CN202602079U - 平底锅形镜面激光谐振腔 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种平底锅形镜面激光谐振腔。它包括在谐振腔体中相对布置的输出镜和反射镜、以及设置在输出镜和反射镜之间的激光工作介质，所述输出镜和反射镜中至少有一个的工作面呈平底锅形，该平底锅形工作面由一个凹球环面内切连接一个圆形平面构成。具体地，所述凹球环面的曲率半径R与激光谐振腔长度L的关系为：L＜R＜10L；所述圆形平面的直径b与凹球环面的外径a之比值为：b/a＝0.4～0.8。本实用新型可在相对较大的菲涅尔数范围内输出高光束质量激光，并可获得大模体积和高功率输出。同时，本实用新型加工简单，调整方便，工作稳定，可利用的模体积大，发散角极小，光束质量好。可以应用于中、高功率气体或固体激光器，特别适用于大体积增益介质的激光器。

Description

平底锅形镜面激光谐振腔

技术领域

本实用新型涉及激光振荡技术中的谐振腔，具体地指一种平底锅形镜面激光谐振腔。

背景技术

在激光应用的许多场合，例如激光打孔、焊接、切割、以及激光医疗等微精密加工中，都希望激光器最好能工作在发散角小、光束质量好的基模或者是低阶模状态。传统的选模技术，如使用孔径光阑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激光光束的模体积，增加了模损耗，从而导致激光器工作效率降低。

高功率激光器件设计的关键是在获得尽可能大的模体积和良好的横模鉴别能力的同时，实现高功率单模或者是低阶模式运转，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。高功率激光器件常用的激光谐振腔主要有稳定腔和非稳腔两类，稳定腔又分平行凹面稳定腔和平行平面稳定腔等。

平行凹面稳定腔的振荡损耗很低，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、小功率激光器件中都采用平行凹面稳定腔。但当我们要求激光器高功率基模运行时，由于平行凹面稳定腔的基模模体积太小，且与稳定腔镜面尺寸无关，这就意味着增大激活介质的横向尺寸或增大稳定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件的多横模运转，从而降低输出激光的光束质量。另外，在平行凹面稳定腔中使用硬边光阑可以得到基膜或者是低阶模式输出，但是硬边光阑的使用会导致激光器件的工作效率下降，并会在远场形成衍射环，这些都不利于实际的激光应用。

平行平面稳定腔是另一种广泛应用的稳定谐振腔，它由一平面反射镜和一平面部分反射镜组成。平行平面稳定腔的主要优点是其输出激光的发散角小，光束方向性极好，模体积较大，比较容易获得单模或者是低阶模式振荡。其主要缺点是调整精度要求极高且容易失调，与平行凹面稳定腔相比损耗也较大，对小增益器件不大适用。

与平行凹面稳定腔相比，激光谐振腔采用非稳腔时，其模式鉴别能力可显著提高。此外，非稳腔内的振荡波形为球面波，对工作介质动态折射率畸变等影响比较不敏感。因此，将其用于高增益激光器系统时，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，单程损耗很大，可达百分之几十。为获得高功率输出，激光工作介质的横向尺寸往往较大，因此衍射损耗可以忽略。由于非稳腔的损耗较大，通常需采用侧面逸出输出耦合，故输出大多为中空环状光束或者是矩形光束。这种腔的调整要求高，且不能应用于低增益的或细口径的各类激光器系统中。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术存在的不足，在一个相对较大的菲涅尔数范围内提供一种高光束质量激光输出的平底锅形镜面激光谐振腔。该谐振腔可以在保证激光光束质量的前提下，获得大模体积和高功率输出。

为实现上述目的，本实用新型所设计的平底锅形镜面激光谐振腔，包括在谐振腔体中相对布置的输出镜和反射镜、以及设置在输出镜和反射镜之间的激光工作介质，其特殊之处在于：所述输出镜和反射镜中至少有一个的工作面呈平底锅形，该平底锅形工作面由一个凹球环面内切连接一个圆形平面构成。

