CN110445003B - 一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置及方法 - Google Patents

一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置及方法，属于固体激光器激光腔调节领域，针对凹面和平面腔镜不同的屈光特性，在凹面和平面腔镜之间嵌入焦点与凹面腔镜球心重合的负光焦度镜组，对于高斯光束，该镜组与凹面腔镜组成的复合系统和平板等效，通过该复合系统的高斯光束，经反射后能获得与平面腔镜相仿大小的对准斑，从而获得和平面腔镜一样的对准精度，提高谐振腔体整体对准精度，对于不同凹面腔镜半径的谐振腔，只需满足负光焦度镜组焦点与凹面腔镜球心重合即可实现对准，对准精度不变。

Description

一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置及方法
技术领域
本发明涉及固体激光器激光腔调节技术领域，特别是涉及一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置及方法。
背景技术
固体激光器在民用、军事、加工、医疗和科学研究领域有着广泛用途。它常用于舞台灯光、测距、相干测量、打孔、切割和焊接、大气检测、光谱研究、外科和眼科手术等方面。固体激光技术在我国发展极为迅速，尤其在中小功率固体激光技术上，产业化道路已很成熟。但产线上固体激光器的制作流程大多依然遵循传统的单线模式，有严格的先后流程。通常在启动泵浦源的基础上再通过人工调试谐振腔。谐振腔的对准技术能在泵浦源缺位的情况下对准谐振腔，实现腔体模块与泵浦源模块分离。固体激光器的模块化设计能优化其产线组织形式，提高生产效率。同时，也能提高产品的互换性。
平凹谐振腔是固体激光器中常用的基本腔型。由于平面腔镜和凹面腔镜具有不同的屈光特征，对于同一对准光，经凹面和平面腔镜反射后，经过一定的传输距离，会产生大小不一的对准斑，使得谐振腔整体对准精度下降。光学精密工程第14卷第5期提供了“一种基于高斯光束的平凹激光腔对准方法”，通过在准直的高斯光束后加一透镜系统,调整准直高斯光束到一种非准直的状态，使由凹面腔镜和平面腔镜反射回来的光斑直径大小相仿，从而易于实现对准。
该现有技术在凹面腔镜曲率半径R＝50mm，平凹腔到对准屏间距L＝889mm时，基于优选的对准光路在对准屏上获得了来自于平、凹腔镜的直径分别为5.1mm、4.8mm的两个对准斑。设定两光斑与对准屏中心标记的对准误差δ＝0.8mm，获得了3.18′的腔镜对准精度。
该方法实质是牺牲了平面腔镜的对准精度来平衡两腔镜对准精度。可以预见，随着凹面腔镜曲率半径的减小，由于平、凹腔镜的屈光差异进一步增大，其平衡的难度会增大，对准精度会恶化。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置及方法，相较现有技术，拥有更高的对准精度，对不同凹面半径的平凹谐振对准精度稳定，不下降。
本发明采用如下技术方案：一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置，包括高斯光源、立方分光棱镜、负光焦度镜组、对准屏和连接体；
所述立方分光棱镜和所述负光焦度镜组依次处于所述高斯光源前方光路上；
所述立方分光棱镜将所述高斯光源光路转折90°；
所述负光焦度镜组在所述立方分光棱镜转折90°后的光路上；
所述对准屏相对所述负光焦度镜组在所述立方分光棱镜另一侧；
所述高斯光源、所述立方分光棱镜和所述负光焦度镜组通过所述连接体固定相对位置；
所述负光焦度镜组通过所述连接体和所述立方分光棱镜、所述高斯光源单侧连接，使所述负光焦度镜组和所述立方分光棱镜、所述高斯光源之间留有可供平面腔镜和平面腔镜调节装置嵌入的间隙；
所述对准屏与所述连接体分离，但保持位置关系固定。
优选地，所述高斯光源输出波长在凹面腔镜和所述平面腔镜膜层的反射带内。
优选地，所述高斯光源提供准直高斯光束输出。
优选地，所述立方分光棱镜对所述高斯光源的波长半反半透分光。
优选地，所述负光焦度镜组为单片负透镜。
优选地，所述负光焦度镜组焦距小于所述凹面腔镜的曲率半径；
关于所述负光焦度镜组焦距小于所述凹面腔镜的曲率半径说明：根据共轴球面腔的稳定条件，空腔时，平凹谐振腔的稳定条件要求腔长小于凹面腔镜半径；考虑到实际谐振腔中有折射率大于1的激活介质，实际的稳腔腔长比空腔时短，所以，稳腔的凹面腔镜球心必定在腔外；负光焦度镜组内嵌在腔体内，其焦点要求和凹面腔镜球心重合，则其焦距必小于凹面腔镜的曲率半径。
