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用于调谐多 波长气体 激光器的外部光学反馈元件

阅读：797发布：2021-06-08

专利汇可以提供用于调谐多波长气体激光器的外部光学反馈元件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于调谐具有多个波长的气体激光器 (102)的输出光束的外部光学反馈元件(108)，包括位于气体激光器(102)的内部光学腔外部的输出光束(106)的光束路径上的部分反射光学元件(108)，以及支撑该光学元件并调整该光学元件相对于光束路径的旋转、水平倾斜角和垂直倾斜角的平台(114)。输出光束(106)在该光学元件(108)处被部分反射，并反馈到气体激光器(102)的内部光学腔中，其强度针对多个波长而变化，并通过改变光学元件的旋转、水平倾斜角和垂直倾斜角进行调节。由此，提供了输出光束到气体激光器的内部光学腔中的可变反馈，其导致气体激光器的单线或同时多线的选择性输出波长。该设置使得可以控制商用CO2气体激光器的波长。，下面是用于调谐多波长气体激光器的外部光学反馈元件专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种外部光学反馈元件，用于调谐具有多个波长的气体激光器的输出光束，所述外部光学反馈元件包括：
部分反射光学元件，所述部分反射光学元件位于气体激光器的内部光学腔外部的输出光束的光束路径上；和
平台，所述平台支撑所述光学元件并调节所述光学元件相对于所述输出光束的光束路径的旋转、水平倾斜角和垂直倾斜角，
其中，所述输出光束在所述光学元件处被部分反射，并通过所述光束路径反馈到所述气体激光器的内部光学腔中，
反射光束的强度针对所述多个波长而不同，
通过改变所述光学元件的旋转、水平倾斜角和垂直倾斜角来针对所述多个波长中的每个波长调节所述反射光束的强度，并且
由此选择一波长，在该波长处，所述输出光束被反馈到所述气体激光器的内部光学腔中，从而在所选波长处增强所述气体激光器的所述输出光束。
2.根据权利要求1所述的外部光学反馈元件，其中，
透明光学件与电介质涂层一起使用，所述电介质涂层可提供随波长变化的反射率。
3.根据权利要求1所述的外部光学反馈元件，其中，
气体激光器是二氧化碳激光器，并且
所述气体激光器的输出光束的所述多个波长在8.5μm和11.2μm之间。
4.根据权利要求1所述的外部光学反馈元件，还包括：
分束器，所述分束器将所述气体激光器的输出光束分成透射光束路径和反射光束路径，
其中，由所述平台支撑的所述光学元件位于所述反射光束路径上，
所述平台调节所述光学元件相对于所述反射光束路径的旋转、水平倾斜角和垂直倾斜角，并且
所述输出光束在所述光学元件处被部分反射，并经由所述反射光束路径、所述分束器和所述光束路径馈送至所述气体激光器的内部光学腔。
5.根据权利要求4所述的外部光学反馈元件，还包括：
所述反射光束路径上的反射镜，其中，透射通过所述光学元件的一部分输出光束在所述反射光束路径上反射回来。
6.一种调谐具有多个波长的气体激光器的输出光束的方法，包括：
部分反射光学元件，由平台支撑并位于气体激光器的内部光学腔外部的输出光束的光束路径上；
针对所述多个波长改变反射输出光束的强度；
通过调节所述光学元件相对于输出光束的光束路径的旋转、水平倾斜角和垂直倾斜角，针对所述多个波长中的每一个波长调节所述反射输出光束的强度，从而选择一波长，在该波长处，所述输出光束被反馈到所述气体激光器的内部光学腔中；
将所选波长处的所述反射输出光束反馈到所述气体激光器的内部光学腔中；以及在所选波长处增强所述气体激光器的输出光束。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，
所述光学元件包括提供随波长变化的反射率的介电涂层。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，
所述平台调节所述光学元件相对于所述输出光束的光束路径的旋转、水平倾斜角和垂直倾斜角。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括：
通过分束器将所述气体激光器的输出光束分成透射光束路径和反射光束路径，其中，由所述平台支撑的所述光学元件位于所述反射光束路径上。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括：
在所述反射光束路径上，将透射通过所述光学元件的一部分输出光束在反射镜处反射回来。
11.一种外部光学反馈元件，用于调谐具有多个波长的气体激光器的输出光束，所述外部光学反馈元件包括：
部分反射光学元件，所述部分反射光学元件位于气体激光器的内部光学腔外部的输出光束的光束路径上；和
波长依赖光学元件(WDOE)；和
位于所述光束路径中的第二部分反射光学元件；和
一系列检测器，每个检测器间隔开以接收特定的波段；和
控制器，所述控制器连接到WDOE和所述一系列检测器，
其中，所述输出光束在所述光学元件上被部分反射，并通过WDOE馈送到所述第二部分反射光学元件，该第二部分反射光学元件将光束的一部分向后反射回激光器，并使光束的一部分透射到所述一系列检测器，
所述控制器调节WDOE，以使反射回激光器的光束具有可被稳定和控制的波长，从而使激光器可以在任何特定的波段工作。
12.根据权利要求11所述的外部光学反馈元件，其中，所述特定波段在8.5μm至11.2μm之间。
13.根据权利要求11所述的外部光学反馈元件，其中，所述特定的波段选自由9.3μm、
9.6μm、10.2μm和10.6μm组成的组。

