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CN101379666A - 具有减小横截面尺寸和/或减小光轴畸变的波导激光器 - Google Patents

具有减小横截面尺寸和/或减小光轴畸变的波导激光器 Download PDF

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CN101379666A CNA2007800044741A CN200780004474A CN101379666A CN 101379666 A CN101379666 A CN 101379666A CN A2007800044741 A CNA2007800044741 A CN A2007800044741A CN 200780004474 A CN200780004474 A CN 200780004474A CN 101379666 A CN101379666 A CN 101379666A
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Abstract

本发明提供具有减小横截面尺寸和/或减小光轴畸变的波导激光器。本发明某示例性实施例提供了组合波导盖及非耦合顶电极、和/或包括多个(例如，两个或更多)室的热载平衡真空容器。在某示例性实施例中，RF能量可以没有明显的穿过绝缘载体材料，而经由一个或多个顶电极(或着甚至是底电极)RF耦合区形成的间隙或切口，通过组合波导盖及非耦合顶电极耦合。在某示例性实施例中，可以布置真空容器的第一室和第二室使得放电区生成的热量从第一室和第二室流出，从而减少激光运行过程中光学元件的热致变形。这些技术可以单独使用或以各种方式组合使用。

Description

具有减小横截面尺寸和/或减小光轴畸变的波导激光器
相关申请交叉引用
本申请主张2006年2月3号提交的美国临时专利申请第60/764,774的优先权，该申请全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明的示例性实施例涉及波导激光器，包括但不限于RF激励波导激光器。更具体的，本发明的示例性实施例涉及用于减小波导激光器横截面尺寸和/或减小光轴畸变的技术，例如，通过提供组合波导盖及非耦合顶电极和/或包括两个室的热载平衡真空容器。
背景技术
波导激光器通常包含反射镜，其为平面或凹面的，限定光学谐振腔，该光学谐振腔与波导耦合在一起，在反射镜之间限定光路。
波导一般包含在陶瓷块(例如，氧化铝，Al2O3)内磨出的沟槽，沟槽添加到的铝或铜制的下电极组成波导的横截面。或者，波导可以通过将一块诸如氧化铝(Al2O3)的陶瓷采用超声向下钻孔，生成连续封闭的孔长度，并且具有平行于孔长度方向的上电极和下电极。振荡电磁场(例如射频或RF)供应装置的阳极臂通常被耦合到波导的上电极，而RF供应装置的接地面被耦合到下电极。在上电极之间并沿着上电极长度方向加入谐振，以沿着电极的长度方向均匀地分布RF电压。最终，反射镜和波导结构被对准并封装在容纳被激励气体的真空容器(激光器壳体)中。
但是，常规的波导激光存在一些缺点。例如，CO2激光器通常由于来自激光器真空腔的差异排热而产生相对大的横截面尺寸和光轴畸变。保持和定位CO2激光器波导和真空容器的当前机械系统趋向于以20的因子扩大波导的小横截面尺寸，而主要通过激光器的一侧边吸收热量的现有波导激光系统的排热方案引起了激光器真空腔的差异热膨胀。
发明内容
因此，本领域的技术人员意识到对于改良的波导激光器(比如，CO2、N2、和/或其他波导激光器)存在一种需求，即克服这些缺点和/或其他缺点中的一项或几项。
本发明某示例性实施例的一方面涉及一种组合波导盖及非耦合顶电极。该组合波导盖及非耦合顶电极可以具有一个或多个在其中形成的间隙和切口。
