1、第9卷第2期1997年5月強(qiáng)激光與粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.9,No.2May.,1997小鏡法準(zhǔn)直正支共焦非穩(wěn)腔郭建增任曉明(中船總公司七院第718研究所,邯鄲1號(hào)信箱056027)摘要介紹了小鏡法準(zhǔn)直正支共焦非穩(wěn)腔的原理、方法和步驟,并將它與傳統(tǒng)使用的幾種方法進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明:小鏡法除兼容其它方法的優(yōu)越性外,還特別適合于需要確定強(qiáng)激光束遠(yuǎn)場(chǎng)焦點(diǎn)位置的場(chǎng)合。關(guān)鍵詞正支共焦非穩(wěn)腔準(zhǔn)直ABSTRACTTheprincipleandprocedureofaligningaconfocalpositivebranchunstableres2

2、onatorwithsmall2mirrormethodarepresentedinthispaper.Thesmall2mirrormethodiscomparedwithsomeothers,experimentalresultandtheoryanalysishaveshownthatthesmall2mirrormethodhasagreatpartofothermethodsadvantages,andthatitissuitabletobeusedwhentheac2curatefocuspointpositionofhighpowerlaserbeaminfar2fieldsho

3、uldbelocated.KEYWORDSconfocalpositivebranchunstableresonator,alignment.0引言正支共焦非穩(wěn)腔具有基模體積大,輸出光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),已在許多高能激光器中得到廣泛應(yīng)用。為了準(zhǔn)直諧振腔,研究強(qiáng)激光束的遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸和聚焦性能,我們常在凹面鏡中心開(kāi)一小孔,將氦氖光由小孔注入諧振腔,完成對(duì)諧振腔的準(zhǔn)直,并將諧振腔反射出來(lái)的調(diào)腔光用作強(qiáng)激光的導(dǎo)引光,利用這種方法雖能精確準(zhǔn)直諧振腔,但凹面鏡中心開(kāi)小孔后,破壞了正支共焦非穩(wěn)腔的菲涅耳芯核,降低了激光器的輸出性能,特別對(duì)輸出光束質(zhì)量影響較大。另外,凹面鏡開(kāi)小孔法提供的氦氖導(dǎo)引光與強(qiáng)激光在曲率半徑上

4、具有較大差別,利用它的焦平面代替強(qiáng)激光的遠(yuǎn)場(chǎng)焦點(diǎn)位置誤差較大。為此,我們提出了小反射鏡法,用它取代凹面鏡開(kāi)小孔法進(jìn)行調(diào)腔,在不破壞諧振腔鏡面的前提下,既滿(mǎn)足了高精度調(diào)腔和將強(qiáng)激光導(dǎo)引到遠(yuǎn)場(chǎng)指定位置的要求,又能用它確定出強(qiáng)激光的準(zhǔn)確焦平面。下面就對(duì)利用這種方法進(jìn)行調(diào)腔和外光路調(diào)整的原理和步驟加以介紹。1原理圖1為小鏡法調(diào)整諧振腔及外光路的光學(xué)原理圖。反射鏡1、2和3分別為正支共焦非穩(wěn)腔的凹面鏡、凸面鏡和耦合輸出鏡,4、5和6分別為氦氖激光器、擴(kuò)束器和小反射鏡,7為激光束發(fā)送聚焦鏡,氦氖激光器4發(fā)出的激光經(jīng)擴(kuò)束器擴(kuò)束后,由小反射鏡6注入到強(qiáng)激光諧振腔內(nèi)。為便于計(jì)算和分析,我們對(duì)諧振腔和氦氖激光束等

5、參數(shù)規(guī)定如下:1)諧振腔反射鏡1、2的焦距分別為f1和f2,幾何放大率M=f1 f2,腔長(zhǎng)L=f1-f2,耦合輸出鏡內(nèi)孔半徑為r,激光器輸出光束外圓半徑a=M3r,小反射鏡6緊靠反射鏡1放置,沿諧振腔光軸方向上的投影為圓型,半徑為b。3國(guó)家863激光技術(shù)領(lǐng)域資助課題。1996年12月17日收到原稿,1997年4月21日收到修改稿。郭建增,男,1965年7月出生,工程師。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.314強(qiáng)激光與粒子束第9卷Fig.1Opticalpathdiagram

