平底鍋形鏡面雷射諧振腔的製作方法

2023-11-04 04:30:37

專利名稱：平底鍋形鏡面雷射諧振腔的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射振蕩技術中的諧振腔，具體地指一種平底鍋形鏡面雷射諧振腔。
背景技術：
在雷射應用的許多場合，例如雷射打孔、焊接、切割、以及雷射醫療等微精密加工中，都希望雷射器最好能工作在發散角小、光束質量好的基模或者是低階模狀態。傳統的選模技術，如使用孔徑光闌可以使雷射器輸出的光束質量提高，但使用孔徑光闌在很大程度上限制了雷射光束的模體積，增加了模損耗，從而導致雷射器工作效率降低。高功率雷射器件設計的關鍵是在獲得儘可能大的模體積和良好的橫模鑑別能力的同時，實現高功率單模或者是低階模式運轉，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。高功率雷射器件常用的雷射諧振腔主要有穩定腔和非穩腔兩類， 穩定腔又分平行凹面穩定腔和平行平面穩定腔等。平行凹面穩定腔的振蕩損耗很低，傍軸光線的幾何偏折損耗均為零，而且只要腔的菲涅爾數不太小，衍射損耗通常也小到可以忽略，因此在絕大多數中、小功率雷射器件中都採用平行凹面穩定腔。但當我們要求雷射器高功率基模運行時，由於平行凹面穩定腔的基模模體積太小，且與穩定腔鏡面尺寸無關，這就意味著增大激活介質的橫向尺寸或增大穩定腔鏡面尺寸無助於基模雷射光束輸出功率的提高，反而容易導致雷射器件的多橫模運轉，從而降低輸出雷射的光束質量。另外，在平行凹面穩定腔中使用硬邊光闌可以得到基膜或者是低階模式輸出，但是硬邊光闌的使用會導致雷射器件的工作效率下降，並會在遠場形成衍射環，這些都不利於實際的雷射應用。平行平面穩定腔是另一種廣泛應用的穩定諧振腔，它由一平面反射鏡和一平面部分反射鏡組成。平行平面穩定腔的主要優點是其輸出雷射的發散角小，光束方向性極好，模體積較大，比較容易獲得單模或者是低階模式振蕩。其主要缺點是調整精度要求極高且容易失調，與平行凹面穩定腔相比損耗也較大，對小增益器件不大適用。與平行凹面穩定腔相比，雷射諧振腔採用非穩腔時，其模式鑑別能力可顯著提高。 此外，非穩腔內的振蕩波形為球面波，對工作介質動態折射率畸變等影響比較不敏感。因此，將其用於高增益雷射器系統時，可獲得發散角相當小的高亮度輸出光束。非穩腔的損耗主要是傍軸光線的發散損耗，單程損耗很大，可達百分之幾十。為獲得高功率輸出，雷射工作介質的橫向尺寸往往較大，因此衍射損耗可以忽略。由於非穩腔的損耗較大，通常需採用側面逸出輸出耦合，故輸出大多為中空環狀光束或者是矩形光束。這種腔的調整要求高，且不能應用於低增益的或細口徑的各類雷射器系統中。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術存在的不足，在一個相對較大的菲涅爾數範圍內提供一種高光束質量雷射輸出的平底鍋形鏡面雷射諧振腔。該諧振腔可以在保證雷射光束質量的前提下，獲得大模體積和高功率輸出。
為實現上述目的，本發明所設計的平底鍋形鏡面雷射諧振腔，包括在諧振腔體中相對布置的輸出鏡和反射鏡、以及設置在輸出鏡和反射鏡之間的雷射工作介質，其特殊之處在於所述輸出鏡和反射鏡中至少有一個的工作面呈平底鍋形，該平底鍋形工作面由一個凹球環面內切連接一個圓形平面構成。作為優選方案，所述凹球環面的曲率半徑R與雷射諧振腔長度L之間的關係為L < R < 10L，最佳的取值範圍為3L彡R彡7L。進一步地，所述凹球環面的外徑a與雷射諧振腔長度L之間的關係為1 <a2/ (LA) < 15,其中λ表不雷射器的工作波長。更進一步地,所述圓形平面的直徑b與凹球環面的外徑a之比值為b/a = 0. 4 O. 8。本發明的作用機理如下相對於傳統的平行凹面穩定腔而言，由於輸出鏡和/或反射鏡的工作面呈平底鍋形結構，導致雷射諧振腔的基模和低階模式的光場不會集中在該平底鍋形鏡面的中心，而是均勻分布在整個鏡面上，這樣基模和低階模式的體積就被擴大了，雷射諧振腔的模式鑑別能力也被提高了。