CN100495836C - 双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔及其设计方法。在同一光轴上依次放置有输出镜、偏振片、第一透镜、第一Nd:YAG激光晶体、90°石英旋光器、第二透镜、第三透镜、第二Nd:YAG激光晶体、后反镜。本发明由双棒串接以及其间的望远镜系统和石英旋光器进行热致双折射效应的补偿，然后通过设计不对称的动态稳定腔获得大功率的基模输出。由于采用了不对称的谐振腔设计，谐振腔具有很高的机械稳定性，在线性偏振光61W输出的条件下，10分钟内输出功率的波动都在±0.5W以内。通过改变腔内辅助透镜的焦距，可以方便地设计谐振腔的长短，同时，谐振腔的输出镜和全反镜都是平面镜，使用普通商用的腔镜就可以实现，不需要加工特殊曲率半径的腔镜。

Description

双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔的设计方法

技术领域

本发明涉及一种双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔的装置及设计方法。

背景技术

传统的固体激光器由于受到热效应的影响，要获得高光束质量的基模输出，需要在谐振腔内加入小孔光阑，从而限制了输出功率的提高。虽然可以通过设计基模动态稳定腔来增加基模体积，但是输出功率的进一步提高又受到热致双折射效应的限制，对于单棒的Nd:YAG激光器而言，在闪光灯连续抽运的条件下，所能获得的基模最高输出功率为20W左右。

为了获得更高功率的激光输出，人们采用了双棒在谐振腔内串接的方法，并在中间加入望远镜系统和石英旋光器来补偿热致双折射效应，并通过谐振腔的设计来提高基模的输出功率。但是目前文献中报道的谐振腔的设计都是对称的，这样会带来腔镜失调灵敏度的增加和激光器机械稳定性的降低，不利于在实际中应用。

本发明给出了一种获得大功率基模输出的激光谐振腔设计，腔内也使用双棒串接补偿热致双折射效应，但是谐振腔的设计采用非对称的结构，使得谐振腔既可以获得大功率的基模输出，同时又具有较高的机械稳定性。这种设计中不需要加工特殊的光学元件，使用商用的光学元件就可以实现，并且可以方便的控制谐振腔的长度，设计出结构紧凑的激光谐振腔。

发明内容

本发明的目的是提供一种双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔的装置及方法。使用这种装置和方法可以获得大功率的基模输出，同时谐振腔又具有较高的机械稳定性。

双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔是在同一光轴上依次放置有输出镜、偏振片、第一透镜、第一Nd:YAG激光晶体、90°石英旋光器、第二透镜、第三透镜、第二Nd:YAG激光晶体、后反镜。

所述的输出镜与第一透镜之间的距离为200-400mm。第一透镜与第一Nd:YAG激光晶体的热透镜前主平面之间的距离为100-400mm。第二透镜、第三透镜的焦距f为100-300mm，第二透镜与第三透镜之间的距离为2f，第一Nd:YAG激光晶体的热透镜后主平面与第二Nd:YAG激光晶体的热透镜前主平面之间的距离为4f。第二Nd:YAG激光晶体的热透镜后主平面与后反镜之间的距离为200-600mm。

双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔的设计方法包括如下步骤：

1)谐振腔的输出镜的反射率为50％～90％，后反镜为全反射镜。

2)在谐振腔内插入偏振片、第二透镜、第三透镜，使得退偏激光功率和输出激光功率之比降为最小值，以达到双折射补偿的最佳效果；

3)在谐振腔内加入第一透镜，输出镜与第一透镜之间的距离为： $d_1=\frac{[r_0^2\mathrm{\π}/\left(8\mathrm{\λ}\right)-{\mathrm{\Δ}}_1]f_1}{r_0^2\mathrm{\π}/\left(8\mathrm{\λ}\right)-{\mathrm{\Δ}}_1+f_1},$ 其中r₀是Nd:YAG激光晶体的半径，λ是激光波长，Δ₁是第一透镜与第一Nd:YAG激光晶体的热透镜前主平面之间的距离，f₁是第一透镜的焦距；

4)在偏振片与第一Nd:YAG激光晶体之间加入第一透镜，使得基模在谐振腔内获得较大的模式体积，从而获得大功率高光束质量的激光输出。透镜为会聚透镜，焦距可根据实际情况选择，焦距选得越短，腔长就可以设计的越短，但是腔镜上的光斑半径就越小，焦距范围如下：50-150mm。

