专利名称：：一种输出实心光束的激光非稳腔的制作方法
技术领域：
：本实用新型属于高功率激光器
技术领域：
，特别涉及一种基于腔外光束整形技术输出实心光束的激光非稳腔及其应用。
背景技术：
：具有高光束质量的高功率激光器在工业和军事应用领域都有非常重要的应用前景。对于高功率激光器而言，最重要的是如何获得尽可能大的模体积和良好的横模鉴别能力，以实现高功率单模运转，从而既能从激活介质中高效率的提取能量，又能保持高光束质量的激光输出。为了获得高功率的激光输出，往往需要采用大体积与大横向尺寸的激活介质，以保证腔内光学元件在不受激光损伤的前提下，实现高功率的激光输出。稳定腔只能在光轴中心附近区域获得运转在基模(TEMtltl模)的近衍射极限的高斯光束，其模体积有限，并不适合于高功率激光器。对具有大体积与大横向尺寸激活介质的激光器，一般米用非稳腔技术获得单横模输出。但是常规非稳腔激光器的耦合输出为环形光斑结构，将这种环形空心光束聚焦后，其焦斑中心处的功率密度将比具有相同功率和光斑尺寸的实心光束低许多；同样地，该环形空心光束的远场发散角也将远高于衍射极限，最终限制了它的应用。为了消除常规非稳腔激光器输出环形光束的中央暗斑，人们提出了许多不同的方法，以期实现从大体积激活介质中提取接近衍射极限的高能激光束。最具代表性的当属变反射率镜(常见的包括高斯型、超高斯型、抛物线型等)非稳腔与90°束旋转环形非稳腔(UnstableResonatorwith90°BeamRotation)。采用变反射率镜作为输出耦合镜的非稳腔，在理论上可以达到近衍射极限的高能激光束输出。但对高功率激光器而言，制作高损伤阈值的变反射率介质薄膜是非常困难的；并且不同的介质薄膜厚度也会引起输出光束的相位畸变，因此变反射率输出耦合镜在实际应用上具有一定的局限性。美国空军武器实验室A.H.Paxton等人在《AppliedOptics》1986年第25卷第17期《Unstableresonatorswith90°beamrotation))一文中提出了一种90°束旋转环形非稳腔，该腔由于利用了光束旋转技术能够对激活介质的不均匀性以及镜面的象差进行平均化，从而获得高光束质量的矩形全斑激光束输出。但由于该腔的输出I禹合镜为刀口，输出光束为实心矩形，在强红外激光传输中，只能采用斜轴形反射望远镜发射；而斜轴反射望远镜的设计难度大，造价昂贵。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种输出实心光束的的激光非稳腔，基于光学元件对光束进行重构整形，使普通非稳腔输出环形光束的中心部分重构成为实心光束。实现本实用新型该目的所采用的技术方案如下一种可输出实心光束的激光非稳腔，包括[0011]激光器本体，其包含由凸面镜和凹面镜相对布置构成的正支虚共焦非稳腔，该凸面镜和凹面镜的中心连线形成非稳腔的光轴；内圆锥面环形反射镜，其设置在激光器本体内，并位于所述凸面镜和凹面镜之间，该内圆锥面环形反射镜的反射镜面呈向内凹陷的圆锥面形，且该反射镜的镜体为中空的环形体；和外圆锥面反射镜，其设置在非稳腔的光轴下方，并与所述内圆锥面环形反射镜相对放置，其中该外圆锥面反射镜的反射镜面呈向外凸起的圆锥面形，其反射镜面中心点与环形反射镜镜面中心点的连线与所述非稳腔的光轴垂直；其特征在于，经所述凹面镜反射的光束一部分穿过反射镜的中空镜体后传输到凸面镜上，以继续振荡，另一部分入射到内圆锥面环形反射镜的反射镜面上，并反射到所述外圆锥面反射镜的反射镜面上，通过调节所述内圆锥面环形反射镜与外圆锥面反射镜沿两中心点连线方向上的相对距离至合适大小，即可实现从所述外圆锥面反射镜的反射镜面上输出实心光束。作为本实用新型的改进，所述内圆锥面环形反射镜的反射镜面与外圆锥面反射镜的反射镜面具有相同的轴截面顶角，且为钝角。