作为优选方案，所述凹球环面的曲率半径R与激光谐振腔长度L之间的关系为：L＜R＜10L，最佳的取值范围为：3L≤R≤7L。

进一步地，所述凹球环面的外径a与激光谐振腔长度L之间的关系为：1＜a²/(Lλ)＜15，其中λ表示激光器的工作波长。

更进一步地，所述圆形平面的直径b与凹球环面的外径a之比值为：b/a＝0.4～0.8。

本实用新型的作用机理如下：相对于传统的平行凹面稳定腔而言，由于输出镜和/或反射镜的工作面呈平底锅形结构，导致激光谐振腔的基模和低阶模式的光场不会集中在该平底锅形镜面的中心，而是均匀分布在整个镜面上，这样基模和低阶模式的体积就被扩大了，激光谐振腔的模式鉴别能力也被提高了。因此，本实用新型的谐振腔可以用来取代平行凹面稳定腔，提高输出激光光束的质量。相对于传统的平行平面稳定腔而言，尽管平底锅形镜面会导致谐振腔基模的体积扩大，但实际上这个时候低阶模式的衍射损耗相比平行平面稳定腔而言依然很小。因此，本实用新型谐振腔的输出功率比平行平面稳定腔的输出功率高，同时也能够保证谐振腔有较好的失调特性，可以用来取代平行平面稳定腔。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

其一，具有输出光束质量好、发散角小、模体积大、输出功率高的特点，能同时满足高光束质量和高功率的激光输出。

其二，能提供很高的模式鉴别能力，可以抑制高阶模式的振荡，保证谐振腔在低阶模式工作。

其三，可取代传统的平行凹面稳定腔和平行平面稳定腔，减小激光器的尺寸，提高激光器的输出功率。

其四，具有低损耗、不易失调的特性。调整要求低，安装、使用和维护方便，且性能可靠。

其五，容易对现有激光谐振腔进行改装，不仅能改善现有激光器的光束质量，还能提高激光器的输出功率。

其六，结构简单，加工方便，制造成本低廉。

附图说明

图1为平底锅形镜面激光谐振腔中输出镜和/或反射镜的平底锅形工作面的外轮廓结构示意图。

图2为平底锅形镜面激光谐振腔的第一种实施例的结构示意图。

图3为第一种实施例输出激光的近场光强分布示意图。

图4为第一种实施例输出激光的远场光强分布示意图。

图5为第一种实施例输出激光的关键参数变化示意图。

图6为第一种实施例输出激光的抗失调特性示意图。

图7为平底锅形镜面激光谐振腔的第二种实施例的结构示意图。

图8为平底锅形镜面激光谐振腔的第三种实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型的平底锅形镜面激光谐振腔作进一步的详细描述。

如图2、图7和图8所示，本实用新型提供的平底锅形镜面激光谐振腔，包括在谐振腔体中相对布置的输出镜1和反射镜2、以及设置在输出镜1和反射镜2之间的激光工作介质3。在反射镜1和输出镜2中，至少有一个的工作面呈平底锅形。

如图1所示，该平底锅形工作面由一个凹球环面H内切连接一个圆形平面Q构成。该平底锅形工作面也可以用如下数学方法界定：设p₂为直线p₁p₄的中点，直线L₁为直线p₁p₄的中垂线，圆弧p₁p₃与直线p₁p₄在p₁点相切。将曲线p₃p₁p₂围绕直线p₁p₄的中垂线L₁旋转360°，即可得到由凹球环面H和圆形平面Q构成的平底锅形工作面。定义凹球环面H的球半径为R，凹球环面H的外径为a，圆形平面Q的直径为b(与凹球环面H的内径相等)，激光谐振腔长度为L，激光器的工作波长为λ，则这些参数之间满足如下数学关系：b/a＝0.4～0.8，L＜R＜10L(最好是3L≤R≤7L)，1＜a²/(Lλ)＜15。

实施例1

如图2所示，本实用新型的第一种实施例中，输出镜1的工作面呈平底锅形，其圆形平面Q的直径b与凹球环面H的外径a之比值为：b/a＝0.4～0.7，其凹球环面H的曲率半径R与激光谐振腔长度L之间的关系为：R＝5L。谐振腔的菲涅尔数为a²/(Lλ)＝6.2。反射镜2的工作面呈平面形。对实施例1的激光谐振腔进行分析可知，其输出光束呈环状，功率峰值位置不在镜面的中心，而是以镜面中心为圆心的一个圆上，这样可以降低输出镜1、反射镜2以及外光路镜片中心的温度，减少热变形，提高光束稳定性。

