專利名稱：一種環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光諧振腔，具體為一種環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔。
背景技術(shù)：
在激光應(yīng)用的許多場(chǎng)合，例如激光打孔、焊接、切割以及激光醫(yī)療等 微精密加工中，都希望激光器最好能工作在發(fā)散角最小光束質(zhì)量最好的基 模狀態(tài)。傳統(tǒng)選模技術(shù)(如使用孔徑光闌)可以使激光器輸出的光束質(zhì)量 提高，但使用孔徑光闌在很大程度上限制了模體積，增加了模損耗。
高功率激光器件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在如何獲得盡可能大的模體積和好的橫 模鑒別能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高功率單模運(yùn)轉(zhuǎn)，從而既能從激活物質(zhì)中高效率 地提取能量，又能保持高的光束質(zhì)量。
常用的激光諧振腔有穩(wěn)定腔、非穩(wěn)腔和臨界腔三種。
穩(wěn)定腔的損耗很低，傍軸光線的幾何偏折損耗均為零，而且只要腔的 菲涅爾數(shù)不太小，衍射損耗通常也小到可以忽略，因此在絕大多數(shù)中、小 功率器件都采用穩(wěn)定腔。但當(dāng)我們要求激光器高功率基模運(yùn)行時(shí)，由于穩(wěn) 定腔的基模模體積太小，且與諧振腔鏡面尺寸無關(guān)，這就意味著增大激活 介質(zhì)的橫向尺寸或增大諧振腔鏡面尺寸無助于基模激光光束輸出功率的提 高，反而容易導(dǎo)致激光器的多橫模運(yùn)轉(zhuǎn)，降低輸出光束的質(zhì)量。
與一般穩(wěn)定球面腔相比，非穩(wěn)腔的波形限制能力顯著提高；此外，由 于振蕩波形為球面波，對(duì)工作物質(zhì)動(dòng)態(tài)折射率畸變等影響比較不敏感，因 此用于高增益激光器系統(tǒng)，可獲得發(fā)散角相當(dāng)小的高亮度輸出光束。非穩(wěn) 腔的損耗主要是傍軸光線的發(fā)散損耗，單程的損耗很大，可達(dá)百分之幾十。 為獲得高功率輸出，工作物質(zhì)的橫向尺寸往往較大，因此衍射損耗可以忽 略。由于腔的損耗較大，通常需采用側(cè)面逸出輸出耦合，故輸出為中心空 的環(huán)狀光束。這種腔調(diào)整要求高，且不能用于低增益的或細(xì)口徑的各類激光器系統(tǒng)中。平行平面腔是臨界腔中最廣泛應(yīng)用的一種腔型，它由一平面反射鏡和 一平面半透半反鏡組成。平行平面腔的主要優(yōu)點(diǎn)是光束方向性極好(發(fā) 散角小)，模體積較大，比較容易獲得單模振蕩。平行平面腔的主要缺點(diǎn)是: 調(diào)整精度要求極高且容易失調(diào)，與穩(wěn)定腔相比，損耗也較大，對(duì)小增益器 件不大適用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種環(huán)形凹面 輸出鏡激光諧振腔。該激光諧振腔可以在保證激光光束質(zhì)量的前提下，獲 得大模體積和高功率輸出。同時(shí)腔鏡加工方便，熱穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種環(huán)形凹面輸出鏡激 光諧振腔，包括反射鏡、激光工作介質(zhì)及輸出鏡，其特征在于輸出鏡為 環(huán)形凹面輸出鏡，其工作面包含一個(gè)或多個(gè)同心的環(huán)形的圓弧狀凹面。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1) 本發(fā)明具有輸出光束質(zhì)量好，發(fā)散角小，模體積大，輸出功率高 的特點(diǎn)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量和高功率的激光輸出。(2) 本發(fā)明能輸出環(huán)形光束，光束中心功率密度低，可以降低由于中 心功率密度過高導(dǎo)致的光路鏡片的熱變形及熱破壞。(3) 本發(fā)明具有穩(wěn)定腔的低損耗、不易失調(diào)的特性。調(diào)整要求低，安 裝、使用、維護(hù)方便，且性能可靠。容易對(duì)現(xiàn)有激光諧振腔進(jìn)行改裝，不 僅能改善現(xiàn)有激光器的光束質(zhì)量，還能提高激光器的輸出功率。(4) 本發(fā)明加工方便，制造成本低。


