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1、(10)申请公布号 CN 103036132 A (43)申请公布日 2013.04.10 CN 103036132 A *CN103036132A* (21)申请号 201210536413.2 (22)申请日 2012.12.12 H01S 3/03(2006.01) H01S 3/034(2006.01) (71)申请人 中国科学院长春光学精密机械与物 理研究所 地址 130033 吉林省长春市东南湖大路 3888 号 (72)发明人 邵春雷 李殿军 郭劲 (74)专利代理机构 长春菁华专利商标代理事务 所 22210 代理人 陶尊新 (54) 发明名称 周向分布多组放电增益单元的激光头。
2、装置 (57) 摘要 周向分布多组放电增益单元的激光头装置， 涉及高功率气体激光器技术领域， 解决现有激光 器由于受到技术与器件的限制， 难以实现激光器 的平均功率与重复频率提高的问题， 包括多组放 电增益单元以一个公共轴线为基准， 在同一个圆 周上均匀分布 ； 在放电增益单元之间设置有风 机、 换热器和导流装置， 构成环形气体循环流场 ； 在每一组放电增益单元长度方向的一端垂直设置 凹球面全反射镜片， 在另一端倾斜设置第一平面 全反射镜片， 在公共轴线上倾斜设置第二平面全 反射镜片， 在公共轴线上沿激光传输方向的一侧 垂直设置激光输出窗口 ； 本发明装置输出的激光 平均功率与重复频率， 达到。
3、与放电增益单元的数 量相同的倍数， 得到大幅度提高。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 1/1 页 2 1. 周向分布多组放电增益单元的激光头装置， 其特征是， 该装置包括多组放电增益单 元 （3） ， 所述多组放电增益单元 （3） 以一个公共轴线为基准， 在同一圆周上均匀分布， 并且 多组放电增益单元 （3） 之间设置有风机 （1） 、 换热器 （2） 和导流装置 （4） ， 所述多组放电增益 单元 （3） 、 风机 （1） 、 换热器 （2）。
4、 和导流装置 （5） 构成环形气体循环流场 ； 每一组放电增益单 元 （3） 的长度方向的一端垂直设置凹球面全反射镜片 （6） ， 另一端倾斜设置第一平面全反 射镜片 （7） ， 所述第一平面全反射镜片 （7） 使从每组放电增益单元 （3） 传输出的激光束向圆 周内侧折转方向， 且激光束光轴与公共轴线相交 ； 在公共轴线上倾斜设置第二平面反射镜 片 （8） ， 在所述公共轴线上沿激光束传输方向的一侧垂直设置激光输出窗口 （5） ， 当第二平 面全反射镜片 8 与其中一组放电增益单元 （3） 上倾斜设置的第一平面全反射镜片 （7） 处于 对应位置时， 凹球面全反射镜片 （6） 与激光输出窗口 （。
5、5） 之间形成光路相通的平凹稳定腔 结构。 2. 根据权利要求 1 所述的周向分布多组放电增益单元的激光头装置， 其特征在于， 还 包括回转驱动装置 （9） ， 所述第二平面全反射镜片 （8） 安装在回转驱动装置 （9） 的回转轴 上， 所述回转驱动装置 （9） 的回转轴线与公共轴线重合。 权 利 要 求 书 CN 103036132 A 2 1/4 页 3 周向分布多组放电增益单元的激光头装置 技术领域 0001 本发明涉及高功率气体激光器技术领域， 具体涉及高功率脉冲 TEA 气体激光器的 激光头结构。 背景技术 0002 高功率脉冲 TEA 气体激光器采用重复脉冲放电激励工作制式， 放电。