如图3所示，为实施例1所述激光谐振腔在菲涅尔数为6.2、输出镜1的b/a＝0.6时，输出激光的近场光强分布示意图。图中：x轴和y轴分别表示x方向和y方向的光斑尺寸，纵轴方向表示激光的相对强度分布Relative amplitude。

如图4所示，为实施例1所述激光谐振腔在菲涅尔数为6.2、输出镜1的b/a＝0.6时，输出激光的远场光强分布示意图。图中：x轴和y轴分别表示x方向和y方向的光斑尺寸，纵轴方向表示激光的相对强度分布Relative amplitude。

从图3和图4可知，实施例1所产生的激光光束始终保持一种环形光斑输出。与传统的稳定腔相比，采用平底锅形镜面激光谐振腔可保证输出激光光束质量。

如图5所示，为实施例1所述激光谐振腔输出激光的关键参数变化示意图。图中：横轴表示输出镜1的b/a值，左边纵轴表示激光输出功率Output power的变化，右边纵轴表示激光输出光束因子M²factor的变化。

从图5可知，当输出镜1的b/a值变化时，激光输出功率和激光输出光束M²因子也相应变化。当b/a值为0时，输出镜1实际等同于一个球面镜，这时输出光束M²因子大于6，说明平底锅形镜面谐振腔可以保证高的激光光束质量。当b/a值接近0.6时，激光输出接近本地最大值，且输出光束M²因子最小，M²因子约在2.0附近，此时激光输出光束为环形模式。实施例1在实际使用中，b/a值在0.4～0.7的范围内最佳。激光谐振腔的菲涅尔数越小，平底锅镜的b/a的值应取的越小。激光谐振腔的菲涅尔数越大，输出镜1的b/a值就应取得越大。

如图6所示，为实施例1所述激光谐振腔在菲涅尔数为6.2、输出镜1的b/a＝0.6、R＝15m时，输出激光的抗失调特性示意图。图中：横轴表示反射镜2的失调角度misalignment(μrad)，纵轴表示激光谐振腔输出功率Output power的变化，实线表示输出镜1的工作面为平底锅形pan-like mirror resonator时，其激光输出功率的变化，虚线表示输出镜1为曲率半径为60m的球面反射镜concave mirror resonator(R＝60m)时，其激光输出功率的变化，点划线表示输出镜1为曲率半径为20m的球面反射镜concave mirror resonator(R＝20m)时，其激光输出功率的变化。

从图6可知，输出镜1参数R＝15m、b/a＝0.6的平底锅形镜面激光谐振腔拥有与曲率半径为60m的球面镜激光谐振腔相似的抗失调特性，说明其抗失调特性良好。因此，平底锅形镜激光谐振腔非常容易用于工业生产中。

由此可见，实施例1所述平底锅形镜面激光谐振腔可以大大提高激光输出功率。在模体积不变的情况下，可以大大压缩发散角，输出质量更好的激光光束。该谐振腔在激光工作介质3为气体或固体时均可使用，特别是当增益区较大时，更可以充分发挥其优势。

实施例2

如图7所示，本实用新型的第二种实施例中，反射镜2的工作面呈平底锅形，其圆形平面Q的直径b与凹球环面H的外径a之比值为：b/a＝0.6～0.7，其凹球环面H的曲率半径R与激光谐振腔长度L之间的关系为：R＝5L。输出镜1的工作面呈平面形。激光工作介质3采用环形柱状结构。对实施例2的激光谐振腔进行分析可知，其输出光束呈环状，功率峰值位置不在镜面的中心，而是以镜面中心为圆心的一个圆上，这样可以降低输出镜1、反射镜2以及外光路镜片中心的温度，减少热变形，提高光束稳定性。

与传统的稳定腔相比，实施例2所述平底锅形镜面激光谐振腔在保证输出激光光束质量、发散角不变的情况下，可以大大提高激光输出功率。在模体积不变的情况下，可以大大压缩发散角，输出质量更好的激光光束。该谐振腔在激光工作介质3为气体或固体时均可使用，特别是当激光工作介质3的增益区为环形柱状结构时，更可以充分发挥其优势。实施例2在实际使用中，b/a值在0.6～0.7的范围内最佳。谐振腔的菲涅尔数越小，b/a值应取得越小。谐振腔的菲涅尔数越大，b/a值就应取得越大。

