CN110380327A - 一种光束近场强度分布自匀化高能激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光束近场强度分布自匀化高能激光器，包括光束旋转系统，所述光束旋转系统包括至少5个且数量为奇数的反射镜；5个所述反射镜设为第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，第四反射镜和第五反射镜，所有反射镜均处于同一光学主平面内；所述第一反射镜和第五反射镜的中心连线构成光束旋转系统的旋转轴；本发明中的光束旋转系统能够实现入射光束和出射光束的同光轴传输，利用光束旋转过程中的增益自补偿效果，实现腔内光场的均匀分布，有效提高激光器的光束质量，同时结合整形扩束系统和光束旋转系统，充分扩展了激光模体积，提高了增益区激活粒子的利用率。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种光束近场强度分布自匀化高能激光器。
背景技术
高功率激光器运行过程中，受到泵浦不均匀，热效应、增益介质缺陷等因素的影响，激光器增益产生空间不均匀分布。另一方面，高功率激光器的增益系数通常达到10m-1，增益不均匀将导致激光光强分布畸变严重，光束质量下降，不利于激光器的高效率高功率输出，同时也限制了激光器的应用效果。
目前改善激光器光束增益不均匀性的技术手段有多种：
一、提高增益介质的质量，使其激活粒子在空间中均匀分布，此类方法缺点在于成本较高，尤其对于大尺寸增益介质，实现各项物理特性的均匀分布十分困难；
二、通过合理设计泵浦光路设计，使泵浦光在增益介质中分布均匀，此类方法往往受到泵浦源光束质量的影响，增益达到较高的均匀性比较困难；
三、在激光器出光后，通过对光束加载随机相位或者旋转光束，使经过处理后的激光得到匀化，此类方法对激光器本身的运行并不产生影响，因此无法改善激光器本身的效率和光束质量。
四、通过旋转激光器腔内光场是一种有效提高激光器输出光斑空间均匀性的途径，此种方法使激光在腔内传播的同时发生旋转，每次通过增益介质后，激光截面上的增益介质的增益性质均发生变化，最终出射的激光是多次增益叠加后的平均效果，极大提高光束匀化效果，有利于克服大功率激光器中存在的增益不均匀、热畸变、热应力、腔镜热变形等问题。此类方法避免了提高增益介质和泵浦源质量的高难度和高成本，从而提高光束质量和激光器效率并减小系统失调灵敏度。目前此类方法的典型代表是90°旋转谐振腔(UR90)激光器，能够实现输出光场的匀化，然而，此类激光器一般使光场在腔内旋转90°，对于某些特殊的增益分布(90°旋转对称)，光束匀化效果受到限制，如果改变旋转角度，需要改变整个谐振腔的安装角度，调整过程比较复杂；同时，由于光束旋转传输过程不在同一平面内，腔内需另外设置光束平移系统，增加了系统复杂度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供了一种光束近场强度分布自匀化高能激光器，此激光器能够简捷方便地实现环形谐振腔内光场任意角度的旋转，实现高效率、高光束质量的激光输出。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种光束近场强度分布自匀化高能激光器，包括光束旋转系统，所述光束旋转系统包括至少5个且数量为奇数的反射镜；
5个所述反射镜设为第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，第四反射镜和第五反射镜，所有反射镜均处于所述光学主平面内；
所述第一反射镜和第五反射镜的中心连线构成光束旋转系统的旋转轴；
旋转过程中，第二反射镜、第三反射镜，第四反射镜与第一反射镜、第五反射镜的相对位置保持固定，且均围绕所述旋转轴进行旋转，旋转角度设为θ，在激光器运行过程中，θ不变；
入射光束依次经上述各反射镜反射后出射并沿所述入射光束轴向旋转，旋转角度为2θ。
作为优选，还包括由耦合输出镜与多个谐振腔镜构成的环形谐振腔，所述环形谐振腔中设置有：