因此，本發明的諧振腔可以用來取代平行凹面穩定腔，提高輸出雷射光束的質量。相對於傳統的平行平面穩定腔而言，儘管平底鍋形鏡面會導致諧振腔基模的體積擴大，但實際上這個時候低階模式的衍射損耗相比平行平面穩定腔而言依然很小。因此，本發明諧振腔的輸出功率比平行平面穩定腔的輸出功率高，同時也能夠保證諧振腔有較好的失調特性，可以用來取代平行平面穩定腔。與現有技術相比，本發明具有如下優點其一，具有輸出光束質量好、發散角小、模體積大、輸出功率高的特點，能同時滿足高光束質量和高功率的雷射輸出。其二，能提供很高的模式鑑別能力，可以抑制高階模式的振蕩，保證諧振腔在低階模式工作。其三，可取代傳統的平行凹面穩定腔和平行平面穩定腔，減小雷射器的尺寸，提高雷射器的輸出功率。其四，具有低損耗、不易失調的特性。調整要求低，安裝、使用和維護方便，且性能可靠。其五，容易對現有雷射諧振腔進行改裝，不僅能改善現有雷射器的光束質量，還能提高雷射器的輸出功率。其六，結構簡單，加工方便，製造成本低廉。


圖I為平底鍋形鏡面雷射諧振腔中輸出鏡和/或反射鏡的平底鍋形工作面的外輪廓結構示意圖。圖2為平底鍋形鏡面雷射諧振腔的第一種實施例的結構示意圖。圖3為第一種實施例輸出雷射的近場光強分布不意圖。圖4為第一種實施例輸出雷射的遠場光強分布不意圖。圖5為第一種實施例輸出雷射的關鍵參數變化示意圖。圖6為第一種實施例輸出雷射的抗失調特性示意圖。
圖7為平底鍋形鏡面雷射諧振腔的第二種實施例的結構示意圖。圖8為平底鍋形鏡面雷射諧振腔的第三種實施例的結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施例對本發明的平底鍋形鏡面雷射諧振腔作進一步的詳細描述。如圖2、圖7和圖8所示，本發明提供的平底鍋形鏡面雷射諧振腔，包括在諧振腔體中相對布置的輸出鏡I和反射鏡2、以及設置在輸出鏡I和反射鏡2之間的雷射工作介質 3。在反射鏡I和輸出鏡2中，至少有一個的工作面呈平底鍋形。如圖I所示，該平底鍋形工作面由一個凹球環面H內切連接一個圓形平面Q構成。 該平底鍋形工作面也可以用如下數學方法界定設P2為直線P1P4的中點，直線L1為直線 PiP4的中垂線，圓弧PiP3與直線PiP4在Pi點相切。將曲線P3PiP2圍繞直線PiP4的中垂線L1 旋轉360°，即可得到由凹球環面H和圓形平面Q構成的平底鍋形工作面。定義凹球環面H 的球半徑為R，凹球環面H的外徑為a，圓形平面Q的直徑為b (與凹球環面H的內徑相等)， 雷射諧振腔長度為L，雷射器的工作波長為λ，則這些參數之間滿足如下數學關係b/a = O. 4 O. 8，L < R < IOL (最好是 3L 彡 R 彡 7L)，I < a2/(L λ ) < 15。實施例I如圖2所示，本發明的第一種實施例中，輸出鏡I的工作面呈平底鍋形，其圓形平面Q的直徑b與凹球環面H的外徑a之比值為b/a = O. 4 O. 7，其凹球環面H的曲率半徑R與雷射諧振腔長度L之間的關係為R = 5L。諧振腔的菲涅爾數為a2/(LA) = 6. 2。反射鏡2的工作面呈平面形。對實施例I的雷射諧振腔進行分析可知，其輸出光束呈環狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是以鏡面中心為圓心的一個圓上，這樣可以降低輸出鏡I、 反射鏡2以及外光路鏡片中心的溫度，減少熱變形，提高光束穩定性。如圖3所示，為實施例I所述雷射諧振腔在菲涅爾數為6. 2、輸出鏡I的b/a = 0.6 時，輸出雷射的近場光強分布不意圖。圖中χ軸和y軸分別表不X方向和y方向的光斑尺寸，縱軸方向表示雷射的相對強度分布Relative amplitude。如圖4所示，為實施例I所述雷射諧振腔在菲涅爾數為6. 2、輸出鏡I的b/a = 0.6 時，輸出雷射的遠場光強分布不意圖。圖中χ軸和y軸分別表不X方向和y方向的光斑尺寸，縱軸方向表示雷射的相對強度分布Relative amplitude。從圖3和圖4可知，實施例I所產生的雷射光束始終保持一種環形光斑輸出。與傳統的穩定腔相比，採用平底鍋形鏡面雷射諧振腔可保證輸出雷射光束質量。