6、foraligningaresonatorwithsmall2mirrormethod圖1小鏡法準(zhǔn)直諧振腔光路圖2)氦氖激光器4輸出的激光為單模高斯光束,光腰半徑為w00,擴(kuò)束器5的擴(kuò)束比為E,擴(kuò)束后氦氖光的光腰半徑為w0=E3w00,氦氖光在諧振腔往返n次后的參數(shù)為w0、z、w和R,假設(shè)氦氖激光經(jīng)擴(kuò)束鏡后的光腰位置同小反射鏡6的距離遠(yuǎn)小于腔長(zhǎng),可認(rèn)為它在小反射鏡上。為了使氦氖激光束同時(shí)滿(mǎn)足調(diào)腔和確定強(qiáng)激光遠(yuǎn)場(chǎng)焦點(diǎn)的要求,它還必須滿(mǎn)足:1)對(duì)于正支共焦非穩(wěn)腔,強(qiáng)激光的起振是從菲涅耳芯核內(nèi)開(kāi)始的,因此,要使出射氦氖導(dǎo)引光與強(qiáng)激光波面充分接近,由小鏡入射到腔內(nèi)的氦氖光半徑應(yīng)與該波長(zhǎng)光在強(qiáng)激光諧振腔

7、內(nèi)的菲涅耳芯核半徑相當(dāng),即:(M-w02L 21)(T-1)2)為使出射氦氖導(dǎo)引光具有盡可能高的亮度,擴(kuò)束器應(yīng)有比較準(zhǔn)確的放大倍數(shù),出射光束半徑應(yīng)當(dāng)同輸出鏡尺寸相當(dāng),為此約定w=a(T-2)下面我們就根據(jù)這兩個(gè)條件來(lái)確定n和w0。以凸面鏡2為參考平面時(shí),光腔內(nèi)往返一次的光線轉(zhuǎn)移矩陣為:S=M(M-M-1-1)f20MM(Mnn(1)進(jìn)一步求得n次往返矩陣為:Sn=-M-n-n)f20M(2)從小反射鏡6反射注入諧振腔的調(diào)腔氦氖光到達(dá)凸面鏡2時(shí)具有復(fù)參數(shù)q=z+ikw0 22(3)2其中z=L=(M-1)f20(4)(5)根據(jù)ABCD法則,n次往返后的調(diào)腔光復(fù)參數(shù)q=z+ikw© 19

8、95-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第2期郭建增等:小鏡法準(zhǔn)直正支共焦非穩(wěn)腔z=(M02n+1n315其中此時(shí)的光斑半徑w滿(mǎn)足w2-1)f2w=Mw(6)0=w201+(2z kwa-4022)(7)(8)(9)根據(jù)(T-2)及式(7),可解得:w20=(a2±216(z k) 22(8)式有意義的條件為a4-16(z k)0,將(6)式代入并整理得:2nlogM(1+ka 4f2)-1 2將式(T-2)和式(6)代入(8)式,得:w0=M2na2±a4-16(M2n+12

9、1 2-1)f2 k 2(10)為使w0取大值,以便加工小反射鏡6,(10)式應(yīng)取“+”號(hào)。這樣,當(dāng)我們依據(jù)約束條件(T-1)選定n值后,就可以由式(10)求出相應(yīng)的w0值。進(jìn)而確定小反射鏡6的半徑b和擴(kuò)束器5的擴(kuò)束比E,它們分別為:b=w0(11)(12)E=w0 w00值得指出的是:(8)式中取“-”號(hào)時(shí),算出的b值較小,它對(duì)應(yīng)于反射鏡半徑更小的情況,這種情況也可用于諧振腔和下游光路的準(zhǔn)直與調(diào)整,并在b值等于凹面鏡中心開(kāi)孔半徑時(shí),調(diào)腔效果與凹面鏡中心開(kāi)小孔法完全相同。2實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證小鏡法準(zhǔn)直諧振腔和確定強(qiáng)激光遠(yuǎn)場(chǎng)焦點(diǎn)位置的可行性,我們選定一組參數(shù),在DF化學(xué)激光器上作了與凹面鏡中心開(kāi)小孔法的

10、對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選取的諧振腔和氦氖激光器參數(shù)為:M=1.8,f2=7.5m,a=16.2mm,w00=0.3mm。(9)和(10)計(jì)算得:菲涅耳芯軸半徑為3.1mm,此時(shí),n=2.8,w0=3.0,相根據(jù)式(T-1)、應(yīng)的小反射鏡6的半徑為3mm,氦氖光擴(kuò)束器的放大倍數(shù)為E=w0 0.3=10(倍)。w00=3 按照上述參數(shù)實(shí)際加工好光束擴(kuò)束器和小反射鏡后,我們利用圖1給出的光路圖首先對(duì)諧振腔進(jìn)行了準(zhǔn)直,其具體步驟如下:1)調(diào)整氦氖激光器4、擴(kuò)束器5和小反射鏡6,使激光器與擴(kuò)束器的光軸重合,擴(kuò)束后的氦氖激光束與小反射鏡呈45°斜入射,反射光束B(niǎo)1與強(qiáng)激光諧振腔光軸重合。2)利用光束B(niǎo)1