5)谐振腔内使用两个抽运条件完全相同的第一Nd:YAG激光晶体、第二Nd:YAG激光晶体在谐振腔内串接，其中间加入一个由第二透镜与第三透镜组成的1:1的望远镜系统和一个90°石英旋光器，第二透镜、第三透镜的焦距f为100-300mm，第二透镜与第三透镜之间的距离为2f，第一Nd:YAG激光晶体的热透镜后主平面与第二Nd:YAG激光晶体的热透镜前主平面之间的距离为4f，由此，使得两个激光晶体热透镜的主平面相互成像；

6)谐振腔内的第二Nd:YAG激光晶体的热透镜后主平面与后反镜之间的距离为： $d_2=\frac{f_B{r}_0^2\mathrm{\π}/\left(8\mathrm{\λ}\right)}{r_0^2\mathrm{\π}/\left(8\mathrm{\λ}\right)-f_B},$ 其中f_B是第一Nd:YAG激光晶体和第二Nd:YAG激光晶体共同作用下的热透镜焦距。

本发明由双棒串接以及其间的望远镜系统和石英旋光器进行热致双折射效应的补偿，然后通过设计不对称的动态稳定腔获得大功率的基模输出。由于采用了不对称的谐振腔设计，谐振腔具有很高的机械稳定性，在线性偏振光61W输出的条件下，10分钟内输出功率的波动都在±0.5W以内。通过改变腔内辅助透镜的焦距，可以方便地设计谐振腔的长短，同时，谐振腔的输出镜和全反镜都是平面镜，使用普通商用的腔镜就可以实现，不需要加工特殊曲率半径的腔镜。

附图说明

图1是双棒串接的基模动态稳定非对称谐振腔示意图；

图2是光束质量分析仪测量得到的光束半径及其拟合曲线；

图3是激光器输出功率为61W时的远场光强分布。

具体实施方式

本发明提供一种双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔的装置及方法，利用双棒串接补偿激光晶体的热致双折射效应，并在谐振腔内加入辅助透镜，增大了基模体积，从而获得大功率高光束质量的激光输出，由于采用了动态稳定腔设计，激光器输出功率具有很高的稳定性，同时具有很高的机械稳定性。

如图1所示，双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔是在同一光轴上依次放置有输出镜1、偏振片2、第一透镜3、第一Nd:YAG激光晶体4、90°石英旋光器5、第二透镜6、第三透镜7、第二Nd:YAG激光晶体8、后反镜9。

所述的输出镜1与第一透镜3之间的距离为200-400mm。第一透镜3与第一Nd:YAG激光晶体4的热透镜前主平面之间的距离为100-400mm。第二透镜6、第三透镜7的焦距f为100-300mm，第二透镜6与第三透镜7之间的距离为2f，第一Nd:YAG激光晶体4的热透镜后主平面与第二Nd:YAG激光晶体8的热透镜前主平面之间的距离为4f。第二Nd:YAG激光晶体8的热透镜后主平面与后反镜9之间的距离为200-600mm。

双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔的设计方法包括如下步骤：

1)谐振腔的输出镜1的反射率为50％～90％，后反镜9为全反射镜。

2)在谐振腔内插入偏振片2、第二透镜6、第三透镜7，使得退偏激光功率和输出激光功率之比降为最小值，以达到双折射补偿的最佳效果；

3)在谐振腔内加入第一透镜3，输出镜1与第一透镜3之间的距离为： $d_1=\frac{[r_0^2\mathrm{\π}/\left(8\mathrm{\λ}\right)-{\mathrm{\Δ}}_1]f_1}{r_0^2\mathrm{\π}/\left(8\mathrm{\λ}\right)-{\mathrm{\Δ}}_1+f_1},$ 其中r₀是Nd:YAG激光晶体的半径，λ是激光波长，Δ₁是第一透镜3与第一Nd:YAG激光晶体4的热透镜前主平面之间的距离，f₁是第一透镜3的焦距；

4)在偏振片2与第一Nd:YAG激光晶体4之间加入第一透镜3，使得基模在谐振腔内获得较大的模式体积，从而获得大功率高光束质量的激光输出。透镜3为会聚透镜，焦距可根据实际情况选择，焦距选得越短，腔长就可以设计的越短，但是腔镜上的光斑半径就越小，焦距范围如下：50-150mm；

