一種復(fù)曲面反射鏡非穩(wěn)波導(dǎo)混合型激光器諧振腔的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種復(fù)曲面反射鏡非穩(wěn)波導(dǎo)混合型激光諧振腔，包括反射鏡、放電極板和輸出鏡；反射鏡和輸出鏡均為復(fù)曲面反射鏡，所述復(fù)曲面反射鏡的復(fù)曲面在非穩(wěn)方向上的曲線形狀為拋物線，在波導(dǎo)方向上的曲線形狀為圓弧。本發(fā)明具有模式體積大，輸出功率高的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)利用增加反射鏡面與工作介質(zhì)橫向?qū)挾忍岣吖β实姆桨?，有效避免了其中一?cè)反射鏡漏光，可以用于中、高功率氣體激光器。本發(fā)明在非穩(wěn)方向大尺寸鏡面情況下輸出光束仍具有很好的模式鑒別特性，能夠減小鏡面加工誤差和熱形變?cè)斐傻挠绊懀行П苊飧唠A模式輸出，提供更大的設(shè)計(jì)余量。
【專利說(shuō)明】
一種復(fù)曲面反射鏡非穩(wěn)波導(dǎo)混合型激光器諧振腔
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于激光器諧振腔領(lǐng)域，更具體地，涉及一種復(fù)曲面反射鏡非穩(wěn)波導(dǎo)混合 型激光器諧振腔。
【背景技術(shù)】
[0002] 在激光加工領(lǐng)域，特別是切割、焊接方面，都希望實(shí)現(xiàn)高功率高光束質(zhì)量的基模輸 出。諧振腔技術(shù)是高功率激光器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，常用的激光器諧振腔有穩(wěn)定腔和非穩(wěn)腔。
[0003] 在穩(wěn)定腔中，通常采用的孔徑光闌選模方式在實(shí)現(xiàn)基模輸出的同時(shí)限制了模式截 面積，增益介質(zhì)利用率不高，從而只有采用折疊腔等增加腔長(zhǎng)的方式獲得高功率，這同時(shí)也 帶來(lái)了體積較大、制造復(fù)雜和穩(wěn)定性不好等問(wèn)題。非穩(wěn)腔內(nèi)光束的振蕩形式為近似平面波 和發(fā)散的球面波并從腔鏡側(cè)面耦合輸出，這些波形能夠覆蓋大部分增益介質(zhì)，同時(shí)腔內(nèi)模 式之間的衍射損耗相差很大，容易實(shí)現(xiàn)基模輸出。無(wú)論是采用穩(wěn)定腔還是非穩(wěn)腔，由于技術(shù) 上思路上采用增加腔長(zhǎng)使光束經(jīng)過(guò)更多的增益區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)高功率輸出，這樣光束也就在諧 振腔的傍軸區(qū)域傳輸，反射鏡采用的是球面鏡。
[0004] 激光器在栗浦過(guò)程中的散熱一直是激光器設(shè)計(jì)中必須重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。橫流⑶2 激光器與軸快流CO2激光器諧振腔中的工作氣體都需要通過(guò)傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)加速工作氣體流動(dòng) 并與散熱裝置進(jìn)行熱量交換來(lái)進(jìn)行冷卻，這會(huì)導(dǎo)致激光器體積非常龐大。作為一種新型諧 振腔，非穩(wěn)波導(dǎo)混合腔的出現(xiàn)使得放電電極在提供栗浦激勵(lì)和引導(dǎo)光束沿電極內(nèi)表面?zhèn)鬏?的同時(shí)能夠利用電極內(nèi)部水冷溝道對(duì)氣體進(jìn)行冷卻，氣體不再需要流動(dòng)，從而使得結(jié)構(gòu)緊 湊型氣體激光器的發(fā)展成為現(xiàn)實(shí)。該諧振腔在相互垂直的兩個(gè)方向分別為非穩(wěn)腔和波導(dǎo) 腔，傍軸情況下該腔型在非穩(wěn)方向能夠提供大的模式體積和良好的模式鑒別特性，在波導(dǎo) 方向能夠提供接近衍射極限的光束輸出。但通過(guò)進(jìn)一步增加極板寬度，使非穩(wěn)方向工作在 非傍軸區(qū)域時(shí)，傳統(tǒng)球面鏡的使用將導(dǎo)致尾鏡的漏光和輸出模式的不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種復(fù)曲面反射鏡非穩(wěn)波導(dǎo) 混合型激光諧振腔，該激光器諧振腔模式體積大、輸出功率高、能夠用于寬度較大情況的反 射鏡面和工作介質(zhì)。
