CN208299191U - 一种激光谐振腔系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光光束整形系统，包括谐振腔，所述谐振腔包括尾镜以及输出镜，所述输出镜包括镜面A，所述镜面A上设置有圆环带，所述圆环带的具体位置为预定输出的高阶横模的光斑节线对应在镜面A上的位置，所述圆环带的反射率设置为零，镜面A上除圆环带所在位置外的其他区域镀有半透半反膜，所述输出镜还包括镜面B，所述镜面B设置为高度不同、凹凸间隔的同心圆环面，其相邻的凹面与凸面均通过分界面来连接，所述分界面与镜面A上对应的圆环带位于同一水平轴线上，该系统能够输出单一高阶横模，且在输出镜上一体式完成高阶横模的选择和相位调制，一方面可以改善光束质量，另一方面可以大大地方便激光谐振腔系统的安装调试。

Description

一种激光谐振腔系统

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，尤其是涉及一种激光谐振腔系统。

背景技术

输出功率高的激光器在工业生产中应用比较广泛，比如焊接、切割、表面处理、材料快速成形等，也广泛应用于国防、航空航天等领域，特别是国防中激光武器对大功率激光器的研发有迫切需求。我国也在高功率激光研发技术上面投入很多研发力量，目前高功率激光器发展速度很快，种类很多，应用前景广泛。实际生产应用中对输出激光的能量大小、光斑形状、发散角度等各方面都有一定的参数要求，所以对激光光束的整形优化也有很多研究应用。如何在高功率输出基础上对能量分布进行整形优化，增大输出的功率密度和峰值功率密度是大功率激光器应用中必须解决的问题。通常的激光谐振腔无法在短增益介质条件下同时满足输出激光的高功率和高光束质量两个要求。一般做法是在横向上增加增益介质的半径，增大对应体积，光束输出为发散角大的高阶模式或者混合模式输出，但无法满足对光束质量的要求；如果在轴向上加长光束通过增益介质的长度，则对应谐振腔的加工、安装、调试角度要求很高。常用的光束整形方式能保证输出光束为基模，但是也限制了输出光束能量的大小，难于满足工业生产加工需求，因此高功率的激光光束质量改善一直是一项很重要的研究课题，也是发展超高功率激光器需要解决的一个难题。现有技术中，设计的激光光束整形装置是假定激光器的输出横模是一个单独的高阶模，或仅有少数几个高阶模为前提的条件下，通过相位调制改善光束质量的。而在实际情况中，很多激光器难以输出较为纯净的某个单一高阶模，其输出为多个模式的混合模，在这种情况下采用上述整形方式对镜片进行设计需要的分析计算过程比较复杂。如果能保证激光器谐振腔输出的激光模式是单一高阶模式，同时还保证输出的激光光束质量提高，那么对应的激光谐振腔系统设计就会更加方便，应用会更加广泛。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够输出单一高阶横模，并且提高激光光束质量的激光谐振腔系统。

本实用新型所采用的技术方案是，一种激光谐振腔系统，包括谐振腔，所述谐振腔包括尾镜以及输出镜，所述输出镜包括面向尾镜的镜面A，其特征在于：所述镜面A上设置有圆环带，所述圆环带的具体位置为预定输出的高阶横模的光斑节线对应在镜面A上的位置，所述圆环带的反射率设置为零，镜面A上除圆环带所在位置外的其他区域镀有半透半反膜，所述输出镜还包括背对尾镜的镜面B，所述镜面B设置为高度不同、凹凸间隔的同心圆环面，其相邻的凹面与凸面均通过分界面来连接，所述分界面与镜面A上对应的圆环带位于同一水平轴线上，所述镜面B的外表面镀有一层增透膜。

