一種輸出實心光束的激光非穩(wěn)腔制造技術(shù)

本實用新型專利技術(shù)公開了一種輸出實心光束的激光非穩(wěn)腔，包括：包含相對布置的凸面鏡和凹面鏡的激光器本體；設(shè)置在凸面鏡和凹面鏡之間的內(nèi)圓錐面環(huán)形反射鏡，其反射鏡面為呈向內(nèi)凹陷的圓錐面形，且該反射鏡的鏡體為中空的環(huán)形體；和設(shè)置在非穩(wěn)腔的光軸下方，并與所述內(nèi)圓錐面環(huán)形反射鏡相對放置的外圓錐面反射鏡，其中該外圓錐面反射鏡的反射鏡面呈向外凸起的圓錐面形，其反射鏡面中心Q與環(huán)形反射鏡鏡面中心P的連線與所述非穩(wěn)腔的光軸垂直。本實用新型專利技術(shù)還公開了上述激光非穩(wěn)腔的應(yīng)用。本實用新型專利技術(shù)的裝置和方法能夠利用反射光學(xué)元件實現(xiàn)對非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束的變換，獲得圓形實心光束輸出；并且所提供的裝置結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定。（*該技術(shù)在2022年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)屬于高功率激光器
，特別涉及一種基于腔外光束整形技術(shù)輸出實心光束的激光非穩(wěn)腔及其應(yīng)用。
技術(shù)介紹
具有高光束質(zhì)量的高功率激光器在工業(yè)和軍事應(yīng)用領(lǐng)域都有非常重要的應(yīng)用前景。對于高功率激光器而言，最重要的是如何獲得盡可能大的模體積和良好的橫模鑒別能力，以實現(xiàn)高功率單模運轉(zhuǎn)，從而既能從激活介質(zhì)中高效率的提取能量，又能保持高光束質(zhì)量的激光輸出。為了獲得高功率的激光輸出，往往需要采用大體積與大橫向尺寸的激活介質(zhì)，以保證腔內(nèi)光學(xué)元件在不受激光損傷的前提下，實現(xiàn)高功率的激光輸出。穩(wěn)定腔只能在光軸中心附近區(qū)域獲得運轉(zhuǎn)在基模(TEMtltl模)的近衍射極限的高斯 光束，其模體積有限，并不適合于高功率激光器。對具有大體積與大橫向尺寸激活介質(zhì)的激光器，一般米用非穩(wěn)腔技術(shù)獲得單橫模輸出。但是常規(guī)非穩(wěn)腔激光器的耦合輸出為環(huán)形光斑結(jié)構(gòu)，將這種環(huán)形空心光束聚焦后，其焦斑中心處的功率密度將比具有相同功率和光斑尺寸的實心光束低許多；同樣地，該環(huán)形空心光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角也將遠(yuǎn)高于衍射極限，最終限制了它的應(yīng)用。為了消除常規(guī)非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束的中央暗斑，人們提出了許多不同的方法，以期實現(xiàn)從大體積激活介質(zhì)中提取接近衍射極限的高能激光束。最具代表性的當(dāng)屬變反射率鏡(常見的包括高斯型、超高斯型、拋物線型等)非穩(wěn)腔與90°束旋轉(zhuǎn)環(huán)形非穩(wěn)腔(Unstable Resonator with 90°Beam Rotation)。采用變反射率鏡作為輸出耦合鏡的非穩(wěn)腔，在理論上可以達(dá)到近衍射極限的高能激光束輸出。但對高功率激光器而言，制作高損傷閾值的變反射率介質(zhì)薄膜是非常困難的；并且不同的介質(zhì)薄膜厚度也會引起輸出光束的相位畸變，因此變反射率輸出耦合鏡在實際應(yīng)用上具有一定的局限性。美國空軍武器實驗室A. H. Paxton等人在《Applied Optics》1986年第25卷第17期《Unstable resonators with 90°beam rotation)) 一文中提出了一種 90° 束旋轉(zhuǎn)環(huán)形非穩(wěn)腔，該腔由于利用了光束旋轉(zhuǎn)技術(shù)能夠?qū)せ罱橘|(zhì)的不均勻性以及鏡面的象差進(jìn)行平均化，從而獲得高光束質(zhì)量的矩形全斑激光束輸出。