專利名稱：：一種非穩(wěn)腔激光器環(huán)形光束的中心部分重構(gòu)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于高功率激光器光束整形
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種基于腔外光束整形技術(shù)的非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束的中心部分重構(gòu)方法及裝置。
背景技術(shù)：
：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(duì)于高功率激光器而言，如何獲得盡可能大的模體積和良好的橫模鑒別能力，以實(shí)現(xiàn)高功率單模運(yùn)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)量的激光輸出是至關(guān)重要的！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)元件不受激光損傷的前提下，實(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)在基模0^1^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(duì)具有大體積與大橫向尺寸激活介質(zhì)的激光器，國內(nèi)外一般采用非穩(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(shí)心光束低許多；同樣地，該環(huán)形空心光束的遠(yuǎn)場(chǎng)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(shí)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(UnstableResonatorwith90°BeamRotation)。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(duì)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(huì)引起輸出光束的相位畸變，因此變反射率輸出耦合鏡在實(shí)際應(yīng)用上具有一定的局限性。美國空軍武器實(shí)驗(yàn)室A.H.Paxton等人在《AppliedOptics》1986年第25卷第17期《Unstableresonatorswith90°beamrotation》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。但由于該腔的輸出耦合鏡為刀口，輸出光束為實(shí)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(jì)難度大，造價(jià)昂貴。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于腔外光束整形技術(shù)的非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束的中心部分重構(gòu)方法及裝置。其基本原理如下非穩(wěn)腔激光器輸出的環(huán)形空心光束經(jīng)內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡導(dǎo)向后，逐漸向激光器的光軸位置集中；利用與所述內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡具有相同軸截面頂角的外圓錐面反射鏡對(duì)集中于激光器光軸附近的光束進(jìn)行重新導(dǎo)向，以獲得沿光軸方向傳輸?shù)恼喂馐敵?；通過對(duì)內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡與外圓錐面反射鏡沿光軸方向的相對(duì)位置進(jìn)行精密調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)沿光軸方向傳輸?shù)膱A形實(shí)心整形光束輸出。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束的中心部分重構(gòu)方法，包括如下步驟A.利用內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡對(duì)非穩(wěn)腔激光器輸出的環(huán)形空心光束進(jìn)行導(dǎo)向，使之逐漸向激光器的光軸位置集中；B.利用外圓錐面反射鏡對(duì)上述集中于激光器光軸附近的光束進(jìn)行重新導(dǎo)向，獲得沿光軸方向傳輸?shù)恼喂馐敵?；C.對(duì)內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡與外圓錐面反射鏡沿光軸方向的相對(duì)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(shí)心整形光束輸出。本發(fā)明所述的內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡和外圓錐面反射鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸均與所述非穩(wěn)腔激光器的光軸同軸。本發(fā)明所述的內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡與外圓錐面反射鏡具有相同的軸截面頂角。本發(fā)明所述的軸截面頂角可為銳角、直角或鈍角。本發(fā)明所述的內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡與外圓錐面反射鏡均具有精密位移機(jī)構(gòu)，步驟C中所述的精密調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)上述精密位移機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。一種實(shí)現(xiàn)上述環(huán)形光束的中心部分重構(gòu)方法的裝置，包括非穩(wěn)腔激光器、內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡、外圓錐面反射鏡、內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡精密位移機(jī)構(gòu)以及外圓錐面反射鏡精密位移機(jī)構(gòu)。本發(fā)明所述的內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡與外圓錐面反射鏡具有相同的軸截面頂角。本發(fā)明所述的軸截面頂角可為銳角、直角或鈍角。本發(fā)明所述的內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡的后部開有第一環(huán)形冷卻水槽，帶有進(jìn)水口和出水口的環(huán)形水槽蓋板與所述內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡的底部采用焊接方式密封連接。本發(fā)明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與所述外圓錐面反射鏡的底部采用焊接方式密封連接。