CN1819375A - 不失调激光谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不失调激光谐振腔，包括全反镜、输出镜及激光工作介质，全反镜由中心直角圆锥的内侧面、中间环形的第一直角圆台的外侧面和边缘环形的第二直角圆台的内侧面反向相接而成，直角圆锥、第一直角圆台和第二直角圆台的旋转对称轴同轴，直角圆锥的内侧面、第一直角圆台的外侧面和第二直角圆台的内侧面均为高反射面。该激光谐振腔调整方便，工作稳定，可利用模体积大，输出光斑小，并能输出环形光斑，能量密度高，发散角小，可消除增益介质不均匀分布的影响，热稳定性好，可用于中、高功率激光器。

Description

不失调激光谐振腔

技术领域

本发明涉及激光谐振腔。

背景技术

在激光应用的许多场合中，例如激光检测、激光测量、激光打孔、焊接、切割等微精密加工、激光医疗、原子冷却、捕获等尖端物理研究中，都希望激光器最好能工作在发散角最小的基模状态。为了提高激光光束质量，传统选模技术可以使激光器输出的光束质量提高，但使用孔径光阑在很大程度上限制了模体积，增加了模损耗。

常用的激光谐振腔有稳定腔、非稳腔和临界腔三种。

稳定腔的损耗很低，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，因此在绝大多数中、小功率器件都采用稳定腔。当我们要求激光器高功率基模运行时，由于稳定腔的基模模体积太小，且与谐振腔镜面尺寸无关。这就意味着增大激活介质的横向尺寸或增大谐振腔镜面尺寸无助于基模激光光束输出功率的提高，反而容易导致激光器的多横模运转，降低输出光束的质量。

与一般稳定球面腔相比，非稳腔的波形限制能力显著提高；此外，由于振荡波形为球面波，对工作物质动态折射率畸变等影响比较不敏感，因此用于高增益激光器系统，可获得发散角相当小的高亮度输出光束。非稳腔的损耗主要是傍轴光线的发散损耗，单程的损耗很大，可达百分之几十。为获得高功率输出，工作物质的横向尺寸往往较大，因此衍射损耗可以忽略。由于腔的损耗较大，通常需采用侧面逸出输出耦合，故输出为中心空的环状光束。这种腔调整要求高，且不能用于低增益的或细口径的各类激光器系统中。

平行平面腔是临界腔中最广泛应用的一种腔型，它由一平面全反镜和一平面半透半反镜组成。平行平面腔的主要优点是：光束方向性极好(发散角小)，模体积较大，比较容易获得单模振荡。平行平面腔的主要缺点是：调整精度要求极高且容易失调，与稳定腔相比，损耗也较大，对小增益器件不大适用。

申请号99816848.3公开了一种《谐振腔含有陀螺形圆锥棱镜的激光器》；申请号200420017131.2公开了一种《直角内圆锥面反射镜激光谐振腔》。这两项专利提出的谐振腔是将平行平面腔的全反镜用直角圆锥棱镜和直角内圆锥面全反镜取代，利用直角圆锥棱镜和直角内圆锥面全反镜的逆向反射特性组成的直角圆锥棱镜谐振腔和直角内圆锥面全反镜谐振腔，可以大大降低腔的调整要求。同时，这些谐振腔除了具有平行平面腔的大模体积，小发散角的特点外，还具有高稳定性。但是这两类谐振腔的缺点是：不能压缩输出激光光斑的面积，从而提高输出光斑的功率密度；不能输出光场中心与周围功率密度分布进行调节；也不能实现带有中心光斑的特殊环行空心光斑的激光输出，满足某些特殊的激光应用要求；直角圆锥棱镜腔热稳定性低，某些激光波段的棱镜需要特殊的光学晶体制造，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，提出一种不失调激光谐振腔。该激光谐振腔可以消除增益介质不均匀分布的影响；压缩输出激光光斑的面积，从而提高输出光斑的功率密度；可以对输出光场中心与周围功率密度分布进行调节；也能实现带有中心光斑的特殊环行空心光斑的激光输出，满足某些特殊的激光应用要求；另外，加工方便，热稳定性好，价格低廉。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种不失调激光谐振腔，包括全反镜、输出镜及激光工作介质，全反镜由中心直角圆锥的内侧面、中间环形的第一直角圆台的外侧面和边缘环形的第二直角圆台的内侧而反向相接而成，直角圆锥、第一直角圆台和第二直角圆台的旋转对称轴同轴，直角圆锥的内侧面、第一直角圆台的外侧面和第二直角圆台的内侧面均为高反射面，相互之间的尺寸关系为Φb-Φd＝Φd-Φa，其中Φa为中心直角圆锥的内侧面与第一直角圆台的外侧面相接圆的直径，Φd为第一直角圆台的外侧面和第二直角圆台的内侧面相接圆的直径，Φb为全反镜的底面直径。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明在充分利用增益介质，实现大模体积激光输出的情况下，可以压缩输出激光光斑的面积，从而提高输出光斑的功率密度，可以对输出光场中心与周围功率密度分布进行调节，实现较为均匀的激光光场输出；可以获得发散角非常小，光束质量非常好的激光输出。

