專(zhuān)利名稱(chēng)：光柵調(diào)諧非穩(wěn)定激光諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種適用于高功率光柵調(diào)諧的非穩(wěn)定激光諧振腔。
背景技術(shù)：
高功率激光器例如CO2激光器往往采用非穩(wěn)定激光諧振腔。在某些重要的應(yīng)用中需要激光輸出的波長(zhǎng)可調(diào)諧。現(xiàn)有的可調(diào)諧技術(shù)是將凹球面反射鏡用凸透鏡-反射式平面衍射光柵復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)來(lái)代替(參考文獻(xiàn)R.Barbini，A.Ghigo，A.Palucci，S.Ribezzo.Line tunable TEA CO2laser using SFUR configuration.Optics Communications，1988，68(1)41-44)。這個(gè)系統(tǒng)存在如下的缺點(diǎn)1.采用這種復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)的諧振腔的損耗較大。這是由于凸透鏡的兩個(gè)表面均要蒸涂抗反射膜，并且光柵的反射率即光柵的效率在現(xiàn)有的工藝水平下不可能很高，通常在90％至95％之間。2.光柵直接在高功率激光的照射下，易于損壞。3.所需的光柵尺寸很大，難以制作，價(jià)格較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的適用于高功率可調(diào)諧激光器的光柵調(diào)諧非穩(wěn)定激光諧振腔，采用光柵組成低損耗的諧振腔以實(shí)現(xiàn)高功率可調(diào)諧的激光輸出。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種光柵調(diào)諧非穩(wěn)定激光諧振腔，由凸球面反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡和位于其后的光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)組成，凸球面反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡和光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)共一光軸，且光柵法線與光軸成Littrow角。
所述的激光諧振腔，其所述凸球面反射鏡和帶中心孔的凹球面反射鏡，為金屬反射鏡、鍍金或鍍介質(zhì)膜的金屬反射鏡、鍍金或鍍介質(zhì)膜的硅基底反射鏡。
所述的激光諧振腔，其所述光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)，為一反射式凹球面衍射光柵。
所述的激光諧振腔，其所述光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)，還包括一會(huì)聚透鏡，會(huì)聚透鏡位于帶中心孔的凹球面反射鏡和光柵之間，凸球面反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡、會(huì)聚透鏡和光柵共一光軸。
所述的激光諧振腔，其所述光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)，還包括一凹面反射鏡，凹面反射鏡的凹面向前，位于帶中心孔的凹球面反射鏡和光柵后方。凸球面反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡和凹面反射鏡共一光軸；光柵位于凹面反射鏡的前側(cè)方，其反射面向后，與凹面反射鏡的凹面相對(duì)應(yīng)。
所述的激光諧振腔，其所述凹面反射鏡，為球面反射鏡或非球面反射鏡。
所述的激光諧振腔，其所述復(fù)合光柵會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)，還包括一擴(kuò)束器，擴(kuò)束器位于帶中心孔的凹球面反射鏡和其后的光柵之間，凸球面反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡、擴(kuò)束器和光柵共一光軸。
所述的激光諧振腔，其所述擴(kuò)束器，由發(fā)散透鏡和會(huì)聚透鏡組成，會(huì)聚透鏡位于發(fā)散透鏡后方，凸球面反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡、發(fā)散透鏡、會(huì)聚透鏡和光柵共一光軸。
所述的激光諧振腔，其所述擴(kuò)束器，由凸面反射鏡和凹面反射鏡組成，兩鏡的凸、凹面相對(duì)，凸面反射鏡的凸面向前，凹面反射鏡的凹面向后，凹面反射鏡位于凸面反射鏡的前側(cè)方；凸球面反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡和凸面反射鏡共一光軸。