6、脉冲宽度极窄 （百纳秒量级） ， 由一组长电极对及必要的预电离装置构成放电增益单元。使激光振荡放大 输出的光学谐振腔采用平 - 凹稳定腔。为实现高重复频率运转， 获得高平均功率， 要求工作 气体循环流动， 还需要对因放电及循环流动作功而使温度升高的工作气体实施冷却。因此 在激光头结构中， 除了有必要的放电增益单元和光学谐振腔外， 还需要有使工作气体循环 流动的风机、 导流装置以及冷却的换热器。 0003 高功率脉冲 TEA 气体激光器只安装一组放电增益单元， 激光头横截面结构布局结 合图 1， 由一组放电增益单元、 一组风机、 两组换热器及相应导流装置构成环形气体循环流 场。如图 2 为图 1。
7、 的 A-A 剖视图 （平 - 凹稳定腔结构形式） 所示， 在放电增益单元长度方向 的一端垂直设置一块凹球面全反射镜片， 在另一端垂直设置一块平面部分反射镜片， 该部 分反射镜片即是激光输出窗口。 在放电增益单元产生的激光增益经光学谐振腔振荡放大并 通过激光输出窗口输出。目前， 因相关技术与器件的限制， 脉冲 TEA 气体激光器的平均功率 与重复频率都难以得到更大提高。 发明内容 0004 本发明为解决现有激光器由于受到技术与器件的限制， 难以实现激光器的平均功 率与重复频率提高的问题， 提供一种周向分布多组放电增益单元的激光头装置， 能够使激 光器平均功率与重复频率得到大幅度提高。 0005。
8、 周向分布多组放电增益单元的激光头装置， 该装置包括多组放电增益单元， 所述 多组放电增益单元以一个公共轴线为基准， 在同一圆周上均匀分布， 并且多组放电增益单 元之间设置有风机、 换热器和导流装置， 所述多组放电增益单元、 风机、 换热器和导流装置 构成环形气体循环流场 ； 每一组放电增益单元的长度方向的一端垂直设置凹球面全反射 镜片， 另一端倾斜设置第一平面全反射镜片， 所述第一平面全反射镜片使从每组放电增益 单元传输出的激光束向圆周内侧折转方向， 且激光束光轴与公共轴线相交 ； 在公共轴线上 倾斜设置第二平面反射镜片， 在所述公共轴线上沿激光束传输方向的一侧垂直设置激光输 出窗口， 当第。
9、二平面全反射镜片与其中一组放电增益单元上倾斜设置的第一平面全反射镜 片处于对应位置时， 凹球面全反射镜片与激光输出窗口之间形成光路相通的平凹稳定腔结 构。 0006 本发明的工作原理 ： 激光器工作时， 各放电增益单元以相同的重复频率、 相同的间 隔时间沿某一圆周方向循环顺序脉冲放电， 间隔时间等于重复频率与所设置放电增益单元 数量乘积的倒数。 以公共轴线上倾斜设置的平面全反射镜片与某一放电增益单元上倾斜设 说 明 书 CN 103036132 A 3 2/4 页 4 置的平面全反射镜片处于对应位置时作为工作起点位置， 当公共轴线上倾斜设置的平面全 反射镜片的回转和与其对应的放电增益单元的脉冲。
10、放电同步启动时， 且公共轴线上倾斜设 置的平面全反射镜片的转速等同于放电增益单元的重复频率数值、 回转方向等同于放电增 益单元之间顺序放电的循环方向， 就会出现这样的结果 ： 公共轴线上倾斜设置的平面全反 射镜片与某一放电增益单元上倾斜设置的平面全反射镜处于对应位置的时刻， 恰好是该放 电增益单元脉冲放电的时刻， 产生的激光增益会在形成光路相通的平 - 凹稳定腔结构中振 荡放大并从激光输出窗口输出。 因此， 与原只设置一组放电增益单元的激光头相比， 本发明 周向分布多组放电增益单元的激光头结构装置， 其激光输出平均功率与重复频率， 会达到 与设置的放电增益单元的数量相同数值的倍数， 得到大幅度。
