專利名稱:直角內(nèi)外圓錐面組合全反鏡激光諧振腔的制作方法
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(jì)中的主要問(wèn)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(shí)現(xiàn)高能量單模運(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。
臨界腔可以保證有效地從激活物質(zhì)中提取能量而同時(shí)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。它由一凹面鏡和一凸面鏡組成。凹面鏡的實(shí)焦點(diǎn)和凸面鏡的虛焦點(diǎn)重合，公共焦點(diǎn)在腔外。通過(guò)選擇反射鏡的尺寸，平面波將有效地通過(guò)全部工作物質(zhì)。這時(shí)激活物質(zhì)的利用效率最高并能獲得準(zhǔn)直的，均勻的輸出光束。對(duì)圓形鏡腔其遠(yuǎn)場(chǎng)圖就是一個(gè)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(duì)于圓孔衍射將有相當(dāng)?shù)哪芰糠植荚谥車镰h(huán)上，遠(yuǎn)場(chǎng)能量分布不夠集中。虛共焦非穩(wěn)腔的調(diào)整過(guò)程復(fù)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(diǎn)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(diǎn)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(yán)重限制了它的應(yīng)用。
申請(qǐng)?zhí)?00610018550.1公開(kāi)了一種“直角圓臺(tái)內(nèi)側(cè)面與直角圓錐外側(cè)面全反鏡激光諧振腔”，該諧振腔能消除增益介質(zhì)不均勻分布的影響，可以輸出小光斑尺寸高功率密度的實(shí)心光束或環(huán)形空心光束，適用于中高功率氣體或固體激光器。但是該諧振腔需要錐面全反鏡和帶有環(huán)形全反膜的整體或分體平面輸出鏡配合使用，由于該配合要求嚴(yán)格的配合尺寸關(guān)系，該諧振腔加工制造難度較大，并且限制了該諧振腔壓縮輸出光斑和輸出空心光斑的能力。另外，該諧振腔的光線運(yùn)行特點(diǎn)決定該諧振腔僅適用于激光介質(zhì)橫截面為圓形或環(huán)形，且該圓環(huán)外徑大于錐面全反鏡半徑的情況，對(duì)于其它截面形式的激光介質(zhì)，該諧振腔的效率有所降低。

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，提供一種直角內(nèi)外圓錐面組合全反鏡激光諧振腔，該激光諧振腔抗失調(diào)能力強(qiáng)，對(duì)激光介質(zhì)的利用效率高，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，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造簡(jiǎn)便，可以用于高功率激光器中。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種直角內(nèi)外圓錐面組合全反鏡激光諧振腔，包括全反鏡、平面輸出鏡及激光工作介質(zhì)，全反鏡為直角外圓錐面反射鏡和直角內(nèi)圓錐面反射鏡的組合，直角外圓錐面反射鏡的外錐面和直角內(nèi)圓錐面反射鏡的內(nèi)錐面為反射面，直角外圓錐面反射鏡和直角內(nèi)圓錐面反射鏡的中心軸線重合，直角外圓錐面反射鏡錐面的高度h大于零、且小于直角內(nèi)圓錐面反射鏡的高度。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果(1)本發(fā)明抗失調(diào)能力強(qiáng)，使用維護(hù)方便可靠，激光介質(zhì)利用效率高；直角外圓錐面反射鏡和直角內(nèi)圓錐面反射鏡的尺寸關(guān)系可以根據(jù)諧振腔制造要求，激光器的輸出要求以及激光介質(zhì)的形狀進(jìn)行調(diào)節(jié)，適用范圍廣，加工成本低，輸出光束質(zhì)量好。
