CN100486063C - 高功率脉冲激光器抗失调谐振腔 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率脉冲激光器抗失调谐振腔，包括全反射镜，平面输出镜及激光工作介质，全反射镜为直角内外圆锥面组合反射镜，该反射镜为直角外圆锥面反射镜和直角圆台内侧面反射镜的组合，这两个反射镜的中心轴线重合，直角外圆锥面反射镜的高度大于直角圆台内侧面反射镜的高度，其高度差大于零小于或等于2mm。本发明输出近似实心平行光束，近场光斑光强分布均匀，远场光能集中，发散角极小，模体积大；调整极其简便，工作极其稳定；可以用于高功率气体激光器、固体激光器，特别适用于高能脉冲激光器。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光谐振腔。
背景技术
高能激光器件设计中的主要问题是，如何获得尽可能大的模体积和好的横模鉴别能力，以实现高能量单模运转，从而既能从激活物质中高效率地提取能量，又能保持高的光束质量。
常用的激光谐振腔有稳定腔，非稳腔和临界腔。
稳定腔的主要优点是损耗极低。在所有稳定腔中，傍轴光线的几何偏折损耗均为零，而且只要腔的菲涅尔不太小，衍射损耗通常也小到可以忽略。但稳定腔也有其内在的缺点：(1)模体积小。对于典型的稳定腔激光器基模体积通常只占整个激活介质体积的很小一部分。实际上，稳定腔的高斯基模就像一条细长的带子一样处在激活物质的轴线附近，大部分激活能量都不能有效地转化为高斯基模的激光能量。特别值得指出的是，对菲涅尔数较大的稳定腔，光斑半径及基模体积与腔的横向尺寸(它通常由气体放电管或固体激光棒的直径决定)无关。因此，当腔长一定时，我们不可能用增大激活物质的横向尺寸的办法来增加基模体积，从而提高激光器的输出功率。相反地，激活物质的横向尺寸越大，工作物质的利用系数越低。(2)当腔的菲涅尔较大时，若干较低阶横模的衍射损耗都小到可以忽略，因而谐振腔也就实际上失去了横模选择能力，这将不可避免地导致多模运转，从而降低光束质量。稳定腔运转于多模状态可以增大模体积，从而提高激活物质的利用系数并增大输出功率。因为稳定腔模体积随模的阶次增大而增大，当足够的厄米高斯(或拉盖尔高斯)模形成震荡时即可提高激活物质的有效利用系数，但这时光束质量将比基模光束差得多。
非稳腔和临界腔可以保证有效地从激活物质中提取能量而同时又能获得高质量的输出光束。最常用的非稳腔是虚共焦非稳腔。它由一凹面镜和一凸面镜组成。凹面镜的实焦点和凸面镜的虚焦点重合，公共焦点在腔外。通过选择反射镜的尺寸，平面波将有效地通过全部工作物质。这时激活物质的利用效率最高并能获得准直的，均匀的输出光束。对圆形镜腔其远场图就是一个被平面波均匀照明的圆环的衍射图样。虚共焦非稳腔的不足之处就是圆环衍射图样的能量分布相对于圆孔衍射将有相当的能量分布在周围亮环上，远场能量分布不够集中。虚共焦非稳腔的调整过程复杂，要求高。
平行平面腔由一平面全反镜和一平面输出镜组成。两平面镜相互平行。输出均匀平行光束。平平腔的主要优点是：光束发散角小，模体积较大。比较容易获得单模振荡。其主要缺点是调整精度要求极高且容易失调。苛刻的平行度和光腔稳定性要求严重限制了它的应用。
申请号200610018552.0公开了一种“不失调激光谐振腔”，该激光谐振腔全反镜由中心直角内锥面和一个直角圆台的外侧面和一个直角圆台的内侧面组合形成，使用平面输出镜。该激光谐振腔可以消除增益介质不均匀分布的影响，压缩输出激光光斑的面积，实现带有中心光斑的特殊环形光斑输出。但是该全反镜由三个锥面反射镜组合形成，结构复杂，使用中要求三个直角内外锥面反射镜同轴，加工制造相对比较困难。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种高功率脉冲激光器抗失调谐振腔，该谐振腔不仅抗失调能力强，可以消除增益介质不均匀分布的影响，具有高热稳定性，改善了光束质量，而且结构简单，加工制造简便，没有中心焦线，因此可以用于高能脉冲激光器中。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高功率脉冲激光器抗失调谐振腔，包括全反射镜，平面输出镜及激光工作介质，全反射镜为直角外圆锥面反射镜和直角圆台内侧面反射镜的组合，这两个反射镜的中心轴线重合，直角外圆锥面反射镜的高度大于直角圆台内侧面反射镜的高度，其高度差大于零小于或等于2mm。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)在本发明中，直角外圆锥面反射镜的高度大于直角圆台内侧面反射镜的高度，所以本发明高功率脉冲激光器抗失调谐振腔没有中心焦线，避免了在焦线上的空气被击穿，可以用于大能量脉冲激光器中；而且，提高了直角外圆锥面反射镜顶尖部位抗脉冲强激光损伤的能力。
