高功率脈衝雷射器抗失調諧振腔的製作方法
2023-05-23 00:53:31
專利名稱：高功率脈衝雷射器抗失調諧振腔的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射諧振腔。
背景技術：
高能雷射器件設計中的主要問題是，如何獲得儘可能大的模體積和好的橫模鑑別能力，以實現高能量單模運轉，從而既能從激活物質中高效率地提取能量，又能保持高的光束質量。
常用的雷射諧振腔有穩定腔，非穩腔和臨界腔。
穩定腔的主要優點是損耗極低。在所有穩定腔中，傍軸光線的幾何偏折損耗均為零，而且只要腔的菲涅爾不太小，衍射損耗通常也小到可以忽略。但穩定腔也有其內在的缺點(1)模體積小。對於典型的穩定腔雷射器基模體積通常只佔整個激活介質體積的很小一部分。實際上，穩定腔的高斯基模就像一條細長的帶子一樣處在激活物質的軸線附近，大部分激活能量都不能有效地轉化為高斯基模的雷射能量。特別值得指出的是，對菲涅爾數較大的穩定腔，光斑半徑及基模體積與腔的橫向尺寸(它通常由氣體放電管或固體雷射棒的直徑決定)無關。因此，當腔長一定時，我們不可能用增大激活物質的橫向尺寸的辦法來增加基模體積，從而提高雷射器的輸出功率。相反地，激活物質的橫向尺寸越大，工作物質的利用係數越低。(2)當腔的菲涅爾較大時，若干較低階橫模的衍射損耗都小到可以忽略，因而諧振腔也就實際上失去了橫模選擇能力，這將不可避免地導致多模運轉，從而降低光束質量。穩定腔運轉於多模狀態可以增大模體積，從而提高激活物質的利用係數並增大輸出功率。因為穩定腔模體積隨模的階次增大而增大，當足夠的厄米高斯(或拉蓋爾高斯)模形成震蕩時即可提高激活物質的有效利用係數，但這時光束質量將比基模光束差得多。
非穩腔和臨界腔可以保證有效地從激活物質中提取能量而同時又能獲得高質量的輸出光束。最常用的非穩腔是虛共焦非穩腔。它由一凹而鏡和一凸面鏡組成。凹面鏡的實焦點和凸面鏡的虛焦點重合，公共焦點在腔外。通過選擇反射鏡的尺寸，平面波將有效地通過全部工作物質。這時激活物質的利用效率最高並能獲得準直的，均勻的輸出光束。對圓形鏡腔其遠場圖就是一個被平面波均勻照明的圓環的衍射圖樣。虛共焦非穩腔的不足之處就是圓環衍射圖樣的能量分布相對於圓孔衍射將有相當的能量分布在周圍亮環上，遠場能量分布不夠集中。虛共焦非穩腔的調整過程複雜，要求高。
平行平面腔由一平面全反鏡和一平面輸出鏡組成。兩平面鏡相互平行。輸出均勻平行光束。平平腔的主要優點是光束髮散角小，模體積較大。比較容易獲得單模振蕩。其主要缺點是調整精度要求極高且容易失調。苛刻的平行度和光腔穩定性要求嚴重限制了它的應用。
申請號200610018552.0公開了一種「不失調雷射諧振腔」，該雷射諧振腔全反鏡由中心直角內錐面和一個直角圓臺的外側面和一個直角圓臺的內側面組合形成，使用平面輸出鏡。該雷射諧振腔可以消除增益介質不均勻分布的影響，壓縮輸出雷射光斑的面積，實現帶有中心光斑的特殊環形光斑輸出。但是該全反鏡由三個錐面反射鏡組合形成，結構複雜，使用中要求三個直角內外錐面反射鏡同軸，加工製造相對比較困難。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足之處，提供一種高功率脈衝雷射器抗失調諧振腔，該諧振腔不僅抗失調能力強，可以消除增益介質不均勻分布的影響，具有高熱穩定性，改善了光束質量，而且結構簡單，加工製造簡便，沒有中心焦線，因此可以用於高能脈衝雷射器中。
為達到上述目的，本發明採用的技術方案是一種高功率脈衝雷射器抗失調諧振腔，包括全反射鏡，平面輸出鏡及雷射工作介質，全反射鏡為直角外圓錐面反射鏡和直角圓臺內側面反射鏡的組合，這兩個反射鏡的中心軸線重合，直角外圓錐面反射鏡的高度大於直角圓臺內側面反射鏡的高度，其高度差大於零小於或等於2mm。
本發明與現有技術相比，具有以下優點(1)在本發明中，直角外圓錐面反射鏡的高度大於直角圓臺內側面反射鏡的高度，所以本發明高功率脈衝雷射器抗失調諧振腔沒有中心焦線，避免了在焦線上的空氣被擊穿，可以用於大能量脈衝雷射器中；而且，提高了直角外圓錐面反射鏡頂尖部位抗脈衝強雷射損傷的能力。
(2)在本發明中，直角外圓錐面反射鏡的高度大於直角圓臺內側面反射鏡的高度，利用逆向反射特性，可以消除脈衝強雷射器中的增益不均勻分布的影響，對固體雷射棒、固體雷射晶體板條薄片在激勵下的不均勻性，氣體放電不均勻性，氣體折射率不均勻性等起到光學補償作用，充分保證了固體或氣體脈衝雷射器輸出光束的質量和能量。
(3)本發明結構簡單，加工製造簡便。
