Q开关CO2激光器的制作方法

q开关co2激光器
技术领域
1.本公开的方面和实现一般地涉及一种可调谐光学元件，所述可调谐光学元件包括具有周期性特征图案的频率选择结构。可调谐光学元件的频率响应是可控的，并且被配置为在接收到信号时变化。可调谐光学元件可被包括在各种光学装置中以至少部分地控制光学装置。例如，可调谐光学元件能够被包括作为激光器(例如，二氧化碳(co2)激光器)的反射镜或输出耦合器。可调谐光学元件可被用于在接收到信号时对激光器进行q切换。


背景技术：

2.激光器被用在各种工业生产线中以通过例如蚀刻、雕刻、机加工、切割和/或焊接来对工件执行操作。激光标记系统可被用于在各种产品的表面上压印标记，例如图像、识别编号、截止日期和/或条形码。材料的标记可能受烧蚀(即，材料的去除)、颜色变化或受材料的表面纹理的变化影响。当由激光束照射的材料的温度超过待受影响的物理过程的阈值时，发生通过所有这些过程来执行的标记。材料的物理性质确定阈值温度。关键材料性质是在激光照射的波长的吸收率、热扩散率和热导率。因此，对于每种材料，存在达到阈值温度以影响预期标记过程所需的激光能量密度(其可由单位j/mm2表示)的唯一值。标记特定材料所需的激光能量密度至少部分地确定需要的激光器类型(例如，co2激光器)和光束参数(例如，光斑尺寸、功率等)。激光能量密度可被理解为激光的峰值功率乘以激光工作时间(即，在其期间激光束入射在材料上的时间)除以激光束照射的材料的面积(即，(p*t)/(光斑尺寸))。激光器的光学设计确定光斑尺寸。光斑尺寸可包括大约50μm或更大的直径。光斑尺寸可包括大约700μm或更小的直径。
3.随着时间过去由激光器施加于材料的能量或功率至少部分地由应用(例如，待标记的材料、可用于标记材料的时间、标记的复杂性等)确定。例如，典型的纸基包装材料可使用低功率(例如，10-30瓦特)连续波激光器来进行标记。作为另一示例，金属通常需要具有短工作时间(例如，大约1μs或更短)的高峰值功率(例如，大约1kw或更高)激光器以克服金属的相对迅速的散热并且保留预期标记对比度。作为另一示例，一些塑料(诸如，hdpe)需要高峰值功率以达到可读标记所需的温度。
4.下面的情况可能是不切实际的：利用在连续波(恒定输出)模式下操作的激光器来产生具有影响金属工件的预期变化所需的功率量的激光束。能够制造使用称为q切换的技术的一些激光器以产生包括光脉冲的脉冲输出光束，所述光脉冲具有与将会由在连续波模式下操作的相同激光器产生的峰值功率相比高得多的峰值功率。尽管q开关通常是已知的，但仍然需要能够为在某些范围的波长(例如，红外波长)中操作的激光器大规模制造的紧凑的相对便宜的q开关。


技术实现要素：

5.根据本公开的第一方面，提供一种光学元件，所述光学元件包括具有基本上周期性特征图案的频率选择结构，其中所述光学元件的频率响应被配置为在接收到信号时变
化。
6.所述光学元件有益地允许用户控制包括所述光学元件的光学系统的频率响应。例如，通过改变光学元件的频率响应以在频率的给定范围内反射、透射和/或吸收更多或更少的电磁辐射，光学元件可被用于对激光器进行q切换。光学元件有益地能够实现紧凑的q切换系统，所述紧凑的q切换系统具有比已知q开关低的形状因数。与已知的q开关相比，所述光学元件有益地具有提高的能量效率。与已知的q开关相比，制造所述光学元件更便宜。
7.基本上周期性特征图案可具有变化小于大约10％的周期性。基本上周期性特征图案可被称为周期性特征图案。
8.所述信号可由控制器产生。所述信号可包括热能、电能和/或光能。所述信号可包括施加的电磁场。所述信号可包括电磁辐射。所述信号可包括施加的电压或偏置。
9.对于入射电磁辐射的频率的范围，频率选择结构可用作带通滤光器或带阻滤光器。作为整体的频率选择结构和/或光学元件的带通或带阻动作可在接收到信号时变化，以使得以前通过的电磁辐射的频率范围现在被拒绝，反之亦然。在一些实施例中，频率选择结构可包括频率选择表面。
10.在接收到信号时，光学元件的反射率、透射率和/或吸收率可在电磁辐射的频率的范围上变化。
11.按照命令改变光学元件的反射率、透射率和/或吸收率可允许光学元件用作激光器中的q开关。例如，光学元件的反射率能够被设置为第一相对低值(例如，小于大约50％)，并且在激光器的激光发射腔中引起相对大的损耗。基于激光的脉冲宽度(例如，大约100μs或更短时间)在短时间段内将反射率改变为第二相对高值(例如，大约99％)可减小激光发射腔中的损耗并且允许激光发射发生，由此对激光器进行q切换。第二值可以是最佳值。最佳值可取决于正在使用的激光器的类型、由激光器产生的脉冲的预期性质、由激光器产生的脉冲的用途等。
12.所述电磁辐射的频率的范围可包括红外辐射。
13.红外激光器(诸如，co2激光器)具有各种用途，诸如在生产线上标记产品。一些材料(诸如，一些塑料)可能需要相对高功率的红外辐射的脉冲以便被标记。光学元件可被用于对红外激光器进行q切换，并且由此有益地能够实现更大量材料的标记。光学元件可被配置为对于红外辐射具有可控的频率响应。光学元件可被配置为对于大约8μm或更大的波长具有可控的频率响应。光学元件可被配置为对于大约15μm或更小的波长具有可控的频率响应。光学元件可被配置为对于以大约9.3μm、大约9.6μm、大约10.2μm和大约10.6μm为中心的一个或多个波长带具有可控的频率响应。
14.本公开的光学元件可被用于对其它类型的激光器(诸如，紫外(uv)激光器和/或可见光激光器)进行q切换。
15.光学元件可包括可操作地耦合到频率选择结构的切换部件。
16.切换部件可采用光学元件上的层的形式。切换部件可至少部分地包围频率选择结构的周期性特征图案。频率选择结构可被嵌入在切换层中，或者由切换层以其它方式包围。切换部件可被接合到频率选择结构。例如，频率选择结构可包括在有源切换层上提供(例如，蚀刻或安放)的周期性特征图案。周期性特征图案可包括金属。切换部件可包括半金属(例如，石墨烯)。切换部件可包括具有可调整的电荷载流子密度的值的半导体(例如，
gaas)。切换部件可包括液晶(例如，由位于德国达姆施塔特(darmstadt，germany)的公司merck kgaa提供的液晶e7)。切换部件可包括相变材料(例如，二氧化钒)。
17.光学元件可包括信号传送部件，所述信号传送部件被可操作地耦合到切换部件，被配置为接收信号并且将信号传送给切换部件。
18.信号传送部件可包括氧化铟锡、图案化金属(诸如，金)、图案化硅、砷化镓和/或另一半导体材料。光学元件可包括可变形材料，所述可变形材料被配置为在接收到信号时改变周期性特征图案的周期性和/或几何形状。
19.可变形材料可形成致动器的一部分，所述致动器被配置为对信号做出响应。
20.所述信号可产生或改变电场和/或磁场，所述电场和/或磁场被配置为引起可变形材料的变形。
21.可变形材料可以是弹性材料。这有益地减小逆转光学元件的频率响应的变化所需的能量，因为弹性材料将会在去除作用于它的力时返回到它的原始状态。
22.可变形材料可由广泛种类的材料形成，其中应力、应变和/或弹性的性质被用于在经由热工具、机械工具和/或电气工具施加刺激时改变材料的形状。合适的可变形材料可包括压电材料、形状记忆金属(例如，ni-ti合金)、形状记忆聚合物、橡胶等。
23.周期性特征图案的几何形状可包括周期性特征图案的形状、尺寸和相对布置。
24.光学元件的折射率可被配置为在接收到信号时变化。
25.光学元件的电容率和/或磁导率可被配置为在接收到信号时变化。
26.光学元件的电导率和电阻率可被配置为在接收到信号时变化。
27.周期性特征图案可包括被配置为至少部分地确定光学元件的频率响应的几何特征的阵列。
28.光学元件的频率响应可至少部分地取决于周期性特征图案的周期性和/或几何形状。例如，所述特征可包括缝隙、偶极子、十字、环、开口环等。互补特征可对光学元件的频率响应产生互补影响。例如，缝隙可通过增加一定范围的辐射波长的透射来用作通带滤波器，而偶极子可通过减小一定范围的辐射波长的透射来用作阻带滤波器。频率选择结构可包括缝隙、偶极子、十字、环、开口环和/或任何其它几何特征的网格阵列。
29.可至少根据将会入射在光学元件上的光的波长来选择周期性特征图案的周期性和/或几何形状。在由co2激光器产生的红外电磁辐射的情况下，所述特征可例如具有大约1μm或更大的周期性。在由co2激光器产生的红外电磁辐射的情况下，所述特征可例如具有大约10μm或更小的周期性。在由co2激光器产生的红外电磁辐射的情况下，所述特征可例如具有大约0.3μm或更大的宽度和/或长度。在由co2激光器产生的红外电磁辐射的情况下，所述特征可例如具有大约3μm或更小的宽度和/或长度。
30.一些特征(诸如例如，开口环谐振器)可减小在光学元件的频率响应内的电磁辐射的波长的范围。这可有益地提供高度针对性的频率响应。也就是说，仅需要相对低的能量信号进行调整的窄通带或阻带。
31.所述特征可使用增量过程由基底上的材料(例如，金属)制成，和/或互补特征可使用减量过程(即，通过去除材料)来制成。例如，缝隙和偶极子可被视为互补特征。周期性特征图案能够被按照任一方式(即，增量和/或减量过程)加工。所述特征可使用压印技术(例如，纳米压印技术)使用主模来加工。
32.所述阵列可包括调谐元件，所述调谐元件被配置为至少部分地确定光学元件的频率响应。
33.调谐元件可包括一个或多个几何特征(例如，条)，所述几何特征被配置为改变频率选择结构的几何形状以调整光学元件的频率响应。
34.周期性特征图案可被配置为用作偏振器。
35.根据周期性表面特征的几何形状，频率选择结构可以是偏振敏感的或不敏感的。这提供经由偏振相关效应控制激光器的不同方式。具有偏振敏感的频率选择结构可特别地有益于某些应用(例如，co2激光器)，因为由该激光器产生的辐射是偏振的。
36.光学元件可包括超材料。
37.超材料可形成频率选择结构的一部分。超材料可包括金属和电介质。超材料可以是等离子体超材料。也就是说，超材料可具有等离子体谐振特性。超材料可被配置为对电磁辐射的红外波长做出响应。通过设计构成超材料的特征的阵列的物理几何形状并且同时基于预期可切换的电磁性质来选择包围这些几何特征的材料，能够创建基于超材料的激光器q开关。超材料可包括例如频率选择结构，所述频率选择结构包括形成在znse的底座上的石墨烯。
38.光学元件可包括半导体。半导体的电荷载流子密度可被配置为在接收到信号时变化。
39.半导体可包括si、gaas、ge、inp、gaalas和/或许多其它半导体。通过经过在材料的晶格结构中引入杂质来掺杂，半导体的光学性质和电气性质可被控制。使用平版印刷和沉积技术，图案和特征能够在基底上被创建以执行各种功能。通过将频率选择结构和切换部件包括在单个装置中，能够加工单片q开关。使用基于半导体的设计的优点在于，能够加工具有低损耗和高效率的无金属结构。改变半导体的电荷载流子密度可改变频率选择结构的折射率，由此改变光学元件的透射率、反射率和/或吸收率。
40.光学元件可包括相变材料，所述相变材料被配置为在接收到信号时改变相。
