雷射束模式控制裝置的製作方法

2023-06-01 23:24:56

專利名稱：雷射束模式控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射束和諧振腔，特別是一種雷射束模式控制裝置。
背景技術：
隨著現在工業、軍事、通訊等領域對雷射束要求的提高，即要求雷射束功率增加的同時還要保證好的光束質量。但是通常雷射器的功率提高時，輸出光束的模式增多，光束質量下降。利用雷射束的模式控制技術是解決這些高要求的有效途徑，尤其是外腔模式控制技術能夠獲得高質量的輸出。現有技術中，通常採用多個雷射器相干組束或採用外腔與光柵、濾波器等元件結合的技術達到提高光束質量的目的，所用光學元件較多比較難於實現，對輸入多根雷射束的位置也有嚴格要求，參見在先技術[Opt.Lett.，2005，Vol.30(12)，1485-1487；Opt.Lett.，1993，Vol.18(18)，1520-1522]，以上兩種外腔的方法能將光纖陣列的輸出雷射進行相干耦合提高輸出光束質量，但所用光學元件多，多路光束操作，光路調節要求很高，每個光學元件之間的距離和輸入光束之間的距離也需要嚴格控制，整個系統的穩定性也不高，實現起來較困難，另由於光束在諧振腔中往返時多次經過各個元件的表面，光能損失較大。

發明內容
本發明的目的在於克服上述在先技術的不足，提供一種雷射束模式控制裝置，以簡化結構，提高系統穩定性和光束質量；克服使用濾波器和光柵的元件的限制，不用多路光束進行相干組合。
本發明的技術解決方案如下一種雷射束模式控制裝置，包括雷射器，其特徵是在所述的雷射器的輸出光束方向同光軸地置放一平凸透鏡，該平凸透鏡的凸面與所述的雷射器的輸出端面相對，該平凸透鏡的平面與所述的雷射器的輸出端面之間的距離等於所述的平凸透鏡的焦距，所述的平凸透鏡的凸面鍍對工作波長匹配的增透膜，該平凸透鏡的平面中心處一定半徑的圓面內鍍對雷射工作波長具有一定反射率的半透膜。
所述的半透膜對工作波長的反射率為20％～90％。保證只有低階模式的雷射束在複合腔內振蕩獲得高質量的雷射束輸出所述的平凸透鏡的平面中心鍍半透膜的面積小於由所述的雷射器輸出的雷射束直接投射到所述的平凸透鏡上的光斑面積。
所述的雷射器輸出的雷射束投射到所述的平凸透鏡上，由於半透膜的作用，只有靠近光軸中心附近的低階模式的雷射得到反射形成反饋，在雷射腔和耦合腔中，也就只有低階模式的雷射形成振蕩最後輸出。該系統對光束的模式進行控制，輸出光束的質量得到提高。
本發明與在先技術相比有很多明顯的優點，單光束操作，結構簡單，光路不複雜，便於調節，不需要在先技術中多個光學元件，也不需要對多雷射束之間的相對位置和排列方式有嚴格的要求。本發明適用於多種雷射器，包括固體雷射器、氣體雷射器和光纖雷射器等等。
以下結合附圖與實施例對本發明作進一步的說明。


