專利名稱:闌孔非穩(wěn)腔的制作方法
本發(fā)明屬于激光諧振腔領(lǐng)域。
大功率橫向激勵(lì)氣體激光器由于增益區(qū)截面積較大，往往采用大口徑鏡片組成的諧振腔耦合輸出，但由于其衍損耗較小，而無(wú)法抑制高階模振蕩，因此輸出光束的發(fā)散角很大，給激光加工帶來(lái)了致命弱點(diǎn)。
目前，通常采用的方法是光闌選模法、多折腔和非穩(wěn)腔。光闌選模法因損失了大部分增益區(qū)，所以造成輸出功率大幅度下降;多折腔是利用增加有效腔長(zhǎng)來(lái)提高衍射損耗，從而達(dá)到抑制高階模的目的，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以調(diào)整，輸出功率也有較大幅度的下降;共焦非穩(wěn)腔能實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)基模振蕩，并能充分利用增益區(qū)，但僅能輸出空心平面波，但這種光束在其遠(yuǎn)場(chǎng)分布中除了中心主極大外，還存在著多階次極大，給激光加工帶來(lái)了不利因素，且因非穩(wěn)腔采用的是側(cè)向輸出，所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以調(diào)整。
為了解決上述不足，本發(fā)明提出了一種闌孔非穩(wěn)腔，采用軸向耦合輸出方式，既能實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)基模振蕩，充分利用增益區(qū)，又能實(shí)現(xiàn)實(shí)心模輸出。由腔內(nèi)的基模輸出方式，使遠(yuǎn)場(chǎng)具有距離可調(diào)雙焦點(diǎn)。
本發(fā)明的內(nèi)容包括由凹面全反鏡、環(huán)形全反鏡、凸面輸出鏡或凹面輸出鏡、環(huán)形全反鏡、凸面全反鏡組成，構(gòu)成闌孔共焦非穩(wěn)腔。凹面全反鏡與環(huán)形全反鏡、凸面輸出鏡位于同光軸;凹面輸出鏡與環(huán)形全反鏡、凸面全反鏡位于同光軸。凸面輸出鏡的內(nèi)曲率半徑R2與外曲率半徑R3相等，凹面輸出鏡的內(nèi)曲率半徑R1與外曲率半徑R4相等。該腔內(nèi)振蕩的基模輸出方式可以是輸出平面波與輸出會(huì)聚球面波，其遠(yuǎn)場(chǎng)具有距離可調(diào)的雙焦點(diǎn);也可以是輸出平面波與輸出發(fā)散球面波，其遠(yuǎn)場(chǎng)具有距離可調(diào)的雙焦點(diǎn)。該腔輸出方式可以采用軸向輸出，可獲得實(shí)心的光束近場(chǎng)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.采用光闌選模法獲得的基?；蝾惢５妮敵龉β始s為相應(yīng)多模穩(wěn)腔的40%-45%;用多折腔所能獲得的基模或類基模的輸出功率約為相應(yīng)多模穩(wěn)腔的60%左右;用傳統(tǒng)非穩(wěn)腔所能獲得的功率約為相應(yīng)多模穩(wěn)腔的65%左右。而闌孔非穩(wěn)腔所能輸出的基模功率是多模穩(wěn)腔的65%以上，遠(yuǎn)場(chǎng)處的最小光斑面積則只有多模穩(wěn)腔的九分之一，因而相應(yīng)的功率密度提高了約5-6倍。
2.本發(fā)明具有雙焦點(diǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)特點(diǎn)。因此，為激光加工如打孔、切割、深焊等提供了一項(xiàng)新技術(shù)，且對(duì)提高切縫光潔度、提高加工速度均有好處。
3.本發(fā)明的光電效率與共焦非穩(wěn)腔相當(dāng)，但有更好的遠(yuǎn)場(chǎng)分布及近場(chǎng)分布，其遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角約為1.7毫弧度。而傳統(tǒng)非穩(wěn)腔輸出的激光的發(fā)散角為5.7毫弧度，因此明顯改善了光束質(zhì)量。
4.本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，易于調(diào)整。
及發(fā)明實(shí)施圖1為一種闌孔非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)圖。
