专利名称：高功率激光谐振腔的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光谐振腔。
背景技术：
在激光应用的许多场合中，例如激光打孔、焊接、切割以及激光医疗等微精密加工中，都希望激光器最好能工作在发散角最小的基模状态。为了提高激光光束质量，传统选模技术(如使用孔径光阑)可以使激光器输出的光束质量提高，但使用孔径光阑在很大程度上限制了模体积，增加了模损耗。
在高功率激光器件设计中出现的主要问题是，如何获得尽可能大的模体积和好的横模鉴别能力，以实现高功率单模运转，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、非稳腔和临界腔三种。
稳定腔的损耗很低，傍轴光线的几何偏折损耗均为零，而且只要腔的菲涅尔数不太小，衍射损耗通常也小到可以忽略，因此在绝大多数中、小功率器件都采用稳定腔。当我们要求激光器高功率基模运行时，由于稳定腔的基模模体积太小，且与谐振腔镜面尺寸无关。这就意味着增大激活介质的横向尺寸或增大谐振腔镜面尺寸无助于基模激光光束输出功率的提高，反而容易导致激光器的多横模运转，降低输出光束的质量。
与一般稳定球面腔相比，非稳腔的波形限制能力显著提高；此外，由于振荡波形为球面波，对工作物质动态折射率畸变等影响比较不敏感，因此用于高增益激光器系统，可获得发散角相当小的高亮度输出光束。非稳腔的损耗主要是傍轴光线的发散损耗，单程的损耗很大，可达百分之几十。为获得高功率输出，工作物质的横向尺寸往往较大，因此衍射损耗可以忽略。由于腔的损耗较大，通常需采用侧面逸出输出耦合，故输出为中心空的环状光束。这种腔调整要求高，且不能用于低增益的或细口径的各类激光器系统中。
平行平面腔是临界腔中最广泛应用的一种腔型，它由一平面全反镜和一平面半透半反镜组成。平行平面腔的主要优点是光束方向性极好(发散角小)，模体积较大，比较容易获得单模振荡。平行平面腔的主要缺点是调整精度要求极高且容易失调，与稳定腔相比，损耗也较大，对小增益器件不大适用。
申请号99816848.3公开了一种《谐振腔含有陀螺形圆锥棱镜的激光器》；申请号200420017131.2公开了一种《直角内圆锥面反射镜激光谐振腔》。这两项专利提出的谐振腔是将平行平面腔的全反镜用直角圆锥棱镜和直角内圆锥面全反镜取代，利用直角圆锥棱镜和直角内圆锥面全反镜的逆向反射特性组成的直角圆锥棱镜谐振腔和直角内圆锥面全反镜谐振腔，可以大大降低腔的调整要求。同时，这些谐振腔除了具有平行平面腔的大模体积，小发散角的特点外，还具有高稳定性。但是这两类谐振腔的缺点是不能消除增益介质中心与边缘不均匀分布的影响；不能压缩输出激光光斑的面积，从而提高输出光斑的功率密度，也不能实现环行空心光斑的激光输出；直角圆锥棱镜腔热稳定性低，某些激光波段的棱镜需要特殊的光学晶体制造，价格昂贵。
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，提出了一种高功率激光谐振腔。该激光谐振腔可以消除增益介质中心与边缘不均匀分布的影响，发散角小，光束质量好；可以压缩输出激光的光斑面积，提高输出激光光斑的功率密度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种高功率激光谐振腔包括全反镜、输出镜及激光工作介质，全反镜由第一直角圆台的内侧面和反向的直角圆锥的外侧面组成，第一直角圆台和直角圆锥的旋转对称轴同轴，第一直角圆台的内侧面和直角圆锥的外侧面均为高反射面，相互之间的尺寸关系为Φb＝3Φa，f＝2e，其中Φa为直角圆锥的外侧面与第一直角圆台的内侧面相接圆的直径，Φb为全反镜的底面直径，e为直角圆锥的高度，f为第一直角圆台的高度；输出镜为分体输出镜，由圆形平面半透半反镜和边缘的同心环状的全反镜组成，同心环状的全反镜由第二直角圆台的内侧面和反向的第三直角圆台的外侧面组成，二个直角圆台的旋转对称轴同轴，第二直角圆台的内侧面和第三直角圆台的外侧面均为高反射面，圆形平面半透半反镜和同心环状的全反镜的旋转对称轴同轴，相互之间的尺寸关系为Φc＝Φa，Φd＝Φb，Φd-Φg＝Φg-Φc，Φc为圆形平面半透半反镜的直径，Φd为输出镜的底面直径，Φg为第三直角圆台的外侧面与第二直角圆台的内侧面相接圆的直径。
本发明与现有技术相比具有以下优点(1)本发明在充分利用增益介质，实现大模体积激光输出的情况下，等效的将腔长成倍的增长，同时压缩了输出光斑的面积，可以获得发散角非常小，功率密度非常高，光束质量非常好的高功率激光输出。
(2)本发明利用其逆向反射特性，可以消除除增益介质中心与边缘不均匀分布的影响，对固体激光棒在激励下的不均匀性、气体激光器中气体不均匀性、放电不均匀性等导致的增益不均匀性起到光学补偿作用，降低激光谐振腔镜子的热畸变。
(3)本发明没有折射现象，提高了光场分布的均匀性。
(4)本发明利用其逆向反射特性，可以大大降低腔的调整要求，而且安装、使用、维护方便，且性能可靠，容易对现有激光器进行改装。
(5)本发明加工方便，制造成本低。
