一種輸出實心光束的雷射非穩腔的製作方法

2024-01-29 00:34:15

專利名稱：：一種輸出實心光束的雷射非穩腔的製作方法
技術領域：
：本實用新型屬於高功率雷射器
技術領域：
，特別涉及一種基於腔外光束整形技術輸出實心光束的雷射非穩腔及其應用。
背景技術：
：具有高光束質量的高功率雷射器在工業和軍事應用領域都有非常重要的應用前景。對於高功率雷射器而言，最重要的是如何獲得儘可能大的模體積和良好的橫模鑑別能力，以實現高功率單模運轉，從而既能從激活介質中高效率的提取能量，又能保持高光束質量的雷射輸出。為了獲得高功率的雷射輸出，往往需要採用大體積與大橫向尺寸的激活介質，以保證腔內光學元件在不受雷射損傷的前提下，實現高功率的雷射輸出。穩定腔只能在光軸中心附近區域獲得運轉在基模(TEMtltl模)的近衍射極限的高斯光束，其模體積有限，並不適合於高功率雷射器。對具有大體積與大橫向尺寸激活介質的雷射器，一般米用非穩腔技術獲得單橫模輸出。但是常規非穩腔雷射器的耦合輸出為環形光斑結構，將這種環形空心光束聚焦後，其焦斑中心處的功率密度將比具有相同功率和光斑尺寸的實心光束低許多；同樣地，該環形空心光束的遠場發散角也將遠高於衍射極限，最終限制了它的應用。為了消除常規非穩腔雷射器輸出環形光束的中央暗斑，人們提出了許多不同的方法，以期實現從大體積激活介質中提取接近衍射極限的高能雷射束。最具代表性的當屬變反射率鏡(常見的包括高斯型、超高斯型、拋物線型等)非穩腔與90°束旋轉環形非穩腔(UnstableResonatorwith90°BeamRotation)。採用變反射率鏡作為輸出耦合鏡的非穩腔，在理論上可以達到近衍射極限的高能雷射束輸出。但對高功率雷射器而言，製作高損傷閾值的變反射率介質薄膜是非常困難的；並且不同的介質薄膜厚度也會引起輸出光束的相位畸變，因此變反射率輸出耦合鏡在實際應用上具有一定的局限性。美國空軍武器實驗室A.H.Paxton等人在《AppliedOptics》1986年第25卷第17期《Unstableresonatorswith90°beamrotation))一文中提出了一種90°束旋轉環形非穩腔，該腔由於利用了光束旋轉技術能夠對激活介質的不均勻性以及鏡面的象差進行平均化，從而獲得高光束質量的矩形全斑雷射束輸出。但由於該腔的輸出I禹合鏡為刀口，輸出光束為實心矩形，在強紅外雷射傳輸中，只能採用斜軸形反射望遠鏡發射；而斜軸反射望遠鏡的設計難度大，造價昂貴。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種輸出實心光束的的雷射非穩腔，基於光學元件對光束進行重構整形，使普通非穩腔輸出環形光束的中心部分重構成為實心光束。