一种复曲面反射镜非稳波导混合型激光器谐振腔的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种复曲面反射镜非稳波导混合型激光谐振腔，包括反射镜、放电极板和输出镜；反射镜和输出镜均为复曲面反射镜，所述复曲面反射镜的复曲面在非稳方向上的曲线形状为抛物线，在波导方向上的曲线形状为圆弧。本发明具有模式体积大，输出功率高的特点，能够实现利用增加反射镜面与工作介质横向宽度提高功率的方案，有效避免了其中一侧反射镜漏光，可以用于中、高功率气体激光器。本发明在非稳方向大尺寸镜面情况下输出光束仍具有很好的模式鉴别特性，能够减小镜面加工误差和热形变造成的影响，有效避免高阶模式输出，提供更大的设计余量。
【专利说明】
一种复曲面反射镜非稳波导混合型激光器谐振腔
技术领域
[0001 ]本发明属于激光器谐振腔领域，更具体地，涉及一种复曲面反射镜非稳波导混合 型激光器谐振腔。
【背景技术】
[0002] 在激光加工领域，特别是切割、焊接方面，都希望实现高功率高光束质量的基模输 出。谐振腔技术是高功率激光器设计的关键，常用的激光器谐振腔有稳定腔和非稳腔。
[0003] 在稳定腔中，通常采用的孔径光阑选模方式在实现基模输出的同时限制了模式截 面积，增益介质利用率不高，从而只有采用折叠腔等增加腔长的方式获得高功率，这同时也 带来了体积较大、制造复杂和稳定性不好等问题。非稳腔内光束的振荡形式为近似平面波 和发散的球面波并从腔镜侧面耦合输出，这些波形能够覆盖大部分增益介质，同时腔内模 式之间的衍射损耗相差很大，容易实现基模输出。无论是采用稳定腔还是非稳腔，由于技术 上思路上采用增加腔长使光束经过更多的增益区域来实现高功率输出，这样光束也就在谐 振腔的傍轴区域传输，反射镜采用的是球面镜。
[0004] 激光器在栗浦过程中的散热一直是激光器设计中必须重点关注的问题。横流⑶2 激光器与轴快流CO2激光器谐振腔中的工作气体都需要通过传统的风机加速工作气体流动 并与散热装置进行热量交换来进行冷却，这会导致激光器体积非常庞大。作为一种新型谐 振腔，非稳波导混合腔的出现使得放电电极在提供栗浦激励和引导光束沿电极内表面传输 的同时能够利用电极内部水冷沟道对气体进行冷却，气体不再需要流动，从而使得结构紧 凑型气体激光器的发展成为现实。该谐振腔在相互垂直的两个方向分别为非稳腔和波导 腔，傍轴情况下该腔型在非稳方向能够提供大的模式体积和良好的模式鉴别特性，在波导 方向能够提供接近衍射极限的光束输出。但通过进一步增加极板宽度，使非稳方向工作在 非傍轴区域时，传统球面镜的使用将导致尾镜的漏光和输出模式的不稳定。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种复曲面反射镜非稳波导 混合型激光谐振腔，该激光器谐振腔模式体积大、输出功率高、能够用于宽度较大情况的反 射镜面和工作介质。
[0006] 本发明提供的技术方案为：
[0007] -种复曲面反射镜非稳波导混合型激光谐振腔，包括反射镜、放电极板和输出镜； 反射镜和输出镜均为复曲面反射镜，所述复曲面反射镜的复曲面在非稳方向上的曲线形状 为抛物线，在波导方向上的曲线形状为圆弧。
[0008] 进一步的，所述波导方向上圆弧的曲率半径由上下放电极板间的距离和放电极板 与镜面间的距离决定;所述曲率半径使得光场通过镜面反射回波导的耦合损耗最小。
[0009] 进一步的，激光谐振腔的腔镜尺寸之间的关系为：
[0010]
[0011]其中，M为非稳腔中的几何放大率，L为腔长，ai为输出镜在光轴以下部分的长度，a2 为输出镜和反射镜在光轴以上部分的长度，a3为反射镜在光轴以下部分的长度，h2为输出镜 的宽度，In为反射镜的宽度;R 1为非稳方向上反射镜与光轴的交点P1处的曲率半径，反射镜 的抛物线焦点与Pi之间的距离?
