CN1268044C - 带角隅反射镜的激光谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带角隅反射镜的激光谐振腔。包括全反射镜、平面输出镜及激光工作介质，全反射镜为角隅反射镜，由三个平面反射镜粘接而成，它们交叉放置且相互垂直，其反射面均镀高反膜，角隅反射镜的顶点位于激光腔光轴上，弦面与光轴垂直。该谐振腔输出实心平行光束，近场光斑光强分布均匀，远场光能集中，发散角极小，模体积大，调整极其方便，工作极其稳定。可以用于气体或固体激光器，高功率或中小功率激光器。

Description

带角隅反射镜的激光谐振腔

技术领域

本发明涉及一种激光谐振腔。

背景技术

高能激光器件设计中的主要问题是，如何获得尽可能大的模体积和好的横模鉴别能力，以实现高能量单模运转，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。稳定腔的主要优点是损耗低。在所有稳定腔中，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。稳定腔存在的主要缺点是：模体积小，对于典型的稳定腔激光器，基模体积通常只占整个激活介质体积的很小一部分。实际上，稳定腔的高斯基模就像一条细长的带子一样处在激活物质的轴线附近，大部分激活能量都不能有效地转化为高斯基模的激光能量。特别值得指出的是，对非涅尔数较大的稳定腔，光斑半径及基模体积与腔的横向尺寸(它通常由气体放电管或固体激光棒的直径决定)无关。因此，当腔长一定时，我们不可能用增大激活物质的横向尺寸的办法来增加基模体积，从而提高激光器的输出功率。相反地，激活物质的横向尺寸越大，工作物质的利用系数越低。稳定腔另一个缺点是，当腔的菲涅尔数较大时，若干较低阶横模的衍射损耗都小到可以忽略，因而谐振腔也就实际上失去了横模选择能力。这将不可避免地导致多模运转，从而降低光束质量。稳定腔运转于多模状态可以增大模体积，从而提高激活物质的利用系数并增加输出功率。因为稳定腔模体积随模的阶次增大而增大，当足够的厄米高斯(或拉盖尔高斯)模形成震荡时，即可提高激活物质的利用系数，但这时光束质量将比基模光束差得多。

在实践中最重要，最常用的非稳腔是虚共焦非稳腔。它由一凹面镜和一凸面镜组成。凹面镜的实焦点和凸面镜的虚焦点重合，公共焦点在腔外。通过选择反射镜的尺寸，对于虚共焦非稳腔，平面波将有效地通过全部工作物质。这时激活物质的利用效率最高并能获得准直的，均匀的输出光束。对圆形镜腔其远场图就是一个被平面波均匀照明的圆环的衍射图样。虚共焦非稳定腔的不足之处，就是圆环衍射图样的能量分布相对于圆孔衍射，将有相当的能量分布在周围亮环上，远场能量分布不够集中。虚共焦非稳腔的调整过程复杂，要求高。

平行平面腔由一平面全反镜和一平面输出镜组成。两平面镜相互平行。输出均匀平行光束。平行平面腔的主要优点是：光束发散角小，模体积较大，比较容易获得单模振荡。其主要缺点是：调整精度要求极高且容易失调，苛刻的平行度要求严重限制了它的应用。

申请号“98113402.5”公开了一种”免调试固体激光装置”。将平行平面腔的全反镜用隅角棱镜取代，利用隅角棱镜的逆向反射特性组成隅角棱镜腔，可以大大降低腔的调整要求，同时由于该腔的准相位共轭特性，还可以对由于激活介质增益分布不均匀导致的光强分布不均匀进行补偿，从而提高了光束质量。隅角棱镜腔除具有平行平面腔的大模体积，小发散角的优点外，还具有高稳定性。但是隅角棱镜腔存在以下缺点：相对平面反射镜较多吸收光能而发热，且散热冷却困难，故隅角棱镜腔不能用于高能激光情况；由于棱镜内的折射作用，隅角棱镜腔近场光斑中心光强较弱；由于工作在某些波段的棱镜需要光学晶体制造，这些光学晶体价格昂贵。

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，提供一种带角隅反射镜的激光谐振腔，其激光输出不仅具有高光束质量、高稳定性、而且具有高能量，并且调整非常方便。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种带角隅反射镜的激光谐振腔，包括全反射镜、平面输出镜及激光工作介质，全反射镜为角隅反射镜，由三个平面反射镜构成，交叉连接且相互垂直，其反射面均镀高反射膜，角隅反射镜的顶点位于激光腔光轴上，弦面与光轴垂直。

