CN101895051A - 正、反高斯振荡输出平顶激光束的激光谐振腔 - Google Patents

Abstract

一种正、反高斯振荡输出平顶激光束的激光谐振腔，属于激光器件技术领域。现有光束均匀化获得光强呈平顶空间分布技术很难获得稳定的平顶激光束；另外，所采用的超高斯反射镜也成为软边光阑，对平顶激光束光强分布产生调制作用，破坏平顶激光束的平顶性。本发明之谐振腔的组成部分包括全反射镜、激光增益介质、输出耦合反射镜，激光增益介质位于全反射镜和输出耦合反射镜之间，三者共轴，输出耦合反射镜为平均反射镜，在全反射镜和激光增益介质之间的光路上同轴设置正轴锥镜，全反射镜的反射面OO′位于正轴锥镜的零阶贝塞尔无衍射光束区Z_max的最窄处。该谐振腔能够输出光强呈平顶空间分布的激光束。

Description

正、反高斯振荡输出平顶激光束的激光谐振腔

技术领域

本发明涉及一种正、反高斯振荡输出平顶激光束的激光谐振腔，能够输出光强呈平顶空间分布的激光束，属于激光器件技术领域。

背景技术

现有激光器如固体激光器在其谐振腔内发生高斯振荡，输出的激光束在垂直光束轴线方向上，光强呈高斯空间分布，该激光束为高斯激光束。所谓高斯空间分布其特征是在光束轴线上光强最强，边缘最弱。由于光强空间分布的这种不均等，在激光辐照、激光打孔、激光医疗等领域，不能获得最佳效果。为了改变这一现状，诞生了光束均匀化技术，或称光束整形技术，获得光强呈平顶空间分布的光束，该激光束为平顶激光束。在吕百达所著、高等教育出版社2003年12月第三次出版的一书《激光光学》第223页第六章、第405页第十章第十节，记载了一项称为超高斯反射镜腔的技术方案，该方案通过反射膜反射振幅呈超高斯函数变化或者通过带梯度相位镜的光腔产生平顶激光束，进一步说该方案的必要技术特征是将非稳腔的输出耦合反射镜的光强反射率设计为高斯分布，成为超高斯反射镜。所述光强反射率R(r)为：

$R\left(r\right)=R\left(0\right)\exp [-2{\left(\frac{r}{\mathrm{\σ}}\right)}^n]---\left(1\right)$

式中：r是谐振光束半径，R(0)为r＝0处的输出耦合反射镜的光强反射率，σ为输出耦合反射镜上模斑尺寸，n为超高斯阶数。从公式(1)可以看出，输出耦合反射镜中心反射率最高，透射率最低，边缘反射率最低，透射率最高，反射率由最高逐渐下降到最低，呈高斯函数变化。虽然在非稳腔内仍然是高斯激光束振荡，但是，通过该输出耦合反射镜输出的激光束则为平顶激光束。

发明内容

现有技术存在以下不足，在公式(1)中，超高斯阶数n对应激光器某一确定泵浦能量，有一个最佳取值，当泵浦能量变化时，输出的平顶激光束将同时出现近场凹陷加深加宽和远场中心亮斑能量向旁瓣的分散，只有激光器确定，泵浦能量确定，超高斯阶数n方有一个最佳取值，由于这一限制，这种超高斯反射镜腔不具有通用性。并且，泵浦能量出现变化时，输出的平顶激光束将失去平顶特征，因而很难获得稳定的平顶激光束。另外，超高斯反射镜也成为软边光阑，对平顶激光束光强分布产生调制作用，破坏平顶激光束的平顶性。为了克服现有技术的上述不足，使得能够产生平顶激光束的方案具有通用性，并且所获得的平顶激光束具有平顶稳定性，我们发明了本发明之正、反高斯振荡输出平顶激光束的激光谐振腔。

本发明是这样实现的，见图1或者图2所示，谐振腔的组成部分包括全反射镜1、激光增益介质2、输出耦合反射镜3，激光增益介质2位于全反射镜1和输出耦合反射镜3之间，三者共轴，其特征在于，输出耦合反射镜3为平均反射镜，在全反射镜1和激光增益介质2之间的光路上同轴设置正轴锥镜4，全反射镜1的反射面OO′位于正轴锥镜4的零阶贝塞尔无衍射光束区Z_max的最窄处，见图3所示。

自激光增益介质2与正轴锥镜4相邻的端面输出的谐振光光强呈高斯空间分布，见图4所示，经正轴锥镜4折射后，中心光线与边缘光线相交于全反射镜1的反射面OO′，见图1和图2所示，反射后再由正轴锥镜4折射，此时的谐振光光强呈反高斯空间分布，见图5所示，进入激光增益介质2增益放大，而此时的增益放大依然是高斯放大，由激光增益介质2与输出耦合反射镜3相邻的端面输出的谐振光光强呈平顶空间分布，见图6所示，一部分经输出耦合反射镜3输出，输出光束为平顶激光束；另一部分反馈到谐振腔中，虽然该部分谐振光光强仍呈平顶空间分布，但是，其光强降低，见图7所示，经激光增益介质2增益放大后其光强再一次呈高斯空间分布。重复上述过程，通过这种正、反高斯振荡，实现平顶激光束的输出。确定全反射镜1的反射面OO′的位置在正轴锥镜4的零阶(J₀)贝塞尔无衍射光束区的最窄处，见图3所示，这样才能够理想地重复上述折射、反射、增益过程。

在本发明中，由于输出耦合反射镜3是平均反射镜，对平顶激光束的平顶光强没有调制作用，保证了平顶激光束的平顶性；在正轴锥镜4到全反射镜1之间，是无衍射的零阶贝塞尔光束，这也保证了平顶激光束的平顶性。另外，当激光器泵浦能量变化时，不影响谐振光光强呈正、反高斯空间分布的转换，从而输出的平顶激光束是稳定的。

本发明的积极效果还在于加入正轴锥镜4并不影响激光器原有的调Q、放大、变频、锁模等过程。

附图说明

图1是本发明之正、反高斯振荡输出平顶激光束的激光谐振腔结构示意图，该图同时表示高斯谐振光中心光束经正轴锥镜折射、全反射镜反射再经正轴锥镜折射后成为边缘光束过程示意图，同时该图兼作为摘要附图。图2是本发明之正、反高斯振荡输出平顶激光束的激光谐振腔结构示意图，该图同时表示高斯谐振光边缘光束经正轴锥镜折射、全反射镜反射再经正轴锥镜折射后成为中心光束过程示意图。图3是正轴锥镜零阶贝塞尔无衍射光束区示意图。图4是谐振光光强呈高斯空间分布直角坐标图，途中竖轴表示光强I，横轴表示谐振光光束半径r，以下同。图5是谐振光光强呈反高斯空间分布直角坐标图。图6是谐振光光强呈平顶空间分布直角坐标图。图7是光强呈平顶空间分布谐振光反馈部分的光强空间分布情况直角坐标图。图8是本发明之电光调Q正、反高斯振荡输出平顶激光束的激光谐振腔结构示意图。

具体实施方式

本发明具体是这样实现的，见图1或者图2所示，谐振腔的组成部分包括全反射镜1、激光增益介质2、输出耦合反射镜3。激光增益介质2位于全反射镜1和输出耦合反射镜3之间，三者共轴。全反射镜1材质为K8或者K9光学玻璃，反射面OO′为平面或者曲率半径为8～10m的凹球面，直径Φ10～15mm，厚度3～5mm，反射面OO′镀1.06μm高反射介质膜。激光增益介质2为Nd:YAG晶体棒，Φ5～6mm，长度70～80mm，两端面是平面，镀1.06μm增透膜。输出耦合反射镜3为平均反射镜，是一种平面镜，采用K8或者K9玻璃制作，直径Φ10～15mm，厚度3～5mm，反射面镀1.06μm反射率20％(脉冲)或80％(连续)的介质膜。在全反射镜1和激光增益介质2之间的光路上同轴设置正轴锥镜4，锥顶或者锥底朝向全反射镜1。正轴锥镜4采用K8或者K9玻璃制作，或者红外石英玻璃，锥角8～10度，锥底直径Φ10～15mm，锥底厚度3～5mm，通光面镀1.06μm增透膜。全反射镜1的反射面OO′位于正轴锥镜4的零阶贝塞尔无衍射光束区Z_max的最窄处，谐振腔各组成部分的空气间隔分别为：全反射镜1与正轴锥镜4之间25～30mm，激光增益介质2与正轴锥镜4或者与输出耦合反射镜3之间均为20mm。泵浦采用闪光灯泵浦的或者LD。另外，本发明之激光谐振腔仍然能够通过放入调Q器件而成为调Q谐振腔，或者在腔内或腔外放入变频器件而成为变频谐振腔。例如在正轴锥镜4和激光增益介质2之间放入普克尔斯盒5和偏振器6，就成为电光调Q正、反高斯振荡输出平顶激光束的激光谐振腔，见图8所示。

Claims (6)

1.一种正、反高斯振荡输出平顶激光束的激光谐振腔，其组成部分包括全反射镜(1)、激光增益介质(2)、输出耦合反射镜(3)，激光增益介质(2)位于全反射镜(1)和输出耦合反射镜(3)之间，三者共轴，其特征在于，输出耦合反射镜(3)为平均反射镜，在全反射镜(1)和激光增益介质(2)之间的光路上同轴设置正轴锥镜(4)，全反射镜(1)的反射面OO′位于正轴锥镜(4)的零阶贝塞尔无衍射光束区Z_max的最窄处。

2.根据权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于，全反射镜(1)反射面OO′为平面或者曲率半径为8～10m的凹球面，全反射镜(1)直径Φ10～15mm，厚度3～5mm。

3.根据权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于，输出耦合反射镜(3)是一种平面镜，直径Φ10～15mm，厚度3～5mm。

4.根据权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于，正轴锥镜(4)锥顶或者锥底朝向全反射镜(1)。

5.根据权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于，正轴锥镜(4)锥角8～10度，锥底直径Φ10～15mm，锥底厚度3～5mm。

6.根据权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于，各组成部分的空气间隔分别为：全反射镜(1)与正轴锥镜(4)之间25～30mm，激光增益介质(2)与正轴锥镜(4)或者与输出耦合反射镜(3)之间均为20mm。

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