CN100405678C - 直角圆台内侧面与直角圆锥外侧面组合全反镜激光谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直角圆台内侧面与直角圆锥外侧面组合全反镜激光谐振腔，包括全反镜、输出镜及激光工作介质，全反镜由一个直角圆台的内侧面和一个反向的直角圆锥的外侧面组成，直角圆台和直角圆锥的旋转对称轴同轴，直角圆台的内侧面和直角圆锥的外侧面均为高反射面，相互之间的尺寸关系为Φb＝2Φa，其中Φa为直角圆锥的外侧面与直角圆台的内侧面相接圆的直径，Φb为全反镜的底面直径。该激光谐振腔调整方便，工作稳定，可利用的模体积大，能消除增益介质不均匀分布的影响，发散角极小，光束质量好，可以输出小光斑尺寸高功率密度的实心光束和环形空心光束，可以用于中、高功率气体或固体激光器。

Description

直角圆台内侧面与直角圆锥外侧面组合全反镜激光谐振腔

技术领域

本发明涉及激光谐振腔。

背景技术

在激光应用的许多场合中，例如激光打孔、焊接、切割以及激光医疗等微精密加工中，都希望激光器最好能工作在发散角最小的基模状态。为了提高激光光束质量，传统选模技术(如使用孔径光阑)可以使激光器输出的光束质量提高，但使用孔径光阑在很大程度上限制了模体积，增加了模损耗。

在高功率激光器件设计中出现的主要问题是，如何获得尽可能大的模体积和好的横模鉴别能力，以实现高功率单模运转，从而既能从激活物质中高效率地提取能量，又能保持高的光束质量。

常用的激光谐振腔有稳定腔、非稳腔和临界腔三种。

稳定腔的损耗很低，傍轴光线的几何偏折损耗均为零，而且只要腔的菲涅尔数不太小，衍射损耗通常也小到可以忽略，因此在绝大多数中、小功率器件都采用稳定腔。当我们要求激光器高功率基模运行时，由于稳定腔的基模模体积太小，且与谐振腔镜面尺寸无关。这就意味着增大激活介质的横向尺寸或增大谐振腔镜面尺寸无助于基模激光光束输出功率的提高，反而容易导致激光器的多横模运转，降低输出光束的质量。

与一般稳定球面腔相比，非稳腔的波形限制能力显著提高；此外，由于振荡波形为球面波，对工作物质动态折射率畸变等影响比较不敏感，因此用于高增益激光器系统，可获得发散角相当小的高亮度输出光束。非稳腔的损耗主要是傍轴光线的发散损耗，单程的损耗很大，可达百分之几十。为获得高功率输出，工作物质的横向尺寸往往较大，因此衍射损耗可以忽略。由于腔的损耗较大，通常需采用侧面逸出输出耦合，故输出为中心空的环状光束。这种腔调整要求高，且不能用于低增益的或细口径的各类激光器系统中。

平行平面腔是临界腔中最广泛应用的一种腔型，它由一平面全反镜和一平面半透半反镜组成。平行平面腔的主要优点是：光束方向性极好(发散角小)，模体积较大，比较容易获得单模振荡。平行平面腔的主要缺点是：调整精度要求极高且容易失调，与稳定腔相比，损耗也较大，对小增益器件不大适用。

