[实用新型]高功率激光谐振腔

说明书

技术领域

本实用新型涉及激光谐振腔。

背景技术

在激光应用的许多场合中，例如激光打孔、焊接、切割以及激光医疗等微精密加工中，都希望激光器最好能工作在发散角最小的基模状态。为了提高激光光束质量，传统选模技术(如使用孔径光阑)可以使激光器输出的光束质量提高，但使用孔径光阑在很大程度上限制了模体积，增加了模损耗。

在高功率激光器件设计中出现的主要问题是，如何获得尽可能大的模体积和好的横模鉴别能力，以实现高功率单模运转，从而既能从激活物质中高效率地提取能量，又能保持高的光束质量。

常用的激光谐振腔有稳定腔、非稳腔和临界腔三种。

稳定腔的损耗很低，傍轴光线的几何偏折损耗均为零，而且只要腔的菲涅尔数不太小，衍射损耗通常也小到可以忽略，因此在绝大多数中、小功率器件都采用稳定腔。当我们要求激光器高功率基模运行时，由于稳定腔的基模模体积太小，且与谐振腔镜面尺寸无关。这就意味着增大激活介质的横向尺寸或增大谐振腔镜面尺寸无助于基模激光光束输出功率的提高，反而容易导致激光器的多横模运转，降低输出光束的质量。

与一般稳定球面腔相比，非稳腔的波形限制能力显著提高；此外，由于振荡波形为球面波，对工作物质动态折射率畸变等影响比较不敏感，因此用于高增益激光器系统，可获得发散角相当小的高亮度输出光束。非稳腔的损耗主要是傍轴光线的发散损耗，单程的损耗很大，可达百分之几十。为获得高功率输出，工作物质的横向尺寸往往较大，因此衍射损耗可以忽略。由于腔的损耗较大，通常需采用侧面逸出输出耦合，故输出为中心空的环状光束。这种腔调整要求高，且不能用于低增益的或细口径的各类激光器系统中。

平行平面腔是临界腔中最广泛应用的一种腔型，它由一平面全反镜和一平面半透半反镜组成。平行平面腔的主要优点是：光束方向性极好(发散角小)，模体积较大，比较容易获得单模振荡。平行平面腔的主要缺点是：调整精度要求极高且容易失调，与稳定腔相比，损耗也较大，对小增益器件不大适用。

申请号99816848.3公开了一种《谐振腔含有陀螺形圆锥棱镜的激光器》；申请号200420017131.2公开了一种《直角内圆锥面反射镜激光谐振腔》。这两项专利提出的谐振腔是将平行平面腔的全反镜用直角圆锥棱镜和直角内圆锥面全反镜取代，利用直角圆锥棱镜和直角内圆锥面全反镜的逆向反射特性组成的直角圆锥棱镜谐振腔和直角内圆锥面全反镜谐振腔，可以大大降低腔的调整要求。同时，这些谐振腔除了具有平行平面腔的大模体积，小发散角的特点外，还具有高稳定性。但是这两类谐振腔的缺点是：不能消除增益介质中心与边缘不均匀分布的影响；不能压缩输出激光光斑的面积，从而提高输出光斑的功率密度，也不能实现环行空心光斑的激光输出；直角圆锥棱镜腔热稳定性低，某些激光波段的棱镜需要特殊的光学晶体制造，价格昂贵。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提出了一种高功率激光谐振腔。该激光谐振腔可以消除增益介质中心与边缘不均匀分布的影响，发散角小，光束质量好；可以压缩输出激光的光斑面积，提高输出激光光斑的功率密度。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是，一种高功率激光谐振腔包括全反镜、输出镜及激光工作介质，全反镜由第一直角圆台的内侧面和反向的直角圆锥的外侧面组成，第一直角圆台和直角圆锥的旋转对称轴同轴，第一直角圆台的内侧面和直角圆锥的外侧面均为高反射面，相互之间的尺寸关系为Φb＝3Φa，f＝2e，其中Φa为直角圆锥的外侧面与第一直角圆台的内侧面相接圆的直径，Φb为全反镜的底面直径，e为直角圆锥的高度，f为第一直角圆台的高度；输出镜为分体输出镜，由圆形平面半透半反镜和边缘的同心环状的全反镜组成，同心环状的全反镜由第二直角圆台的内侧面和反向的第三直角圆台的外侧面组成，二个直角圆台的旋转对称轴同轴，第二直角圆台的内侧面和第三直角圆台的外侧面均为高反射面，圆形平面半透半反镜和同心环状的全反镜的旋转对称轴同轴，相互之间的尺寸关系为Φc＝Φa，Φd＝Φb，Φd-Φg＝Φg-Φc，Φc为圆形平面半透半反镜的直径，Φd为输出镜的底面直径，Φg为第三直角圆台的外侧面与第二直角圆台的内侧面相接圆的直径。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

(1)本实用新型在充分利用增益介质，实现大模体积激光输出的情况下，等效的将腔长成倍的增长，同时压缩了输出光斑的面积，可以获得发散角非常小，功率密度非常高，光束质量非常好的高功率激光输出。