作为本实用新型的改进，所述内圆锥面环形反射镜与所述外圆锥面反射镜的旋转对称轴均与所述非稳腔的光轴成45°夹角。作为本实用新型的改进，所述的内圆锥面环形反射镜的底部开有第一环形冷却水槽，带有进水口和出水口的环形水槽盖板盖在该第一环形冷却水槽上，并与所述内圆锥面环形反射镜的底部密封连接。作为本实用新型的改进，所述的外圆锥面反射镜的后部开有第二环形冷却水槽，带有进水口和出水口的圆形水槽盖板盖在该第二环形冷却水槽上，并与所述外圆锥面反射镜的底部密封连接。实现本实用新型该目的所采用的另一技术方案如下一种可输出实心光束的激光非稳腔，包括激光器本体，其包含由凸面镜和凹面镜相对布置构成的正支虚共焦非稳腔，该凸面镜和凹面镜的中心连线形成非稳腔的光轴；外圆锥面透镜，其设置在激光器本体外，并位于所述凸面镜后方，该外圆锥面透镜镜体呈柱状，镜体一端端面为平面，另一端端面呈向外凸出的圆锥面，其旋转对称轴与非稳腔的光轴在同一直线上；和内圆锥面透镜，其同轴设置在外圆锥面透镜后方，该内圆锥面透镜呈柱状体，面向外圆锥面透镜的端面呈向内凹陷的圆锥面形，另一端面为平面，该内圆锥面透镜的旋转对称轴与非稳腔的光轴在同一直线上，经所述外圆锥面透镜折射后的光束射入到该内圆锥面透镜的向内凹陷的圆锥面上，透射后通过另一端的平面端面射出；其特征在于，光束由凹面镜向外反射时，一部分反射到凸面镜上在谐振腔内继续震荡，另一部分平行射到凸面镜后面的外圆锥面透镜的平面端上，经透射至另一端的圆锥面端并折射后向光轴方向折射，折射的光束射入到内圆锥面透镜的向内凹陷的圆锥面上，通过调节内圆锥面透镜在非稳腔的光轴方向上与外圆锥面透镜的距离至合适大小，即可使得经该内圆锥面透镜透射至另一端的平面端面时，出射的光束为实心光束。[0025]作为本实用新型的改进，所述外圆锥面透镜与所述内圆锥面透镜的圆锥面具有相同的临界角C。作为本实用新型的改进，所述外圆锥面透镜端面的圆锥面与该内圆锥面透镜的圆锥面具有相同的轴截面顶角Θ'，且180°-2c〈Θ'〈180°。本实用新型将非稳腔输出的环形空心光束，通过具有一定角度的内(或外)圆锥面镜的作用，使光束逐渐向激光束的光轴位置集中；然后利用与所述内(或外)圆锥面镜具有相同轴截面顶角的外(或内)圆锥面镜对集中于激光束光轴附近的光束进行重新导向，以获得沿光轴方向传输的光束输出，并通过对内(或外)圆锥面镜与外(或内)圆锥面镜沿光轴方向的相对位置进行精密调节，实现沿光轴方向传输的圆形实心整形光束输出。本实用新型利用两圆柱形圆锥面镜，对光束光路分别进行两次调整。其中，每一圆柱形圆锥面镜均有一端面为圆锥面，且两圆锥面具有相同的轴截面顶角。两圆柱形圆锥面镜可为反射镜，也可为透镜。当其作反射镜时，两圆柱形圆锥面镜为中空环形体，两圆锥面顶点连线与光轴垂直；当其作透镜时，两圆柱形圆锥面镜为圆柱体形，两圆锥面顶点连线与光轴在同一直线上。当两圆柱形圆锥面镜为反射镜时，第一镜的前端面为内圆锥面，第二镜的后端面为外圆锥面镜；当两圆柱形圆锥面镜为透镜时，第一镜的前端面为平面，后端面为外圆锥面，第二镜的前端面为外圆锥面，后端面为平面。具体实施原理如下(I)利用内(或外)圆锥面镜对非稳腔激光器输出的中空空心光束进行向心导向，使之向激光束的中心光轴集中；(2)利用外(或内)锥面镜对上述集中于激光束光轴附近的光束进行重新导向，获得沿光轴方向传输的整形光束输出；(3)对两圆锥面镜沿光轴方向的相对位置进行精密调节，获得沿光轴方向传输的圆形实心整形光束输出。本实用新型与现有技术相比主要具以下优点(I)在保留常规非稳腔诸多优点(如模体积大，横模分辨率高等)的前提下，利用反射式光学元件对非稳腔激光器输出环形光束的中心部分进行重构，以实现高光束质量的高能圆形实心激光束输出。(2)直接利用圆锥面镜进行整形，基本没有增加非稳腔的结构难度。