说明书全文

用于调谐多波长气体 激光器的外部光学反馈元件

技术领域

[0001] 本发明总体上涉及用于调谐气体激光器的输出波长的外部光学反馈元件。

背景技术

[0002] 在二氧化碳(CO2)气体激光器中，CO2分子内密集的振动-旋转跃迁使发射波长在8.5μm至11.2μm之间。可以观察到单波长操作以及同时在多个频带发射激光。工业用CO2激光器的发射波长通常集中在10.6μm、10.2μm、9.6μm或9.3μm(使用同位素标记的18O时为9.4μm)附近。许多工业或医疗应用要求将CO2激光器的输出波长与目标材料的吸收特性进行匹配，以实现最佳的材料加工，例如打标、切割或焊接。

[0003] 用于调谐CO2激光器的输出光束并因此提供多波长CO2激光器的现有技术涉及波长选择元件，例如衍射光栅、标准具、吸收滤光片、双折射调谐器和介电涂层。这些方法的共同点是将光学元件插入激光器的内部光学腔中。

[0004] 其他技术依赖于使用通过光束控制选项组合在一起的几种激光光学谐振器。

发明内容

[0005] 在一方面，本发明的一个或多个实施例涉及一种外部光学反馈元件，用于调谐具有多个波长的气体激光器的输出光束，该外部光学反馈元件包括位于气体激光器的内部光学腔之外的输出光束的光束路径上的部分反射光学元件和一个支撑该光学元件并调节该元件相对于输出光束的光束路径的旋转、水平倾斜角和垂直倾斜角的平台。在该外部光学反馈元件中，输出光束在所述光学元件上部分反射，并通过光束路径反馈到气体激光器的内部光学腔中。反射光束的强度针对多个波长而不同，并且通过改变所述光学元件的旋转、水平倾斜角和垂直倾斜角来调节。由此，提供了进到气体激光器的内部光学腔中的波长选择反馈，该反馈设定了气体激光器的输出波长。

[0006] 在另一方面，本发明的一个或多个实施例涉及一种对具有多个波长的气体激光器的输出光束进行调谐的方法，该方法包括：在部分反射光学元件处反射气体激光器的输出光束，所述部分反射光学元件由平台支撑并位于气体激光器的内部光学腔外部的输出光束的光束路径上；针对所述多个波长改变反射输出光束的强度；通过调节所述光学元件相对于输出光束的光束路径的变化的旋转、水平倾斜角和垂直倾斜角来针对所述多个波长中的每个波长调节反射输出光束的强度，从而选择将输出光束反馈到气体激光器的内部光学腔的波长；将所选波长处的反射输出光束反馈到气体激光器的内部光学腔；以及在所选波长处增强气体激光器的输出光束。

[0007] 通过以下描述和所附权利要求，本发明的其他方面和优点将变得明显易见。附图说明

[0008] 将参考附图描述本发明的实施例。然而，附图仅通过示例示出了本发明的一个或多个实施例的某些方面或实施方式，并且无意于限制权利要求的范围。

[0009] 图1示出了根据本发明的一个或多个实施例的系统的示意图。

[0010] 图2A、图2B和图2C示出了根据本发明的一个或多个实施例记录的输出波长的实验数据，该输出波长是部分反射光学元件的旋转角的函数。

[0011] 图3示出了根据本发明的一个或多个实施例的系统的示意图。

[0012] 图4示出了根据本发明的一个或多个实施例的系统的示意图。

[0013] 图5示出了根据本发明的一个或多个实施例的系统。

[0014] 图6示出了根据本发明的一个或多个实施例的流程图。

具体实施方式

[0015] 现在将参考附图详细描述本发明的特定实施例。为了一致性，各个附图中的相同元件由相同的附图标记表示。

[0016] 在本发明的实施例的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的更透彻的理解。然而，对于本领域的普通技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情况下，没有详细描述众所周知的特征，以避免不必要地使描述变得复杂。

