一种匀化光斑的复合腔

本发明属于脉冲激光，特别涉及一种匀化光斑的复合腔。

背景技术：

1、高光束质量大能量脉冲激光器在科学研究、非线性频率变换、工业加工方面都有着非常重要的应用。调q技术是获得大能量脉冲激光的最常用技术，使用调q技术可以实现脉冲宽度在百皮秒至百纳秒的脉冲激光输出，脉冲重复频率从几khz到数百khz。调q技术的应用，使人们能够获得峰值功率在兆瓦以上量级的激光脉冲，使激光成为非常强的相干光源，并由此产生了非线性光学等新的光学分支，同时，也推动了诸如激光雷达、激光测距、高速摄影、核聚变等应用技术的发展。

2、固体脉冲激光器的泵浦方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，激光晶体的形状主要有棒状、板条、盘片三种。侧面泵浦结构的优点在于通过简单的结构就能将高功率泵浦辐射耦合进激光介质从而实现高功率激光输出；相较于侧面泵浦的板条增益介质，侧面泵浦棒状增益介质具有冷却结构简单且价格低廉的优势。因此，侧面泵浦激光模块是获得大能量脉冲激光的重要研究手段。但是由于棒状晶体的冷却结构及晶体径向产热的不同，导致晶体棒沿径向热焦距不同，进而影响最终的光束质量。传统非稳腔，在晶体棒外边缘谐振次数相对少，能量提取不够充分。而且谐振腔通常存在阈值，低于阈值部分的能量无法提取。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种匀化光斑的复合腔，以解决现有侧面泵浦激光模块由于棒状晶体的冷却结构及晶体径向产热的不同，导致晶体棒沿径向热焦距不同，进而影响最终的光束质量的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种匀化光斑的复合腔，包括沿光路依次设置的凹面锥形镜、激光模块、电光调q装置及高斯镜，其中高斯镜为凹凸锥形输出镜，凹面锥形镜和高斯镜之间构成中心具有固定放大率的正支共焦非稳腔和外围是行波放大区域的复合腔。

4、所述凹面锥形镜包括位于前表面的凹面镜ⅰ及设置于凹面镜ⅰ外围的环形锥面镜ⅰ；

5、所述高斯镜包括位于中心的曲率区域及设置于曲率区域外围的环形锥面镜ⅱ，其中曲率区域包括平行设置的凸面镜和凹面镜ⅱ；

6、所述凹面锥形镜的凹面镜ⅰ与所述高斯镜的曲率区域组成所述正支共焦非稳腔；环形锥面镜ⅰ与环形锥面镜ⅱ之间形成所述行波放大区域。

7、所述激光模块为侧泵激光结构，且中心为激光晶体棒，激光在所述复合腔中振荡，从激光晶体棒的中心区域开始扩大至波放大区域后，光束口径均匀地变大，直至充满整个激光晶体棒，最终由高斯镜输出大脉冲能量、高光束质量的脉冲激光。

8、所述激光晶体棒为掺杂nd离子的晶体、玻璃或陶瓷；或者掺杂yb离子的晶体、玻璃或陶瓷；或者掺杂er离子的晶体、玻璃或陶瓷；或者掺杂tm离子的晶体、玻璃或陶瓷等。

9、所述掺杂nd离子的晶体为掺钕钇铝石榴石、掺钕钒酸钇、掺钕钆鎵石榴石、掺钕氟化钇锂、掺钕铝酸钇或掺钕氟磷酸锶。

10、所述激光晶体棒的直径为d，将所述激光晶体棒沿直径方向均匀地分成m个同心环，最中间的圆直径为d1，且最中间的圆直径与所述高斯镜的曲率区域的宽度相等；第二圆环直径为d2＝d1+(d-d1)/(m-1)，第n圆环直径为dn＝d1+(d-d1)·n/(m-1)，满足：d-d1＝d1·(m-1)·m，其中m、n为≥2的整数，且m≥n，m为正支共焦非稳腔的固定放大率。

11、所述凸面镜和凹面镜ⅱ相同位置的曲率半径大小相等，均为r1；所述凸面镜和凹面镜ⅱ的曲率边缘距中心点垂直距离为d1/2，所述环形锥面镜ⅱ与所述凸面镜和凹面镜ⅱ的曲率边缘的曲面法线垂直，此时光线入射角为θ，且tanθ＝d1/r1。

12、所述凹面锥形镜为高反镜，且后表面为平面镜，所述凹面镜ⅰ所在镜面镀有对激光波长高反的介质膜；

13、所述凹面镜ⅰ的曲率半径大小为r2，曲率边缘距中心点垂直距离为m·d1/2；所述环形锥面镜ⅰ与所述凹面镜ⅰ边缘的曲面法线垂直，所述环形锥面镜ⅰ上光线的入射角为θ，且tanθ＝d1/r1。

14、所述高斯镜的凹面所在镜面镀有对激光波长渐变反射率的介质膜，反射率r(w)＝rmax·exp[-2·(w/wm)2]，其中，w为高斯镜上径向的位置，中心峰值反射率为rmax，宽度为wm，凸面镜所在镜面镀有对激光波长增透的介质膜。

15、所述电光调q装置包括沿光路依次设置的偏振片、四分之一波片及普克尔盒，所述电光调q装置用于实现纳秒级脉宽的脉冲激光输出。

16、本发明的优点及有益效果是：本发明提供的一种匀化光斑的复合腔，可获得高光束质量大能量脉冲的激光，具有光束质量高、效率高、结构简单、可放大性好、使用可靠等特点，可以被广泛地使用在科学研究、非线性频率变换、工业加工等领域。

