一种高效稳定的抛物面镜离轴非稳腔制造技术

本实用新型专利技术公开了一种高效稳定的抛物面镜离轴非稳腔，一组凸‑凹球面镜在x方向上构成离轴正支共焦非稳腔，而一组凹‑凹球面镜则构成离轴负支共焦非稳腔；抛物面镜作为腔镜时谐振腔中球差为0，而球面镜作为腔镜时球差并不为0；对于板条激光器而言，离轴非稳腔与对称非稳定共焦腔相比，其输出光束的远场分布中旁瓣数目减少，旁瓣中包含的能量大幅减少，且输出光束的光束质量大幅提升，因此板条激光器一般采用离轴非稳腔结构。采用抛物面镜作为腔镜比采用球面镜效率更高稳定性更优，并且抛物面镜非共焦腔的性能又优于抛物面镜共焦腔。因此抛物面镜离轴非共焦腔更适用于板条激光器。

An efficient and stable off-axis unstable resonator with parabolic mirror

The utility model discloses an efficient and stable off-axis unstable resonator of parabolic mirrors, in which a group of convex and concave spherical mirrors constitute an off-axis positive-branch confocal unstable resonator in the X direction, while a group of concave and concave spherical mirrors constitute an off-axis negative-branch confocal unstable resonator; the spherical aberration of the resonator is 0 when the parabolic mirror acts as a cavity mirror, while the spherical aberration of the spherical mirror acts as a cavity mirror is not 0; for slab lasers, the off-axis confocal unstable Compared with symmetrical unstable confocal resonator, the number of sidelobes in the far-field distribution of the output beam of unstable resonator is reduced, the energy contained in the sidelobes is greatly reduced, and the beam quality of the output beam is greatly improved. Therefore, slab lasers generally adopt an off-axis unstable resonator structure. Parabolic mirror is more efficient and stable than spherical mirror, and the performance of non-confocal cavity is better than that of confocal cavity. Therefore, off-axis non-confocal cavity with parabolic mirror is more suitable for slab lasers.

