CN204044435U - 一种激光聚焦装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型介绍了一种激光聚焦装置，由激光束整形装置和一个负支共焦非稳腔组成。输入的高斯激光束通过整形后成为空心环形光束，再通过耦合镜注入负支共焦非稳腔。通过激光束在负支共焦非稳腔的来回反射，在焦点处的反复叠加，这样可以在焦点处获得高的激光强度。这样的高强度激光可以用于光电离、光激发、三阶非线性效应等实验。

Description

一种激光聚焦装置

技术领域

本实用新型涉及一种激光聚焦装置，尤其是涉及一种使用负支共焦非稳腔的激光束聚焦装置。

背景技术

很多光学效应只有在高强度光的强度才能产生。例如属于三阶非线性效应的受激拉曼，CARS，受激布里渊散射，四波混频，三倍频等；以及光解离分子，光诱导等离子体等。最简单的方法是使用透镜或者凹面反射镜来聚焦激光束，这种方式只能将光束聚焦一次；在一些实验中使用多程聚焦样品池，在实验介质中光束来回折返形成多个焦点，来增加要观察的现象强度。

而通过精确的设计光腔，可以让光束多次在同一个焦点聚焦，可以获得增加的激光能量。例如专利US3,825,325公开了一种将光束反复反射通过同一点来增加该点光强度的方法，使用两个相向的凹面镜，光束从其中一个凹面镜的小孔注入光腔。专利EP 2 700 986 A1公开了一种可以提高具有强度分布的激光束增强装置，激光束在光腔内按照闭合路径传播，反复叠加通过焦点。作者仔细地考虑了反射膜层对能量密度的承受能力对焦点强度的影响。这些设计结构比较复杂，需要特殊定制的反射镜面和高超的调节技术。最常见的激光束是准直高斯激光束，在实际应用中，需要一种简单而又高效的激光聚焦增强装置。

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的问题，本实用新型的目的是提供一种激光束聚焦装置，通过激光束多次在同一焦点聚焦来产生高激光功率，并且方案简单，造价低，大部分装置使用标准光学元件搭建，不使用复杂曲面光学表面。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种激光束聚焦装置，包括45度刮刀镜一、W形镜、凹面镜一、45度刮刀镜二、凹面镜二，其特征在于：凹面镜一与凹面镜二相对设置组成一共焦非稳腔；45度刮刀镜二设置于共焦非稳腔的光轴上，一输入的准直实心激光束经45度刮刀镜一中心位置的通孔后照射到W形镜上，被W形镜整形为环形激光束后通过45度刮刀镜一和45度刮刀镜二的次第耦合反射进入共焦非稳腔，随后光束在共焦非稳腔内往复聚焦通过焦点。

详细的是，W形镜为轴对称结构，轴向截面为W形，W形的三个交角均为直角，四条边等长，于W形截面的上部形成一内反射面。W形镜的口径为2R；半径为r的光束，经过W形镜整形为外径为2R，内径为2(R-r)的环形光束。

W形镜整形后的环形激光束被刮刀镜反射进入共焦非稳腔，45度刮刀镜一，45度刮刀镜二为45度角摆放，而其在光轴上的投影为圆环形；刮刀镜的通光孔径(内孔在其光轴上的投影直径)为2(R-r)。

进一步的，凹面镜二在其中心半径为z的区域具有对工作激光的高透射率，或者是小孔，一个让激光泄漏的路径。

共焦非稳腔的细节是，凹面镜一二的曲率半径之比定义为缩束比M(M>1)，空心光斑的外径与空心直径之比为M，光束每传播一周后光斑的外径缩小为原来的1/M。

本实用新型的有益效果是：

当整形环形光束在共焦非稳腔内传播时，若光束是连续波或者足够长的脉冲光，就可以在光腔内来回折返，并且反复按照同一个方向在焦点处聚焦，这样由于光束的前后叠加，就可以获得比简单地使用透镜或者凹面反射镜聚焦光束数倍强的焦点。

本实用新型使用普通的高斯光束，或者其他类实心光束，来源广泛，使用反射镜避免了使用透镜时候的光谱吸收问题，设置的光泄漏孔可以让过多次反射之后的畸变光束逸出光腔，或者避免光束过分聚焦之后损坏两个凹面反射镜的中心；并且方案使用标准的光学元件，造价低，调节方便；不使用透射光学元件，仅仅使用反射，有利于增强装置的抗光损伤能力。

附图说明

图1：激光聚焦装置：(1)45度刮刀镜一 (2)W形镜 (3)凹面镜一 (4)45度刮刀镜二 (5)凹面镜二。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式做进一步的说明。

如附图所示：

一种激光束聚焦装置，包括45度刮刀镜一1、W形镜2、凹面镜一3、45度刮刀镜二4、凹面镜二5，其特征在于：凹面镜一3与凹面镜二5相对设置组成一共焦非稳腔；45度刮刀镜二4设置于共焦非稳腔的光轴上，一输入的准直实心激光束经45度刮刀镜一1中心位置的通孔后照射到W形镜2上，被W形镜2整形为环形激光束后通过45度刮刀镜一1和45度刮刀镜二4的次第耦合反射进入共焦非稳腔，随后光束在共焦非稳腔内往复聚焦通过焦点。