本发明某示例性实施例的另一方面涉及用于提高激光器真空容器热载平衡的技术。该技术可以包含使用两个邻接的室，例如第一个室作为具有发射激光区的放电室，而第二个室作为气体镇流室。
在本发明的某示例性实施例中，提供了一种波导激光器，包括：电极，包括沉积在绝缘载体材料上的基本金属层，而在电极中沿着其长度方向有基本平行伸长的两相对侧边，所述两侧边在电极RF耦合区包括至少一个间隙和/或切口，使得RF能量通过电极耦合，而无需穿过绝缘载体材料。
在某示例性实施例中，提供了用于RF放电激光器的顶电极。金属层或基本金属层沉积在绝缘载体材料上。该顶电极通常可以沿着基本平行的长侧边伸长。所述长侧边可以在RF耦合区包括至少一个切口和/或间隙，使得RF能量通过电极耦合，而无需穿过绝缘载体材料。
在某示例性实施例中，提供了一种气体放电激光器。该气体气体激光器可以提供了真空容器，该真空容器具有连接到至少其一端的光学原件。该真空容器可以包括充分邻接的第一室和第二室。第一室可以是包含放电区的放电室。第二室可以是气体镇流室。可以布置第一室和第二室使得放电区产生的热量从第一室和第二室流出，从而减少激光器运转过程中光学元件的热变形。
在其他示例性实施例中，提供了一种气体放电激光器。该气体激光器可以包括用于RF放电激光器的顶电极。该顶电极通常可以包括沉积在绝缘载体材料上的金属层或基本金属层。该顶电极通常可以沿着基本平行的长侧边伸长。所述各长侧边可以在RF耦合区包括至少一个切口和/或间隙，使得RF能量通过电极耦合，而无需穿过绝缘载体材料。真空容器具有连接到至少其一端的光学原件，真空容器包括充分邻接的第一室和第二室。第一室可以是包含放电区的放电室。第二室可以是气体镇流室。可以布置第一室和第二室使得放电区产生的热量从第一室和第二室流出，从而减少激光器运转过程中光学原件的热变形。
本发明的各方面和各实施例可以单独使用或者在本发明的不同实施例中以各种组合方式应用。
附图说明
通过结合附图对典型说明性实施例的详细描述，可以更好更完整的理解这些以及其他特征和优点，其中：
图1是波导激光器的透视图；
图2是波导激光器的截面图；
图3是图4中激光器截面IV—IV的侧视图；
图4是从输出耦合器方向激光器的端视图；
图5是根据一种实施例的组合波导盖及非耦合顶电极；
图6是根据一种实施例的激光器真空容器的尾部。
具体实施方式
在本发明的某示例性实施例中，某气体(例如，CO2、N2等)激光器可以构造成稳定谐振、非稳定谐振和/或波导谐振模式。波导谐振模式提供了相对小的波导横截面(一般大约0.1平方英寸，或其他合适的尺寸)、和比稳定谐振或非稳定谐振模式更高的放电体密度。已有的设计技术在波导周围建立大的真空容器，把波导激光横截面从大约0.1平方英寸扩大到了通常的大约0.2平方英寸等。然而，对于某些应用(例如，产品识别方面的应用，例如，标记食品包装和罐充等)，实现更小的横截面是一种需要和/或期望。例如，期望在某些应用中实现仅仅大约1平方英寸或更小的横截面尺寸，从通常的2平方英寸横截面变为减小了几乎75％的横截面。除非公开声明，这些尺寸仅是示例，并非是限制性的。
现在更具体的参考附图，附图中同一标号表示各视图中同一部件，图1-4用于说明某波导激光器的运行。图1示出了一种板条波导激光器1，包括顶电极或上电极2和底电极或下电极4。上电极和下电极，分别是2和4，可以具有可变的形状(例如，平面的、可变厚度的、弯曲的等)。侧壁3a-3d被夹在上电极2和下电极4之间，可以由小间隙5分隔开。阴影处所示为侧壁的宽度方向和厚度。在图1-2中侧壁的长度方向未画阴影。侧壁3a-3d可以用任何合适的材料形成。例如，侧壁3a-3d可以根据所需的电介质的特性而由各种材料构成。该侧壁可以由陶瓷材料(例如，氧化铍(BeO)、氮化铝(AlN)等)构成。
侧壁3a-3d和上电极2及下电极4可以形成波导6。任意数量的侧壁之间可以没有间隙或者可以有任意数量的间隙。该侧壁可以在预定压力下密封波导6。例如，波导6可以在各种压力下密封，压力依赖于例如发射激光介质或所需运行环境。同样，波导可以具有电极2和4、无间隙的侧壁3a-3d。在这种实施例中，侧壁3a-3d将延伸并围绕电极2和4来形成激光器本身的壳体。同样的，电极2和4可形成激光器的壳体。
