專利名稱：高功率脈沖激光器抗失調(diào)諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光諧振腔。
背景技術(shù)：
高能激光器件設(shè)計中的主要問題是，如何獲得盡可能大的模體積和好的橫模鑒別能力，以實現(xiàn)高能量單模運轉(zhuǎn)，從而既能從激活物質(zhì)中高效率地提取能量，又能保持高的光束質(zhì)量。
常用的激光諧振腔有穩(wěn)定腔，非穩(wěn)腔和臨界腔。
穩(wěn)定腔的主要優(yōu)點是損耗極低。在所有穩(wěn)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(wěn)定腔也有其內(nèi)在的缺點(1)模體積小。對于典型的穩(wěn)定腔激光器基模體積通常只占整個激活介質(zhì)體積的很小一部分。實際上，穩(wěn)定腔的高斯基模就像一條細長的帶子一樣處在激活物質(zhì)的軸線附近，大部分激活能量都不能有效地轉(zhuǎn)化為高斯基模的激光能量。特別值得指出的是，對菲涅爾數(shù)較大的穩(wěn)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激光棒的直徑?jīng)Q定)無關(guān)。因此，當腔長一定時，我們不可能用增大激活物質(zhì)的橫向尺寸的辦法來增加基模體積，從而提高激光器的輸出功率。相反地，激活物質(zhì)的橫向尺寸越大，工作物質(zhì)的利用系數(shù)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(zhuǎn)，從而降低光束質(zhì)量。穩(wěn)定腔運轉(zhuǎn)于多模狀態(tài)可以增大模體積，從而提高激活物質(zhì)的利用系數(shù)并增大輸出功率。因為穩(wěn)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(zhì)的有效利用系數(shù)，但這時光束質(zhì)量將比基模光束差得多。
非穩(wěn)腔和臨界腔可以保證有效地從激活物質(zhì)中提取能量而同時又能獲得高質(zhì)量的輸出光束。最常用的非穩(wěn)腔是虛共焦非穩(wěn)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(zhì)。這時激活物質(zhì)的利用效率最高并能獲得準直的，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(huán)的衍射圖樣。虛共焦非穩(wěn)腔的不足之處就是圓環(huán)衍射圖樣的能量分布相對于圓孔衍射將有相當?shù)哪芰糠植荚谥車镰h(huán)上，遠場能量分布不夠集中。虛共焦非穩(wěn)腔的調(diào)整過程復雜，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(yōu)點是光束發(fā)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(diào)整精度要求極高且容易失調(diào)?？量痰钠叫卸群凸馇环€(wěn)定性要求嚴重限制了它的應(yīng)用。
申請?zhí)?00610018552.0公開了一種“不失調(diào)激光諧振腔”，該激光諧振腔全反鏡由中心直角內(nèi)錐面和一個直角圓臺的外側(cè)面和一個直角圓臺的內(nèi)側(cè)面組合形成，使用平面輸出鏡。該激光諧振腔可以消除增益介質(zhì)不均勻分布的影響，壓縮輸出激光光斑的面積，實現(xiàn)帶有中心光斑的特殊環(huán)形光斑輸出。但是該全反鏡由三個錐面反射鏡組合形成，結(jié)構(gòu)復雜，使用中要求三個直角內(nèi)外錐面反射鏡同軸，加工制造相對比較困難。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種高功率脈沖激光器抗失調(diào)諧振腔，該諧振腔不僅抗失調(diào)能力強，可以消除增益介質(zhì)不均勻分布的影響，具有高熱穩(wěn)定性，改善了光束質(zhì)量，而且結(jié)構(gòu)簡單，加工制造簡便，沒有中心焦線，因此可以用于高能脈沖激光器中。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種高功率脈沖激光器抗失調(diào)諧振腔，包括全反射鏡，平面輸出鏡及激光工作介質(zhì)，全反射鏡為直角外圓錐面反射鏡和直角圓臺內(nèi)側(cè)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于直角圓臺內(nèi)側(cè)面反射鏡的高度，其高度差大于零小于或等于2mm。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(1)在本發(fā)明中，直角外圓錐面反射鏡的高度大于直角圓臺內(nèi)側(cè)面反射鏡的高度，所以本發(fā)明高功率脈沖激光器抗失調(diào)諧振腔沒有中心焦線，避免了在焦線上的空氣被擊穿，可以用于大能量脈沖激光器中；而且，提高了直角外圓錐面反射鏡頂尖部位抗脈沖強激光損傷的能力。
(2)在本發(fā)明中，直角外圓錐面反射鏡的高度大于直角圓臺內(nèi)側(cè)面反射鏡的高度，利用逆向反射特性，可以消除脈沖強激光器中的增益不均勻分布的影響，對固體激光棒、固體激光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沖激光器輸出光束的質(zhì)量和能量。
(3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，加工制造簡便。
(4)抗失調(diào)能力強，全反鏡或輸出鏡的容許失調(diào)角遠遠超過現(xiàn)有大能量脈沖激光器所使用的穩(wěn)定腔，非穩(wěn)腔和平行平面腔，使用維護方便可靠。
