大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔的设计方法及谐振腔

摘要

本发明公开了一种大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔的设计方法及谐振腔，属于激光领域，方法包括：S1，设置初始自由曲面面型并进行多维变换，S2，将裸腔情况下最大单模功率因子对应面型设置为下次迭代的初始自由面型；S3，重复执行S1‑S2，并将最后一次执行S2时得到的最大单模功率因子对应的面型设置为全局最优自由曲面面型；S4，计算含增益模型情况下全局最优自由曲面面型的激光模式和输出功率；S5，调整光束质量控制因子，并将全局最优自由曲面面型设置为下次迭代的初始自由曲面面型；S6，重复执行S1‑S5，直至最后一次执行S4时得到的激光模式和输出功率满足预期目标。在全方面考虑光束质量评价方式的同时，提高计算效率和准确率。

说明书

技术领域

本发明属于激光领域，更具体地，涉及一种大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔的设计方法及谐振腔。

背景技术

随着激光在现代工业中被广泛应用，很多领域中对激光光束质量提出了更高的要求。光束质量越好，发散角越低，焦点处功率密度就越高。光束质量由激光谐振腔的性能决定。常用激光器如固体碟片激光器等采用大菲涅尔数激光谐振腔，其横向尺寸增大，不可避免地产生高阶模式产生激射，使得大菲涅尔数激光谐振腔处于多模工作状态，严重影响光束质量。如何改善大菲涅尔数激光谐振腔的光束质量成为目前急需解决的问题。

常用的改善激光谐振腔输出光束质量的方法有两种，都是通过增加腔内高阶模式的损耗来实现。第一种方法是使用腔内硬边光阑来抑制高阶激光模式的产生，这种方法导致激光器工作效率下降。另外一种常用方法是增加激光谐振腔的有效长度，这种方法导致激光器结构复杂，谐振腔失调、稳定性恶化等问题。因此这些方法都不适用于改善大菲涅尔数激光谐振腔的输出光束质量。对于大菲涅尔数自由曲面镜谐振腔，目前缺乏一个较完整的理论模型和有效优化设计方法，这直接影响到大菲涅尔数自由曲面镜谐振腔的设计、工作性能的优化以及其在工业上应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔的设计方法及谐振腔，其目的在于在全方面考虑光束质量评价方式的同时，提高计算效率和准确率，以解决现有大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔理论分析模型的不足和其性能评价方法的局限性问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔的设计方法，包括：S1，设置激光谐振腔的初始自由曲面面型，并对所述初始自由曲面面型作多维变换，得到多个变换自由曲面面型；S2，分别计算裸腔情况下所述初始自由曲面面型和各所述变换自由曲面面型中基模的单模功率因子，将所述单模功率因子中最大单模功率因子对应的面型设置为下次迭代的初始自由曲面面型；S3，重复执行所述S1-S2，直至执行次数或多维变换幅度达到相应的阈值，并将最后一次执行S2时得到的最大单模功率因子对应的面型设置为全局最优自由曲面面型；S4，计算含增益模型情况下所述全局最优自由曲面面型的激光模式和输出功率；S5，根据所述激光模式和输出功率调整光束质量控制因子，并将所述全局最优自由曲面面型设置为下次迭代的初始自由曲面面型；S6，重复执行所述S1-S5，直至最后一次执行S4时得到的激光模式和输出功率满足预期目标，根据最后一次执行S4时的全局最优自由曲面面型和光束质量控制因子设计所述激光谐振腔。

