专利名称：用于激光器非稳谐振腔的波纹输出耦合镜的制作方法
技术领域：
本发明是一种用于激光器非稳谐振腔的输出耦合镜。主要用于各类以非稳腔结构达到提高激光器输出功率、提供高的聚集功率密度为目的的固体或气体激光器。
光学非稳谐振腔原理上能实现大基模体积振荡，但传统的“硬边”腔镜因衍射的影响会造成复杂的腔内模式或影响其模式鉴别力，而输出激光的环状结构将影响激光的可聚功率密度。因此，输出耦合镜是保证光学非稳腔输出高光束质量激光的关键，它应该满足(1)抑制衍射，使其模式在增益介质内具有高填充因子，(2)消除衍射对模式鉴别力的影响，(3)提供谐振腔以最佳的激光耦合，并使输出激光光斑尽可能光滑、以期有高的聚焦功率密度，(4)高的膜层损伤阈值。
目前用于光学非稳腔的输出耦合镜主要有两大类(1)可变反射率镜(VariableReflectivity Mirror)，其中最典型的是超高斯镜(Supergaussian Mirror:SGM)(S. Desilvestri，et al，IEEE J. Quant.Electro.QE-24，No.6，1988(1172))，(2)是仅在中央部分有部分反射的园斑镜(Dot Mirror:DM)(K.Yasui，et al，Appl.Phys.Lett.，52(7)，1988(530);U.S.Patent 5058123)。
第一种SGM因其边缘光滑的反射率变化，能基本消除衍射的影响，从而可提供高填充因子及模式鉴别力，是目前用于光学非稳腔较为有效的一种输出耦合镜，其缺点是制做技术复杂，特别是目前商用SGM的中心反射率R0≤50%腔内损耗较大，限制实现最佳耦合，同时其尺寸不能太小(≥φ3mm)，更为严重的问题是SGM的损伤阈值远比传统膜层低，影响它在高功率激光中的进一步应用。与SGM相比，第二种DM则有更高的损伤阈值，能实现各类激光振荡的最佳耦合，然而DM存在着相当严重的“部分硬边”衍射，其“硬边”程度将会影响增益填充因子和模式鉴别力。
本发明的目的是采用一种本质上属于位相敏感型、中心反射膜区具有波纹状边缘和高损伤阈值的输出耦合镜(Serrated Mirror:SM)，从而达到有效抑制DM的“部分硬边”衍射影响、提供与SGM可比拟的模式鉴别力、并可实现谐振腔最佳耦合输出，进而发展成高光学质量非稳腔的理想输出耦合镜。周时本发明的SM应该比SGM的制做技术简单。
图1是本发明的波纹输出耦合镜SM6的正视图。图中1是镀有反射膜的为中心反射膜区。2是未镀反射膜的边缘不反射区。3是区1和区2的边界线。
图2是以SM为输出耦合镜构成的非稳谐振腔的结构示意图。图中4是曲率半径为R1的全反镜。5是计及热透镜效应的增益介质。6是中心反射率为R0的波纹输出耦合镜。
本发明的波纹输出耦合镜SM是依据Sommerfeld边缘衍射波理论，SM的边缘调制可错乱各Sommerfeld波包的位相、降低各波包间的相干度、减弱因相干产生的光振幅衍射调制，从而消除衍射对模式鉴别力的影响。同时，SM所产生的近场衍射与SGM相同，从而可获得SGM所能提供的高填充因子，得到高光束质量、高功率激光输出。
本发明的SM镜面分为中心反射膜区1和边缘不反射区2，区1和区2的边界线3是被调制成波纹状的。由以中心反射膜区1中心为有缺点的极坐标r(θ)描述，r(θ)≠C(常数)，其中，r(θ)＝c(常数)，为“硬边”，与一般腔镜DM相似，不属本发明范围。r(θ)的形式可以为r(θ)＝[1+αsin(m1θ)sin(mθ)]r0(1)(1)式中，α为调制深度，m1，m为两种尺度调制的周期系数，最好是m《m1，r0为中心反射区1的平均半径，如图1所示。