申请号99816848.3公开了一种《谐振腔含有陀螺形圆锥棱镜的激光器》；申请号200420017131.2公开了一种《直角内圆锥面反射镜激光谐振腔》。这两项专利提出的谐振腔是将平行平面腔的全反镜用直角圆锥棱镜和直角内圆锥面全反镜取代，利用直角圆锥棱镜和直角内圆锥面全反镜的逆向反射特性组成的直角圆锥棱镜谐振腔和直角内圆锥面全反镜谐振腔，可以大大降低腔的调整要求。同时，这些谐振腔除了具有平行平面腔的大模体积，小发散角的特点外，还具有高稳定性。但是这两类谐振腔的缺点是：不能消除增益介质中心与边缘不均匀分布的影响；不能压缩输出激光光斑的面积，从而提输出光斑的功率密度，也不能实现环行空心光斑的激光输出；直角圆锥棱镜腔热稳定性低，某些激光波段的棱镜需要特殊的光学晶体制造，价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提出一种直角圆台内侧面与直角圆锥外侧面组合全反镜激光谐振腔。该激光谐振腔可以消除增益介质中心与边缘不均匀分布的影响，光束质量好；可以压缩输出激光的光斑面积，并且能输出环形激光光斑；另外，加工方便，热稳定性好，价格低廉。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种直角圆台内侧面与直角圆锥外侧面组合全反镜激光谐振腔，包括全反镜、输出镜及激光工作介质，全反镜由一个直角圆台的内侧面和一个反向的直角圆锥的外侧面组成，直角圆台和直角圆锥的旋转对称轴同轴，直角圆台的内侧面和直角圆锥的外侧面均为高反射面，相互之间的尺寸关系为Фb＝2Фa，其中Фa为直角圆锥的外侧面与直角圆台的内侧面相接圆的直径，Фb为全反镜的底面直径；输出镜为分体输出镜，由圆形平面半透半反镜和边缘的同心环状的全反镜组成，同心环状的全反镜由第一直角圆台的内侧面和反向的第二直角圆台的外侧面组成，二个直角圆台的旋转对称轴同轴，第一直角圆台的内侧面和第二直角圆台的外侧面均为高反射面，圆形平面半透半反镜和同心环状的全反镜旋转对称轴同轴，相互之间的尺寸关系为Фd＝Фb＝2Фc，Фd-Фg＝Фg-Фc，其中Фc为圆形平面半透半反镜的直径，Фd为输出镜的直径，Фg为第二直角圆台的外侧面与第一直角圆台的内侧面相接圆的直径。

为实现上述目的，本发明采用的另一个技术方案是，一种直角圆台内侧面与直角圆锥外侧面组合全反镜激光谐振腔，其特征在于：全反镜由一个直角圆台的内侧面和一个反向的直角圆锥的外侧面组成，直角圆台和直角圆锥的旋转对称轴同轴，直角圆台的内侧面和直角圆锥的外侧面均为高反射面，相互之间的尺寸关系为Фb＝2Фa，其中Фa为直角圆锥的外侧面与直角圆台的内侧面相接圆的直径，Фb为全反镜的底面直径；输出镜为分体输出镜，由第一整体镜和边缘的同心环状的全反镜组成，同心环状的全反镜由第一直角圆台的内侧面和反向的第二直角圆台的外侧面组成，二个直角圆台的旋转对称轴同轴，第一直角圆台的内侧面和第二直角圆台的外侧面均为高反射面，第一整体镜由圆形平面和边缘的同心环状平面组成，在圆形平面上镀半透半反膜，在环状平面上镀高反膜，第一整体镜和同心环状的全反镜的旋转对称轴同轴，相互之间的尺寸关系为Фd＝Фb＝2Фc，Фd-Фg＝Фg-Фc，Фc＝2Фh，其中Фh为圆形平面的直径，Фc为环状平面外环的直径，Фd为输出镜的直径，Фg为第二直角圆台的外侧面与第一直角圆台的内侧面相接圆的直径。