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比主要具以下優(yōu)點(diǎn)(1)在保留常規(guī)非穩(wěn)腔諸多優(yōu)點(diǎn)(如模體積大，橫模分辨率高等)的前提下，利用腔外反射式光學(xué)元件對(duì)非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束的中心部分進(jìn)行重構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量的高能圓形實(shí)心激光束輸出。(2)主要涉及反射式光學(xué)元件的應(yīng)用，因此其能夠承受非常高的激光功率，適合于高功率激光應(yīng)用場(chǎng)合的光束整形。(3)本發(fā)明所涉及反射式光學(xué)元件加工簡(jiǎn)單方便，制造成本低?？傊景l(fā)明在保留常規(guī)非穩(wěn)腔諸多優(yōu)點(diǎn)(如模體積大，橫模分辨率高等)的前提下，利用腔外反射式光學(xué)元件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束的中心部分進(jìn)行重構(gòu)，獲得高光束質(zhì)量的高能圓形實(shí)心激光束輸出；并且所提供的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，尤其克服了現(xiàn)有技術(shù)需要通過改造常規(guī)非穩(wěn)腔的結(jié)構(gòu)來獲取實(shí)心激光束輸出的不足。圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例之非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束的中心部分重構(gòu)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為非穩(wěn)腔激光器輸出的環(huán)形光斑示意圖；圖3為非穩(wěn)腔激光器輸出的環(huán)形光束通過圖1中光束重構(gòu)裝置變換后的圓形實(shí)心光斑示意圖；圖4為圖1中直角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡帶有環(huán)形冷卻水槽、環(huán)形水槽蓋板的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖5為圖4中環(huán)形冷卻水槽的左視圖；圖6為圖4中環(huán)形水槽蓋板的左視圖；圖7為圖1中直角外圓錐面反射鏡帶有環(huán)形冷卻水槽、圓形水槽蓋板的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖8為圖7中環(huán)形冷卻水槽的左視圖；圖9為圖7中圓形水槽蓋板的左視圖；圖10為本發(fā)明另一實(shí)施例之非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束的中心部分重構(gòu)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為本發(fā)明又一實(shí)施例之非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束的中心部分重構(gòu)裝置的結(jié)構(gòu)示意具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖1所示，本實(shí)施例提供的基于腔外光束整形技術(shù)的非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束的中心部分重構(gòu)裝置主要由非穩(wěn)腔激光器1、直角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡301、直角外圓錐面反射鏡501、直角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡精密位移機(jī)構(gòu)6和直角外圓錐面反射鏡精密位移機(jī)構(gòu)7組成。所述直角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡301與直角外圓錐面反射鏡501均為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱型結(jié)構(gòu)金屬反射鏡，制作簡(jiǎn)單，可以直接采用超精密車削加工而成。安裝時(shí)，所述直角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡301和直角外圓錐面反射鏡501的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸均與所述非穩(wěn)腔激光器1的光軸4同軸。所述直角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡301與直角外圓錐面反射鏡501沿光軸4方向相對(duì)放置；所述直角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡301與直角外圓錐面反射鏡501沿光軸4方向的相對(duì)位置可分別通過所述直角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡精密位移機(jī)構(gòu)6和直角外圓錐面反射鏡精密位移機(jī)構(gòu)7進(jìn)行調(diào)節(jié)。由圖4圖6所示，所述直角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡301的后部開有環(huán)形冷卻水槽9，在環(huán)形水槽蓋板10上帶有進(jìn)水口11和出水口12，環(huán)形水槽蓋板10與所述直角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡301的底部可采用焊接方式密封連接。由圖7圖9所示，所述直角外圓錐面鏡501的后部開有環(huán)形冷卻水槽13，在圓形水槽蓋板14上同樣帶有進(jìn)水口15和出水口16，圓形水槽蓋板14與所述直角外圓錐面鏡501的底部可采用焊接方式密封連接。非穩(wěn)腔激光器1輸出的環(huán)形空心光束2經(jīng)直角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡301轉(zhuǎn)向后，沿垂直于所述非穩(wěn)腔激光器1的光軸4方向傳輸，并逐漸向光軸4位置集中；利用直角外圓錐面反射鏡501對(duì)集中于光軸4附近的光束進(jìn)行重新導(dǎo)向，以獲得沿光軸4方向傳輸?shù)恼喂馐敵?；通過直角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡精密位移機(jī)構(gòu)6和直角外圓錐面反射鏡精密位移機(jī)構(gòu)7分別對(duì)所述直角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡301與直角外圓錐面反射鏡501沿光軸4方向的相對(duì)位置進(jìn)行精密調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)沿光軸4方向傳輸?shù)膱A形實(shí)心整形光束8輸出。