优选地，所述对准屏在与光轴相交处设置有中心标记。
一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置的对准方法，包括以下步骤：
1】点亮所述高斯光源：使高斯光束先后通过所述立方分光棱镜和所述负光焦度镜组形成对准光路；
2】安装谐振腔定位装置：将与待对准平凹谐振腔参数一样，仅所述平面腔镜对所述高斯光源波长反射率减半的标准谐振腔模块安装在所述谐振腔定位装置上，反复调校所述谐振腔定位装置相对对准装置位置，使得凹面腔镜球心与负光焦度镜组焦点重合，使得由所述凹面腔镜和所述平面腔镜在所述对准屏上的反射斑均与其中心标记重合，固定所述谐振腔定位装置相对对准装置位置，卸下标准谐振腔模块；
3】安装待对准平凹谐振腔支架：将谐振腔连接件连带固定在其上的凹面腔镜调节装置和所述平面腔镜调节装置安装在所述谐振腔定位装置上；
4】安装所述凹面腔镜：将所述凹面腔镜以腔镜面朝向所述负光焦度镜组的方式中心垂直于对准光路安装在所述凹面腔镜调节装置上，使所述凹面腔镜球心与所述负光焦度镜组焦点重合；
5】调试所述凹面腔镜：经所述凹面腔镜反射的对准光通过所述负光焦度镜组和所述立方分光棱镜，在所述对准屏上形成对准斑，调节所述凹面腔镜调节装置，使得对准斑中心与所述对准屏的中心标记重合；
6】安装所述平面腔镜：将所述平面腔镜以腔镜面朝向所述负光焦度镜组的方式中心垂直于对准光路安装在所述平面腔镜调节装置上；
7】调试所述平面腔镜：经所述平面腔镜反射的对准光经所述立方分光棱镜后，在所述对准屏上形成对准斑，调节所述平面腔镜调节装置，使得对准斑中心与所述对准屏的中心标记重合；
8】形成标准谐振腔模块：所述谐振腔连接件连带固定在其上的所述凹面腔镜调节装置、所述平面腔镜调节装置、所述凹面腔镜和所述平面腔镜形成标准谐振腔模块，从所述谐振腔定位装置中取下该标准谐振腔模块；
9】批量对准：反复重复步骤3】～8】，形成更多的标准谐振腔模块。
与现有技术相比，本发明具有的优点：
1】拥有更高的对准精度。本发明将对准装置中的负光焦度镜组内嵌至谐振腔腔内，不影响用于平面腔镜对准的准直的高斯光束，只修正同光路上凹面腔镜的对准光束，使凹面腔镜反射的对准斑下降到与平面镜反射的对准斑同等大小，从而提高平凹谐振腔的对准精度。
本发明装置及方法和现有技术同样在凹面腔镜曲率半径R＝50mm，平凹腔到对准屏间距L＝889mm的条件下，取负光焦度镜组焦距f′＝-25mm，凹面腔镜与负光焦度镜组间距25mm，高斯光源束腰为0.5mm、位于负光焦度镜组前50mm。经计算，由凹面腔镜和平面腔镜反射到对准屏上的光斑尺寸为0.62mm和0.63mm(计算模型中忽略了光路中立方分光棱镜对光斑大小的微弱影响)。已有技术中设定直径分别为5.1mm、4.8mm的两个大对准斑与对准屏中心标记的对准误差δ＝0.8mm，按此比例，设定直径分别为0.62mm、0.63mm的两个小光斑与对准屏中心标记的对准误差δ＝0.1mm，可获得单面腔镜对准精度(δ/2L)为0.2′，整个谐振腔的对准精度则为0.4′，达到现有技术的8倍。
现有技术通过破坏高斯光束准直性，牺牲平面镜的对准精度来平衡凹面镜的对准精度。随着L的增大，准直性被破坏的高斯光束在更长的传输距离下产生更大的对准斑，激光腔的对准精度有可能不增反降。本发明装置及方法基于准直的高斯光束，平、凹面镜的对准均不破坏其准直性，随着L的增大，其光斑增大并不明显，激光腔对准精度可获得进一步提高。
2】对不同凹面半径的平凹谐振腔对准精度稳定，不下降。
现有技术通过破坏高斯光束准直性，牺牲平面镜的对准精度来平衡凹面镜的对准精度。当平、凹面腔镜屈光特性差异增大，即凹面腔镜半径减小时，平衡难度会增大，激光腔对准精度会下降。
本发明技术方案中负光焦度镜组焦点与凹面腔镜球心重合。高斯光束从负光焦度镜组入射，经凹面腔镜反射后又从负光焦度镜组出射，经推导，相当于经过了一个传播矩阵形式为
Figure BDA0002181152660000051
的复合系统，其中，R为凹面腔镜曲率半径，d为凹面腔镜与负光焦度镜组间距。该传播矩阵在形式上等价于一块折射率为n，长为2nd(1-d/R)的平板，只微小改变入射高斯光束束腰位置，不影响束腰及发散角大小。对不同凹面半径R的平凹谐振腔，只需使负光焦度镜组焦距f′和d满足关系f′＝d-R，由凹面腔镜返回的对准斑大小不变，因此对准精度不变。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的工作原理图。