11、的提高。 附图说明 0007 图 1 为现有放电增益单元横截面的结构示意图 ； 0008 图 2 为图 1 的 A-A 剖面图， 是平凹稳定腔结构示意图。 0009 图 3 为本发明周向分布多组放电增益单元的激光头装置的横截面示意图 ； 0010 图 4 为图 3 的 A-A 剖面图， 是当第二平面全反射镜片与第一平面全反射镜片处于 对应位置时， 在凹球面全反射镜片与激光输出窗口之间形成的平凹稳定腔结构。 0011 图中 ： 1、 风机， 2、 换热器， 3、 放电增益单元， 4、 导流装置， 5、 激光输出窗口， 6、 凹球 面全反射镜片， 7、 第一平面全反射镜片， 8、 第二平面全反射镜。
12、片， 9、 回转驱动装置。 具体实施方式 0012 具体实施方式一、 结合图3和图4说明本实施方式， 周向分布多组放电增益单元的 激光头装置， 包括多组 （一组以上） 相同结构参数的放电增益单元3以一个公共轴线为基准， 在同一个圆周上均匀分布 ； 在放电增益单元3之间设置有风机1、 换热器2和导流装置4， 构 成环形气体循环流场 ； 在每一组放电增益单元 3 长度方向的一端都垂直设置一块相同的凹 球面全反射镜片 6， 在另一端都倾斜设置一块相同的第一平面全反射镜片 7， 该第一平面全 反射镜片 7 使从放电增益单元 3 传输出的激光束向圆周内侧折转方向， 且激光束光轴与公 共轴线相交 ； 在公。
13、共轴线上倾斜设置一块第二平面全反射镜片 8， 第二平面全反射镜片 8 安 装在一个回转驱动装置9的回转轴上， 该回转驱动装置9的回转轴线与公共轴线重合 ； 当第 二平面全反射镜片 8 沿公共轴线回转时， 其镜面与各放电增益单元 3 上倾斜设置的第一平 面全反射镜片 7 的镜面都存在着相同的对应位置关系， 在该对应位置上能接收到从与其对 应的第一平面全反射镜片 7 上传输过来的激光束， 并能够使激光束折转方向与公共轴线同 轴且向一侧输出 ； 在公共轴线上沿激光传输方向的一侧垂直设置一块平面部分反射镜片， 该平面部分反射镜片即是激光输出窗口 5 ； 当公共轴线上倾斜设置的第二平面全反射镜片 8 与。
14、某一放电增益单元 3 上倾斜设置的第一平面全反射镜片 7 处于对应位置时， 在该放电 增益单元 3 上垂直设置的凹球面全反射镜片 6 与激光输出窗口 5 之间会形成光路相通的 平 - 凹稳定腔结构， 能够使该放电增益单元因脉冲放电产生的激光增益振荡放大并从激光 输出窗口 5 输出。 0013 本实施方式中可包括多组换热器， 所述多组换热器 2 与多组放电增益单元 3 间隔 设置在圆周上。 说 明 书 CN 103036132 A 4 3/4 页 5 0014 具体实施方式二、 结合图3和图4说明本实施方式， 本实施方式为具体实施方式一 所述的周向分布多组放电增益单元的激光头装置的实施例 ： 本。
15、实施方式以周向分布三组相 同结构参数的放电增益单元的激光头结构为例 ： 包括风机 1、 两组换热器 2、 三组放电增益 单元3、 六个导流装置4、 激光输出窗口5、 三块凹球面全反射镜片6、 三块第一平面全反射镜 片 7， 第二平面全反射镜片 8 和回转驱动装置 9 ； 所述三组相同结构参数的放电增益单元 3 以一个公共轴线为基准， 在同一个圆周上均匀分布 ； 风机 1、 两组换热器 2 设置在各放电增 益单元3之间， 放电增益单元3、 风机1、 换热器2之间都设置有导流装置4， 构成环形气体循 环流场 ； 在每一组放电增益单元 3 长度方向的一端 （图 4 中为右端） 都垂直设置一块相同的 。
16、凹球面全反射镜片 6， 在另一端 （图 4 中为左端） 都倾斜设置一块相同的第一平面全反射镜 片 7， 三块平面全反射镜片 7 也是在放电增益单元 3 所处的同一个圆周上均匀分布， 每一块 第一平面全反射镜片7都能够使其对应的放电增益单元3传输出的激光束向圆周内侧折转 方向， 且激光束光轴与公共轴线相交 ； 在公共轴线上倾斜设置一块第二平面全反射镜片 8， 第二平面全反射镜片 8 安装在回转驱动装置 9 的回转轴上， 回转驱动装置 9 回转轴的轴线 与公共轴线重合 ； 当第二平面全反射镜片 8 围绕公共轴线回转一周时， 其镜面与三块第一 平面全反射镜片 7 的镜面都会出现一次相同的对应位置关系。