(2)本發(fā)明利用逆向反射特性，可以消除增益介質(zhì)中不均勻分布的影響，對(duì)固體激光棒，固體激光晶體板條薄片在激勵(lì)下的不均勻性，氣體放電不均勻性，氣體折射率不均勻性等不均勻性起到光學(xué)補(bǔ)償作用，充分保證了固體或氣體激光器輸出光束的質(zhì)量和能量。
(3)本發(fā)明不僅可以輸出圓形光斑，也可以輸出矩形光斑等其它形狀的光斑。
(4)本發(fā)明可以在平面輸出鏡中心內(nèi)表面鍍圓形全反膜形成全反鏡或直接粘貼圓形平面全反鏡，該圓形全反鏡的直徑等于或小于直角外圓錐面反射鏡的底面直徑，這樣可以輸出空心平行光束，適用于某些特殊需要，該空心光束的遮擋部分可以根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)。
(5)本發(fā)明不需要平面輸出鏡上帶有全反鏡，而輸出實(shí)心平行光束，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造簡(jiǎn)便。
圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明另一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明又一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式由圖1所示，一種直角內(nèi)外圓錐面組合全反鏡激光諧振腔，包括全反鏡、平面輸出鏡3及激光工作介質(zhì)4，全反鏡為直角外圓錐面反射鏡1和直角內(nèi)圓錐面反射鏡2的組合，直角外圓錐面反射鏡1的外錐面和直角內(nèi)圓錐面反射鏡2的內(nèi)錐面為反射面，直角外圓錐面反射鏡1和直角內(nèi)圓錐面反射鏡2的中心軸線重合，直角外圓錐面反射鏡1錐面的高度h大于零、且小于直角內(nèi)圓錐面反射鏡2的高度。
直角外圓錐面反射鏡1的頂點(diǎn)位于激光腔的光軸上，其中心軸線與光軸重合。
直角外圓錐面反射鏡1和直角內(nèi)圓錐面反射鏡2為可拆連接或固定連接。直角外圓錐面反射鏡1和直角內(nèi)圓錐面反射鏡2可以使用軸孔間隙配合加螺紋、鍵、銷釘或粘和劑實(shí)現(xiàn)可拆連接，也可以使用焊接固定連接。
平面輸出鏡3為外表面鍍?cè)鐾改さ钠叫衅矫骁R，平面輸出鏡3和諧振腔光軸垂直，平面輸出鏡3的形狀可為圓形或矩形等其它形狀，諧振腔輸出圓形光斑，也可輸出矩形光斑等其它形狀的光斑。激光介質(zhì)4可以是氣體介質(zhì)，如二氧化碳；或固體介質(zhì)，如Nd:YAG激光晶體。
對(duì)于高能量，大功率的激光器使用的全反鏡，不但要求具有很高的反射率，也要求耐熱損傷能力強(qiáng)，對(duì)它們的具體要求是材料本身的固有反射率高，導(dǎo)熱率高，可加工性能良好，可以獲得較高的精度。直角外圓錐面反射鏡1和直角內(nèi)圓錐面反射鏡2要求具有較高的面形精度，直角精度，同軸度和高反射率。實(shí)踐證明，用金剛石刀具超精密切削的無(wú)氧銅全反鏡表面的耐熱和抗激光損傷性能超過(guò)拋光表面，由于在內(nèi)外錐表面鍍制均勻反射膜存在困難，金剛石機(jī)床可直接將直角外圓錐面反射鏡1的外錐面和直角內(nèi)圓錐面反射鏡2的內(nèi)錐面切削成鏡面，不必鍍制反射膜直接作為反光鏡使用。
本發(fā)明若用于高能激光器，由直角外圓錐面反射鏡1和直角內(nèi)圓錐面反射鏡2組成的全反鏡以及平面輸出鏡3應(yīng)冷卻散熱，通常使用水冷，一般在全反鏡背面加工水槽使用常規(guī)自來(lái)水冷卻即可。使用水冷結(jié)構(gòu)時(shí)，需要將直角外圓錐面反射鏡1和直角內(nèi)圓錐面反射鏡2的結(jié)合部位于全反鏡背面的縫隙密封，以防止向全反鏡內(nèi)部滲水，一般使用粘和劑或焊接密封即可。