侧壁3a-3d(等)用于引导光束达到这样一种程度，即使得即使在侧壁部分之间或侧壁部分与电极2和4之间存在间隙的情况下也几乎没有或没有明显的光束恶化或能量损失。在基本不影响光束的情况下，间隙5可以具有变化的尺寸(例如，大约1-3mm、或多或少)。
图2是通过图1中波导激光器1的横剖面得到的端视图。上电极2和下电极4显示为这样的形成，其形成具有圆角(或角状突起)的波导6。电极2和4的形状可轻松改变，以便来提供更方便的触发和更好的光束模式控制。在波导激光器和其他类型的激光器中，希望在一些示例性实施例的光束中存在圆对称，这些光束将产生高斯型光束强度。电极可以是圆形的，使得在某示例中的波导(例如，波导横截面是完整的圆形)具有完整的圆对称，该电极将在后面展示。电极横截面的不同形状可以通过常规方法来成型(例如，通过CNC铣床等)。
图3示出了图4中波导激光器截面IV—IV的侧视图。激光器1可以被布置在壳体11内，并包括位于两端面1a和1b之间的空腔。端面1a包括了反射面，而端面1b包括了形成输出耦合器的部分反射面。RF馈通12可以被绝缘壳体13(例如，绝缘陶瓷壳体)所环绕。绝缘壳体13可以由各种材料组成(例如，BeO、AlN、Al2O3、其他合适的绝缘和/或电介质材料等)。尽管这里的讨论已经涉及各种组件，但是这些组件的布置和这些组件的存在不应被认为是对本发明范围的限制。在包括反射元件的密封波导结构中，不是必须有单独的壳体，在该结构中侧壁或电极另外形成壳体。
激光器1可以被放置在壳体11中，该激光器拥有顶电极板或上电极板2和底电极板或下电极板4。该顶电极或上电极2显示为连续的，但是也可以包括一个或多个部分来帮助减小翘曲，翘曲是由例如电极顶侧边和底侧边之间的温度差引起的。波导6可以被安置在全反射器14和部分反射表面15之间。全反射器14和部分反射表面15可以位于波导6的端部。部分反射表面15可以至少部分地形成光束输出耦合器。光束从输出耦合器离开前，可以行进一次或多次穿过波导。需要理解的是波导的数量和布置方式通过示例的方式给出而不限于此。例如，某些激光器拥有连接的或单独的多路波导。
图3所示实施例说明了一种情况，其中陶瓷侧壁3a-3e相互紧邻不留缝隙。在图3中，四个陶瓷圆柱体16a-16d被用来提供激光器壳体和电极之间的夹紧力，从而共同保持激光器。圆柱体16a-16d可以由各种材料制成(例如，BeO、AlN或Al2O3、或者其他合适的陶瓷等)。圆柱体16a-16d显示为分别设有感应器17a-17d，感应器有助于确保沿着激光器长度方向的电压差是减小的。至少一个电源可以由连接器12连接。
调节器18a-18d可以用于调节光学系统。例如，调节器18a-18d可以包括螺旋调节器，但是需要注意的是，取代螺旋调节器或除了螺旋调节器之外，可以使用其他调节器在相同平面和/或其他平面调节光学系统。调节器18a-18d是可选的，而且调节器的类型不限于光学或其他种类调节器。
图4是激光器的端视图。两个光学调节器18可以相互成直角放置，从而方便在垂直于光束的光轴的两个平面上的光学调节，该光轴平行于孔6放置。需要注意的是，其他未显示的调节装置可以用来在平行于光束方向调节光学系统。
一些实施例提供了用于减小激光器波导模式的技术，使得真空容器也可以缩小。此外，在一些实施例中，不需要改变激光器激发电路，就可以实现减少激光器放电元件，从而提供高效率和稳定性能。相关技术将描述如下。
1、组合波导盖和非耦合顶电极示例
根据本发明的一个示例性实施例，图5示出了组合波导壳体和非耦合顶电极100。在图5中，顶电极是添加到一层非常薄的绝缘载体材料104(例如，大约0.060”厚，从大约0.01到0.5”厚，更多更适宜的从大约0.02到0.10英寸厚)上的一层非常薄的金属或基本金属层102(例如，大约0.002”厚，从大约0.001到0.05”厚，或者其他合适的厚度)，使得单片100(例如，整个大约0.062”，或者其他基于上述尺度的合适厚度)既提供了波导放电区的顶盖又提供了放电电路的顶电极。