SM用于激光器谐振腔的输出耦合镜时，为保证输出光的光束质量不劣于SGM，需与谐振腔配合设计，要求在所关心区域(增益介质)的菲涅耳数N位于以下区间|πNα-2.44|≤0.5 (2)由此上式可确定中心反射膜区1的边界线3。SM的制备方式简便，可在选定α、m1、m和r0的情况下，按式(1)制备出中心反射膜区1边界线3被调制成波纹状的模板，用普通的镀膜工艺完成。显然，以这种方式制备的SM的中心反射膜区1的反射率可任意选择，且损伤阈值与普通的镀膜光学元件一致。
本发明SM的优点是其兼具SGM和DM的优点，可抑制衍射、消除衍射对模式鉴别力的影响，实现模式在增益介质内有高填充因子;而SM可用普通的镀膜方式制备，它具有高的膜层损伤阈值，可提供实现谐振腔的最佳耦合激光输出的反射率，使输出光有尽可能高的可聚焦功率密度。SM能发展成可获得高光束质量、高平均功率激光输出的非稳腔激光器的理想输出耦合镜。
实施例以使用SGM为输出耦合镜的非稳腔(V.Magni，etal，Opt.Commun.，94(11)，1992(87))做比较，用SM替代SGM分析SM的作用。以SM为输出耦合镜的谐振腔结构如图2，腔中透镜5表征存在泵浦时的增益介质。具体分析如下(a)腔镜平均半径r0r0应等于SGM镜的斑半径，选取r0＝2mm(b)调制深度αα的选取，应使在增益介质5处能抑制衍射。而该处的菲涅耳数N＝r20λL1≈23,]]>α≈0.033。同时，激光模式在菲涅耳数N为18至28间都能有效地抑制衍射。m和m1的选取有一定的任意性，只需满足m《m1，我们取m＝5，m1＝50。
(c)中央反射率R0R0应使谐振腔尽可能实现最佳耦合。V.Magni所使用的中心反射率R0＝0.5的SGM镜，对应腔损耗为Γ＝1- (R0)/(M2) ＝0.79(非稳腔的几何放大率M＝1.54，对应输出功率186W)，而SGM的中心反射率最大也只能做到R0＝0.5，所以SGM实现的激光输出功率E无法再提高。明显地，在保持同样的M、不改变输出光束质量的前提下，SM的中心反射率R0可以有提高，并能降低损耗，从而可在不改变M的情况下，使R0＝0.71，则Γ＝0.7。按照准连续波运转的激光振荡原理，以r0＝2mm，α＝0.033，R0＝0.71，m＝5，m1＝50的SM为输出耦合镜，可获得218W的激光输出。该激光输出的光束质量与采用SGM为输出耦合镜的激光输出相同，而输出功率提高了17%。
权利要求
1.一种用于激光器非稳谐振腔的波纹输出耦合镜，镜面上分为中心反射膜区(1)和边缘不反射区(2)，其特征在于中心反射膜区(1)与边缘不反射区(2)的边界线(3)是被调制成波纹状的，也就是由中心反射膜区(1)的中心为原点的极坐标r(θ)≠C(C为常数)。
2.依照权利要求1所述的一种用于激光器非稳谐振腔的波纹输出耦合镜，其特征在于由中心反射膜区(1)的中心为原点的极坐标r(θ)的形式可以是r(θ)＝[1+αsin(m1θ)sin(mθ)]r0……………… (1)|πNα-2.44|≤0.5 ……………… (2)(1)式中，α为调制深度、m1、m为两种尺度调制的周期系数，最好是m《m1，r0为中心反射膜区(1)的平均半径，(2)式中N为菲涅耳数。
全文摘要
本发明是一种用于激光器非稳谐振腔的波纹输出耦合镜(SM)。主要适用各类以非稳腔结构的固体或气体激光器。耦合镜的镜面分为中心反射膜区和边缘不反射区。两区之间的边界线是被调制的波纹状。本发明的耦合镜SM兼具有超高斯镜(SGM)和圆斑镜(DM)的优点，可抑制衍射，消除衍射对模式鉴别力的影响，实现模式在增益介质内有高填充因子，制备方式简单，是能够获得高光束质量，高平均功率激光输出的非稳腔激光器的理想输出耦合镜。
文档编号H01S3/034GK1097264SQ9411209
公开日1995年1月11日 申请日期1994年3月31日 优先权日1994年3月31日
发明者钱列加, 张筑虹, 朱宝强, 詹庭宇, 范滇元 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所