CN101262114B - 一种环形凹面反射镜激光谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形凹面反射镜激光谐振腔，包括反射镜、激光工作介质及输出镜。其特征在于：反射镜为环形凹面反射镜，其反射面包含一个或多个同心的环形的圆弧状凹面。本发明可以将反射面的中央处做成圆形面，或将反射镜的镜面中央处做成非反射面或空心。本发明还可以采用环形凹面输出镜。本发明激光谐振腔加工简单，调整方便，工作稳定，可利用的模体积大，发散角极小，光束质量好。可以用于中、高功率气体或固体激光器，特别适用于大体积增益介质和环形柱状增益介质。

Description

一种环形凹面反射镜激光谐振腔

技术领域

本发明涉及激光谐振腔技术，具体涉及一种环形凹面反射镜激光谐振腔。

背景技术

在激光应用的许多场合，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光束质量最好的基模状态。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。

高功率激光器件设计的关键是在如何获得尽可能大的模体积和好的横模鉴别能力的同时，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。但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，它由一平面反射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。

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，提供一种环形凹面反射镜激光谐振腔。该激光谐振腔可以在保证激光光束质量的前提下，获得大模体积和高功率输出，腔镜加工方便，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，一种环形凹面反射镜激光谐振腔，包括反射镜、激光工作介质及输出镜；其特征在于：反射镜的反射面由一个环形的圆弧状凹面组成，反射镜的反射面和输出镜均为一个整体工作面，所述激光谐振腔输出光束呈环状，功率峰值位置不在镜面的中心，而是在以镜面中心为圆心的一个圆上。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明具有输出光束质量好，发散角小，模体积大，输出功率高的特点，能同时实现高光束质量和高功率的激光输出。

(2)本发明能输出环形光束，光束中心功率密度低，可以降低由于中心功率密度过高导致的光路镜片的热变形及热破坏。

(3)本发明具有稳定腔的低损耗、不易失调的特性。调整要求低，安装、使用、维护方便，且性能可靠。容易对现有激光谐振腔进行改装，不仅能改善现有激光器的光束质量，还能提高激光器的输出功率。

(4)本发明加工方便，制造成本低。

附图说明

图1为本发明环形凹面反射镜激光谐振腔的第一种具体实施方式的结构示意图。

图2为图1中环形凹面反射镜的右视图。

图3为图1所示的激光谐振腔的输出光束示意图。

图4为本发明环形凹面反射镜激光谐振腔的第二种具体实施方式的结构示意图。

图5为图4中环形凹面反射镜的右视图。

图6为本发明环形凹面反射镜激光谐振腔的第三种具体实施方式的结构示意图。

图7为图6中环形凹面反射镜的右视图。

图8为本发明环形凹面反射镜激光谐振腔的第四种具体实施方式的结构示意图。

图9为图8中同心多环凹面反射镜的右视图。

图10为本发明环形凹面反射镜激光谐振腔的第五种具体实施方式的结构示意图。

图11为图10中同心多环凹面反射镜的右视图。

图12为本发明环形凹面反射镜激光谐振腔的第六种具体实施方式的结构示意图。

图13为图12中同心多环凹面反射镜的右视图。

图14为本发明提供的环形凹面输出镜激光谐振腔第七种具体实施方式的结构示意图。

图15为图14中环形凹面输出镜的右视图。

图16为图14中环形凹面反射镜的左视图。

图17为本发明实施例7的输出光束示意图。

图18为本发明提供的环形凹面输出镜激光谐振腔第八种具体实施方式的结构示意图。

图19为图18中环形凹面输出镜的右视图。

图20为图18中环形凹面反射镜的左视图。

图21为本发明提供的环形凹面输出镜激光谐振腔第九种具体实施方式的结构示意图。

图22为图21中环形凹面输出镜的右视图。

图23为图21中环形凹面反射镜的左视图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的环形凹面反射镜激光谐振腔均包括反射镜1、激光工作介质3及输出镜2，与现有技术所不同的仅在于反射镜1的结构不同，下面举例予以说明。

实施例1

由图1～图2所示，一种环形凹面反射镜激光谐振腔，包括反射镜1、激光工作介质3及输出镜2。反射镜1为环形凹面反射镜，其反射面由一个环形的圆弧状凹面组成。

对实施例1的激光谐振腔进行分析可知，环形凹面反射镜激光谐振腔输出光束呈环状，功率峰值位置不在镜面的中心，而是在以镜面中心为圆心的一个圆上，这样可以降低反射镜、输出镜以及外光路镜片中心的温度，减少热变形，提高光束稳定性。图3为本发明实施例1的输出光束示意图。与稳定腔相比，采用环形凹面反射镜激光谐振腔在保证输出激光光束质量，发散角不变的情况下，其模体积可增大约四倍，可以大大提高激光输出功率。在模体积不变的情况下，可以大大压缩发散角，输出质量更好的激光光束。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，更可以充分发挥其优势。

