專利名稱：高功率橫流二氧化碳激光器兩鏡選模腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬二氧化碳(CO2)激光器，是一種高功率橫流CO2激光器的兩鏡選模腔，是對中國專利CN85104370.4(以下簡稱專利1)高功率橫流CO2激光選模腔的改進(jìn)。
專利1公布的是一種兩球鏡選模腔，即構(gòu)成激光腔的激光反射鏡和激光耦合鏡均為球面鏡，激光反射鏡是球面反射鏡，激光耦合鏡為雙球面的凹凸透鏡。其優(yōu)點(diǎn)是選模特性好，光電轉(zhuǎn)換效率高，易于獲得高功率激光輸出，而且腔型結(jié)構(gòu)簡便，不受增益系數(shù)和增益長度限制，調(diào)整容限寬等，但是它的模體積近似錐形分布，光腰位于腔外，盡管全反射鏡和激光耦合窗口上的光斑尺寸較大，但光腰尺寸較小，因而光束發(fā)散角較大。
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種兩鏡選模腔，它具有盡可能大的基?；虻碗A模的模體積，同時又具有盡可能大的光腰尺寸，從而獲得盡可能小的光束發(fā)散角。
本發(fā)明的技術(shù)方案如

圖1所示由球面全反射鏡1和激光耦合鏡3構(gòu)成，其改進(jìn)是所說的激光耦合鏡是內(nèi)、外表面具有不同曲率半徑的薄透鏡，其內(nèi)表面(朝激光腔內(nèi))2為振蕩面，一般需鍍增反膜，外表面4鍍?nèi)改?，以保證不參與振蕩。內(nèi)表面的曲率半徑R2和外表面4的曲率半徑R4有下列關(guān)系R4＝ (n-1)/(n) R2(1)
式中n為激光耦合鏡的折射率。
理論分析表明，對一腔長為L的兩鏡腔(專利1)，如果全反射鏡1的曲率半徑為R1(凹面)，激光耦合鏡2的曲率半徑為R2(凸鏡)的情況下，全反射鏡1、激光耦合鏡2上的TEM00模光斑尺寸(半徑)W1，W2及光腰尺寸W0和光束發(fā)散角θ(半角)分別為W12=Lλπg1g2(1-g1g2)---(2)]]>W22=Lλπg2g1(1-g1g2)---(3)]]>W02=Lλπg1g2(1-g1g2)(g1+g2-2g1g2)2---(4)]]>θ=λπW0---(5)]]>上式中，λ為激光波長，L為腔長，g1＝1-L/R1，1為凹鏡，R1取正值，g2＝1+L/R2，2為凸鏡，R2取正值，由式(2)、(3)可知，當(dāng)g1g2趨于1時，兩腔鏡1和2上的TEM00模的光斑尺寸W1和W2趨于無窮大，即此種腔形可獲得大的基?；虻碗A模模體積。由公式(4)和(5)可知，當(dāng)g1g2趨于1時，光腰尺寸W0趨于零，光束發(fā)散角θ趨于無窮大，這就是專利1的情形。如圖1中虛線表示的，光腰在腔外，光腰尺寸W0較小。
理論計(jì)算同樣表明如果按本發(fā)明來選擇激光耦合鏡3，使其內(nèi)、外表面的曲率半徑滿足R4＝ (n-1)/(n) R2，它等效于一高斯光束變換透鏡，實(shí)際輸出激光束的光腰尺寸W0’≡W1。而不再是原光腰尺寸W0由公式(2)可見，當(dāng)g1g2趨于1時，W1比W0大得多，由光束發(fā)散角反比于光腰尺寸可知，實(shí)際輸出的激光束的方向性比專利1的情況好得多。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明的光學(xué)原理圖。
圖2是采用本發(fā)明的激光器燒蝕有機(jī)玻璃的花樣。
圖中1為球面全反射鏡，曲率半徑為R1，腔長L，3為激光耦合鏡，內(nèi)表面2的曲率半徑為R2，外表面4的曲率半徑R4＝ (n-1)/(n) R2，n是其折射率。
在實(shí)際選擇參數(shù)時，全反射鏡曲率半徑R2應(yīng)大于腔長L的3倍，g1g2在0.85～1之間選取。
對于高功率CO2激光器而言，全反射鏡為銅質(zhì)基底鍍金鏡，在適當(dāng)冷卻條件下，其變形可忽略不計(jì)。而激光耦合鏡內(nèi)、外表面的曲率半徑R2、R4的實(shí)際值與諸多因素有關(guān)，包括原設(shè)計(jì)曲率半徑、激光功率及功率密度、基底及膜層吸收率、透過率、冷卻條件、支撐工況、大氣壓力等。為了獲得好的光束發(fā)散角，R2和R4的取值應(yīng)為激光器正常輸出時激光耦合鏡內(nèi)、外表面曲率半徑的實(shí)際值，可由理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確定。
實(shí)施例腔長L＝320cm，R1＝1500cm，激光耦合鏡的折射率n＝2.4，內(nèi)表面2的R2＝-1200cm，鍍60%增反膜，外表面4的R4＝-700cm(即內(nèi)表面2和外表面4的球心處于同一方向)，外表面鍍?nèi)改?，在此情況下，獲得了光束發(fā)散角為1.48毫弧度(含80%總能量)的3千瓦激光準(zhǔn)單模輸出。其近場和遠(yuǎn)場(聚焦)燒蝕有機(jī)玻璃花樣如圖2所示，左圖為近場花樣，右圖為遠(yuǎn)場聚焦花樣。
權(quán)利要求
1.高功率橫流CO2激光器兩鏡選模腔，由球面全反射鏡1和激光耦合鏡3組成，其特征在于所說的激光耦合鏡3為薄透鏡，其內(nèi)表面2為振蕩面，一般需鍍增反膜，外表面4鍍?nèi)改?，而且?nèi)表面的曲率半徑R2和外表面的曲率半徑R4有關(guān)系式為R4= (n-1)/(n) R2式中n為激光耦合鏡的折射率。
2.按照權(quán)利要求1的兩鏡選模腔，其特征在于所說的全反射鏡1的曲率半徑R1與腔長L之比R1/L＞3，且g1·g2＝0.85～1
3.按照權(quán)利要求1或2的兩鏡選模腔，其特征在于所說的激光耦合鏡的內(nèi)、外表面的曲率半徑取為激光器工作的實(shí)際值。
全文摘要
高功率橫流CO
文檔編號H01S3/08GK1064554SQ9110733
公開日1992年9月16日 申請日期1991年2月27日 優(yōu)先權(quán)日1991年2月27日
發(fā)明者奚全新, 程兆谷, 王潤文 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所