實現本實用新型該目的所採用的技術方案如下一種可輸出實心光束的雷射非穩腔，包括[0011]雷射器本體，其包含由凸面鏡和凹面鏡相對布置構成的正支虛共焦非穩腔，該凸面鏡和凹面鏡的中心連線形成非穩腔的光軸；內圓錐面環形反射鏡，其設置在雷射器本體內，並位於所述凸面鏡和凹面鏡之間，該內圓錐面環形反射鏡的反射鏡面呈向內凹陷的圓錐面形，且該反射鏡的鏡體為中空的環形體；和外圓錐面反射鏡，其設置在非穩腔的光軸下方，並與所述內圓錐面環形反射鏡相對放置，其中該外圓錐面反射鏡的反射鏡面呈向外凸起的圓錐面形，其反射鏡面中心點與環形反射鏡鏡面中心點的連線與所述非穩腔的光軸垂直；其特徵在於，經所述凹面鏡反射的光束一部分穿過反射鏡的中空鏡體後傳輸到凸面鏡上，以繼續振蕩，另一部分入射到內圓錐面環形反射鏡的反射鏡面上，並反射到所述外圓錐面反射鏡的反射鏡面上，通過調節所述內圓錐面環形反射鏡與外圓錐面反射鏡沿兩中心點連線方向上的相對距離至合適大小，即可實現從所述外圓錐面反射鏡的反射鏡面上輸出實心光束。作為本實用新型的改進，所述內圓錐面環形反射鏡的反射鏡面與外圓錐面反射鏡的反射鏡面具有相同的軸截面頂角，且為鈍角。作為本實用新型的改進，所述內圓錐面環形反射鏡與所述外圓錐面反射鏡的旋轉對稱軸均與所述非穩腔的光軸成45°夾角。作為本實用新型的改進，所述的內圓錐面環形反射鏡的底部開有第一環形冷卻水槽，帶有進水口和出水口的環形水槽蓋板蓋在該第一環形冷卻水槽上，並與所述內圓錐面環形反射鏡的底部密封連接。作為本實用新型的改進，所述的外圓錐面反射鏡的後部開有第二環形冷卻水槽，帶有進水口和出水口的圓形水槽蓋板蓋在該第二環形冷卻水槽上，並與所述外圓錐面反射鏡的底部密封連接。實現本實用新型該目的所採用的另一技術方案如下一種可輸出實心光束的雷射非穩腔，包括雷射器本體，其包含由凸面鏡和凹面鏡相對布置構成的正支虛共焦非穩腔，該凸面鏡和凹面鏡的中心連線形成非穩腔的光軸；外圓錐面透鏡，其設置在雷射器本體外，並位於所述凸面鏡後方，該外圓錐面透鏡鏡體呈柱狀，鏡體一端端面為平面，另一端端面呈向外凸出的圓錐面，其旋轉對稱軸與非穩腔的光軸在同一直線上；和內圓錐面透鏡，其同軸設置在外圓錐面透鏡後方，該內圓錐面透鏡呈柱狀體，面向外圓錐面透鏡的端面呈向內凹陷的圓錐面形，另一端面為平面，該內圓錐面透鏡的旋轉對稱軸與非穩腔的光軸在同一直線上，經所述外圓錐面透鏡折射後的光束射入到該內圓錐面透鏡的向內凹陷的圓錐面上，透射後通過另一端的平面端面射出；其特徵在於，光束由凹面鏡向外反射時，一部分反射到凸面鏡上在諧振腔內繼續震蕩，另一部分平行射到凸面鏡後面的外圓錐面透鏡的平面端上，經透射至另一端的圓錐面端並折射後向光軸方向折射，折射的光束射入到內圓錐面透鏡的向內凹陷的圓錐面上，通過調節內圓錐面透鏡在非穩腔的光軸方向上與外圓錐面透鏡的距離至合適大小，即可使得經該內圓錐面透鏡透射至另一端的平面端面時，出射的光束為實心光束。[0025]作為本實用新型的改進，所述外圓錐面透鏡與所述內圓錐面透鏡的圓錐面具有相同的臨界角C。作為本實用新型的改進，所述外圓錐面透鏡端面的圓錐面與該內圓錐面透鏡的圓錐面具有相同的軸截面頂角Θ'，且180°-2c〈Θ'〈180°。本實用新型將非穩腔輸出的環形空心光束，通過具有一定角度的內(或外)圓錐面鏡的作用，使光束逐漸向雷射束的光軸位置集中；然後利用與所述內(或外)圓錐面鏡具有相同軸截面頂角的外(或內)圓錐面鏡對集中於雷射束光軸附近的光束進行重新導向，以獲得沿光軸方向傳輸的光束輸出，並通過對內(或外)圓錐面鏡與外(或內)圓錐面鏡沿光軸方向的相對位置進行精密調節，實現沿光軸方向傳輸的圓形實心整形光束輸出。