41.术语“相变材料”覆盖当暴露于外部刺激时经历物理变化的宽广范围的化合物。相变材料被用于各种各样的应用，诸如随机存取存储装置、cd和dvd以及智能窗。在随机存取存储装置中使用的硫系玻璃在非晶态和晶态之间变化。在这种转变期间，响应于电刺激，可使电阻率在微观水平上变化。硫系玻璃gesbte被用在cd中，其中光刺激被用于在非晶态和晶态之间变化以改变表面的反射率。智能窗使用倍半氧化物(v2o3)的绝缘体到金属相转变以利用温度改变反射率。相变材料可被配置为在接收到信号时在是非晶的和是晶体的之间变化，反之亦然。相变材料可被配置为在接收到信号时在处于绝缘相和处于金属相之间变化，反之亦然。改变相变材料的相可改变频率选择结构的电导率和电阻率，由此改变光学元件的透射率、反射率和/或吸收率。
42.相变材料可包括vo2。
43.二氧化钒(vo2)可以是用于实现co2激光器q开关的优选相变材料。能够通过热、电或光学工具来刺激vo2的绝缘体到金属相转变。已示出：能够在亚微秒时间体系中由电源或光源刺激绝缘体到金属相转变。因此，包括频率选择结构和vo2的有源层的光学元件将会足以迅速地改变光学元件的频率响应，并且由此对激光器进行q切换。
44.光学元件可包括液晶。液晶的光学性质可被配置为在接收到信号时变化。
45.液晶是这样的一类材料：在合适的温度和/或浓度的条件下，所述材料同时表现出液体和晶体性质。液晶的光学性质根据液晶的材料而变化。液晶的常见特性是在施加电势差的情况下的双折射的变化。所述信号可包括在包括液晶的光学元件上施加电压，这可改变液晶的双折射行为，由此改变液晶的偏振特性和/或折射率。这又可改变光学元件的透射率、反射率和/或吸收率。由于施加的偏置而导致的液晶的光学性质的变化可改变频率选择结构的透射率、反射率和/或吸收率。这种光学元件可被用于对激光器(例如，co2激光器)进行q切换。液晶可包括e7。
46.光学元件可包括石墨烯。石墨烯的电容率可被配置为在接收到信号时变化。
47.石墨烯是碳的单原子层，其电容率可通过施加电气偏置来改变。用于对激光器进行q切换的光学元件可包括频率选择结构、石墨烯层和用于偏置石墨烯的工具(例如，金属接触器)。替代地，石墨烯可被按照平版印刷方式处理以包括频率选择结构的周期性特征图案。石墨烯的偏置可引起光学元件的电容率的变化，由此改变光学元件的透射率、反射率和/或吸收率。
48.频率选择结构可包括多个频率选择层，所述频率选择层被配置为至少部分地确定光学元件的频率响应。
49.具有多个频率选择层有益地允许光学元件的频率响应被微调，由此提供具有更尖锐的频率响应和/或多频率响应的光学元件。例如，所述多个频率选择层中的第一层可被配置为与具有大约10.2μm的波长的辐射具有预期相互作用(例如，反射、吸收或透射)，而另一层可被配置为与具有大约10.6μm的波长的辐射具有预期相互作用。
50.根据本公开的第二方面，提供了一种激光器，所述激光器包括第一方面的光学元件。
51.激光器可适合于目标的材料处理。材料处理可包括标记目标、雕刻目标、切割目标等中的一种或多种。激光器可包括谐振腔，所述谐振腔包括两个反射镜，所述两个反射镜定义通过增益介质的光路。反射镜之一可以是基本上全反射镜(例如，“后反射镜”或“折叠反射镜”)，并且另一个反射镜可以是用于输出辐射的脉冲的部分反射镜(即，“输出耦合器”)。
52.光学元件可以是反射器，例如反射镜。反射器可以是“高反射的”(例如，具有95％或更大(例如大约99％)的反射率)。
53.激光器可包括控制器，所述控制器被配置为向光学部件提供信号以便例如对激光器进行q切换。
54.激光器的q因数可在接收到信号时变化。
55.光学元件可包括激光器的q因数具有第一值的第一状态和激光器的q因数具有不同值的第二状态。通过向光学元件提供信号以在第一状态和第二状态之间切换光学元件，可实现激光器q切换。切换部件可被配置为在接收到信号时在第一状态和第二状态之间改变可控光学性质。
56.光学元件的带通或带阻动作可相对窄，以使得由信号引起的小变化导致光学元件的频率响应的相对大的变化。
57.频率选择结构的几何形状(例如，特征的周期性)和周围材料(例如，切换部件)的电磁性质(例如，折射率、电容率、磁导率、电导率、电阻率等)可确定光学元件的频率响应。例如，增加切换部件的电导率可减小光学元件的反射率，这可导致包括光学元件的激光器
的光学腔变得损耗更大，由此减小激光器的q因数。基于激光器的操作波长的范围，可选择频率选择结构的频率响应。
58.光学元件可形成激光器的后反射镜的一部分。
59.周期性特征图案可被设计，以使得频率选择结构在激光器的操作波长用作带通滤波器。这将会在腔中引起高损耗并且抑制激光发射。当信号改变光学元件的频率响应时，频率选择结构可用作具有非常低的辐射损耗的常规后反射镜，由此允许受激发射和激光发射发生。
60.光学元件可形成激光器的输出耦合器的一部分。
61.输出耦合器的反射率可被选择以优化激光器的输出功率，同时使激光发射腔中的辐射损耗最小化。输出耦合器的最佳反射率在很大程度上取决于激光器设计。然而，一旦被优化，输出耦合器的反射率通常保持固定。将光学元件包括在激光器中作为输出耦合器允许按照命令改变输出耦合器的反射率以对激光器进行q切换。
62.光学元件可形成激光器的折叠反射镜的一部分。
63.所述信号可在激光器的波长的操作范围上将光学元件的频率响应从高反射改变为高透射或吸收，反之亦然。当处于高反射状态时，谐振腔可经历相对低的光子的损耗(即，高q因数)。当处于高透射或吸收状态时，谐振腔可经历相对高的光子的损耗(即，低q因数)。
64.光学元件可形成激光器的无源光学部件的一部分。
65.当光学元件被包括在激光器中作为无源光学部件时，所述信号可将光学元件的频率响应从高透射(在谐振腔中引起低损耗状态，即高q因数)改变为部分透射或吸收(在谐振腔中引起高损耗状态，即低q因数)。
66.根据本公开的第三方面，提供了一种用于标记目标的激光标记系统，所述激光标记系统包括第二方面的激光器。
67.根据本公开的第四方面，提供了一种利用辐射来标记目标的方法，所述方法包括使用第三方面的激光标记系统。
68.根据本公开的第五方面，提供了一种对激光器进行q切换以产生辐射的脉冲的方法，所述方法包括为激光器提供第一方面的光学元件并且使用控制器向光学元件提供信号以对激光器进行q切换。
69.根据本公开的第六方面，提供了一种co2激光器，所述co2激光器被配置为产生红外电磁辐射。co2激光器包括光学元件，所述光学元件包括具有基本上周期性特征图案的频率选择结构。光学元件的频率响应被配置为在接收到信号时变化。co2激光器的q因数在接收到信号时变化。
70.co2激光器可被配置为产生具有大约10w的平均功率的红外电磁辐射。co2激光器可被配置为产生具有大约30w的平均功率的红外电磁辐射。co2激光器可被配置为产生具有大约50w的平均功率的红外电磁辐射。co2激光器可被配置为产生具有大约100w的平均功率的红外电磁辐射。
71.co2激光器可包括激光腔，所述激光腔包括co2增益介质。co2激光器可包括射频激发源，所述射频激发源被配置为激发co2增益介质以产生红外电磁辐射。
72.rf激发源可被配置为提供大约150w或更大的rf功率。rf激发源可被配置为提供大约1kw或更小的rf功率。rf激发源可被配置为在大约80mhz或更高的频率提供rf功率。rf激
发源可被配置为在大约120mhz或更低的频率提供rf功率。rf激发源可被配置为在大约100mhz或更高的频率提供rf功率。rf激发源可被配置为在大约0.1μsec或更长的持续时间内向co2增益介质提供rf功率。rf激发源可被配置为在大约1.0μsec或更短的持续时间内向co2增益介质提供rf功率。rf激发源可被配置为连续地向co2增益介质提供rf功率。rf激发源的脉冲持续时间可由co2激光器的用户控制。rf激发源的脉冲持续时间可至少部分地取决于用于标记产品的预期激光脉冲能量、脉冲重复频率或产品率和co2激光器的平均功率中的一项或多项。
73.co2激光器可包括控制系统，所述控制系统被配置为向光学元件提供信号以对co2激光器进行q切换。控制系统可被配置为向射频激发源提供单独的控制信号以激发co2增益介质。
74.光学元件可形成co2激光器的后反射镜的一部分。
75.co2激光器可包括具有折叠反射镜的折叠腔。光学元件可形成co2激光器的折叠反射镜的一部分。
76.光学元件可包括硅或gaas。这些反射基本材料与存在于co2激光器中的co2激光等离子体兼容。在大约10.6μm的波长的硅的复折射率(n+jk)可以是大约(3.4179+j0.0001223)。在大约10.6μm的波长的gaas的复折射率(n+jk)可以是大约(3.2646+j0.00029)。
77.光学元件可形成co2激光器的输出耦合器的一部分。
78.光学元件可形成位于co2激光器的激光腔中的无源光学部件的一部分。
79.光学元件可包括znse、gaas、ge或zns。这些透射基本材料与存在于co2激光器中的co2激光等离子体兼容。在大约10.6μm的波长的znse的复折射率(n+jk)可以是大约(2.4028)。在大约10.6μm的波长的gaas的复折射率(n+jk)可以是大约(3.2646+j0.00029)。在大约10.6μm的波长的ge的复折射率(n+jk)可以是大约(4.0038)。在大约10.6μm的波长的zns的复折射率(n+jk)可以是大约(2.1925+j0.002)。
80.光学元件可包括石墨烯。石墨烯的电容率可被配置为在接收到信号时变化。在接收到信号时，在大约10.6μm的波长的石墨烯的复折射率(n+jk)可在大约(4.45-j4.34)和大约(14.43-j0.08)之间变化。
81.光学元件可包括相变材料，所述相变材料被配置为在接收到信号时改变相。
82.相变材料可包括vo2。在接收到信号时，在大约10.6μm的波长的vo2的复折射率(n+jk)可在绝缘状态下的大约(2.1+j0.16)到金属状态下的大约(7.8+j5.8)之间变化。
83.光学元件可包括半导体。半导体的电荷载流子密度可被配置为在接收到信号时变化。半导体可形成光电导装置的一部分。光电导装置可被配置为接收光学信号(例如，激光脉冲)以对co2激光器进行q切换。
84.半导体可包括gaas、si或ge中的至少一种。
85.光学元件可包括液晶。液晶的光学性质可被配置为在接收到信号时变化。
86.所述信号可包括偏置电压。偏置电压可大于0v。偏置电压可小于或等于大约20v。偏置电压可被施加大约1ns或更长。偏置电压可被施加大约100μs或更短。偏置电压可被施加大约150ns或更短。可至少部分地根据将要由co2激光器产生的预期激光脉冲能量来选择施加偏置电压的持续时间。将要由co2激光器产生的预期激光脉冲能量可取决于co2激光器
的应用(例如，医疗应用或工业应用)。
87.所述信号可包括激光脉冲。激光脉冲可由短脉冲激光二极管产生。短脉冲激光二极管脉冲可具有1nsec或更长的脉冲宽度。短脉冲激光二极管脉冲可具有100μsec或更短的脉冲宽度。
88.在接收到信号时，光学元件的反射率、透射率和/或吸收率可在红外电磁辐射的频率的范围上变化。