(5)本發(fā)明也可以用于固體或氣體高功率連續(xù)激光器中。
圖1為本發(fā)明的一種實施例的結(jié)構(gòu)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(fā)明高功率脈沖激光器抗失調(diào)諧振腔，包括全反射鏡1，平面輸出鏡3及激光工作介質(zhì)2，全反射鏡1為直角外圓錐面反射鏡4和直角圓臺內(nèi)側(cè)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大于直角圓臺內(nèi)側(cè)面反射鏡5的高度h2，其高度差大于零小于或等于2mm。
激光介質(zhì)2可以是氣體介質(zhì)，比如二氧化碳；或固體介質(zhì)，比如Nd:YAG激光晶體。在平面輸出鏡3的外表面鍍增透膜。
該激光諧振腔應(yīng)用于高功率激光器時，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(guī)自來水冷卻即可。直角外圓錐面反射鏡4和直角圓臺內(nèi)側(cè)面反射鏡5位于全反鏡1背面的結(jié)合部縫隙密封，以防止向組合反射鏡內(nèi)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(nèi)側(cè)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激光損傷性能超過拋光表面，由于在直角外圓錐面反射鏡4和直角圓臺內(nèi)側(cè)面反射鏡5的反射面鍍制均勻反射膜存在困難，金剛石機床可以直接將內(nèi)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(nèi)側(cè)面反射鏡5可用螺紋、鍵、花鍵或粘和劑實現(xiàn)可拆同軸連接。直角外圓錐面反射鏡4和直角圓臺內(nèi)側(cè)面反射鏡5也可用焊接連接。
在上述平面輸出鏡3的內(nèi)表面鍍圓環(huán)狀全反膜，圓環(huán)外徑等于輸出鏡的直徑，環(huán)寬小于輸出鏡3直徑的一半。這樣，可以產(chǎn)生壓縮激光器輸出光斑半徑的效果。
全反鏡1的光學性質(zhì)是任何方向的入射光線經(jīng)全反鏡1反射以后，反射光線與入射光線平行?；蛘哒f，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(jù)這一性質(zhì)，本發(fā)明高功率脈沖激光器抗失調(diào)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的頂點位于光軸附近，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(zhì)量沒有明顯下降。
權(quán)利要求
1.一種高功率脈沖激光器抗失調(diào)諧振腔，包括全反射鏡，平面輸出鏡及激光工作介質(zhì)，其特征在于全反射鏡(1)為直角外圓錐面反射鏡(4)和直角圓臺內(nèi)側(cè)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)的高度大于直角圓臺內(nèi)側(cè)面反射鏡(5)的高度，其高度差大于零小于或等于2mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率脈沖激光器抗失調(diào)諧振腔，其特征在于該激光諧振腔應(yīng)用于高功率激光器時，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(nèi)側(cè)面反射鏡(5)位于全反鏡(1)背面的結(jié)合部縫隙密封。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高功率脈沖激光器抗失調(diào)諧振腔，其特征在于全反鏡(1)和平面輸出鏡(3)的中心軸線與諧振腔光軸重合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高功率脈沖激光器抗失調(diào)諧振腔，其特征在于直角外圓錐面反射鏡(4)和直角圓臺內(nèi)側(cè)面反射鏡(5)用螺紋、鍵、花鍵或粘和劑連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高功率脈沖激光器抗失調(diào)諧振腔，其特征在于直角外圓錐面反射鏡(4)和直角圓臺內(nèi)側(cè)面反射鏡(5)用焊接連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高功率脈沖激光器抗失調(diào)諧振腔，其特征在于在上述平面輸出鏡(3)的內(nèi)表面鍍圓環(huán)狀全反膜，圓環(huán)外徑等于輸出鏡的直徑，環(huán)寬小于輸出鏡(3)直徑的一半。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高功率脈沖激光器抗失調(diào)諧振腔，包括全反射鏡，平面輸出鏡及激光工作介質(zhì)，全反射鏡為直角內(nèi)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(nèi)側(cè)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于直角圓臺內(nèi)側(cè)面反射鏡的高度，其高度差大于零小于或等于2mm。本發(fā)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(fā)散角極小，模體積大；調(diào)整極其簡便，工作極其穩(wěn)定；可以用于高功率氣體激光器、固體激光器，特別適用于高能脈沖激光器。
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(yōu)先權(quán)日2006年9月22日
發(fā)明者李宏棋, 程祖海 申請人:華中科技大學