本實用新型利用兩圓柱形圓錐面鏡，對光束光路分別進行兩次調整。其中，每一圓柱形圓錐面鏡均有一端面為圓錐面，且兩圓錐面具有相同的軸截面頂角。兩圓柱形圓錐面鏡可為反射鏡，也可為透鏡。當其作反射鏡時，兩圓柱形圓錐面鏡為中空環形體，兩圓錐面頂點連線與光軸垂直；當其作透鏡時，兩圓柱形圓錐面鏡為圓柱體形，兩圓錐面頂點連線與光軸在同一直線上。當兩圓柱形圓錐面鏡為反射鏡時，第一鏡的前端面為內圓錐面，第二鏡的後端面為外圓錐面鏡；當兩圓柱形圓錐面鏡為透鏡時，第一鏡的前端面為平面，後端面為外圓錐面，第二鏡的前端面為外圓錐面，後端面為平面。具體實施原理如下(I)利用內(或外)圓錐面鏡對非穩腔雷射器輸出的中空空心光束進行向心導向，使之向雷射束的中心光軸集中；(2)利用外(或內)錐面鏡對上述集中於雷射束光軸附近的光束進行重新導向，獲得沿光軸方向傳輸的整形光束輸出；(3)對兩圓錐面鏡沿光軸方向的相對位置進行精密調節，獲得沿光軸方向傳輸的圓形實心整形光束輸出。本實用新型與現有技術相比主要具以下優點(I)在保留常規非穩腔諸多優點(如模體積大，橫模解析度高等)的前提下，利用反射式光學元件對非穩腔雷射器輸出環形光束的中心部分進行重構，以實現高光束質量的高能圓形實心雷射束輸出。(2)直接利用圓錐面鏡進行整形，基本沒有增加非穩腔的結構難度。(3)主要涉及反射或透射式光學元件的應用，因此其能夠承受非常高的雷射功率，適合於高功率雷射應用場合的光束整形。(4)本實用新型所涉及反射或透射式光學元件加工簡單方便，製造成本低。本實用新型在保留常規非穩腔諸多優點(如模體積大，橫模解析度高等)的前提下，利用反射或透射式光學元件能夠實現對非穩腔雷射器輸出環形光束的中心部分進行重構，獲得高光束質量的高能圓形實心雷射束輸出；並且所提供的裝置結構簡單，工作穩定，尤其克服了現有技術需要通過改造常規非穩腔的結構來獲取實心雷射束輸出的不足。圖I為本實用新型實施例I的結構示意圖；圖2為本實用新型實施例2的結構示意圖。圖3為非穩腔雷射器輸出的環形光斑示意圖；[0040]圖4為本實用新型中的非穩腔所輸出的圓形實心光斑示意圖；圖5為內圓錐面環形反射鏡帶有環形冷卻水槽、環形水槽蓋板的結構簡圖；圖6為圖5中環形冷卻水槽的右視圖；圖7為圖5中環形水槽蓋板的右視圖；圖8為本實用新型中的非穩腔中的外圓錐面反射鏡帶有環形冷卻水槽、圓形水槽蓋板的結構簡圖；圖9為圖8中環形冷卻水槽的左視圖；圖10為圖8中圓形水槽蓋板的左視圖。具體實施方式以下結合附圖對本實用新型作進一步的詳細說明。實施例I如圖I所不,本實施例提供的基於輸出實心光束的的雷射非穩腔技術的非穩腔雷射器包括雷射器本體1，內圓錐面環形反射鏡501、外圓錐面反射鏡601和精密位移機構7。該雷射器本體I包含由凸面鏡4和凹面鏡3相對布置構成的正支虛共焦非穩腔。其中，在正支虛共焦非穩腔的凸面鏡4和凹面鏡3之間設置具有軸截面頂角Θ的內圓錐面環形反射鏡501，內圓錐面環形反射鏡501的鏡面呈向內凹陷的圓錐面形，且鏡體中部為空心的，呈中空的環形體，以使得光束在諧振腔內由凸面鏡4向凹面鏡3方向傳輸時，光束的邊緣部分能夠穿過該反射鏡501的鏡體傳輸到凸面鏡4上。