17、本发明为了解决现有侧泵激光模块脉冲激光输出光束质量较差较低、能量较低等的问题，采用匀化光斑的复合腔结构，可以更好地匀化晶体棒的热不均匀性；通过将凹面锥形镜与高斯镜结合时的几何损耗降低至基本忽略。复合腔结构的中心使用放大率固定的非稳腔结构，外圈使用锥形镜进行平行放大，所以本发明可以等效成中心谐振，外圈放大，类似于振放方式，外边缘也是经过双层提取，所以能量提取效率较高。所以能量提取效率较高，增加了腔的稳定性，使得具有该复合腔结构的激光器具有结构简单、光束质量好、效率高、输出能量较高等特点。

18、本发明的高斯镜中心区域口径(d1)、放大率(m)与晶体棒口径(d)共同决定了放大部分每个周期光斑放大的尺寸(d1·(m-1)/2)和周期数m，且满足：d-d1＝d1·(m-1)·m，其中m为≥2的整数。每个周期放大的尺寸较小、周期数较大时，可以更好地提取能量，以及匀化整个晶体的热透镜效应。

技术特征：

1.一种匀化光斑的复合腔，其特征在于，包括沿光路依次设置的凹面锥形镜(1)、激光模块(2)、电光调q装置及高斯镜(6)，其中高斯镜(6)为凹凸锥形输出镜，凹面锥形镜(1)和高斯镜(6)之间构成中心具有固定放大率的正支共焦非稳腔和外围是行波放大区域的复合腔。

2.根据权利要求1所述的匀化光斑的复合腔，其特征在于，所述凹面锥形镜(1)包括位于前表面的凹面镜ⅰ(11)及设置于凹面镜ⅰ(11)外围的环形锥面镜ⅰ(12)；

3.根据权利要求1所述的匀化光斑的复合腔，其特征在于，所述激光模块(2)为侧泵激光结构，且中心为激光晶体棒(21)，激光在所述复合腔中振荡，从激光晶体棒(21)的中心区域开始扩大至波放大区域后，光束口径均匀地变大，直至充满整个激光晶体棒(21)，最终由高斯镜(6)输出大脉冲能量、高光束质量的脉冲激光。

4.根据权利要求3所述的匀化光斑的复合腔，其特征在于，所述激光晶体棒(21)为掺杂nd离子的晶体、玻璃或陶瓷；或者掺杂yb离子的晶体、玻璃或陶瓷；或者掺杂er离子的晶体、玻璃或陶瓷；或者掺杂tm离子的晶体、玻璃或陶瓷等。

5.根据权利要求4所述的匀化光斑的复合腔，其特征在于，所述掺杂nd离子的晶体为掺钕钇铝石榴石、掺钕钒酸钇、掺钕钆鎵石榴石、掺钕氟化钇锂、掺钕铝酸钇或掺钕氟磷酸锶。

6.根据权利要求3所述的匀化光斑的复合腔，其特征在于，所述激光晶体棒(21)的直径为d，将所述激光晶体棒(21)沿直径方向均匀地分成m个同心环，最中间的圆直径为d1，且最中间的圆直径与所述高斯镜(6)的曲率区域的宽度相等；第二圆环直径为d2＝d1+(d-d1)/(m-1)，第n圆环直径为dn＝d1+(d-d1)·n/(m-1)，满足：d-d1＝d1·(m-1)·m，其中m、n为≥2的整数，且m≥n，m为正支共焦非稳腔的固定放大率。

7.根据权利要求2所述的匀化光斑的复合腔，其特征在于，所述凸面镜(61)和凹面镜ⅱ(63)相同位置的曲率半径大小相等，均为r1；所述凸面镜(61)和凹面镜ⅱ(63)的曲率边缘距中心点垂直距离为d1/2，所述环形锥面镜ⅱ(62)与所述凸面镜(61)和凹面镜ⅱ(63)的曲率边缘的曲面法线垂直，此时光线入射角为θ，且tanθ＝d1/r1。

8.根据权利要求2所述的匀化光斑的复合腔，其特征在于，所述凹面锥形镜(1)为高反镜，且后表面为平面镜(13)，所述凹面镜ⅰ(11)所在镜面镀有对激光波长高反的介质膜；

9.根据权利要求4所述的匀化光斑的复合腔，其特征在于，所述高斯镜(6)的凹面所在镜面镀有对激光波长渐变反射率的介质膜，反射率r(w)＝rmax·exp[-2·(w/wm)2]，其中，w为高斯镜上径向的位置，中心峰值反射率为rmax，宽度为wm，凸面镜(61)所在镜面镀有对激光波长增透的介质膜。

10.根据权利要求1所述的匀化光斑的复合腔，其特征在于，所述电光调q装置包括沿光路依次设置的偏振片(3)、四分之一波片(4)及普克尔盒(5)，所述电光调q装置用于实现纳秒级脉宽的脉冲激光输出。

技术总结
本发明属于脉冲激光技术领域，特别涉及一种匀化光斑的复合腔。包括沿光路依次设置的凹面锥形镜、激光模块、电光调Q装置及高斯镜，其中高斯镜为凹凸锥形输出镜，凹面锥形镜和高斯镜之间构成中心具有固定放大率的正支共焦非稳腔和外围是行波放大区域的复合腔。本发明通过将凹面锥形镜与高斯镜结合时的几何损耗降低至基本忽略，复合腔结构的中心使用放大率固定的非稳腔结构，外圈使用锥形镜进行平行放大，所以本发明可以等效成中心谐振，外圈放大，能量提取效率较高，增加了腔的稳定性，使得具有该复合腔结构的激光器具有结构简单、光束质量好、效率高、输出能量较高等特点。

技术研发人员：陈莹,郭敬为,刘金波,王鹏远
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12