圖1為本發(fā)明提供的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔第一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1中環(huán)形凹面輸出鏡的右視圖。圖3為圖1所示激光諧振腔的輸出光束示意圖。圖4為本發(fā)明提供的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔第二種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為圖4中環(huán)形凹面輸出鏡的右視圖。圖6為本發(fā)明提供的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔第三種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為圖6中環(huán)形凹面輸出鏡的右視圖。圖8為本發(fā)明提供的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔第四種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為圖8中同心多環(huán)凹面輸出鏡的右視圖。圖10為本發(fā)明提供的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔第五種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。 . 圖11為圖10中同心多環(huán)凹面輸出鏡的右視圖。圖12為本發(fā)明提供的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔第六種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖13為圖12中同心多環(huán)凹面輸出鏡的右視圖。圖14為本發(fā)明提供的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔第七種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖15為圖14中環(huán)形凹面輸出鏡的右視圖。 圖16為圖14中環(huán)形凹面反射鏡的左視圖。 圖17為本發(fā)明實(shí)施例7的輸出光束示意圖。圖18為本發(fā)明提供的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔第八種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖19為圖18中環(huán)形凹面輸出鏡的右視圖。 圖20為圖18中環(huán)形凹面反射鏡的左視圖。圖21為本發(fā)明提供的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔第九種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖22為圖21中環(huán)形凹面輸出鏡的右視圖。圖23為圖21中環(huán)形凹面反射鏡的左視圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。 在本發(fā)明提供的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔，均包括反射鏡2、激光工
作介質(zhì)3及輸出鏡1。與現(xiàn)有技術(shù)所不同的在于輸出鏡1的結(jié)構(gòu)不同，下面
舉例予以具體說明。
實(shí)施例1
由圖1 圖2所示， 一種環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔，包括反射鏡2、 激光工作介質(zhì)3及輸出鏡1，輸出鏡l為環(huán)形凹面輸出鏡，其工作面由一個(gè) 環(huán)形的圓弧狀凹面組成。
對(duì)實(shí)施例1的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔 輸出光束呈環(huán)狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是在以鏡面中心為圓 心的一個(gè)圓上，這樣可以降低輸出鏡、反射鏡以及外光路鏡片中心的溫度， 減少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的輸出光束示意圖。 與穩(wěn)定腔相比，采用環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔在保證輸出激光光束質(zhì)量， 在發(fā)散角不變的情況下，其模體積可增大約四倍，可以大大提高激光輸出 功率。在模體積不變的情況下，可以大大壓縮發(fā)散角，輸出質(zhì)量更好的激 光光束。該諧振腔在工作介質(zhì)為氣體或固體時(shí)均可使用，特別是當(dāng)增益區(qū) 較大時(shí)，更可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。
實(shí)施例2
由圖4 圖5所示，輸出鏡1為環(huán)形凹面輸出鏡，其工作面由一個(gè)環(huán)形 的圓弧狀凹面和一個(gè)中心圓形工作面組成。上述中心圓形工作面可以是平 面或球面。
