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- 高功率 CO2激光器
随着激光技术的不断发展，高功率激光器在工业加工及国防领域得到重要的应用。高功率 CO2激光器具有光束质量好、转换效率高、输出功率大、运行成本低、既能连续输出又能脉冲输出等众多优点，在激光焊接、切割、表面改性等领域有着广泛的应用。 [1]
高功率 CO2激光器的发展概况
自从 1964 年帕特尔发明了第一台 CO2激光器以来，CO2激光器的发展十分迅速，各种实用化的 CO2激光器不断出现，激光器的输出功率亦越来越高。目前，放电激励CO2激光器的输出功率已经达到几万瓦，电光转换效率为 10%～25%。在 CO2激光器技术业已相当成熟的同时，新的激励技术与谐振腔技术仍在不断涌现，以期实现体积小、重量轻、功率大、光束质量好、寿命长、使用稳定、可靠、方便的器件。从而，使 CO2激光器技术进入到一个崭新的发展阶段。 [1]
高功率 CO2激光器是工业应用中功率最大、种类最多、应用广泛的一类常用的气体激光器。按结构分类：根据气体流动方向、放电方向和光轴方向的相互位置不同，可分为横向流动（简称横流）CO2激光器和轴向流动（简称轴快流）CO2激光器两大类，此外还有扩散冷却板条 CO2激光器。 [1]
横流 CO2激光器目前主要采用三轴正交结构，即气流方向、放电方向和光轴方向三者相互垂直。
横流 CO2激光器的最大特点是：
可以获得体积均匀的辉光放电，因而可获得很大的激光输出功率。工作原理：激光器壳内的风机驱动混合工作气体横向通过放电激励区域，通过在电极间加上直流电压使工作气体产生辉光放电。这种放电激励使CO2分子产生能级间的跃迁，当粒子从高能级向低能级跃迁时，放出光子，光子在反射镜之间来回反射振荡，产生激光。横流CO2激光器增益体积大，单腔可以实现均匀分布的多模光斑输出，采用折叠腔或用选模光阑可以实现低阶模输出。多模横流CO2激光器主要用于材料的表面改性，如激光 表面热处理、激光熔凝强化、激光熔覆等，低阶模横流 CO2激光器主要用于钢铁行业、武器装备中厚钢板的激光深熔焊接等。 [1]
国外横流CO2激光器的最大输出功率达到了 30kW，商品化产品达到了 15kW，如武钢进口了 8kW 横流 CO2激光器用于厚钢板的激光拼焊，美国光谱物理的 820 型横流 CO2激光器光束质量好，可用于切割领域。国内在 90 年代，有华中科技大学、上海光机所、湖南大学等单位完成 10kW 横流CO2激光器的研制，但是，目前国内在高光束质量以及电源技术等方面制约了横流 CO2激光器在切割及厚板焊接方面的应用。高功率高光束质量的激光谐振腔设计一直是横流CO2激光器研究中的一个重点和难点。 [1]
快速轴流 CO2激光器是由放电管、电极、谐振腔、电源及快速流动气体循环系统
（风机、热交换器）等组成。快速轴流CO2激光器的气流方向和激光束输出方向都是一致的。快速轴流 CO2激光器的一个显著的优点是其模体积和激活体积具有轴对称性，二者有良好的匹配，能得到较高的电光转换效率。
国外轴快流 CO2激光器已发展得相当成熟，已形成 1000W-20kW 产品系列，并在激光切割或焊接加工上得到广泛应用。轴快流CO2激光器的放电激励方法也由原来的直流激励发展到射频激励，射频激励可以实现大放电管径的均匀稳定放电，研究提取大直径放电管内的增益，并实现高光束质量的激光输出的谐振腔，对于开发紧凑型的轴快流CO2激光具有重要的意义。
扩散冷却板条 CO2激光器结构小巧，光束质量高，不需要气体热交换器，光学损耗低，热稳定性非常高，气体消耗低，没有气体流动，谐振腔光学器件不会污染，使其在高功率激光加工中具有广泛应用前景。1990 年 Nowark 等人用射频激励扩散冷却大功率CO2激光器技术获得了 500W 的激光功率输出，1992 年 Hall 等人在世界上首次报道了射频激励扩散冷却千瓦输出 CO2激光器，1993 年 Yeldon 等人提出了一种新的圆筒状径向多通道扩散冷却 CO2激光器，1993 年 Lapucci 等人提出了一种三单元无侧壁板条波导CO2激光器技术，1994 年 Ehrlichmann 等人提出了一种环形非稳腔结构，利用同轴放电形成的环形增益与环形非稳腔匹配，获得 1kW 激光输出。国际上德国 Rofin-Sinar 已经开发出了数千瓦级的射频激励扩散型冷却 CO2激光器系列。国内有许多研究机构如华中科技大学，北京理工大学，中国科学院电子所，江苏新潮科技，上海激光所，浙江大学等在板条结构、射频电源和光腔方面进行很多基础研究工作。 [1]
扩散冷却板条 CO2激光器内部无气体流动，且不用密闭气体放电管，与轴流 CO2激光器比，扩散冷却板条 CO2激光器的结构非常紧凑。 扩散冷却板条 CO2激光器的谐振腔为稳定—非稳混合谐振腔，不同于普通的球面镜激光谐振腔，其理论研究和试验加工都是非常复杂，一直是扩散冷却板条 CO2激光器的一个研究难点。
光学谐振腔的设想始于 50 年代后期，并对激光器的发明起了十分重要的作用。迄今，在常规激光器中，光学谐振腔仍是实现反馈、选择振荡模式和提供输出耦合作用的主要器件。除具有常规光腔功能外，对高功率激光谐振腔的主要要求是：
(1) 高的提取效率，以能充分利用激活介质的储能，实现高功率激光输出。
(2) 高光束质量。要求能在不明显降低激光输出功率前提下，有高的输出光质量。因此，对高功率激光谐振腔摒弃了常规的小孔选模等以牺牲输出功率换取高光束质量的方法，而应当在对劣化光束质量的各种因素进行分析基础上，提出改善光束质量的新方法。
(3) 大的动态工作范围，在一定的泵浦功率范围内，输出光束参数保持不变。
(4) 高稳定性，包括对腔镜失调不灵敏、有高的机械稳定性和对热扰（介质热效应、腔镜和光学元件的热变形）的稳定性等。
随着强激光技术的迅速发展，高功率激光谐振腔的研究工作也取得了很大进展， 针对不同工作介质和应用要求，国内外研究工作者提出了一些新型光腔，如多折叠稳定腔、900束转动不稳腔、不失调棱镜腔、非球面激光谐振腔、非均匀反射腔、梯度相位镜腔、相位共轭腔、含衍射光学元件腔、二元光学谐振、周期光栅谐振腔等来改善光束质量。 [1]
多折激光谐振腔
(1) 单程谐振腔
单程谐振腔结构，主要由输出镜、光阑和尾镜组成。在放电条件和腔长一定的情况下，尾镜曲率半径 12m，光阑孔径 20mm，透过率 18.8%的输出镜，TEM02模的输出功率可达 1.2kW 以上，并能长时间稳定工作。
(2) V 型二折腔
V 型二折谐振腔是最简单的折叠腔，由尾镜、转折镜、输出镜组成。华中科技大学研制的 5000W 横流 CO2激光器使用V 型谐振腔结构，在适当的参数设置下，可获得低阶模输出。
(3) N 型三折腔
N 型三折谐振腔由一个尾镜、两个转折镜、一个输出镜组成。文献将 N 型稳定谐振腔应用于高频激励 CO2激光器，获得了大于 1.5kW 的低阶模输出，输出光束的模式为 TEM00+TEM01，远场全发散角为 1.63mrad，腰斑直径为 14mm，功率输出不稳定性<±3%。
(4) U 型谐振腔
U 型谐振腔由输出镜、两个转折镜、尾镜组成，其中两片转折镜与光轴成 45º。文献在具有双放电通道、放电区的气体流速为 80 m/s 的 5kW 横流 CO2激光器上采用了该型光腔，腔长 3.2 m，尾镜曲率半径为 8m，输出窗口透过率为 40%，在5kW 多模和 3kW 低阶模长达 10 小时的连续运转中，模式稳定，功率不稳定度 1.0%。 [1]
(5) 五折谐振腔
五折谐振腔最简单的结构，其中有6块镜片，在实际应用时由于镜的数量多，整个谐振腔的调整会很困难，任何一块镜子的失调都将导致无法输出激光。
因此文献使用改进的五折谐振腔结构，此种结构可有效的减低谐振腔的失调性能，提高腔的稳定性，该谐振腔总腔长为7米，尾镜的曲率半径为15米，有效孔径Φ45mm，转折镜有效反射面积45mm ×90mm，输出镜透过率T=72%，在腔内不加光阑的情况下，得到最大1550W的激光输出，模式以基模为主，含有较弱的低阶模成分。 [1]
(6) 七折谐振腔
按照简单的折叠腔的设计思路，七折腔会出现 8 个镜子，实际应用中很困难。文献设计的七折光学谐振腔系统仅需四块腔镜，机械结构简单、调整工作量大大减少，光学谐振腔的稳定性也高，具有实用性。支撑谐振腔的光桥位于激光器的壳体内部的真空室里，整个光桥和全部反射镜都是水冷，保证了光腔的稳定性。为了防止光腔失调时激光束烧坏放电室的部件及造成放电起弧和抑制高阶横模的振荡，全反射平面镜上只有三个分立的圆形反射区。 [1]
(7) 方形折叠谐振腔
ML-108 激光加工系统使用方形折叠式非稳腔，其光轴、放电方向和气体流动方向互成 90º，混合气体从腔外侧垂直于光轴和放电极方向高速流入腔中心。该腔由三个转折镜将光腔延长，增大了输出功率并改善了光束质量，减小了激光器的几何尺寸。 [1]
综上所述，通过采用折叠腔延长了谐振腔的长度，提高了光束质量，但加大了谐振腔的调整难度，降低了谐振腔的抗失调稳定性。因此高功率激光器的光束质量改善一直是一项难度较大的课题，设计新型光学谐振腔是改善高功率横流 CO2激光光束质量的重要手段。 [1]
沿气流方向的增益介质分布不均匀性是高功率流动型气体激光器的固有特性，因此，要获得良好的光束质量输出，激光器的谐振腔必须采用一种具有匀化增益介质特性的新型的光学谐振腔。俄罗斯圣.彼得堡大学 Yu.A.Anan'ev 在 1979 年提出光束转动概念，1986 年美国空军武器实验室 Paxton 和 Latham Jr.提出了实心光束输出的 90°束转动不稳腔（UR90 腔），成功地用于 CO2激光器上。 [1]
UR90 腔具有很高的角向模式鉴别能力，输出光束质量接近衍射极限，且对倾斜扰动具有抑制能力，能量抽取效率高，特别适合环柱形增益介质，结构紧凑合理。UR90腔引起了国内外广大高能激光器研究者的注意，并在 CO2激光器、氧碘化学激光器和氟化氢化学激光器中获得了应用。中科院上海光机所、国防科技大学等单位对UR90 腔的应用进行深入的研究。但是，UR90 腔的腔镜众多，结构复杂，镜面面型复杂，对于设计、加工和装配技术要求都很高，影响 UR90 腔在工业激光器中的应用和推广。 [1]
长期以来，人们通过各种途径改善激光输出不稳定性问题。经研究发现，角隅棱镜和直角圆锥棱镜可以改善激光谐振腔的稳定性。美国加利福尼亚州大学的研究人员研究角隅棱镜谐振腔的模式，美国新奥尔良大学研究人员通过理论和试验方法研究角隅棱镜反射镜的偏振特性，台湾国立交通大学的研究人员研究 90°圆锥激光谐振腔的失调特性，印度 Bharat Electronics Limited 的 V.S.Srikanth 提出带偏振输出的角隅棱镜谐振腔的新装置。国内武汉军械士官学校的程勇等提出了角隅定向棱镜作为谐振腔镜的“免调试固体激光装置”，并与中科院安徽光机所的研究人员共同研制了“定向棱镜谐振腔准分子激光器”，定向棱镜转动允许失调角为±21°，在近场附近具有相干平顶式的均匀光场，远场具有能量集中的光场分布，压缩了光束分散角，改善和提高了光束质量。浙江大学研究了采用受激布里渊散射（SBS）作 Q 开关，用角隅棱镜和普通反射镜一起构成的位相共轭谐振腔。武汉大学和中国工程物理研究院应用电子学研究所分析了角锥棱镜激光谐振腔的基本特性。中国工程物理研究院激光聚变研究中心分析了角锥棱镜阵列“准”位相共轭特性的原理，采用模拟计算的方法，验证了角锥棱镜阵列对低频波前畸变的抑制作用。 [1]
角隅棱镜和直角圆锥棱镜激光谐振腔能够提高激光谐振腔的稳定性，获得较高光束质量的激光输出，但是由于光束通过棱镜时吸收光能，且散热冷却困难，不适宜高功率激光器和高能激光器的应用。于是，华中科技大学的研究人员提出了直角内圆锥面反射镜激光谐振腔，并于 2005 年在 TEA CO2激光器上进行了试验研究，其输出脉冲能量与常规平凹腔基本一致，而直角内圆锥面反射镜激光谐振腔具有非常好的抗失调性能和方向稳定性，获得比常规平凹腔更大的基模模体积，输出光束近场分布为均匀的平顶光束。2006 年，应用直角内圆锥面反射镜在横流 CO2激光器上进行了试验研究，获得较好的光束质量的激光输出。 [1]
