CN1761110A - 光栅调谐非稳定激光谐振腔 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种光栅调谐非稳定激光谐振腔，适用于高功率光栅调谐的非稳定激光谐振腔，涉及激光器件。本发明激光谐振腔，是由凸球面反射镜、带中心孔的凹球面反射镜和位于其后的光栅复合会聚光学系统组成，凸球面反射镜、带中心孔的凹球面反射镜和光栅复合会聚光学系统共一光轴，且光栅法线与光轴成Littrow角。光栅为反射式凹球面衍射光栅或反射式平面衍射光栅。本发明光栅调谐非稳定激光谐振腔的腔损耗低，能输出高的激光能量和激光功率，适用于二氧化碳激光器，一氧化碳激光器，氟化氢/氟化氘激光器等多种可调谐激光器，在激光化学，大气传输、激光加工、激光雷达等领域有广泛的应用前景。

Description

光栅调谐非稳定激光谐振腔
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种适用于高功率光栅调谐的非稳定激光谐振腔。
背景技术
高功率激光器例如CO2激光器往往采用非稳定激光谐振腔。在某些重要的应用中需要激光输出的波长可调谐。现有的可调谐技术是将凹球面反射镜用凸透镜-反射式平面衍射光栅复合光学系统来代替(参考文献：R.Barbini，A.Ghigo，A.Palucci，S.Ribezzo.Line tunable TEA CO2laser using SFUR configuration.Optics Communications，1988，68(1)：41-44)。这个系统存在如下的缺点：1.采用这种复合光学系统的谐振腔的损耗较大。这是由于凸透镜的两个表面均要蒸涂抗反射膜，并且光栅的反射率即光栅的效率在现有的工艺水平下不可能很高，通常在90％至95％之间。2.光栅直接在高功率激光的照射下，易于损坏。3.所需的光栅尺寸很大，难以制作，价格较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的适用于高功率可调谐激光器的光栅调谐非稳定激光谐振腔，采用光栅组成低损耗的谐振腔以实现高功率可调谐的激光输出。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种光栅调谐非稳定激光谐振腔，由凸球面反射镜、带中心孔的凹球面反射镜和位于其后的光栅复合会聚光学系统组成，凸球面反射镜、带中心孔的凹球面反射镜和光栅复合会聚光学系统共一光轴，且光栅法线与光轴成Littrow角。
所述的激光谐振腔，其所述凸球面反射镜和带中心孔的凹球面反射镜，为金属反射镜、镀金或镀介质膜的金属反射镜、镀金或镀介质膜的硅基底反射镜。
所述的激光谐振腔，其所述光栅复合会聚光学系统，为一反射式凹球面衍射光栅。
所述的激光谐振腔，其所述光栅复合会聚光学系统，还包括一会聚透镜，会聚透镜位于带中心孔的凹球面反射镜和光栅之间，凸球面反射镜、带中心孔的凹球面反射镜、会聚透镜和光栅共一光轴。
所述的激光谐振腔，其所述光栅复合会聚光学系统，还包括一凹面反射镜，凹面反射镜的凹面向前，位于带中心孔的凹球面反射镜和光栅后方。凸球面反射镜、带中心孔的凹球面反射镜和凹面反射镜共一光轴；光栅位于凹面反射镜的前侧方，其反射面向后，与凹面反射镜的凹面相对应。
所述的激光谐振腔，其所述凹面反射镜，为球面反射镜或非球面反射镜。
所述的激光谐振腔，其所述复合光栅会聚光学系统，还包括一扩束器，扩束器位于带中心孔的凹球面反射镜和其后的光栅之间，凸球面反射镜、带中心孔的凹球面反射镜、扩束器和光栅共一光轴。
所述的激光谐振腔，其所述扩束器，由发散透镜和会聚透镜组成，会聚透镜位于发散透镜后方，凸球面反射镜、带中心孔的凹球面反射镜、发散透镜、会聚透镜和光栅共一光轴。
所述的激光谐振腔，其所述扩束器，由凸面反射镜和凹面反射镜组成，两镜的凸、凹面相对，凸面反射镜的凸面向前，凹面反射镜的凹面向后，凹面反射镜位于凸面反射镜的前侧方；凸球面反射镜、带中心孔的凹球面反射镜和凸面反射镜共一光轴。
所述的激光谐振腔，其所述凸面反射镜和凹面反射镜，为球面反射镜或非球面反射镜。
所述的激光谐振腔，其所述光栅，为反射式平面衍射光栅或反射式凹球面衍射光栅。
所述的激光谐振腔，其激光束直接从凸球面反射镜的边缘外耦合输出。
所述的激光谐振腔，采用侧面环状激光输出方式，则在凸球面反射镜和带中心孔的凹球面反射镜之间设置带中心孔的平面输出耦合反射镜，凸球面反射镜、带中心孔的平面输出耦合反射镜、带中心孔的凹球面反射镜和光栅复合会聚光学系统共一光轴，带中心孔的平面输出耦合反射镜的法线与光轴之间有一倾角，倾角范围为20°至70°。