为实现上述目的，本发明采用的又一个技术方案是，一种直角圆台内侧面与直角圆锥外侧面组合全反镜激光谐振腔，其特征在于：全反镜由一个直角圆台的内侧面和一个反向的直角圆锥的外侧面组成，直角圆台和直角圆锥的旋转对称轴同轴，直角圆台的内侧面和直角圆锥的外侧面均为高反射面，相互之间的尺寸关系为Фb＝2Фa，其中Фa为直角圆锥的外侧面与直角圆台的内侧面相接圆的直径，Фb为全反镜的底面直径；输出镜为分体输出镜，由第二整体镜和边缘的同心环状的全反镜组成，同心环状的全反镜由第一直角圆台的内侧面和反向的第二直角圆台的外侧面组成，二个直角圆台的旋转对称轴同轴，第一直角圆台的内侧面和第二直角圆台的外侧面均为高反射面，第二整体镜由圆形平面和边缘的同心环状平面组成，在圆形平面上镀全反膜，在环状平面上镀半透半反膜，第二整体镜和同心环状的全反镜的旋转对称轴同轴，相互之间的尺寸关系为Фd＝Фb＝2Фc，Фd-Фg＝Фg-Фc，Фc＝2Фh，其中Фh为圆形平面的直径，Фc为环状平面外环的直径，Фd为输出镜的直径，Фg为第二直角圆台的外侧面与第一直角圆台的内侧面相接圆的直径。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明在充分利用增益介质，实现大模体积激光输出的情况下，等效的将腔长成倍的增长，同时压缩了输出光斑的面积，可以获得发散角非常小，功率密度非常高，光束质量非常好的激光输出。

(2)本发明利用其逆向反射特性，可以消除增益介质中心与边缘不均匀分布的影响，对固体激光棒在激励下的不均匀性、气体激光器中气体不均匀性、放电不均匀性等导致的增益不均匀性起到光学补偿作用，降低激光谐振腔镜子的热畸变。

(3)本发明没有折射现象，提高了光场分布的均匀性。

(4)本发明可以输出环形空心激光光斑，在特殊的激光加工以及原子冷却、捕获等尖端物理研究中有广泛应用。

(5)本发明利用其逆向反射特性，可以大大降低腔的调整要求，而且安装、使用、维护方便，且性能可靠，容易对现有激光器进行改装。

(6)本发明加工方便，制造成本低。

(7)全反镜或者输出镜的轻微扰动，对输出激光的能量与光束质量没有明显影响。

附图说明

图1为本发明中直角圆台内侧面与直角圆锥外侧面组合全反镜的结构示意图。

图2为图1的右视图。

图3为图1中带有水槽和盖板的一种实施例的结构简图。

图4为图3中水槽的左视图。

图5为图3中盖板的左视图。

图6为本发明实施例1的结构示意图。

图7为图6中输出镜的结构简图。

图8为本发明实施例2的结构示意图。

图9为图8中带有水槽和盖板的输出镜一种实施例的结构简图。

图10为图9中水槽的右视图。

图11为图9中盖板的右视图。

图12为本发明实施例3的结构示意图。

图13为图12输出镜的左视图。

图14为图12中带有水槽和盖板的输出镜一种实施例的结构简图。

图15为本发明实施例4的结构示意图。

图16为图15中带有水槽和盖板的输出镜一种实施例的结构简图。

图17为本发明实施例5的结构示意图。

图18为图17中带有水槽和盖板的输出镜一种实施例的结构简图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

由图1所示，在本发明中，全反镜1由一个直角圆台的内侧面4和一个反向的直角圆锥的外侧面5组成，直角圆台和直角圆锥的旋转对称轴同轴，直角圆台的内侧面4和直角圆锥的外侧面5均为高反射面，相互之间的尺寸关系为Фb＝2Фa，其中Фa为直角圆锥的外侧面5与直角圆台的内侧面4相接圆的直径，Фb为全反镜1的底面直径。

全反镜1的光学性质是：入射光线经全反镜1反射两次后，反射光线与入射光线平行。或者说，只要入射光线方向不变，无论全反镜1绕其顶点如何晃动，反射光线的方向始终不变，与入射光线方向保持一致。根据这一性质，谐振腔输出光线的方向与输出镜2的法线方向相同，且当全反镜1顶点位于光轴附近，其轴线与光轴近似重合时即可出光，全反镜1或者输出镜2的轻微扰动，对出光能量与光束质量没有明显下降。