本发明的某实施例不限制于任何特殊类型的金属层102或绝缘承载材料104。通过示例的方式但不限于此，金属或基本金属层102例如可以包括一种或多种金属，特别是银、金、铜和铝中的一种或多种，或其合金，或任意合适的金属基层。通过示例的方式但不限于此，绝缘载体材料104可以是任何适当的陶瓷。
在绝缘载体片104和/或金属层102中提供一个或多个切口106，使得RF电能不需要通过波导盖(例如，陶瓷波导盖)来耦合，因而减小了与激光放电成线性的额外电容。特别的，图5示出了两个基本半圆形切口106，每个基本半圆形切口106被安置在组装好的组合波导盖及非耦合顶电极100的纵向侧的两相对侧边上。切口(或凹槽)106可以是如图6所示的半圆形，而可以是矩形、三角形、椭圆形，或其他任意适当的形状。需要注意的是“非耦合”意味着没有直接的物理接触(即，非耦合电极可以仍然拥有电耦合，例如该电耦合可以通过一个或多个间隙、切口等发生在电耦合区)。
如图5所示，间隙(例如，切口或凹槽)106位于RF耦合区108，RF耦合区108位于或邻近于RF信号输入的地方。因而，在某示例性实施例中，RF能量将横穿绝缘载体材料104，例如，沿着由图5中所示箭头指出的一个或多个方向。
本发明不限制于任意特殊形状、尺寸、位置、和/或数量的切口。而且，本发明本身不限制于切口。通过示例的方式但不限于此，任何类型的间隙都可以用于106，术语“间隙”包含很广，包括例如，切口、凹槽、缺口、调整片、穿孔、通孔等。同时，该间隙的布置可以是对称的或非对称的，一个或多个间隙可以围绕组合波导盖及非耦合顶电极100放置。2、热载平衡示例
低功率激光器倾向于相对短小。例如，光学谐振器普遍小于约16英寸。因此，它们倾向于对于谐振器反射镜的热运动更敏感。激光放电生成的热量通常由激光器真空容器的一侧边被吸入。在此情况下，上述热量由“单轴”被吸入。散热轴以比反向轴更大的速率胀大，产生差异热增长。由于输出镜片作为前谐振器反射镜和前真空容器密封点，当真空容器出现差异增长和翘曲时，输出镜片使光学输出倾斜和畸变。
然而，某示例性实施例提供了机械装配的布置，通过激光器真空容器的两侧边提供更平均的(例如，基本平均的)激光排热。在真空容器热膨胀时，相对于谐振器光轴，更平均的排热减少了真空容器的翘曲。因此，当激光产生热量时，真空容器近似沿着光轴增长，输出光学装置沿着光轴增长，而在某示例性实施例中，对光学模式和功率的影响减小了。对于稳定或非稳定谐振器，反射镜之间的距离是显著的，所以即使激光器沿着光轴增长，光束模式也受影响。相反，对于波导激光器，反射镜和波导之间的谐振器反射镜耦合效率受到影响，但是因为波导和谐振器反射镜都安装在同一真空容器上，所以波导和谐振器反射镜增大量大体相同，因此对反射镜-波导耦合效率只有有限的影响。
根据本发明的某示例性实施例，图6是激光器真空容器200的端部。激光器真空容器200分成两个室202、204。上室202是激光放电室，包括发射激光区206。底室204是气体镇流室。在一些示例性实施例中，底室204可以是无旋光性的。然而，在一些其他示例性实施例中，底室204也可以是放电室。在一些示例性实施例中，室202和204可以有或可以没有近似相同的尺寸(在横截面上和/或其他)。光学元件(未示出)可以用于密封真空容器200，需要注意的是在某些示例性结构中光学元件可以是输出耦合器。
参考图6所述机械装置使得放电热量从真空容器的两侧边更平均的(例如，基本上)流出，并减少了(有时甚至消除了)热不均衡量。更具体的，热量将在图6箭头所示的一个或多个方向上流动。
需要注意的是图6所示装置实质上是示例性的，而不应视为限制性的。例如，尽管两个放电室202、204显示为关于水平轴基本对称，但是本发明并未限定于此。同时，需要注意的是尽管两个放电室202，204显示为堆叠起来的，但是本发明并未限定于此。通过示例的方式但不限于此，两个放电室202，204可以放置成相互紧邻或者其他任何合适的充分邻接方式。