更进一步地，所述单模功率因子为：

其中，P为所述单模功率因子，A为所述光束质量控制因子，I

更进一步地，所述谐振腔特征矩阵为：

L＝M

其中，M

更进一步地，当傍轴近似公式成立时，所述S1中设置的初始自由曲面面型为凹面镜面型。

更进一步地，所述S2中利用模式搜索算法在所述单模功率因子中搜索出所述最大单模功率因子。

更进一步地，所述S4中将所述全局最优自由曲面面型代入设置有增益模型的Fox-Li迭代中，计算所述激光模式和输出功率。

更进一步地，所述预期目标包括：所述激光模式中的激光具有准平顶分布，且激光光斑宽度与工作物质的横向尺寸之间的差值小于预设阈值；所述输出功率大于功率阈值。

按照本发明的另一个方面，提供了一种谐振腔，所述谐振腔由如上所述的大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔的设计方法设计得到。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：本发明选用基模单模功率因子作为优化目标函数，首先根据基模单模功率因子对自由曲面面型进行优化，在得到全局最优的自由曲面面型之后，根据最终输出的激光模式和功率对光束质量控制因子进行优化，再重复对自由曲面面型和光束质量控制因子进行优化，直至得到理想的激光输出模式和激光光束输出质量，综合考虑了谐振腔结构尺寸、衍射损耗及增益系数等因素，克服了传统谐振腔设计方法用来衡量一个模式竞争能力方法存在的不能较全面的反映谐振腔的性能的问题；建立了大菲涅尔数自由曲面镜谐振腔模型，不同于普通的大曲率球面镜谐振腔，考虑到了自由曲面谐振腔中自由曲面镜对激光模式的控制作用，将特征矩阵传输方法与矢量衍射积分结合起来分析裸腔特征模式，建立了一个能综合考虑增益分布、面形加工误差、腔镜失调、内含热透镜等复杂因素的模型，提高了衍射积分过程的精确性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔的设计方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔的设计方法的实施过程图；

图3为本发明实施例提供的自由曲面镜激光谐振腔的结构示意图；

图4A为本发明设计的自由曲面镜激光谐振腔近场强度的仿真与实验的结果对比图；

图4B为本发明设计的自由曲面镜激光谐振腔远场强度的仿真与实验的结果对比图；

图5A为本发明设计的自由曲面腔与平凹腔的近场强度对比图；

图5B为本发明设计的自由曲面腔与平凹腔的远场强度对比图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为空间光调制器，2为布儒斯特片，3为工作物质，4为输出镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

图1为本发明实施例提供的大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔的设计方法的流程图。参阅图1，结合图2，对本实施例中大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔的设计方法进行详细说明。方法包括操作S1-操作S6。

操作S1，设置激光谐振腔的初始自由曲面面型，并对初始自由曲面面型作多维变换，得到多个变换自由曲面面型。

根据本发明的实施例，当傍轴近似公式成立时，操作S1中设置的初始自由曲面面型为凹面镜面型。

进一步地，还需要确定该设计方法中所用到的大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔的几何尺寸和测量谐振腔的其他物理参数。几何尺寸包括谐振腔腔长、谐振腔全反镜孔径、输出镜孔径以及全反镜和输出镜相对于工作物质的距离。其他物理参数包括输出镜反射率、工作物质折射率、工作物质的饱和光强和小信号增益。

操作S2，分别计算裸腔情况下初始自由曲面面型和各变换自由曲面面型中基模的单模功率因子，将单模功率因子中最大单模功率因子对应的面型设置为下次迭代的初始自由曲面面型。

具体地，例如利用传输矩阵方法计算出裸腔情况下谐振腔中基模的强度分布和衍射损耗，根据已确定的光束质量控制因子值、基模的强度分布、基模的衍射损耗、以及上述几何尺寸和其他物理参数，分别计算裸腔情况下初始自由曲面面型和各变换自由曲面面型中基模的单模功率因子。单模功率因子为：

其中，P为单模功率因子，A为光束质量控制因子，I

谐振腔特征模式及衍射损耗的计算方法为：

L＝M

Lx＝λx

其中，L为谐振腔特征矩阵，M

进一步地，利用全局优化算法-模式搜索(pattern-search)算法，在操作S2中得到的所有单模功率因子中搜索出最大单模功率因子。

操作S3，重复执行操作S1-操作S2，直至执行次数或多维变换幅度达到相应的阈值，并将最后一次执行S2时得到的最大单模功率因子对应的面型设置为全局最优自由曲面面型。

将操作S2中得到的最大单模功率因子对应的面型设置为下次迭代的初始自由曲面面型，再次执行操作S1-操作S2，当迭代次数达到预先设置的上限阈值，或者当面型多维变换幅度过小，达到计算机的计算能力上限时，停止迭代，得到一个经过全局优化的自由曲面面型。