为达到上述目的，本发明采用的另一个技术方案是：一种带角隅反射镜的激光谐振腔，包括全反射镜及激光棒，全反射镜为角隅反射镜，由三个平面反射镜构成，交叉连接且相互垂直，其反射面均镀高反射膜，角隅反射镜的顶点位于激光腔光轴上，弦面与光轴垂直，在激光棒的输出端镀透反膜。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、角隅反射镜腔具有大模体积，小发散角，平面波光场以及准相位共轭性质，而且该腔便于冷却散热，其激光输出同时具有高能量、高光束质量和高稳定性。

2、由于角隅反射镜没有折射现象，该腔输出实心平行光束，近场光斑分布均匀，远场光能集中，光腔更便于调整，工作更稳定。也可以说是免调试，不失调。

3、使用角隅反射镜可以降低制造成本。

附图说明

图1为本发明一种实施例的结构简图。

图2为图1中角隅反射镜的结构简图。

图3为图2中一种平面反射镜的结构简图。

图4为图1中角隅反射镜安装结构简图。

图5为本发明另一种实施例的结构简图。

具体实施方式

由图1、图2所示，激光谐振腔包括全反射镜1、平面输出镜2及激光工作介质3，全反射镜1为角隅反射镜，由三个平面反射镜4、5、6构成交叉连接且相互垂直，其反射面均镀高反射膜。三个平面反射镜4、5、6之间可用粘接或用螺钉固定的方式相连接。

由图3所示，上述三个平面反射镜4、5、6均呈直角梯形，其锐角是45度。

由图4所示，角隅反射镜1的顶点位于激光腔光轴上，弦面与光轴垂直。可将角隅反射镜1用粘接或用螺钉固定等方式固定在座板7上，再将座板7通过螺栓等方式固定在光桥支撑座8上，且座板7光孔中心线与支撑座8的光腔中心线重合。平面输出镜2垂直光轴放置，其外表面可镀增透膜，内表面可镀透反膜。角隅反射镜1的光学性质是：任何方向的入射光线经三个相互垂直的平面镜依次反射后，出射光线与入射光线平行。或者说，只要入射光线方向不变，无论角隅反射镜绕其顶点如何晃动，出射光线的方向始终不变，与入射光线方向保持一致。根据这一性质，谐振腔输出光线的方向与平面输出镜的法线方向相同，且当角隅反射镜顶点位于光轴附近，弦面与光轴近似垂直时即可出光，出光能量与光束质量没有明显下降。

由图5所示，当本发明用于固体激光器时，可以在激光棒9的输出端镀透反膜取代平面输出镜2。这时，在激光棒9的输入端镀增透膜，激光棒9的中心线为激光腔的光轴。

本发明应用于大功率激光器时，角隅反射镜1和平面输出镜2应用水冷却，以防止过热而损坏，通常情况下用流动自来水冷却。选用硅晶体材料能使角隅反射镜1和平面输出镜2的热变形保持在较低程度，而用于中、小功率激光器时，可以不必冷却。

本发明可用于气体激光器、固体激光器，高功率或中、小功率激光器等。

Claims (4)

1、一种带角隅反射镜的激光谐振腔，包括全反射镜、平面输出镜及激光工作介质，其特征在于：全反射镜为角隅反射镜(1)，由三个平面反射镜(4)、(5)、(6)构成，交叉连接且相互垂直，其反射面均镀高反射膜，角隅反射镜(1)的顶点位于激光腔光轴上，弦面与光轴垂直。

2、根据权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于：上述三个平面反射镜(4)、(5)、(6)均呈直角梯形，其锐角是45度。

3、根据权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于：该激光谐振腔应用于高功率激光器时，角隅反射镜(1)和平面输出镜(2)用水冷却散热。

4、一种带角隅反射镜的激光谐振腔，包括全反射镜及激光棒，其特征在于：全反射镜为角隅反射镜(1)，由三个平面反射镜(4)、(5)、(6)构成，交叉连接且相互垂直，其反射面均镀高反射膜，角隅反射镜(1)的顶点位于激光腔光轴上，弦面与光轴垂直，在激光棒(9)的输出端镀透反膜。

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