【技术实现步骤摘要】
一种高效稳定的抛物面镜离轴非稳腔
本技术涉及板条激光器
，更具体地说，它涉及一种高效稳定的抛物面镜离轴非稳腔。
技术介绍
随着“面增比”技术的提出，采用板条状增益介质的激光器迅速发展，出现了如射频板条CO2激光器、半导体泵浦的固体板条激光器、板条激光放大器等各种类型的产品。这些产品在工业激光加工、科学研究等领域有广泛而重要的应用。由于板条激光器中较薄增益介质良好的热交换特性，采用扩散冷却的方式即可实现高效的冷却，也使激光器的结构更加紧凑。而采用非稳-波导混合腔能很好的匹配板条状增益介质从而获得高光束质量的激光输出，因此非稳-波导混合腔在板条激光器中被广泛采用。非稳腔按照光束的传输特性可分为对称非稳腔与离轴非稳腔两种。其结构分别如下图1-4所示，图中F表示焦点，a为输出镜半宽，M为谐振腔放大率，L为谐振腔长度。相比离轴非稳腔与对称非稳定共焦腔相比，其输出光束的远场分布中旁瓣数目减少，旁瓣中包含的能量大幅减少，且输出光束的光束质量M2因子仅为对称腔的1/5，因此板条激光器一般采用离轴非稳腔结构。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本技术的目的在于提供一种高效稳定的抛物面镜离轴非稳腔，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：一种高效稳定的抛物面镜离轴非稳腔，一组凸-凹球面镜在x方向上构成离轴正支共焦非稳腔，而一组凹-凹球面镜则构成离轴负支共焦非稳腔；抛物面镜作为腔镜时谐振腔中球差为0，而球面镜作为腔镜时球差并不为0，球差会对激光谐振腔的工作产生不良影响。作为本技术进一步的方案，腔长为L＝(R1+R2)/2，非稳腔放大率M＝-R2/R1，M2镜为谐振腔尾镜，M1镜为耦合输出镜，M1、M2镜的曲率半径分别为R1和R2，且M1，M2均为抛物面镜，y方向则为一维波导腔，a为输出镜的半宽，d为增益区的厚度，激光从M1镜的边缘耦合输出，β为谐振腔输出光束所在平面，采用抛物面镜作为腔镜时谐振腔中球差为0，而球面镜作为腔镜时球差并不为0因此采用双抛物面腔镜能消除球差带来的不良影响。作为本技术进一步的方案，坐标原点为V0，即圆锥曲面的顶点，图中A点的坐标为(xc,yc,zc)。对于离心率为e，曲率半径的R为圆锥曲面，可通过下式描述：A点距离z轴的距离rc为：rc＝(xc2+yc2)1/2不同的圆锥曲面可通过其离心率的取值描述：球面的离心率e＝0，抛物面的离心率e＝1，e<1时椭球面，e>1为双曲面。孔径光阑为镜面位置的抛物面镜，e＝1，平行光或者是焦点处的物其球差系数asc＝(1/4R3+Fa)＝0,而球面镜此时的球差系数为ass＝1/4R3。因此当板条激光器中采用抛物面腔镜时谐振腔不会受到镜面球差的影响。作为本技术进一步的方案，以2kW射频板条CO2激光器为例进行分析。当谐振腔失调角度在±6mrad范围内时对应的功率提取效率如图8所示，失调时抛物面镜谐振腔功率提取效率的变化规律同球面镜谐振腔类似，当失调角度超出±3mrad的范围时，谐振腔的功率提取效率显著下降。经计算当失调角度在±6mrad范围内时抛物面镜谐振腔的功率提取效率比球面镜谐振腔高5.6％。作为本技术进一步的方案，当腔长不变时，抛物面镜谐振腔的提取效率为0.544，腔长减小时功率提取效率在0.54左右波动，而腔长增加时功率提取效率呈下降趋势；腔长减小时提取效率在0至-1.8mm的范围内有所提升，继续减小腔长谐振腔的提取效率会一直在0.535左右波动，当腔长减小超过3mm时仍然是这种情况，当腔长增加时功率提取效率的变化规律与抛物面镜谐振腔类似。当腔长与共焦腔腔长相比，在-1mm至1mm范围内变化时，抛物面镜谐振腔的功率提取效率比球面镜谐振腔高3.5％；结果表明抛物面镜谐振腔能消除球差的影响且使得激光器的稳定性和效率得到了提升。因此抛物面镜谐振腔是板条激光器的最佳选择。作为本技术进一步的方案，2kW射频板条CO2激光器谐振腔中其他参数保持不变，仅将两面腔镜的曲率半径改变，当曲率半径增加时功率提取效率是在波动变化，当曲率半径增加2mm时功率提取效率达到最大值为0.553，而腔镜曲率不改变，即共焦时功率提取效率为0.544。