但由于該腔的輸出I禹合鏡為刀口，輸出光束為實心矩形，在強(qiáng)紅外激光傳輸中，只能采用斜軸形反射望遠(yuǎn)鏡發(fā)射；而斜軸反射望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計難度大，造價昂貴。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本技術(shù)的目的是提供一種輸出實心光束的的激光非穩(wěn)腔，基于光學(xué)元件對光束進(jìn)行重構(gòu)整形，使普通非穩(wěn)腔輸出環(huán)形光束的中心部分重構(gòu)成為實心光束。實現(xiàn)本技術(shù)該目的所采用的技術(shù)方案如下一種可輸出實心光束的激光非穩(wěn)腔，包括激光器本體，其包含由凸面鏡和凹面鏡相對布置構(gòu)成的正支虛共焦非穩(wěn)腔，該凸面鏡和凹面鏡的中心連線形成非穩(wěn)腔的光軸；內(nèi)圓錐面環(huán)形反射鏡，其設(shè)置在激光器本體內(nèi)，并位于所述凸面鏡和凹面鏡之間，該內(nèi)圓錐面環(huán)形反射鏡的反射鏡面呈向內(nèi)凹陷的圓錐面形，且該反射鏡的鏡體為中空的環(huán)形體；和外圓錐面反射鏡，其設(shè)置在非穩(wěn)腔的光軸下方，并與所述內(nèi)圓錐面環(huán)形反射鏡相對放置，其中該外圓錐面反射鏡的反射鏡面呈向外凸起的圓錐面形，其反射鏡面中心點與環(huán)形反射鏡鏡面中心點的連線與所述非穩(wěn)腔的光軸垂直；其特征在于，經(jīng)所述凹面鏡反射的光束一部分穿過反射鏡的中空鏡體后傳輸?shù)酵姑骁R上，以繼續(xù)振蕩，另一部分入射到內(nèi)圓錐面環(huán)形反射鏡的反射鏡面上，并反射到所述外 圓錐面反射鏡的反射鏡面上，通過調(diào)節(jié)所述內(nèi)圓錐面環(huán)形反射鏡與外圓錐面反射鏡沿兩中心點連線方向上的相對距離至合適大小，即可實現(xiàn)從所述外圓錐面反射鏡的反射鏡面上輸出實心光束。作為本技術(shù)的改進(jìn)，所述內(nèi)圓錐面環(huán)形反射鏡的反射鏡面與外圓錐面反射鏡的反射鏡面具有相同的軸截面頂角，且為鈍角。作為本技術(shù)的改進(jìn)，所述內(nèi)圓錐面環(huán)形反射鏡與所述外圓錐面反射鏡的旋轉(zhuǎn)對稱軸均與所述非穩(wěn)腔的光軸成45°夾角。作為本技術(shù)的改進(jìn)，所述的內(nèi)圓錐面環(huán)形反射鏡的底部開有第一環(huán)形冷卻水槽，帶有進(jìn)水口和出水口的環(huán)形水槽蓋板蓋在該第一環(huán)形冷卻水槽上，并與所述內(nèi)圓錐面環(huán)形反射鏡的底部密封連接。作為本技術(shù)的改進(jìn)，所述的外圓錐面反射鏡的后部開有第二環(huán)形冷卻水槽，帶有進(jìn)水口和出水口的圓形水槽蓋板蓋在該第二環(huán)形冷卻水槽上，并與所述外圓錐面反射鏡的底部密封連接。實現(xiàn)本技術(shù)該目的所采用的另一技術(shù)方案如下一種可輸出實心光束的激光非穩(wěn)腔，包括激光器本體，其包含由凸面鏡和凹面鏡相對布置構(gòu)成的正支虛共焦非穩(wěn)腔，該凸面鏡和凹面鏡的中心連線形成非穩(wěn)腔的光軸；外圓錐面透鏡，其設(shè)置在激光器本體外，并位于所述凸面鏡后方，該外圓錐面透鏡鏡體呈柱狀，鏡體一端端面為平面，另一端端面呈向外凸出的圓錐面，其旋轉(zhuǎn)對稱軸與非穩(wěn)腔的光軸在同一直線上；和內(nèi)圓錐面透鏡，其同軸設(shè)置在外圓錐面透鏡后方，該內(nèi)圓錐面透鏡呈柱狀體，面向外圓錐面透鏡的端面呈向內(nèi)凹陷的圓錐面形，另一端面為平面，該內(nèi)圓錐面透鏡的旋轉(zhuǎn)對稱軸與非穩(wěn)腔的光軸在同一直線上，經(jīng)所述外圓錐面透鏡折射后的光束射入到該內(nèi)圓錐面透鏡的向內(nèi)凹陷的圓錐面上，透射后通過另一端的平面端面射出；其特征在于，光束由凹面鏡向外反射時，一部分反射到凸面鏡上在諧振腔內(nèi)繼續(xù)震蕩，另一部分平行射到凸面鏡后面的外圓錐面透鏡的平面端上，經(jīng)透射至另一端的圓錐面端并折射后向光軸方向折射，折射的光束射入到內(nèi)圓錐面透鏡的向內(nèi)凹陷的圓錐面上，通過調(diào)節(jié)內(nèi)圓錐面透鏡在非穩(wěn)腔的光軸方向上與外圓錐面透鏡的距離至合適大小，即可使得經(jīng)該內(nèi)圓錐面透鏡透射至另一端的平面端面時，出射的光束為實心光束。