本发明光栅调谐非稳定激光谐振腔的腔损耗低，能输出高的激光能量和激光功率，适用于二氧化碳激光器，一氧化碳激光器，氟化氢/氟化氘激光器等多种可调谐激光器，在激光化学，大气传输、激光加工、激光雷达等领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1是通常的无调谐的非稳定激光谐振腔示意图；
图2是现有的光栅调谐非稳定激光谐振腔示意图；
图3是本发明的光栅调谐非稳定激光谐振腔示意图；
图4是本发明的第一实施例；
图5是本发明的第二实施例；
图6是本发明的第三实施例；
图7是本发明的第四实施例；
图8是本发明的第五实施例；
图9是本发明的第六实施例。
具体实施方式：
为进一步说明本发明的特征及结构，以下结合附图对本发明作详细描述。
参阅图1通常无调谐的共焦正支非稳腔示意图。谐振腔由凸球面反射镜1，带中心孔的45°平面输出耦合反射镜2和凹球面反射镜3组成。其中凸球面反射镜的曲率半径为R1，为发散的反射镜，焦距为f1＝R1/2；凹球面反射镜3的曲率半径为R2，其为会聚的反射镜，焦距为f2＝R2/2。凸球面反射镜1和凹球面反射镜3的间距为L。带中心孔的45°平面输出耦合反射镜2位于凸球面反射镜1附近，中央部分开有直径为a的孔，该孔的轴线与平面镜也成45°，如图所示，实际上这是一个长轴与短轴之比为
Figure A20041008118500071
的椭圆孔。
按照通常的非稳腔理论(例如可参考文献：A.E.Siegman.“Lasers”，Mill Valley，California：University Science Books.1986)有如下关系：
L＝f2-f1
M = f 2 f 1
式中M为非稳腔的放大率，L为谐振腔的腔长。在凸球面反射镜1上实际的光照直径为a1，a1＝a。在平面输出耦合反射镜2上实际的光照直径为a2，a2＝Ma。按照非稳腔理论，对球面镜谐振腔，腔内往返一次的功率损失为
Figure A20041008118500073
作为输出耦合。相应的增益反馈为
图2所示的现有的光栅调谐非稳定激光谐振腔和图1所示的通常的无调谐的非稳定激光谐振腔的区别是会聚透镜4和反射式平面衍射光栅组成复合的光学系统代替了凹球面反射镜3。该复合的光学系统的等效会聚焦距与凹球面反射镜3的焦距f2相同，因此图2的谐振腔对于符合光栅自准直条件的波长与图1标准的非稳腔是类似的，仅仅是这个复合光学系统的有效反射率低于标准的全反射镜。
光栅的自准直条件是Littrow条件：2dSinα＝λ。式中d为光栅常数，α为光栅法线与谐振腔光轴的夹角，λ为激光波长。
图3是本发明的光栅调谐非稳定激光谐振腔示意图。本发明激光谐振腔由凸球面反射镜1、中心带孔的45°平面输出耦合反射镜2、带中心孔的凹球面反射镜6和光栅复合会聚光学系统20组成，其中光栅复合会聚光学系统20由扩束器7和反射式衍射光栅5组成，凸球面反射镜1、带中心孔的凹球面反射镜6，扩束器7和反射式衍射光栅5共一光轴。带中心孔的凹球面反射镜6的焦距与图1的凹球面反射镜3相同，均为f2。带中心孔的凹球面反射镜6上的中心孔的直径与45°平面输出耦合反射镜2上的孔的直径相同，即为a。扩束器7与光栅5组成的光栅复合光学系统20的等效焦距也是f2。按照本发明的设计，由凹球面反射镜6和光栅复合会聚光学系统20组成的等效会聚焦距为f2，即与图1中的凹球面反射镜3相同。凹球面反射镜6是高反射率的光学元件，例如对于CO2激光器，采用镀金的铜反射镜，其反射率可达99％以上。由于凹球面反射镜6在整个由凹球面反射镜6和光栅复合会聚光学系统20组成的等效光学系统中所占的面积的百分比很大，为
Figure A20041008118500081
因此该等效光学系统的损耗很小，效率很高。此外在光栅复合会聚光学系统20中采用了扩束器7，光栅5上的激光强度也将大大下降，从而防止了光栅5受强激光作用而破坏。为了使激光器能够在高功率下运转，光栅5和反射镜6可采用高热导率基底材料制造并且用冷却液冷却。
图4是本发明的第一实施例，其中由凹透镜8和凸透镜9组成了扩束器7。
图5是本发明的第二实施例，其中由凸面反射镜10和凹面反射镜11组成扩束器7，两镜的凸、凹面相对，凸面反射镜10的凸面向前，凹面反射镜11的凹面向后，凹面反射镜11位于凸面反射镜10的前侧方；凸球面反射镜1、带中心孔的凹球面反射镜6和凸面反射镜10共一光轴。凸面反射镜10和凹面反射镜11是球面反射镜。为了减小光学象差，提高激光束的光学质量，这两个反射镜也可采用非球面反射镜。