[0006] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
[0007] -種復(fù)曲面反射鏡非穩(wěn)波導(dǎo)混合型激光諧振腔，包括反射鏡、放電極板和輸出鏡； 反射鏡和輸出鏡均為復(fù)曲面反射鏡，所述復(fù)曲面反射鏡的復(fù)曲面在非穩(wěn)方向上的曲線形狀 為拋物線，在波導(dǎo)方向上的曲線形狀為圓弧。
[0008] 進(jìn)一步的，所述波導(dǎo)方向上圓弧的曲率半徑由上下放電極板間的距離和放電極板 與鏡面間的距離決定;所述曲率半徑使得光場(chǎng)通過(guò)鏡面反射回波導(dǎo)的耦合損耗最小。
[0009] 進(jìn)一步的，激光諧振腔的腔鏡尺寸之間的關(guān)系為：
[0010]
[0011]其中，M為非穩(wěn)腔中的幾何放大率，L為腔長(zhǎng)，ai為輸出鏡在光軸以下部分的長(zhǎng)度，a2 為輸出鏡和反射鏡在光軸以上部分的長(zhǎng)度，a3為反射鏡在光軸以下部分的長(zhǎng)度，h2為輸出鏡 的寬度，In為反射鏡的寬度;R 1為非穩(wěn)方向上反射鏡與光軸的交點(diǎn)P1處的曲率半徑，反射鏡 的拋物線焦點(diǎn)與Pi之間的距離?
，R2為非穩(wěn)方向上輸出鏡與光軸的交點(diǎn)P 2處的曲率半徑，
輸出鏡的拋物線焦點(diǎn)與P2之間的距離
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具M(jìn)U |、1尤點(diǎn)：
[0013] (1)與穩(wěn)定腔相比，非穩(wěn)腔具有模體積大的特點(diǎn)，但是球面鏡只適用于傍軸情況， 此時(shí)對(duì)應(yīng)的鏡面和工作介質(zhì)橫向?qū)挾容^小。而本發(fā)明采用拋物線型從幾何光學(xué)角度而言能 夠避免非傍軸情況下球面鏡非穩(wěn)腔的球差，從衍射光學(xué)角度而言具有更高的模式鑒別因 子，因此能夠用于寬度較大情況的反射鏡面和工作介質(zhì)。因此，本發(fā)明具有模式體積大，輸 出功率高的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)利用增加反射鏡面與工作介質(zhì)橫向?qū)挾忍岣吖β实姆桨浮?br>[0014] (2)本發(fā)明在非穩(wěn)方向大尺寸鏡面情況下輸出光束仍具有很好的模式鑒別特性， 能夠減小鏡面加工誤差和熱形變?cè)斐傻挠绊?，有效避免高階模式輸出，提供更大的設(shè)計(jì)余 量。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為本發(fā)明復(fù)曲面反射鏡非穩(wěn)波導(dǎo)混合型激光諧振腔的一種【具體實(shí)施方式】的結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2為圖一的上視圖；
[0017]圖3為圖二的右視圖；
[0018]圖4為非穩(wěn)方向幾何參數(shù)示意圖；
[0019] 圖5為圖1所示諧振腔非穩(wěn)方向輸出光場(chǎng)示意圖；
[0020] 圖6為圖1所示諧振腔波導(dǎo)方向輸出光場(chǎng)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0022] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，如圖1-3所示，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種復(fù)曲面反射鏡非穩(wěn) 波導(dǎo)混合型激光諧振腔，包括反射鏡1、放電極板3和輸出鏡2;反射鏡1和輸出鏡2均為復(fù)曲 面反射鏡，所述復(fù)曲面反射鏡的復(fù)曲面在非穩(wěn)方向上(沿xz平面方向）的曲線形狀為拋物 線，波導(dǎo)方向上(沿yz平面方向）的曲線形狀為圓弧。
[0023]波導(dǎo)方向上圓弧曲率半徑由上下放電極板間的距離和放電極板與鏡面間的距離 決定，要使得光場(chǎng)通過(guò)鏡面反射回波導(dǎo)的耦合損耗最小。根據(jù)該要求具體如何計(jì)算相應(yīng)參 數(shù)為本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識(shí)，在此不再贅述。