[0017] 总体上，要求保护的本发明的实施例涉及一种外部光学反馈元件，该外部光学反馈元件用于调谐来自具有固定内部光学腔的多波长气体激光器的输出光束的波长。例如，根据一个或多个实施例的外部反馈元件包括具有介电涂层的部分反射光学元件或反射镜。这种外部元件将反馈提供到激光腔中，以选择性地增强所需要的输出光束波长，或在输出波长(单线)处增强或同时在多个波长(多线)处增强。反馈的强度可以通过介电涂层被设计为针对不同的波长而不同，并且可以通过改变部分反射光学元件或反射镜在来自激光器的输出光束的路径上的位置来调节。可以在8.5μm和11.2μm之间的常规波带中调谐CO2激光器的输出波长范围。

[0018] 下面将使用CO2激光器的示例描述本发明的实施例的更多细节。本示例仅用于说明目的。因此，本发明的范围不应被认为限于这些特定的应用。

[0019] 图1示出了根据本发明的一个或多个实施例的系统100的示意图。如图所示，系统100包括具有内部光学腔104的CO2激光器102，内部光学腔104填充有包含二氧化碳的有源激光介质。CO2激光器102沿着光束路径106发射激光束。光学元件108包括光学平坦或弯曲的部分透明的基板110和介电涂层112。介电涂层112可以在基板110的任一侧或两侧上。光学元件108可以定位在光束路径106上并且可以由手动或自动平台114支撑。光学元件108的旋转、垂直倾斜角和水平倾斜角可以由平台114调节。

[0020] 光束路径106上的光束可以部分地透射通过光学元件108并且部分地在光学元件108上的介电涂层112处反射。被部分反射的光束通过光束路径106作为反馈被馈送到激光器102的内部光学腔104中。不同波长的反射光束的强度可以取决于介电涂层的性质。在一个或多个实施例中，介电涂层可在10.6μm处具有最大透射率(例如，>99.5％)，并随着波长的减小增加反射率(例如在9.3μm下降至25％)。

[0021] 此外，可以通过改变光学元件108相对于光束路径106的旋转、垂直倾斜角和水平倾斜角来改变介电涂层在某个波长处的反射率。与反馈的波长相对应的CO2分子内的振动-旋转跃迁将得到增强。因此，光学元件108的旋转和/或倾斜可以选择要增强的激光器102的输出波长，并因此调谐激光器102的输出光束。

[0022] 图2A、图2B和图2C示出了记录系统100的输出波长的实验数据，其是光学元件108的旋转角的函数。所使用的激光器102是400W脉冲CO2激光器(例如，Synrad,Inc.生产的没有光束调节单元的Pulstar系列P400激光器)。光学元件108的旋转角度和取向是通过光学件安装架手动改变的。光谱仪读数的图像如图2所示。图2显示，随着光学元件108旋转角度的改变，波长可逆地可调谐到9.3μm、10.2μm或10.6μm左右。本领域技术人员将理解，鉴于所涉及的激光器的不同材料和条件，可以获得各种其他波长。

[0023] 图3示出了根据本发明的一个或多个实施例的系统300的示意图。如图所示，系统300包括具有内部光学腔104的CO2激光器102，内部光学腔104填充有包含二氧化碳的有源激光介质。CO2激光器102沿着光束路径106发射激光束。光束路径106上的光束由分束器316分成透射光束路径318和反射光束路径320。光学元件108包括光学平坦的部分透明的基板
110和介电涂层112。光学元件108可以定位在反射光束路径320上并且由手动或自动平台
114支撑。光学元件108的旋转、垂直倾斜角和水平倾斜角可以由平台114调节。在光学元件
108处反射的光束经由反射光束路径320、分束器316和光束路径106作为反馈被馈送到激光器102的内部光学腔104中。不同波长的反射光束的强度可以取决于介电涂层的性质。

[0024] 此外，可以通过改变光学元件108相对于反射光束路径320的旋转、垂直倾斜角和水平倾斜角来改变介电涂层在某个波长处的反射率。与反馈的波长相对应的CO2分子内的振动-旋转跃迁或能带将得到增强。因此，光学元件108的旋转和/或倾斜可以选择要增强的激光器102的输出波长，因此可以调谐激光器102的输出波长。

[0025] 图4示出了根据本发明的一个或多个实施例的系统400的示意图。如图所示，系统100包括具有内部光学腔104的CO2激光器102，内部光学腔104填充有包含二氧化碳的有源激光介质。CO2激光器102沿着光束路径106发射激光束。光束路径106上的光束由分束器316分成透射光束路径318和反射光束路径320。光学元件108包括光学平坦的部分透明的基板
110和介电涂层112。光学元件108可以定位在反射光束路径320上并且由手动或自动平台
114支撑。光学元件108的旋转、垂直倾斜角和水平倾斜角可以由平台114调节。在光学元件
108处反射的光束经由反射光束路径320、分束器316和光束路径106作为反馈被馈送到激光器102的内部光学腔104中。反射光束路径320上的透射过光学元件108的一部分光束在反射光束路径320中被反射镜422反射回去。

[0026] 此外，可以通过改变光学元件108相对于反射光束路径320的旋转、垂直倾斜角和水平倾斜角来改变介电涂层在某个波长处的反射率。与反馈的波长相对应的CO2分子内的振动-旋转跃迁将得到增强。因此，光学元件108的旋转和/或倾斜可以选择要增强的激光器102的输出波长，并因此调谐激光器102的输出光束。

[0027] 图5示出了另一实施例的系统500，借助该系统可以稳定设备的输出波长并且可以在快速的时间尺度上调节波长。如图所示，系统500包括具有内部光学腔104的CO2激光器102，内部光学腔104填充有包含二氧化碳的有源激光介质。CO2激光器102沿着光束路径106发射激光束。光束路径106上的光束由分束器316分成透射光束路径318和反射光束路径
320。反射光束320穿过波长依赖光学装置(Wavelength Dependent Optical Device，WDOD)
510，该装置根据波长以不同角度透射出光束550a至550d。WDOD可以是有源或无源设备，例如，声光调制器或电光调制器或衍射光学元件(例如光栅)。

[0028] 550a是波长对应于9.2μm波段的激光束，550b是波长对应于9.6μm波段的激光束，550c是波长对应于10.2μm波段的激光束，550d是波长对应于10.6μm波段的激光束。如果使用CO2激光气体的同位素混合物，例如C12O18、C13O16、C13O16、C14O16、C14O18等，则波段将发生变化。光束550a至550d将穿过平坦或弯曲的部分反射的光学元件520，并且该光束的一部分将沿320向后反射并从分束器316反射回激光器，透射通过光学元件520的该光束的另一部分将撞击四个检测器540之一。本领域技术人员将理解，取决于所采用的确切配置，透射通过光学元件520的光束可以撞击在四个检测器540中的一个或多个上。

[0029] 来自这些检测器540的信号经由560被传输到控制器530。然后，控制器530通过反馈回路570将信号传输回WDOD 510。控制器530与检测器540、WDOD 510和反馈回路570结合，允许控制由激光系统产生的每个波长中的波长以及功率(如果需要)。这些波长将在比通常更短的时间范围内调整，例如约1至5微秒。

[0030] 尽管图1、图3、图4和图5示出了根据一个或多个实施例的特定配置或布局，但是在不脱离本发明的范围的情况下可以采用其他配置或布局。

[0031] 图6示出了根据本发明的一个或多个实施例的流程图。受益于此详细描述，本领域技术人员将理解，可以在不脱离本发明的范围的情况下由其他部件来实现这些步骤。在本发明的一个或多个实施例中，可以省略、重复和/或以与图6所示顺序不同的顺序执行图6所示的一个或多个步骤。因此，本发明的范围不应被认为仅限于图6所示的特定步骤安排。

[0032] 首先，在步骤610中，气体激光器的输出光束在部分反射的光学元件上反射，该光学元件由平台支撑并且位于该气体的内部光学腔外部的输出光束的光束路径上。该光学元件可包括提供随波长变化的反射率的介电涂层。平台可以调节光学元件相对于输出光束的光束路径的旋转、水平倾斜角和垂直倾斜角。

[0033] 输出光束的光束路径可以被分成透射光束路径和反射光束路径。光学元件和平台可以位于反射光束路径上。此外，透射通过光学元件的一部分输出光束可以在反射光束路径上的反射镜处被反射回来。

[0034] 在步骤620中，针对不同的波长改变光学元件处的反射输出光束的强度。

[0035] 在步骤630中，通过改变光学元件相对于输出光束的光束路径的旋转、水平倾斜角和垂直倾斜角，来针对多个波长中的每个波长调节反射输出光束的强度。如此便选择了一波长，在该波长处，输出光束被反馈到气体激光器的内部光学腔中。

[0036] 在步骤640中，所选波长处的反射输出光束被反馈到气体激光器的内部光学腔中。如此便增强了气体激光器在所选波长处的输出光束。

[0037] 尽管已经针对有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于本公开的本领域技术人员将理解，可以设计其他实施例而不脱离本文所公开的本发明的范围。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求书限制。

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