89.光学元件可包括可操作地耦合到频率选择结构的切换部件。
90.光学元件可包括信号传送部件，所述信号传送部件被可操作地耦合到切换部件，被配置为接收信号并且将信号传送给切换部件。信号传送部件可包括一层导电材料。所述一层导电材料可包括金、镍、铝和氧化铟锡(ito)中的至少一种。光学元件可包括绝缘材料。绝缘材料可包括氧化铝和氧化铪中的一种或多种。
91.光学元件可包括可变形材料，所述可变形材料被配置为在接收到信号时改变基本上周期性特征图案的周期性和/或几何形状。
92.光学元件的折射率可被配置为在接收到信号时变化。
93.光学元件的电容率和/或磁导率可被配置为在接收到信号时变化。
94.光学元件的电导率和电阻率可被配置为在接收到信号时变化。
95.基本上周期性特征图案可包括被配置为至少部分地确定光学元件的频率响应的几何特征的阵列。
96.所述阵列可包括调谐元件，所述调谐元件被配置为至少部分地确定光学元件的频率响应。
97.基本上周期性特征图案可被配置为用作偏振器。
98.光学元件可包括超材料。
99.频率选择结构可包括多个频率选择层，所述频率选择层被配置为至少部分地确定光学元件的频率响应。
100.红外电磁辐射可被配置为标记产品。
101.co2激光器可被配置为产生短脉冲红外电磁辐射。co2激光器可被配置为产生红外电磁辐射的短脉冲(脉冲宽度＞0.1nsec并且＜500μsec)。
102.所述信号可被配置为控制光学元件的切换部件的偏置电平。所述信号可被配置为控制co2激光器的激光输出命令和co2激光器的q切换的启动之间的定时。
103.红外电磁辐射可形成工业过程的一部分。co2激光器可形成工业系统的一部分。例如，co2激光器和由co2激光器产生的红外电磁辐射可被用于激光标记和编码、雕刻、钻孔、切割、钻孔、焊接(金属和塑料)、表面处理(激光喷丸、硬化、抛光、加糙、黑化)、除锈、除漆等。
104.红外电磁辐射可形成医疗过程的一部分。co2激光器可形成医疗系统的一部分。例如，co2激光器和由co2激光器产生的红外电磁辐射可作为激光手术刀被用于耳鼻喉科和头颈外科手术、妇科手术、病变和肿瘤去除、血管手术、口腔软组织手术、牙釉质消融、种植牙科、纹身去除、针对偏头疼治疗的激光诱发的伤害性电位、烧伤疤痕治疗、皮肤表面重修、胎记去除、痣和病毒性疣去除、皮肤老化、面部疤痕的去除等。
105.根据本公开的第七方面，提供了一种用于标记目标的激光标记系统，所述激光标记系统包括第六方面的co2激光器。
106.根据本公开的第八方面，提供了一种对co2激光器进行q切换以产生红外电磁辐射的方法，所述方法包括激发co2激光器的co2增益介质。所述方法包括：产生信号以改变co2激光器的光学元件上的、具有基本上周期性特征图案的频率选择结构的频率响应并且由此产生红外电磁辐射的脉冲。
107.产生信号可包括操作控制器以产生电信号或光学信号(例如，激光脉冲)。
108.红外电磁辐射可被配置为标记产品。
109.所述方法可包括：产生短脉冲红外电磁辐射。
110.co2激光器可被配置为产生红外电磁辐射的短脉冲(脉冲宽度》0.1nsec并且＜500μsec)。
111.根据本公开的第九方面，提供了一种利用红外电磁辐射标记目标的方法，所述方法包括激发co2激光器的co2增益介质。所述方法包括：产生信号以通过改变co2激光器的光学元件上的、具有基本上周期性特征图案的频率选择结构的频率响应来对co2激光器进行q切换，由此产生红外电磁辐射的脉冲。所述方法包括：将红外电磁辐射的脉冲引导到目标。
112.产生信号可包括操作控制器以产生电信号或光学信号(例如，激光脉冲)。
113.所述方法可包括：产生短脉冲红外电磁辐射。
114.co2激光器可被配置为产生红外电磁辐射的短脉冲(脉冲宽度》0.1nsec并且《500μsec)。
115.将会理解：上述示例性信号持续时间(例如，rf功率信号、q开关信号(例如，偏置电压信号)等)用于co2激光器标记应用，并且根据co2激光器的应用要求，以上提供的持续时间之外的持续时间也是可能的。
116.将会理解，上述示例性材料适合于co2激光器，但不应该排除使用其它材料。例如，金属反射镜能够被用作根据本公开的光学元件的基本材料。
附图说明
117.附图未旨在按照比例绘制。在附图中，在各种图中图示的每个相同或几乎相同的部件由相同的数字表示。为了清楚的目的，并非可在每个附图中标记每个部件。在附图中：
118.图1是根据本公开的方面的包括可调谐光学元件的激光器的实施例的示意性平面图。
119.图2图示根据本公开的方面的包括具有周期性特征图案的频率选择结构的可调谐光学元件。
120.图3图示根据本公开的方面的可调谐光学元件，所述可调谐光学元件包括具有周期性特征图案的频率选择结构和可操作地耦合到周期性特征图案的切换部件。
121.图4图示图3的可调谐光学元件的分解图。
122.图5图示根据本公开的方面的可调谐光学元件的分解图，所述可调谐光学元件包括频率选择结构、切换部件和信号传送部件，所述信号传送部件被配置为接收信号并且将信号传送给切换部件。
123.图6a图示根据本公开的方面的可调谐光学元件，所述可调谐光学元件包括频率选择结构、切换部件，所述频率选择结构包括几何特征的阵列，所述切换部件包括相变材料，所述相变材料包括znse基底上的vo2。
124.图6b和6c图示在接收到信号之后在绝缘相和金属相中的图6a的可调谐光学元件的光学透射和反射频率响应。
125.图7a图示根据本公开的方面的可调谐光学元件，所述可调谐光学元件包括频率选择结构、包含石墨烯的切换部件和znse基底。
126.图7b和7c图示在不同的施加的化学势的情况下的图7a的可调谐光学元件的光学透射和反射频率响应。
127.图8a图示根据本公开的方面的在偏置状态和未偏置状态下的可调谐光学元件的光学透射频率响应，所述可调谐光学元件包括频率选择结构和切换部件，所述切换部件包括znse基底上的液晶e7。
128.图8b图示在偏置状态和未偏置状态下的图8a的可调谐光学元件的光学反射频率响应。
129.图9a图示根据本公开的方面的针对电荷载流子密度的范围的可调谐光学元件的光学透射频率响应，所述可调谐光学元件包括频率选择结构、切换部件，所述切换部件包括半导体，所述半导体包括gaas。
130.图9b图示针对电荷载流子密度的范围的图9a的可调谐光学元件的光学反射频率响应。
131.图10示意性地描绘根据本公开的方面的从包括周期性缝隙图案的频率选择结构的一部分上方获得的透视图。
132.图11示意性地描绘根据本公开的方面的从包括周期性十字图案的频率选择结构的一部分上方获得的透视图。
133.图12示意性地描绘根据本公开的方面的从包括周期性环图案的频率选择结构的一部分上方获得的透视图。
134.图13示意性地描绘根据本公开的方面的从包括周期性开口环图案的频率选择结构的一部分上方获得的透视图。
135.图14示意性地描绘根据本公开的方面的从co2激光器的侧面获得的透视图。
136.图15示意性地描绘图14的co2激光器的输出耦合器的剖视图。
137.图16示意性地描绘图14的co2激光器的后反射镜的剖视图。
138.图17示意性地描绘根据本公开的方面的包括折叠腔的co2激光器的透视图。
139.图18示意性地描绘图17的co2激光器的两个折叠反射镜和输出耦合器的剖视图。
140.图19示意性地描绘根据本公开的方面的图17的co2激光器的两个折叠反射镜和输出耦合器的剖视图，所述co2激光器还包括无源光学部件。
141.图20示意性地描绘根据本公开的方面的包括co2激光器的激光标记系统。
142.图21示出根据本公开的方面的对co2激光器进行q切换以产生红外电磁辐射的方法的流程图。
143.图22示出根据本公开的方面的利用红外电磁辐射来标记目标的方法。
具体实施方式
144.在本文中公开的方面和实施例能够被按照各种方式实施或执行，并且不限于在下面的描述中阐述或在附图中图示的部件的构造和布置的细节。
145.在本文中公开的方面和实施例包括一种光学元件，所述光学元件包括具有基本上周期性特征图案的频率选择结构。基本上周期性特征图案可被称为周期性特征图案。然而，将会理解，不需要严格的周期性。特征的图案的周期性可变化大约10％或更小。光学元件可被描述为可调谐光学元件，因为光学元件的频率响应是可控的。也就是说，光学元件对入射电磁辐射的影响可被控制或调谐以在不同时间对不同波长具有不同影响。例如，光学元件可被调谐为在第一时间对于第一波长是高透射的并且在接收到信号之后的另一时间对于第一波长是高反射的。可调谐光学元件的频率响应被配置为在接收到信号时变化。在本文中公开的方面和实施例还包括一种用于各种实现(诸如例如，激光标记系统)的包括可调谐光学元件的激光器。
146.激光标记系统可在生产线中被用于标记各种类型的目标或制品。例如，激光标记系统可被用于在经过生产线的物品上压印条形码、唯一识别标记、截止日期或其它信息。可见和近红外q开关激光器通常被用于激光标记系统中的标记。本发明有益地能够实现所述可见和近ir q开关激光器的尺寸和成本的减小。本发明还有益地能够实现将二氧化碳(co2)q开关激光器用于激光标记应用。本公开的光学元件可被用于对其它类型的激光器(诸如，紫外(uv)激光器和/或可见光激光器)进行q切换。co2激光器通常产生以9.3、9.6、10.2和10.6微米(μ m)为中心的四个主波长带中的红外电磁辐射束。为了标记表现出更高标记阈值的某些材料(例如，金属)，可能需要更高峰值激光输出功率。在本文中公开的各种方面和实施例中，包括用于对激光进行q切换的可调谐光学元件的co2激光器可被用于产生相对高的峰值激光功率水平，其可能预期用于标记包括表现出相对高的热导率的材料的工件。在本文中公开的激光系统的实施例不限于用于激光扫描或标记系统，而是可被用于多种工业或商业实现中的任何实现。通过合适地缩放周期性特征和/或通过选择使用的材料，用于对激光器进行q切换的可调谐光学元件的实施例可被用于任何其它激光技术或波长。
147.通常，激光器包括两个反射镜和增益介质。所述两个反射镜被布置为创建谐振腔，其中增益介质存在于所述两个反射镜之间。激光器的谐振腔的质量因数(q因数)是其维持激光发射动作的能力的量度。激光器的q因数与存储在谐振腔中的能量(即，泵浦到增益介质中的能量)与通过谐振腔的电磁辐射的一次往返振荡中的能量的损耗(即，谐振腔内的光子的损耗)之比成比例。需要高q因数来在激光器的谐振腔中启动并且维持激光发射。q因数越低，谐振腔中的光子的损耗越高，并且通过辐射的受激发射来启动并且维持激光发射动作越难。存储在谐振腔中的能量至少部分地由增益介质和使用外部源(诸如例如，直流(dc)或射频(rf)功率)高效地将能量泵浦到增益介质中的能力确定。谐振器中的光子的损耗可至少部分地由例如反射镜的反射率、衍射损耗、光子与谐振腔的壁的相互作用和谐振腔内的吸收损耗确定。为了使激光发射发生，并且为了使激光器具有高q因数，与光子行进谐振腔的往返长度所花费的时间相比，在谐振腔中循环的光子的寿命应该长得多。