作为本技术进一步的方案，对腔镜曲率半径均增加2mm的非共焦腔进行分析，当失调角度在±6mrad范围内时非共焦腔的功率提取效率比共焦腔高3.1％，当失调角度在±6mrad范围内时非共焦腔的功率提取效率比共焦腔高3.1％。综上所述，本技术与现有技术相比具有以下有益效果：对于板条激光器而言，离轴非稳腔与对称非稳定共焦腔相比，其输出光束的远场分布中旁瓣数目减少，旁瓣中包含的能量大幅减少，且输出光束的光束质量大幅提升，因此板条激光器一般采用离轴非稳腔结构。采用抛物面镜作为腔镜比采用球面镜效率更高稳定性更优，并且抛物面镜非共焦腔的性能又优于抛物面镜共焦腔。因此抛物面镜离轴非共焦腔更适用于板条激光器。为更清楚地阐述本技术的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本技术进行详细说明。附图说明图1为对称正支共焦腔的结构示意图。图2为对称负支共焦腔的结构示意图。图3为离轴非稳共焦腔中离轴正支腔的结构示意图。图4为离轴非稳共焦腔中离轴负支腔的结构示意图。图5为本技术中离轴非稳-波导混合腔的整体示意图。图6为本技术中离轴非稳-波导混合腔的非稳方向示意图。图7为本技术的圆锥曲面示意图。图8为本技术的不同谐振腔失调时的功率提取效率示意图。图9为本技术的腔长变化时不同类型谐振腔的功率提取效率示意图。图10为本技术的抛物面镜腔腔镜曲率半径改变时对应的功率提取效率示意图。图11为本技术的抛物镜非稳腔的抛物面镜非共焦腔结构示意图。图12为本技术的抛物镜非稳腔的抛物面镜共焦腔结构示意图。图13为本技术的抛物面镜共焦腔和非共焦腔失调时功率提取效率的比较示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本技术的技术方案做进一步的说明。一种高效稳定的抛物面镜离轴非稳腔，参见图5、图6的离轴非稳-波导混合腔示意图，M2镜为谐振腔尾镜，M1镜为耦合输出镜，M1、M2镜的曲率半径分别为R1和R2，腔长为L＝(R1+R2)/2，非稳腔放大率M＝-R2/R1。一组凸-凹球面镜在x方向上构成离轴正支共焦非稳腔，而一组凹-凹球面镜则构成离轴负支共焦非稳腔；且M1，M2均为抛物面镜，y方向则为一维波导腔，a为输出镜的半宽，d为增益区的厚度，激光从M1镜的边缘耦合输出，β为谐振腔输出光束所在平面。一般激光器谐振腔中的腔镜均采用的是球面镜。板条激光器输出功率的提高可通过增加增益区的面积，因此在高功率板条激光器中增益介质的横向尺寸一般较大，从而使得非稳方向上腔镜的尺寸随之增大，导致谐振腔中产生不可忽略的球差，而球差必然会对激光器的输出特性产生不利影响。但采用抛物面镜作为腔镜时谐振腔中球差为0。因此采用双抛物面腔镜能消除球差带来的不良影响。参见图7为圆锥曲面的示意图，图中实线表示圆锥曲面，虚线描述的是球面，坐标原点为V0，即圆锥曲面的顶点，图中A点的坐标为(xc,yc,zc)，对于离心率为e，曲率半径的R为圆锥曲面，可通过下式描述：A点距离z轴的距离rc为：rc＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效稳定的抛物面镜离轴非稳腔，其特征在于，一组凸‑凹球面镜在x方向上构成离轴正支共焦非稳腔，而一组凹‑凹球面镜则构成离轴负支共焦非稳腔，抛物面镜作为腔镜时谐振腔中球差为0，而球面镜作为腔镜时球差不为0。

【技术特征摘要】
1.一种高效稳定的抛物面镜离轴非稳腔，其特征在于，一组凸-凹球面镜在x方向上构成离轴正支共焦非稳腔，而一组凹-凹球面镜则构成离轴负支共焦非稳腔，抛物面镜作为腔镜时谐振腔中球差为0，而球面镜作为腔镜时球差不为0。2.根据权利要求1所述的一种高效稳定的抛物面镜离轴非稳腔，其特征在于，腔长为L＝(R1+R2)/2，非稳腔放大率M＝-R2/R1，M2镜为谐振腔尾镜，M1镜为耦合输出镜，M1、M2镜的曲率半径分别为R1和R2，且M1，M2均为抛物面镜，y方向则为一维波导腔，a为输出镜的半宽，d为增益区的厚度，激光从M1镜的边缘耦合输出，β为谐振腔输...

【专利技术属性】
技术研发人员：王炜，杨晟，李勇，赵鑫，肖彬，
申请(专利权)人：王炜，
类型：新型
国别省市：湖北,42