17、， 在该对应位置上第二平面全 反射镜片 8 能接收到从与其对应的第一平面全反射镜片 7 上折转过来的激光束， 并且使激 光束折转方向与公共轴线同轴并向一侧输出 （图 4 中是向左侧） ； 在公共轴线上沿激光传输 方向的一侧 （图 4 中是向左侧） 垂直设置一块激光输出窗口 5 ； 当第二平面全反射镜片 8 与 某一放电增益单元 3 上倾斜设置的第一平面全反射镜片 7 处于对应位置时， 在该放电增益 单元 3 上设置的凹球面全反射镜片 6 与激光输出窗口 5 之间就形成光路相通的平 - 凹稳定 腔结构， 能够使该放电增益单元 3 因脉冲放电产生的激光增益振荡放大且从激光输出窗口 5 输出。 00。
18、15 采用本实施方式所述的周向分布多组放电增益单元的激光头装置的激光器在工 作时， 三组放电增益单元 3 的放电重复频率完全相同， 以 100Hz 为例， 它们之间都间隔相同 的时间并沿某一圆周方向循环顺序放电， 结合图 3， 以顺时针方向为例， 间隔时间等于重复 频率与放电增益单元3设置数量乘积的倒数， 即间隔时间为1/300秒， 以第二平面全反射镜 片 8 与某第一平面全反射镜片 7 处于对应位置时， 作为工作起点位置， 以图 3 中对应最上侧 的放电增益单元 3 为例， 当第二平面全反射镜片 8 回转启动和与其对应的放电增益单元 3 放电启动同步时， 且第二平面全反射镜片8的转速等同于放。
19、电增益单元3的重复频率数值， 即 ： 100 转 / 秒 （回转一周的时间 1/100 秒） ， 回转方向等同于各放电增益单元 3 之间顺序放 电的循环方向， 以图3所示为顺时针方向， 则第二平面全反射镜片8从起点回转到与右下侧 放电增益单元 3 上的第一平面全反射镜片 7 对应位置的时间为 1/300 秒， 回转到与左下侧 放电增益单元 3 上的第一平面全反射镜片 7 对应位置的时间为 2/300 秒， 回转到与最上侧 放电增益单元 3 上的第一平面全反射镜片 7 对应位置的时间 （也就是回转一周的时间） 为 3/300 秒 （即 1/100 秒） 。可见第二平面全反射镜片 8 与三块第一平。
20、面全反射镜片 7 顺序处 于对应位置的时间间隔为1/300秒， 与三组放电增益单元3之间顺序放电的间隔时间1/300 秒完全相同， 则第二平面全反射镜片 8 与某一放电增益单元 3 上设置的第一平面全反射镜 片7处于对应位置的时刻， 恰好是该放电增益单元3放电的时刻， 产生的激光增益会在形成 光路相通的平凹稳定腔结构中振荡放大并从激光输出窗口 5 输出。因此， 周向分布三组放 说 明 书 CN 103036132 A 5 4/4 页 6 电增益单元 3 的激光头结构装置， 结合图 3， 与图 1 中只设置一组放电增益单元 3 的激光头 相比， 重复频率为300Hz是原来的3倍， 激光输出平均功率是三组放电增益单元输出之和也 是原来的 3 倍。则可说明， 对于原只设置一组放电增益单元 3 的激光头来说， 本实施方式所 述的周向分布多组放电增益单元的激光头装置， 其激光输出平均功率与重复频率， 会达到 与所设置的放电增益单元的数量相同数值的倍数。 说 明 书 CN 103036132 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103036132 A 7 。