[实用新型]集束式超大功率二氧化碳激光器

说明书

本实用新型涉及一种集束式超大功率优良模式CO₂激光器，属于激光应用技术领域。

波长为10．6μm的CO₂激光具有良好的水吸收特性和自由空间穿透性，尤其是作用于生物体组织，能够产生良好的生物医学效应。因此CO₂激光器的研制和应用倍受重视，发展很快。自七十年代初以来，CO₂激光器经历了直流激励的封离型、快速轴流型、快速横流型等三代，以及改进的快速轴流型准第四代，目前已发展到了射频激励扩散型冷却的第四代，激光器体积大大缩小，模式质量大幅提高，标志性m²值达到了1．1至1．3，真正实现了功率大、模式质量高的完美统一。但是，国内第四代CO₂激光器尚处研究阶段，而进口产品价格昂贵，单支100W射频激励CO₂激光器售价2万多美元，而1000W的则需30多万美元，很多临床、工程及实验的推广应用因此受阻。国内的第二、三、准四代产品由于体积庞大，外设复杂，振动噪声大等问题，也还不适合在上述场合应用。

本实用新型的目的是依据国内CO₂激光的研制和生产水平，在已形成批量生产能力的第一代国产的直流激励封离型激光器的基础上，采用通常的稳频、锁模等技术改善单支激光器的性能指标，采用独特的多激光束汇聚、缩束等合成技术(非线性和几何光学处理技术)提高合成激光束质量，以低廉的成本使“合成”激光束质量接近准四代的指标。

本实用新型采用的具体技术方案是：

一．采用若干支激光器排列成密排正六方阵列(1)。对该阵列可用“行”和“环”两种方法加以描述：

“行”描述法。激光器分组排成行，行与行相互平行密排，设有一中心组，其他各组对称分列其两边，对称位置上的组数目相等。当中心组采用三支时，在其两边对称排列各一组两支，阵列可表示为“232”，阵列共有7支激光器组成；中心组为5支的阵列分5组可表示为“34543“，共有19支激光器；……依次类推，中心组为N支的阵列分N组，共有N²-2(1+2+…(N-1)／2)支。例如，中心组为7支的阵列分7组，可表示为“4567654”，共有7²-2(1+2+3)=37支激光器。

“环”描述法。激光器分组排成环，环与环密排，第一层仅有一支激光器，称中心激光器；第二层有(2-1)·6=6支激光器，紧密围绕中心激光器排成正六方形，每边有2支；第三层有(3-1)·6=12支激光器，紧密围绕第二层排成正六方形，每边有3支…依此类推，第M层有(M-1)·6支，每边有M支，共有1+6+12+…+(M-1)·6支。例如，四层的阵列第四层有(4-1)·6=18支，每边有4支，四层共有1+6+12+18=37支。由于正六方形具有的对称性和周期性，我们可以只分析说明十二分之一的一角。

排成阵列的激光器互相平行，朝一个方向(前方)平行地但分散地发射激光束。

二．在激光器阵列前方设有汇聚反射镜阵列：除中心激光器发射的中心激光束直行不需反射外，为其余每个激光器配备一对反射镜，其中一组外围反射镜，呈45°，把分散的激光束各向中心折射90°，另一组中央反射镜，也呈45°，把外围反射镜折射来的激光束再折射90°至与中心激光束平行并与其紧密靠拢，成为大口径合成激光束，仍呈正六边形排列。为避免各反射镜遮挡其他激光束，汇聚反射镜应前后错开排列：每一层有6支或12支激光器和激光束处于以中心激光器中心为圆心的同一半径R上，是同位的、其汇聚反射镜应排在垂直于光轴的同一平面内；处于不同半径R的、不同位的激光器和激光束，其汇聚反射镜则应在不同的平面内，错开的距离应不小于反射镜的高度。

三．在大口径合成激光束前进的路径上设有一反射镜，把合成激光束折射到需要的方向，仍呈正六边形排列。

四．折射后的大口径合成激光束由缩束透镜组缩成小口径高光强的合成激光束，以便进一步传送到需要的地点，聚焦后得到足够大的焦深。

五．缩束后的合成激光束由聚焦透镜聚焦，形成规定焦长、焦深和光斑口径的超大功率的激光工作区。