(3)主要涉及反射或透射式光学元件的应用，因此其能够承受非常高的激光功率，适合于高功率激光应用场合的光束整形。(4)本实用新型所涉及反射或透射式光学元件加工简单方便，制造成本低。本实用新型在保留常规非稳腔诸多优点(如模体积大，横模分辨率高等)的前提下，利用反射或透射式光学元件能够实现对非稳腔激光器输出环形光束的中心部分进行重构，获得高光束质量的高能圆形实心激光束输出；并且所提供的装置结构简单，工作稳定，尤其克服了现有技术需要通过改造常规非稳腔的结构来获取实心激光束输出的不足。图I为本实用新型实施例I的结构示意图；图2为本实用新型实施例2的结构示意图。图3为非稳腔激光器输出的环形光斑示意图；[0040]图4为本实用新型中的非稳腔所输出的圆形实心光斑示意图；图5为内圆锥面环形反射镜带有环形冷却水槽、环形水槽盖板的结构简图；图6为图5中环形冷却水槽的右视图；图7为图5中环形水槽盖板的右视图；图8为本实用新型中的非稳腔中的外圆锥面反射镜带有环形冷却水槽、圆形水槽盖板的结构简图；图9为图8中环形冷却水槽的左视图；图10为图8中圆形水槽盖板的左视图。具体实施方式以下结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。实施例I如图I所不,本实施例提供的基于输出实心光束的的激光非稳腔技术的非稳腔激光器包括激光器本体1，内圆锥面环形反射镜501、外圆锥面反射镜601和精密位移机构7。该激光器本体I包含由凸面镜4和凹面镜3相对布置构成的正支虚共焦非稳腔。其中，在正支虚共焦非稳腔的凸面镜4和凹面镜3之间设置具有轴截面顶角Θ的内圆锥面环形反射镜501，内圆锥面环形反射镜501的镜面呈向内凹陷的圆锥面形，且镜体中部为空心的，呈中空的环形体，以使得光束在谐振腔内由凸面镜4向凹面镜3方向传输时，光束的边缘部分能够穿过该反射镜501的镜体传输到凸面镜4上。反射镜501镜面的旋转对称轴al与由凸面镜4和凹面镜3中心连线所形成的非稳腔光轴成45°夹角。外圆锥面反射镜601设置在非稳腔光轴下方，其与所述内圆锥面环形反射镜501相对放置。外圆锥面反射镜601的镜面呈向外凸起的圆锥面形，且与反射镜501具有相同轴截面顶角Θ，两镜面呈互补形状，镜面中心Q与环形反射镜501镜面中心P的连线同所述非稳腔光轴垂直。内圆锥面环形反射镜501的旋转对称轴与所述非稳腔激光器I的光轴成45°夹角，外圆锥面反射镜601与内圆锥面环形反射镜501平行，内圆锥面环形反射镜501与外圆锥面反射镜601沿PQ连线方向上的相对位置可通过所述外圆锥面反射镜精密位移机构7进行调节。当光束在谐振腔内由凸面镜4向凹面镜3方向传输时，将被扩束M倍(其中，M为非稳腔的几何放大率)；扩束后光束的边缘部分2在反向传输时经内圆锥面环形反射镜501反射耦合输出，剩余中心部分光束被反馈到谐振腔内继续参与振荡。由于内圆锥面环形反射镜501轴截面顶角Θ对光束的会聚作用，经反射镜501耦合输出的环形空心光束在腔外传输过程中将逐渐向其中心所在轴线(即图I所示PQ连线)位置集中；利用与所述内圆锥面环形反射镜501对应平行安装的外圆锥面反射镜601对收缩于中心轴线附近的光束进行重新导向，以获取沿平行于非稳腔光轴方向传输的整形光束输出；通过对外圆锥面反射镜601中心Q与内圆锥面环形反射镜501中心P沿垂直于非稳腔光轴方向的距离D(见图I)进行精密调节，即可实现圆形实心激光光束输出。内圆锥面环形反射镜501与外圆锥面反射镜601均为旋转对称型结构反射镜，制作简单，甚至可以直接采用超精密车削加工而成。如图Γ图6所示，内圆锥面环形反射镜501的后部开有环形冷却水槽11，在环形水槽盖板8上带有进水口9和出水口10，环形水槽盖板8与所述内圆锥面环形反射镜501的底部可采用焊接方式密封连接。