本实用新型的有益效果是：上述激光谐振腔系统，将预定输出的高阶横模的光斑节线在镜面A上覆盖的区域标记上圆环带，该圆环带的反射率设置为零，再将镜面A上除圆环带所在区域之外的其他区域镀上半透半反膜，这种设计结构对预定输出的高阶模式的光束没有任何影响，反而其他模式的光束则相应的增大了其单次衍射损耗，这样就能使其他模式的光束衍射损耗大于增益，光束经过在腔内振荡后，其他模式的光束由于衍射损耗，无法满足输出条件，那么最后就只有预定输出的高阶模式的激光满足输出条件输出，从而达到谐振腔内选模、输出单一高阶模的目的；同时镜面A的每个圆环带所处的水平轴线上都对应上镜面B上相邻的凹面与凸面的之间的分界面，这样可以使从输出镜输出的激光光束变为等相位面，即完成对输出横膜的相位调制，将相位调制与高阶横模选择输出结合，仅在输出镜上一体式完成高阶横模的选择和相位调制，一方面可以改善光束质量，另一方面可以大大地方便激光谐振腔系统的安装调试。

作为优先，输出镜的镜面B上的凹面和凸面的高度差Δ满足：其中n 为输出镜镜面B对入射激光的折射率，λ是入射激光的波长，k为正整数。

作为优先，所述谐振腔还包括用于放置输出镜的输出镜镜框，所述镜面A上的圆环带设置为锥形结构，所述输出镜镜框的外表面上镀有一层吸收膜，采用该结构，当谐振腔内的振荡激光经过圆环带时，可以使其偏离原来光路不能原路反射回去，再在安装输出镜的镜框上镀一层吸收膜，即镜框的表面设计为吸收面，这样谐振腔内的振荡激光照射锥形结构后经过反射、或折射、或透射后偏离原来光路的杂散光会被吸收。

作为优先，谐振腔还包括设置在输出镜前方的聚焦镜，所述聚焦镜在其焦点处形成聚焦光斑，所述聚焦光斑包括主峰和旁瓣，采用该结构，聚焦镜能够对从输出镜的镜面B输出的光束产生汇聚，并在聚焦镜的焦点处形成聚焦光斑。

作为优先，谐振腔还包括设置在聚焦镜前方的空间滤波镜，所述空间滤波镜的中心与聚焦镜的焦点光斑的中心处于同一水平轴线上，所述空间滤波镜的中心部位设置有供聚焦光斑的主峰通过的光孔，所述聚焦光斑的旁瓣被空间滤波镜吸收，采用该结构，不但能够有效地滤除旁瓣光，而且还可以吸收旁瓣光束能量，消除了反射激光的危害。

作为优先，谐振腔还包括设置在空间滤波器前方的准直透镜，所述准直透镜的前焦面的中心与空间滤波镜的中心处于同一水平轴线上，采用该结构，准直透镜可以对从空间滤波镜输出的激光进行准直。

作为优先，所述谐振腔还包括供尾镜放置的尾镜镜框，所述尾镜包括一个面向输出镜的尾镜镜面，所述尾镜镜面上设置有若干锥形槽，所述尾镜镜框的外表面镀有一层吸收膜，采用该结构，可以提高谐振腔的选模能力，并且提高从尾镜输出的横模的纯度。

附图说明

图1为本实用新型一种激光谐振腔系统的结构示意图；

图2为本实用新型的输出镜的镜面A与预定输出的高阶横模的对应图；

图3为整形前从输出镜输出的4个模式的横模的强度分布图；

图4为整形前TEM₂₀横膜在输出镜的镜面A上的输出截面能量和位置的关系图；

图5为4个模式的横模在本实用新型所描述的输出镜上的强度分布图；

图6为TEM₂₀横膜在本实用新型所描述的镜面A上的输出截面能量和位置的关系图；

图7为本实用新型中圆环带采用锥形结构的镜面A与预定输出的高阶横模的对应图；

如图所示：1、尾镜；2、输出镜；3、镜面A；4、半透半反膜；5、介质；7、圆环带；8、镜面B；9、输出镜镜框；10、聚焦镜；11、空间滤波镜；12、光孔；13、准直透镜；14、尾镜镜框；15、尾镜镜面；16、分界面；17、锥形槽。

具体实施方式

以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述实用新型，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本实用新型保护范围并不受限于该具体实施方式。

