CN1161865C - 谐振腔含有陀螺形圆锥棱镜的激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高抗失调稳定性和高光束质量的激光器。其特征在于：采用直角圆锥棱镜作为谐振腔的全反射镜，与在固体激光棒端面上镀的部分反射膜即输出镜构成新型的免调试谐振腔。该激光器谐振腔结构简单，操作方便，装配后不需要调试即可实现激光输出，且抗失调能力强，稳定性高，改善了光束质量。所述圆锥棱镜可用光学玻璃、石英、红、蓝宝石晶体、氟化钙、或锡化锌等制成。本发明可广泛应用于军事，工业加工、医疗、科研等领域。

Description

谐振腔含有陀螺形圆锥棱镜的激光器

本发明涉及激光器技术领域，更具体地说涉及激光器的谐振腔，它可用于构成固体激光器、气体激光器、准分子激光器等的谐振腔。

目前激光器广泛使用平行平面腔和球面腔作为其谐振腔。当这些腔的腔镜失调时(即腔镜与光轴不垂直时)，腔镜偏离原光轴，导致腔模变化，损耗加大，激光输出能量急剧下降。激光器的腔镜失调角度一般在分、秒量级，需要两套专门精确调节谐振腔的机构，这给激光的使用带来诸多不便。

为克服谐振腔因腔镜失调造成激光输出不稳定、光束质量差等问题，长期以来人们从腔型设计和强化腔镜机械结构等方面着手，力图解决此问题。美国专利US3924201用两块交叉直角棱镜构成保罗棱镜谐振腔。中国专利CN87216562提出了角隅棱镜折叠式谐振腔。这两种结构的腔虽然在一定程度上改善了失调稳定性，但它结构复杂、安装和调试困难。中国专利申请98113402.5公开了一种免调试固体激光器，它由激光棒、聚光腔、泵灯、泵浦电源构成，其特征是在激光棒前放置四面体定向棱镜并使其角顶置于激光的轴线上。该专利申请利用四面体定向棱镜构成谐振腔的反射镜，结构简单，不需要复杂的调节机构，对失调角和位置误差冗余较大。但这种激光器不适用于连续发光，近场模式呈“米”字状且光束的偏振态将变化。同时这种四面体的定向棱镜加工困难，棱边对激光损耗大，出光阈值高。

因此实现激光器在安装后不经调试即可获得稳定的激光输出、获得高光束质量和高抗失调稳定性是影响激光器应用的难题和关键技术。

本发明的目的是克服前述现有激光器存在的问题，提供一种结构简单、抗失调性强、不需调试的激光器谐振腔结构，由其构成的激光器即使在强烈振动和大幅度温度变化的恶劣环境下也可获得稳定的高质量的激光输出。

本发明的激光器的特征在于在工作物质的一端放置直角圆锥棱镜作为谐振腔的全反镜，在工作物质的另一端放置部分反射镜作为谐振腔的激光输出镜。当工作物体为固体时，也可以在固体工作物质的端面镀透反膜(部分反射膜)作为谐振腔的激光输出镜。所述直角圆锥棱镜的角顶放置在工作物质的光轴上，锥顶与底面的一条直径所限定的面与圆锥面相交的两条母线之间的夹角(锥顶角)为90°±5″。圆锥棱镜的底部可有一部分为圆柱状，以便于安装，这时整个棱镜看起来象一个陀螺。陀螺形圆锥棱镜的旋转对称轴与其底面垂直，陀螺形圆锥棱镜的底面还可镀以激光器出光波长的增透膜以减少损耗。

所述的工作物质可以是固体、气体、染料、准分子物质等。提供的谐振腔可用于灯泵浦或半导体激光泵浦***中，腔内光路中可***各种光学元件(如起偏器、调Q元件等)以改善激光器的特性和用途。

制作陀螺形圆锥棱镜的光学材料视工作物质、激光中心波长的不同而选择，如光学玻璃、石英、红宝石晶体、蓝宝石晶体、氟化钙或锡化锌等。发明人发现，当使用蓝宝石晶体制作的陀螺形直角圆锥棱镜用作谐振腔的全反镜时，可以在连续Nd:YAG固体激光器和准分子激光器中获得最佳的特性。

下面参照附图详细描述本发明的结构。

图1是本发明高抗失调性和高光束质量的谐振腔及实施例1的结构示意图；

图2为陀螺形棱镜1的光路侧视图；

图3-7为本发明固体激光器谐振腔的各种实施例的结构示意图。

图1为本发明的高抗失调稳定性和高光束质量谐振腔及实施例1的结构示意图，本实施例中工作物质2为Nd³⁺：YAG晶体，其一端放置陀螺棱镜，陀螺形直角圆锥棱镜1的角顶O位于工作物质2的轴线上，工作物质2的另一端面上镀有透反膜作为输出镜3或工作物质2另一端放置输出镜3′，构成谐振腔。这样能保证工作物质2内激光辐射光线经陀螺形直角圆锥棱镜1全内反射后按原方向返回工作物质2，形成振荡，实现激光振荡放大与输出；另外，若部分反射镜3是直接镀膜固化在工作物质2的其中一端面上(另一端面镀增透膜)，则装配后可具有免调试功能。

图2为陀螺镜1的侧视图，其工作原理是：首先，由底面入射于陀螺形直角圆锥棱镜1的光线，经母线或锥面反射后，出射光线平行于入射线，陀螺形棱镜1绕角顶O转动时，绝对不会引起反射光线方向的变化。其次，不管入射光线与底面成何种角度入射，其入射光线和出射光线在沿光线方向看去，其投影与陀螺棱镜1的顶点O呈中心对称。

图3为本发明的空心棒谐振腔及实施例2的结构示意图，工作物质为空心圆柱棒2，谐振腔的构成、放置及工作原理与实施例1相同，在此不再详述。

图4为本发明的折叠式双棒串接实施例3的结构示意图，将两根工作物质2a，2b对称于陀螺形棱镜1角顶O的两侧，即其中一根工作物质2a的一端面镀全反射膜成为全反射镜9，在另一端A面镀增透膜；第二根工作物质2b的一端面镀透反膜，成为部分反射镜4，在另一端面镀增透膜。由此构成两根串接振荡谐振腔。

图5为本发明的折叠式双棒串接实施例4的结构示意图，将两根工作物质2a，2b对称于陀螺形棱镜1角顶O的两侧，即其中一根工作物质2a的一端面镀全反射膜，成为全反射镜9；在另一端面镀透反膜，成为部分反射膜4，构成振荡级。第二根工作物质2bB的两端面A，B均镀增透膜，作为放大级。

图6为本发明的另一种折叠式谐振腔实施例结构示意图，陀螺形棱镜1作为折光器构成折叠式光学谐振腔。谐振腔的两块反射镜(全反射镜9，部分反射镜4)是在同一块光学基板上分别镀以不同反射率的膜而构成。腔内光路如果只放置一根工作物质，则构成的谐振腔的两反射镜及陀螺形棱镜都无需精确调整。腔内光路上如果放置两根工作物质，则该结构与实施例3或4相同。

图7为本发明的折叠式多路多波段输出谐振腔的实施示意图。图7中工作物质2按阵列对称在过陀螺棱镜角顶O的轴线上，工作物质阵列2一端(靠近陀螺棱镜)均镀增透膜，另一端均镀透反膜(不同波长膜系)。它们与陀螺镜1构成阵列结构多路多波段输出的谐振腔，适用于LD泵浦固体激光器。

本发明与现有技术相比，具有以下优点与效果：

1.陀螺形直角圆锥棱镜构成的谐振腔具有非常强的抗失调能力，陀螺形棱镜的顶点在光轴及其附近上时允许的失调角度达±20°。在固体激光器中可实现安装后不经调试即可获得稳定输出激光的免调试功能。

2.陀螺形直角圆锥棱镜镜具有平行全内反射特性，角向选模特性和相位共轭效果，使在振荡过程中光场分布趋于均匀，输出光远场发散角小，低价模输出，光束质量好。

3.构成的激光器结构简单，安装方便，性能可靠，便于维修保养，可制成标准化组件。尤其是采用蓝宝石晶体制作圆锥棱镜时，可获得高达百瓦量级的连续光输出，并能在振动或环境温度变化大的恶劣环境下稳定工作。本发明构成的激光器可广泛用于医疗、科研、工业加工、军事等领域。

Claims (8)

1.一种激光器，包括工作物质、能量源和谐振腔，其特征在于，谐振腔的全反镜由直角圆锥棱镜构成，所述圆锥棱镜的锥顶朝外放在激光器的光轴线上，与用作输出镜的部分反射镜构成谐振腔，所述圆锥棱镜的锥顶角为90°±5″。

2.根据权利要求1的激光器，其特征在于，所述直角圆锥棱镜的底部还伸出一段圆柱体，与其连成一体构成陀螺形圆锥棱镜以便于安装。

3.根据权利要求1或2的激光器，特征在于，所述圆锥形棱镜由光学玻璃、石英、红宝石晶体、蓝宝石晶体、氟化钙或锡化锌制成。

4.按权利要求1或2所述的激光器，其特征在于：当工作物质是固体棒时，在该工作物质的一端面镀透反膜作为激光输出镜。

5.按权利要求1或2所述的激光器，其特征在于：当工作物质为两根时，一根工作物质的一端面镀全反膜，另一端面镀增透膜，而另一根工作物质一端镀增透膜。另一端面镀部分反射膜，两根工作物质对称于陀螺圆锥棱镜锥顶的轴线放置在谐振腔内，构成两根串接振荡谐振腔。

6.按权利要求1或2所述的激光器，其特征在于：当工作物质为一根时，该工作物质被制成为空心圆柱体形状。

7.按权利要求1或2所述的激光器，其特征在于：当工作物质为多根时，将工作物质按阵列对称分布于过圆锥棱镜角顶的轴线，在工作物质靠近圆锥棱镜的一端面镀增透膜，另一端面镀透反膜。

8.按权利要求1所述的激光器，其特征在于：工作物质包括固体，气体，染料，准分子物质。

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