如圖5所示，為實施例I所述雷射諧振腔輸出雷射的關鍵參數變化示意圖。圖中 橫軸表示輸出鏡I的b/a值，左邊縱軸表示雷射輸出功率Output power的變化，右邊縱軸表示雷射輸出光束因子M2 factor的變化。從圖5可知，當輸出鏡I的b/a值變化時，雷射輸出功率和雷射輸出光束M2因子也相應變化。當b/a值為O時，輸出鏡I實際等同於一個球面鏡，這時輸出光束M2因子大於6，說明平底鍋形鏡面諧振腔可以保證高的雷射光束質量。當b/a值接近O. 6時，雷射輸出接近本地最大值，且輸出光束M2因子最小，M2因子約在2. O附近，此時雷射輸出光束為環形模式。實施例I在實際使用中，b/a值在O. 4 O. 7的範圍內最佳。雷射諧振腔的菲涅爾數越小，平底鍋鏡的b/a的值應取的越小。雷射諧振腔的菲涅爾數越大，輸出鏡I的b/a 值就應取得越大。如圖6所示，為實施例I所述雷射諧振腔在菲涅爾數為6. 2、輸出鏡I的b/a =
0.6、R= 15m時，輸出雷射的抗失調特性示意圖。圖中橫軸表示反射鏡2的失調角度 misalignment ( μ rad),縱軸表示雷射諧振腔輸出功率Output power的變化,實線表示輸出鏡I的工作面為平底鍋形pan-like mirror resonator時,其雷射輸出功率的變化,虛線表示輸出鏡I為曲率半徑為60m的球面反射鏡concave mirror resonator (R = 60m)時，其雷射輸出功率的變化，點劃線表示輸出鏡I為曲率半徑為20m的球面反射鏡concave mirror resonator (R = 20m)時,其雷射輸出功率的變化。從圖6可知，輸出鏡I參數R = 15m、b/a = 0. 6的平底鍋形鏡面雷射諧振腔擁有與曲率半徑為60m的球面鏡雷射諧振腔相似的抗失調特性，說明其抗失調特性良好。因此， 平底鍋形鏡雷射諧振腔非常容易用於工業生產中。由此可見，實施例I所述平底鍋形鏡面雷射諧振腔可以大大提高雷射輸出功率。 在模體積不變的情況下，可以大大壓縮發散角，輸出質量更好的雷射光束。該諧振腔在雷射工作介質3為氣體或固體時均可使用，特別是當增益區較大時，更可以充分發揮其優勢。實施例2如圖7所示，本發明的第二種實施例中，反射鏡2的工作面呈平底鍋形，其圓形平面Q的直徑b與凹球環面H的外徑a之比值為b/a = 0. 6 0. 7，其凹球環面H的曲率半徑R與雷射諧振腔長度L之間的關係為R = 5L。輸出鏡I的工作面呈平面形。雷射工作介質3採用環形柱狀結構。對實施例2的雷射諧振腔進行分析可知，其輸出光束呈環狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是以鏡面中心為圓心的一個圓上，這樣可以降低輸出鏡I、 反射鏡2以及外光路鏡片中心的溫度，減少熱變形，提高光束穩定性。與傳統的穩定腔相比，實施例2所述平底鍋形鏡面雷射諧振腔在保證輸出雷射光束質量、發散角不變的情況下，可以大大提高雷射輸出功率。在模體積不變的情況下，可以大大壓縮發散角，輸出質量更好的雷射光束。該諧振腔在雷射工作介質3為氣體或固體時均可使用，特別是當雷射工作介質3的增益區為環形柱狀結構時，更可以充分發揮其優勢。 實施例2在實際使用中，b/a值在0. 6 0. 7的範圍內最佳。諧振腔的菲涅爾數越小，b/a 值應取得越小。諧振腔的菲涅爾數越大，b/a值就應取得越大。實施例3如圖8所示，本發明的第三種實施例中，輸出鏡I和反射鏡2的工作面均呈平底鍋形，其圓形平面Q的直徑b與凹球環面H的外徑a之比值為b/a = 0. 6 0. 8，其凹球環面 H的曲率半徑R與雷射諧振腔長度L之間的關係為R = 7L。對實施例3的雷射諧振腔進行分析可知，其輸出光束呈環狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，這樣可以降低輸出鏡I、反射鏡2以及外光路鏡片中心的溫度，減少熱變形，提高光束穩定性。與傳統的穩定腔相比，輸出鏡I和反射鏡2的工作面均採用平底鍋形的雷射諧振腔在保證輸出雷射光束質量、發散角不變的情況下，其模體積可增大許多，從而大大提高雷射輸出功率。