所述的激光諧振腔，其所述凸面反射鏡和凹面反射鏡，為球面反射鏡或非球面反射鏡。
所述的激光諧振腔，其所述光柵，為反射式平面衍射光柵或反射式凹球面衍射光柵。
所述的激光諧振腔，其激光束直接從凸球面反射鏡的邊緣外耦合輸出。
所述的激光諧振腔，采用側(cè)面環(huán)狀激光輸出方式，則在凸球面反射鏡和帶中心孔的凹球面反射鏡之間設(shè)置帶中心孔的平面輸出耦合反射鏡，凸球面反射鏡、帶中心孔的平面輸出耦合反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡和光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)共一光軸，帶中心孔的平面輸出耦合反射鏡的法線與光軸之間有一傾角，傾角范圍為20°至70°。
本發(fā)明光柵調(diào)諧非穩(wěn)定激光諧振腔的腔損耗低，能輸出高的激光能量和激光功率，適用于二氧化碳激光器，一氧化碳激光器，氟化氫/氟化氘激光器等多種可調(diào)諧激光器，在激光化學(xué)，大氣傳輸、激光加工、激光雷達(dá)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是通常的無(wú)調(diào)諧的非穩(wěn)定激光諧振腔示意圖；圖2是現(xiàn)有的光柵調(diào)諧非穩(wěn)定激光諧振腔示意圖；圖3是本發(fā)明的光柵調(diào)諧非穩(wěn)定激光諧振腔示意圖；圖4是本發(fā)明的第一實(shí)施例；圖5是本發(fā)明的第二實(shí)施例；圖6是本發(fā)明的第三實(shí)施例；圖7是本發(fā)明的第四實(shí)施例；圖8是本發(fā)明的第五實(shí)施例；圖9是本發(fā)明的第六實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的特征及結(jié)構(gòu)，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。
參閱圖1通常無(wú)調(diào)諧的共焦正支非穩(wěn)腔示意圖。諧振腔由凸球面反射鏡1，帶中心孔的45°平面輸出耦合反射鏡2和凹球面反射鏡3組成。其中凸球面反射鏡的曲率半徑為R1，為發(fā)散的反射鏡，焦距為f1＝R1/2；凹球面反射鏡3的曲率半徑為R2，其為會(huì)聚的反射鏡，焦距為f2＝R2/2。凸球面反射鏡1和凹球面反射鏡3的間距為L(zhǎng)。帶中心孔的45°平面輸出耦合反射鏡2位于凸球面反射鏡1附近，中央部分開(kāi)有直徑為a的孔，該孔的軸線與平面鏡也成45°，如圖所示，實(shí)際上這是一個(gè)長(zhǎng)軸與短軸之比為 的橢圓孔。
按照通常的非穩(wěn)腔理論(例如可參考文獻(xiàn)A.E.Siegman.“Lasers”，Mill Valley，CaliforniaUniversity Science Books.1986)有如下關(guān)系L＝f2-f1M=f2f1]]>式中M為非穩(wěn)腔的放大率，L為諧振腔的腔長(zhǎng)。在凸球面反射鏡1上實(shí)際的光照直徑為a1，a1＝a。在平面輸出耦合反射鏡2上實(shí)際的光照直徑為a2，a2＝Ma。按照非穩(wěn)腔理論，對(duì)球面鏡諧振腔，腔內(nèi)往返一次的功率損失為 作為輸出耦合。相應(yīng)的增益反饋為 圖2所示的現(xiàn)有的光柵調(diào)諧非穩(wěn)定激光諧振腔和圖1所示的通常的無(wú)調(diào)諧的非穩(wěn)定激光諧振腔的區(qū)別是會(huì)聚透鏡4和反射式平面衍射光柵組成復(fù)合的光學(xué)系統(tǒng)代替了凹球面反射鏡3。該復(fù)合的光學(xué)系統(tǒng)的等效會(huì)聚焦距與凹球面反射鏡3的焦距f2相同，因此圖2的諧振腔對(duì)于符合光柵自準(zhǔn)直條件的波長(zhǎng)與圖1標(biāo)準(zhǔn)的非穩(wěn)腔是類(lèi)似的，僅僅是這個(gè)復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)的有效反射率低于標(biāo)準(zhǔn)的全反射鏡。
光柵的自準(zhǔn)直條件是Littrow條件2dSinα＝λ。式中d為光柵常數(shù)，α為光柵法線與諧振腔光軸的夾角，λ為激光波長(zhǎng)。