對(duì)實(shí)施例2的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔 輸出光束呈環(huán)狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是在以鏡面中心為圓 心的一個(gè)圓上，這樣可以降低輸出鏡、反射鏡以及外光路鏡片中心的溫度， 減少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。與穩(wěn)定腔相比，采用環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔在保證輸出激光光束質(zhì)量，發(fā)散角不變的情況下，其模體積可大大 增大，可以大大提高激光輸出功率。在模體積不變的情況下，可以大大壓 縮發(fā)散角，輸出質(zhì)量更好的激光光束。該諧振腔在工作介質(zhì)為氣體或固體 時(shí)均可使用，特別是當(dāng)增益區(qū)較大時(shí)，更可以充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。實(shí)施例3由圖6 圖7所示，輸出鏡1為環(huán)形凹面輸出鏡，其工作面包含一個(gè)環(huán) 形的圓弧狀凹面，鏡面中心為非工作面或?yàn)榭招?，激光工作介質(zhì)3為環(huán)形 柱狀工作介質(zhì)。對(duì)實(shí)施例3的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔 輸出光束的呈環(huán)狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是在以鏡面中心為 圓心的一個(gè)圓上，這樣可以降低輸出鏡、反射鏡以及外光路鏡片中心的溫 度，減少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。與穩(wěn)定腔相比，采用環(huán)形凹面輸出鏡 激光諧振腔在保證輸出激光光束質(zhì)量，發(fā)散角不變的情況下，可以大大提 高激光輸出功率。在模體積不變的情況下，可以大大壓縮發(fā)散角，輸出質(zhì) 量更好的激光光束。該諧振腔在工作介質(zhì)為氣體或固體時(shí)均可使用，特別 是當(dāng)工作介質(zhì)增益區(qū)為環(huán)形柱狀結(jié)構(gòu)時(shí)，更可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。實(shí)施例4由圖8 圖9所示，輸出鏡l為同心多環(huán)凹面輸出鏡，其工作面由多個(gè) 同心環(huán)形的圓弧狀凹面組成。對(duì)實(shí)施例4的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，同心多環(huán)凹面輸出鏡激光諧 振腔輸出光束呈環(huán)狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是在以鏡面中心 為圓心的多個(gè)同心圓上，這樣可以降低輸出鏡、反射鏡以及外光路鏡片中 心的溫度，減少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。與穩(wěn)定腔相比，采用同心多環(huán) 凹面輸出鏡激光諧振腔在保證輸出激光光束質(zhì)量，發(fā)散角不變的情況下， 其模體積可增大許多，從而大大提高激光輸出功率。而在模體積不變的情 況下，與穩(wěn)定腔或單環(huán)凹面鏡諧振腔相比，同心多環(huán)凹面輸出鏡激光諧振 腔的輸出光束的發(fā)散角更小，聚焦光斑更??；同時(shí)同心多環(huán)凹面輸出鏡激光諧振腔輸出的聚焦光斑為多環(huán)狀光斑，能量密度分布得更加均勻，激光 加工效果更好。該諧振腔在工作介質(zhì)為氣體或固體時(shí)均可使用，特別是當(dāng) 增益區(qū)較大時(shí)，更可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。實(shí)施例5由圖10 圖11所示，輸出鏡1為同心多環(huán)凹面輸出鏡，其工作面由多 個(gè)同心環(huán)形的圓弧狀凹面和一個(gè)中心圓形工作面組成，該中心圓形工作面 可以是平面或球面。對(duì)實(shí)施例5的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，同心多環(huán)凹面輸出鏡激光諧 振腔輸出光束呈環(huán)狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是在以鏡面中心 為圓心的多個(gè)同心圓上，這樣可以降低輸出鏡、反射鏡以及外光路鏡片中 心的溫度，減少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。與穩(wěn)定腔相比，采用同心多環(huán) 凹面輸出鏡激光諧振腔在保證輸出激光光束質(zhì)量，發(fā)散角不變的情況下， 其模體積可增大許多，從而大大提高激光輸出功率。