CN106549293A - 一种负支共焦非稳腔及其在高能气体激光器中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负支共焦非稳腔及其在高能气体激光器中的应用，所述负支共焦非稳腔消除了负支共焦非稳腔内实焦点处出现的电离问题，所述负支共焦非稳腔包括真空池、凹面高反镜a、凹面高反镜b、增益池；凹面高反镜a与凹面高反镜b构成负支共焦非稳腔，共同焦点为F，所述真空池为密封结构，该结构包括一个布儒斯特窗口片c，一个布儒斯特窗口片d，一个圆柱形池壁，一个用于抽真空及密封的密封管，真空池将实焦点F置于真空环境下，不会产生电离，从根本上避免了电离的存在；通过本发明对负支共焦非稳腔的改进，使得负支共焦非稳腔应用于高峰值功率、高能气体激光器成为可能；本发明采用的真空池结构设计简单，易于加工实现；造价低，能够在改善光斑均匀性的同时实现偏振态选择。

Description

一种负支共焦非稳腔及其在高能气体激光器中的应用

技术领域

本发明涉及高能激光光腔设计技术领域，特别涉及一种负支共焦双凹非稳腔，通过设计，该负支共焦非稳腔能够消除腔内实焦点处的电离影响，本发明还提供了所述负支共焦非稳腔在高能气体激光器中的应用。

背景技术

随着高能激光的发展，要求谐振腔的结构设计能够实现尽可能大的模体积和好的横模鉴别能力，来获得高功率单模运转，从而在增益介质中获得高效提取能量的同时，还可以实现高光束质量输出。非稳腔是最合适的谐振腔结构，在能够抑制高阶模的同时，还可以在大截面短谐振腔中产生小发散角的输出光束，因而在高能激光器中得到广泛应用。

共焦非稳腔能够产生自动准直的输出光束，因此是最常用的非稳腔。目前最为常用的是正支共焦非稳腔，它已经广泛地适用于多种高能气体激光器中，但是由于很多流动气体激光的增益在气流方向上的不均匀性，造成正支共焦非稳腔产生的光斑的近场均匀性不好。而负支双凹共焦非稳腔内的光束在光腔内分布对称，均匀性好，更适合流动气体激光器。但是，双凹共焦非稳腔内存在实焦点，每次振荡的光束都要经过该实焦点，在空气或气体介质中会造成灰尘或分子的电离，除小型气体激光器可以不考虑该影响以外，对于其它高能激光器都将极大影响谐振出光。有一种负支共焦非稳腔通过选择镜的共焦面的场限光阑来消除腔内的热斑，但缺点是从实际系统所能得到的输出光束外直径D值有限，即对增益介质的利用率有限，不适合高能气体激光。因此，对于高能气体激光器的负支共焦非稳腔实焦点的影响，非常有必要采用更为直接有效的方式来进行消除。

发明内容

本发明的目的在于提供一种负支共焦非稳腔，该负支共焦非稳腔的设计消除了负支共焦非稳腔内实焦点处电离影响的问题，同时，该负支共焦非稳腔非常适用于高能气体激光器，极大提高了负支共焦非稳腔的应用范围。

本发明的技术方案如下：

一种负支共焦非稳腔，腔型结构包括真空池、凹面高反镜a、凹面高反镜b、增益池；凹面高反镜a为腔镜，横截面直径为A，曲率半径为R₁，焦距为f₁，f₁＝R₁/2，凹面高反镜b为另一腔镜，横截面直径为B，曲率半径为R₂，焦距为f₂，f₂＝R₂/2，凹面高反镜a与凹面高反镜b构成负支共焦非稳腔，腔长为L，L＝f₁+f₂，共同焦点为F，凹面高反镜a与凹面高反镜b之间存在关系：A>B，f₁>f₂；所述真空池为密封结构，该结构包括一个布儒斯特窗口片c，一个布儒斯特窗口片d，一个圆柱形池壁，一个用于抽真空及密封的密封管，真空池将焦点F包括在池内。