通常激光器的谐振腔由增益介质和反射镜组成，反射镜的结构多种多样，激光器输出的模式多种多样，对于确定的激光谐振腔输出的模式则是有限的，能输出的激光模式必须满足以下两个特征：(1)、满足谐振条件；(2)、在谐振腔内的增益大于损耗。其中谐振条件是对自再现模的往返相移的限制，与谐振腔的长度有关，对满足谐振条件的可能模式，增益和损耗影响不同模式的能量汇聚情况：假设谐振腔内只存在一种模式的横模在腔内一次往返的增益比损耗大，同时其他模式的横模在腔内往返一次的增益比损耗小，这样在腔内多次往返的过程中，只有特定的一种模式的能量得到增加，其他模式的能量逐渐被衰减最终被抑制掉，谐振腔最后输出只有这种特定模式，从而实现单模输出。谐振腔内的损耗可以分为选择损耗和非选择损耗两类，选择损耗对不同的模式大小不同，因而有选择模式的作用，具体又能细分为几何偏折损耗和衍射损耗；非选择损耗对不同模式来说差别不大，具体又可分为腔镜反射不完全造成的损耗以及材料中的非启动吸收、散射等造成的损耗。几何损耗的大小和谐振腔反射镜的类型和大小尺寸有关，当横模的阶数比较低，光束与轴线的夹角比较小的时候，一定程度上可以看做傍轴光线，此时的几何损耗可以忽略不计。同时，不同横模有不同的衍射损耗，这个值与横模的阶数有关，所以可以多通过加大不同模式的衍射损耗，达到选模的目的。一般在稳定腔中，基模的衍射损耗最小，高阶横模的衍射损耗相对更大，模式阶数越高，对应的衍射损耗越大。

为了能有效选择出单一横模，除了改变不同模式的衍射损耗的绝对值大小以外，还需要考虑不同模式之间衍射损耗的比值关系。只有不同模式之间的衍射损耗比值差距比较大，才能有效的区分不同的模式，达到选模的目的，当这个比值比较小的时候，不同模式间的竞争能量差距不明显，选模效果较差。假设所选择需要输出的模式为TEM_mn，其他不需要的模式为TEM_xy(mn和xy均大于等于0，且x、y不同时等于m、n)，和为工作物质中TEM_mn模和TEM_xy模对应的小信号增益系数，δ_mn和δ_xy分别为对应模式的单程衍射损耗，当满足下列两个不等式：谐振腔输出才满足单模(TEM_mn模)条件。假设不同横模对应的增益大体相同，不同模式之间不同的衍射损耗值就是横模选择的根据。因此必须尽量增大所要选择的横模和其他模式之间的衍射损耗比例，δ_xy/δ_mn越大，横模鉴别能量越高。

通常情况下，谐振腔内的基模衍射损耗一般比较小，高阶横模的衍射损耗一般比较大，因此基模更容易在模式竞争中胜出。常用的选模方式也多适用于基模选择输出，对应的高阶选模方式往往存在调节复杂，选模效果不明显等缺点。

本实用新型涉及一种激光谐振腔系统，包括谐振腔，如图1所示，包括谐振腔，所述谐振腔包括尾镜1以及具有反射率的输出镜2，所述输出镜2包括面向尾镜1的镜面A3，如图2所示，所述镜面A3上设置有圆环带7，所述圆环带7具体具体位置为预定输出的高阶横模的光斑节线对应在镜面A3上的位置，所述圆环带7的反射率设置为零，镜面A3上除圆环带所在位置外的其他区域镀有半透半反膜4。在图2中，右侧为输出镜，左侧为预定输出的高阶横模覆盖输出镜的镜面A上的形状，阴影部分为预定输出的高阶横模的光斑节线的位置，在该位置上标记上圆环带。上述激光谐振腔系统，先通过谐振腔的尾镜1、输出镜2以及增益介质5等尺寸参数来计算分析出谐振腔内会存在的不同模式的横模，然后从这些横模中任选一支需要输出的高阶横模(即预定输出的高阶横模)，再计算出预定输出的高阶横模的光斑节线，并找出其光斑节线覆盖在输出镜2的镜面A3上的区域，将该区域标记上圆环带7，并圆环带7的反射率设为零，而在镜面A上除光斑节线覆盖区域外的其他区域镀上半透半反膜4，这种设计对预定输出的高阶模式的光束没有任何影响，反而其他模式的光束则相应的增大了其单次衍射损耗，这样就能使其他模式的光束衍射损耗大于增益，光束经过在谐振腔内无数次振荡后，其他模式的光束经过损耗后无法满足输出条件，那么最后就只有选定的高阶模式的激光满足输出条件输出，从而达到谐振腔内选模、输出单一高阶模的目的。由于谐振腔输出单一高阶模式激光光束，谐振腔内的模体积对应比较大，这样能有效的利用增益介质中的能量，转化效率高，同时由于输出的高阶模式比较单一，不会有多个模式的相互影响作用。