(4)抗失調能力強，全反鏡或輸出鏡的容許失調角遠遠超過現有大能量脈衝雷射器所使用的穩定腔，非穩腔和平行平面腔，使用維護方便可靠。
(5)本發明也可以用於固體或氣體高功率連續雷射器中。
圖1為本發明的一種實施例的結構示意圖。
圖2為圖1中全反鏡的主視圖。
圖3為圖1中全反鏡的右視圖。
具體實施例方式
由圖1～圖3所示，本發明高功率脈衝雷射器抗失調諧振腔，包括全反射鏡1，平面輸出鏡3及雷射工作介質2，全反射鏡1為直角外圓錐面反射鏡4和直角圓臺內側面反射鏡5的組合，這兩個反射鏡的中心軸線重合，直角外圓錐面反射鏡4的高度h1大於直角圓臺內側面反射鏡5的高度h2，其高度差大於零小於或等於2mm。
雷射介質2可以是氣體介質，比如二氧化碳；或固體介質，比如Nd:YAG雷射晶體。在平面輸出鏡3的外表面鍍增透膜。
該雷射諧振腔應用於高功率雷射器時，全反鏡1及平面輸出鏡2用水冷卻散熱，一般在全反鏡1背面加工水槽，使用常規自來水冷卻即可。直角外圓錐面反射鏡4和直角圓臺內側面反射鏡5位於全反鏡1背面的結合部縫隙密封，以防止向組合反射鏡內部滲水，一般使用粘和劑或焊接密封即可。
上述全反鏡1和平面輸出鏡3的中心軸線與諧振腔光軸最好重合。
直角外圓錐面反射鏡4和直角圓臺內側面反射鏡5要求具有較高的面形精度，直角精度，同軸度和高反射率。實踐證明，用金剛石刀具超精密切削的無氧銅反射鏡表面的耐熱和抗雷射損傷性能超過拋光表面，由於在直角外圓錐面反射鏡4和直角圓臺內側面反射鏡5的反射面鍍制均勻反射膜存在困難，金剛石工具機可以直接將內外錐面切削成鏡面，直接作為反光鏡使用，而不必鍍制反射膜。
直角外圓錐面反射鏡4和直角圓臺內側面反射鏡5可用螺紋、鍵、花鍵或粘和劑實現可拆同軸連接。直角外圓錐面反射鏡4和直角圓臺內側面反射鏡5也可用焊接連接。
在上述平面輸出鏡3的內表面鍍圓環狀全反膜，圓環外徑等於輸出鏡的直徑，環寬小於輸出鏡3直徑的一半。這樣，可以產生壓縮雷射器輸出光斑半徑的效果。
全反鏡1的光學性質是任何方向的入射光線經全反鏡1反射以後，反射光線與入射光線平行。或者說，只要入射光線方向不變，無論全反鏡1繞直角外圓錐面反射鏡4的頂點如何晃動，反射光線的方向始終不變，與入射光線方向保持一致。根據這一性質，本發明高功率脈衝雷射器抗失調諧振腔輸出光線的方向與平面輸出鏡3的法線方向相同，且當直角外圓錐面反射鏡4的頂點位於光軸附近，全反鏡1的中心軸線與光軸近似重合時即可出光，出光能量與光束質量沒有明顯下降。
權利要求
1.一種高功率脈衝雷射器抗失調諧振腔，包括全反射鏡，平面輸出鏡及雷射工作介質，其特徵在於全反射鏡(1)為直角外圓錐面反射鏡(4)和直角圓臺內側面反射鏡(5)的組合，這兩個反射鏡的中心軸線重合，直角外圓錐面反射鏡(4)的高度大於直角圓臺內側面反射鏡(5)的高度，其高度差大於零小於或等於2mm。
2.根據權利要求1所述的高功率脈衝雷射器抗失調諧振腔，其特徵在於該雷射諧振腔應用於高功率雷射器時，全反射鏡(1)及平面輸出鏡(2)用水冷卻散熱，直角外圓錐面反射鏡(4)和直角圓臺內側面反射鏡(5)位於全反鏡(1)背面的結合部縫隙密封。
3.根據權利要求1或2所述的高功率脈衝雷射器抗失調諧振腔，其特徵在於全反鏡(1)和平面輸出鏡(3)的中心軸線與諧振腔光軸重合。
4.根據權利要求3所述的高功率脈衝雷射器抗失調諧振腔，其特徵在於直角外圓錐面反射鏡(4)和直角圓臺內側面反射鏡(5)用螺紋、鍵、花鍵或粘和劑連接。
5.根據權利要求3所述的高功率脈衝雷射器抗失調諧振腔，其特徵在於直角外圓錐面反射鏡(4)和直角圓臺內側面反射鏡(5)用焊接連接。
6.根據權利要求3所述的高功率脈衝雷射器抗失調諧振腔，其特徵在於在上述平面輸出鏡(3)的內表面鍍圓環狀全反膜，圓環外徑等於輸出鏡的直徑，環寬小於輸出鏡(3)直徑的一半。
全文摘要
本發明公開了一種高功率脈衝雷射器抗失調諧振腔，包括全反射鏡，平面輸出鏡及雷射工作介質，全反射鏡為直角內外圓錐面組合反射鏡，該反射鏡為直角外圓錐面反射鏡和直角圓臺內側面反射鏡的組合，這兩個反射鏡的中心軸線重合，直角外圓錐面反射鏡的高度大於直角圓臺內側面反射鏡的高度，其高度差大於零小於或等於2mm。本發明輸出近似實心平行光束，近場光斑光強分布均勻，遠場光能集中，發散角極小，模體積大；調整極其簡便，工作極其穩定；可以用於高功率氣體雷射器、固體雷射器，特別適用於高能脈衝雷射器。
文檔編號H01S3/08GK1929217SQ20061012459
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月22日 優先權日2006年9月22日
發明者李宏棋, 程祖海 申請人:華中科技大學