在端面激光输出方式下，增益池放置于凹面高反镜a与实焦点F之间，激光最终通过凹面高反镜a的外侧反射，由凹面高反镜b一侧光腔端面实现输出。

真空池的主体结构侧截面为梯形，横截面为圆形，两个布儒斯特窗口片与池壁形成布儒斯特角，由于腔长L达到几米，振荡激光都是傍轴光线，偏离较低极小，与布儒斯特窗口片c 1-1和d 1-2形成的最大入射角i₁与布儒斯特角i_B存在关系：∣i₁-i_B∣＜1°，透射光强损耗小于1‰，因此，布儒斯特窗口片c 1-1和d 1-2对光腔内的振荡激光都起到起偏作用，输出P方向的线偏振激光。

在凹面高反镜a和凹面高反镜b之间来回振荡的激光，虽然每次都会经过焦点F，但是真空池处于低压状态，焦点F附近存在分子或灰尘的概率极低，因此，不会产生电离，振荡的光束来回经过增益池产生的高能激光最终得到放大输出，不会受负支共焦非稳腔焦点F处电离的影响。

负支共焦非稳腔还包括刮刀镜，所述刮刀镜上镀有针对输出激光波长的高反射膜；在侧面激光输出方式下，增益池放置于凹面高反镜a与刮刀镜之间，刮刀镜位于实焦点F左侧，激光最终通过刮刀镜反射，由光腔侧面实现输出。

所述真空池内气压保持在1.0×10^-3torr到1.0×10^-4torr之间，实焦点F置于真空环境下，不会产生电离，从根本上避免了电离的存在。

通过密封管对真空池抽真空，再进行烧封，保持真空池内处于低压状态，为保证真空池结构的密封性和结构强度，真空池各部分采用的材料需要统一，可全部选择玻璃，或全部选择石英以保证强度；布儒斯特窗口片c与布儒斯特窗口片d的规格相同，真空池的直径要大于增益池的高度，真空池的长度设计要保证布儒斯特窗口片c和d不会被汇聚的高能光束所损伤，真空池(1)长度的设计公式为l≥f₁/10，其中，l为真空池(1)的长度。

本发明所述的负支共焦非稳腔具有如下几个优点和有益效果：

1)、负支共焦非稳腔将焦点置于真空环境下，不会产生电离，从根本上避免了电离的存在；

2)本发明提供的负支共焦非稳腔有效地将外部能源激励到增益介质，在消除负支共焦非稳腔焦点电离影响激光出光的同时，还使得光束在光腔内分布对称，均匀性好，更适合高能流动气体激光器。

3)、真空池所采用的布儒斯特窗口有利于光腔内振荡激光形成偏振态，并且在真空池内低压条件下，真空池的内外压差最多为一个大气压，对窗口形变影响小；

4)、通过对负支共焦非稳腔的改进，使得负支共焦非稳腔应用于高峰值功率、高能气体激光器成为可能；

5)、本方法采用的真空池结构设计简单，易于加工实现。

附图说明

图1为端面激光输出负支共焦非稳腔结构示意图。其中1-真空池，2-凹面高反镜a，3-凹面高反镜b，4-增益池，1-1-布儒斯特窗口片c，1-2-布儒斯特窗口片d，1-3-池壁，1-4-密封管。

图2为侧面激光输出负支共焦非稳腔结构示意图。其中1-真空池，2-凹面高反镜a，3-凹面高反镜b，4-增益池，5-刮刀镜，1-1-布儒斯特窗口片c，1-2-布儒斯特窗口片d，1-3-池壁，1-4-密封管。

具体实施方式

结合附图1和附图2，说明本发明的具体实施方式。

实施例1

详见附图1所示，端面激光输出负支共焦非稳腔结构包括：一个真空池1，一个凹面高反镜a 2，一个凹面高反镜b 3，一个增益池4，一个布儒斯特窗口片c 1-1，一个布儒斯特窗口片d 1-2，一个池壁1-3，一个密封管1-4。

具体实施方式为：

凹面高反镜a 2与凹面高反镜b 3构成负支共焦非稳腔，共同焦点为F，凹面高反镜a 2横截面直径为A，曲率半径为R₁，焦距为f₁，f₁＝R₁/2，凹面高反镜b 3横截面直径为B，曲率半径为R₂，焦距为f₂，f₂＝R₂/2，腔长L＝f₁+f₂，并且A>B，f₁>f₂；增益池4放置于凹面高反镜a 2与焦点F之间，激光最终通过凹面高反镜a 2的外侧反射，由凹面高反镜b 3一侧光腔端面实现输出；

