專利名稱：一種環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光諧振腔技術(shù)，具體涉及一種環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔。
背景技術(shù)：
在激光應(yīng)用的許多場(chǎng)合，例如激光打孔、焊接、切割以及激光醫(yī)療等 微精密加工中，都希望激光器最好能工作在發(fā)散角最小光束質(zhì)量最好的基 模狀態(tài)。傳統(tǒng)選模技術(shù)(如使用孔徑光闌)可以使激光器輸出的光束質(zhì)量 提高，但使用孔徑光闌在很大程度上限制了模體積，增加了模損耗。高功率激光器件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在如何獲得盡可能大的模體積和好的橫 模鑒別能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高功率單模運(yùn)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)腔和臨界腔三種。穩(wěn)定腔的損耗很低，傍軸光線的幾何偏折損耗均為零，而且只要腔的 菲涅爾數(shù)不太小，衍射損耗通常也小到可以忽略，因此在絕大多數(shù)中、小 功率器件都采用穩(wěn)定腔。但當(dāng)我們要求激光器高功率基模運(yùn)行時(shí)，由于穩(wěn) 定腔的基模模體積太小，且與諧振腔鏡面尺寸無(wú)關(guān)，這就意味著增大激活 介質(zhì)的橫向尺寸或增大諧振腔鏡面尺寸無(wú)助于基模激光光束輸出功率的提 高，反而容易導(dǎo)致激光器的多橫模運(yùn)轉(zhuǎn)，降低輸出光束的質(zhì)量。與一般穩(wěn)定球面腔相比，非穩(wěn)腔的波形限制能力顯著提高；此外，由 于振蕩波形為球面波，對(duì)工作物質(zhì)動(dòng)態(tài)折射率畸變等影響比較不敏感，因 此用于高增益激光器系統(tǒng)，可獲得發(fā)散角相當(dāng)小的高亮度輸出光束。非穩(wěn) 腔的損耗主要是傍軸光線的發(fā)散損耗，單程的損耗很大，可達(dá)百分之幾十。 為獲得高功率輸出，工作物質(zhì)的橫向尺寸往往較大，因此衍射損耗可以忽 略。由于腔的損耗較大，通常需采用側(cè)面逸出輸出耦合，故輸出為中心空的環(huán)狀光束。這種腔調(diào)整要求高，且不能用于低增益的或細(xì)口徑的各類激 光器系統(tǒng)中。平行平面腔是臨界腔中最廣泛應(yīng)用的一種腔型，它由一平面反射鏡和 一平面半透半反鏡組成。平行平面腔的主要優(yōu)點(diǎn)是光束方向性極好(發(fā) 散角小)，模體積較大，比較容易獲得單模振蕩。平行平面腔的主要缺點(diǎn)是: 調(diào)整精度要求極高且容易失調(diào)，與穩(wěn)定腔相比，損耗也較大，對(duì)小增益器 件不大適用。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，提供一種環(huán)形凹面 反射鏡激光諧振腔。該激光諧振腔可以在保證激光光束質(zhì)量的前提下，獲 得大模體積和高功率輸出，腔鏡加工方便，熱穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是， 一種環(huán)形凹面反射鏡激 光諧振腔，包括反射鏡、激光工作介質(zhì)及輸出鏡；其特征在于反射鏡為環(huán)形凹面反射鏡，其反射面包含至少一個(gè)或多個(gè)同心的環(huán)形的圓弧狀凹面。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1) 本發(fā)明具有輸出光束質(zhì)量好，發(fā)散角小，模體積大，輸出功率高 的特點(diǎn)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量和高功率的激光輸出。(2) 本發(fā)明能輸出環(huán)形光束，光束中心功率密度低，可以降低由于中 心功率密度過(guò)高導(dǎo)致的光路鏡片的熱變形及熱破壞。(3) 本發(fā)明具有穩(wěn)定腔的低損耗、不易失調(diào)的特性。調(diào)整要求低，安裝、使用、維護(hù)方便，且性能可靠。容易對(duì)現(xiàn)有激光諧振腔進(jìn)行改裝，不 僅能改善現(xiàn)有激光器的光束質(zhì)量，還能提高激光器的輸出功率。(4) 本發(fā)明加工方便，制造成本低。


圖1為本發(fā)明環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔的第一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1中環(huán)形凹面反射鏡的右視圖。圖3為圖1所示的激光諧振腔的輸出光束示意圖。 圖4為本發(fā)明環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔的第二種具體實(shí)施方式