148.通过按照这种方式控制损耗机制，可实现激光器的q切换，即激光器的谐振腔的q因数能够从高值切换到低值，反之亦然。通过如此操作，替代于具有较低峰值功率的连续波输出，能够产生具有高峰值功率的短激光脉冲。通过在激光器的谐振腔内部安放可变衰减器或其它形式的可切换(即，可控)光子损耗机构，可实现q切换。当损耗机构处于有损耗状态时(即，当损耗机构引起谐振腔中的光子的损耗时)，激光的q因数可减小到激光发射不能开始的水平。可变衰减器或损耗机构可被称为q开关。虽然可变衰减器可在一些实施例中被
用作q开关，但能够被用于控制激光器的谐振腔的q因数或者控制来自激光器的谐振腔的电磁辐射的产生或输出的各种机构可被用作q开关。
149.为了使用q切换来产生高功率激光脉冲，能量被泵浦到激光器的谐振腔中，同时q开关被设置为使激光器的谐振腔表现出低q因数，以使得不启动激光发射。引入到激光器的增益介质中的能量使增益介质中的原子和/或分子从基态跃迁到激发态，导致增益介质中的粒子数反转。存储在谐振腔中的能量随着持续将能量泵浦到增益介质中而增加，但由于谐振腔的低q因数，激光发射不会开始(即，谐振腔中的光子能够从增益介质激发辐射的大量受激发射之前，谐振腔中的光子被损耗)。在某个时间之后，存储在谐振腔中的能量可达到最大水平(可被称为“增益饱和”的状态)，所述最大水平可至少部分地由因素确定，所述因素诸如泵浦到增益介质中的能量的量和来自泵浦增益介质的光子的自发发射的损耗。在谐振器增益饱和之后(或在一些实施例中，在实现完全增益饱和之前)，q开关的状态可被改变或切换以增加谐振腔的q因数，由此允许激光发射(即，来自增益介质的辐射的大量受激发射)开始。由于存储在增益介质中的大量能量，谐振腔中的激光的强度快速地增加。辐射可被从谐振腔快速地释放，导致高强度激光辐射的短脉冲(在一些实施例中，大约纳秒或更短)。高强度激光辐射的短脉冲可具有当激光器在连续波模式下操作时产生的激光辐射的功率的数千倍或更多倍的峰值功率。
150.q切换被用于一些固态激光器和纤维激光器技术以便为材料处理中的各种应用产生短脉冲(在持续时间方面，飞秒到纳秒)和高峰值功率(兆瓦特到千兆瓦特)。用于对这种激光器进行q切换的机构可包括电光晶体、声光晶体和饱和吸收体。
151.虽然存在将短脉冲激光器用于材料处理的展示出的优点，但在市场上不存在可用的q切换的co2激光器产品。已有技术解决方案成本高昂，将激光器的尺寸增加到难以管理的程度(例如，激光器太大而无法被用在生产线中)和/或遭受性能限制(例如，q开关效率低、脉冲频率和寿命)。
152.在本文中公开的本发明的方面和实施例包括用于对激光器进行q切换的可调谐光学元件和方法，其便宜、可按照紧凑尺寸制造并且被主动地驱动但相对于已知q开关消耗最小功率。可在本文中公开的激光器中用作q开关装置的可调谐光学元件的实施例可经由外部控制信号在有损耗状态和较小损耗状态之间切换，例如在透射状态和反射状态之间切换。在本文中公开的可调谐光学元件的实施例可形成激光器的谐振腔中的输出耦合器、后反射镜、折叠反射镜或无源光学部件的一部分。可调谐光学元件的实施例包括具有周期性特征图案的频率选择结构。在一些实施例中，频率选择结构可包括频率选择表面。频率选择结构可包括具有等离子体谐振特性的超材料(例如，超表面)。可调谐光学元件的实施例还可包括与周期性特征图案通信的切换部件以用于改变可调谐光学元件的可控光学性质(例如，反射率、透射率和/或吸收特性)。按照这种方式，可调谐光学元件可被用于控制激光器的谐振腔中的光子的损耗和谐振腔的q因数。通过向切换部件提供信号以按照命令改变可调谐光学元件的频率响应(例如，可调谐光学元件针对电磁辐射的频率范围的反射率、透射率和/或吸收率)，可实现对谐振腔进行q切换。可调谐光学元件可形成co2激光器的一部分，并且电磁辐射的频率范围可包括红外辐射(例如，大约8μm和大约15μm之间的波长)。
153.本发明可被应用于任何激光器技术，并且特别地，应用于任何co2激光器技术。dc激发激光器、rf激发波导激光器、条形激光器或自由空间激光器中的任何光学元件可被转
换成用于对激光器进行q切换的可调谐光学元件。包括至少部分地用作q开关装置的可调谐光学元件的波导配置激光器的一个示例被示意性地图示在图1中。激光器100包括：管105，定义增益区；全反射后反射镜110；和部分反射输出耦合器115，定义激光器100的谐振腔。谐振腔可包括折叠反射镜(未示出)以延伸腔的长度。注意的是，虽然元件105在本文中被图示并且描述为用作波导的管，但在其它实施例中，这个元件105可包括具有替代横截面(诸如，椭圆形、正方形或矩形横截面)的管道。在其它实施例中，诸如在条形激光器配置中，增益区可由也用作电极的金属板约束。
154.当在连续波模式下操作时，电磁能量(例如，射频(rf)能量)被施加于管105以激发管105内的增益介质(例如，气体混合物)。rf能量可具有大约27mhz或更高的频率。rf能量可具有大约120mhz或更低的频率。rf能量可具有大约95mhz的频率。气体混合物可例如包括he∶n2∶co2。在一些示例性实施例中，输出耦合器115可被配置为将大约行进到管105之外的光子反射回到管105中，并且可允许剩余光子前进到激光器100之外作为激光束(未示出)。输出耦合器115可被配置为反射入射光子的大约45％或更多。输出耦合器115可被配置为反射入射光子的大约95％或更少。输出耦合器可被配置为反射入射光子的大约80％。q开关激光器可包括输出耦合器115，所述输出耦合器115具有比连续波激光器的反射率低的反射率。
155.在一些实施例中，后反射镜110可以是硅反射镜，所述硅反射镜可涂覆有银、金或任何其它高反射材料(例如，在选择的操作的波长具有大约97％或更高的反射率)。对于在激光器中产生的光子，后反射镜110可表现出大约99.8％的反射率。当使用折叠反射镜时，折叠反射镜可由与后反射镜110相同的材料形成，并且具有基本上与后反射镜110相同的反射率。输出耦合器115可由材料(诸如，硒化锌或另一材料)形成，并且涂覆有预期材料，所述预期材料被选择为部分反射在激光器100中产生的光子中的在特定波长的光子或在激光器产生具有多个波长的光子的实例中部分反射感兴趣的特定波长。波导管105可由介电材料(诸如例如，氧化铝(al2o3，矾土))形成，并且可以是基本上纯净的，例如具有99.9％或更高的纯度的矾土，使得几乎不存在可能干扰激光器100中的增益介质的纯度的杂质。激光器100中的气体混合物可包括例如5％氙、57％氦、19％氮和19％co2的混合物，但可替代地使用本领域已知的其它气体混合物。气体混合物可填充激光器100的整个内部体积130，并且管105可在它的末端敞开以允许气体混合物循环经过管105和激光器100的主体135的内部体积130。管105可在波导配置中具有大约五mm的外径和大约三mm的内径，或者可在自由空间配置中更大。
156.激光器100还可包括可调谐光学元件140，可调谐光学元件140包括具有周期性特征图案的频率选择结构，所述可调谐光学元件140形成激光器100的任何光学部件的一部分。激光器100的q切换可涉及针对激光器100的操作带宽改变可调谐光学元件140的频率响应。在本文中公开了包括包含频率选择结构的可调谐光学元件140作为激光器的光学部件的一部分以用于对激光器100进行q切换的四种示例性实现。第一示例性实现包括：包括可调谐光学元件140作为后反射镜110的一部分。后反射镜110通常是高反射率表面(例如，具有大约97％或更高(例如大约99.5％)的反射率)，所述高反射率表面对激光器100的谐振腔内的光子的损耗做出相对小的贡献。当可调谐光学元件140形成后反射镜110的一部分(例如，替换固定高反射涂层)时，对于与激光器的操作带宽对应的电磁辐射的波长的范围，后反射镜110可在高反射状态和更加透射和/或吸收状态之间切换。通过按照这种方式改变后
反射镜110的频率响应，可能改变谐振腔中的光子的损耗的程度，并且由此对激光器100进行q切换以产生强大的辐射的脉冲。
157.第二示例性实现包括：包括可调谐光学元件140作为输出耦合器115的一部分(例如，替换固定部分反射涂层)。通常，输出耦合器115的反射率被设计为实现激光器100的预期输出功率，而同时减小谐振腔中的光子的损耗。输出耦合器115的最佳反射率取决于激光器设计。在已知激光器中，一旦输出耦合器115的反射率已被优化，它保持固定。包括可调谐光学元件140作为输出耦合器115的一部分允许在接收到信号时(即，按照命令)改变输出耦合器115的频率响应(例如，反射率)。输出耦合器115的反射率能够被设置为非常低的值并且引起谐振腔中的光子的较大损耗。在短时间段内将输出耦合器115的反射率改变回至最佳值将会减小谐振腔中的光子的损耗并且允许激光发射发生，由此对激光器100进行q切换以产生强大的辐射的脉冲。
158.第三示例性实现包括：包括可调谐光学元件作为折叠腔激光器(未示出)中的折叠反射镜的一部分。可调谐光学元件可具有第一状态，在该第一状态下，折叠反射镜的频率响应是高度反射的以减小谐振腔中的光子损耗并且允许激光发射发生。可调谐光学元件可具有第二状态，在该第二状态下，折叠反射镜的频率响应是高度透射和/或吸收的以增加谐振腔中的光子损耗并且防止激光发射发生。通过提供信号以在第一状态和第二状态之间切换可调谐光学元件，激光器可被q切换以产生强大的辐射的脉冲。
159.第四示例性实现包括：包括可调谐光学元件140作为激光器100中的辐射的路径内的无源光学部件120的一部分。例如，无源光学部件可被安放在管105和输出耦合器115之间。其它实现可使无源光学部件120位于后反射镜110或折叠反射镜(未示出)的前面或者激光束路径中的任何其它合适的位置。可调谐光学元件140可具有第一状态，在该第一状态下，可调谐光学元件140的频率响应是高度透射的以减小谐振腔中的光子损耗并且允许激光发射发生。可调谐光学元件140可具有第二状态，在该第二状态下，可调谐光学元件140的频率响应是高度吸收的以增加谐振腔中的光子损耗并且防止激光发射发生。通过提供信号以在第一状态和第二状态之间切换可调谐光学元件140，激光器可被q切换以产生强大的辐射的脉冲。
160.包括频率选择结构的可调谐光学元件140的实施例可被视为具有电容或电感性质。也就是说，可调谐光学元件140和频率选择结构可被配置为对于入射电磁辐射的波长的范围分别用作带通滤光器或带阻滤光器。作为整体的频率选择结构和可调谐光学元件140的带通或带阻动作可在接收到信号时变化，以使得以前通过的电磁辐射的频率的范围现在被拒绝，反之亦然。
161.频率选择结构的周期性特征图案可包括简单特征的阵列，诸如缝隙和/或偶极子阵列。替代地或者另外，频率选择结构的周期性特征图案可包括更复杂的特征的阵列，诸如环或开口环谐振器的阵列。例如，通过与其它波长的辐射相比更多地透射一定范围的波长的辐射，缝隙可用作带通滤光器。由缝隙通过的波长可对应于缝隙的几何形状。作为另一示例，通过与其它波长的辐射相比更多地吸收一定范围的波长的辐射，偶极子可用作带阻滤光器。由偶极子吸收的波长可对应于偶极子的几何形状。
162.开口环谐振器可减小光学元件的带通或带阻功能内的电磁辐射的波长的范围。这可有益地为窄范围的波长提供高度针对性的频率响应。可调谐光学元件140的几何形状和/
或电磁性质的相对小的变化(例如，使用相对低的能量信号)可随后导致可调谐光学元件的频率响应(例如，反射率、透射率和/或吸收率)的相对大的变化。任何特征阵列可另外包括调谐元件，所述调谐元件被配置为至少部分地确定可调谐光学元件140的频率响应。调谐元件可包括一个或多个几何特征(例如，条)，所述几何特征被配置为改变频率选择结构的几何形状以调整可调谐光学元件140的频率响应。
163.光学元件140的频率选择结构的周期性特征图案可被配置为用作偏振器。也就是说，根据特征的图案的几何形状，周期性特征图案可以是偏振敏感的或偏振不敏感的。频率选择结构的几何形状(例如，周期性特征图案的周期性)和任何组合部件(例如，切换部件)的电磁性质(例如，折射率、电容率、磁导率、电导率、电阻率等)可至少部分地确定光学元件140的频率响应。
164.频率选择结构可包括多个频率选择层，所述频率选择层被配置为至少部分地确定光学元件140的频率响应。具有多个频率选择层有益地允许可调谐光学元件140的频率响应被进一步微调，由此提供具有更尖锐的频率响应和/或多频率响应的可调谐光学元件。例如，所述多个频率选择层中的第一层可被配置为与具有大约10.2μm的波长的辐射具有预期相互作用(例如，反射、吸收或透射)，而另一层可被配置为与具有大约10.6μm的波长的辐射具有预期相互作用。
165.为了用作激光器100中的q开关，可调谐光学元件140的频率响应、和频率响应在接收到信号时变化的方式可针对激光器的操作波长进行裁剪。通过设计形成频率选择结构的周期性特征图案的物理几何形状，和/或通过基于预期可切换光学和电磁性质来选择可操作地耦合到(例如，接触和/或包围)周期性特征图案的材料，频率响应可被裁剪。例如，可调谐光学元件140可包括可操作地耦合到频率选择结构的切换部件。切换部件可采用可调谐光学元件上的层的形式。切换部件可至少部分地包围频率选择结构的周期性特征图案。频率选择结构可被嵌入在切换部件中，或者由切换部件以其它方式包围。切换部件可被接合到频率选择结构。例如，频率选择结构可包括在有源切换层上提供(例如，蚀刻或安放)的周期性特征图案。周期性特征图案可包括金属。切换部件可包括其电磁性质可变的材料，例如相变材料(诸如，二氧化钒)。
166.包括具有频率选择结构的光学元件140的后反射镜110可具有它的周期性特征图案，所述周期性特征图案被设计，以使得在切换部件的一种状态下，可调谐光学元件140在激光器100的操作波长用作带通滤光器。这将会引起谐振腔中的光子的相对高的损耗，并且由此抑制激光发射。当切换部件在接收到信号时被改变为另一状态时，可调谐光学元件140用作高反射镜，引起谐振腔中的光子的减小的损耗并且允许激光发射发生。通过改变频率选择结构和/或切换部件的一个或多个物理性质，能够引起这种切换。通过例如诸如在光电导体或半导体材料中改变可调谐光学元件(例如，切换部件)的一部分的电荷载流子密度，可完成切换可调谐光学元件140(即，改变光学元件的频率响应)。其它方案包括改变材料的相(例如，从非晶到晶体或从绝缘到金属)、使用可变形材料来改变周期性特征图案的周期性和/或几何形状、改变材料的折射率和/或电容率和/或磁导率等。通过施加电场和/或磁场、注入电流、利用电压偏置或将光能施加于可调谐光学元件140，可实现这些改变。
167.可用作激光器中的q开关的、包括频率选择结构的可调谐光学元件的可能实现被示意性地图示在图2-5中。包括频率选择结构205的q开关光学元件200被图示在图2中。其中
在切换部件305中提供频率选择结构的周期性特征图案的q开关光学元件300被图示在图3中。包括频率选择结构405和切换部件410的q开关光学元件400的分解图被图示在图4中。包括频率选择结构505、切换部件510和被配置为接收信号并且将信号传送给切换部件的信号传送部件515的q开关光学元件500的分解图被图示在图5中。信号传送部件515可包括例如氧化铟锡、图案化金属(诸如，金)、图案化硅、砷化镓和/或另一半导体材料。信号传送部件515可包括多个层。信号传送部件515的不同层可包括不同材料。如果光学信号被用于控制光学元件的频率响应，则可能不需要信号传送部件515。可与q开关光学元件分开地施加光学切换能量。
168.图2-5的频率选择结构、切换部件和信号传送部件能够由各种不同材料形成以实现具有相同或不同频率响应的光学元件。下面的段落提供可能的实现的示例。
169.第一可能的实现是包括相变材料的光学元件，所述相变材料被配置为在接收到信号时改变相。相变材料可被包括在光学元件中例如作为切换部件。术语“相变材料”覆盖当暴露于外部刺激时经历物理变化的宽广范围的化合物。相变材料被用于各种各样的应用，诸如随机存取存储装置、压缩盘(cd)和数字通用盘(dvd)以及智能窗。在随机存取存储装置中使用的硫系玻璃在非晶态和晶态之间变化。在这种转变期间，响应于电刺激，可使电阻率在微观水平上变化。硫系玻璃(例如，gesbte)被用在压缩盘中，其中光刺激被用于在非晶态和晶态之间变化以改变表面的反射率。智能窗使用倍半氧化物(例如，v2o3)的绝缘体到金属相转变以利用温度改变反射率。
170.相变材料可被配置为在接收到信号时在是非晶的和是晶体的之间变化，反之亦然。相变材料可被配置为在接收到信号时在处于绝缘相和处于金属相之间变化，反之亦然。改变相变材料的相可改变频率选择结构的电磁性质(例如，折射率和/或电导率和电阻率)，由此改变光学元件的透射率、反射率和/或吸收率。相变材料可包括二氧化钒(vo2)。vo2是用于实现co2激光器q开关的优选相变材料。能够通过热、电或光学工具来刺激vo2的绝缘体到金属相转变。已示出：能够在亚微秒时间体系中由电源或光源刺激绝缘体到金属相转变。
171.图6a示意性地描绘可调谐光学元件600，可调谐光学元件600包括基底部件605、频率选择结构610和包含vo2(例如，一层vo2)的切换部件620。光学元件600能够在接收到信号时迅速地改变它的频率响应。光学元件600可因此被用于对激光器(例如，图1的激光器)进行q切换。光学元件600还包括信号传送部件630，信号传送部件630被可操作地耦合到切换部件620，被配置为接收信号并且将信号传送给切换部件620。在图6a的示例中，信号传送部件630包括氧化铟锡(ito)，频率选择结构610包括开口环谐振器640的阵列，并且基底605包括znse。
172.图6b图示在接收信号之前在绝缘相650中以及在接收信号之后在金属相655中的图6a的光学元件600的光学透射率频率响应。对于大约9.7μm和大约11.6μm之间(即，在波长的红外波谱内)的辐射的波长，示出光学元件600的光学透射频率响应。在大约10.6μm，绝缘相650中的光学元件600的透射率远大于金属相655中的光学元件600的透射率。
173.图6c图示在接收信号之前在绝缘相650中以及在接收信号之后在金属相655中的图6a的光学元件600的光学反射率频率响应。对于大约9.7μm和大约11.6μm之间(即，在波长的红外波谱内)的辐射的波长，示出光学元件600的光学反射频率响应。在大约10.6μm，绝缘相650中的光学元件600的反射率远小于金属相655中的光学元件600的反射率。
174.图6b和6c示出：由于vo2在接收到信号时从绝缘相改变为金属相，光学元件600的频率响应已显著地变化。如果光学元件600形成被配置为产生具有大约10.6μm的波长的辐射脉冲的co2激光器的后反射镜的一部分，则当vo2处于金属相时，光学元件600能够通过用作高反射后反射镜而有助于激光器具有高q因数。能够提供信号以将vo2的相改变为绝缘相，并且由此通过针对大约10.6μm的波长减小后反射镜的反射率来减小激光器的q因数。在增益介质被泵浦的同时，这将会增加谐振腔中损耗的光子的数量并且防止激光发射发生。一旦增益介质被充分地泵浦，能够提供另一信号以将vo2改变回到金属相，从而允许激光发射发生并且由此经q切换来产生强大的辐射的脉冲。
175.第二可能的实现是包括石墨烯的光学元件，其中石墨烯的电容率被配置为在接收到信号时变化。石墨烯是碳的单原子层，其电容率可通过施加电气偏置来改变。如图7a中所示，用于对激光器进行q切换的光学元件700可包括支撑结构或基底705、频率选择结构710、包括石墨烯的切换部件720、用于偏置石墨烯的工具735、电绝缘材料745和信号传送部件730。在图7a的示例中，基底705包括znse，切换部件720包括一层石墨烯，并且用于偏置石墨烯的工具735包括两个电接触器735。所述两个电接触器735可由例如金、银、镍和/或铝中的至少一种形成。所述两个电接触器735可被连接到电压源(未示出)。绝缘材料745可包括例如sio2、hfo2和/或al2o3中的至少一种。信号传送部件730包括氧化铟锡(ito)。信号传送部件730可按照与晶体管中的栅极类似的方式操作。按照这种方式，电接触器735和信号传送部件730可按照与晶体管类似的方式操作。信号传送部件730是可选的。在替代实施例中，电压信号可被直接切换，并且单个传送部件730可被省略或接地。频率选择结构710包括开口环谐振器740的阵列。替代地或者另外，石墨烯720可被按照平版印刷方式处理以包括频率选择结构710的周期性特征图案740。石墨烯720的偏置可引起光学元件700的电容率的变化，由此改变光学元件700的透射率、反射率和/或吸收率。
176.图7b和图7c分别图示作为用作信号的施加的偏置ef的函数的图7a的光学元件700的透射和反射频率响应的变化。图7b和7c示出：在5*10-4
ev 760、0.1ev 765、0.2ev 770、0.3ev 775和0.5ev 780的施加的偏置ef，对于大约9.7μm和大约11.6μm之间的波长，光学元件700的透射和反射频率响应如何变化。图7b示出随着变化的偏置的透射频率响应。在5*10-4
ev 760的偏置，大约100％的峰值透射发生在大约10.6μm的波长。在0.1ev 765的偏置，大约100％的峰值透射发生在大约10.9μm的波长。在0.2ev 770的偏置，大约95％的峰值透射发生在大约11.5μm的波长。在0.3ev 775的偏置，在示出的波长上(在大约11.6μm)可实现大约40％的最大透射。在0.5ev 780的偏置，在示出的波长上(在大约11.6μm)可实现大约5％的最大透射。具有这种可调谐透射频率响应的光学元件700能够例如被实现为输出耦合器以对co2激光器进行q切换。
177.图7c示出：随着变化的石墨烯的偏置，光学元件700的频率响应中的反射零点(即，最低反射率)如何移动以及在10.6μm的co2波长的反射率如何变化。在5*10-4
ev 760的偏置，大约0％的最低反射发生在大约10.6μm的波长。在0.1ev 765的偏置，大约0％的最低反射发生在大约10.9μm的波长。在0.2ev 770的偏置，大约5％的最低反射发生在大约11.5μm的波长。在0.3ev 775的偏置，在示出的波长上(在大约11.6μm)可实现大约60％的最小反射。在0.5ev 780的偏置，在示出的波长上(在大约11.6μm)可实现大约95％的最小反射。具有这种可调谐反射频率响应的光学元件700能够例如被实现为后反射镜以对co2激光器进行q切