反射鏡501鏡面的旋轉對稱軸al與由凸面鏡4和凹面鏡3中心連線所形成的非穩腔光軸成45°夾角。外圓錐面反射鏡601設置在非穩腔光軸下方，其與所述內圓錐面環形反射鏡501相對放置。外圓錐面反射鏡601的鏡面呈向外凸起的圓錐面形，且與反射鏡501具有相同軸截面頂角Θ，兩鏡面呈互補形狀，鏡面中心Q與環形反射鏡501鏡面中心P的連線同所述非穩腔光軸垂直。內圓錐面環形反射鏡501的旋轉對稱軸與所述非穩腔雷射器I的光軸成45°夾角，外圓錐面反射鏡601與內圓錐面環形反射鏡501平行，內圓錐面環形反射鏡501與外圓錐面反射鏡601沿PQ連線方向上的相對位置可通過所述外圓錐面反射鏡精密位移機構7進行調節。當光束在諧振腔內由凸面鏡4向凹面鏡3方向傳輸時，將被擴束M倍(其中，M為非穩腔的幾何放大率)；擴束後光束的邊緣部分2在反向傳輸時經內圓錐面環形反射鏡501反射耦合輸出，剩餘中心部分光束被反饋到諧振腔內繼續參與振蕩。由於內圓錐面環形反射鏡501軸截面頂角Θ對光束的會聚作用，經反射鏡501耦合輸出的環形空心光束在腔外傳輸過程中將逐漸向其中心所在軸線(即圖I所示PQ連線)位置集中；利用與所述內圓錐面環形反射鏡501對應平行安裝的外圓錐面反射鏡601對收縮於中心軸線附近的光束進行重新導向，以獲取沿平行於非穩腔光軸方向傳輸的整形光束輸出；通過對外圓錐面反射鏡601中心Q與內圓錐面環形反射鏡501中心P沿垂直於非穩腔光軸方向的距離D(見圖I)進行精密調節，即可實現圓形實心雷射光束輸出。內圓錐面環形反射鏡501與外圓錐面反射鏡601均為旋轉對稱型結構反射鏡，製作簡單，甚至可以直接採用超精密車削加工而成。如圖Γ圖6所示，內圓錐面環形反射鏡501的後部開有環形冷卻水槽11，在環形水槽蓋板8上帶有進水口9和出水口10，環形水槽蓋板8與所述內圓錐面環形反射鏡501的底部可採用焊接方式密封連接。如圖疒圖9所示，外圓錐面反射鏡601的後部開有環形冷卻水槽15，在圓形水槽蓋板12上同樣帶有進水口13和出水口14，圓形水槽蓋板12與所述外圓錐面反射鏡601的底部可採用焊接方式密封連接。非穩腔雷射器I輸出的光束2經內圓錐面環形反射鏡501轉向後，沿垂直於所述非穩腔雷射器I的PQ連線方向傳輸，並逐漸向PQ連線位置集中；利用外圓錐面反射鏡601對集中於PQ連線附近的光束進行重新導向，以獲得沿光軸方向傳輸的整形光束輸出；通過外圓錐面反射鏡精密位移機構7對所述外圓錐面反射鏡601在PQ方向上的相對位置進行精密調節，實現沿光軸方向傳輸的圓形實心整形光束輸出。實施例2如圖2所不,本實施例提供的基於輸出實心光束的雷射非穩腔技術的非穩腔雷射器包括雷射器本體1，外圓錐面透鏡502、內圓錐面透鏡602和精密位移機構7。該雷射器本體I包含由凸面鏡4和凹面鏡3相對布置構成的正支虛共焦非穩腔。本實施例中，外圓錐面透鏡502設置在凸面鏡4後方，該透鏡502鏡體呈柱狀，鏡體一端端面為平面，另一端端面呈向外凸出的圓錐面，該錐面的軸截面頂角為Θ'，其旋轉對稱軸與非穩腔的光軸在同一直線上。