图6是本发明的第三实施例，是一种简化情形，光栅复合会聚光学系统20中不采用扩束器7，由一个会聚透镜12代替。会聚透镜12位于带中心孔的凹球面反射镜6和其后的反射式衍射光栅5之间，带中心孔的凹球面反射镜6、会聚透镜12和反射式衍射光栅5共一光轴。
图7是本发明的第四实施例，是另一种简化情形，光栅复合会聚光学系统20中不采用扩束器7，由一个凹面反射镜13代替，凹面反射镜13的凹面向前，位于带中心孔的凹球面反射镜6和反射式衍射光栅5后方，带中心孔的凹球面反射镜6和凹面反射镜13共一光轴；反射式衍射光栅5位于凹面反射镜13的前侧方，其反射面向后，与凹面反射镜13的凹面相对应。凹面反射镜13是球面反射镜。为了减小光学象差，提高激光束的光学质量，这个反射镜13也可采用非球面反射镜。
图8是本发明的第五实施例，是本发明的进一步简化情形，光栅复合会聚光学系统20为一反射式凹球面衍射光栅14。
图9是本发明的第六实施例，其中不设置带中心孔的45°平面输出耦合反射镜，激光束直接从凸球面反射镜1的边缘外耦合输出。

Claims (13)

1.一种光栅调谐非稳定激光谐振腔，由凸球面反射镜、带中心孔的凹球面反射镜和位于其后的光栅复合会聚光学系统组成，其特征在于：该非稳定激光谐振腔包括一带中心孔的凹球面反射镜和位于其后的光栅复合会聚光学系统；凸球面反射镜、带中心孔的凹球面反射镜和光栅复合会聚光学系统共一光轴，且光栅法线与光轴成Littrow角。
2.如权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于：所述凸球面反射镜和带中心孔的凹球面反射镜，为金属反射镜、镀金或镀介质膜的金属反射镜、镀金或镀介质膜的硅基底反射镜。
3.如权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于：所述光栅复合会聚光学系统，为一反射式凹球面衍射光栅。
4.如权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于：所述光栅复合会聚光学系统，还包括一会聚透镜，会聚透镜位于带中心孔的凹球面反射镜和光栅之间，凸球面反射镜、带中心孔的凹球面反射镜、会聚透镜和光栅共一光轴。
5.如权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于：所述光栅复合会聚光学系统，还包括一凹面反射镜，凹面反射镜的凹面向前，位于带中心孔的凹球面反射镜和光栅后方；凸球面反射镜、带中心孔的凹球面反射镜和凹面反射镜共一光轴；光栅位于凹面反射镜的前侧方，其反射面向后，与凹面反射镜的凹面相对应。
6.如权利要求5所述的激光谐振腔，其特征在于：所述凹面反射镜，为球面反射镜或非球面反射镜。
7.如权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于：所述复合光栅会聚光学系统，还包括一扩束器，该扩束器位于带中心孔的凹球面反射镜和其后的光栅之间，凸球面反射镜、带中心孔的凹球面反射镜、扩束器和光栅共一光轴。
8.如权利要求7所述的激光谐振腔，其特征在于：所述扩束器，由发散透镜和会聚透镜组成，会聚透镜位于发散透镜后方，凸球面反射镜、带中心孔的凹球面反射镜、发散透镜、会聚透镜和光栅共一光轴。
9.如权利要求7所述的激光谐振腔，其特征在于：所述扩束器，由凸面反射镜和凹面反射镜组成，两镜的凸、凹面相对，凸面反射镜的凸面向前，凹面反射镜的凹面向后，凹面反射镜位于凸面反射镜的前侧方；凸球面反射镜、带中心孔的凹球面反射镜和凸面反射镜共一光轴。
10.如权利要求9所述的激光谐振腔，其特征在于：所述凸面反射镜和凹面反射镜，为球面反射镜或非球面反射镜。
11.如权利要求4、5、7、8和9所述的激光谐振腔，其特征在于：所述光栅，为反射式平面衍射光栅或反射式凹球面衍射光栅。
12.如权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于：激光束直接从凸球面反射镜的边缘外耦合输出。
13.如权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于：采用侧面环状激光输出方式，在凸球面反射镜和带中心孔的凹球面反射镜之间设置带中心孔的平面输出耦合反射镜，凸球面反射镜、带中心孔的平面输出耦合反射镜、带中心孔的凹球面反射镜和光栅复合会聚光学系统共一光轴，带中心孔的平面输出耦合反射镜的法线与光轴之间倾角为20°至70°。
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