11、及其衍射光調(diào)整耦合輸出鏡6,使輸出鏡內(nèi)孔孔軸與諧振腔光軸重合,同時(shí)調(diào)整反射鏡2,使光束B(niǎo)1按原光路返回為B2。3)調(diào)整反射鏡1,使B2按原路返回為B3,B3的衍射光被耦合輸出鏡3反射出腔后,主光束通過(guò)耦合輸出鏡的內(nèi)孔,再次到達(dá)反射鏡2,被反射為B4,B4再由反射鏡1反射為B5后,連同其衍射光一起由耦合輸出鏡反射到腔外。與凹面鏡中心開(kāi)小孔法一樣,當(dāng)諧振腔準(zhǔn)直完畢后,由耦合輸出鏡幾次反射到腔外的氦氖光迭加,在近場(chǎng)形成了一組均勻照明的多光束干涉條紋,利用該干涉條紋即可完成對(duì)諧振腔的準(zhǔn)直。由此可見(jiàn),小反射鏡法與凹面鏡中心開(kāi)小孔法在準(zhǔn)直諧振腔方面具有相同的機(jī)理與判據(jù),兩者的準(zhǔn)直精度相當(dāng)。© 1

12、995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.316強(qiáng)激光與粒子束第9卷對(duì)上述諧振腔準(zhǔn)直完畢后,我們用小鏡法和凹面鏡中心開(kāi)小孔法提供的氦氖導(dǎo)引光分別尋找焦點(diǎn)位置,作了精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)。當(dāng)諧振腔共焦情況較好時(shí),發(fā)現(xiàn)小鏡法比凹面鏡中心開(kāi)小孔法獲得的焦點(diǎn)位置與平行光入射時(shí)聚焦系統(tǒng)的理論焦點(diǎn)位置更接近,說(shuō)明由小鏡法改善了用氦氖導(dǎo)引光確定強(qiáng)激光焦點(diǎn)位置的精確度。3結(jié)論通過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)可得出以下結(jié)論:1)小鏡法可以高精度準(zhǔn)直正支共焦非穩(wěn)腔。2)當(dāng)小反射鏡具有一定口徑,擴(kuò)束鏡具有一定擴(kuò)束比時(shí),由氦氖導(dǎo)引光確定的強(qiáng)激光遠(yuǎn)場(chǎng)

13、焦點(diǎn)位置比以往更準(zhǔn)確。3)僅要求去掉凹面鏡中心小孔,準(zhǔn)直諧振腔,和調(diào)整下游光路時(shí),小鏡法中使用的光束擴(kuò)束器可以略去,小反射鏡的口徑可以在相對(duì)大的范圍內(nèi)選取。參考文獻(xiàn)1R.W.F.格羅斯,J.F.博特.化學(xué)激光手冊(cè)2夏生杰.激光,1979,6(7):45503NanlonJ,AikenS.ApplOpt,1974,13(11):24614ChaoSL,SchnurrAD.ApplOpt,1984,23(13):211521215郭建增.強(qiáng)激光與粒子束,1992,4(3):392396ASMALL-MIRRORMETHODFORALIGNINGACONFOCALPOSITIVEBRANCHUNST

14、ABLERESONATORGuoJianzeng,andRenXiaoming(The718thInstituteofCSSC,P.O.Box1,Handan,056027)Aconfocalpositivebranchunstableresonatorhaslargemodevolumeandgoodoutputbeamquality.It.Whenmirrorhasbeenwidelyusedinmanyhighpowerlasersssubstrateisopaquetovisiblelight,themethodusuallyusedforaligningthiskindofreson

15、atoristhesmall2holemethod.Inthiscase,asmallholeshouldbedrilledincentreoftheconcavemirror,theFresnelCoreoftheunstableresonatorwillbedestroyed,theoutputperformanceofhighpowerlaserwillbedegrated.Otherwise,thefocusspotlocationofthehighpowerlaserbeaminfar2fielddeterminedbythismethodisnotaccurate.Inthispa

16、per,anewmethodcalledsmall2mirrormethodispresented.Whenthesmall2mirrormethodisusedtoalignaconfocalpositivebranchunstableresonator,theFresnelCoreoftheunstableresonatorisnotdisturbed.TheHe2Nelaserbeamoutcou2pledfromtheunstableresonatorcanbeusedtoadjusttheopticaltrainoutsidetheresonator,andtolocatetheaccuratefocusspot