附图标记说明:1、高斯光源 2、立方分光棱镜 3、负光焦度镜组 4、对准屏 5、连接体 6、凹面腔镜 7、平面腔镜 8、负光焦度镜组焦点 9、凹面腔镜球心 10、凹面腔镜调节装置 11、平面腔镜调节装置 12、谐振腔连接件 13、谐振腔定位装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1、图2，一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置，包括高斯光源1、立方分光棱镜2、负光焦度镜组3、对准屏4和连接体5；
所述立方分光棱镜2和所述负光焦度镜组3依次处于所述高斯光源1前方光路上；
所述立方分光棱镜2将所述高斯光源1光路转折90°；
所述负光焦度镜组3在所述立方分光棱镜2转折90°后的光路上；
所述对准屏4相对所述负光焦度镜组3在所述立方分光棱镜2另一侧；
所述高斯光源1、所述立方分光棱镜2和所述负光焦度镜组3通过所述连接体5固定相对位置；
所述负光焦度镜组3通过所述连接体5和所述立方分光棱镜2、所述高斯光源1单侧连接，使所述负光焦度镜组3和所述立方分光棱镜2、所述高斯光源1之间留有可供平面腔镜7和平面腔镜调节装置11嵌入的间隙；
所述对准屏4与所述连接体5分离，但保持位置关系固定。
优选地，所述高斯光源1输出波长在凹面腔镜6和所述平面腔镜7膜层的反射带内。
优选地，所述高斯光源1提供准直高斯光束输出。
优选地，所述立方分光棱镜2对所述高斯光源1的波长半反半透分光。
优选地，所述负光焦度镜组3为单片负透镜。
优选地，所述负光焦度镜组3焦距小于所述凹面腔镜6的曲率半径；
关于所述负光焦度镜组3焦距小于所述凹面腔镜6的曲率半径说明：根据共轴球面腔的稳定条件，空腔时，平凹谐振腔的稳定条件要求腔长小于凹面腔镜半径；考虑到实际谐振腔中有折射率大于1的激活介质，实际的稳腔腔长比空腔时短，所以，稳腔的凹面腔镜球心必定在腔外；负光焦度镜组3内嵌在腔体内，其焦点要求和凹面腔镜6球心重合，则其焦距必小于凹面腔镜6的曲率半径。
优选地，所述对准屏4在与光轴相交处设置有中心标记。
一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置的对准方法，包括以下步骤：
1】点亮所述高斯光源1：使高斯光束先后通过所述立方分光棱镜2和所述负光焦度镜组3形成对准光路；
2】安装谐振腔定位装置13：将与待对准平凹谐振腔参数一样，仅所述平面腔镜7对所述高斯光源1波长反射率减半的标准谐振腔模块安装在所述谐振腔定位装置13上，反复调校所述谐振腔定位装置13相对对准装置位置，使得凹面腔镜球心9与负光焦度镜组焦点8重合，使得由所述凹面腔镜6和所述平面腔镜7在所述对准屏4上的反射斑均与其中心标记重合，固定所述谐振腔定位装置13相对对准装置位置，卸下标准谐振腔模块；
3】安装待对准平凹谐振腔支架：将谐振腔连接件12连带固定在其上的凹面腔镜调节装置10和所述平面腔镜调节装置11安装在所述谐振腔定位装置13上；
4】安装所述凹面腔镜6：将所述凹面腔镜6以腔镜面朝向所述负光焦度镜组3的方式中心垂直于对准光路安装在所述凹面腔镜调节装置10上，使所述凹面腔镜球心9与所述负光焦度镜组焦点8重合；
5】调试所述凹面腔镜6：经所述凹面腔镜6反射的对准光通过所述负光焦度镜组3和所述立方分光棱镜2，在所述对准屏4上形成对准斑，调节所述凹面腔镜调节装置10，使得对准斑中心与所述对准屏4的中心标记重合；
6】安装所述平面腔镜7：将所述平面腔镜7以腔镜面朝向所述负光焦度镜组3的方式中心垂直于对准光路安装在所述平面腔镜调节装置11上；
7】调试所述平面腔镜7：经所述平面腔镜7反射的对准光经所述立方分光棱镜2后，在所述对准屏4上形成对准斑，调节所述平面腔镜调节装置11，使得对准斑中心与所述对准屏4的中心标记重合；
8】形成标准谐振腔模块：所述谐振腔连接件12连带固定在其上的所述凹面腔镜调节装置10、所述平面腔镜调节装置11、所述凹面腔镜6和所述平面腔镜7形成标准谐振腔模块，从所述谐振腔定位装置13中取下该标准谐振腔模块；
9】批量对准：反复重复步骤3】～8】，形成更多的标准谐振腔模块。
不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置，其特征在于，包括高斯光源(1)、立方分光棱镜(2)、负光焦度镜组(3)、对准屏(4)和连接体(5)；
所述立方分光棱镜(2)和所述负光焦度镜组(3)依次处于所述高斯光源(1)前方光路上；
所述立方分光棱镜(2)将所述高斯光源(1)光路转折90°；
所述负光焦度镜组(3)在所述立方分光棱镜(2)转折90°后的光路上；
所述对准屏(4)相对所述负光焦度镜组(3)在所述立方分光棱镜(2)另一侧；
所述高斯光源(1)、所述立方分光棱镜(2)和所述负光焦度镜组(3)通过所述连接体(5)固定相对位置；
所述负光焦度镜组(3)通过所述连接体(5)和所述立方分光棱镜(2)、所述高斯光源(1)单侧连接，使所述负光焦度镜组(3)和所述立方分光棱镜(2)、所述高斯光源(1)之间留有可供平面腔镜(7)和平面腔镜调节装置(11)嵌入的间隙；
所述对准屏(4)与所述连接体(5)分离，但保持位置关系固定。
2.根据权利要求1所述的一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置，其特征在于，所述高斯光源(1)输出波长在凹面腔镜(6)和所述平面腔镜(7)膜层的反射带内。
3.根据权利要求1所述的一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置，其特征在于，所述高斯光源(1)提供准直高斯光束输出。
4.根据权利要求1所述的一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置，其特征在于，所述立方分光棱镜(2)对所述高斯光源(1)的波长半反半透分光。
5.根据权利要求1所述的一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置，其特征在于，所述负光焦度镜组(3)为单片负透镜。
6.根据权利要求1所述的一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置，其特征在于，所述负光焦度镜组(3)焦距小于凹面腔镜(6)的曲率半径。
7.根据权利要求1所述的一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置，其特征在于，所述对准屏(4)在与光轴相交处设置有中心标记。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的一种基于高斯光束的平凹激光腔单光路对准装置的对准方法，其特征在于，包括以下步骤：
1】点亮高斯光源(1)：使高斯光束先后通过立方分光棱镜(2)和负光焦度镜组(3)形成对准光路；
2】安装谐振腔定位装置(13)：将与待对准平凹谐振腔参数一样，仅平面腔镜(7)对高斯光源(1)波长反射率减半的标准谐振腔模块安装在谐振腔定位装置(13)上，反复调校谐振腔定位装置(13)相对对准装置位置，使得凹面腔镜球心(9)与负光焦度镜组焦点(8)重合，使得由凹面腔镜(6)和平面腔镜(7)在对准屏(4)上的反射斑均与其中心标记重合，固定谐振腔定位装置(13)相对对准装置位置，卸下标准谐振腔模块；
3】安装待对准平凹谐振腔支架：将谐振腔连接件(12)连带固定在其上的凹面腔镜调节装置(10)和平面腔镜调节装置(11)安装在谐振腔定位装置(13)上；
4】安装凹面腔镜(6)：将凹面腔镜(6)以腔镜面朝向负光焦度镜组(3)的方式中心垂直于对准光路安装在凹面腔镜调节装置(10)上，使凹面腔镜球心(9)与负光焦度镜组焦点(8)重合；
5】调试凹面腔镜(6)：经凹面腔镜(6)反射的对准光通过负光焦度镜组(3)和立方分光棱镜(2)，在对准屏(4)上形成对准斑，调节凹面腔镜调节装置(10)，使得对准斑中心与对准屏(4)的中心标记重合；
6】安装平面腔镜(7)：将平面腔镜(7)以腔镜面朝向负光焦度镜组(3)的方式中心垂直于对准光路安装在平面腔镜调节装置(11)上；
7】调试平面腔镜(7)：经平面腔镜(7)反射的对准光经立方分光棱镜(2)后，在对准屏(4)上形成对准斑，调节平面腔镜调节装置(11)，使得对准斑中心与对准屏(4)的中心标记重合；
8】形成标准谐振腔模块：谐振腔连接件(12)连带固定在其上的凹面腔镜调节装置(10)、平面腔镜调节装置(11)、凹面腔镜(6)和平面腔镜(7)形成标准谐振腔模块，从谐振腔定位装置(13)中取下该标准谐振腔模块；
9】批量对准：反复重复步骤3】～8】，形成更多的标准谐振腔模块。
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