操作S4，计算含增益模型情况下全局最优自由曲面面型的激光模式和输出功率。

具体地，将全局最优自由曲面面型代入设置有增益模型的Fox-Li迭代中，计算出最终的激光模式和输出功率。

操作S5，根据激光模式和输出功率调整光束质量控制因子，并将全局最优自由曲面面型设置为下次迭代的初始自由曲面面型。

根据Fox-Li迭代的结果调整单模功率因子中的光束质量控制因子，并将全局最优自由曲面面型设置为下次迭代的初始自由曲面面型，将光束质量控制因子设置为调整后的光束质量控制因子，以进行下一轮的迭代操作。

操作S6，重复执行操作S1-操作S5，直至最后一次执行操作S4时得到的激光模式和输出功率满足预期目标，根据最后一次执行S4时的全局最优自由曲面面型和光束质量控制因子设计激光谐振腔。

预期目标包括：激光模式中的激光具有准平顶分布，且激光光斑宽度与工作物质的横向尺寸之间的差值小于预设阈值；输出功率大于功率阈值。具体的，例如输出功率不低于相同条件下普通平凹腔输出功率的50％，M

参阅图2，可以看出，本实施例中大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔的设计方法中，选用基模单模功率因子作为优化目标函数，首先根据基模单模功率因子对自由曲面面型进行优化，在得到全局最优的自由曲面面型之后，根据最终输出的激光模式和功率对光束质量控制因子进行优化，再重复对自由曲面面型和光束质量控制因子进行优化，直至得到理想的激光输出模式和激光光束输出质量。

本发明实施例还提供了一种谐振腔，谐振腔由如图1-图2所述的大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔的设计方法设计得到。

以图3中示出的自由曲面镜激光谐振腔为例，为了加载本实施例中设计的自由曲面，使用空间光调制器1、布儒斯特片2工作物质3和输出镜4。空间光调制器1用于加载该自由曲面相位，代替传统激光谐振腔的尾镜，从而可以通过改变加载在上面的相位图实现不同的相位，不需要专门加工真实的自由曲面镜片。除此以外，也可以直接按照设计的自由曲面进行加工直接得到谐振腔尾镜。

大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔有效腔长为0.1646m，输出镜和尾镜的孔径直径为3mm，菲涅尔数N≈12.89；工作物质Nd:YAG晶体介质棒长63mm，直径3mm，掺杂浓度为0.6％，小信号增益为0.40cm

本实施例中，以基模的单模功率因子作为优化目标函数，对尾镜的相位进行优化，得到自由曲面面型，再加载到液晶空间光调制器上，作为大菲涅尔数激光谐振腔的尾镜，从而得到高光束质量的激光输出，仿真与实验对比结果如图4A和4B所示。图4A为以本发明所提出设计方法优化得到的其中一种大菲涅尔数自由曲面谐振腔输出光束近场光场强度沿径向的归一化分布，图4B为以本发明所提出设计方法优化得到的其中一种大菲涅尔数自由曲面谐振腔的远场光场强度沿径向的归一化分布。参阅图4A和4B，可以看出，仿真和实验结果基本吻合，验证了本实施例设计方法的有效性。实施例实验结果如图5A和图5B所示。参阅图5A和5B，可以看出，传统平凹腔得到的输出光斑近场和远场光斑轮廓图，近场和远场都有明显的高阶模式存在，光束质量很差；本实施例中优化后的自由曲面谐振腔得到的输出光斑近场和远场光斑轮廓图，近场呈现规则的准基模光斑分布，远场为较理想的高斯分布，可以认为此激光谐振腔实现了准基模输出，显著抑制了高阶模式的产生，从而有效地改善了光束质量。以上结果表明本发明实施例提供的大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔的设计方法，可以全面地评价谐振腔的性能，并据此评价进行相应的优化，从而输出高光束质量的激光，验证了该高光束质量的大菲涅尔数自由曲面镜激光谐振腔的设计方法的有效性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。