换。
178.第三可能的实现是包括液晶的光学元件，其中液晶的光学性质被配置为在接收到信号时变化。液晶是这样的一类材料：在合适的温度和/或浓度的条件下，所述材料同时表现出液体和晶体性质。液晶的光学性质根据液晶的材料而变化。液晶的常见特性是双折射，即在施加电势差(即，偏置)的情况下的折射率的偏振敏感变化。在包括液晶的光学元件上施加电压可改变液晶的偏振特性和/或折射率，由此改变光学元件的透射率、反射率和/或吸收率。由于施加的偏置而导致的液晶的光学性质的变化可改变频率选择结构的透射率、反射率和/或吸收率。这种包括液晶(诸如，e7)的光学元件可被用于对激光器(例如，co2激光器)进行q切换。
179.图8a图示由于光学元件的双折射而导致的光学透射频率响应的变化，所述光学元件包括频率选择结构、e7液晶切换部件和包括znse的支撑基底。对于大约9.7μm和大约11.6μm之间(即，在co2激光器的波长的红外发射波谱内)的辐射的波长，示出光学元件的光学透射频率响应。偏置电压可被用于控制液晶的双折射行为，并且由此控制光学元件的频率响应。在未施加偏置电压790的情况下，大约100％的透射率峰值发生在大约10.6μm的主co2激光发射波长。当施加了偏置电压792时，液晶的折射率变化，并且大约100％的透射率峰值移动到大约10.9μm，而在大约10.6μm的光学元件的透射率减小到大约25％。图8b示出图8a的光学元件的互补光学反射频率响应。在未施加偏置电压790的情况下，大约0％的反射率波谷发生在大约10.6μm的主co2激光发射波长。当施加了偏置电压792时，液晶的折射率变化，并且大约0％的反射率波谷移动到大约10.9μm，而在大约10.6μm的光学元件的反射率增加到大约75％。
180.包括这种液晶切换的频率选择结构的激光输出耦合器能够被用于对激光器进行q切换。例如，如果光学元件形成被配置为产生具有大约10.6μm的波长的辐射的脉冲的co2激光器的输出耦合器的一部分，则当未施加偏置电压时(即，图8a)，光学元件能够通过用作高透射输出耦合器而有助于激光器具有低q因数。在增益介质被泵浦的同时，这将会增加谐振腔内损耗的光子的量并且防止激光发射发生。一旦增益介质被充分地泵浦，能够提供另一信号以将偏置电压施加于液晶(即，图8b)，并且由此通过增加输出耦合器的反射率来增加激光器的q因数并且允许激光发射发生，由此经由q切换在10.6μm产生强大的辐射的脉冲。
181.第四可能的实现是包括半导体的光学元件，其中半导体的电荷载流子密度被配置为在接收到信号(例如，光辐射或其它电磁场)时变化。半导体可包括si、gaas、ge、inp、gaalas和/或许多其它半导体。通过经过在半导体的晶格结构中引入杂质来掺杂，半导体的光学性质和电气性质可被控制。使用平版印刷和沉积技术，图案和特征能够在基底上被创建以执行各种功能。例如，通过将频率选择结构和切换部件包括在单个装置中，能够加工单片q开关光学元件。使用基于半导体的设计的优点在于，能够加工具有低损耗(即，在红外波长的低光子吸收)和高效率的无金属结构。改变半导体的电荷载流子密度可改变光学元件的折射率，由此改变光学元件的透射率、反射率和/或吸收率。例如，当未偏置时，包括pn结的半导体材料可表现出第一光学通带，以使得自由电荷载流子存在于材料的块体内。反向偏置pn结可使包括少量自由电荷载流子(如果存在任何自由电荷载流子的话)的耗尽区发展，由此改变半导体的光学通带。
182.图9a图示在电荷载流子密度的三个不同值794-796的包括频率选择结构和包含半
导体的切换部件的光学元件的光学透射频率响应。图9b图示在电荷载流子密度的三个不同值794-796的图9a的光学元件的光学反射频率响应。在图9a和9b的示例中，切换部件包括gaas。对于大约9.7μm和大约11.6μm之间的辐射的波长(即，包括大约10.6μm的主co2激光发射波长)，示出光学元件的光学透射和反射频率响应。第一电荷载流子密度794是大约每立方厘米10
14
个电荷载流子。第一电荷载流子密度794可代表在没有施加的电磁场或任何施加的电磁辐射的情况下(即，在接收到用于切换光学元件的频率响应的信号之前)的光学元件。第二电荷载流子密度795是大约每立方厘米10
陌
个电荷载流子。第二电荷载流子密度795可代表在施加第一电磁场或第一电磁辐射之后(即，在接收到用于切换光学元件的频率响应的第一信号之后)的光学元件。第三电荷载流子密度796是大约每立方厘米10
18
个电荷载流子。第三电荷载流子密度796可代表在施加第二电磁场或第二电磁辐射之后(即，在接收到用于切换光学元件的频率响应的第二信号之后)的光学元件。第二电磁场或第二电磁辐射的大小可大于第一电磁场或第一电磁辐射的大小。
183.参照图9a和图9b二者，在第一(即，最低)电荷载流子密度状态794下，在大约10.6μm的co2激光器的主波长的光学元件的透射率处于其大约93％的最高值，并且光学元件的反射率处于其大约3％的最低值。当电荷密度在接收到第一信号之后增加到第二电荷载流子密度795时，在大约10.6μm的光学元件的透射率减小到大约22％，并且光学元件的反射率增加到大约38％(即，光学元件的频率响应变化)。当电荷载流子密度在接收到第二信号之后增加到第三(即，最高)电荷载流子密度状态796时，光学元件的透射率减小到大约0％，并且光学元件的反射率增加到大约96％。因此，通过施加电磁场或电磁辐射以调整半导体切换部件的电荷载流子状态，可以调谐光学元件的频率响应。
184.如果光学元件形成被配置为产生具有大约10.6μm的波长的辐射的脉冲的co2激光器的后反射镜的一部分，则当未施加电磁场或电磁辐射时，光学元件能够通过用作高透射后反射镜而有助于激光器具有低q因数。在增益介质被泵浦的同时，这将会增加谐振腔中损耗的光子的数量并且防止激光发射发生。能够提供信号以从gaas半导体去除反向偏置。一旦增益介质被充分地泵浦，能够提供信号以将电磁场或电磁辐射施加于gaas半导体切换部件，从而通过针对大约10.6μm的波长增加包括光学元件的后反射镜的反射率来增加激光器的q因数并且允许激光发射发生。这将会通过由光学元件提供的q切换来在10.6μm产生强大的辐射的脉冲。
185.以上讨论的可能的实现仅是配置并且切换包括频率选择结构的q开关光学元件的许多方式中的几个方式。
186.光学元件的频率选择结构可采用许多不同形式。图10-13提供可形成任何前面描述的光学元件的一部分的、包括不同几何特征的阵列的频率选择结构的部分的四个不同示例。图10示意性地描绘根据本公开的方面的从包括周期性缝隙810图案的频率选择结构800的一部分上方获得的透视图。在图10的示例中，周期性图案包括具有大约3μm的周期性的缝隙810的十乘十网格阵列，所述网格阵列形成具有大约30μm的长度和大约30μm的宽度的频率选择结构800。图11示意性地描绘根据本公开的方面的从包括周期性十字830图案的频率选择结构820的一部分上方获得的透视图。在图11的示例中，周期性图案采用具有大约3μm的周期性的十字830的十乘十网格阵列的形式，所述网格阵列形成具有大约30μm的长度和大约30μm的宽度的频率选择结构820。图12示意性地描绘根据本公开的方面的从包括周期
性环850图案的频率选择结构840的一部分上方获得的透视图。在图12的示例中，周期性图案包括具有大约1.5μm的周期性的环850的十乘十网格阵列，所述网格阵列形成具有大约15μm的长度和大约15μm的宽度的频率选择结构840。图13示意性地描绘根据本公开的方面的从包括周期性开口环870图案的频率选择结构860的一部分上方获得的透视图。在图13的示例中，周期性图案包括具有大约1.5μm的周期性的开口环870的十乘十网格阵列，所述网格阵列形成具有大约15μm的长度和大约15μm的宽度的频率选择结构860。
187.可至少部分地基于将要入射在频率选择结构上的激光束的光束尺寸来选择任何频率选择结构的尺寸(例如，个体阵列部件的数量和/或尺寸和/或阵列的周期性)。在图10-13中的任何附图中，可使用增量制造或减量制造技术(诸如，平版印刷、沉积、蚀刻、纳米压印等)来形成几何特征。图10-13示出根据本公开的方面的可形成光学元件的一部分的频率选择结构的部分。实际上，频率选择结构可大于图10-13中示出的频率选择结构。例如，当用于对激光器进行q切换时，所述阵列可以是大约3mm乘以3mm。也就是说，光学元件可包括大约一万个图10-13中示出的阵列。
188.图14示意性地描绘根据本公开的方面的从co2激光器900的侧面获得的透视图。co2激光器900被配置为产生红外电磁辐射(未示出)。co2激光器900包括光学元件(未示出)，所述光学元件包括具有基本上周期性特征图案的频率选择结构。光学元件的频率响应被配置为在接收到信号时变化，并且co2激光器900的q因数在接收到信号时变化。光学元件可以是：以上描述且在图2-6a和7a中描绘的任何光学元件，包括以上描述且在图10-13中描绘的任何频率选择结构。
189.co2激光器900包括激光腔901，激光腔901包括co2增益介质(在图14中不可见)。co2激光器900包括射频(“rf”)激发源904，rf激发源904被配置为激发激光腔901中的co2增益介质以产生红外电磁辐射。rf激发源904可被配置为提供大约150w或更大的rf功率。rf激发源904可被配置为提供大约1kw或更小的rf功率。rf激发源904可被配置为在大约80mhz或更高的频率提供rf功率。rf激发源904可被配置为在大约120mhz或更低的频率提供rf功率。rf激发源904可被配置为在大约100mhz或更高的频率提供rf功率。rf激发源904可被配置为在大约0.1μsec或更长的持续时间内向co2增益介质提供rf功率。rf激发源904可被配置为在大约1.0μsec或更短的持续时间内向co2增益介质提供rf功率。rf激发源904可被配置为连续地向co2增益介质提供rf功率。rf激发源904的脉冲持续时间可由co2激光器的用户控制。rf激发源904的脉冲持续时间可至少部分地取决于预期激光能量(例如，脉冲能量)、co2激光器900的平均功率、脉冲重复频率和在激光标记系统的使用情况下的产品吞吐率中的一项或多项。
190.co2激光器900可被配置为产生具有大约10w的平均功率的红外电磁辐射。co2激光器900可被配置为产生具有大约30w的平均功率的红外电磁辐射。co2激光器900可被配置为产生具有大约50w的平均功率的红外电磁辐射。co2激光器900可被配置为产生具有大约100w的平均功率的红外电磁辐射。co2激光器900可被配置为产生短脉冲红外电磁辐射。co2激光器900可被配置为产生红外电磁辐射的短脉冲(脉冲宽度＞0.1nsec并且＜500βsec)。
191.co2激光器900包括控制系统902，所述控制系统902被配置为向光学元件提供信号以对co2激光器900进行q切换。所述信号可包括偏置电压。偏置电压可大于0v。偏置电压可小于或等于大约20v。偏置电压可被施加大约1ns或更长。偏置电压可被施加大约150ns或更
短。可至少部分地根据将要由co2激光器900产生的预期输出能量(例如，激光脉冲能量)来选择施加偏置电压的持续时间。替代地，所述信号可包括激光脉冲。激光脉冲可由短脉冲激光二极管产生。控制系统902还被配置为向rf激发源904提供单独的控制信号以激发激光腔901中的co2增益介质。所述信号可被配置为控制光学元件的切换部件的偏置电平。所述信号可被配置为控制co2激光器900的激光输出命令和co2激光器900的q切换的启动之间的定时。
192.co2激光器900包括导孔906，导孔906被配置为从rf激发源904向激光腔901中的co2增益介质传送功率。co2激光器900包括用于利用co2气体填充激光腔901的流体输入908。co2激光器900包括输出耦合器910。输出耦合器910可包括部分反射镜，所述部分反射镜被配置为输出由co2激光器900产生的红外电磁辐射(例如，红外电磁辐射的脉冲)。co2激光器包括与输出耦合器910相对的后反射镜(在图14中不可见)，以使得co2增益介质位于输出耦合器910和后反射镜之间。也就是说，包括co2增益介质的激光腔901被形成在后反射镜和输出耦合器901之间。包括频率选择结构的光学元件可位于co2激光器900中的许多不同位置。图15-17示出光学元件可在co2激光器中位于哪里的不同示例。
193.图15示意性地描绘图14的co2激光器的输出耦合器的剖视图。由co2激光器产生的红外电磁辐射(未示出)沿着激光腔901内的孔912传播，并且与输出耦合器910相互作用。所述孔可由例如矾土形成。输出耦合器910可由例如znse形成。输出耦合器910通过孔912朝着后反射镜(未示出)将一些红外电磁辐射反射回去。输出耦合器910还将一些红外电磁辐射透射到激光腔901的外部作为输出激光。在图15的示例中，包括具有基本上周期性特征图案的频率选择结构的光学元件914形成co2激光器的输出耦合器910的一部分。如前所述，光学元件914的频率响应被配置为在接收到信号时变化，以使得co2激光器的q因数在接收到信号时变化。光学元件914可包括znse、gaas、ge或zns。这些透射基本材料与存在于激光腔901的孔912中的co2激光等离子体兼容。在大约10.6μm的波长的znse的复折射率(n+jk)可以是大约(2.4028)。在大约10.6μm的波长的gaas的复折射率(n+jk)可以是大约(3.2646+j0.00029)。在大约10.6μm的波长的ge的复折射率(n+jk)可以是大约(4.0038)。在大约10.6μm的波长的zns的复折射率(n+jk)可以是大约(2.1925+j0.002)。
194.图16示意性地描绘图14的co2激光器的后反射镜916的剖视图。由co2激光器产生的红外电磁辐射(未示出)沿着激光腔901内的孔912传播，并且与后反射镜916相互作用。后反射镜916被配置为通过孔912朝着输出耦合器(未示出)将基本上所有红外电磁辐射反射回去。后反射镜916可例如由硅形成。在图16的示例中，包括具有基本上周期性特征图案的频率选择结构的光学元件918形成co2激光器的后反射镜916的一部分。如前所述，光学元件918的频率响应被配置为在接收到信号时变化，以使得co2激光器的q因数在接收到信号时变化。在图15的示例中，光学元件918形成被配置为至少部分地透射红外电磁辐射的输出耦合器的一部分，而在图16的示例中，光学元件918形成被配置为反射红外电磁辐射的后反射镜916的一部分。如此，图16的光学元件918由与图15的光学元件916不同的材料形成。将会理解，图15和16中示出的两种实现将不会被同时使用。图16的光学元件918可例如包括硅或gaas。这些反射基本材料与存在于激光腔901的孔912中的co2激光等离子体兼容。在大约10.6μm的波长的硅的复折射率(n+jk)可以是大约(3.4179+j0.0001223)。在大约10.6μm的波长的gaas的复折射率(n+jk)可以是大约(3.2646+j0.00029)。
195.图17示意性地描绘根据本公开的方面的包括折叠腔922的co2激光器920的透视图。co2激光器920被配置为产生红外电磁辐射(未示出)。co2激光器920包括光学元件(未示出)，所述光学元件包括具有基本上周期性特征图案的频率选择结构。光学元件的频率响应被配置为在接收到信号时变化，并且co2激光器920的q因数在接收到信号时变化。光学元件可以是：以上描述且在图2-6a和7a中描绘的任何光学元件，包括以上描述且在图10-13中描绘的任何频率选择结构。
196.折叠激光腔922包括co2增益介质(在图17中不可见)。co2激光器920包括射频(“rf”)激发源(未示出)，所述rf激发源被配置为激发折叠激光腔922中的co2增益介质以产生红外电磁辐射。rf激发源可基本上与以上参照图14描述的rf激发源904相同，其细节将不会在这里重复以避免不必要的重复。
197.co2激光器920可被配置为产生具有大约10w的平均功率的红外电磁辐射。co2激光器920可被配置为产生具有大约30w的平均功率的红外电磁辐射。co2激光器920可被配置为产生具有大约50w的平均功率的红外电磁辐射。co2激光器920可被配置为产生具有大约100w的平均功率的红外电磁辐射。co2激光器900可被配置为产生短脉冲红外电磁辐射。co2激光器900可被配置为产生红外电磁辐射的短脉冲(脉冲宽度》0.1nsec并且《500βsec)。
198.co2激光器920包括控制系统924，所述控制系统924被配置为向光学元件提供信号以对co2激光器920进行q切换。所述信号可包括偏置电压。偏置电压可大于0v。偏置电压可小于或等于大约20v。偏置电压可被施加大约1ns或更长。偏置电压可被施加大约100μs或更短。偏置电压可被施加大约150ns或更短。可至少部分地根据将要由co2激光器920产生的预期输出能量(例如，激光脉冲能量)来选择施加偏置电压的持续时间。替代地，所述信号可包括激光脉冲。激光脉冲可由短脉冲激光二极管产生。控制系统924还被配置为向rf激发源提供单独的控制信号以激发折叠激光腔922中的co2增益介质。
199.co2激光器900包括输出耦合器910。输出耦合器910可包括部分反射镜，所述部分反射镜被配置为输出由co2激光器920产生的红外电磁辐射(例如，红外电磁辐射的脉冲)。co2激光器920包括多个折叠反射镜926、928。在图17的示例中，co2激光器920包括四个折叠反射镜926、928，其中的两个折叠反射镜是可见的。折叠反射镜926、928被配置为沿着折叠腔922的平行长度引导红外电磁辐射。co2激光器920包括与折叠反射镜926之一相对的后反射镜(在图17中不可见)，以使得co2增益介质位于输出耦合器910和所述后反射镜之间。也就是说，包括co2增益介质的折叠激光腔922被形成在所述后反射镜和输出耦合器910之间。包括频率选择结构的光学元件可位于包括折叠腔922的co2激光器920中的许多不同位置。图18和19示出光学元件可在co2激光器920中位于哪里的不同示例。
200.图18示意性地描绘图17的co2激光器的两个折叠反射镜926、928和输出耦合器910的剖视图。由co2激光器产生的红外电磁辐射(未示出)沿着折叠激光腔922内的孔912传播，并且与输出耦合器910相互作用。孔912可由例如矾土形成。输出耦合器910可由例如znse形成。输出耦合器910通过孔912朝着后反射镜(未示出)将一些红外电磁辐射反射回去。输出耦合器910还将一些红外电磁辐射透射到折叠激光腔922的外部作为输出激光。在图18的示例中，包括具有基本上周期性特征图案的频率选择结构的光学元件914形成co2激光器的折叠反射镜926之一的一部分。如前所述，光学元件914的频率响应被配置为在接收到信号时变化，以使得co2激光器的q因数在接收到信号时变化。光学元件914可包括硅或gaas。这些
反射基本材料与存在于折叠腔922的孔912中的co2激光等离子体兼容。在大约10.6μm的波长的硅的复折射率(n+jk)可以是大约(3.4179+j0.0001223)。在大约10.6μm的波长的gaas的复折射率(n+jk)可以是大约(3.2646+j0.00029)。
201.图19示意性地描绘根据本公开的方面的图17的co2激光器的两个折叠反射镜926、928和输出耦合器910的剖视图，所述co2激光器还包括无源光学部件930。在图19的示例中，包括具有基本上周期性特征图案的频率选择结构的光学元件914形成无源光学部件930的一部分。如前所述，光学元件914的频率响应被配置为在接收到信号时变化，以使得co2激光器的q因数在接收到信号时变化。无源光学部件930位于co2激光器的折叠激光腔922中。在图19的示例中，无源光学部件930位于co2激光器的两个折叠反射镜926、928之间。无源光学元件930可位于co2激光器的折叠腔922内的其它位置。在图19的示例中，无源光学部件930包括透射盘，光学元件914被安装在所述透射盘上。无源光学部件930可包括例如znse、gaas、ge或zns。光学元件可例如包括znse、gaas、ge或zns。这些透射基本材料与存在于co2激光器的折叠腔922的孔912中的co2激光等离子体兼容。在大约10.6μm的波长的znse的复折射率(n+jk)可以是大约(2.4028)。在大约10.6μm的波长的gaas的复折射率(n+jk)可以是大约(3.2646+j0.00029)。在大约10.6μm的波长的ge的复折射率(n+jk)可以是大约(4.0038)。在大约10.6μm的波长的zns的复折射率(n+jk)可以是大约(2.1925+j0.002)。
202.在图15的示例中，光学元件914包括石墨烯。石墨烯的电容率可被配置为在接收到信号时变化。在接收到信号时，在大约10.6μm的波长的石墨烯的复折射率(n+jk)可在大约(4.45-j4.34)和大约(14.43-j0.08)之间变化。
203.在图15、16、18和19的示例中，光学元件包括石墨烯。石墨烯的电容率可被配置为在接收到用于对co2激光器进行q切换的信号时变化。在接收到信号时，在大约10.6μm的波长的石墨烯的复折射率(n+jk)可在大约(4.45-j4.34)和大约(14.43-j0.08)之间变化。光学元件可包括不同材料。例如，光学元件914可包括相变材料，所述相变材料被配置为在接收到信号时改变相。相变材料可例如包括vo2。在接收到信号时，在大约10.6μm的波长的vo2的复折射率(n+jk)可在绝缘状态下的大约(2.1+j0.16)到金属状态下的大约(7.8+j 5.8)之间变化。替代地，光学元件914可包括半导体。半导体的电荷载流子密度可被配置为在接收到信号时变化。半导体可包括例如gaas、si或ge。当提供给光学元件以对co2激光器进行q切换的信号是激光脉冲时，半导体可形成被配置为与激光脉冲相互作用的光电导装置的一部分。