具体是，W形镜2的光轴水平放置，使用直径合适的实心激光束，例如高斯激光束沿其光轴先穿过了45度刮刀镜一1的中心孔，后照亮W形镜2的中心圆锥面，光束被垂直光轴地反射向四周，照亮其外周的坡面。

这里将参数R设置为20mm，r设置为2mm，z设置为0.5mm。

按照图中的方位进行描述，光束被再次反射，成为了向45度刮刀镜一1方向行进的环形光束，并照亮45度刮刀镜一1；光束被45度刮刀镜一1反射向45度刮刀镜二4，又被45度刮刀镜二4向左反射向凹面镜一3。

环形激光束被反射转化为球面波，穿过45度刮刀镜二4的中心孔，在焦点处聚焦。最后，光束在凹面镜一3，凹面镜二5组成的共焦非稳腔内部来回反射，当光束为连续波，或者足够长的脉冲，焦点处成为多程光束的反复叠加，获得比单次聚焦更强的激光能量。

凹面镜二5的中心直径为1毫米区域为一个透射区，用来作为激光束出口，防止激光束能量聚集损坏反射镜，或者防止光束太多次反射之后，畸变积累导致光束质量大大下降却仍然存在腔内，干扰应用。

注入共焦非稳腔的平均光强度随着M的减小M＝R/R-r，M趋近1而按照ln(R-r/z)/ln(R/R-r)的比例迅速增加。这里R＝20，r＝2，z＝0.5mm，则因为光腔内多次在焦点的聚焦，该方案所能获得的焦点处理论最高光强比单次聚焦的强34倍。

在实际应用中，根据需要波长和需要光强的不同，调节反射镀层的结构，来获得最佳的效果。

实施例仅仅为了方便本专业人员理解专利内容，不能因此限制专利的权利要求范围。

本实用新型是种准直实心激光束聚焦装置，由激光束整形装置和一个负支共焦非稳腔组成。输入的高斯激光束通过整形后成为空心环形光束，再通过耦合镜注入负支共焦非稳腔。通过激光束在负支共焦非稳腔的来回反射，在焦点处的反复叠加，这样可以在焦点处获得高的激光强度。这样的高强度激光可以用于光电离、光激发、三阶非线性效应等实验。

Claims (6)

1.一种激光聚焦装置，包括45度刮刀镜一(1)、W形镜(2)、凹面镜一(3)、45度刮刀镜二(4)、凹面镜二(5)，其特征在于：凹面镜一(3)与凹面镜二(5)相对设置组成一共焦非稳腔；45度刮刀镜二(4)设置于共焦非稳腔的光轴上，一输入的准直实心激光束经45度刮刀镜一(1)中心位置的通孔后照射到W形镜(2)上，被W形镜(2)整形为环形激光束后通过45度刮刀镜一(1)和45度刮刀镜二(4)的次第耦合反射进入共焦非稳腔，随后光束在共焦非稳腔内往复聚焦通过焦点。 

2.按照权利要求1所述的激光聚焦装置，其特征在于：W形镜(2)为轴对称结构，轴向截面为W形，W形的三个交角均为直角，四条边等长，于W形截面的上部形成一内反射面。 

3.按照权利要求1所述的激光聚焦装置，其特征在于：45度刮刀镜一(1)、45度刮刀镜二(4)均与其入射光路成45度角摆放，而其在光轴上的投影为圆环形。 

4.按照权利要求1所述的激光聚焦装置，其特征在于：凹面镜二(5)的中心区域具有对工作激光的高透射率，或者凹面镜二(5)的中心设有小孔，即提供一个让激光泄漏的路径。 

5.按照权利要求1或4所述的激光聚焦装置，其特征在于： 

透过45度刮刀镜一(1)的光束半径为r；W形镜的直径为2R；半径为r的光束，经过W形镜整形为外径为2R，内径为2(R-r)的环形光束； 

45度刮刀镜一(1)、和45度刮刀镜二(4)刮刀镜的通光孔径(内孔在其光轴上的投影直径)为2(R-r)； 

凹面镜一(3)与凹面镜二(5)具有不等的焦距，凹面镜一(3)与凹面镜二(5)的曲率半径之比定义为缩束比M(M>1)， 

经45度刮刀镜二(4)反射的光束于凹面镜一(3)上形成一空心光斑，空心光斑的外径与光斑的空心处直径之比为M，光束每往复传播一周后光斑的外径缩小为原来的1/M；M的值为R/(R-r)。 

6.按照权利要求5所述的激光聚焦装置，其特征在于：凹面镜二(5)在其中心半径为z的区域具有对工作激光的高透射率，或者凹面镜二(5)在其中心半径为z的区域是小孔；理论上的最高光强可以比单次聚焦的强ln((R-r)/z)/ln(R/(R-r))倍。