实施例2

由图4～图5所示，反射镜1为环形凹面反射镜，其反射面由一个环形的圆弧状凹面和一个中心圆形反射面组成，上述中心圆形反射面可以是平面或球面。

对实施例2的激光谐振腔进行分析可知，环形凹面反射镜激光谐振腔输出光束呈环状，功率峰值位置不在镜面的中心，而是在以镜面中心为圆心的一个圆上，这样可以降低反射镜、输出镜以及外光路镜片中心的温度，减少热变形，提高光束稳定性。与稳定腔相比，采用环形凹面反射镜激光谐振腔在保证输出激光光束质量，发散角不变的情况下，其模体积可大大增大，可以大大提高激光输出功率。在模体积不变的情况下，可以大大压缩发散角，输出质量更好的激光光束。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，更可以充分发挥其优势。

实施例3

由图6～图7所示，反射镜1为环形凹面反射镜，其反射面包含一个环形的圆弧状凹面，镜面中心为非反射面或为空心，激光工作介质3为环形柱状工作介质。

对实施例3的激光谐振腔进行分析可知，环形凹面反射镜激光谐振腔输出光束的呈环状，功率峰值位置不在镜面的中心，而是在以镜面中心为圆心的一个圆上，这样可以降低反射镜、输出镜以及外光路镜片中心的温度，减少热变形，提高光束稳定性。与稳定腔相比，采用环形凹面反射镜激光谐振腔在保证输出激光光束质量，发散角不变的情况下，可以大大提高激光输出功率。在模体积不变的情况下，可以大大压缩发散角，输出质量更好的激光光束。该谐振腔在工作介质为气体和固体时均可使用，特别是当工作介质增益区为环形柱状结构时，更可以充分发挥其优势。

实施例4

由图8～图9所示，反射镜1为同心多环凹面反射镜，其反射面由多个同心环形的圆弧状凹面组成。

对实施例4的激光谐振腔进行分析可知，同心多环凹面反射镜激光谐振腔输出光束呈环状，功率峰值位置不在镜面的中心，而是在以镜面中心为圆心的多个同心圆上，这样可以降低反射镜、输出镜以及外光路镜片中心的温度，减少热变形，提高光束稳定性。与稳定腔相比，采用同心多环凹面反射镜激光谐振腔在保证输出激光光束质量，发散角不变的情况下，其模体积可增大许多，从而大大提高激光输出功率。而在模体积不变的情况下，与稳定腔或单环凹面镜谐振腔相比，同心多环凹面反射镜激光谐振腔的输出光束的发散角更小，聚焦光斑更小；同时同心多环凹面反射镜激光谐振腔输出的聚焦光斑为多环状光斑，能量密度分布得更加均匀，激光加工效果更好。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10～图11所示，反射镜1为同心多环凹面反射镜，其反射面由多个同心环形的圆弧状凹面和一个中心圆形反射面组成。上述中心圆形反射面可以是平面或是球面。

对实施例5的激光谐振腔进行分析可知，同心多环凹面反射镜激光谐振腔输出光束呈环状，功率峰值位置不只集中在镜面的中心，而是在以镜面中心为圆心的多个同心圆上，这样可以降低反射镜、输出镜以及外光路镜片中心的温度，减少热变形，提高光束稳定性。与稳定腔相比，采用同心多环凹面反射镜激光谐振腔在保证输出激光光束质量，发散角不变的情况下，其模体积可增大许多，从而大大提高激光输出功率。而在模体积不变的情况下，与稳定腔或单环凹面镜谐振腔相比，同心多环凹面反射镜激光谐振腔的输出光束的发散角更小，聚焦光斑更小；同时同心多环凹面反射镜激光谐振腔输出的聚焦光斑为多环状光斑，能量密度分布得更加均匀，激光加工效果更好。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6