光束在諧振腔內由凹面鏡3向外反射時，一部分發射到凸面鏡4上在諧振腔內繼續震蕩，另一部分平行射到凸面鏡4後面的透鏡502的平面端上，經傳輸至另一端的圓錐面端並折射後向光軸方向集中。在外圓錐面透鏡502後方相對其放置有內圓錐面透鏡602。該內圓錐面透鏡602呈柱狀體，面對外圓錐面透鏡502的圓錐面的端面呈向內凹陷的圓錐面形，其軸截面頂角也為Θ'，與外圓錐面透鏡502的圓錐面形成互補型面。內圓錐面透鏡602的另一端面為平面，該內圓錐面透鏡602的旋轉對稱軸與非穩腔的光軸在同一直線上。經外圓錐面透鏡502折射後的光束射入到內圓錐面透鏡602的向內凹陷的圓錐面上，並傳輸後通過另一端的平面端面射出。精密位移機構7用於調整內圓錐面透鏡602在非穩腔的光軸方向上與外圓錐面透鏡502的距離。外圓錐面透鏡502與內圓錐面透鏡602均為旋轉對稱型結構透鏡，製作簡單，甚至可以直接採用超精密車削加工而成。非穩腔雷射器I輸出的光束2經外圓錐面透鏡502折射後，出射光線向非穩腔雷射器I的光軸位置偏折；利用內圓錐面透鏡602對偏折光線再次進行折射，對收縮於非穩腔光軸附近的光束進行重新導向，使光線平行於光軸方向傳輸；通過內圓錐面透鏡精密位移機構7對所述內圓錐面透鏡602在光軸方向上與外圓錐面透鏡502的相對位置進行精密調節，調節外圓錐面透鏡502與內圓錐面透鏡602沿非穩腔光軸方向的距離，即可實現沿光軸方向傳輸的圓形實心整形光束輸出。權利要求1.一種可輸出實心光束的雷射非穩腔，包括雷射器本體(1)，其包含由凸面鏡(4)和凹面鏡(3)相對布置構成的正支虛共焦非穩腔，該凸面鏡(4)和凹面鏡(3)的中心連線形成非穩腔的光軸；內圓錐面環形反射鏡(501)，其設置在雷射器本體(I)內，並位於所述凸面鏡(4)和凹面鏡(3)之間，該內圓錐面環形反射鏡(501)的反射鏡面呈向內凹陷的圓錐面形，且該反射鏡(501)的鏡體為中空的環形體；和外圓錐面反射鏡(601)，其設置在非穩腔的光軸下方，並與所述內圓錐面環形反射鏡(501)相對放置，其中該外圓錐面反射鏡(601)的反射鏡面呈向外凸起的圓錐面形，其反射鏡面中心點(Q)與環形反射鏡(501)鏡面中心點(P)的連線與所述非穩腔的光軸垂直；其特徵在於，經所述凹面鏡(3)反射的光束一部分穿過反射鏡(501)的中空鏡體後傳輸到凸面鏡(4)上，以繼續振蕩，另一部分入射到內圓錐面環形反射鏡(501)的反射鏡面上，並反射到所述外圓錐面反射鏡(601)的反射鏡面上，通過調節所述內圓錐面環形反射鏡(501)與外圓錐面反射鏡(601)沿兩中心點連線(PQ)方向上的相對距離至合適大小，即可實現從所述外圓錐面反射鏡(601)的反射鏡面上輸出實心光束。2.根據權利要求I所述的一種可輸出實心光束的雷射非穩腔，其特徵在於，所述內圓錐面環形反射鏡(501)的反射鏡面與外圓錐面反射鏡(601)的反射鏡面具有相同的軸截面頂角，且為鈍角。3.根據權利要求I或2所述的一種可輸出實心光束的雷射非穩腔,其特徵在於,所述內圓錐面環形反射鏡(501)與所述外圓錐面反射鏡(601)的旋轉對稱軸均與所述非穩腔的光軸成45°夾角。4.根據權利要求I或2所述的一種可輸出實心光束的雷射非穩腔,其特徵在於,所述的內圓錐面環形反射鏡(501)的底部開有第一環形冷卻水槽，帶有進水口和出水口的環形水槽蓋板蓋在該第一環形冷卻水槽上，並與所述內圓錐面環形反射鏡(501)的底部密封連接。