实施例3

如图8所示，本实用新型的第三种实施例中，输出镜1和反射镜2的工作面均呈平底锅形，其圆形平面Q的直径b与凹球环面H的外径a之比值为：b/a＝0.6～0.8，其凹球环面H的曲率半径R与激光谐振腔长度L之间的关系为：R＝7L。对实施例3的激光谐振腔进行分析可知，其输出光束呈环状，功率峰值位置不在镜面的中心，这样可以降低输出镜1、反射镜2以及外光路镜片中心的温度，减少热变形，提高光束稳定性。

与传统的稳定腔相比，输出镜1和反射镜2的工作面均采用平底锅形的激光谐振腔在保证输出激光光束质量、发散角不变的情况下，其模体积可增大许多，从而大大提高激光输出功率。而在模体积不变的情况下，与传统稳定腔或单环凹面镜谐振腔相比，同心多环平底锅形镜面激光谐振腔输出光束的发散角更小、聚焦光斑更小。同时，输出镜1和反射镜2的工作面均采用平底锅形能够使得谐振腔的抗失调特性更加突出，衍射损耗进一步缩小，这样就提高了激光器的工作效率，降低了激光器的使用成本。实施例3在激光工作介质3为气体或固体时均可使用，特别是当增益区较大时，更可以充分发挥其优势。实施例3在实际使用中，b/a值在0.6～0.8为最佳。谐振腔的菲涅尔数越小，b/a值应取得越小。谐振腔的菲涅尔数越大，b/a值就应取得越大。

本实用新型不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本实用新型公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本实用新型，因此，凡是采用本实用新型的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本实用新型保护的范围。

Claims (9)

1.一种平底锅形镜面激光谐振腔，包括在谐振腔体中相对布置的输出镜(1)和反射镜(2)、以及设置在输出镜(1)和反射镜(2)之间的激光工作介质(3)，其特征在于：所述输出镜(1)和反射镜(2)中至少有一个的工作面呈平底锅形，该平底锅形工作面由一个凹球环面(H)内切连接一个圆形平面(Q)构成。

2.根据权利要求1所述的平底锅形镜面激光谐振腔，其特征在于：所述凹球环面(H)的曲率半径R与激光谐振腔长度L之间的关系为：L＜R＜10L。

3.根据权利要求1所述的平底锅形镜面激光谐振腔，其特征在于：所述凹球环面(H)的曲率半径R与激光谐振腔长度L之间的关系为：3L≤R≤7L。

4.根据权利要求1或2或3所述的平底锅形镜面激光谐振腔，其特征在于：所述凹球环面(H)的外径a与激光谐振腔长度L之间的关系为：1＜a²/(Lλ)＜15，其中λ表示激光器的工作波长。

5.根据权利要求1或2或3所述的平底锅形镜面激光谐振腔，其特征在于：所述圆形平面(Q)的直径b与凹球环面(H)的外径a之比值为：b/a＝0.4～0.8。

6.根据权利要求4所述的平底锅形镜面激光谐振腔，其特征在于：所述圆形平面(Q)的直径b与凹球环面(H)的外径a之比值为：b/a＝0.4～0.8。

7.根据权利要求4所述的平底锅形镜面激光谐振腔，其特征在于：所述输出镜(1)的工作面呈平底锅形，其圆形平面(Q)的直径b与凹球环面(H)的外径a之比值为：b/a＝0.4～0.7；所述反射镜(2)的工作面呈平面形。

8.根据权利要求4所述的平底锅形镜面激光谐振腔，其特征在于：所述反射镜(2)的工作面呈平底锅形，其圆形平面(Q)的直径b与凹球环面(H)的外径a之比值为：b/a＝0.6～0.7；所述输出镜(1)的工作面呈平面形。

9.根据权利要求4所述的平底锅形镜面激光谐振腔，其特征在于：所述输出镜(1)和反射镜(2)的工作面均呈平底锅形，其圆形平面(Q)的直径b与凹球环面(H)的外径a之比值为：b/a＝0.6～0.8。

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