(2)在本发明中，直角外圆锥面反射镜的高度大于直角圆台内侧面反射镜的高度，利用逆向反射特性，可以消除脉冲强激光器中的增益不均匀分布的影响，对固体激光棒、固体激光晶体板条薄片在激励下的不均匀性，气体放电不均匀性，气体折射率不均匀性等起到光学补偿作用，充分保证了固体或气体脉冲激光器输出光束的质量和能量。
(3)本发明结构简单，加工制造简便。
(4)抗失调能力强，全反镜或输出镜的容许失调角远远超过现有大能量脉冲激光器所使用的稳定腔，非稳腔和平行平面腔，使用维护方便可靠。
(5)本发明也可以用于固体或气体高功率连续激光器中。
附图说明
图1为本发明的一种实施例的结构示意图。
图2为图1中全反镜的主视图。
图3为图1中全反镜的右视图。
具体实施方式
由图1～图3所示，本发明高功率脉冲激光器抗失调谐振腔，包括全反射镜1，平面输出镜3及激光工作介质2，全反射镜1为直角外圆锥面反射镜4和直角圆台内侧面反射镜5的组合，这两个反射镜的中心轴线重合，直角外圆锥面反射镜4的高度h1大于直角圆台内侧面反射镜5的高度h2，其高度差大于零小于或等于2mm。
激光介质2可以是气体介质，比如二氧化碳；或固体介质，比如Nd:YAG激光晶体。在平面输出镜3的外表面镀增透膜。
该激光谐振腔应用于高功率激光器时，全反射镜1及平面输出镜3用水冷却散热，一般在全反射镜1背面加工水槽，使用常规自来水冷却即可。直角外圆锥面反射镜4和直角圆台内侧面反射镜5位于全反射镜1背面的结合部缝隙密封，以防止向组合反射镜内部渗水，一般使用粘和剂或焊接密封即可。
上述全反射镜1和平面输出镜3的中心轴线与谐振腔光轴最好重合。
直角外圆锥面反射镜4和直角圆台内侧面反射镜5要求具有较高的面形精度，直角精度，同轴度和高反射率。实践证明，用金刚石刀具超精密切削的无氧铜反射镜表面的耐热和抗激光损伤性能超过抛光表面，由于在直角外圆锥面反射镜4和直角圆台内侧面反射镜5的反射面镀制均匀反射膜存在困难，金刚石机床可以直接将内外锥面切削成镜面，直接作为反光镜使用，而不必镀制反射膜。
直角外圆锥面反射镜4和直角圆台内侧面反射镜5可用螺纹、键、花键或粘和剂实现可拆同轴连接。直角外圆锥面反射镜4和直角圆台内侧面反射镜5也可用焊接连接。
在上述平面输出镜3的内表面镀圆环状全反膜，圆环外径等于输出镜的直径，环宽小于平面输出镜3直径的一半。这样，可以产生压缩激光器输出光斑半径的效果。
全反射镜1的光学性质是：任何方向的入射光线经全反射镜1反射以后，反射光线与入射光线平行。或者说，只要入射光线方向不变，无论全反射镜1绕直角外圆锥面反射镜4的顶点如何晃动，反射光线的方向始终不变，与入射光线方向保持一致。根据这一性质，本发明高功率脉冲激光器抗失调谐振腔输出光线的方向与平面输出镜3的法线方向相同，且当直角外圆锥面反射镜4的顶点位于光轴附近，全反射镜1的中心轴线与光轴近似重合时即可出光，出光能量与光束质量没有明显下降。
Claims (6)
1.一种高功率脉冲激光器抗失调谐振腔，包括全反射镜，平面输出镜及激光工作介质，其特征在于：全反射镜(1)为直角外圆锥面反射镜(4)和直角圆台内侧面反射镜(5)的组合，这两个反射镜的中心轴线重合，直角外圆锥面反射镜(4)的高度大于直角圆台内侧面反射镜(5)的高度，其高度差大于零小于或等2mm。
2.根据权利要求1所述的高功率脉冲激光器抗失调谐振腔，其特征在于：该激光谐振腔应用于高功率激光器时，全反射镜(1)及平面输出镜(3)用水冷却散热，直角外圆锥面反射镜(4)和直角圆台内侧面反射镜(5)位于全反射镜(1)背面的结合部缝隙密封。
3.根据权利要求1或2所述的高功率脉冲激光器抗失调谐振腔，其特征在于：全反射镜(1)和平面输出镜(3)的中心轴线与谐振腔光轴重合。
4.根据权利要求3所述的高功率脉冲激光器抗失调谐振腔，其特征在于：直角外圆锥面反射镜(4)和直角圆台内侧面反射镜(5)用螺纹、键、花键或粘和剂连接。
5.根据权利要求3所述的高功率脉冲激光器抗失调谐振腔，其特征在于：直角外圆锥面反射镜(4)和直角圆台内侧面反射镜(5)用焊接连接。
6.根据权利要求3所述的高功率脉冲激光器抗失调谐振腔，其特征在于：在上述平面输出镜(3)的内表面镀圆环状全反膜，圆环外径等于输出镜的直径，环宽小于平面输出镜(3)直径的一半。
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