由图2～图5所示，由全反镜1构成的组合体6的后面有冷却水槽7，在水槽盖板10上开有进水口8和出水口9，盖板10与组合体6可采用焊接方式密封连接。

在本发明的激光谐振腔中，全反镜1均由一个直角圆台的内侧面4和一个反向的直角圆锥的外侧面5组成，而输出镜2可为多种不同的结构。

安装时，全反镜1与输出镜2的旋转对称轴同轴，全反镜1所述直角圆锥的顶点最好位于激光腔的光轴上，全反镜1的底平面与光轴垂直。

实施例1

由图6～图7所示，本发明包括全反镜1、输出镜2和激光工作介质3，全反镜1由一个直角圆台的内侧面4和一个反向的直角圆锥的外侧面5组成。输出镜2是由圆形平面11和边缘的同心环状平面12组成的整体平面镜，在圆形平面11上镀半透半反膜，作为激光输出口，在环状平面12上镀高反膜，相互之间的尺寸关系为Фd＝Фb＝2Фc，其中Фc为圆形平面11的直径，Фd为输出镜2的直径。

实施例1激光谐振腔的有效激光输出光斑面积为全反镜1底面面积的四分之一，可以大大提高激光输出功率密度。该谐振腔在工作介质为气体和固体时均可使用，特别是当增益区较大时，更可以充分发挥优势。

实施例2

由图8～图11所示，本发明包括全反镜1、输出镜2和激光工作介质3，全反镜1由一个直角圆台的内侧面4和一个反向的直角圆锥的外侧面5组成。输出镜2为分体输出镜，由圆形平面半透半反镜13和边缘的同心环状平面全反镜14组成，圆形平面半透半反镜13和环状平面全反镜14的旋转对称轴同轴，相互之间的尺寸关系为Фd＝Фb＝2Фc，Фe＞Фc，Фf＞Фd，其中Фc为圆形平面半透半反镜13的直径，Фd为输出镜2的直径，Фe为圆形平面半透半反镜13的安装尺寸，Фf为输出镜2的安装尺寸。15为输出镜2的环形冷却水槽，16为环状盖板。

实施例2激光谐振腔的有效激光输出光斑面积为全反镜1底面面积的四分之一，可以大大提高激光输出功率密度。该谐振腔在工作介质为气体和固体时均可使用，特别是当增益区较大时，更可以充分发挥优势。

实施例3

由图12～图14所示，本发明包括全反镜1、输出镜2和激光工作介质3，全反镜1由一个直角圆台的内侧面4和一个反向的直角圆锥的外侧面5组成。输出镜2为分体输出镜，由圆形平面半透半反镜13和边缘的同心环状的全反镜17组成，同心环状的全反镜17由第一直角圆台的内侧面18和反向的第二直角圆台的外侧面19组成，二个直角圆台的旋转对称轴同轴，第一直角圆台的内侧面18和第二直角圆台的外侧面19均为高反射面，圆形平面半透半反镜13和同心环状的全反镜17旋转对称轴同轴，相互之间的尺寸关系为Фd＝Фb＝2Фc，Фd-Фg＝Фg-Фc，Фe＞Фc，Фf＞Фd，其中Фc为圆形平面半透半反镜13的直径，Фd为输出镜2的直径，Фg为第二直角圆台的外侧面19与第一直角圆台的内侧面18相接圆的直径，Фe为圆形平面半透半反镜13的安装尺寸，Фf为输出镜2的安装尺寸。15为输出镜2的环形冷却水槽，16为带有进出水口的环状盖板。

实施例3激光谐振腔的有效激光输出光斑面积为全反镜1底面面积的四分之一，可以大大提高激光输出功率密度。该谐振腔在工作介质为气体和固体时均可使用，特别是当增益区较大时，更可以充分发挥优势。

实施例4

由图15～图16所示，本发明包括全反镜1、输出镜2和激光工作介质3，全反镜1由一个直角圆台的内侧面4和一个反向的直角圆锥的外侧面5组成。输出镜2为分体输出镜，由第一整体镜和边缘的同心环状的全反镜17组成，同心环状的全反镜17由第一直角圆台的内侧面18和反向的第二直角圆台的外侧面19组成，二个直角圆台的旋转对称轴同轴，第一直角圆台的内侧面18和第二直角圆台的外侧面19均为高反射面，第一整体镜由圆形平面20和边缘的同心环状平面21组成，在圆形平面20上镀半透半反膜，在环状平面21上镀高反膜，第一整体镜和同心环状的全反镜17的旋转对称轴同轴，相互之间的尺寸关系为Фd＝Фb＝2Фc，Фd-Фg＝Фg-Фc，Фc＝2Фh，Фe＞Фc，Фf＞Фd，Фf＞Фd，其中Фh为圆形平面20的直径，Фc为环状平面21外环的直径，Фd为输出镜2的直径，Фg为第二直角圆台的外侧面19与第一直角圆台的内侧面18相接圆的直径，Фe为第一整体镜的安装尺寸，Фf为分体输出镜2的安装尺寸。15为输出镜2的环形冷却水槽，16为带有进出水口的环状盖板。

实施例4激光谐振腔的有效激光输出光斑面积为全反镜1底面面积的十六分之一，可以大大提高激光输出功率密度。该谐振腔在工作介质为气体和固体时均可使用，特别是当增益区较大时，更可以充分发挥优势。

实施例5

由图17～图18所示，本发明包括全反镜1、输出镜2和激光工作介质3，全反镜1由一个直角圆台的内侧面4和一个反向的直角圆锥的外侧面5组成。输出镜2为分体输出镜，由第二整体镜和边缘的同心环状的全反镜17组成，同心环状的全反镜17由第一直角圆台的内侧面18和反向的第二直角圆台的外侧面19组成，二个直角圆台的旋转对称轴同轴，第一直角圆台的内侧面18和第二直角圆台的外侧面19均为高反射面，第二整体镜由圆形平面22和边缘的同心环状平面23组成，在圆形平面22上镀全反膜，在环状平面23上镀半透半反膜，第二整体镜和同心环状的全反镜17的旋转对称轴同轴，相互之间的尺寸关系为Фd＝Фb＝2Фc，Фd-Фg＝Фg-Фc，Фc＝2Фh，Фe＞Фc，Фf＞Фd，其中Фh为圆形平面22的直径，Фc为环状平面23外环的直径，Фd为分体输出镜2的直径，Фg为第二直角圆台的外侧面19与第一直角圆台的内侧面18相接圆的直径，Фe为整体镜的安装尺寸，Фf为分体输出镜2的安装尺寸。15为输出镜2的环形水槽，16为带有进出水口的环状盖板。

实施例5输出环形空心光束，在特殊的三维激光加工以及原子捕获、冷却等尖端物理研究中有重要的应用前景。实施例5激光谐振腔的有效激光输出光斑面积为全反镜1底面面积的十六分之三，可以大大提高激光输出功率密度。该谐振腔在工作介质为气体和固体时均可使用，特别是当增益区较大时，更可以充分发挥优势。

Claims (4)

1.一种直角圆台内侧面与直角圆锥外侧面组合全反镜激光谐振腔，包括全反镜、输出镜及激光工作介质，其特征在于：

全反镜(1)由一个直角圆台的内侧面(4)和一个反向的直角圆锥的外侧面(5)组成，直角圆台和直角圆锥的旋转对称轴同轴，直角圆台的内侧面(4)和直角圆锥的外侧面(5)均为高反射面，相互之间的尺寸关系为Φb＝2Φa，其中Φa为直角圆锥的外侧面(5)与直角圆台的内侧面(4)相接圆的直径，Φb为全反镜(1)的底面直径；