而在模體積不變的情 況下，與穩(wěn)定腔或單環(huán)凹面鏡諧振腔相比，同心多環(huán)凹面輸出鏡激光諧振 腔的輸出光束的發(fā)散角更小，聚焦光斑更??；同時(shí)同心多環(huán)凹面輸出鏡激 光諧振腔輸出的聚焦光斑為多環(huán)狀光斑，能量密度分布得更加均勻，激光 加工效果更好。該諧振腔在工作介質(zhì)為氣體和固體時(shí)均可使用，特別是當(dāng) 增益區(qū)較大時(shí)，更可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。實(shí)施例6由圖12 圖13所示，輸出鏡1為同心多環(huán)凹面輸出鏡，其工作面包含 多個(gè)同心環(huán)形的圓弧狀凹面，鏡面中心為非工作面或?yàn)榭招?，激光工作?質(zhì)3為環(huán)形柱狀工作介質(zhì)。對(duì)實(shí)施例3的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，同心多環(huán)凹面輸出鏡激光諧 振腔輸出光束呈環(huán)狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是在以鏡面中心 為圓心的多個(gè)同心圓上，這樣可以降低輸出鏡、反射鏡以及外光路鏡片中 心的溫度，減少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。與穩(wěn)定腔相比，采用同心多環(huán) 凹面輸出鏡激光諧振腔在保證輸出激光光束質(zhì)量，發(fā)散角不變的情況下，其模體積可增大許多，從而大大提高激光輸出功率。而在模體積不變的情 況下，與穩(wěn)定腔或單環(huán)凹面鏡諧振腔相比，同心多環(huán)凹面輸出鏡激光諧振 腔的輸出光束的發(fā)散角更小，聚焦光斑更??；同時(shí)同心多環(huán)凹面輸出鏡激 光諧振腔輸出的聚焦光斑為多環(huán)狀光斑，能量密度分布得更加均勻,激光 加工效果更好。該諧振腔在工作介質(zhì)為氣體或固體時(shí)均可使用，特別是當(dāng) 工作介質(zhì)增益區(qū)為環(huán)形柱狀結(jié)構(gòu)時(shí)，更可以充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。實(shí)施例7由圖14 圖16所示， 一種環(huán)形凹面鏡激光諧振腔，包括反射鏡2、激 光工作介質(zhì)3及輸出鏡1 。輸出鏡1和反射鏡2為環(huán)形凹面鏡，其反射面和 輸出面均由一個(gè)環(huán)形的圓弧狀凹面組成。對(duì)實(shí)施例7的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，環(huán)形凹面鏡激光諧振腔輸出 光束呈環(huán)狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是在以鏡面中心為圓心的 一個(gè)圓上，這樣可以降低反射鏡、輸出鏡以及外光路鏡片中心的溫度，減 少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。圖17為本發(fā)明實(shí)施例7的輸出光束示意圖。 與穩(wěn)定腔相比，采用環(huán)形凹面鏡激光諧振腔在保證輸出激光光束質(zhì)量，發(fā) 散角不變的情況下，其模體積可增大約四倍，可以大大提高激光輸出功率。 在模體積不變的情況下，采用環(huán)形凹面鏡激光諧振腔可以大大壓縮發(fā)散角， 輸出的聚焦光斑為多環(huán)狀光斑，激光加工的效果更好。該諧振腔在工作介 質(zhì)為氣體和固體時(shí)均可使用，特別是當(dāng)增益區(qū)較大時(shí)，更可以充分發(fā)揮其 優(yōu)勢(shì)。實(shí)施例8由圖18 圖20所示， 一種環(huán)形凹面鏡激光諧振腔，包括反射鏡2、激 光工作介質(zhì)3及輸出鏡1，輸出鏡1和反射鏡2為環(huán)形凹面鏡，其反射面和 輸出面均由一個(gè)環(huán)形的圓弧狀凹面和一個(gè)中心圓形面組成。上述中心圓形 工作面可以是平面或球面。對(duì)實(shí)施例8的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，環(huán)形凹面鏡激光諧振腔輸出 光束呈環(huán)狀，功率峰值位置不在鏡面的中心，而是在以鏡面中心為圓心的一個(gè)圓上，這樣可以降低反射鏡、輸出鏡以及外光路鏡片中心的溫度，減 少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。與穩(wěn)定腔相比，采用環(huán)形凹面鏡激光諧振腔 在保證輸出激光光束質(zhì)量，發(fā)散角不變的情況下，其模體積可大大增大， 可以大大提高激光輸出功率。在模體積不變的情況下，采用環(huán)形凹面鏡激 光諧振腔可以大大壓縮發(fā)散角，輸出的聚焦光斑為多環(huán)狀光斑，激光加工 的效果更好。