直角內(nèi)外圓錐面組合反射鏡的光學(xué)性質(zhì)是任何方向的入射光線經(jīng)內(nèi)外組合圓錐面反射以后，反射光線與入射光線平行。或者說(shuō)，只要入射光線方向不變，組合內(nèi)外圓錐面反射鏡受到外界輕微擾動(dòng)，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)，諧振腔輸出光線的方向與平面輸出鏡的法線方向相同，且當(dāng)直角外圓錐面反射鏡1的頂點(diǎn)位于光軸附近，組合全反鏡的中心軸線與光軸近似重合時(shí)即可出光，出光能量與光束質(zhì)量沒(méi)有明顯下降。本發(fā)明適用于使用固體或氣體激光介質(zhì)的中高功率脈沖或連續(xù)激光器。
由圖2所示，在圖1的基礎(chǔ)上，在平面輸出鏡3的中心內(nèi)表面鍍圓形全反膜5或粘貼圓形平面全反鏡，圓形全反膜5或粘貼的圓形平面全反鏡的直徑等于或小于直角外圓錐面反射鏡1的底面直徑d。通過(guò)調(diào)節(jié)直角外圓錐面反射鏡1的高度h即調(diào)節(jié)底面直徑d，即可滿足要求輸出空心光斑的情況。
由圖3所示，圖1中的直角外圓錐面反射鏡1和直角內(nèi)圓錐面反射鏡2采用小角度錐面連接安裝，該安裝方式適合于諧振腔垂直放置使用的情況，能有效控制直角外圓錐面反射鏡1和直角內(nèi)圓錐面反射鏡2之間的間隙。
權(quán)利要求
1.一種直角內(nèi)外圓錐面組合全反鏡激光諧振腔，包括全反鏡、平面輸出鏡及激光工作介質(zhì)，其特征在于全反鏡為直角外圓錐面反射鏡(1)和直角內(nèi)圓錐面反射鏡(2)的組合，直角外圓錐面反射鏡(1)的外錐面和直角內(nèi)圓錐面反射鏡(2)的內(nèi)錐面為反射面，直角外圓錐面反射鏡(1)和直角內(nèi)圓錐面反射鏡(2)的中心軸線重合，直角外圓錐面反射鏡(1)錐面的高度h大于零、且小于直角內(nèi)圓錐面反射鏡(2)的高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的直角內(nèi)外圓錐面組合全反鏡激光諧振腔，其特征在于直角外圓錐面反射鏡(1)的頂點(diǎn)位于激光腔的光軸上，其中心軸線與光軸重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的直角內(nèi)外圓錐面組合全反鏡激光諧振腔，其特征在于在平面輸出鏡(3)的中心內(nèi)表面鍍圓形全反膜(5)或粘貼圓形平面全反鏡，圓形全反膜(5)或粘貼的圓形平面全反鏡的直徑等于或小于直角外圓錐面反射鏡(1)的底面直徑d。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的直角內(nèi)外圓錐面組合全反鏡激光諧振腔，其特征在于直角外圓錐面反射鏡(1)和直角內(nèi)圓錐面反射鏡(2)為可拆連接或固定連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的直角內(nèi)外圓錐面組合全反鏡激光諧振腔，其特征在于直角外圓錐面反射鏡(1)和直角內(nèi)圓錐面反射鏡(2)為可拆連接或固定連接。
專利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種直角內(nèi)外圓錐面組合全反鏡激光諧振腔，該激光諧振腔包括全反鏡，平面輸出鏡及激光工作介質(zhì)，全反鏡為直角外圓錐面反射鏡和直角內(nèi)圓錐面反射鏡的組合，直角外圓錐面反射鏡的外錐面和直角內(nèi)圓錐面反射鏡的內(nèi)錐面為反射面，直角外圓錐面反射鏡和直角內(nèi)圓錐面反射鏡的中心軸線重合，直角外圓錐面反射鏡錐面的高度h大于零且小于直角內(nèi)圓錐面反射鏡的高度。該腔輸出實(shí)心或空心平行光束，近場(chǎng)光斑光強(qiáng)分布均勻，遠(yuǎn)場(chǎng)光能集中，發(fā)散角極小，模體積大。調(diào)整極其簡(jiǎn)便，工作極其穩(wěn)定?？梢杂糜跉怏w或固體激光器，高功率或中大功率激光器。
文檔編號(hào)H01S3/08GK1996683SQ200610166533
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月28日
發(fā)明者李宏棋, 程祖海 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan