一种非稳腔单频激光输出装置的制作方法

本发明涉及高功率激光器技术领域，尤其涉及一种非稳腔单频激光输出装置。

背景技术：

随着对远距离目标探测识别需求日益强烈，针对该类目标的探测手段也逐渐丰富，其中激光相干探测作为一种非接触式干涉测量技术手段，具有高灵敏性和抗干扰能力强等优势，在上述应用中逐渐凸显其重要性。要实现远距离目标相干测量识别，需具备频谱纯度高且频率稳定的激光发射源，而该类发射源主要采用种子注入锁定技术获得。

目前实现高功率单频激光输出的途径较多，其中基于稳定腔注入锁定方式具有结构简单且稳定性好等特点，但该技术途径输出光束中单频成分所占能量比例较低，即是在相同增益介质体积下，实现单频运转所获得的能量较低，限制其进一步使用。而基于非稳腔输出的注入锁定技术，能充分利用其优良的横模鉴别能力(合理设计的腔型具有准基模运转能力)，再结合种子注入锁定技术，在相同的增益体积下，能获得较高能量的单横模输出。在此基础上，利用种子注入方式选择振荡纵模，实现单频运转，该方式是目前国际上典型应用系统中实现高功率单频激光输出的主流方式。

但是传统的正支虚共焦非稳腔设计主要采用反射式输出结构，输出光斑在近场为空心光束，虽然在大约20m后衍射变为中心实心光束，但是在近场光学发射及中继系统设计中，仍然较为不便。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种非稳腔单频激光输出装置，以解决现有技术中反射式输出结构的正支虚共焦非稳腔在近场光学中输出实心光束设计较为不便的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种非稳腔单频激光输出装置，包括：

种子激光斜向注入系统和激光谐振系统；

所述种子激光斜向注入系统包括：波导激光器、第一分束器、光束质量分析仪、第一反射镜、第二反射镜和扩束器；

所述激光谐振系统包括：相对设置的第一电极和第二电极，位于所述第一电极和所述第二电极两侧，且相对设置的凹面反射镜和凹凸部分反射镜；

所述第一电极和所述第二电极的中轴线与所述凹面反射镜和所述凹凸部分反射镜的光轴位于同一直线上；

其中，波导激光器出射的光束经过第一分束镜分为透射的第一光束和反射的第二光束，所述第二光束入射至所述光束质量分析仪，所述光束质量分析仪用于监测所述第二光束的激光模式；

所述第一光束经过所述扩束器扩束，并经过所述第一反射镜和所述第二反射镜组成的潜望镜结构，斜入射至所述第一电极；

斜入射至所述第一电极的光被所述第一电极散射后，经过所述凹面反射镜和所述凹凸部分反射镜的多次反射，并经过所述凹凸部分反射镜出射，得到单频激光，所述单频激光为实心光斑。

优选地，非稳腔单频激光输出装置还包括单频激光输出检测系统、第二分束器和第三分束器；

所述第二分束器用于将所述第二光束分为反射的第三光束和透射的第四光束，所述第四光束入射至所述光束质量分析仪，所述第三光束作为所述单频激光输出检测系统的参考光束；

所述第三分束器用于将由所述凹凸部分反射镜出射的单频激光分为透射的第五光束和反射的第六光束，所述第五光束作为所述非稳腔单频激光输出装置的有效能量输出，所述第六光束输入至所述单频激光检测系统，用于激光脉冲频率检测；

其中，所述单频激光输出检测系统用于检测所述单频激光的频率。

优选地，所述单频激光输出检测系统包括：偏振器、第四分束器、可控衰减器组、光电探测器和示波器；

所述第六光束经过所述偏振器后经过所述第四分束器透射至所述光电探测器；

所述第三光束经过所述可控衰减器组后经所述第四分束器反射至所述光电探测器；

所述光电探测器的输出端与所述示波器的输入端相连，所述示波器用于输出脉冲波形。

优选地，所述第一分束器的透反比为4:1。

优选地，所述扩束器为5倍扩束器。

优选地，所述凹面反射镜的反射率高于99％。

优选地，所述凹凸部分反射镜的反射率为70％。

优选地，所述第三分束器的透反比为9:1。

优选地，所述波导激光器为波导co2激光器。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的非稳腔单频激光输出装置中，激光谐振系统的出射光束的反射镜为凹凸部分反射镜，即本发明中的正支虚共焦非稳腔为透射输出方式，从而能够出射实心光斑，实现近场实心光斑输出；另一方面，入射至第一电极的光束为端面斜向注入方式，利用电极反射光束进行注入锁定，能够获得单频激光输出，且在一定程度上降低了种子注入光路设计调整及光学隔离的复杂性，有利于提高系统稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的反射式正支虚共焦非稳腔的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种非稳腔单频激光输出装置结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种非稳腔单频激光输出装置结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，现有技术中传统的正支虚共焦非稳腔设计主要采用反射式输出结构，如图1所示，为现有技术中传统的正支虚共焦非稳腔，所述正支虚共焦非稳腔包括第一电极01、第二电极02和位于第一电极01和第二电极02两端的第一反射镜03和第二反射镜04，其中第二反射镜04的尺寸小于第一反射镜03的尺寸，从而最终光束输出时，能够从第二反射镜04的边缘出射，也因此，传统的正支虚共焦非稳腔输出的光斑为空心光斑，如图1中所示。虽然在大约20m后衍射变为中心实心光束或者通过中心光束重构能够得到实心光束，但是在近场光学发射及中继系统设计中，仍然较为不便。

基于此，本发明提供一种非稳腔单频激光输出装置，包括：

种子激光斜向注入系统和激光谐振系统；

所述种子激光斜向注入系统包括：波导激光器、第一分束器、光束质量分析仪、第一反射镜、第二反射镜和扩束器；

所述激光谐振系统包括：相对设置的第一电极和第二电极，位于所述第一电极和所述第二电极两侧，且相对设置的凹面反射镜和凹凸部分反射镜；

所述第一电极和所述第二电极的中轴线与所述凹面反射镜和所述凹凸部分反射镜的光轴位于同一直线上；

其中，波导激光器出射的光束经过第一分束镜分为透射的第一光束和反射的第二光束，所述第二光束入射至所述光束质量分析仪，所述光束质量分析仪用于监测所述第二光束的激光模式；

所述第一光束经过所述扩束器扩束，并经过所述第一反射镜和所述第二反射镜组成的潜望镜结构，斜入射至所述第一电极；

斜入射至所述第一电极的光被所述第一电极散射后，经过所述凹面反射镜和所述凹凸部分反射镜述单频激光为实心光斑。

本发明提供的非稳腔单频激光输出装置中，激光谐振系统的出射光束的反射镜为凹凸部分反射镜，即本发明中的正支虚共焦非稳腔为透射输出方式，从而能够出射实心光斑，实现近场实心光斑输出；另一方面，入射至第一电极的光束为端面斜向注入方式，利用电极反射光束进行注入锁定，能够获得单频激光输出，且在一定程度上降低了种子注入光路设计调整及光学隔离的复杂性，有利于提高系统稳定性。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体的，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种非稳腔单频激光输出装置结构示意图，所述非稳腔单频激光输出装置，包括：种子激光斜向注入系统100和激光谐振系统200；种子激光斜向注入系统包括：波导激光器1、第一分束器2、光束质量分析仪5、第一反射镜8、第二反射镜9和扩束器7；激光谐振系统包括：相对设置的第一电极和第二电极，位于第一电极和第二电极两侧，且相对设置的凹面反射镜10和凹凸部分反射镜14；第一电极和第二电极的中轴线与凹面反射镜10和凹凸部分反射镜14的光轴位于同一直线上；其中，波导激光器1出射的光束经过第一分束镜2分为透射的第一光束和反射的第二光束，第二光束入射至光束质量分析仪5，光束质量分析仪5用于监测第二光束的激光模式；第一光束经过扩束器7扩束，并经过第一反射镜8和第二反射镜9组成的潜望镜结构，斜入射至第一电极；斜入射至第一电极的光被第一电极散射后，经过凹面反射镜10和凹凸部分反射镜14的多次反射，并经过凹凸部分反射镜14出射，得到单频激光，单频激光为实心光斑。

