[发明专利]一种非稳腔激光器环形光束的中心部分重构方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于高功率激光器光束整形技术领域，特别涉及一种基于腔外光束整形技术的非稳腔激光器输出环形光束的中心部分重构方法及装置。

背景技术

具有高光束质量的高功率激光器在工业和军事应用领域都有非常重要的应用前景！对于高功率激光器而言，如何获得尽可能大的模体积和良好的横模鉴别能力，以实现高功率单模运转，从而既能从激活介质中高效率的提取能量，又能保持高光束质量的激光输出是至关重要的！为了获得高功率的激光输出，往往需要采用大体积与大横向尺寸的激活介质，以保证腔内光学元件不受激光损伤的前提下，实现高功率的激光输出。

稳定腔只能在光轴中心附近区域获得运转在基模(TEM₀₀模)的近衍射极限的高斯光束，其模体积有限，并不适合于高功率激光器。

对具有大体积与大横向尺寸激活介质的激光器，国内外一般采用非稳腔技术获得单横模输出。但是常规非稳腔激光器的耦合输出为环形光斑结构，将这种环形空心光束聚焦后，其焦斑中心处的功率密度将比具有相同功率和光斑尺寸的实心光束低许多；同样地，该环形空心光束的远场发散角也将远高于衍射极限，最终限制了它的应用。

为了消除常规非稳腔激光器输出环形光束的中央暗斑，人们提出了许多不同的方法，以期实现从大体积激活介质中提取接近衍射极限的高能激光束。最具代表性的当属变反射率镜(常见的包括高斯型、超高斯型、抛物线型等)非稳腔与90°束旋转环形非稳腔(Unstable Resonator with 90°Beam Rotation)。

采用变反射率镜作为输出耦合镜的非稳腔，在理论上可以达到近衍射极限的高能激光束输出。但对高功率激光器而言，制作高损伤阈值的变反射率介质薄膜是非常困难的；并且不同的介质薄膜厚度也会引起输出光束的相位畸变，因此变反射率输出耦合镜在实际应用上具有一定的局限性。

美国空军武器实验室A.H.Paxton等人在《Applied Optics》1986年第25卷第17期《Unstable resonators with 90°beam rotation》一文中提出了一种90°束旋转环形非稳腔，该腔由于利用了光束旋转技术能够对激活介质的不均匀性以及镜面的象差进行平均化，从而获得高光束质量的矩形全斑激光束输出。但由于该腔的输出耦合镜为刀口，输出光束为实心矩形，在强红外激光传输中，只能采用斜轴形反射望远镜发射；而斜轴反射望远镜的设计难度大，造价昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于腔外光束整形技术的非稳腔激光器输出环形光束的中心部分重构方法及装置。其基本原理如下：非稳腔激光器输出的环形空心光束经内圆台面环形反射镜导向后，逐渐向激光器的光轴位置集中；利用与所述内圆台面环形反射镜具有相同轴截面顶角的外圆锥面反射镜对集中于激光器光轴附近的光束进行重新导向，以获得沿光轴方向传输的整形光束输出；通过对内圆台面环形反射镜与外圆锥面反射镜沿光轴方向的相对位置进行精密调节，实现沿光轴方向传输的圆形实心整形光束输出。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种非稳腔激光器输出环形光束的中心部分重构方法，包括如下步骤：

A.利用内圆台面环形反射镜对非稳腔激光器输出的环形空心光束进行导向，使之逐渐向激光器的光轴位置集中；

B.利用外圆锥面反射镜对上述集中于激光器光轴附近的光束进行重新导向，获得沿光轴方向传输的整形光束输出；

C.对内圆台面环形反射镜与外圆锥面反射镜沿光轴方向的相对位置进行精密调节，获得沿光轴方向传输的圆形实心整形光束输出。

本发明所述的内圆台面环形反射镜和外圆锥面反射镜的旋转对称轴均与所述非稳腔激光器的光轴同轴。

本发明所述的内圆台面环形反射镜与外圆锥面反射镜具有相同的轴截面顶角。

本发明所述的轴截面顶角可为锐角、直角或钝角。

本发明所述的内圆台面环形反射镜与外圆锥面反射镜均具有精密位移机构，步骤C中所述的精密调节通过调节上述精密位移机构来实现。

一种实现上述环形光束的中心部分重构方法的装置，包括非稳腔激光器、内圆台面环形反射镜、外圆锥面反射镜、内圆台面环形反射镜精密位移机构以及外圆锥面反射镜精密位移机构。

本发明所述的内圆台面环形反射镜与外圆锥面反射镜具有相同的轴截面顶角。

本发明所述的轴截面顶角可为锐角、直角或钝角。

本发明所述的内圆台面环形反射镜的后部开有第一环形冷却水槽，带有进水口和出水口的环形水槽盖板与所述内圆台面环形反射镜的底部采用焊接方式密封连接。