CN101692520A - 具备高斯光束整形功能的激光谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具备高斯光束整形功能的激光谐振腔，包括谐振腔和伽利略整形腔，谐振腔由全反射镜、部分反射镜、激励物质、激光工作介质构成，伽利略整形腔由负透镜和正透镜构成，部分反射镜的出射面作为伽利略整形腔的负透镜。本发明将部分反射镜的出射面与伽利略整形腔的正透镜集成，实现了对光束的整形，并且装置结构简单，占用体积小，减少了装配工序，降低了装配难度。

Description

具备高斯光束整形功能的激光谐振腔

技术领域

本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种激光谐振腔。

背景技术

激光器谐振腔的设计已经是一种比较成熟的技术，但是普通激光谐振腔输出的激光为高斯分布，在实际应用中经常需要能量分布为矩形分布的输出光，因此，在实际应用中对谐振腔发出的光束整形技术至关重要。如：激光材料加工、全息光学、光学信息处理、存储和记录、激光的医学临床应用、探测阵列激光雷达、用于惯性约束核剧变(ICF)的高功率激光辐射源等，都对光束质量有较高的要求。在非线性光学的频率变换技术中，要求泵浦激光束强度均匀；在高功率固体激光器和放大器中，输入光束的非均匀性会导致一种“B”积分，使输出光束质量变坏，甚至损坏激光工作物质。实际激光器输出的激光束的振幅在横向方向呈高斯分布，能量并非均匀分布，因此，采用何种方式将输出光束整形为能量均匀分布的平顶光束成为了研究的热点。

目前比较成熟的整形方法有液晶空间光调制器，微透镜阵列整形***，双折射透镜组，衍射光学元件，非球面透镜组，长焦深整形元件等。其中，现在成熟应用的激光均化境就是采用非球面透镜组技术。前面提到的几种技术都有占用空间大的缺点，调试复杂，在实际应用中有其局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供具备高斯光束整形功能的激光谐振腔，能够输出整形为能量均匀分布的平顶光束，并且整个装置体积小，容易装配调试。

具备高斯光束整形功能的激光谐振腔，包括谐振腔和伽利略整形腔，谐振腔由全反射镜、部分反射镜、激励物质、激光工作介质构成，伽利略整形腔由负透镜和正透镜构成，部分反射镜的出射面作为伽利略整形腔的负透镜。

本发明的技术效果体现在：本发明采用复合激光光腔的方法，将整形***集成在激光谐振腔内。复合激光腔的两部分，左边常规激光谐振腔振荡产生高斯光束(光束发散角很小，可以认为是平行光)，右边集成在左边谐振腔上的非球面伽利略整形***，经伽利略***的正透镜后，光束的光强分布发生变化，高斯光束中心具有高光强(较密光线)分布的光束比边缘处具有较低光强分布的光束有较大的扩散，再由伽利略***的负透镜来准直光束，输出光即为光强均匀分布的平顶光束。

本发明采用复合激光光腔的方法，由于光束尺寸的原因，对透镜尺寸要求较小，因而对非球面透镜的制造加工有着比较高的要求，这在过去几乎不可能。但是随着非球面加工技术的发展成熟，现有的制造工艺已经有可能制造出微尺寸非球面透镜。

本发明比以往的光束整形设备最少减少了两个光学面，减少了能量损失，提高了能量的利用效率。现有的激光谐振腔和整形腔分别为独立的装置，要对其组合使用需要复杂繁琐的装配和调试，装配后体积庞大，操作极其不便，而且非同一厂家生产的器件容易产生装配兼容及模式匹配问题，本发明将部分反射镜的出射面与伽利略整形腔的正透镜集成，大大简化了结构，减少了装配工序，降低了装配难度。

附图说明

图1是本发明整体结构图；

图2是复合腔中的常规激光器谐振腔结构示意图；

图3是复合腔中的伽利略***结构示意图；

图4为正负透镜面型示意图，图4a是负透镜面型示意图，图4b是正透镜的面型示意图；

图5为整形前后的光束波形示意图，图5a是整形腔的输入高斯光束波形，图5b是整形腔的输出近似平顶光束波形。

具体实施方式

如图1所示，本发明由一个复合的激光光腔构成，左边常规激光谐振腔振荡产生高斯光束(参见图2，光束发散角很小，可以认为是平行光)，右边为一个集成在左边谐振腔上的非球面伽利略整形***(参见图3)，伽利略***负透镜面的放大率随孔径的变化而变化，光束在此面的输入为近高斯光束，经过此面后光强分布发生变化，高斯光束中心具有高光强(较密光线)分布的光束比边缘处具有较低光强分布的光束有较大的扩散，再用正透镜来对变化后的光束进行准直。最后输出能量均匀分布的平顶光束。

如图3，追迹任一条入射高度为r的光线，在负透镜非球面上的矢高为z，经折射后沿正向传播，折射光线在正透镜球面上交于(R，Z)点，此时光线投射高度为R，在该非球面上相应矢高为Z。罗德(RHODES)和希利(SHEALY)等人基于几何光学原理，利用能量守恒定律、等光程条件和斯涅尔定律推导出一组关于非球面的微分方程组：根据能量守恒定律，出射光能量等于入射光能量得到对应的出射高度R为：

$R=\left(\frac{{r_0}^2}{2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{out}}\left(R\right)}\right[1-\exp (-2\frac{r^2}{{r_0}^2})\left]\right)---\left(1\right)$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{out}}\left(R\right)=\frac{{r_0}^2}{2R{\max }^2}[1-\exp (-2\frac{{r_{\max }}^2}{{r_0}^2})]---\left(2\right)$

式中，r_max，R_max分别是光线最大入射高度、最大出射高度，r₀是入射基模高斯光束束腰，σ_out(R)是输出光束能量密度。利用等光程条件，任意入射高度光线通过***的光程相等，导出前后两非球面矢高间关系(式中n为透镜的折射率)：

$(Z-z)=\frac{n(n-1)d+{[{(n-1)}^2{d}^2+(n^2-1){(R-r)}^2]}^{1/2}}{n^2-1}---\left(3\right)$

在负透镜的非球面上应用斯涅尔定律得到该非球面的一阶微分方程式：

$z^{\′}=\frac{-(R-r)(Z-z)\±n(R-r)\sqrt{{(Z-z)}^2+{(R-r)}^2}}{(1-n^2){(Z-z)}^2-n^2{(R-r)}^2}---\left(4\right)$

其中，z’＝dz/dr，上面四个运算式即为描述本发明的理论依据。

在实现的过程中，加工非球面透镜可通过成型，研磨，柔性抛光非球面加工技术来实现。

在光束整形腔的两个面均镀以增透膜，可以消除和减少反射光，减少光能在光能在光学表面上的反射损失，此外，光在透镜表面上的反射还造成杂散光，影响整形效果。

本发明用于实际整形时，可将如图5a的高斯光束整形为图5b的近似平顶光束。其中图4a为完成图5所示整形功能所采用的负透镜的面型实例示意图，图4b为相应的正透镜的面型实例示意图。其中，负透镜的参数为曲率半径54.1421mm，圆锥系数k＝-217.8548，非球面方程为：

$z=c{\hat{r}}^2/(1+\sqrt{1-(1+k)c^2{\hat{r}}^2})+A_4{\hat{r}}^4+...+A_{12}{\hat{r}}^{12}---\left(5\right)$

其中

c＝1/曲率半径，A₄＝-3.15*10^-4，A₆＝8.97*10^-6，A₈＝-1.56*10^-7，A₁₀＝1.41*10^-9，A₁₂＝-4.68*10^-12。

正透镜的参数为曲率半径96.508mm，圆锥系数k＝-4348.434，非球面方程同(5)式，其中A₄＝1.03*10^-4，A₆＝1.40*10^-5，A₈＝-2.39*10^-6，A₁₀＝1.24*10^-7，A₁₂＝-2.32*10^-9。

本发明为高能单模激光器，产生的激光束非常有利于激光切割。在切割过程中利用光学***将激光光束聚焦成很小的光点，从而在焦点处达到很高的功率密度。激光将工件加热至熔化状态或燃点以上，与光束同轴的辅助气体流将熔化材料从切缝中吹掉。

将本发明作激光切割用途时，它可提供狭的直边割缝、最小的邻近切边的热影响区和极小的局部变形。其次，激光束对工件不施加任何力，它是无接触切割工具，这就意味着工件无机械变形；无刀具磨损，也谈不上刀具的转换问题；切割材料无须考虑它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度影响，任何硬度的材料都可以切割。再次，激光束可控性强，并有高的适应性和柔性，因而与自动化设备相结合很方便，容易实现切割过程自动化；由于不存在对切割工件的限制，激光束具有无限的仿形切割能力；与计算机结合，可整张板排料，节省材料。

Claims (1)

1.具备高斯光束整形功能的激光谐振腔，包括谐振腔和伽利略整形腔，谐振腔由全反射镜、部分反射镜、激励物质、激光工作介质构成，伽利略整形腔由负透镜和正透镜构成，部分反射镜的出射面作为伽利略整形腔的负透镜。

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