，R2为非稳方向上输出镜与光轴的交点P 2处的曲率半径，
输出镜的抛物线焦点与P2之间的距离
[0012]与现有技术相比，本发明具MU |、1尤点：
[0013] (1)与稳定腔相比，非稳腔具有模体积大的特点，但是球面镜只适用于傍轴情况， 此时对应的镜面和工作介质横向宽度较小。而本发明采用抛物线型从几何光学角度而言能 够避免非傍轴情况下球面镜非稳腔的球差，从衍射光学角度而言具有更高的模式鉴别因 子，因此能够用于宽度较大情况的反射镜面和工作介质。因此，本发明具有模式体积大，输 出功率高的特点，能够实现利用增加反射镜面与工作介质横向宽度提高功率的方案。
[0014] (2)本发明在非稳方向大尺寸镜面情况下输出光束仍具有很好的模式鉴别特性， 能够减小镜面加工误差和热形变造成的影响，有效避免高阶模式输出，提供更大的设计余 量。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明复曲面反射镜非稳波导混合型激光谐振腔的一种【具体实施方式】的结 构示意图；
[0016] 图2为图一的上视图；
[0017]图3为图二的右视图；
[0018]图4为非稳方向几何参数示意图；
[0019] 图5为图1所示谐振腔非稳方向输出光场示意图；
[0020] 图6为图1所示谐振腔波导方向输出光场示意图。
【具体实施方式】
[0021] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。
[0022] 为实现上述目的，如图1-3所示，本发明采用的技术方案是一种复曲面反射镜非稳 波导混合型激光谐振腔，包括反射镜1、放电极板3和输出镜2;反射镜1和输出镜2均为复曲 面反射镜，所述复曲面反射镜的复曲面在非稳方向上(沿xz平面方向）的曲线形状为抛物 线，波导方向上(沿yz平面方向）的曲线形状为圆弧。
[0023]波导方向上圆弧曲率半径由上下放电极板间的距离和放电极板与镜面间的距离 决定，要使得光场通过镜面反射回波导的耦合损耗最小。根据该要求具体如何计算相应参 数为本领域技术人员的公知常识，在此不再赘述。
[0024] 非稳方向几何参数示意图如图4所示，心为反射镜1与光轴4的交点P1处曲率半径， 反射镜抛物线焦点与P 1之间的距离为4 ,R2为输出镜2与光轴4的交点P2处曲率半径，输出镜 抛物线焦点与P2之间的距离为腔长1 = 1^/2+1?2/2。非稳腔中M为几何放大率，对于负支 2 非稳腔M为负数，该数值由腔内增益决定。腔镜尺寸之间的关系为a2 = -Mai，a3 = _Ma2=M2ai，
以上部分的长度，a3为反射镜I在光轴4以下部分的长度，h2为输出镜2的宽度，hi为反射镜I 的宽度。几何放大率M的选择应当在模式鉴别因子峰值附近以确保单模输出，这样，在腔长L 确定后，其余相关参数也得以确定。
[0025] 由于抛物线型非稳腔从几何光学角度而言能够避免非傍轴情况下球面镜非稳腔 的球差，从衍射光学角度而言具有更高的模式鉴别因子，因此能够用于宽度较大情况的反 射镜面和工作介质。
[0026] 图5和图6分别为谐振腔非稳方向和波导方向输出光场示意图。一般而言，谐振腔 输出光束都需要通过外光路整形才能作用于加工物质，因此需要得到谐振腔输出光束的初 始状态。
[0027] 对实施例的激光谐振腔进行分析可知，采用复曲面反射镜非稳波导混合型激光谐 振腔的反射镜1和输出镜2在上视图平面实际上形成了一维抛物线型非稳腔，在镜面横向宽 度较大，达到了光线传输的非傍轴区域时，反射镜1上的光场几乎全部被反射，而此时传统 的圆弧型非稳腔则会在反射镜1处出现漏光现象。这种抛物线型非稳腔的模式鉴别因子峰 值和均值要高于圆弧型非稳腔，能够减小镜面加工误差和热形变造成的影响，有效避免高 阶模式输出，提供更大的设计余量。
[0028] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种复曲面反射镜非稳波导混合型激光谐振腔，其特征在于，包括反射镜（I)、放电 极板(3)和输出镜(2);反射镜（1)和输出镜(2)均为复曲面反射镜，所述复曲面反射镜的复 曲面在非稳方向上的曲线形状为抛物线，在波导方向上的曲线形状为圆弧。2. 根据权利要求1所述的复曲面反射镜非稳波导混合型激光谐振腔，其特征在于，所述 波导方向上圆弧的曲率半径由上下放电极板间的距离和放电极板(3)与镜面间的距离决 定;所述曲率半径使得光场通过镜面反射回波导的禪合损耗最小。3. 根据权利要求1所述的复曲面反射镜非稳波导混合型激光谐振腔，其特征在于，激光 谐振赔的赔镜尺寸之间的关系为：其中，M为非稳腔中的几何放大率，L为腔长，曰1为输出镜(2)在光轴(4) W下部分的长度， 曰2为输出镜(2)和反射镜（1)在光轴(4) W上部分的长度，日3为反射镜（1)在光轴(4) W下部分 的长度，h2为输出镜(2)的宽度，hi为反射镜（1)的宽度;Ri为非稳方向上反射镜（1)与光轴 (4)的交点Pi处的曲率半径，反射镜（1)的抛物线焦点与Pi之间的距离为^，R2为非稳方向 上输出镜(2)与光轴(4)的交点P2处的曲率半径，输出镜(2)的抛物线焦点与P2之间的距离为 屯 a。
【文档编号】H01S3/08GK105914570SQ201610429584
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】罗惜照, 唐霞辉, 杨威, 秦应雄, 严拓, 谈贤杰, 黄成源
【申请人】华中科技大学温州先进制造技术研究院