的結(jié) 構(gòu)示意圖。圖5為圖4中環(huán)形凹面反射鏡的右視圖。圖6為本發(fā)明環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔的第三種具體實(shí)施方式
的結(jié) 構(gòu)示意圖。圖7為圖6中環(huán)形凹面反射鏡的右視圖。圖8為本發(fā)明環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔的第四種具體實(shí)施方式
的結(jié) 構(gòu)示意圖。圖9為圖8中同心多環(huán)凹面反射鏡的右視圖。圖10為本發(fā)明環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔的第五種具體實(shí)施方式
的結(jié) 構(gòu)示意圖。圖11為圖10中同心多環(huán)凹面反射鏡的右視圖。圖12為本發(fā)明環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔的第六種具體實(shí)施方式
的結(jié) 構(gòu)示意圖。圖13為圖12中同心多環(huán)凹面反射鏡的右視圖。圖14為本發(fā)明提供的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔第七種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖15為圖14中環(huán)形凹面輸出鏡的右視圖。 圖16為圖14中環(huán)形凹面反射鏡的左視圖。 圖17為本發(fā)明實(shí)施例7的輸出光束示意圖。圖18為本發(fā)明提供的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔第八種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖19為圖18中環(huán)形凹面輸出鏡的右視圖。 圖20為圖18中環(huán)形凹面反射鏡的左視圖。圖21為本發(fā)明提供的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔第九種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖22為圖21中環(huán)形凹面輸出鏡的右視圖。 圖23為圖21中環(huán)形凹面反射鏡的左視圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。 本發(fā)明提供的環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔均包括反射鏡1、激光工作介質(zhì)3及輸出鏡2，與現(xiàn)有技術(shù)所不同的僅在于反射鏡1的結(jié)構(gòu)不同，下面舉例予以說(shuō)明。實(shí)施例1由圖1 圖2所示， 一種環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔，包括反射鏡l、 激光工作介質(zhì)3及輸出鏡2。反射鏡1為環(huán)形凹面反射鏡，其反射面由一個(gè) 環(huán)形的圓弧狀凹面組成。對(duì)實(shí)施例1的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔 輸出光束呈環(huán)狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是在以鏡面中心為圓 心的一個(gè)圓上，這樣可以降低反射鏡、輸出鏡以及外光路鏡片中心的溫度， 減少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的輸出光束示意圖。 與穩(wěn)定腔相比，采用環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔在保證輸出激光光束質(zhì)量， 發(fā)散角不變的情況下，其模體積可增大約四倍，可以大大提高激光輸出功 率。在模體積不變的情況下，可以大大壓縮發(fā)散角，輸出質(zhì)量更好的激光 光束。該諧振腔在工作介質(zhì)為氣體和固體時(shí)均可使用，特別是當(dāng)增益區(qū)較 大時(shí)，更可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。實(shí)施例2由圖4 圖5所示，反射鏡1為環(huán)形凹面反射鏡，其反射面由一個(gè)環(huán)形 的圓弧狀凹面和一個(gè)中心圓形反射面組成，上述中心圓形反射面可以是平 面或球面。對(duì)實(shí)施例2的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔 輸出光束呈環(huán)狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是在以鏡面中心為圓 心的一個(gè)圓上，這樣可以降低反射鏡、輸出鏡以及外光路鏡片中心的溫度，減少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。