真空池1将焦点F包括在池内，所述真空池1结构包括一个布儒斯特窗口片c 1-1，一个布儒斯特窗口片d 1-2，一个圆柱形池壁1-3，一个用于抽真空及密封的密封管1-4；布儒斯特窗口片c 1-1和布儒斯特窗口片d 1-2分别与池壁1-3形成布儒斯特角，由于腔长L达到几米，振荡激光都是傍轴光线，偏离较低极小，与布儒斯特窗口片c 1-1和d 1-2形成的最大入射角i₁与布儒斯特角i_B存在关系：∣i₁-i_B∣＜1°，透射光强损耗小于1‰，因此，布儒斯特窗口片c 1-1和d 1-2对光腔内的振荡激光都起到起偏作用，输出P方向的线偏振激光；通过密封管1-4对真空池1抽真空，再进行烧封，保持真空池1内气压在常温下小于1.0×10^-3torr，真空池1外大气压在常温下为1个大气压左右，因此，真空池1的内外压差维持在1个大气压左右，对布儒斯特窗口片c 1-1和布儒斯特窗口片d 1-2的形变影响极小；为保证真空池1的密封性和结构强度，真空池1各部分采用的材料需要全部统一为玻璃或全部统一为石英；布儒斯特窗口片c 1-1与布儒斯特窗口片d 1-2的规格相同，真空池1的直径要大于增益池5的高度，真空池1的长度设计要保证布儒斯特窗口片c 1-1和d 1-2不会被汇聚的高能光束所损伤，真空池(1)长度的设计公式为l≥f₁/10，其中，l为真空池(1)的长度,即保证c 1-1和d 1-2间距l≥f₁/10；

在凹面高反镜a 1-1和凹面高反镜b 1-2之间来回振荡的激光，将会在焦点F处汇聚，真空池1内部处于真空状态，焦点F附近不会产生电离，振荡的光束反复经过增益池4产生的高能激光最终得到放大，由凹面高反镜a 1反射输出，不会存在负支共焦非稳腔焦点F处电离的影响。

实施例2

详见附图2所示，侧面激光输出负支共焦非稳腔结构：一个真空池1，一个凹面高反镜a 2，一个凹面高反镜b 3，一个增益池4，一个刮刀镜5，一个布儒斯特窗口片c 1-1，一个布儒斯特窗口片c 1-2，一个池壁1-3，一个密封管1-4。

具体实施方式为：

凹面高反镜a 2与凹面高反镜b 3构成负支共焦非稳腔，共同焦点为F，凹面高反镜a 2横截面直径为A，曲率半径为R₁，焦距为f₁，f₁＝R₁/2，凹面高反镜b 3横截面直径为B，曲率半径为R₂，焦距为f₂，f₂＝R₂/2，腔长L＝f₁+f₂，并且A>B，f₁>f₂；增益池4放置于凹面高反镜a 2与刮刀镜5之间，刮刀镜5位于焦点F左侧附近，激光最终通过刮刀镜5反射，由光腔侧面实现输出；

真空池1将焦点F包括在池内，所述真空池1结构包括一个布儒斯特窗口片c 1-1，一个布儒斯特窗口片d 1-2，一个圆柱形池壁1-3，一个用于抽真空及密封的密封管1-4；布儒斯特窗口片c 1-1和布儒斯特窗口片d 1-2分别与池壁1-3形成布儒斯特角，由于腔长L达到几米，振荡激光都是傍轴光线，偏离较低极小，与布儒斯特窗口片c 1-1和d 1-2形成的最大入射角i₁与布儒斯特角i_B存在关系：∣i₁-i_B∣＜1°，透射光强损耗小于1‰，因此，布儒斯特窗口片c 1-1和d 1-2对光腔内的振荡激光都起到起偏作用，输出P方向的线偏振激光；通过密封管1-4对真空池1抽真空，再进行烧封，保持真空池1内气压在常温下小于1.0×10^-3torr，真空池1外大气压在常温下为1个大气压左右，因此，真空池1的内外压差在1个大气压左右，对布儒斯特窗口片c 1-1和布儒斯特窗口片d 1-2的形变影响极小；为保证真空池1的密封性和结构强度，真空池1各部分采用的材料需要全部统一为玻璃或全部统一为石英；布儒斯特窗口片c 1-1与布儒斯特窗口片d 1-2的规格相同，真空池1长度设计要保证布儒斯特窗口片c 1-1和d1-2不会被汇聚的高能光束所损伤，真空池(1)长度的设计公式为l≥f₁/10，其中，l为真空池(1)的长度，即保证c 1-1和d 1-2间距l≥f₁/10；

