[发明专利]平底锅形镜面激光谐振腔

说明书

技术领域

本发明涉及激光振荡技术中的谐振腔，具体地指一种平底锅形镜面激光谐振腔。

背景技术

在激光应用的许多场合，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小、光束质量好的基模或者是低阶模状态。传统的选模技术，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激光光束的模体积，增加了模损耗，从而导致激光器工作效率降低。

高功率激光器件设计的关键是在获得尽可能大的模体积和良好的横模鉴别能力的同时，实现高功率单模或者是低阶模式运转，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。高功率激光器件常用的激光谐振腔主要有稳定腔和非稳腔两类，稳定腔又分平行凹面稳定腔和平行平面稳定腔等。

平行凹面稳定腔的振荡损耗很低，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、小功率激光器件中都采用平行凹面稳定腔。但当我们要求激光器高功率基模运行时，由于平行凹面稳定腔的基模模体积太小，且与稳定腔镜面尺寸无关，这就意味着增大激活介质的横向尺寸或增大稳定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件的多横模运转，从而降低输出激光的光束质量。另外，在平行凹面稳定腔中使用硬边光阑可以得到基膜或者是低阶模式输出，但是硬边光阑的使用会导致激光器件的工作效率下降，并会在远场形成衍射环，这些都不利于实际的激光应用。

平行平面稳定腔是另一种广泛应用的稳定谐振腔，它由一平面反射镜和一平面部分反射镜组成。平行平面稳定腔的主要优点是其输出激光的发散角小，光束方向性极好，模体积较大，比较容易获得单模或者是低阶模式振荡。其主要缺点是调整精度要求极高且容易失调，与平行凹面稳定腔相比损耗也较大，对小增益器件不大适用。

与平行凹面稳定腔相比，激光谐振腔采用非稳腔时，其模式鉴别能力可显著提高。此外，非稳腔内的振荡波形为球面波，对工作介质动态折射率畸变等影响比较不敏感。因此，将其用于高增益激光器系统时，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，单程损耗很大，可达百分之几十。为获得高功率输出，激光工作介质的横向尺寸往往较大，因此衍射损耗可以忽略。由于非稳腔的损耗较大，通常需采用侧面逸出输出耦合，故输出大多为中空环状光束或者是矩形光束。这种腔的调整要求高，且不能应用于低增益的或细口径的各类激光器系统中。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，在一个相对较大的菲涅尔数范围内提供一种高光束质量激光输出的平底锅形镜面激光谐振腔。该谐振腔可以在保证激光光束质量的前提下，获得大模体积和高功率输出。

为实现上述目的，本发明所设计的平底锅形镜面激光谐振腔，包括在谐振腔体中相对布置的输出镜和反射镜、以及设置在输出镜和反射镜之间的激光工作介质，其特殊之处在于：所述输出镜和反射镜中至少有一个的工作面呈平底锅形，该平底锅形工作面由一个凹球环面内切连接一个圆形平面构成。

作为优选方案，所述凹球环面的曲率半径R与激光谐振腔长度L之间的关系为：L＜R＜10L，最佳的取值范围为：3L≤R≤7L。

进一步地，所述凹球环面的外径a与激光谐振腔长度L之间的关系为：1＜a²/(Lλ)＜15，其中λ表示激光器的工作波长。

更进一步地，所述圆形平面的直径b与凹球环面的外径a之比值为：b/a＝0.4～0.8。

本发明的作用机理如下：相对于传统的平行凹面稳定腔而言，由于输出镜和/或反射镜的工作面呈平底锅形结构，导致激光谐振腔的基模和低阶模式的光场不会集中在该平底锅形镜面的中心，而是均匀分布在整个镜面上，这样基模和低阶模式的体积就被扩大了，激光谐振腔的模式鉴别能力也被提高了。因此，本发明的谐振腔可以用来取代平行凹面稳定腔，提高输出激光光束的质量。相对于传统的平行平面稳定腔而言，尽管平底锅形镜面会导致谐振腔基模的体积扩大，但实际上这个时候低阶模式的衍射损耗相比平行平面稳定腔而言依然很小。因此，本发明谐振腔的输出功率比平行平面稳定腔的输出功率高，同时也能够保证谐振腔有较好的失调特性，可以用来取代平行平面稳定腔。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

其一，具有输出光束质量好、发散角小、模体积大、输出功率高的特点，能同时满足高光束质量和高功率的激光输出。

其二，能提供很高的模式鉴别能力，可以抑制高阶模式的振荡，保证谐振腔在低阶模式工作。