5)谐振腔内使用两个抽运条件完全相同的第一Nd:YAG激光晶体4、第二Nd:YAG激光晶体8在谐振腔内串接，其中间加入一个由第二透镜6与第三透镜7组成的1:1的望远镜系统和一个90°石英旋光器5，第二透镜6、第三透镜7的焦距f为100-300mm，第二透镜6与第三透镜7之间的距离为2f，第一Nd:YAG激光晶体4的热透镜后主平面与第二Nd:YAG激光晶体8的热透镜前主平面之间的距离为4f，由此，使得两个激光晶体热透镜的主平面相互成像；

6)谐振腔内的第二Nd:YAG激光晶体8的热透镜后主平面与后反镜9之间的距离为： $d_2=\frac{f_B{r}_0^2\mathrm{\π}/\left(8\mathrm{\λ}\right)}{r_0^2\mathrm{\π}/\left(8\mathrm{\λ}\right)-f_B},$ 其中f_B是第一Nd:YAG激光晶体4和第二Nd:YAG激光晶体8共同作用下的热透镜焦距。

双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔的装置由同轴放置的激光谐振腔的腔镜、两个激光晶体、一个1:1的望远镜系统、90°石英偏振旋光器和一个辅助透镜组成。

上述双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔的装置获得大功率高光束质量激光输出的方法包括如下步骤：

1)使用两个抽运条件完全相同的激光晶体在谐振腔内串接，然后在其中间加入一个1∶1的望远镜系统和一个90°石英旋光器，使得两个激光晶体热透镜的主平面相互成像，以此来补偿热致双折射效应；

2)双折射效应补偿的效果可以通过在谐振腔内加入偏振片，通过测量退偏激光功率的方法进行观察。由于激光晶体具有双折射效应，所以谐振腔内的激光经过偏振片时会有部分激光由于退偏被耦合至腔外，通过调整望远镜系统中两个透镜的横向位置，使得退偏激光功率和输出激光功率之比降为最小值(通常应该在5％以下)，即可以认为双折射补偿的效果为最佳。

3)在激光输出镜的一端加入一个辅助透镜，使得基模在谐振腔内获得较大的模式体积，从而获得大功率高光束质量的激光输出。谐振腔的长度可以通过选择辅助透镜的焦距来控制，辅助透镜的焦距越短，谐振腔的长度也就越短。要获得最佳输出功率，还需要调节输出镜到辅助透镜的距离，这个距离有一个最佳值，腔镜在该位置时激光器的输出功率最大。

正如下述实施例中介绍的，本发明提供一种双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔的装置及方法，特别适用于热效应比较严重的激光器，比如大功率连续抽运的固体激光器。

实施例：

如图1所示，两个Nd:YAG激光晶体在腔内串接，两个焦距均为200mm的透镜组成4f系统使得两个晶体热透镜的主平面相互成像，并在其中加入了一个90°石英旋光器，另外腔内还加入了布儒斯特角放置的偏振片以检测双折射效应的补偿效果。谐振腔采用平平腔对称结构，输出镜的反射率为60％。激光器为双氪灯连续抽运方式工作，晶体尺寸为φ6.35mm×177.8mm，Nd离子掺杂浓度为1.1at％。

实验参数如下：

输出镜(1)与第一透镜(3)之间的距离为：d₁＝300mm

第一透镜(3)的焦距为：f₁＝75mm

第一透镜(3)与第一Nd:YAG激光晶体(4)的热透镜前主平面之间的距离为：Δ₁＝303mm

第二透镜(6)、第三透镜(7)的焦距f为200mm，第二透镜(6)与第三透镜(7)之间的距离为400mm，第一Nd:YAG激光晶体(4)的热透镜后主平面与第二Nd:YAG激光晶体(8)的热透镜前主平面之间的距离为800mm

第二Nd:YAG激光晶体(8)的热透镜后主平面与后反镜(9)之间的距离为：d₂＝370mm

实验测量了不同抽运功率下腔内退偏功率和激光输出功率的关系，计算得到的退偏率为1％～2.5％，并且随着抽运功率的增加而增加。如果不进行双折射的补偿，在实验中用相同厚度的玻璃板代替石英旋光器，测量得到的退偏率为25％左右。上述测量的退偏率都是在多模输出的情况下得到的，如果在腔内加入小孔使激光器工作在基模条件下，实验表明退偏率可以降至1％以下。由此可见，该结构对热致双折射效应效应进行了良好的补偿。

