射面2021的中心为对称点，对称分布于所述全反镜202的反射面2021上。所述多个凹孔2120形成于所述全反镜202的反射面2021上的方法不限，如可通过先刻蚀再镀膜的方式形成于所述全反镜202的反射面2021上。
实施例三
请一并参见图5和图6，本发明实施例提供一种激光器30，其包括一全反镜302、一输出镜304、一放电管306和一工作介质308。其中，所述全反镜302和输出镜304分别设置于所述放电管306的两端。由所述全反镜302、输出镜304和放电管306组成一谐振腔310。所述工作介质308填充于所述谐振腔310内。所述全反镜302具有一反射面3021，所述反射面3021上设置有微结构312。所述反射面3021设置在所述全反镜302靠近所述输出镜304的表面。所述微结构312为一凹孔台阶3122，所述凹孔台阶3122由多个凹孔3120依直径大小层叠设置而成，其中，越靠近所述反射面3021设置的凹孔3120直径越大，越远离所述反射面3021设置的凹孔3120直径越小。
本实施例三与实施例一的区别在于，本实施例三中，所述微结构312为一凹孔台阶3122。
所述凹孔台阶3122中每级台阶的深度分别对应每个凹孔3120的深度。每个凹孔3120的深度可选在0.5λ~2λ之间。优选地，每个凹孔3120的深度均为0.5λ。该凹孔台阶3122的深度为所有凹孔3120的深度的总和。所述凹孔台阶3122的深度可在λ~6λ之间。优选地，该凹孔台阶3122由两个凹孔3120层叠而成，且每个凹孔3120的深度均为0.5λ。
所述凹孔台阶3122中每级台阶的直径分别对应每个凹孔3120的直径。每个凹孔3120的直径可选在0.5λ~2λ之间。优选地，所述凹孔台阶3122由两个凹孔3120层叠而成，且其中一个凹孔3120的宽度为0.5λ，另一个凹孔3120的宽度为λ。
所述凹孔台阶3122靠近所述全反镜302的反射面3021的中心分布。优选地，所述凹孔台阶3122以所述全反镜302的反射面3021的中心为圆心设置。所述凹孔台阶3122可以通过先刻蚀再镀膜的方式形成于所述全反镜302的反射面3021上。
实施例四
请一并参见图7和图8，本发明实施例提供一种激光器40，其包括一全反镜402、一输出镜404、一放电管406和一工作介质408。其中，所述全反镜402和输出镜404分别设置于所述放电管406的两端。由所述全反镜402、输出镜404和放电管406组成一谐振腔410。所述工作介质408填充于所述谐振腔410内。所述全反镜402具有一反射面4021，所述反射面4021上设置有微结构412。所述反射面4021设置在所述全反镜402靠近所述输出镜404的表面。所述微结构412包括多个间隔设置的凹孔台阶4122，每个凹孔台阶4122由多个凹孔4120依直径大小层叠设置而成，其中，越靠近所述反射面4021设置的凹孔4120直径越大，越远离所述反射面4021设置的凹孔4120直径越小。
本实施例四与实施例三的区别在于，本实施例四中，所述微结构412包括多个间隔设置的凹孔台阶4122。
所述凹孔台阶4122的结构、尺寸参数与实施例三中的凹孔台阶3122的结构、尺寸参数相同。
任意两个相邻的所述凹孔台阶4122之间的间距在0.5λ~20λ之间。本发明实施例中，任意两个相邻的所述凹孔台阶4122之间的间距均为λ。
多个凹孔台阶4122以所述全反镜402的反射面4021的中心为对称点，对称分布于所述全反镜402的反射面4021上，其中一个凹孔台阶4122位于所述全反镜402的反射面4021的中心。所述多个凹孔台阶4122形成于所述全反镜402的反射面4021上的方法不限，如可通过先刻蚀再镀膜的方式形成于所述全反镜402的反射面4021上。
本发明通过在激光器的全反镜上设计不同凹孔结构的微结构，并配合激光器内工作介质的种类设计微结构的特定尺寸，从而在激光器工作时，在其谐振腔内产生了很强的表面等离子体共振效应，进而增强了所获得的激光束的质量。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：第一，利用本发明的激光器获得的激光束，其光斑直径非常小，达到微米级；第二，利用本发明的激光器获得的激光束，其功率密度大，尤其是其中心功率密度大,因此可广泛应用于切割、焊接等工业加工中；第三，利用本发明的激光器获得的激光束，其具有很长的焦深，因此在远距离传输时损耗较小。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (22)
1.一种激光器，其包括一全反镜、一输出镜、一放电管和一工作介质，所述全反镜和输出镜分别设置于所述放电管的两端，所述全反镜、输出镜和放电管组成一谐振腔，所述工作介质填充于所述谐振腔内，其特征在于，所述全反镜具有一反射面，所述反射面上设置有微结构，所述微结构包括至少一凹孔，所述凹孔的深度及直径均在0.5λ~2λ之间，其中，λ为所述激光器的工作波长。
2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述凹孔的深度及直径均为0.5λ。
3.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述微结构包括多个间隔设置的凹孔。
4.如权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述多个凹孔具有相同的深度。
5.如权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述多个凹孔具有相同的宽度。
6.如权利要求3所述的激光器，其特征在于，任意两个相邻的所述凹孔之间的间距在0.5λ~20λ之间。
7.如权利要求3所述的激光器，其特征在于，任意两个相邻的所述凹孔之间的间距为λ。
8.如权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述多个凹孔靠近所述反射面的中心设置。
9.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述微结构包括至少一凹孔台阶，所述凹孔台阶由多个不同直径的凹孔按直径大小依次层叠设置而成，且最靠近所述反射面设置的凹孔的直径最大。
10.如权利要求9所述的激光器，其特征在于，所述微结构包括多个间隔设置的凹孔台阶。
11.如权利要求9或10所述的激光器，其特征在于，所述凹孔台阶的深度在λ~6λ之间。
12.如权利要求9或10所述的激光器，其特征在于，所述凹孔台阶由一第一凹孔和一第二凹孔层叠设置而成，所述第一凹孔和第二凹孔的深度均为0.5λ。
13.如权利要求9或10所述的激光器，其特征在于，所述凹孔台阶由一第一凹孔和一第二凹孔层叠设置而成，所述第一凹孔的直径为0.5λ，所述第二凹孔的直径为λ。
14.如权利要求10所述的激光器，其特征在于，任意两个相邻的所述凹孔台阶之间的间距在0.5λ~20λ之间。
15.如权利要求10所述的激光器，其特征在于，所述多个凹孔台阶靠近所述反射面的中心设置。
16.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述凹孔的形状为圆柱。
17.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述微结构的材料为金、铂和钯中的一种。
18.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述反射面设置于所述全反镜靠近所述输出镜的表面。
19.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述全反镜包括一本体和位于该本体上的一金属膜。
20.如权利要求19所述的激光器，其特征在于，所述本体的材料为硅、二氧化硅和碳化硅中的一种，所述金属膜的材料为金、铂和钯中的一种。
21.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述输出镜的材料为锗、硒化锌和砷化镓中的一种。
22.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述工作介质为二氧化碳、氦气、氖气、氮气和一氧化碳中的一种。
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