如圖10、11所示，上述實(shí)施例中的直角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡301可替換為銳角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡302或鈍角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡303；相應(yīng)地，上述實(shí)施例中的直角外圓錐面反射鏡501也可替換為銳角外圓錐面反射鏡502或鈍角外圓錐面反射鏡503。其中，所述銳角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡302與所述銳角外圓錐面反射鏡502的軸截面頂角相等；同樣地，所述鈍角內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡303與所述鈍角外圓錐面反射鏡503的軸截面頂角相等。權(quán)利要求一種非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束的中心部分重構(gòu)方法，包括如下步驟A.利用內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡對(duì)非穩(wěn)腔激光器輸出的環(huán)形空心光束進(jìn)行導(dǎo)向，使之向激光器的光軸位置集中；B.利用外圓錐面反射鏡對(duì)上述集中于激光器光軸附近的光束進(jìn)行重新導(dǎo)向，獲得沿光軸方向傳輸?shù)恼喂馐敵觯籆.通過調(diào)節(jié)內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡與外圓錐面反射鏡沿光軸方向的相對(duì)位置，對(duì)上述沿光軸方向傳輸?shù)恼喂馐敵鲞M(jìn)行調(diào)節(jié)，直至實(shí)現(xiàn)沿光軸方向傳輸?shù)膱A形實(shí)心整形光束輸出，即完成所述環(huán)形光束的中心部分的重構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束的中心部分重構(gòu)方法，其特征在于，所述內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡和外圓錐面反射鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸均與所述非穩(wěn)腔激光器的光軸同軸。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束的中心部分的重構(gòu)方法，其特征在于，所述內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡與所述外圓錐面反射鏡具有相同的軸截面頂角。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束的中心部分重構(gòu)方法，其特征在于，所述的軸截面頂角可為銳角、直角或鈍角。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的一種非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束的中心部分重構(gòu)方法，其特征在于，所述內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡和外圓錐面反射鏡均具有精密位移機(jī)構(gòu)，步驟C中所述的相對(duì)位置的調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)上述精密位移機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。6.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-5之一所述方法的裝置，包括非穩(wěn)腔激光器、內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡、外圓錐面反射鏡、內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡精密位移機(jī)構(gòu)以及外圓錐面反射鏡精密位移機(jī)構(gòu)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡與所述外圓錐面反射鏡具有相同的軸截面頂角。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述的軸截面頂角可為銳角、直角或鈍角。9.根據(jù)權(quán)利要求6-8之一所述的裝置，其特征在于，所述的內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡的后部開有第一環(huán)形冷卻水槽，帶有進(jìn)水口和出水口的環(huán)形水槽蓋板與所述內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡的底部采用焊接方式密封連接。10.根據(jù)權(quán)利要求6-9之一所述的裝置，其特征在于，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與所述外圓錐面反射鏡的底部采用焊接方式密封連接。全文摘要本發(fā)明提供一種非穩(wěn)腔激光器環(huán)形光束的中心部分重構(gòu)方法及裝置。所述方法為非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束經(jīng)內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡導(dǎo)向，逐漸向激光器光軸位置集中；利用外圓錐面反射鏡對(duì)集中于光軸附近的光束重新導(dǎo)向，獲得沿光軸方向的整形光束輸出；通過對(duì)內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡與外圓錐面反射鏡沿光軸方向的相對(duì)位置進(jìn)行精密調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)沿光軸方向的圓形實(shí)心整形光束輸出。所述裝置包括非穩(wěn)腔激光器、內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡、外圓錐面反射鏡、內(nèi)圓臺(tái)面環(huán)形反射鏡精密位移機(jī)構(gòu)、外圓錐面反射鏡精密位移機(jī)構(gòu)。相比現(xiàn)有技術(shù)，本方法能夠利用腔外光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)對(duì)非穩(wěn)腔激光器輸出環(huán)形光束的變換，獲得圓形實(shí)心光束輸出；并且所提供的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定。文檔編號(hào)G02B27/09GK101806958SQ20101011120公開日2010年8月18日申請(qǐng)日期2010年2月5日優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日發(fā)明者王英,羅曦,陳培鋒申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)