输出镜(2)为分体输出镜，由圆形平面半透半反镜(13)和边缘的同心环状的全反镜(17)组成，同心环状的全反镜(17)由第一直角圆台的内侧面(18)和反向的第二直角圆台的外侧面(19)组成，二个直角圆台的旋转对称轴同轴，第一直角圆台的内侧面(18)和第二直角圆台的外侧面(19)均为高反射面，圆形平面半透半反镜(13)和同心环状的全反镜(17)旋转对称轴同轴，相互之间的尺寸关系为Φd＝Φb＝2Φc，Φd-Φg＝Φg-Φc，其中Φc为圆形平面半透半反镜(13)的直径，Φd为输出镜(2)的直径，Φg为第二直角圆台的外侧面(19)与第一直角圆台的内侧面(18)相接圆的直径。

2.一种直角圆台内侧面与直角圆锥外侧面组合全反镜激光谐振腔，其特征在于：

全反镜(1)由一个直角圆台的内侧面(4)和一个反向的直角圆锥的外侧面(5)组成，直角圆台和直角圆锥的旋转对称轴同轴，直角圆台的内侧面(4)和直角圆锥的外侧面(5)均为高反射面，相互之间的尺寸关系为Φb＝2Φa，其中Φa为直角圆锥的外侧面(5)与直角圆台的内侧面(4)相接圆的直径，Φb为全反镜(1)的底面直径；

输出镜(2)为分体输出镜，由第一整体镜和边缘的同心环状的全反镜(17)组成，同心环状的全反镜(17)由第一直角圆台的内侧面(18)和反向的第二直角圆台的外侧面(19)组成，二个直角圆台的旋转对称轴同轴，第一直角圆台的内侧面(18)和第二直角圆台的外侧面(19)均为高反射面，第一整体镜由圆形平面(20)和边缘的同心环状平面(21)组成，在圆形平面(20)上镀半透半反膜，在环状平面(21)上镀高反膜，第一整体镜和同心环状的全反镜(17)的旋转对称轴同轴，相互之间的尺寸关系为Φd＝Φb＝2Φc，Φd-Φg＝Φg-Φc，Φc＝2Φh，其中Φh为圆形平面(20)的直径，Φc为环状平面(21)外环的直径，Φd为输出镜(2)的直径，Φg为第二直角圆台的外侧面(19)与第一直角圆台的内侧面(18)相接圆的直径。

3.一种直角圆台内侧面与直角圆锥外侧面组合全反镜激光谐振腔，其特征在于：

全反镜(1)由一个直角圆台的内侧面(4)和一个反向的直角圆锥的外侧面(5)组成，直角圆台和直角圆锥的旋转对称轴同轴，直角圆台的内侧面(4)和直角圆锥的外侧面(5)均为高反射面，相互之间的尺寸关系为Φb＝2Φa，其中Φa为直角圆锥的外侧面(5)与直角圆台的内侧面(4)相接圆的直径，Φb为全反镜(1)的底面直径；

输出镜(2)为分体输出镜，由第二整体镜和边缘的同心环状的全反镜(17)组成，同心环状的全反镜(17)由第一直角圆台的内侧面(18)和反向的第二直角圆台的外侧面(19)组成，二个直角圆台的旋转对称轴同轴，第一直角圆台的内侧面(18)和第二直角圆台的外侧面(19)均为高反射面，第二整体镜由圆形平面(22)和边缘的同心环状平面(23)组成，在圆形平面(22)上镀全反膜，在环状平面(23)上镀半透半反膜，第二整体镜和同心环状的全反镜(17)的旋转对称轴同轴，相互之间的尺寸关系为Φd＝Φb＝2Φc，Φd-Φg＝Φg-Φc，Φc＝2Φh，其中Φh为圆形平面(22)的直径，Φc为环状平面(23)外环的直径，Φd为输出镜(2)的直径，Φg为第二直角圆台的外侧面(19)与第一直角圆台的内侧面(18)相接圆的直径。

4.根据权利要求1或2或3所述的直角圆台内侧面与直角圆锥外侧面组合全反镜激光谐振腔，其特征在于：全反镜(1)所述直角圆锥的顶点位于激光腔的光轴上，全反镜(1)的底平面与光轴垂直。

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