谐振腔内加入一个正透镜来扩大基模体积的方法，焦距为75mm的透镜L3放在距离输出镜300mm的位置处。由于设计了比较大的基模体积，激光棒的自孔径限模作用使得激光器可以获得基模输出，实验中在总的抽运电功率为13kW的时候得到了61W线性偏振的基模输出，输出功率随抽运功率的变化如表1所示。使用Spiricon公司的M2-200光束质量分析仪测量得到输出功率为61W时的光束衍射倍率因子为M²＝1.6，测量结果如图2所示。输出功率为61W的激光光斑远场分布如图3所示。

实验中还测量了腔镜的失调角度对输出功率的影响，在激光器的腔镜准直较好的情况下，输出功率最大，这时保持全反镜的角度不变，调整输出镜(℃)使其失调，当输出镜的失调角度为7mrad时，激光器的输出功率降为零；将类似的实验作用于全反镜，当其失调的角度为2.8mrad时，激光器的输出功率也降为零。由于采用了不对称的谐振腔设计，谐振腔具有很高的机械稳定性，在线性偏振光61W输出的条件下，10分钟内输出功率的波动都在±0.5W以内。

表1 激光器输出功率和相应的光束质量因子

 

总的抽运功率(kW)	输出功率(W)	光束质量因子M<sup>2</sup>
			13.782	44	1.4
13.974	61	1.6
			14.242	72	3.4
14.534	89	3.9
			14.747	103	5.3
15.061	110	6.5
			15.279	120	7.3
15.556	135	8.1

Claims (1)

1.一种双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔的设计方法，其特征在于包括如下步骤：

1)谐振腔的输出镜(1)的反射率为50％～90％，后反镜(9)为全反射镜；

2)在谐振腔内插入偏振片(2)、第二透镜(6)、第三透镜(7)，使得退偏激光功率和输出激光功率之比降为最小值，以达到双折射补偿的最佳效果；

3)在谐振腔内加入第一透镜(3)，输出镜(1)与第一透镜(3)之间的距离为：

$d_1=\frac{[r_0^2\mathrm{\π}/\left(8\mathrm{\λ}\right)-{\mathrm{\Δ}}_1]f_1}{r_0^2\mathrm{\π}/\left(8\mathrm{\λ}\right)-{\mathrm{\Δ}}_1+f_1},$

其中r₀是Nd:YAG激光晶体的半径，λ是激光波长，Δ₁是第一透镜(3)与第一Nd:YAG激光晶体(4)的热透镜前主平面之间的距离，f₁是第一透镜(3)的焦距，在同一光轴上依次放置有输出镜(1)、偏振片(2)、第一透镜(3)、第一Nd:YAG激光晶体(4)、90°石英旋光器(5)、第二透镜(6)、第三透镜(7)、与第一Nd:YAG激光晶体(4)抽运条件完全相同的第二Nd:YAG激光晶体(8)、后反镜(9)，其中加入第一透镜(3)使得基模在谐振腔内获得较大的模式体积，从而获得大功率高光束质量的激光输出，该第一透镜(3)为会聚透镜，该透镜焦距根据实际情况选择，焦距选得越短，腔长就设计的越短，但是腔镜上的光斑半径就越小，该透镜焦距为50-150mm，第二透镜(6)与第三透镜(7)组成的1∶1的望远镜系统，第二透镜(6)、第三透镜(7)的焦距f为100-300mm，第二透镜(6)与第三透镜(7)之间的距离为2f，第一Nd:YAG激光晶体(4)的热透镜后主平面与第二Nd:YAG激光晶体(8)的热透镜前主平面之间的距离为4f，由此，使得两个激光晶体热透镜的主平面相互成像；

4)谐振腔内的第二Nd:YAG激光晶体(8)的热透镜后主平面与后反镜(9)之间的距离为： $d_2=\frac{f_B{r}_0^2\mathrm{\π}/\left(8\mathrm{\λ}\right)}{r_0^2\mathrm{\π}/\left(8\mathrm{\λ}\right)-f_B}$ ，其中f_B是第一Nd:YAG激光晶体(4)和第二Nd:YAG激光晶体(8)共同作用下的热透镜焦距。

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