整形扩束系统，位于所述光束旋转系统之后，其包括第一整形扩束系统和第二整形扩束系统，分别用于对光束截面上的某一方向进行整形扩束；
增益介质，位于第一整形扩束系统和第二整形扩束系统之间，用于产生和增益放大激光；
所述耦合输出镜位于所述第二整形扩束系统之后，用于透过激光和反射输出光斑；多个所述谐振腔镜分布于所述环形谐振腔的各个角落。
作为优选，所有反射镜的尺寸均不小于耦合输出镜直径的1.5倍，反射率均大于99.9％。
作为优选，所述第一反射镜11和第五反射镜15位于所述旋转轴上，第二反射镜12与第三反射镜13关于旋转轴对称；第四反射镜14与第三反射镜13水平距离大于第一反射镜11与第三反射镜13之间的水平距离，第五反射镜15与第四反射镜14平行设置。
作为优选，所述出射光束与入射光束的光轴重合；激光沿x轴入射，入射光束在第一反射镜处的入射角为22.5°，经第一反射镜反射后的光束在第二反射镜处的入射角也为22.5°；经第二反射镜反射后的光束沿y轴正向传输，在第三反射镜处的入射角为45°；第三反射镜与第二反射镜关于入射光束对称；经第三反射镜反射后的光束在第四反射镜处的入射角为45°，沿x轴正向传输；第四反射镜与第三反射镜水平距离大于第一反射镜与第三反射镜之间的水平距离；经第四反射镜反射后的光束沿y轴负方向传输，在第五反射镜处的入射角为45°，第五反射镜位于入射光束所在的光轴上；经第五反射镜反射后的出射光束也与所述光轴重合，沿x轴正向传输。
作为优选，所述耦合输出镜为耦合椭圆孔光阑，其中心开孔用于透过激光；边缘部分对激光高反射，部分激光由此反射出环形谐振腔外形成输出光斑。
作为优选，所述第一整形扩束系统由对应放置的第一凸面反射镜和第一凹面反射镜组成；经第一整形扩束系统反射后的激光横截面与所述增益介质的横截面形状吻合。
作为优选，所述第二整形扩束系统由对应放置的第二凸面反射镜和第二凹面反射镜组成；经第二整形扩束系统反射后的激光放大，使输出光斑的形状对称。
作为优选，所述第一凸面反射镜、第一凹面反射镜、第二凸面反射镜和第二凹面反射镜均为柱面镜，激光在上述凹面反射镜和凸面反射镜处反射角均小于45°，用以减小系统像散与慧差。
作为优选，多个所述谐振腔镜至少包括第一谐振腔镜、第二谐振腔镜、第三谐振腔镜和第四谐振腔镜；上述所有谐振腔镜分布于所述环形谐振腔的四个角落构成四边形环形谐振腔。
作为优选，所述增益介质为立方体结构，其在y-z平面上的截面形状为z轴方向为长边的矩形。
与现有技术相比，本发明的有益之处是：
一、本发明所述的光束近场强度分布自匀化高能激光器结构适应性好，根据增益空间分布的不同，事先确定所述光束旋转系统的安装角度即可灵活方便地确定激光每运行一周的旋转角度，当安装角度为θ时，激光每次环行一周旋转角度增加2θ，有效避免了不均匀增益效应的累积，最终实现光强分布均匀的环形激光输出，结构简单；如果需要改变旋转角度，只需改变光束旋转系统的安装角度即可，无需调整激光器谐振腔和其它元器件即可实现最优的匀化效果，调整方便。
二、本发明中的光束旋转系统能够实现入射光束和出射光束的同光轴传输，无需增加光束平移系统且所述激光器内镜片均为反射镜，能够负载大功率激光输出。
三、本发明通过改变激光器本身结构，结合整形扩束系统和光束旋转系统，充分扩展了激光模体积，提高了增益区激活粒子的利用率，同时利用光束旋转过程中的增益自补偿效果，实现腔内光场的均匀分布，有效提高激光器的光束质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1是本发明光束近场强度分布自匀化高能激光器的整体结构俯视图；
图2是本发明中光束旋转系统的俯视图；
图3是本发明中光学主平面的旋转示意图；
图4是本发明中光束截面的旋转示意图；
图5是本发明中第一整形扩束系统的侧视图；
图6是本发明中第二整形扩束系统的俯视图；