圖1為本發明雷射束模式控制裝置結構示意圖。
具體實施例方式
先請參閱圖1，圖1為本發明雷射束模式控制裝置的結構示意圖。由圖可見，本發明雷射束模式控制裝置，由雷射器1和平凸透鏡2組成，該平凸透鏡2與雷射器1輸出光束同軸放置，其特徵在於所述的平凸透鏡2與雷射器1的距離與平凸透鏡2的焦距相等；所述的平凸透鏡2的凸面鍍有與工作波長相匹配的增透膜22，平凸透鏡2平面的中心處的一定半徑的小圓面內鍍具有與工作波長一定反射率的半透膜21，半透膜21對工作波長的反射率可在20％-90％之間，中心鍍半透膜21的一定半徑的小圓面的面積必須小於雷射束直接輸出投射到平凸透鏡2上的光斑面積，這樣，該半透膜21與雷射器1的輸出端面構成一耦合腔。該裝置的工作原理是，雷射器1的輸出光束3投射到平凸透鏡2上被準直，然後由於半透膜21的反射作用，使得靠近光軸中心的低階模式4得到反射，形成反饋再次進入雷射器1中，而離光軸較遠的高階模式未反饋。在雷射器1和耦合腔中只有低階模式形成振蕩，最終獲得高質量雷射光束5輸出。
下面是兩個具體的實施例實施例1對一個二極體泵浦源的Nd:YVO4固體雷射器實現模式控制，所用泵浦源為810nm的二極體陣列雷射器，Nd:YVO4晶體長1mm，Nd:YVO4晶體的一端鍍1064nm高反膜和810nm高透的雙色膜作為雷射器1泵浦光的輸入端，另一端鍍對1064nm波長雷射半透膜21作為雷射器的輸出端，反射率為15％。我們所用的平凸透鏡2的直徑為30mm，焦距150mm，凸面鍍1064nm的增透膜，平凸透鏡平面中心處半徑為0.5mm的小圓面鍍對1064nm反射率為80％的半透膜21。保證只有低階模式的雷射束4在複合腔內振蕩獲得高質量的雷射輸出5。所述的中心鍍半透膜21的一定半徑的小圓面的面積必須小於雷射器1直接輸出雷射束3投射到平凸透鏡2上的光斑面積。將此平凸透鏡2的平面距雷射器輸出端150mm處並與輸出光束同軸設置。系統最終輸出1064nm的近衍射極限的光束，光束的質量因子M2等於1.03，我們同時測量了沒有採用平凸透鏡進行模式控制時的雷射器輸出光束的質量因子M2＝1.5，由此證明採用特殊平凸透鏡進行模式控制是有效的，光束質量得到提高。
實施例2對一個光纖雷射器1實現模式控制，所用的泵浦光源是波長為975nm的二極體陣列雷射器，所用的光纖是內包層為D形，內包層長短軸尺寸為450μm/400μm，內包層數值孔徑NA＝0.37，摻Yb纖芯直徑30μm，纖芯數值孔徑NA＝0.16，光纖長度18.2m。光纖的一端放置一雙色片作為雷射器的泵浦光輸入端，該雙色片對975nm高透同時對1080nm高反射，光纖的另一端磨平具有4％的菲涅耳反射率作為雷射器的輸出端。我們採用的平凸透鏡2的直徑為30mm，焦距為30mm，凸面鍍1080nm的增透膜，平面中心處分別鍍半徑為0.5mm，1mm和1.5mm的對1080nm的反射率為80％的半透膜。工作原理與實例1相同，我們採用平凸透鏡平面處鍍半徑0.5mm的半透膜時，系統輸出光束質量因子M2＝1.3，對應於半透膜半徑為1mm和1.5mm時光束質量因子分別為M2＝1.7和M2＝2.1。但是不採用特殊平凸透鏡進行模式控制，光纖雷射器輸出光束質量因子M2＝2.7，由此可見隨著半透膜面積的減小，系統輸出光束質量逐漸提高，達到模式控制的目的。如果選擇合適的參數，獲得單模輸出是完全有可能的。
由以上實驗表明，本發明不僅提高系統穩定性和光束質量，而且結構簡單，易調整，克服了現有技術結構複雜難調整的弊病。
權利要求
1.一種雷射束模式控制裝置，它包括雷射器(1)，其特徵是在所述的雷射器(1)的輸出光束方向同光軸地置放一平凸透鏡(2)，該平凸透鏡(2)的凸面與所述的雷射器的輸出端面相對，該平凸透鏡(2)的平面與所述的雷射器(1)的輸出端面之間的距離等於所述的平凸透鏡(2)的焦距，所述的平凸透鏡(2)的凸面鍍對工作波長匹配的增透膜(22)，該平凸透鏡(2)的平面中心處一定半徑的圓面內鍍對雷射工作波長具有一定反射率的半透膜(21)。
2.根據權利要求1所述的雷射束模式控制裝置，其特徵在於所述的半透膜(21)對工作波長的反射率為20％～90％。
3.根據權利要求1所述的雷射束模式控制裝置，其特徵在於所述的平凸透鏡(2)的平面中心鍍半透膜(21)的面積小於由所述的雷射器(1)輸出的雷射束直接投射到所述的平凸透鏡(2)上的光斑面積。
全文摘要
一種雷射束模式控制裝置，包括雷射器，在所述的雷射器的輸出光束方向同光軸地置放一平凸透鏡，該平凸透鏡的凸面與所述的雷射器的輸出端面相對，該平凸透鏡的平面與所述的雷射器的輸出端面之間的距離等於所述的平凸透鏡的焦距，所述的平凸透鏡的凸面鍍對工作波長匹配的增透膜，該平凸透鏡的平面中心處一定半徑的圓面內鍍對雷射工作波長具有一定反射率的半透膜。本發明裝置不僅提高了系統的穩定性和光束質量，而且結構簡單，易調整，克服了現有技術結構複雜難調整的弊病。
文檔編號H01S3/00GK1908796SQ20061003000
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月11日 優先權日2006年8月11日
發明者鄭穎輝, 何兵, 曾志男 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所