(2)本发明利用其逆向反射特性，可以消除增益介质不均匀分布的影响，对固体激光棒在激励下的不均匀性、气体激光器中气体不均匀性、放电不均匀性等导致的增益不均匀性起到光学补偿作用，降低激光谐振腔镜子的热畸变。

(3)本发明没有折射现象，提高了光场分布的均匀性。

(4)本发明能实现带有中心光斑的特殊环行空心光斑的激光输出，满足某些特殊的激光应用要求；

(5)本发明利用其逆向反射特性，可以大大降低腔的调整要求，而且安装、使用、维护方便，且性能可靠，容易对现有激光器进行改装。

(6)本发明加工方便，制造成本低。

(7)全反镜或者输出镜的轻微扰动，对输出激光的能量与光束质量没有明显影响，使用过程不失调。

附图说明

图1为本发明中全反镜的结构示意图。

图2为图1的右视图。

图3为图1中带有水槽和盖板的一种实施例的结构简图。

图4为图3中水槽的左视图。

图5为图3中盖板的左视图。

图6为本发明实施例1的结构示意图。

图7为图6中输出镜的结构简图。

图8为本发明实施例2的结构示意图。

图9为图8中输出镜的结构简图。

图10为本发明实施例3的结构示意图。

图11为图10中输出镜的结构简图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

由图1、图2所示，在本发明的不失调激光谐振腔中，全反镜1由中心直角圆锥的内侧面4、中间环形的第一直角圆台的外侧面5和边缘环形的第二直角圆台的内侧面6反向相接而成，直角圆锥、第一直角圆台和第二直角圆台的旋转对称轴同轴，直角圆锥的内侧面4、第一直角圆台的外侧面5和第二直角圆台的内侧面6均为高反射面，相互之间的尺寸关系为Φb-Φd＝Φd-Φa，其中Φa为中心直角圆锥的内侧面4与第一直角圆台的外侧面5相接圆的直径，Φd为第一直角圆台的外侧面5和第二直角圆台的内侧面6相接圆的直径，Φb为全反镜1的底面直径。

全反镜1的光学性质是任何方向的入射光线经全反镜1反射后，出射光线与入射光线平行。根据这一性质，谐振腔输出光线的方向与输出镜2的法线方向相同，且当上述中心直角圆锥的顶点位于光轴附近，其轴线与光轴近似重合时即可出光，全反镜1或者输出镜2的轻微扰动，对输出光能量与光束质量没有明显下降。

由图3～图5所示，由全反镜1构成的组合体7的后面有冷却水槽9，在水槽盖板8上开有进水口10和出水口11，盖板8与组合体7可采用焊接方式密封连接。

在本发明不失调激光谐振腔中，全反镜1由中心直角圆锥的内侧面4、中间环形的第一直角圆台的外侧面5和边缘环形的第二直角圆台的内侧而6反向相接而成，而输出镜2可为多种不同的结构。

安装时，全反镜1与输出镜2的旋转对称轴同轴，全反镜1所述中心直角圆锥的顶点最好位于激光腔的光轴上，全反镜1的底平面与光轴垂直。

实施例1

由图6～图7所示，一种不失调激光谐振腔包括全反镜1、输出镜2和激光工作介质3，输出镜2为整体输出镜，输出镜2上镀半透半反膜，相互之间的尺寸关系为Φc＝Φb，其中Φc为输出镜2的直径。