而在模體積不變的情況下，與傳統穩定腔或單環凹面鏡諧振腔相比，同心多環平底鍋形鏡面雷射諧振腔輸出光束的發散角更小、聚焦光斑更小。同時，輸出鏡I和反射鏡 2的工作面均採用平底鍋形能夠使得諧振腔的抗失調特性更加突出，衍射損耗進一步縮小，這樣就提高了雷射器的工作效率，降低了雷射器的使用成本。實施例3在雷射工作介質3 為氣體或固體時均可使用，特別是當增益區較大時，更可以充分發揮其優勢。實施例3在實際使用中，b/a值在O. 6 O. 8為最佳。諧振腔的菲涅爾數越小，b/a值應取得越小。諧振腔的菲涅爾數越大，b/a值就應取得越大。本發明不僅局限於上述具體實施方式
，本領域一般技術人員根據本發明公開的內容，可以採用其它多種具體實施方式
實施本發明，因此，凡是採用本發明的設計結構和思路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入本發明保護的範圍。
權利要求
1.一種平底鍋形鏡面雷射諧振腔，包括在諧振腔體中相對布置的輸出鏡(I)和反射鏡(2)、以及設置在輸出鏡⑴和反射鏡(2)之間的雷射工作介質(3)，其特徵在於所述輸出鏡(I)和反射鏡(2)中至少有一個的工作面呈平底鍋形，該平底鍋形工作面由一個凹球環面(H)內切連接一個圓形平面(Q)構成。
2.根據權利要求I所述的平底鍋形鏡面雷射諧振腔，其特徵在於所述凹球環面(H) 的曲率半徑R與雷射諧振腔長度L之間的關係為L < R < IOL0
3.根據權利要求I所述的平底鍋形鏡面雷射諧振腔，其特徵在於所述凹球環面(H) 的曲率半徑R與雷射諧振腔長度L之間的關係為3L < R < 7L。
4.根據權利要求I或2或3所述的平底鍋形鏡面雷射諧振腔，其特徵在於所述凹球環面(H)的外徑a與雷射諧振腔長度L之間的關係為1 <a2/(LX) < 15，其中λ表示雷射器的工作波長。
5.根據權利要求I或2或3所述的平底鍋形鏡面雷射諧振腔，其特徵在於所述圓形平面(Q)的直徑b與凹球環面⑶的外徑a之比值為b/a = O. 4 O. 8。
6.根據權利要求4所述的平底鍋形鏡面雷射諧振腔，其特徵在於所述圓形平面(Q) 的直徑b與凹球環面⑶的外徑a之比值為b/a = O. 4 O. 8。
7.根據權利要求4所述的平底鍋形鏡面雷射諧振腔，其特徵在於所述輸出鏡(I)的工作面呈平底鍋形，其圓形平面(Q)的直徑b與凹球環面(H)的外徑a之比值為b/a =O.4 O. 7 ;所述反射鏡(2)的工作面呈平面形。
8.根據權利要求4所述的平底鍋形鏡面雷射諧振腔，其特徵在於所述反射鏡(2)的工作面呈平底鍋形，其圓形平面(Q)的直徑b與凹球環面(H)的外徑a之比值為b/a =O.6 O. 7 ;所述輸出鏡(I)的工作面呈平面形。
9.根據權利要求4所述的平底鍋形鏡面雷射諧振腔，其特徵在於所述輸出鏡(I)和反射鏡(2)的工作面均呈平底鍋形，其圓形平面(Q)的直徑b與凹球環面(H)的外徑a之比值為b/a = O. 6 O. 8。
全文摘要
本發明公開了一種平底鍋形鏡面雷射諧振腔。它包括在諧振腔體中相對布置的輸出鏡和反射鏡、以及設置在輸出鏡和反射鏡之間的雷射工作介質，所述輸出鏡和反射鏡中至少有一個的工作面呈平底鍋形，該平底鍋形工作面由一個凹球環面內切連接一個圓形平面構成。具體地，所述凹球環面的曲率半徑R與雷射諧振腔長度L的關係為L＜R＜10L；所述圓形平面的直徑b與凹球環面的外徑a之比值為b/a＝0.4～0.8。本發明可在相對較大的菲涅爾數範圍內輸出高光束質量雷射，並可獲得大模體積和高功率輸出。同時，本發明加工簡單，調整方便，工作穩定，可利用的模體積大，發散角極小，光束質量好。可以應用於中、高功率氣體或固體雷射器，特別適用於大體積增益介質的雷射器。
文檔編號H01S3/08GK102593698SQ20121005790
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月7日 優先權日2012年3月7日
發明者唐霞輝, 楊釩, 王煒, 秦應雄, 肖瑜 申請人:華中科技大學