5.根據權利要求I或2所述的一種可輸出實心光束的雷射非穩腔,其特徵在於,所述的外圓錐面反射鏡(601)的後部開有第二環形冷卻水槽，帶有進水口和出水口的圓形水槽蓋板蓋在該第二環形冷卻水槽上，並與所述外圓錐面反射鏡(601)的底部密封連接。6.一種可輸出實心光束的雷射非穩腔,包括雷射器本體(1)，其包含由凸面鏡(4)和凹面鏡(3)相對布置構成的正支虛共焦非穩腔，該凸面鏡(4)和凹面鏡(3)的中心連線形成非穩腔的光軸；外圓錐面透鏡(502)，其設置在雷射器本體(I)外，並位於所述凸面鏡(4)後方，該外圓錐面透鏡(502)鏡體呈柱狀，鏡體一端端面為平面，另一端端面呈向外凸出的圓錐面，其旋轉對稱軸與非穩腔的光軸在同一直線上；和內圓錐面透鏡(602)，其同軸設置在外圓錐面透鏡(502)後方，該內圓錐面透鏡(602)呈柱狀體，面向外圓錐面透鏡(502)的端面呈向內凹陷的圓錐面形，另一端面為平面，該內圓錐面透鏡(602)的旋轉對稱軸與非穩腔的光軸在同一直線上，經所述外圓錐面透鏡(502)折射後的光束射入到該內圓錐面透鏡(602)的向內凹陷的圓錐面上，透射後通過另一端的平面端面射出；其特徵在於，光束由凹面鏡(3)向外反射時，一部分反射到凸面鏡(4)上在諧振腔內繼續震蕩，另一部分平行射到凸面鏡(4)後面的外圓錐面透鏡(502)的平面端上，經透射至另一端的圓錐面端並折射後向光軸方向折射，折射的光束射入到內圓錐面透鏡(602)的向內凹陷的圓錐面上，通過調節內圓錐面透鏡(602)在非穩腔的光軸方向上與外圓錐面透鏡(502)的距離至合適大小，即可使得經該內圓錐面透鏡(602)透射至另一端的平面端面時，出射的光束為實心光束。7.根據權利要求6所述的一種可輸出實心光束的雷射非穩腔,其特徵在於,所述外圓錐面透鏡(502)與所述內圓錐面透鏡(602)的圓錐面具有相同的臨界角C。8.根據權利要求7所述的一種可輸出實心光束的雷射非穩腔，其特徵在於，所述外圓錐面透鏡(502)端面的圓錐面與該內圓錐面透鏡(602)的圓錐面具有相同的軸截面頂角Θ'，且180°-2c(Θ/〈180°。專利摘要本實用新型公開了一種輸出實心光束的雷射非穩腔，包括包含相對布置的凸面鏡和凹面鏡的雷射器本體；設置在凸面鏡和凹面鏡之間的內圓錐面環形反射鏡，其反射鏡面為呈向內凹陷的圓錐面形，且該反射鏡的鏡體為中空的環形體；和設置在非穩腔的光軸下方，並與所述內圓錐面環形反射鏡相對放置的外圓錐面反射鏡，其中該外圓錐面反射鏡的反射鏡面呈向外凸起的圓錐面形，其反射鏡面中心Q與環形反射鏡鏡面中心P的連線與所述非穩腔的光軸垂直。本實用新型還公開了上述雷射非穩腔的應用。本實用新型的裝置和方法能夠利用反射光學元件實現對非穩腔雷射器輸出環形光束的變換，獲得圓形實心光束輸出；並且所提供的裝置結構簡單，工作穩定。文檔編號H01S3/081GK202616596SQ201220199338公開日2012年12月19日申請日期2012年5月4日優先權日2012年5月4日發明者陳培鋒,王英,羅曦申請人:華中科技大學