204.如上所述，光学元件可包括信号传送部件，所述信号传送部件被可操作地耦合到切换部件，被配置为接收信号并且将信号传送给切换部件。信号传送部件可包括一层导电材料。所述一层导电材料可包括金、镍、铝和氧化铟锡(ito)中的至少一种。光学元件可包括绝缘材料。绝缘材料可包括例如氧化铝和氧化铪中的一种或多种。绝缘材料可包括其它材料。
205.图20示意性地描绘根据本公开的方面的包括co2激光器942的激光标记系统940。所述co2激光器可与以上描述且在图14-19中描绘的任一co2激光器相同，这将不会在这里再次描述以避免不必要的重复。激光标记系统940包括电源944，所述电源944被配置为向co2激光器942提供功率。激光标记系统940包括控制系统946，所述控制系统946被配置为向光学元件提供信号以对co2激光器942进行q切换并且提供单独的控制信号以激发co2激光器中
的co2增益介质。在图20的示例中，由co2激光器942产生的红外电磁辐射946被配置为标记产品952。co2激光器942可被配置为产生红外电磁辐射946的脉冲。产品952可以是沿着生产线960(例如，传送带)移动的多个产品950-954之一。
206.图21示出根据本公开的方面的对co2激光器进行q切换以产生红外电磁辐射的方法的流程图。所述方法的第一步骤971包括：激发co2激光器的co2增益介质。所述方法的第二步骤972包括：产生信号以改变co2激光器的光学元件上的具有基本上周期性特征图案的频率选择结构的频率响应并且由此产生红外电磁辐射的脉冲。产生信号可包括操作控制器以产生电信号或光学信号(例如，激光脉冲)。由所述方法产生的红外电磁辐射可被配置为标记产品。所述方法可包括产生短脉冲红外电磁辐射的可选步骤。co2激光器可被配置为产生红外电磁辐射的短脉冲(脉冲宽度》0.1nsec并且《500μsec)。
207.图22示出根据本公开的方面的利用红外电磁辐射来标记目标的方法。所述方法的第一步骤981包括：激发co2激光器的co2增益介质。所述方法的第二步骤982包括：产生信号以通过改变co2激光器的光学元件上的具有基本上周期性特征图案的频率选择结构的频率响应来对co2激光器进行q切换，由此产生红外电磁辐射的脉冲。所述方法的第三步骤983包括：将红外电磁辐射的脉冲引导到目标。产生信号可包括操作控制器以产生电信号或光学信号(例如，激光脉冲)。所述方法可包括产生短脉冲红外电磁辐射的可选步骤。co2激光器可被配置为产生红外电磁辐射的短脉冲(脉冲宽度＞0.1nsec并且＜500μsec)。
208.将会理解，在本文中描述的co2激光器可被用于许多不同应用。co2激光器可被用于工业应用，诸如例如激光标记和编码、雕刻、钻孔、切割、钻孔、焊接(金属和塑料)、表面处理(激光喷丸、硬化、抛光、加糙、黑化)、除锈、除漆等。co2激光器可被用于医疗应用，诸如例如作为激光手术刀、耳鼻喉科和头颈外科手术、妇科手术、病变和肿瘤去除、血管手术、口腔软组织手术、牙釉质消融、种植牙科、纹身去除、针对偏头疼治疗的激光诱发的伤害性电位、烧伤疤痕治疗、皮肤表面重修、胎记去除、痣和病毒性疣去除、皮肤老化、面部疤痕的去除等。由co2激光器提供的预期功率至少部分地取决于关于co2激光器的应用。例如，对于柔软材料应用(诸如，大多数手术)，co2激光器可产生具有10-20w的范围中的功率的红外电磁辐射。作为另一示例，对于一些金属激光处理应用，co2激光器可产生具有40-50w的范围中的功率的红外电磁辐射。作为另一示例，对于一些塑料激光处理应用，co2激光器可产生具有大约30w的功率的红外电磁辐射。
209.已如此描述至少一个实现的几个方面，要理解，本领域技术人员将会容易想到各种改变、修改和改进。这种改变、修改和改进旨在是本公开的一部分，并且旨在落在本公开的精神和范围内。在本文中公开的方法的动作可按照除了图示的次序以外的替代次序被执行，并且一个或多个动作可被省略、替换或添加。在本文中公开的任何一个示例的一个或多个特征可与公开的任何其它示例的一个或多个特征组合，或替换公开的任何其它示例的一个或多个特征。因此，前面的描述和附图仅作为示例。
210.在本文中使用的用语和术语用于描述的目的，并且不应该被视为是限制性的。如在本文中所使用，术语“多个”指代两个或更多项或部件。如在本文中所使用，描述为“基本上类似”的尺寸应该被视为在彼此的大约25％内。无论在书面描述还是权利要求等中，术语“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”和“涉及”是开放式术语，意指“包括但不限于”。因此，这种术语的使用意在包括其后列出的项及其等同物以及另外的项。在权利要求中使用
序数术语(诸如，“第一”、“第二”、“第三”等)来修饰权利要求元件本身并不意味着一个权利要求元件相对于另一权利要求元件的任何优先级、优先顺序或次序或者执行方法的动作的时间次序，而是仅被用作标签以区分具有某个名称的一个权利要求元件与(如果没有使用序数术语则)具有相同名称的另一元件从而区分权利要求元件。

技术特征：
1.一种被配置为产生红外电磁辐射的co2激光器，包括：光学元件，包括具有基本上周期性特征图案的频率选择结构，其中所述光学元件的频率响应被配置为在接收到信号时变化，其中所述co2激光器的q因数在接收到所述信号时变化。2.如权利要求1所述的co2激光器，包括：激光腔，包括co2增益介质；和射频激发源，被配置为激发所述co2增益介质以产生红外电磁辐射。3.如权利要求2所述的co2激光器，包括控制系统，所述控制系统被配置为：向所述光学元件提供所述信号以对所述co2激光器进行q切换；并且向所述射频激发源提供单独的控制信号以激发所述co2增益介质。4.如权利要求1至3中任一项所述的co2激光器，其中所述光学元件形成所述co2激光器的后反射镜的一部分。5.如权利要求1至3中任一项所述的co2激光器，包括具有折叠反射镜的折叠腔，其中所述光学元件形成所述co2激光器的所述折叠反射镜的一部分。6.如权利要求4或权利要求5所述的co2激光器，其中所述光学元件包括硅或gaas。7.如权利要求1至3中任一项所述的co2激光器，其中所述光学元件形成所述co2激光器的输出耦合器的一部分。8.如权利要求1至3中任一项所述的co2激光器，其中所述光学元件形成位于所述co2激光器的激光腔中的无源光学部件的一部分。9.如权利要求7或权利要求8所述的co2激光器，其中所述光学元件包括znse、gaas、ge或zns。10.如任一前面权利要求所述的co2激光器，其中所述光学元件包括石墨烯。11.如权利要求1至9中任一项所述的co2激光器，其中所述光学元件包括相变材料，所述相变材料被配置为在接收到所述信号时改变相。12.如权利要求11所述的co2激光器，其中所述相变材料包括vo2。13.如权利要求1至9中任一项所述的co2激光器，其中所述光学元件包括半导体。14.如权利要求13所述的co2激光器，其中所述半导体包括gaas、si或ge中的至少一种。15.如权利要求1至9中任一项所述的co2激光器，其中所述光学元件包括液晶，其中所述液晶的光学性质被配置为在接收到所述信号时变化。16.如权利要求10至15中任一项所述的co2激光器，其中所述信号包括偏置电压。17.如权利要求10至15中任一项所述的co2激光器，其中所述信号包括激光脉冲。18.如任一前面权利要求所述的co2激光器，其中所述光学元件的反射率、透射率和/或吸收率在接收到所述信号时在红外电磁辐射的频率的范围上变化。19.如任一前面权利要求所述的co2激光器，其中所述光学元件包括切换部件，所述切换部件被可操作地耦合到所述频率选择结构。20.如权利要求19所述的co2激光器，其中所述光学元件包括信号传送部件，所述信号传送部件被可操作地耦合到所述切换部件，被配置为接收所述信号并且将所述信号传送给所述切换部件。21.如任一前面权利要求所述的co2激光器，其中所述光学元件包括可变形材料，所述可
变形材料被配置为在接收到所述信号时改变所述基本上周期性特征图案的周期性和/或几何形状。22.如任一前面权利要求所述的co2激光器，其中所述光学元件的折射率被配置为在接收到所述信号时变化。23.如任一前面权利要求所述的co2激光器，其中所述光学元件的电容率和/或磁导率被配置为在接收到所述信号时变化。24.如任一前面权利要求所述的co2激光器，其中所述光学元件的电导率和电阻率被配置为在接收到所述信号时变化。25.如任一前面权利要求所述的co2激光器，其中所述基本上周期性特征图案包括被配置为至少部分地确定所述光学元件的所述频率响应的几何特征的阵列。26.如权利要求25所述的co2激光器，其中所述阵列包括调谐元件，所述调谐元件被配置为至少部分地确定所述光学元件的所述频率响应。27.如任一前面权利要求所述的co2激光器，其中所述基本上周期性特征图案被配置为用作偏振器。28.如任一前面权利要求所述的co2激光器，其中所述光学元件包括超材料。29.如任一前面权利要求所述的co2激光器，其中所述频率选择结构包括多个频率选择层，所述频率选择层被配置为至少部分地确定所述光学元件的所述频率响应。30.如任一前面权利要求所述的co2激光器，其中所述红外电磁辐射被配置为标记产品。31.如任一前面权利要求所述的co2激光器，其中所述co2激光器被配置为产生短脉冲红外电磁辐射。32.如任一前面权利要求所述的co2激光器，其中所述信号被配置为：控制所述光学元件的切换部件的偏置电平；并且控制所述co2激光器的激光输出命令和所述co2激光器的q切换的启动之间的定时。33.如任一前面权利要求所述的co2激光器，其中所述红外电磁辐射形成工业过程的一部分。34.如任一前面权利要求所述的co2激光器，其中所述红外电磁辐射形成医疗过程的一部分。35.一种用于标记目标的激光标记系统，包括如权利要求1至33中任一项所述的co2激光器。36.一种对co2激光器进行q切换以产生红外电磁辐射的方法，包括：激发所述co2激光器的co2增益介质；并且产生信号以改变所述co2激光器的光学元件上的具有基本上周期性特征图案的频率选择结构的频率响应并且由此产生红外电磁辐射的脉冲。37.如权利要求36所述的方法，其中所述红外电磁辐射被配置为标记产品。38.如权利要求36或权利要求37所述的方法，包括：产生短脉冲红外电磁辐射。39.一种利用红外电磁辐射来标记目标的方法，包括：激发所述co2激光器的co2增益介质；产生信号以通过改变co2激光器的光学元件上的具有基本上周期性特征图案的频率选择结构的频率响应来对所述co2激光器进行q切换，由此产生红外电磁辐射的脉冲；并且
将红外电磁辐射的所述脉冲引导到所述目标。40.如权利要求39所述的方法，包括：产生短脉冲红外电磁辐射。

技术总结
一种被配置为产生红外电磁辐射的CO2激光器包括光学元件，所述光学元件包括具有基本上周期性特征图案的频率选择结构。光学元件的频率响应被配置为在接收到信号时变化。CO2激光器的Q因数在接收到信号时变化。一种激光标记系统可包括CO2激光器。激光器。激光器。


技术研发人员：D
受保护的技术使用者：傲科激光应用技术股份有限公司
技术研发日：2021.12.20
技术公布日：2023/9/9