與穩(wěn)定腔相比，采用環(huán)形凹面反射鏡激光 諧振腔在保證輸出激光光束質(zhì)量，發(fā)散角不變的情況下，其模體積可大大 增大，可以大大提高激光輸出功率。在模體積不變的情況下，可以大大壓 縮發(fā)散角，輸出質(zhì)量更好的激光光束。該諧振腔在工作介質(zhì)為氣體和固體 時(shí)均可使用，特別是當(dāng)增益區(qū)較大時(shí)，更可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。由圖6 圖7所示，反射鏡1為環(huán)形凹面反射鏡，其反射面包含一個(gè)環(huán) 形的圓弧狀凹面，鏡面中心為非反射面或?yàn)榭招?，激光工作介質(zhì)3為環(huán)形 柱狀工作介質(zhì)。對(duì)實(shí)施例3的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔 輸出光束的呈環(huán)狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是在以鏡面中心為 圓心的一個(gè)圓上，這樣可以降低反射鏡、輸出鏡以及外光路鏡片中心的溫 度，減少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。與穩(wěn)定腔相比，采用環(huán)形凹面反射鏡 激光諧振腔在保證輸出激光光束質(zhì)量，發(fā)散角不變的情況下，可以大大提 高激光輸出功率。在模體積不變的情況下，可以大大壓縮發(fā)散角，輸出質(zhì) 量更好的激光光束。該諧振腔在工作介質(zhì)為氣體和固體時(shí)均可使用，特別 是當(dāng)工作介質(zhì)增益區(qū)為環(huán)形柱狀結(jié)構(gòu)時(shí)，更可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。實(shí)施例4由圖8 圖9所示，反射鏡l為同心多環(huán)凹面反射鏡，其反射面由多個(gè) 同心環(huán)形的圓弧狀凹面組成。對(duì)實(shí)施例4的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，同心多環(huán)凹面反射鏡激光諧 振腔輸出光束呈環(huán)狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是在以鏡面中心 為圓心的多個(gè)同心圓上，這樣可以降低反射鏡、輸出鏡以及外光路鏡片中 心的溫度，減少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。與穩(wěn)定腔相比，采用同心多環(huán) 凹面反射鏡激光諧振腔在保證輸出激光光束質(zhì)量，發(fā)散角不變的情況下， 其模體積可增大許多，從而大大提高激光輸出功率。而在模體積不變的情 況下，與穩(wěn)定腔或單環(huán)凹面鏡諧振腔相比，同心多環(huán)凹面反射鏡激光諧振腔的輸出光束的發(fā)散角更小，聚焦光斑更?。煌瑫r(shí)同心多環(huán)凹面反射鏡激 光諧振腔輸出的聚焦光斑為多環(huán)狀光斑，能量密度分布得更加均勻，激光 加工效果更好。該諧振腔在工作介質(zhì)為氣體和固體時(shí)均可使用，特別是當(dāng) 增益區(qū)較大時(shí)，更可以充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。實(shí)施例5由圖10 圖11所示，反射鏡1為同心多環(huán)凹面反射鏡，其反射面由多 個(gè)同心環(huán)形的圓弧狀凹面和一個(gè)中心圓形反射面組成。上述中心圓形反射 面可以是平面或是球面。對(duì)實(shí)施例5的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，同心多環(huán)凹面反射鏡激光諧 振腔輸出光束呈環(huán)狀，功率峰值位置不只集中在鏡面的中心，而是在以鏡 面中心為圓心的多個(gè)同心圓上，這樣可以降低反射鏡、輸出鏡以及外光路 鏡片中心的溫度，減少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。與穩(wěn)定腔相比，采用同 心多環(huán)凹面反射鏡激光諧振腔在保證輸出激光光束質(zhì)量，發(fā)散角不變的情 況下，其模體積可增大許多，從而大大提高激光輸出功率。而在模體積不 變的情況下，與穩(wěn)定腔或單環(huán)凹面鏡諧振腔相比，同心多環(huán)凹面反射鏡激 光諧振腔的輸出光束的發(fā)散角更小，聚焦光斑更小；同時(shí)同心多環(huán)凹面反 射鏡激光諧振腔輸出的聚焦光斑為多環(huán)狀光斑，能量密度分布得更加均勻， 激光加工效果更好。該諧振腔在工作介質(zhì)為氣體和固體時(shí)均可使用，特別 是當(dāng)增益區(qū)較大時(shí)，更可以充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。