3、组合示例
尽管组合波导盖及非耦合顶电极示例和热载平衡示例分别描述如上，但是本发明并未限定于此。相反，这里所述实施例可以单独使用或以各种组合方式使用。例如，组合波导盖及非耦合顶电极示例和热载平衡示例可以通过组合方式或不通过组合方式在具体示例中实现各装置的优点。
虽然本发明是结合目前认为最实用的优选实施例来描述的，但是需要注意的是本发明并未限定于所公开的实施例，而是相反的，本发明意欲包含在所附权利要求限定的精神和范围下的各种修改和等同装置。

Claims (20)

1.一种波导激光器包括：
电极，包括沉积在绝缘载体材料上的基本金属层，以及
其中，所述电极沿其长度方向设置有基本平行的细长相对侧边，每个所述侧边在所述电极的RF耦合区包括至少一个间隙和/或切口，使得RF能量通过所述电极耦合，而无需横穿所述绝缘载体材料。
2.如权利要求1所述波导激光器，其中，所述间隙和/或切口对称布置在所述电极的相对侧边上。
3.如权利要求1所述波导激光器，其中，所述间隙和/或切口的形状基本是半圆形。
4.如权利要求1所述波导激光器，其中，所述RF耦合区基本设置在所述电极的中间。
5.如权利要求1所述波导激光器，其中，所述基本金属层由银、金、铜和铝中的一种或多种组成。
6.如权利要求1所述波导激光器，其中，所述绝缘载体材料包括陶瓷。
7.如权利要求1所述波导激光器，其中，所述基本金属层的厚度从大约0.001到0.05英寸，和/或所述绝缘载体材料的厚度从大约0.01到0.5英寸。
8.如权利要求1所述波导激光器，其中，所述激光器包括另外的电极，而所述波导被放置在电极之间，而且其中，所述激光器是一种RF放电激光器。
9.一种气体放电激光器，包括：
真空容器，包括连接到至少其一端的光学元件，所述真空容器包括基本邻接的第一室和第二室，
其中，所述第一室是容纳放电区的放电室，而所述第二室至少是气体镇流室，而且
其中，布置所述第一室和所述第二室，使得所述放电区产生的热量从所述第一室和所述第二室流出，从而减少所述激光器运行过程中光学元件的热变形。
10.如权利要求9所述激光器，其中，所述第一放电室和所述第二放电室关于隔开所述第一放电室和所述第二放电室的中间平面基本上对称放置。
11.如权利要求9所述激光器，其中，所述第二室是非旋光的。
12.如权利要求9所述激光器，其中，所述第二室也是放电室。
13.如权利要求9所述激光器，其中，所述光学元件是输出耦合器。
14.一种气体放电激光器，包括：
顶电极，包括沉积在绝缘载体上的金属层，并且其中所述顶电极的形状为大致细长的，具有基本平行的细长侧边，所述侧边中一个或两个在RF耦合区至少包含一个切口和/或间隙，使得RF能量通过所述电极耦合，而无需穿过所述绝缘载体；并且
真空容器，包含连接到至少其一端的光学元件，所述真空容器包括基本邻接的第一室和第二室，
其中，所述第一室是容纳放电区的放电室，
其中，所述第二室至少是气体镇流室，并且
其中，安排所述第一室和所述第二室，使得所述放电区产生的热量从所述第一室和所述第二室流出，从而减少所述激光器运行过程中所述光学元件的热变形。
15.如权利要求14所述激光器，其中，所述切口和/或间隙对称放置在所述顶电极的相对侧边上。
16.如权利要求15所述激光器，其中，所述金属层包括银、金、铜和铝中的一种或多种，并且其中，所述绝缘载体包括陶瓷。
17.如权利要求14所述激光器，其中，所述第一放电室和所述第二放电室关于隔开所述第一放电室和所述第二放电室的中间平面基本上对称放置。
18.如权利要求14所述激光器，其中，所述第二室是非旋光的。
19.如权利要求14所述激光器，其中，所述第二室也是放电室。
20.如权利要求14所述激光器，其中，所述光学元件是输出耦合器。
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