1-光束旋转系统；2-第一整形扩束系统；3-增益介质；4-第二整形扩束系统；5-第一谐振腔镜；6-第二谐振腔镜；7-耦合输出镜；8-第三谐振腔镜；9-第四谐振腔镜；11-第一反射镜；12-第二反射镜；13-第三反射镜；14-第四反射镜；15-第五反射镜；16-光学主平面；21-第一凸面反射镜；22-第一凹面反射镜；31-第二凸面反射镜；32-第二凹面反射镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例一
如图1-4所示的一种光束近场强度分布自匀化高能激光器，包括光束旋转系统1，所述光束旋转系统1包括至少5个且数量为奇数的反射镜；
在本实施例中取n＝5，分别为第一反射镜11，第二反射镜12，第三反射镜13，第四反射镜14和第五反射镜15，所有反射镜均处于同一光学主平面16内；
所述第一反射镜11和第五反射镜15的中心连线构成光束旋转系统1的旋转轴；
旋转过程中，第二反射镜12、第三反射镜13，第四反射镜14与第一反射镜11、第五反射镜15的相对位置保持固定，且均围绕所述旋转轴进行旋转，旋转角度设为θ，θ根据激光器的具体增益介质的增益特性确定，在激光器运行过程中，此θ保持不变；
入射光束依次经上述各反射镜反射后出射并沿所述入射光束的中心轴旋转，旋转角度为2θ，具体的，当光束旋转系统1以旋转角度θ安装固定后，激光每次环行一周后，总旋转角度均增加2θ，有效避免了不均匀增益效应的累积，最终实现光强分布均匀的环形激光输出。
进一步的，所述激光器还包括由耦合输出镜7与多个谐振腔镜构成的环形谐振腔，所述环形谐振腔中设置有：
整形扩束系统，位于所述光束旋转系统1之后，其包括第一整形扩束系统2和第二整形扩束系统4，其中第一整形扩束系统2用于对光束截面上的某一方向进行整形扩束；第二整形扩束系统4用于对光束截面上的另一方向进行整形扩束；
增益介质3，位于第一整形扩束系统2和第二整形扩束系统4之间，用于产生和增益放大激光；经第一整形扩束系统2并在一个方向放大后的激光横截面与增益介质截面形状相吻合，从而有效提高增益介质3利用率；增益介质3出射的激光经第二整形扩束系统4反射，光束截面上另一方向得到放大，使输出光斑的形状对称；
所述耦合输出镜7位于所述第二整形扩束系统4之后，用于透过激光和反射输出光斑，更具体的：所述耦合输出镜7为耦合椭圆孔光阑，其中心开孔用于透过激光，边缘部分对激光高反射，部分激光由此反射出环形谐振腔外形成输出光斑；多个所述谐振腔镜分布于所述环形谐振腔的各个角落。
在本实施例中，多个所述谐振腔镜至少包括第一谐振腔镜5、第二谐振腔镜6、第三谐振腔镜8和第四谐振腔镜，上述所有谐振腔镜构成四边形环形谐振腔。
进一步的，上述各反射镜的尺寸均不小于耦合输出镜7直径的1.5倍，反射率均大于99.9％，且所有反射镜均处于同一光学主平面16内，光束旋转系统1的出射光束和入射光束的平行度误差小于±1mrad，每个反射镜的安装角度均误差小于±1mrad，安装位置误差小于100μm，以确保激光器的使用精度。
进一步的，所述第一反射镜11和第五反射镜15位于所述旋转轴上，第二反射镜12与第三反射镜13关于旋转轴对称；第四反射镜14与第三反射镜13水平距离大于第一反射镜11与第三反射镜13之间的水平距离，第五反射镜15与第四反射镜14平行设置。
具体的光路路径是激光沿x轴入射，初始入射光束在第一反射镜11处的入射角为22.5°，经第一反射镜11反射后的光束在第二反射镜处12的入射角也为22.5°；经第二反射镜12反射后的光束沿y轴正向传输，在第三反射镜处的入射角为45°；第三反射镜13与第二反射镜12关于初始入射光束对称；经第三反射镜13反射后的光束在第四反射镜14处入射角为45°，沿x轴正向传输；第四反射镜14与第三反射镜13水平距离大于第一反射镜11与第三反射镜13之间的水平距离；经第四反射镜14反射后的光束沿y轴负方向传输，在第五反射镜15处的入射角为45°，第五反射镜15位于初始入射光束所在的光轴上；经第五反射镜15反射后的出射光束也与所述光轴重合，沿x轴正向传输，即出射光束与入射光束的光轴重合。