實(shí)施例6由圖12 圖13所示，反射鏡1為同心多環(huán)凹面反射鏡，其反射面包含 多個(gè)同心環(huán)形的圓弧狀凹面，鏡面中心為非反射面或?yàn)榭招?，激光工作?質(zhì)3為環(huán)形柱狀工作介質(zhì)。對(duì)實(shí)施例6的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，同心多環(huán)凹面反射鏡激光諧 振腔輸出光束的呈環(huán)狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是在以鏡面中 心為圓心的多個(gè)同心圓上，這樣可以降低反射鏡、輸出鏡以及外光路鏡片 中心的溫度，減少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。與穩(wěn)定腔相比，采用同心多環(huán)凹面反射鏡激光諧振腔在保證輸出激光光束質(zhì)量，發(fā)散角不變的情況下, 其模體積可增大許多，從而大大提高激光輸出功率。而在模體積不變的情 況下，與穩(wěn)定腔或單環(huán)凹面鏡諧振腔相比，同心多環(huán)凹面反射鏡激光諧振 腔的輸出光束的發(fā)散角更小，聚焦光斑更小；同時(shí)同心多環(huán)凹面反射鏡激 光諧振腔輸出的聚焦光斑為多環(huán)狀光斑，能量密度分布得更加均勻，激光 加工效果更好。該諧振腔在工作介質(zhì)為氣體和固體時(shí)均可使用，特別是當(dāng) 工作介質(zhì)增益區(qū)為環(huán)形柱狀結(jié)構(gòu)時(shí)，更可以充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。實(shí)施例7由圖14 圖16所示， 一種環(huán)形凹面鏡激光諧振腔，包括反射鏡1、激 光工作介質(zhì)3及輸出鏡2。輸出鏡2和反射鏡1為環(huán)形凹面鏡，其反射面和 輸出面均由一個(gè)環(huán)形的圓弧狀凹面組成。對(duì)實(shí)施例7的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，環(huán)形凹面鏡激光諧振腔輸出 光束呈環(huán)狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是在以鏡面中心為圓心的 一個(gè)圓上，這樣可以降低反射鏡、輸出鏡以及外光路鏡片中心的溫度，減 少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。圖17為本發(fā)明實(shí)施例7的輸出光束示意圖。 與穩(wěn)定腔相比，采用環(huán)形凹面鏡激光諧振腔在保證輸出激光光束質(zhì)量，發(fā) 散角不變的情況下，其模體積可增大約四倍，可以大大提高激光輸出功率。 在模體積不變的情況下，采用環(huán)形凹面鏡激光諧振腔可以大大壓縮發(fā)散角， 輸出的聚焦光斑為多環(huán)狀光斑，激光加工的效果更好。該諧振腔在工作介 質(zhì)為氣體和固體時(shí)均可使用，特別是當(dāng)增益區(qū)較大時(shí)，更可以充分發(fā)揮其 優(yōu)勢(shì)。實(shí)施例8由圖18 圖20所示， 一種環(huán)形凹面鏡激光諧振腔，包括反射鏡l、激 光工作介質(zhì)3及輸出鏡2，輸出鏡2和反射鏡1為環(huán)形凹面鏡，其反射面和 輸出面均由一個(gè)環(huán)形的圓弧狀凹面和一個(gè)中心圓形面組成。上述中心圓形 工作面可以是平面或球面。對(duì)實(shí)施例8的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，環(huán)形凹面鏡激光諧振腔輸出光束呈環(huán)狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是在以鏡面中心為圓心的 一個(gè)圓上，這樣可以降低反射鏡、輸出鏡以及外光路鏡片中心的溫度，減 少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。與穩(wěn)定腔相比，采用環(huán)形凹面鏡激光諧振腔 在保證輸出激光光束質(zhì)量，發(fā)散角不變的情況下，其模體積可大大增大， 可以大大提高激光輸出功率。在模體積不變的情況下，采用環(huán)形凹面鏡激 光諧振腔可以大大壓縮發(fā)散角，輸出的聚焦光斑為多環(huán)狀光斑，激光加工 的效果更好。該諧振腔在工作介質(zhì)為氣體和固體時(shí)均可使用，特別是當(dāng)增 益區(qū)較大時(shí)，更可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。實(shí)施例9由圖21 圖23所示， 一種環(huán)形凹面鏡激光諧振腔，包括反射鏡l、激 光工作介質(zhì)3及輸出鏡2。反射鏡1和輸出鏡2為環(huán)形凹面鏡，其反射面和 輸出面均包含一個(gè)環(huán)形的圓弧狀凹面，鏡面中心為非反射面或?yàn)榭招?，?