如图1所示，输出镜2还包括背对尾镜1的镜面B8，所述镜面B8设置为高度不同、凹凸间隔的同心圆环面，其相邻的凹面与凸面均通过分界面16来连接，所述分界面9与镜面A3上的圆环带7位于同一水平轴线上，图1中，在输出镜2的镜面B8上设置高度不同、凹凸间隔的同心圆环面，在镜面A3的圆环带7所处的水平轴线上对应有镜面B8上相邻的凹面与凸面的之间的分界面16，该结构设计使从输出镜2的镜面B8输出的光束变为等相位面，即完成对输出横模的相位调制，从而大大改善了高阶模式光束的光束质量。将光束相位调制的方式与上面描述的选择高阶横模输出的方式相结合，即在输出镜2上一体完成高阶横模的选择以及其相位调制，一方面可以改善光束质量，另一方面可以大大方便谐振腔系统的安装调试，因为分体结构调试难度大。

所述镜面B8的外表面镀有一层增透膜。

谐振腔为双凹腔，尾镜1为全反射镜，尾镜1和输出镜2的曲率半径均为30mm，其中尾镜1的反射率为100％，输出镜2的反射率为30％。

输出镜2的镜面B8上的凹面和凸面的高度差Δ满足：其中n为输出镜2的镜面B8对入射激光的折射率，λ是入射激光的波长，k为正整数。

如图1所示，谐振腔还包括用于放置输出镜2的输出镜镜框9，如图7所示，镜面A3上的圆环带7设置为锥形结构，图7中，右侧为输出镜，左侧为预定输出的高阶横模覆盖输出镜的镜面A上的形状，阴影部分为预定输出的高阶横模的光斑节线位置，将标记在光斑节线位置处的圆环带设置为锥形结构，可以使谐振腔内的振荡激光偏离原来光路不能反射回去，同时所述输出镜镜框9的外表面上镀有一层吸收膜，即输出镜镜框9的表面设计为吸收面，这样谐振腔内的振荡激光照射锥形结构后经过反射、或折射、或透射后偏离原来光路的杂散光会被吸收。

如图1所示，所述激光谐振腔系统还包括设置在输出镜2前方的聚焦镜10，聚焦镜10 在其焦点处形成聚焦光斑，所述聚焦光斑包括主峰和旁瓣，聚焦镜10能够对从输出镜2的镜面B8输出的光束产生汇聚，并在聚焦镜10的焦点处形成聚焦光斑。

如图1所示，所述激光谐振腔系统还包括设置在聚焦镜10前方的空间滤波镜11，所述空间滤波镜11的中心与聚焦镜10的焦点光斑的中心处于同一水平轴线上，所述空间滤波镜 11的中心部位设置有供聚焦光斑的主峰通过的光孔12，所述聚焦光斑的旁瓣被空间滤波镜 11吸收，空间滤波镜11不但能够有效地滤除旁瓣光，而且还可以吸收旁瓣光束能量，消除了反射激光的危害。

如图1所示，激光谐振腔系统还包括设置在空间滤波镜11前方的准直透镜13，准直透镜13的前焦面的中心与空间滤波镜11的中心处于同一水平轴线上，图1中，准直透镜13可以对从空间滤波镜11输出的激光进行准直。

如图1所示，谐振腔还包括供尾镜1放置的尾镜镜框14，尾镜1包括一个面向输出镜2 的尾镜镜面15，尾镜镜面15上设置有若干锥形槽17，尾镜镜框14的外表面镀有一层吸收膜，该结构可以提高谐振腔的选模能力，并且提高从尾镜输出的横模的纯度。