圖3是本發(fā)明的光柵調(diào)諧非穩(wěn)定激光諧振腔示意圖。本發(fā)明激光諧振腔由凸球面反射鏡1、中心帶孔的45°平面輸出耦合反射鏡2、帶中心孔的凹球面反射鏡6和光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)20組成，其中光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)20由擴(kuò)束器7和反射式衍射光柵5組成，凸球面反射鏡1、帶中心孔的凹球面反射鏡6，擴(kuò)束器7和反射式衍射光柵5共一光軸。帶中心孔的凹球面反射鏡6的焦距與圖1的凹球面反射鏡3相同，均為f2。帶中心孔的凹球面反射鏡6上的中心孔的直徑與45°平面輸出耦合反射鏡2上的孔的直徑相同，即為a。擴(kuò)束器7與光柵5組成的光柵復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)20的等效焦距也是f2。按照本發(fā)明的設(shè)計(jì)，由凹球面反射鏡6和光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)20組成的等效會(huì)聚焦距為f2，即與圖1中的凹球面反射鏡3相同。凹球面反射鏡6是高反射率的光學(xué)元件，例如對(duì)于CO2激光器，采用鍍金的銅反射鏡，其反射率可達(dá)99％以上。由于凹球面反射鏡6在整個(gè)由凹球面反射鏡6和光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)20組成的等效光學(xué)系統(tǒng)中所占的面積的百分比很大，為 因此該等效光學(xué)系統(tǒng)的損耗很小，效率很高。此外在光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)20中采用了擴(kuò)束器7，光柵5上的激光強(qiáng)度也將大大下降，從而防止了光柵5受強(qiáng)激光作用而破壞。為了使激光器能夠在高功率下運(yùn)轉(zhuǎn)，光柵5和反射鏡6可采用高熱導(dǎo)率基底材料制造并且用冷卻液冷卻。
圖4是本發(fā)明的第一實(shí)施例，其中由凹透鏡8和凸透鏡9組成了擴(kuò)束器7。
圖5是本發(fā)明的第二實(shí)施例，其中由凸面反射鏡10和凹面反射鏡11組成擴(kuò)束器7，兩鏡的凸、凹面相對(duì)，凸面反射鏡10的凸面向前，凹面反射鏡11的凹面向后，凹面反射鏡11位于凸面反射鏡10的前側(cè)方；凸球面反射鏡1、帶中心孔的凹球面反射鏡6和凸面反射鏡10共一光軸。凸面反射鏡10和凹面反射鏡11是球面反射鏡。為了減小光學(xué)象差，提高激光束的光學(xué)質(zhì)量，這兩個(gè)反射鏡也可采用非球面反射鏡。
圖6是本發(fā)明的第三實(shí)施例，是一種簡(jiǎn)化情形，光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)20中不采用擴(kuò)束器7，由一個(gè)會(huì)聚透鏡12代替。會(huì)聚透鏡12位于帶中心孔的凹球面反射鏡6和其后的反射式衍射光柵5之間，帶中心孔的凹球面反射鏡6、會(huì)聚透鏡12和反射式衍射光柵5共一光軸。
圖7是本發(fā)明的第四實(shí)施例，是另一種簡(jiǎn)化情形，光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)20中不采用擴(kuò)束器7，由一個(gè)凹面反射鏡13代替，凹面反射鏡13的凹面向前，位于帶中心孔的凹球面反射鏡6和反射式衍射光柵5后方，帶中心孔的凹球面反射鏡6和凹面反射鏡13共一光軸；反射式衍射光柵5位于凹面反射鏡13的前側(cè)方，其反射面向后，與凹面反射鏡13的凹面相對(duì)應(yīng)。凹面反射鏡13是球面反射鏡。為了減小光學(xué)象差，提高激光束的光學(xué)質(zhì)量，這個(gè)反射鏡13也可采用非球面反射鏡。
圖8是本發(fā)明的第五實(shí)施例，是本發(fā)明的進(jìn)一步簡(jiǎn)化情形，光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)20為一反射式凹球面衍射光柵14。
圖9是本發(fā)明的第六實(shí)施例，其中不設(shè)置帶中心孔的45°平面輸出耦合反射鏡，激光束直接從凸球面反射鏡1的邊緣外耦合輸出。
權(quán)利要求
1.一種光柵調(diào)諧非穩(wěn)定激光諧振腔，由凸球面反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡和位于其后的光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)組成，其特征在于該非穩(wěn)定激光諧振腔包括一帶中心孔的凹球面反射鏡和位于其后的光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)；凸球面反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡和光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)共一光軸，且光柵法線與光軸成Littrow角。
2.如權(quán)利要求1所述的激光諧振腔，其特征在于所述凸球面反射鏡和帶中心孔的凹球面反射鏡，為金屬反射鏡、鍍金或鍍介質(zhì)膜的金屬反射鏡、鍍金或鍍介質(zhì)膜的硅基底反射鏡。
3.如權(quán)利要求1所述的激光諧振腔，其特征在于所述光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)，為一反射式凹球面衍射光柵。