作為本技術(shù)的改進(jìn)，所述外圓錐面透鏡與所述內(nèi)圓錐面透鏡的圓錐面具有相同的臨界角C。作為本技術(shù)的改進(jìn)，所述外圓錐面透鏡端面的圓錐面與該內(nèi)圓錐面透鏡的圓錐面具有相同的軸截面頂角Θ'，且180° -2c〈Θ' 〈180°。本技術(shù)將非穩(wěn)腔輸出的環(huán)形空心光束，通過具有一定角度的內(nèi)(或外)圓錐面鏡的作用，使光束逐漸向激光束的光軸位置集中；然后利用與所述內(nèi)(或外)圓錐面鏡具有相同軸截面頂角的外(或內(nèi))圓錐面鏡對集中于激光束光軸附近的光束進(jìn)行重新導(dǎo)向，以獲得沿光軸方向傳輸?shù)墓馐敵觯⑼ㄟ^對內(nèi)(或外)圓錐面鏡與外(或內(nèi))圓錐面鏡沿光軸方向的相對位置進(jìn)行精密調(diào)節(jié)，實現(xiàn)沿光軸方向傳輸?shù)膱A形實心整形光束輸出。本技術(shù)利用兩圓柱形圓錐面鏡，對光束光路分別進(jìn)行兩次調(diào)整。其中，每一圓柱形圓錐面鏡均有一端面為圓錐面，且兩圓錐面具有相同的軸截面頂角。兩圓柱形圓錐面鏡可為反射鏡，也可為透鏡。當(dāng)其作反射鏡時，兩圓柱形圓錐面鏡為中空環(huán)形體，兩圓錐面頂點連線與光軸垂直；當(dāng)其作透鏡時，兩圓柱形圓錐面鏡為圓柱體形，兩圓錐面頂點連線與 光軸在同一直線上。當(dāng)兩圓柱形圓錐面鏡為反射鏡時，第一鏡的前端面為內(nèi)圓錐面，第二鏡的后端面為外圓錐面鏡；當(dāng)兩圓柱形圓錐面鏡為透鏡時，第一鏡的前端面為平面，后端面為外圓錐面，第二鏡的前端面為外圓錐面，后端面為平面。具體實施原理如下(I)利用內(nèi)(或外)圓錐面鏡對非穩(wěn)腔激光器輸出的中空空心光束進(jìn)行向心導(dǎo)向，使之向激光束的中心光軸集中；(2)利用外(或內(nèi))錐面鏡對上述集中于激光束光軸附近的光束進(jìn)行重新導(dǎo)向，獲得沿光軸方向傳輸?shù)恼喂馐敵觯?3)對兩圓錐面鏡沿光軸方向的相對位置進(jìn)行精密調(diào)節(jié)，獲得沿光軸方向傳輸?shù)膱A形實心整形本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種可輸出實心光束的激光非穩(wěn)腔，包括：激光器本體（1），其包含由凸面鏡（4）和凹面鏡（3）相對布置構(gòu)成的正支虛共焦非穩(wěn)腔，該凸面鏡（4）和凹面鏡（3）的中心連線形成非穩(wěn)腔的光軸；內(nèi)圓錐面環(huán)形反射鏡（501），其設(shè)置在激光器本體（1）內(nèi)，并位于所述凸面鏡（4）和凹面鏡（3）之間，該內(nèi)圓錐面環(huán)形反射鏡（501）的反射鏡面呈向內(nèi)凹陷的圓錐面形，且該反射鏡（501）的鏡體為中空的環(huán)形體；和外圓錐面反射鏡（601），其設(shè)置在非穩(wěn)腔的光軸下方，并與所述內(nèi)圓錐面環(huán)形反射鏡（501）相對放置，其中該外圓錐面反射鏡（601）的反射鏡面呈向外凸起的圓錐面形，其反射鏡面中心點（Q）與環(huán)形反射鏡（501）鏡面中心點（P）的連線與所述非穩(wěn)腔的光軸垂直；其特征在于，經(jīng)所述凹面鏡（3）反射的光束一部分穿過反射鏡（501）的中空鏡體后傳輸?shù)酵姑骁R（4）上，以繼續(xù)振蕩，另一部分入射到內(nèi)圓錐面環(huán)形反射鏡（501）的反射鏡面上，并反射到所述外圓錐面反射鏡（601）的反射鏡面上，通過調(diào)節(jié)所述內(nèi)圓錐面環(huán)形反射鏡（501）與外圓錐面反射鏡（601）沿兩中心點連線（PQ）方向上的相對距離至合適大小，即可實現(xiàn)從所述外圓錐面反射鏡（601）的反射鏡面上輸出實心光束。...

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳培鋒，王英，羅曦，
申請(專利權(quán))人：華中科技大學(xué)，
類型：實用新型
國別省市：