CN1996683A - 直角内外圆锥面组合全反镜激光谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直角内外圆锥面组合全反镜激光谐振腔，该激光谐振腔包括全反镜，平面输出镜及激光工作介质，全反镜为直角外圆锥面反射镜和直角内圆锥面反射镜的组合，直角外圆锥面反射镜的外锥面和直角内圆锥面反射镜的内锥面为反射面，直角外圆锥面反射镜和直角内圆锥面反射镜的中心轴线重合，直角外圆锥面反射镜锥面的高度h大于零且小于直角内圆锥面反射镜的高度。该腔输出实心或空心平行光束，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。可以用于气体或固体激光器，高功率或中大功率激光器。

Description

直角内外圆锥面组合全反镜激光谐振腔

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。

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200610018550.1公开了一种“直角圆台内侧面与直角圆锥外侧面全反镜激光谐振腔”，该谐振腔能消除增益介质不均匀分布的影响，可以输出小光斑尺寸高功率密度的实心光束或环形空心光束，适用于中高功率气体或固体激光器。但是该谐振腔需要锥面全反镜和带有环形全反膜的整体或分体平面输出镜配合使用，由于该配合要求严格的配合尺寸关系，该谐振腔加工制造难度较大，并且限制了该谐振腔压缩输出光斑和输出空心光斑的能力。另外，该谐振腔的光线运行特点决定该谐振腔仅适用于激光介质横截面为圆形或环形，且该圆环外径大于锥面全反镜半径的情况，对于其它截面形式的激光介质，该谐振腔的效率有所降低。

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，提供一种直角内外圆锥面组合全反镜激光谐振腔，该激光谐振腔抗失调能力强，对激光介质的利用效率高，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，且结构简单，加工制造简便，可以用于高功率激光器中。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种直角内外圆锥面组合全反镜激光谐振腔，包括全反镜、平面输出镜及激光工作介质，全反镜为直角外圆锥面反射镜和直角内圆锥面反射镜的组合，直角外圆锥面反射镜的外锥面和直角内圆锥面反射镜的内锥面为反射面，直角外圆锥面反射镜和直角内圆锥面反射镜的中心轴线重合，直角外圆锥面反射镜锥面的高度h大于零、且小于直角内圆锥面反射镜的高度。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

(1)本发明抗失调能力强，使用维护方便可靠，激光介质利用效率高；直角外圆锥面反射镜和直角内圆锥面反射镜的尺寸关系可以根据谐振腔制造要求，激光器的输出要求以及激光介质的形状进行调节，适用范围广，加工成本低，输出光束质量好。

(2)本发明利用逆向反射特性，可以消除增益介质中不均匀分布的影响，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不均匀性起到光学补偿作用，充分保证了固体或气体激光器输出光束的质量和能量。

(3)本发明不仅可以输出圆形光斑，也可以输出矩形光斑等其它形状的光斑。

(4)本发明可以在平面输出镜中心内表面镀圆形全反膜形成全反镜或直接粘贴圆形平面全反镜，该圆形全反镜的直径等于或小于直角外圆锥面反射镜的底面直径，这样可以输出空心平行光束，适用于某些特殊需要，该空心光束的遮挡部分可以根据需要灵活调节。

(5)本发明不需要平面输出镜上带有全反镜，而输出实心平行光束，其结构简单，加工制造简便。

附图说明

图1为本发明一种实施例的结构示意图。

图2为本发明另一种实施例的结构示意图。

图3为本发明又一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

由图1所示，一种直角内外圆锥面组合全反镜激光谐振腔，包括全反镜、平面输出镜3及激光工作介质4，全反镜为直角外圆锥面反射镜1和直角内圆锥面反射镜2的组合，直角外圆锥面反射镜1的外锥面和直角内圆锥面反射镜2的内锥面为反射面，直角外圆锥面反射镜1和直角内圆锥面反射镜2的中心轴线重合，直角外圆锥面反射镜1锥面的高度h大于零、且小于直角内圆锥面反射镜2的高度。

直角外圆锥面反射镜1的顶点位于激光腔的光轴上，其中心轴线与光轴重合。

直角外圆锥面反射镜1和直角内圆锥面反射镜2为可拆连接或固定连接。直角外圆锥面反射镜1和直角内圆锥面反射镜2可以使用轴孔间隙配合加螺纹、键、销钉或粘和剂实现可拆连接，也可以使用焊接固定连接。