[0024] 非穩(wěn)方向幾何參數(shù)示意圖如圖4所示，心為反射鏡1與光軸4的交點(diǎn)P1處曲率半徑， 反射鏡拋物線焦點(diǎn)與P 1之間的距離為4 ,R2為輸出鏡2與光軸4的交點(diǎn)P2處曲率半徑，輸出鏡 拋物線焦點(diǎn)與P2之間的距離為腔長(zhǎng)1 = 1^/2+1?2/2。非穩(wěn)腔中M為幾何放大率，對(duì)于負(fù)支 2 非穩(wěn)腔M為負(fù)數(shù)，該數(shù)值由腔內(nèi)增益決定。腔鏡尺寸之間的關(guān)系為a2 = -Mai，a3 = _Ma2=M2ai，
以上部分的長(zhǎng)度，a3為反射鏡I在光軸4以下部分的長(zhǎng)度，h2為輸出鏡2的寬度，hi為反射鏡I 的寬度。幾何放大率M的選擇應(yīng)當(dāng)在模式鑒別因子峰值附近以確保單模輸出，這樣，在腔長(zhǎng)L 確定后，其余相關(guān)參數(shù)也得以確定。
[0025] 由于拋物線型非穩(wěn)腔從幾何光學(xué)角度而言能夠避免非傍軸情況下球面鏡非穩(wěn)腔 的球差，從衍射光學(xué)角度而言具有更高的模式鑒別因子，因此能夠用于寬度較大情況的反 射鏡面和工作介質(zhì)。
[0026] 圖5和圖6分別為諧振腔非穩(wěn)方向和波導(dǎo)方向輸出光場(chǎng)示意圖。一般而言，諧振腔 輸出光束都需要通過(guò)外光路整形才能作用于加工物質(zhì)，因此需要得到諧振腔輸出光束的初 始狀態(tài)。
[0027] 對(duì)實(shí)施例的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，采用復(fù)曲面反射鏡非穩(wěn)波導(dǎo)混合型激光諧 振腔的反射鏡1和輸出鏡2在上視圖平面實(shí)際上形成了一維拋物線型非穩(wěn)腔，在鏡面橫向?qū)?度較大，達(dá)到了光線傳輸?shù)姆前S區(qū)域時(shí)，反射鏡1上的光場(chǎng)幾乎全部被反射，而此時(shí)傳統(tǒng) 的圓弧型非穩(wěn)腔則會(huì)在反射鏡1處出現(xiàn)漏光現(xiàn)象。這種拋物線型非穩(wěn)腔的模式鑒別因子峰 值和均值要高于圓弧型非穩(wěn)腔，能夠減小鏡面加工誤差和熱形變?cè)斐傻挠绊懀行П苊飧?階模式輸出，提供更大的設(shè)計(jì)余量。
[0028] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種復(fù)曲面反射鏡非穩(wěn)波導(dǎo)混合型激光諧振腔，其特征在于，包括反射鏡（I)、放電 極板(3)和輸出鏡(2);反射鏡（1)和輸出鏡(2)均為復(fù)曲面反射鏡，所述復(fù)曲面反射鏡的復(fù) 曲面在非穩(wěn)方向上的曲線形狀為拋物線，在波導(dǎo)方向上的曲線形狀為圓弧。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)曲面反射鏡非穩(wěn)波導(dǎo)混合型激光諧振腔，其特征在于，所述 波導(dǎo)方向上圓弧的曲率半徑由上下放電極板間的距離和放電極板(3)與鏡面間的距離決 定;所述曲率半徑使得光場(chǎng)通過(guò)鏡面反射回波導(dǎo)的禪合損耗最小。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)曲面反射鏡非穩(wěn)波導(dǎo)混合型激光諧振腔，其特征在于，激光 諧振賠的賠鏡尺寸之間的關(guān)系為：其中，M為非穩(wěn)腔中的幾何放大率，L為腔長(zhǎng)，曰1為輸出鏡(2)在光軸(4) W下部分的長(zhǎng)度， 曰2為輸出鏡(2)和反射鏡（1)在光軸(4) W上部分的長(zhǎng)度，日3為反射鏡（1)在光軸(4) W下部分 的長(zhǎng)度，h2為輸出鏡(2)的寬度，hi為反射鏡（1)的寬度;Ri為非穩(wěn)方向上反射鏡（1)與光軸 (4)的交點(diǎn)Pi處的曲率半徑，反射鏡（1)的拋物線焦點(diǎn)與Pi之間的距離為^，R2為非穩(wěn)方向 上輸出鏡(2)與光軸(4)的交點(diǎn)P2處的曲率半徑，輸出鏡(2)的拋物線焦點(diǎn)與P2之間的距離為 屯 a。
【文檔編號(hào)】H01S3/08GK105914570SQ201610429584
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年6月16日
【發(fā)明人】羅惜照, 唐霞輝, 楊威, 秦應(yīng)雄, 嚴(yán)拓, 談賢杰, 黃成源
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)溫州先進(jìn)制造技術(shù)研究院