該諧振腔在工作介質(zhì)為氣體和固體時(shí)均可使用，特別是當(dāng)增 益區(qū)較大時(shí)，更可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。實(shí)施例9由圖21 圖23所示， 一種環(huán)形凹面鏡激光諧振腔，包括反射鏡2、激 光工作介質(zhì)3及輸出鏡1 。反射鏡2和輸出鏡1為環(huán)形凹面鏡，其反射面和 輸出面均包含一個(gè)環(huán)形的圓弧狀凹面，鏡面中心為非反射面或?yàn)榭招模?光工作介質(zhì)3為環(huán)形柱狀工作介質(zhì)。對(duì)實(shí)施例9的激光諧振腔進(jìn)行分析可知，環(huán)形凹面鏡激光諧振腔輸出 光束的呈環(huán)狀,功率峰值位置不在鏡面的中心，而是在以鏡面中心為圓心 的一個(gè)圓上，這樣可以降低反射鏡、輸出鏡以及外光路鏡片中心的溫度， 減少熱變形，提高光束穩(wěn)定性。與穩(wěn)定腔相比，采用環(huán)形凹面鏡激光諧振 腔在保證輸出激光光束質(zhì)量，發(fā)散角不變的情況下，可以大大提高激光輸 出功率。在模體積不變的情況下，采用環(huán)形凹面鏡激光諧振腔可以大大壓 縮發(fā)散角，輸出的聚焦光斑為多環(huán)狀光斑，激光加工的效果更好。該諧振 腔在工作介質(zhì)為氣體和固體時(shí)均可使用，特別是當(dāng)工作介質(zhì)增益區(qū)為環(huán)形 柱狀結(jié)構(gòu)時(shí)，更可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。上述各實(shí)例中，輸出鏡1或反射鏡均可以由多個(gè)工作面構(gòu)成，也可以 是一個(gè)整體工作面。本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā) 明公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是 采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入 本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔，包括反射鏡、激光工作介質(zhì)及輸出鏡，其特征在于輸出鏡(1)為環(huán)形凹面輸出鏡，其工作面包含一個(gè)或多個(gè)同心的環(huán)形的圓弧狀凹面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔，其特征在于 反射鏡(2)為環(huán)形凹面反射鏡，其反射面包含至少一個(gè)或多個(gè)心的環(huán)形的 圓弧狀凹面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔，其特征在 于輸出鏡(1)為一個(gè)整體工作面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔，其特征在 于輸出鏡(1)的工作面中央處為圓形工作面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔，其特征在 于輸出鏡1的鏡面中央處為非工作面或空心。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔，其特征在于反射鏡(2)的反射面為一個(gè)整體反射面。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔，其特征在 于反射鏡(2)的反射面的中央處為圓形反射面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔，其特征在于反射鏡(2)的鏡面中央處為非反射面或空心。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種環(huán)形凹面輸出鏡激光諧振腔，包括反射鏡、激光工作介質(zhì)及輸出鏡。輸出鏡為環(huán)形凹面輸出鏡，其工作面包含一個(gè)或多個(gè)同心的環(huán)形的圓弧狀凹面。該輸出鏡的工作面中央處也可以為圓形工作面，或者輸出鏡的鏡面中央處為非工作面或空心。本發(fā)明還可以采用環(huán)形凹面反射鏡。本發(fā)明提供的激光諧振腔加工簡單，調(diào)整方便，工作穩(wěn)定，可利用的模體積大，發(fā)散角極小，光束質(zhì)量好?？梢杂糜谥?、高功率氣體或固體激光器，特別適用于大體積增益介質(zhì)和環(huán)形柱狀增益介質(zhì)。
文檔編號(hào)H01S3/08GK101262113SQ200810047418
公開日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2008年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月20日
發(fā)明者唐霞輝, 根 李, 秦應(yīng)雄, 程祖海, 瑜 肖, 肖龍勝 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)