如图疒图9所示，外圆锥面反射镜601的后部开有环形冷却水槽15，在圆形水槽盖板12上同样带有进水口13和出水口14，圆形水槽盖板12与所述外圆锥面反射镜601的底部可采用焊接方式密封连接。非稳腔激光器I输出的光束2经内圆锥面环形反射镜501转向后，沿垂直于所述非稳腔激光器I的PQ连线方向传输，并逐渐向PQ连线位置集中；利用外圆锥面反射镜601对集中于PQ连线附近的光束进行重新导向，以获得沿光轴方向传输的整形光束输出；通过外圆锥面反射镜精密位移机构7对所述外圆锥面反射镜601在PQ方向上的相对位置进行精密调节，实现沿光轴方向传输的圆形实心整形光束输出。实施例2如图2所不,本实施例提供的基于输出实心光束的激光非稳腔技术的非稳腔激光器包括激光器本体1，外圆锥面透镜502、内圆锥面透镜602和精密位移机构7。该激光器本体I包含由凸面镜4和凹面镜3相对布置构成的正支虚共焦非稳腔。本实施例中，外圆锥面透镜502设置在凸面镜4后方，该透镜502镜体呈柱状，镜体一端端面为平面，另一端端面呈向外凸出的圆锥面，该锥面的轴截面顶角为Θ'，其旋转对称轴与非稳腔的光轴在同一直线上。光束在谐振腔内由凹面镜3向外反射时，一部分发射到凸面镜4上在谐振腔内继续震荡，另一部分平行射到凸面镜4后面的透镜502的平面端上，经传输至另一端的圆锥面端并折射后向光轴方向集中。在外圆锥面透镜502后方相对其放置有内圆锥面透镜602。该内圆锥面透镜602呈柱状体，面对外圆锥面透镜502的圆锥面的端面呈向内凹陷的圆锥面形，其轴截面顶角也为Θ'，与外圆锥面透镜502的圆锥面形成互补型面。内圆锥面透镜602的另一端面为平面，该内圆锥面透镜602的旋转对称轴与非稳腔的光轴在同一直线上。经外圆锥面透镜502折射后的光束射入到内圆锥面透镜602的向内凹陷的圆锥面上，并传输后通过另一端的平面端面射出。精密位移机构7用于调整内圆锥面透镜602在非稳腔的光轴方向上与外圆锥面透镜502的距离。外圆锥面透镜502与内圆锥面透镜602均为旋转对称型结构透镜，制作简单，甚至可以直接采用超精密车削加工而成。非稳腔激光器I输出的光束2经外圆锥面透镜502折射后，出射光线向非稳腔激光器I的光轴位置偏折；利用内圆锥面透镜602对偏折光线再次进行折射，对收缩于非稳腔光轴附近的光束进行重新导向，使光线平行于光轴方向传输；通过内圆锥面透镜精密位移机构7对所述内圆锥面透镜602在光轴方向上与外圆锥面透镜502的相对位置进行精密调节，调节外圆锥面透镜502与内圆锥面透镜602沿非稳腔光轴方向的距离，即可实现沿光轴方向传输的圆形实心整形光束输出。权利要求1.一种可输出实心光束的激光非稳腔，包括激光器本体(1)，其包含由凸面镜(4)和凹面镜(3)相对布置构成的正支虚共焦非稳腔，该凸面镜(4)和凹面镜(3)的中心连线形成非稳腔的光轴；内圆锥面环形反射镜(501)，其设置在激光器本体(I)内，并位于所述凸面镜(4)和凹面镜(3)之间，该内圆锥面环形反射镜(501)的反射镜面呈向内凹陷的圆锥面形，且该反射镜(501)的镜体为中空的环形体；和外圆锥面反射镜(601)，其设置在非稳腔的光轴下方，并与所述内圆锥面环形反射镜(501)相对放置，其中该外圆锥面反射镜(601)的反射镜面呈向外凸起的圆锥面形，其反射镜面中心点(Q)与环形反射镜(501)镜面中心点(P)的连线与所述非稳腔的光轴垂直；其特征在于，经所述凹面镜(3)反射的光束一部分穿过反射镜(501)的中空镜体后传输到凸面镜(4)上，以继续振荡，另一部分入射到内圆锥面环形反射镜(501)的反射镜面上，并反射到所述外圆锥面反射镜(601)的反射镜面上，通过调节所述内圆锥面环形反射镜(501)与外圆锥面反射镜(601)沿两中心点连线(PQ)方向上的相对距离至合适大小，即可实现从所述外圆锥面反射镜(601)的反射镜面上输出实心光束。