在凹面高反镜a 1-1和凹面高反镜b 1-2之间来回振荡的激光，将会在焦点F处汇聚，真空池1内部处于真空状态，焦点F附近不会产生电离，振荡的光束反复经过增益池4产生的高能激光最终得到放大，由刮刀镜5反射输出，不会存在负支共焦非稳腔焦点F处电离的影响。

Claims (9)

1.一种负支共焦非稳腔，其特征在于：包括真空池(1)、凹面高反镜a(2)、凹面高反镜b(3)、增益池(4)；凹面高反镜a(2)为腔镜，横截面直径为A，曲率半径为R₁，焦距为f₁，f₁＝R₁/2，凹面高反镜b(3)为另一腔镜，横截面直径为B，曲率半径为R₂，焦距为f₂，f₂＝R₂/2，凹面高反镜a与凹面高反镜b构成负支共焦非稳腔，腔长为L，L＝f₁+f₂，共同焦点为F，凹面高反镜a(2)与凹面高反镜b(3)之间存在关系：A>B，f₁>f₂；其中，真空池(1)将焦点F包括在池内，所述真空池(1)为密封结构，该结构包括一个布儒斯特窗口片c(1-1)，一个布儒斯特窗口片d(1-2)，一个圆柱形池壁(1-3)，一个用于抽真空及密封的密封管(1-4)。

2.根据权利要求1所述的负支共焦非稳腔，其特征在于：在端面激光输出方式下，增益池(4)放置于凹面高反镜a(2)与实焦点F之间，激光最终通过凹面高反镜a(2)的外侧反射，由凹面高反镜b(3)一侧光腔端面实现输出。

3.根据权利要求1所述的负支共焦非稳腔，其特征在于：负支共焦非稳腔还包括刮刀镜(5)，所述刮刀镜(5)上镀有针对输出激光波长的高反射膜；在侧面激光输出方式下，增益池(4)放置于凹面高反镜a(2)与刮刀镜(5)之间，刮刀镜(5)位于实焦点F左侧，激光最终通过刮刀镜(5)反射，由光腔侧面实现输出。

4.根据权利要求1-3任一所述的负支共焦非稳腔，其特征在于：所述真空池(1)内气压保持在1.0×10^-3torr到1.0×10^-4torr之间，实焦点F置于真空环境下。

5.根据权利要求1-3任一所述的负支共焦非稳腔，其特征在于：真空池的主体结构侧截面为梯形，横截面为圆形，布儒斯特窗口片c(1-1)和布儒斯特窗口片d(1-2)分别与池壁(1-3)形成布儒斯特角，最大入射角与布儒斯特角之间角度差小于1°，透射光强损耗小于1‰。

6.根据权利要求1-3任一所述的负支共焦非稳腔，其特征在于：所述真空池(1)的材料为玻璃或石英。

7.根据权利要求1-3任一所述的负支共焦非稳腔，其特征在于：布儒斯特窗口片c(1-1)与布儒斯特窗口片d(1-2)的规格相同，真空池(1)的直径大于增益池(5)的高度，真空池(1)长度设计公式为l≥f₁/10，其中，l为真空池(1)的长度。

8.根据权利要求1-3任一所述的负支共焦非稳腔，其特征在于：真空池(1)的内外压差小于一个大气压。

9.一种权利要求1-8任一所述负支共焦非稳腔在高能气体激光器中的应用。