由图12～图13所示，反射镜1为同心多环凹面反射镜，其反射面包含多个同心环形的圆弧状凹面，镜面中心为非反射面或为空心，激光工作介质3为环形柱状工作介质。

对实施例6的激光谐振腔进行分析可知，同心多环凹面反射镜激光谐振腔输出光束的呈环状，功率峰值位置不在镜面的中心，而是在以镜面中心为圆心的多个同心圆上，这样可以降低反射镜、输出镜以及外光路镜片中心的温度，减少热变形，提高光束稳定性。与稳定腔相比，采用同心多环凹面反射镜激光谐振腔在保证输出激光光束质量，发散角不变的情况下，其模体积可增大许多，从而大大提高激光输出功率。而在模体积不变的情况下，与稳定腔或单环凹面镜谐振腔相比，同心多环凹面反射镜激光谐振腔的输出光束的发散角更小，聚焦光斑更小；同时同心多环凹面反射镜激光谐振腔输出的聚焦光斑为多环状光斑，能量密度分布得更加均匀，激光加工效果更好。该谐振腔在工作介质为气体和固体时均可使用，特别是当工作介质增益区为环形柱状结构时，更可以充分发挥优势。

实施例7

由图14～图16所示，一种环形凹面镜激光谐振腔，包括反射镜1、激光工作介质3及输出镜2。输出镜2和反射镜1为环形凹面镜，其反射面和输出面均由一个环形的圆弧状凹面组成。

对实施例7的激光谐振腔进行分析可知，环形凹面镜激光谐振腔输出光束呈环状，功率峰值位置不在镜面的中心，而是在以镜面中心为圆心的一个圆上，这样可以降低反射镜、输出镜以及外光路镜片中心的温度，减少热变形，提高光束稳定性。图17为本发明实施例7的输出光束示意图。与稳定腔相比，采用环形凹面镜激光谐振腔在保证输出激光光束质量，发散角不变的情况下，其模体积可增大约四倍，可以大大提高激光输出功率。在模体积不变的情况下，采用环形凹面镜激光谐振腔可以大大压缩发散角，输出的聚焦光斑为多环状光斑，激光加工的效果更好。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，更可以充分发挥其优势。

实施例8

由图18～图20所示，一种环形凹面镜激光谐振腔，包括反射镜1、激光工作介质3及输出镜2，输出镜2和反射镜1为环形凹面镜，其反射面和输出面均由一个环形的圆弧状凹面和一个中心圆形面组成。上述中心圆形工作面可以是平面或球面。

对实施例8的激光谐振腔进行分析可知，环形凹面镜激光谐振腔输出光束呈环状，功率峰值位置不在镜面的中心，而是在以镜面中心为圆心的一个圆上，这样可以降低反射镜、输出镜以及外光路镜片中心的温度，减少热变形，提高光束稳定性。与稳定腔相比，采用环形凹面镜激光谐振腔在保证输出激光光束质量，发散角不变的情况下，其模体积可大大增大，可以大大提高激光输出功率。在模体积不变的情况下，采用环形凹面镜激光谐振腔可以大大压缩发散角，输出的聚焦光斑为多环状光斑，激光加工的效果更好。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，更可以充分发挥其优势。

实施例9

由图21～图23所示，一种环形凹面镜激光谐振腔，包括反射镜1、激光工作介质3及输出镜2。反射镜1和输出镜2为环形凹面镜，其反射面和输出面均包含一个环形的圆弧状凹面，镜面中心为非反射面或为空心，激光工作介质3为环形柱状工作介质。

对实施例9的激光谐振腔进行分析可知，环形凹面镜激光谐振腔输出光束的呈环状，功率峰值位置不在镜面的中心，而是在以镜面中心为圆心的一个圆上，这样可以降低反射镜、输出镜以及外光路镜片中心的温度，减少热变形，提高光束稳定性。与稳定腔相比，采用环形凹面镜激光谐振腔在保证输出激光光束质量，发散角不变的情况下，可以大大提高激光输出功率。在模体积不变的情况下，采用环形凹面镜激光谐振腔可以大大压缩发散角，输出的聚焦光斑为多环状光斑，激光加工的效果更好。该谐振腔在工作介质为气体和固体时均可使用，特别是当工作介质增益区为环形柱状结构时，更可以充分发挥其优势。

上述各实例中，反射面1可以由多个反射面构成，也可以是一个整体反射面。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种环形凹面反射镜激光谐振腔，包括反射镜、激光工作介质及输出镜；其特征在于：反射镜(1)的反射面由一个环形的圆弧状凹面组成，反射镜的反射面和输出镜均为一个整体工作面，所述激光谐振腔输出光束呈环状，功率峰值位置不在镜面的中心，而是在以镜面中心为圆心的一个圆上。

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