上述激光谐振腔系统描述了在谐振腔内进行选模，然后对选择输出的高阶横模进行相位调制，再对经过相位调制后的高阶横模进行滤波，将滤波后的光束进行准直，最后从激光谐振腔系统输出的光束具备了高功率以及高质量两个条件。

接下来以具体实例，详细描述利用matlab软件模拟，利用特征值特征矢量法，模拟谐振腔内满足输出条件的光束，分析上述谐振腔腔内选模方式，对比选模前后的相关参数，分析本实用新型所描述的腔内选模方式的优点和可行性。

谐振腔选择双凹腔，具体的模拟参数设置如下：光阑半径为14mm，尾镜1和输出镜2的曲率半径均为30m，其中尾镜1的反射率为100％，输出镜2的反射率为30％，腔长为2.49m，激光波长为10.6um，分别沿径向和角向分为60单元，总的离散单元数为3600个，菲涅耳数N＝7。

如图3所示，为从原有技术中的谐振腔的镜面A输出的4个模式的横模的强度分布图，图中纵轴为强度相对值，横轴为输出镜镜面上的坐标，下列表格给出了4个输出模式的横模的相关参数表：

从表格中可以看出，第一个模式(TEM₀₀模)和第二个模式(TEM₁₀)模式对应的特征值的绝对值最大，对应的衍射损耗最小，同时其他模式的衍射损耗都比这两个模式大，因此前两个模式最容易在模式竞争中占据优势输出。而第三个模式(TEM₂₀模)对应的特征值的绝对值相对小一点，对应的衍射损耗比较大，在模式竞争中不占据优势，在现有谐振腔条件下，如果希望只输出这个模式比较困难。

为了单独使高阶横膜(TEM₂₀模)从输出镜的镜面A3输出，采用本实用新型的激光谐振腔系统，首先分析高阶横膜(TEM₂₀模)在输出镜2的镜面A3的输出截面上的强度分布，找出对应的光斑节线位置，如图4所示，沿径向绘出TEM₂₀模式相对能量与位置关系分布，图4中纵轴为相对能量的大小，横轴为输出截面上径向相对位置，从图中可以明显看出有两个极小值点(18,0.06)和(30,0.03)，在图中对应着TEM₂₀模的光斑“节线”的位置，采用本实用新型所涉及的激光谐振腔系统，TEM20模的光斑节线覆盖在镜面A3上的区域设置圆环带7，圆环带7的反射率设置为零，镜面A3上除圆环带所处位置外的其他区域镀上半透半反膜，再次用特征值特征矢量法拟合上述谐振腔，得到的激光谐振腔中从镜面A3输出的4个输出模式的横模的强度分布图(图5)，如图5所示，图中纵轴为强度相对值，横轴为输出镜镜面上的坐标，下列表格给出了改变输出镜2的镜面A的反射率后，4个输出模式的横模的相关参数表：

模式序号	1	2	3	4
					模式	TEM<sub>00</sub>	TEM<sub>10</sub>	TEM<sub>20</sub>	TEM<sub>30</sub>
特征值的绝对值	0.9249	0.9280	0.9940	0.9694
					衍射损耗	0.1445	0.1388	0.0119	0.0603

将原有技术中谐振腔的输出模式与本实用新型谐振腔的输出模式进行对比，4个模式中，第三个模式的横模(TEM₂₀)对应的特征值的绝对值最大，对应的衍射损耗最小，在模式竞争中占据优势，是最容易输出的激光模式，其他模式的衍射损耗是TEM₂₀模式的多倍，本实用新型所描述的谐振腔比较容易输出单一模式激光。对比两种谐振腔输出不同模式的不同衍射损耗，得到如下所示表格：