4.如權(quán)利要求1所述的激光諧振腔，其特征在于所述光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)，還包括一會(huì)聚透鏡，會(huì)聚透鏡位于帶中心孔的凹球面反射鏡和光柵之間，凸球面反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡、會(huì)聚透鏡和光柵共一光軸。
5.如權(quán)利要求1所述的激光諧振腔，其特征在于所述光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)，還包括一凹面反射鏡，凹面反射鏡的凹面向前，位于帶中心孔的凹球面反射鏡和光柵后方；凸球面反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡和凹面反射鏡共一光軸；光柵位于凹面反射鏡的前側(cè)方，其反射面向后，與凹面反射鏡的凹面相對(duì)應(yīng)。
6.如權(quán)利要求5所述的激光諧振腔，其特征在于所述凹面反射鏡，為球面反射鏡或非球面反射鏡。
7.如權(quán)利要求1所述的激光諧振腔，其特征在于所述復(fù)合光柵會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)，還包括一擴(kuò)束器，該擴(kuò)束器位于帶中心孔的凹球面反射鏡和其后的光柵之間，凸球面反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡、擴(kuò)束器和光柵共一光軸。
8.如權(quán)利要求7所述的激光諧振腔，其特征在于所述擴(kuò)束器，由發(fā)散透鏡和會(huì)聚透鏡組成，會(huì)聚透鏡位于發(fā)散透鏡后方，凸球面反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡、發(fā)散透鏡、會(huì)聚透鏡和光柵共一光軸。
9.如權(quán)利要求7所述的激光諧振腔，其特征在于所述擴(kuò)束器，由凸面反射鏡和凹面反射鏡組成，兩鏡的凸、凹面相對(duì)，凸面反射鏡的凸面向前，凹面反射鏡的凹面向后，凹面反射鏡位于凸面反射鏡的前側(cè)方；凸球面反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡和凸面反射鏡共一光軸。
10.如權(quán)利要求9所述的激光諧振腔，其特征在于所述凸面反射鏡和凹面反射鏡，為球面反射鏡或非球面反射鏡。
11.如權(quán)利要求4、5、7、8和9所述的激光諧振腔，其特征在于所述光柵，為反射式平面衍射光柵或反射式凹球面衍射光柵。
12.如權(quán)利要求1所述的激光諧振腔，其特征在于激光束直接從凸球面反射鏡的邊緣外耦合輸出。
13.如權(quán)利要求1所述的激光諧振腔，其特征在于采用側(cè)面環(huán)狀激光輸出方式，在凸球面反射鏡和帶中心孔的凹球面反射鏡之間設(shè)置帶中心孔的平面輸出耦合反射鏡，凸球面反射鏡、帶中心孔的平面輸出耦合反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡和光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)共一光軸，帶中心孔的平面輸出耦合反射鏡的法線與光軸之間傾角為20°至70°。
全文摘要
本發(fā)明是一種光柵調(diào)諧非穩(wěn)定激光諧振腔，適用于高功率光柵調(diào)諧的非穩(wěn)定激光諧振腔，涉及激光器件。本發(fā)明激光諧振腔，是由凸球面反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡和位于其后的光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)組成，凸球面反射鏡、帶中心孔的凹球面反射鏡和光柵復(fù)合會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)共一光軸，且光柵法線與光軸成Littrow角。光柵為反射式凹球面衍射光柵或反射式平面衍射光柵。本發(fā)明光柵調(diào)諧非穩(wěn)定激光諧振腔的腔損耗低，能輸出高的激光能量和激光功率，適用于二氧化碳激光器，一氧化碳激光器，氟化氫/氟化氘激光器等多種可調(diào)諧激光器，在激光化學(xué)，大氣傳輸、激光加工、激光雷達(dá)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01S3/08GK1761110SQ20041008118
公開(kāi)日2006年4月19日 申請(qǐng)日期2004年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月11日
發(fā)明者于延寧, 萬(wàn)重怡 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所