进一步的，所述增益介质3为立方体结构，其在y-z平面上的截面形状为z轴方向为长边的矩形，其长、宽、高分别定义为lx，lz，ly；环形谐振腔中的激光依次经过光束旋转系统1，第一谐振腔镜5，第一整形扩束系统2，第二谐振腔镜6，增益介质3，第二整形扩束系统4，耦合输出镜7，第三谐振腔镜8和第四谐振腔镜9反射形成谐振放大，反射输出空心圆环光斑，中心部分透过圆形光束，经过耦合输出镜7前后光场分布的变化关系表述为：
U(y,z)为经过耦合输出镜7后的光场复振幅，为一半径为a的圆形光斑，光斑半径与增益介质3尺寸ly的关系为a＝0.8ly/2。透过耦合输出镜7的激光经第三谐振腔镜8、第四谐振腔镜9反射后进入光束旋转系统1。
如图3所示，根据增益介质的增益特性，确定光束旋转系统1的光学主平面16的安装角度与x-y平面之间的夹角为θ；优选的，弧度；如图4所示，迎着光束传播方向观察，出射光束横截面沿逆时针方向旋转了弧度；经光束旋转系统1后的激光入射至第一谐振腔镜5，入射角为45°，此时激光截面上的光强分布产生了弧度的旋转错位，但仍为对称的圆形光斑，经第一谐振腔镜5反射后进入第一整形扩束系统2。
如图5所示，所述第一整形扩束系统2由对应放置的第一凸面反射镜21和第一凹面反射镜22组成；进一步地，凸面反射镜21和凹面反射镜22均为柱面镜，采用离轴放大结构，激光沿z轴方向放大Mz倍；放大前和放大后的激光均沿y轴正向传播，放大后的激光经第二谐振腔镜6反射达到增益介质3，此时激光截面z轴方向上的直径dz与增益介质3的宽度相配合lz，优选的，匹配指数β＝0.8，匹配指数的定义为β＝dz/lz。
如图6所示，激光通过增益介质3后进入第二整形扩束系统4，所述第二整形扩束系统4由对应放置的第二凸面反射镜31和第二凹面反射镜32组成；进一步地，凸面反射镜31和凹面反射镜32均为柱面镜，采用离轴放大结构，激光沿y轴方向放大My倍，进一步地，放大倍率My＝Mz；放大前和放大后的激光均沿x轴负向传播，放大后的激光y-z截面恢复为圆形光斑，光斑内径为a，则直径d＝2×a×Mz。
放大后的激光经过耦合输出镜7反射输出环形光斑，外径为a×(Mz-1)；放大后的激光经过耦合输出镜7透射，成为半径为a的圆形激光，光场分布由公式(1)表征；所述透射激光经第三谐振腔镜8和第四谐振腔镜9反射进入光束旋转系统1，经光束旋转系统1反射后，出射后的光束在前次旋转的基础上再次旋转弧度，总体旋转角度为弧度。光束每次环行一周到达增益介质3时，总旋转角度均增加弧度，有效避免了不均匀增益效应的累积，最终实现光强分布均匀的环形激光输出。
本实施例的具体工作过程如下：
在激光器运行过程中，光束旋转系统1的安装角度不变，激光在环形谐振腔中传输过程中，分别经过光束旋转系统1旋转一定角度、第一整形扩束系统2使光束截面的一个方向放大、经过增益介质3得到增益放大、第二整形扩束系统4使光束截面的另一方向放大、通过耦合输出镜7的边缘部分输出环形光斑，透过耦合输出镜7中心孔的激光在环形谐振腔内继续传输，经过光束旋转系统1时，继续旋转同样的角度，然后再次通过整形扩束、增益，配合多个分布于环形谐振腔各个角落的谐振腔镜的反射，旋转和整形扩束交替进行，形成反馈放大。
激光每次环行一周到达所述增益介质3时，光束截面均会相对于前次经过时旋转相同的角度，光束截面上的每个位置将会通过所述增益介质的不同的空间部位，因此环形谐振腔内光场不会形成不均匀效应的累积，最终在激光器环形谐振腔内形成光强分布均匀且空间对称的光场分布；根据增益空间分布的不同，事先确定光束旋转系统的安装角度即可灵活方便地确定光束每运行一周在环形谐振腔中的旋转角度，无需调整激光器环形谐振腔和其它元器件即可实现最优的匀化效果。
本发明提供的光束近场强度分布自匀化高能激光器能够根据不同的增益分布灵活简捷地调整光场在环形谐振腔中运行时的旋转角度，从而实现最优的激光器输出光斑的匀化效果。本发明提出的激光器结构为提高大增益体积、大功率输出激光器的光束质量和运行效率提供了一种有效的解决方案。
实施例二
本实施例提供一种光束近场强度分布自匀化高能激光器，与实施例一的区别在于，光束旋转系统中反射镜的数目根据需要取n＝7，9，11…，使用过程和原理与实施例一类似。
实施例三
本实施例提供一种光束近场强度分布自匀化高能激光器，与实施例一的区别在于，谐振腔镜的数量根据需要选定，形成正多边形环形谐振腔，使用过程和原理与实施例一类似。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种光束近场强度分布自匀化高能激光器，包括光束旋转系统(1)，其特征在于：所述光束旋转系统(1)包括至少5个且数量为奇数的反射镜；
5个所述反射镜设为第一反射镜(11)，第二反射镜(12)，第三反射镜(13)，第四反射镜(14)和第五反射镜(15)，所有反射镜均处于所述同一光学主平面(16)内；
所述第一反射镜(11)和第五反射镜(15)的中心连线构成光束旋转系统(1)的旋转轴；
旋转过程中，第二反射镜(12)、第三反射镜(13)，第四反射镜(14)与第一反射镜(11)、第五反射镜(15)的相对位置保持固定，且均围绕所述旋转轴进行旋转，旋转角度设为θ，在激光器运行过程中，θ不变；
入射光束依次经上述各反射镜反射后出射并沿所述入射光束的中心轴旋转，旋转角度为2θ。
2.根据权利要求1所述的一种光束近场强度分布自匀化高能激光器，其特征在于：还包括由耦合输出镜(7)与多个谐振腔镜构成的环形谐振腔，所述环形谐振腔中设置有：
整形扩束系统，位于所述光束旋转系统(1)之后，其包括第一整形扩束系统(2)和第二整形扩束系统(4)，分别用于对光束截面上的某一方向进行整形扩束；
增益介质(3)，位于第一整形扩束系统(2)和第二整形扩束系统(4)之间，用于产生和增益放大激光；
所述耦合输出镜(7)位于所述第二整形扩束系统(4)之后，用于透过激光和反射输出光斑；多个所述谐振腔镜分布于所述环形谐振腔的各个角落。
3.根据权利要求2所述的一种光束近场强度分布自匀化高能激光器，其特征在于：所有反射镜的尺寸均不小于耦合输出镜(7)直径的1.5倍，反射率均大于99.9％。
4.根据权利要求1所述的一种光束近场强度分布自匀化高能激光器，其特征在于：所述第一反射镜(11)和第五反射镜(15)位于所述旋转轴上，第二反射镜(12)与第三反射镜(13)关于旋转轴对称；第四反射镜(14)与第三反射镜(13)水平距离大于第一反射镜(11)与第三反射镜(13)之间的水平距离，第五反射镜(15)与第四反射镜(14)平行设置。
5.根据权利要求3所述的一种光束近场强度分布自匀化高能激光器，其特征在于：所述耦合输出镜(7)为耦合椭圆孔光阑，其中心开孔用于透过激光，边缘部分对激光高反射，部分激光由此反射出环形谐振腔外形成输出光斑。
6.根据权利要求2所述的一种光束近场强度分布自匀化高能激光器，其特征在于：所述第一整形扩束系统(2)由对应放置的第一凸面反射镜(21)和第一凹面反射镜(22)组成；经第一整形扩束系统(2)反射后的激光横截面与所述增益介质(3)的横截面形状吻合。
7.根据权利要求6所述的一种光束近场强度分布自匀化高能激光器，其特征在于：所述第二整形扩束系统(4)由对应放置的第二凸面反射镜(31)和第二凹面反射镜(32)组成；经第二整形扩束系统(4)反射后的激光放大，使输出光斑的形状对称。
8.根据权利要求7所述的一种光束近场强度分布自匀化高能激光器，其特征在于：所述第一凸面反射镜(21)、第一凹面反射镜(22)、第二凸面反射镜(31)和第二凹面反射镜(32)均为柱面镜，激光在上述凹面反射镜和凸面反射镜处反射角均小于45°，用以减小系统像散与慧差。
9.根据权利要求2所述的一种光束近场强度分布自匀化高能激光器，其特征在于：多个所述谐振腔镜至少包括第一谐振腔镜(5)、第二谐振腔镜(6)、第三谐振腔镜(8)和第四谐振腔镜(9)；上述所有谐振腔镜分布于所述环形谐振腔的四个角落构成四边形环形谐振腔。
10.根据权利要求2-9任一项所述的一种光束近场强度分布自匀化高能激光器，其特征在于：所述增益介质(3)为立方体结构，其在y-z平面上的截面形状为z轴方向为长边的矩形。
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