需要说明的是，在图2中，种子激光斜向注入系统100中，除了第二反射镜9，其他元件都在同一水平面上，且，该水平面与激光谐振系统200中的第一电极和第二电极的中轴线，即图2中所示的虚线位于同一水平面内。图2中所示的激光谐振系统200的截面为垂直于所述水平面的截面结构示意图。也即图2中所示的种子激光斜向注入系统100和激光谐振系统200是位于两个相互垂直的平面内的。其中，第一反射镜8和第二反射镜9组成的潜望镜结构，从而实现光路的抬升，将位于第一电极和第二电极的中轴线所在水平面的光束抬升至高于凹面反射镜10，从而能够从凹面反射镜10的边缘斜入射至激光谐振系统的密封窗口11，进而相对于激光谐振系统的密封窗口斜入射至第一电极12上。

本实施例中不限定第一电极是上电极还是下电极，但实际光路排布中种子源和激光器均固定于稳定基板上，放电区域距离基板垂直距离较短，注入光束由下向上入射在上电极时导光空间不足。因此，本实施例中，可选的，第一电极为下电极。即图2中12为第一电极，13为第二电极。

本实施例中采用端面斜向注入方式，避免了沿第一电极和第二电极的中轴线注入引入的光束隔离问题。

由于本实施例中激光谐振系统出射方向的反射镜为凹凸部分反射镜14，因此，光束能够直接通过，无需像现有技术中一样，需要通过反射镜的边缘出射，从而能够得到实心光束。

本实施例提供的非稳腔单频激光输出装置中，激光谐振系统的出射光束的反射镜为凹凸部分反射镜，即正支虚共焦非稳腔为透射输出方式，从而能够出射实心光斑，实现近场实心光斑输出；另一方面，入射至第一电极的光束为端面斜向注入方式，利用电极反射光束进行注入锁定，能够获得单频激光输出，且在一定程度上降低了种子注入光路设计调整及光学隔离的复杂性，有利于提高系统稳定性。

本发明实施例还提供一种非稳腔单频激光输出装置，如图3所示，在上一实施例的基础上，还包括：单频激光输出检测系统300、第二分束器4和第三分束器15；其中，单频激光输出检测系统300用于检测单频激光的频率。第二分束器4用于将第二光束分为反射的第三光束和透射的第四光束，第四光束入射至光束质量分析仪5，第三光束作为单频激光输出检测系统300的参考光束；第三分束器15用于将由凹凸部分反射镜14出射的单频激光分为透射的第五光束和反射的第六光束，第五光束作为非稳腔单频激光输出装置的有效能量输出，第六光束输入至单频激光检测系统300，用于激光脉冲频率检测。

本实施例中单频激光输出检测系统300具体包括：偏振器16、第四分束器17、可控衰减器组18、光电探测器19和示波器20；第六光束经过偏振器16后经过第四分束器17透射至光电探测器19；第三光束经过可控衰减器组18后经第四分束器17反射至光电探测器19；光电探测器19的输出端与示波器20的输入端相连，示波器20用于输出脉冲波形。

本实施例中种子激光斜向注入系统100还包括第三反射镜3和第四反射镜6，当然，在光路方向需要改变时，还可以增加或减少反射镜的使用，本实施例中对此不做限定。

具体的，本发明实施例中提供的非稳腔单频激光输出装置的具体工作原理如下：

所述非稳腔单频激光输出装置为透射式输出正支虚共焦非稳腔单频激光装置，如图3所示，包含三个组成部分，每个部分功能相对独立，以实现高功率单频激光实心光斑输出，同时具备对输出光斑进行频率特性检测功能。

其中，波导co2激光器1输出功率接近3w，发射激光束经第一分束器2分为透反比4:1的两束激光，反射光(第二光束)经第三反射镜3和第二分束镜4后，透射光(第四光束)经过光束质量分析仪5作为种子激光模式监测，经过第二分束器4的反射光(第三光束)作为频率检测的参考光束。经第一分束器2的透射光(第一光束)经第四反射镜6、5倍扩束器7、第一反射镜8和第二反射镜9之后，进入激光谐振系统，其中扩束器7的作用主要是实现种子激光与脉冲tea激光谐振系统内输出单横模激光的模式匹配，模式匹配效果直接决定了种子注入锁定概率的高低和稳定性好坏。

经过第二反射镜9反射的种子激光通过密封窗口11入射在tea激光谐振系统的下电极12表面，其中下电极12和上电极13组成19kv～26kv放电电极对，下电极12表面为抛光的金属面，入射激光将会发生散射，导致偏离激光振荡轴线的光束无法充分利用，但由于注入功率较高，只要有一部分种子激光能抑制激光谐振系统内自发辐射，便能形成注入锁定。整个激光谐振系统由凹面反射镜10(反射率高于99％)和凹凸部分反射镜14组成，其中，凹凸部分反射镜14的凸面为70％反射率反射面，凹凸部分反射镜14作为输出耦合光学元件，能获得实心光斑输出，光束发散角接近1mrad，输出光束经过第三分束器15后分为两部分，其中透射光束(第五光束)作为激光有效能量输出，反射光束(第六光束)作为激光脉冲频率检测光束。

经过第三分束器15(透反比9:1)的反射光束经偏振器16与第四分束器17后，入射进入光电探测器19表面，其中经第二分束器4反射的种子激光进入可控衰减器组18后，再经第四分束器17反射后进入光电探测器19，光电探测器19输出电信号进入示波器20实现输出脉冲波形观测和频率稳定性检测。

其中，脉冲波形的光滑程度直接反应激光输出的单频特性，若存在多纵模振荡，则在拍频波形中将出现以纵模间隔频率为基带信号的谐波振荡，而示波器的频率变换功能可实时反演激光器短期或长期的频率稳定特性。

远程激光相干探测对光源频率稳定性要求较高，在实际应用系统中，也需要引入频率检测系统，本发明实施例提供的所述非稳腔单频激光输出装置内自带频率检测系统功能，可简化后续频率检测流程。

需要说明的是，本实施例中不限定每个分束器的透反比以及扩束器的具体扩束倍数。其中，第一分束器2的透反比需要确保种子激光大部分功率透射以后注入到tea激光谐振系统内，以获得更好的模式抑制效果。而扩束器7的倍数是根据种子激光的发散角和tea激光器输出光束模式分布决定的，如果激光谐振系统参数变化，扩束倍数也会变化，以获得更好的模式匹配。因此，分束器的透反比以及扩束器的具体扩束倍数可以根据实际需求进行选定。

本实施例中提供的所述非稳腔单频激光输出装置由三部分组成，分别为种子激光斜向注入系统、激光谐振系统、单频激光输出检测系统。所述激光谐振系统为teaco2激光谐振系统，种子激光斜向注入系统利用连续波导co2输出的单频激光，经过光束模式匹配后注入激光谐振系统下电极表面，利用电极反射信号实现对其他非选择模式的抑制。teaco2激光谐振系统利用凹凸反射镜组合方式，实现非稳腔的透射式输出并获得实心光斑分布。单频激光输出检测系统采用发射种子激光作为本振源与tea脉冲进行混频，从而获得稳定拍频信号，以此作为激光单频运转的频率特性检测手段。

本发明实施例提供的非稳腔单频激光输出装置，能够实现焦耳量级甚至更大能量单频co2激光输出，并且可实现激光实心光斑输出便于使用，端面斜向注入方式有效避免了注入光路隔离问题。另外，该装置可通过改变气体配比进而改变输出脉冲长度，同时可更换激光介质为co2同位素气体，降低输出激光在大气传输中的衰减倍率。具体可实现指标如下：输出能量大于1j、脉冲重复频率达30hz、单频激光谱线宽度优于2mhz、单频激光频率锁定概率优于90％。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。