(6)全反镜或者输出镜的轻微扰动，对输出激光的能量与光束质量没有明显影响。
图1为本发明一种实施例的结构示意图。
图2为图1中全反镜的右视图。
图3为图1中分体输出镜的左视图。
图4为图1中全反镜带有水槽、盖板的结构简图。
图5为图4中水槽的左视图。
图6为图4中盖板的左视图。
图7为图1中分体输出镜带有水槽、盖板的结构简图。
图8为图7中水槽的右视图。
图9为图7中盖板的右视图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
由图1、图2和图3所示，一种高功率激光谐振腔包括全反镜、输出镜及激光工作介质，全反镜1由第一直角圆台的内侧面4和反向的直角圆锥的外侧面5组成，第一直角圆台和直角圆锥的旋转对称轴同轴，第一直角圆台的内侧面4和直角圆锥的外侧面5均为高反射面，相互之间的尺寸关系为Φb＝3Φa，f＝2e，其中Φa为直角圆锥的外侧面5与第一直角圆台的内侧面4相接圆的直径，Φb为全反镜1的底面直径，e为直角圆锥的高度，f为第一直角圆台的高度；输出镜2为分体输出镜，由圆形平面半透半反镜11和边缘的同心环状的全反镜14组成，同心环状的全反镜14由第二直角圆台的内侧面12和反向的第三直角圆台的外侧面13组成，二个直角圆台的旋转对称轴同轴，第二直角圆台的内侧面12和第三直角圆台的外侧面13均为高反射面，圆形平面半透半反镜11和同心环状的全反镜14的旋转对称轴同轴，相互之间的尺寸关系为Φc＝Φa，Φd＝Φb，Φd-Φg＝Φg-Φc，Φc为圆形平面半透半反镜11的直径，Φd为输出镜2的底面直径，Φg为第三直角圆台的外侧面13与第二直角圆台的内侧面12相接圆的直径。
安装时，全反镜1与输出镜2的旋转对称轴同轴，全反镜1所述直角圆锥的顶点最好位于激光腔的光轴上，全反镜1的底平面与光轴垂直。
由图4～图6所示，由全反镜1构成的组合体6的后面有冷却水槽7，在水槽盖板10的开有进水口8和出水口9，盖板10与组合体6可采用焊接方式密封连接。
由图7～图9所示，图中相应的尺寸关系为Φh＞Φc，Φi＞Φd，其中Φh为圆形平面半透半反镜11的安装尺寸，Φi为输出镜2的安装尺寸。其中15为输出镜2的环形冷却水槽，16为带有进出水口的盖板。
全反镜1的光学性质是任何方向的入射光线经全反镜1反射后，反射光线与入射光线平行。或者说，只要入射光线方向不变，无论全反镜1绕其顶点如何晃动，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输出镜2的法线方向相同，且当全反镜1顶点位于光轴附近，其轴线与光轴近似重合时即可出光，全反镜1或者输出镜2的轻微扰动，对出光能量与光束质量没有明显下降。
本发明高功率激光谐振腔的有效激光输出光斑面积为全反镜1面积的九分之一，可以大大提高激光输出功率密度，压缩激光发散角。
权利要求
1.一种高功率激光谐振腔，包括全反镜、输出镜及激光工作介质，其特征在于全反镜(1)由第一直角圆台的内侧面(4)和反向的直角圆锥的外侧面(5)组成，第一直角圆台和直角圆锥的旋转对称轴同轴，第一直角圆台的内侧面(4)和直角圆锥的外侧面(5)均为高反射面，相互之间的尺寸关系为Φb＝3Φa，f＝2e，其中Φa为直角圆锥的外侧面(5)与第一直角圆台的内侧面(4)相接圆的直径，Φb为全反镜(1)的底面直径，e为直角圆锥的高度，f为第一直角圆台的高度；输出镜(2)为分体输出镜，由圆形平面半透半反镜(11)和边缘的同心环状的全反镜(14)组成，同心环状的全反镜(14)由第二直角圆台的内侧面(12)和反向的第三直角圆台的外侧面(13)组成，二个直角圆台的旋转对称轴同轴，第二直角圆台的内侧面(12)和第三直角圆台的外侧面(13)均为高反射面，圆形平面半透半反镜(11)和同心环状的全反镜(14)的旋转对称轴同轴，相互之间的尺寸关系为Φc＝Φa，Φd＝Φb，Φd-Φg＝Φg-Φc，Φc为圆形平面半透半反镜(11)的直径，Φd为输出镜(2)的底面直径，Φg为第三直角圆台的外侧面(13)与第二直角圆台的内侧面(12)相接圆的直径。
2.根据权利要求1所述高功率激光谐振腔，其特征在于全反镜(1)所述直角圆锥的顶点位于激光腔的光轴上，全反镜(1)的底平面与光轴垂直。
全文摘要
本发明公开了一种高功率激光谐振腔，包括全反镜、输出镜和激光工作介质，全反镜由第一直角圆台的内侧面和反向的直角圆锥的外侧面组成，第一直角圆台和直角圆锥的旋转对称轴同轴，其内侧面和外侧面均为高反射面；输出镜由圆形平面半透半反镜和边缘的同心环状的全反镜组成，它们的旋转对称轴同轴，同心环状的全反镜由第二直角圆台的内侧面和反向的第三直角圆台的外侧面组成，二个直角圆台的旋转对称轴同轴，其内侧面和外侧面均为高反射面。该激光谐振腔可以消除增益介质中心与边缘不均匀分布的影响，发散角小，光束质量好，可压缩输出激光的光斑面积，提高输出激光光斑的功率密度，可用于中、高功率气体或固体激光器。
文档编号H01S3/08GK1819374SQ20061001855
公开日2006年8月16日 申请日期2006年3月15日 优先权日2006年3月15日
发明者程祖海, 唐霞辉, 秦应雄 申请人:华中科技大学