平面输出镜3为外表面镀增透膜的平行平面镜，平面输出镜3和谐振腔光轴垂直，平面输出镜3的形状可为圆形或矩形等其它形状，谐振腔输出圆形光斑，也可输出矩形光斑等其它形状的光斑。激光介质4可以是气体介质，如二氧化碳；或固体介质，如Nd:YAG激光晶体。

对于高能量，大功率的激光器使用的全反镜，不但要求具有很高的反射率，也要求耐热损伤能力强，对它们的具体要求是：材料本身的固有反射率高，导热率高，可加工性能良好，可以获得较高的精度。直角外圆锥面反射镜1和直角内圆锥面反射镜2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全反镜表面的耐热和抗激光损伤性能超过抛光表面，由于在内外锥表面镀制均匀反射膜存在困难，金刚石机床可直接将直角外圆锥面反射镜1的外锥面和直角内圆锥面反射镜2的内锥面切削成镜面，不必镀制反射膜直接作为反光镜使用。

本发明若用于高能激光器，由直角外圆锥面反射镜1和直角内圆锥面反射镜2组成的全反镜以及平面输出镜3应冷却散热，通常使用水冷，一般在全反镜背面加工水槽使用常规自来水冷却即可。使用水冷结构时，需要将直角外圆锥面反射镜1和直角内圆锥面反射镜2的结合部位于全反镜背面的缝隙密封，以防止向全反镜内部渗水，一般使用粘和剂或焊接密封即可。

直角内外圆锥面组合反射镜的光学性质是：任何方向的入射光线经内外组合圆锥面反射以后，反射光线与入射光线平行。或者说，只要入射光线方向不变，组合内外圆锥面反射镜受到外界轻微扰动，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，谐振腔输出光线的方向与平面输出镜的法线方向相同，且当直角外圆锥面反射镜1的顶点位于光轴附近，组合全反镜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。本发明适用于使用固体或气体激光介质的中高功率脉冲或连续激光器。

由图2所示，在图1的基础上，在平面输出镜3的中心内表面镀圆形全反膜5或粘贴圆形平面全反镜，圆形全反膜5或粘贴的圆形平面全反镜的直径等于或小于直角外圆锥面反射镜1的底面直径d。通过调节直角外圆锥面反射镜1的高度h即调节底面直径d，即可满足要求输出空心光斑的情况。

由图3所示，图1中的直角外圆锥面反射镜1和直角内圆锥面反射镜2采用小角度锥面连接安装，该安装方式适合于谐振腔垂直放置使用的情况，能有效控制直角外圆锥面反射镜1和直角内圆锥面反射镜2之间的间隙。

Claims (5)

1.一种直角内外圆锥面组合全反镜激光谐振腔，包括全反镜、平面输出镜及激光工作介质，其特征在于：全反镜为直角外圆锥面反射镜(1)和直角内圆锥面反射镜(2)的组合，直角外圆锥面反射镜(1)的外锥面和直角内圆锥面反射镜(2)的内锥面为反射面，直角外圆锥面反射镜(1)和直角内圆锥面反射镜(2)的中心轴线重合，直角外圆锥面反射镜(1)锥面的高度h大于零、且小于直角内圆锥面反射镜(2)的高度。

2.根据权利要求1所述的直角内外圆锥面组合全反镜激光谐振腔，其特征在于：直角外圆锥面反射镜(1)的顶点位于激光腔的光轴上，其中心轴线与光轴重合。

3.根据权利要求1或2所述的直角内外圆锥面组合全反镜激光谐振腔，其特征在于：在平面输出镜(3)的中心内表面镀圆形全反膜(5)或粘贴圆形平面全反镜，圆形全反膜(5)或粘贴的圆形平面全反镜的直径等于或小于直角外圆锥面反射镜(1)的底面直径d。

4.根据权利要求1或2所述的直角内外圆锥面组合全反镜激光谐振腔，其特征在于：直角外圆锥面反射镜(1)和直角内圆锥面反射镜(2)为可拆连接或固定连接。

5.根据权利要求3所述的直角内外圆锥面组合全反镜激光谐振腔，其特征在于：直角外圆锥面反射镜(1)和直角内圆锥面反射镜(2)为可拆连接或固定连接。

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