实施例1在充分利用增益介质，实现大模体积激光输出的情况下，通过调节Φa、Φb的尺寸大小，可以对输出光场中心与周围功率密度分布进行调节，实现较为均匀的激光光场输出；可以获得发散角非常小，光束质量非常好的激光输出，对增益介质分布不均匀的较强的匀化作用。

实施例2

由图8～图9所示，一种不失调激光谐振腔包括全反镜1、输出镜2和激光工作介质3。输出镜2为整体输出镜，由中心圆形平面14、中间环状平面12和边缘环状平面13组成，在中心圆形平面14和边缘环状平面13上镀半透半反膜，中间环状平面12上镀高反膜，相互之间的尺寸关系为Φc＝Φb，Φf＝Φd，Φe＝Φa，其中Φc为输出镜2的直径，Φe为中心圆形平面14的直径，Φf为中间环状平面12的外环直径。

实施例2在充分利用增益介质，实现大模体积激光输出的情况下，实现带有中心光斑的特殊环行空心光斑的激光输出，通过调节Φa、Φb的尺寸大小，可以对中心光斑与周围环形光斑的功率密度分布进行调节，满足特殊的激光应用要求；可以获得发散角非常小，光束质量非常好的激光输出，对增益介质分布不均匀的较强的匀化作用。

实施例3

由图10～图11所示，一种不失调激光谐振腔包括全反镜1、输出镜2和激光工作介质3，输出镜2为整体输出镜，由中心圆形平面15和边缘环状平面16组成，在中心圆形平面15上镀半透半反膜，边缘环状平面16上镀高反膜，相互之间的尺寸关系为Φc＝Φb，Φf＝Φd，其中Φc为输出镜2的直径，Φf为中心圆形平面15的直径。

实施例3在充分利用增益介质，实现大模体积激光输出的情况下，可以压缩输出激光光斑的面积，从而提输出光斑的功率密度，通过调节Φa、Φb的尺寸大小，可以对中心光斑与周围光斑的功率密度分布进行调节，满足特殊的激光应用要求；可以获得发散角非常小，光束质量非常好的激光输出，对增益介质分布不均匀的较强的匀化作用。

Claims (5)

1.一种不失调激光谐振腔，包括全反镜、输出镜及激光工作介质，其特征在于：

全反镜(1)由中心直角圆锥的内侧面(4)、中间环形的第一直角圆台的外侧面(5)和边缘环形的第二直角圆台的内侧面(6)反向相接而成，直角圆锥、第一直角圆台和第二直角圆台的旋转对称轴同轴，直角圆锥的内侧面(4)、第一直角圆台的外侧面(5)和第二直角圆台的内侧面(6)均为高反射面，相互之间的尺寸关系为Φb-Φd＝Φd-Φa，其中Φa为中心直角圆锥的内侧面(4)与第一直角圆台的外侧面(5)相接圆的直径，Φd为第一直角圆台的外侧面(5)和第二直角圆台的内侧面(6)相接圆的直径，Φb为全反镜(1)的底面直径。

2.根据权利要求1所述的不失调激光谐振腔，其特征在于：全反镜(1)所述中心直角圆锥的顶点位于激光腔的光轴上，全反镜(1)的底平面与光轴垂直。

3.根据权利要求1或2所述的不失调激光谐振腔，其特征在于：

输出镜(2)为整体输出镜，在输出镜(2)上镀半透半反膜，相互之间的尺寸关系为Φc＝Φb，其中Φc为输出镜(2)的直径。

4.根据权利要求1或2所述的不失调激光谐振腔，其特征在于：

输出镜(2)为整体输出镜，由中心圆形平面(14)、中间环状平面(12)和边缘环状平面(13)组成，在中心圆形平面(14)和边缘环状平面(13)上镀半透半反膜，中间环状平面(12)上镀高反膜，相互之间的尺寸关系为Φc＝Φb，Φf＝Φd，Φe＝Φa，其中Φc为输出镜(2)的直径，Φe为中心圆形平面(14)的直径，Φf为中间环状平面(12)的外环的直径。

5.根据权利要求1或2所述的不失调激光谐振腔，其特征在于：

输出镜(2)为整体输出镜，由中心圆形平面(15)和边缘环状平面(15)组成，在中心圆形平面(15)上镀半透半反膜，边缘环状平面(16)上镀高反膜，相互之间的尺寸关系为Φc＝Φb，Φf＝Φd，其中Φc为输出镜(2)的直径，Φf为中心圆形平面(15)的直径。

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