通过表格数据比较，腔内选模方式减少了TEM₂₀模式的衍射损耗，增加了其他模式横模的衍射损耗，导致其他不同模式横模和TEM₂₀模的衍射损耗比值均大于1，这个比值数越大，模式鉴别能力越大，越能将两个不同模式区别开，从而实现选模的目的。如图6所示，给出了通过本实用新型所描述的谐振腔内选模的结构选择从镜面A输出的TEM₂₀模式光束在输出截面上能量分布二维图，图中纵轴为相对能量的大小，横轴为输出截面上径向相对位置。将图4和图6相比，对应节线的位置不变，振幅分布没有发生明显变化。对比前后两个谐振腔，第一个谐振腔中TEM₂₀模并不占据模式竞争优势，极可能无法输出，而改变输出镜后则变成了在多个模式中最有可能输出光束，其他模式因损耗比较大，输出可能性较小，达到了预计的选模目的。

本实用新型针对了高功率激光器输出模式比较多的问题，在激光谐振腔系统中设计了一种谐振腔腔内选模方式，与其他选模方式相比，主要针对选择输出高阶横模，通过改变输出镜2的镜面A3上反射率的分布变化，改变不同模式的衍射损耗从而达到高阶横模选择的目的。同时以TEM₂₀模式为例，用特征值特征矢量法模拟了谐振腔的模式输出情况，对比前后的衍射损耗比值，有效的选择出目标模式。这种方法有效的解决了大孔径的激光器多模式输出问题，选模效果明显，针对性强，设计加工简单，适用广泛。

Claims (7)

1.一种激光谐振腔系统，包括谐振腔，所述谐振腔包括尾镜(1)以及输出镜(2)，所述输出镜(2)包括面向尾镜(1)的镜面A(3)，其特征在于：所述镜面A(3)上设置有圆环带(7)，所述圆环带(7)的具体位置为预定输出的高阶横模的光斑节线对应在镜面A上的位置，所述圆环带(7)的反射率设置为零，镜面A(3)上除圆环带(7)所在位置外的其他区域镀有半透半反膜(4)，所述输出镜(2)还包括背对尾镜(1)的镜面B(8)，所述镜面B(8)设置为高度不同、凹凸间隔的同心圆环面，其相邻的凹面与凸面均通过分界面(16)来连接，所述分界面(16)与镜面A(3)上对应的圆环带(7)位于同一水平轴线上，所述镜面B(8)的外表面镀有一层增透膜。

2.根据权利要求1所述的一种激光谐振腔系统，其特征在于：输出镜(2)的镜面B(8)上的凹面和凸面的高度差Δ满足：其中n为输出镜(2)的镜面B(8)对入射激光的折射率，λ是入射激光的波长，k为正整数。

3.根据权利要求1所述的一种激光谐振腔系统，其特征在于：所述谐振腔还包括用于放置输出镜(2)的输出镜镜框(9)，所述镜面A(3)上的圆环带(7)均设置为锥形结构，所述输出镜镜框(9)的外表面上镀有一层吸收膜。

4.根据权利要求1所述的一种激光谐振腔系统，其特征在于：所述谐振腔还包括设置在输出镜(2)前方的聚焦镜(10)，所述聚焦镜(10)在其焦点处形成聚焦光斑，所述聚焦光斑包括主峰和旁瓣。

5.根据权利要求4所述的一种激光谐振腔系统，其特征在于：所述谐振腔还包括设置在聚焦镜(10)前方的空间滤波镜(11)，所述空间滤波镜(11)的中心与聚焦镜(10)的焦点光斑的中心处于同一水平轴线上，所述空间滤波镜(11)的中心部位设置有供聚焦光斑的主峰通过的光孔(12)，所述聚焦光斑的旁瓣被空间滤波镜(11)吸收。

6.根据权利要求5所述的一种激光谐振腔系统，其特征在于：所述谐振腔还包括设置在空间滤波镜(11)前方的准直透镜(13)，所述准直透镜(13)的前焦面的中心与空间滤波镜(11)的中心处于同一水平轴线上。

7.根据权利要求1所述的一种激光谐振腔系统，其特征在于：所述谐振腔还包括供尾镜(1)放置的尾镜镜框(14)，所述尾镜(1)包括一个面向输出镜(2)的尾镜镜面(15)，所述尾镜镜面(15)上设置有若干锥形槽(17)，所述尾镜镜框(14)的外表面镀有一层吸收膜。