光工作介質(zhì)3為環(huán)形柱狀工作介質(zhì)。對(duì)實(shí)施例9的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，環(huán)形凹面鏡激光諧振腔輸出 光束的呈環(huán)狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是在以鏡面中心為圓心 的一個(gè)圓上，這樣可以降低反射鏡、輸出鏡以及外光路鏡片中心的溫度， 減少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。與穩(wěn)定腔相比，采用環(huán)形凹面鏡激光諧振 腔在保證輸出激光光束質(zhì)量，發(fā)散角不變的情況下，可以大大提高激光輸 出功率。在模體積不變的情況下，采用環(huán)形凹面鏡激光諧振腔可以大大壓縮發(fā)散角，輸出的聚焦光斑為多環(huán)狀光斑，激光加工的效果更好。該諧振 腔在工作介質(zhì)為氣體和固體時(shí)均可使用，特別是當(dāng)工作介質(zhì)增益區(qū)為環(huán)形 柱狀結(jié)構(gòu)時(shí)，更可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。上述各實(shí)例中，反射面1可以由多個(gè)反射面構(gòu)成，也可以是一個(gè)整體 反射面。本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā) 明公開(kāi)的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是 采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡(jiǎn)單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入 本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔，包括反射鏡、激光工作介質(zhì)及輸出鏡；其特征在于反射鏡(1)為環(huán)形凹面反射鏡，其反射面包含至少一個(gè)或多個(gè)同心的環(huán)形的圓弧狀凹面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔，其特征在于輸出鏡(2)為環(huán)形凹面輸出鏡，其工作面包含一個(gè)或多個(gè)同心的環(huán)形的圓弧狀凹面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔，其特征在于 反射鏡(1)的反射面為一個(gè)整體反射面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔，其特征在于反射鏡(1)的反射面的中央處為圓形反射面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔，其特征在于反射鏡(1)的鏡面中央處為非反射面或空心。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔，其特征在于輸出鏡(2)為一個(gè)整體工作面。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔，其特征在 于輸出鏡(2)的工作面中央處為圓形工作面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔，其特征在于輸出鏡(2)的鏡面中央處為非工作面或空心。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種環(huán)形凹面反射鏡激光諧振腔，包括反射鏡、激光工作介質(zhì)及輸出鏡。其特征在于反射鏡為環(huán)形凹面反射鏡，其反射面包含一個(gè)或多個(gè)同心的環(huán)形的圓弧狀凹面。本發(fā)明可以將反射面的中央處做成圓形面，或?qū)⒎瓷溏R的鏡面中央處做成非反射面或空心。本發(fā)明還可以采用環(huán)形凹面輸出鏡。本發(fā)明激光諧振腔加工簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，工作穩(wěn)定，可利用的模體積大，發(fā)散角極小，光束質(zhì)量好?？梢杂糜谥小⒏吖β蕷怏w或固體激光器，特別適用于大體積增益介質(zhì)和環(huán)形柱狀增益介質(zhì)。
文檔編號(hào)H01S3/08GK101262114SQ200810047419
公開(kāi)日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2008年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月20日
發(fā)明者唐霞輝, 浩 彭, 娟 柳, 秦應(yīng)雄, 鄧前松, 鐘如濤 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)