2.根据权利要求I所述的一种可输出实心光束的激光非稳腔，其特征在于，所述内圆锥面环形反射镜(501)的反射镜面与外圆锥面反射镜(601)的反射镜面具有相同的轴截面顶角，且为钝角。3.根据权利要求I或2所述的一种可输出实心光束的激光非稳腔,其特征在于,所述内圆锥面环形反射镜(501)与所述外圆锥面反射镜(601)的旋转对称轴均与所述非稳腔的光轴成45°夹角。4.根据权利要求I或2所述的一种可输出实心光束的激光非稳腔,其特征在于,所述的内圆锥面环形反射镜(501)的底部开有第一环形冷却水槽，带有进水口和出水口的环形水槽盖板盖在该第一环形冷却水槽上，并与所述内圆锥面环形反射镜(501)的底部密封连接。5.根据权利要求I或2所述的一种可输出实心光束的激光非稳腔,其特征在于,所述的外圆锥面反射镜(601)的后部开有第二环形冷却水槽，带有进水口和出水口的圆形水槽盖板盖在该第二环形冷却水槽上，并与所述外圆锥面反射镜(601)的底部密封连接。6.一种可输出实心光束的激光非稳腔,包括激光器本体(1)，其包含由凸面镜(4)和凹面镜(3)相对布置构成的正支虚共焦非稳腔，该凸面镜(4)和凹面镜(3)的中心连线形成非稳腔的光轴；外圆锥面透镜(502)，其设置在激光器本体(I)外，并位于所述凸面镜(4)后方，该外圆锥面透镜(502)镜体呈柱状，镜体一端端面为平面，另一端端面呈向外凸出的圆锥面，其旋转对称轴与非稳腔的光轴在同一直线上；和内圆锥面透镜(602)，其同轴设置在外圆锥面透镜(502)后方，该内圆锥面透镜(602)呈柱状体，面向外圆锥面透镜(502)的端面呈向内凹陷的圆锥面形，另一端面为平面，该内圆锥面透镜(602)的旋转对称轴与非稳腔的光轴在同一直线上，经所述外圆锥面透镜(502)折射后的光束射入到该内圆锥面透镜(602)的向内凹陷的圆锥面上，透射后通过另一端的平面端面射出；其特征在于，光束由凹面镜(3)向外反射时，一部分反射到凸面镜(4)上在谐振腔内继续震荡，另一部分平行射到凸面镜(4)后面的外圆锥面透镜(502)的平面端上，经透射至另一端的圆锥面端并折射后向光轴方向折射，折射的光束射入到内圆锥面透镜(602)的向内凹陷的圆锥面上，通过调节内圆锥面透镜(602)在非稳腔的光轴方向上与外圆锥面透镜(502)的距离至合适大小，即可使得经该内圆锥面透镜(602)透射至另一端的平面端面时，出射的光束为实心光束。7.根据权利要求6所述的一种可输出实心光束的激光非稳腔,其特征在于,所述外圆锥面透镜(502)与所述内圆锥面透镜(602)的圆锥面具有相同的临界角C。8.根据权利要求7所述的一种可输出实心光束的激光非稳腔，其特征在于，所述外圆锥面透镜(502)端面的圆锥面与该内圆锥面透镜(602)的圆锥面具有相同的轴截面顶角Θ'，且180°-2c(Θ/〈180°。专利摘要本实用新型公开了一种输出实心光束的激光非稳腔，包括包含相对布置的凸面镜和凹面镜的激光器本体；设置在凸面镜和凹面镜之间的内圆锥面环形反射镜，其反射镜面为呈向内凹陷的圆锥面形，且该反射镜的镜体为中空的环形体；和设置在非稳腔的光轴下方，并与所述内圆锥面环形反射镜相对放置的外圆锥面反射镜，其中该外圆锥面反射镜的反射镜面呈向外凸起的圆锥面形，其反射镜面中心Q与环形反射镜镜面中心P的连线与所述非稳腔的光轴垂直。本实用新型还公开了上述激光非稳腔的应用。本实用新型的装置和方法能够利用反射光学元件实现对非稳腔激光器输出环形光束的变换，获得圆形实心光束输出；并且所提供的装置结构简单，工作稳定。文档编号H01S3/081GK202616596SQ201220199338公开日2012年12月19日申请日期2012年5月4日优先权日2012年5月4日发明者陈培锋,王英,罗曦申请人:华中科技大学