這種闌孔非穩(wěn)腔是在共焦非穩(wěn)腔的基礎(chǔ)上，用一環(huán)形全反鏡(2)將即要輸出的環(huán)狀平面波全部反射回腔內(nèi)，再經(jīng)腔內(nèi)往返振蕩多次，再?gòu)耐姑孑敵鲧R(3)中心透射區(qū)耦合輸出，這時(shí)光闌的等效孔徑相當(dāng)于圖中的ωo。光闌外的增益區(qū)(8)通過鏡片口徑M的選擇，可被全部利用。由于腔內(nèi)激光存在兩個(gè)振蕩方向，所以腔內(nèi)自左向右振蕩的平面波(6)輸出一個(gè)口徑為ωo的實(shí)心平面波(4)，腔內(nèi)自右向左振蕩的平面波(7)經(jīng)凹面全反鏡(1)反射后，輸出口徑為ωo的實(shí)心會(huì)聚球面波(5)，二者在遠(yuǎn)場(chǎng)處的焦點(diǎn)不重合，從而為激光加工提供了雙焦點(diǎn)特點(diǎn)。為了避免凸面輸出鏡內(nèi)反射對(duì)腔內(nèi)模式的不良影響，該凸面輸出鏡(3)的內(nèi)、外曲率半徑必須相等，即R2＝R3。
圖2為另一種闌孔非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)圖。
這種闌孔非穩(wěn)腔是在共焦非穩(wěn)腔的基礎(chǔ)上，用一環(huán)形全反鏡(2)將即要輸出的環(huán)狀平面波(11)全部反射回腔內(nèi)，而從凹面輸出鏡(9)耦合輸出，凸面全反鏡(10)與凹面輸出鏡(9)構(gòu)成共焦腔，這時(shí)光闌的等效孔徑相當(dāng)于圖中的φ。這樣可以輸出口徑為M的實(shí)心平面波(4)和與其夾角極小的實(shí)心發(fā)散球面波(12)，二者在遠(yuǎn)場(chǎng)處的焦點(diǎn)不重合，從而為激光加工提供了雙焦點(diǎn)特點(diǎn)。為了避免凹面輸出鏡內(nèi)反射對(duì)腔內(nèi)模式的不良影響，該凹面輸出鏡(10)的內(nèi)、外曲率半徑必須相等，即R1＝R4。
圖3(a)為闌孔非穩(wěn)腔輸出的近場(chǎng)圖。
實(shí)驗(yàn)表明它是均勻蜂窩狀的光強(qiáng)分布，與傳統(tǒng)的各類諧振腔不同。
圖3(b)為闌孔非穩(wěn)腔的光束遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖。
其中兩種波的遠(yuǎn)場(chǎng)相互疊加，圖中△為雙焦點(diǎn)距離。
圖3(c)為闌孔非穩(wěn)腔失諧時(shí)光束的遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖。這時(shí)兩種波的遠(yuǎn)場(chǎng)分布錯(cuò)開而無(wú)法重疊。
圖3(d)為闌孔非穩(wěn)腔的輸出激光在遠(yuǎn)場(chǎng)中的最小光斑尺寸，其中直徑為d1。
圖3(e)為相應(yīng)穩(wěn)腔多模輸出在遠(yuǎn)場(chǎng)處的最小光斑尺寸，其中直徑為d2。
實(shí)驗(yàn)表明d1≈d2/3，即可大大提高激光的聚焦特性。
闌孔(共焦)非穩(wěn)腔適用于大體積放電的氣體激光器，尤其適用于大功率橫向激勵(lì)連續(xù)CO2激光器。
權(quán)利要求
1.一種闌孔非穩(wěn)腔，其特征在于該非穩(wěn)腔由凹面全反鏡(1)或凹面輸出鏡(9)、環(huán)形全反鏡(2)、凸面輸出鏡(3)或凸面全反射鏡(10)組成，構(gòu)成闌孔共焦非穩(wěn)腔，凹面全反鏡(1)與環(huán)形全反鏡(2)、凸面輸出鏡(3)或凹面輸出鏡(9)與環(huán)形全反鏡(2)、凸面全反鏡(10)同光軸，所說的凸面輸出鏡(3)的內(nèi)曲率半徑R2等于外曲率半徑R3或所說的凹面輸出鏡(9)的內(nèi)曲率半徑R1等于外曲率半徑R4。
2.一種如權(quán)利要求
1所述的闌孔非穩(wěn)腔，其特征在于腔內(nèi)振蕩的基模輸出方式為輸出平面波(4)與輸出會(huì)聚球面波(5)或輸出平面波(4)與輸出發(fā)散球面波(12)，其遠(yuǎn)場(chǎng)具有距離可調(diào)的雙焦點(diǎn)。
3.一種如權(quán)利要求
1，2所述的闌孔非穩(wěn)腔，其特征在于該腔輸出方式采用可獲得光束近場(chǎng)為實(shí)心軸向輸出。
專利摘要
一種可適用于大增益區(qū)大功率橫向激勵(lì)氣體激光器的闌孔非穩(wěn)腔。該腔采用軸向出光方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)整，結(jié)合了闌孔選模和共焦非穩(wěn)腔的所有優(yōu)點(diǎn)，在腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)了能充分利用增益區(qū)的基模振蕩。近場(chǎng)輸出實(shí)心的平面波及與其夾角很小的實(shí)心球面波，顯著改善了光束質(zhì)量，且該腔為激光加工提供了距離可調(diào)的雙焦點(diǎn)遠(yuǎn)場(chǎng)激光分布。
文檔編號(hào)H01S3/08GK87100271SQ87100271
公開日1988年7月27日 申請(qǐng)日期1987年1月13日
發(fā)明者張宗真, 丘軍林, 龔志偉, 孫書華, 唐宗化 申請(qǐng)人:華中工學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan