CN110600980A - 一种薄管激光光束质量自补偿方法及器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄管激光光束质量自补偿方法及器件。该方法是在薄管固体激光器薄管增益介质的一端，加入一直角锥面反射器件，使由薄管介质出射的光线在其出射点的径向对称点返回薄管并进行逆向传播，以对由薄管静态误差导致的波前畸变进行自补偿，实现光束质量的有效改善。

Description

一种薄管激光光束质量自补偿方法及器件

技术领域

本发明涉及一种高功率固体激光器光束质量自补偿技术，具体涉及一种薄管激光光束质量自补偿方法及器件。

背景技术

固体激光器是一种高效、稳定且轻便的优质激光光源，在军事、工业、医疗和通信等领域具有广泛的应用。之字形光路薄管固体激光器相比于板条、棒状以及薄片等传统固体激光器具有结构紧凑、有效增益体积大、换热能力强和易于发射等优点，有望成为下一代固体激光技术的研究热点。光束质量管控是固体激光领域的核心技术问题之一。之字形光路薄管固体激光装置虽然通过将增益介质加工成管状结构获得了很好的动态热畸变补偿效果，但是薄管这一非常规构型也使激光晶体加工难度大幅提升，再加之薄管又是一种对静态加工误差极为敏感的构型，即使细微的加工误差也会导致输出光束质量的严重退化。

固体激光装置中通常使用自适应光学系统对激光波前进行校正。之字形光路薄管固体激光装置所输出的环形光束为大遮拦比的窄环光束，而常规自适应光学系统驱动单元尺寸通常在数毫米量级，致使自适应光学系统对之字形光路薄管固体激光器光束进行校正将面临有效驱动单元密度不足的问题，光束质量提升程度有限，难以满足之字形光路薄管固体激光装置实际应用的需求。此外，自适应光学系统的闭环控制光路亦会导致之字形光路薄管固体激光装置全系统规模的增大，严重影响其结构紧凑的应用优势。

综上所述，现有光束质量管控手段无法满足之字形光路薄管固体激光装置的应用需求，之字形光路薄管固体激光装置亟需一种可显著提升光束质量且结构轻便的新型光束质量补偿方法。

发明内容

为解决现有之字形光路薄管固体激光装置面临的光束质量改善能力有限且系统复杂的问题，本发明提出了一种薄管激光光束质量自补偿方法及器件。该方法是在之字形光路薄管固体激光装置薄管增益介质的一端加入一直角锥面反射器件，实现光束质量的自补偿。

本发明的设计构思是：在之字形光路薄管固体激光装置中管状增益介质的一端加入一直角锥面反射器件，利用直角锥面光线平行回射的特性，使薄管输出的倾斜光线在其出射点的径向对称点返回薄管再次逆向传播，利用薄管结构静态共轭位置光路互补的特性实现光束质量的改善。实现所述之字形光路薄管激光光束质量自补偿方法的光路如图1所示。

所述直角锥面反射器件结构特征为：直角锥面反射器件为旋转对称结构的锥面反射式器件。所述直角锥面反射器件的锥面轴线与薄管激光系统光轴共线，圆锥母线与轴线夹角为45°，从器件侧视图观察镜面夹角为直角。

所述锥面反射式器件有多种实现方式：锥面反射式器件既可以是如图2所示的镀有高反膜系的直角内锥面反射镜，也可以是如图3所示的采用全内反射工作方式的直角锥形器件。无论由何种方式所实现的直角锥面反射装置的实际工作面均为直角圆锥的内锥面。

所述采用全内反射工作方式的直角锥形器件可依据实际应用环境加工成空心结构，避免器件内实焦点造成器件损伤，并减轻器件重量。

所述薄管激光光束质量自补偿方法及器件既可用于薄管激光放大器，亦可用于薄管激光振荡器。当直角锥面反射器件作为激光放大器端面反射镜时，即可实现之字形光路薄管激光放大器光束质量的自补偿。当直角锥面反射器件作为激光振荡器腔镜时，即可实现之字形光路薄管激光振荡器光束质量的自补偿。

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获得其它的附图。

图1是本发明实现所述之字形光路薄管激光光束质量自补偿方法的光路示意图，其中，(a)为采用直角内锥面反射镜的之字形光路薄管激光光束质量自补偿方法光路图，(b)为采用全反射式直角锥形器件的之字形光路薄管激光光束质量自补偿方法光路图；

图2是本发明实现所述之字形光路薄管激光光束质量自补偿器件(直角内锥面反射镜)示意图；

图3是本发明实现所述之字形光路薄管激光光束质量自补偿器件(全反射式直角锥形器件)示意图；

图4是采用本发明所述之字形光路薄管激光光束质量自补偿方法前后，之字形光路薄管固体激光输出光束远场光强分布；

图中，1无掺杂端帽，2掺杂薄管，3直角内锥面反射镜，4全反射式直角锥形器件，5高反膜系，6中空孔道，7增透膜系。

具体实施方式

下面结合附图并用具体实施例对本发明作进一步详细说明，有必要在此指出的是所述的实施例只是用于对本发明的进一步描述，而并不意味着是对本发明保护范围的任何限定。

本发明所述的一种薄管激光光束质量自补偿方法及器件，实现该自补偿方法的光路如图1所示。包括之字形光路薄管激光装置：1无掺杂端帽，2掺杂薄管，还包括之字形光路薄管固体激光装置光束质量补偿器件：3直角内锥面反射镜或4全反射式直角锥形器件。其中，直角内锥面反射镜的反射面镀有高反射膜系，全反射式直角锥形器件的入射/出射端面镀有增透膜系。按光路描述：之字形光路薄管激光装置种子光中任意一条光线均依次经过1无掺杂端帽，2掺杂薄管，1无掺杂端帽，3直角内锥面反射镜或4全反射式直角锥形器件，1无掺杂端帽，2掺杂薄管，1无掺杂端帽。所述光路中，3直角内锥面反射镜和4全反射式直角锥形器件在功能上是完全等价的。如图1所示的光路只给出薄管环形激光束中其中一条光线的全链路示意图，实际上任意位置的薄管环形激光束均遵循同样的传输规律。所述之字形光路薄管固体激光装置光束质量自补偿方法仅需在薄管增益介质一端加入一直角锥面反射器件即可实现之字形光路薄管激光光束质量自补偿。

图4所示，当薄管外壁半径R_o＝33mm，内壁半径R_i＝30mm，外壁长度L_o＝66mm，内壁长度L_i＝60mm，端面锥角α＝45°，薄管内外壁轴线同心度误差Δx＝1μm时，之字形光路薄管激光经平面镜反射往返一周后远场焦斑如(a)所示，之字形光路薄管激光经直角锥面反射器件反射后在薄管往返传输一周后的远场焦斑如(b)所示。

图4(a)和(b)对本实施例中的之字形光路薄管激光光束质量自补偿方法的光束质量改善效果进行了展示。采用β因子作为激光光束质量评价指标。β因子的定义为实际远场焦斑口径与理想焦斑口径之比。通常光束质量越好，β因子越趋近1。图4(a)所给出的焦斑β因子为4.3，图4(b)所给出的焦斑β因子为1.1。从图中所得结果充分说明了本发明所述的之字形光路薄管激光光束质量自补偿方法及器件的有效性、可行性。

本发明所述实施例仅给出了具体的应用例子，但对于从事固体激光技术的研究人员而言，还可根据以上启示设计出多种用于薄管激光装置中的光束质量自补偿结构，这仍被认为涵盖于本发明之中。

Claims (6)

1.一种薄管激光光束质量自补偿方法及器件，其特征在于包括以下步骤：

(1)在之字形光路薄管固体激光装置薄管增益介质的一端，加入一直角锥面反射器件，令薄管增益介质出射光线在其出射点的径向对称点逆向返回薄管再次传输；

(2)使步骤(1)所述的光线在薄管介质内往返传输一次或多次，实现之字形光路薄管固体激光光束质量的自补偿。

2.如权利要求1所述的薄管激光光束质量自补偿方法，其特征在于，光束质量自补偿原理是基于薄管静态结构的特点，具体表现为：当薄管增益介质具有由于加工精度不足导致的同心度误差、平行度误差、锥度误差和尺寸误差等非理想静态误差时，薄管中任意两个沿薄管轴线中心对称的截面内之字形光路光程之和恒定，即光线依次经过薄管端上某入射点和其径向对称点后出射光线仍为平行光线。

3.如权利要求1所述的直角锥面反射器件，其特征在于，反射器件工作面为一旋转对称的圆锥面，圆锥面母线与圆锥轴线呈45°，即任意过圆锥轴线的截面上两圆锥母线夹角为直角。

4.如权利要求3所述的直角锥面反射器件，其特征在于，该反射器件可以令之字形光路薄管固体激光输出的光线在其出射点的径向对称点逆向返回薄管。

5.如权利要求3和4所述的直角锥面反射器件，其特征在于，该反射器件可以有包括直角内锥面反射镜和直角锥面全内反射镜等方法在内的多种实现方式。

6.如权利要求1所述一种薄管激光光束质量自补偿方法及器件，其特征在于，既可用于薄管激光放大器，亦可用于薄管激光振荡器。