小镜法准直正支共焦非稳腔

1、第9卷第2期1997年5月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.9,No.2May.,1997小镜法准直正支共焦非稳腔郭建增任晓明(中船总公司七院第718研究所,邯郸1号信箱056027)摘要介绍了小镜法准直正支共焦非稳腔的原理、方法和步骤,并将它与传统使用的几种方法进行了比较。实验分析结果表明:小镜法除兼容其它方法的优越性外,还特别适合于需要确定强激光束远场焦点位置的场合。关键词正支共焦非稳腔准直ABSTRACTTheprincipleandprocedureofaligningaconfocalpositivebranchunstableres2

2、onatorwithsmall2mirrormethodarepresentedinthispaper.Thesmall2mirrormethodiscomparedwithsomeothers,experimentalresultandtheoryanalysishaveshownthatthesmall2mirrormethodhasagreatpartofothermethodsadvantages,andthatitissuitabletobeusedwhentheac2curatefocuspointpositionofhighpowerlaserbeaminfar2fieldsho

3、uldbelocated.KEYWORDSconfocalpositivebranchunstableresonator,alignment.0引言正支共焦非稳腔具有基模体积大,输出光束质量好等优点,已在许多高能激光器中得到广泛应用。为了准直谐振腔,研究强激光束的远场传输和聚焦性能,我们常在凹面镜中心开一小孔,将氦氖光由小孔注入谐振腔,完成对谐振腔的准直,并将谐振腔反射出来的调腔光用作强激光的导引光,利用这种方法虽能精确准直谐振腔,但凹面镜中心开小孔后,破坏了正支共焦非稳腔的菲涅耳芯核,降低了激光器的输出性能,特别对输出光束质量影响较大。另外,凹面镜开小孔法提供的氦氖导引光与强激光在曲率半径上

4、具有较大差别,利用它的焦平面代替强激光的远场焦点位置误差较大。为此,我们提出了小反射镜法,用它取代凹面镜开小孔法进行调腔,在不破坏谐振腔镜面的前提下,既满足了高精度调腔和将强激光导引到远场指定位置的要求,又能用它确定出强激光的准确焦平面。下面就对利用这种方法进行调腔和外光路调整的原理和步骤加以介绍。1原理图1为小镜法调整谐振腔及外光路的光学原理图。反射镜1、2和3分别为正支共焦非稳腔的凹面镜、凸面镜和耦合输出镜,4、5和6分别为氦氖激光器、扩束器和小反射镜,7为激光束发送聚焦镜,氦氖激光器4发出的激光经扩束器扩束后,由小反射镜6注入到强激光谐振腔内。为便于计算和分析,我们对谐振腔和氦氖激光束等

5、参数规定如下:1)谐振腔反射镜1、2的焦距分别为f1和f2,几何放大率M=f1 f2,腔长L=f1-f2,耦合输出镜内孔半径为r,激光器输出光束外圆半径a=M3r,小反射镜6紧靠反射镜1放置,沿谐振腔光轴方向上的投影为圆型,半径为b。3国家863激光技术领域资助课题。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,工程师。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.314强激光与粒子束第9卷Fig.1Opticalpathdiagram

6、foraligningaresonatorwithsmall2mirrormethod图1小镜法准直谐振腔光路图2)氦氖激光器4输出的激光为单模高斯光束,光腰半径为w00,扩束器5的扩束比为E,扩束后氦氖光的光腰半径为w0=E3w00,氦氖光在谐振腔往返n次后的参数为w0、z、w和R,假设氦氖激光经扩束镜后的光腰位置同小反射镜6的距离远小于腔长,可认为它在小反射镜上。为了使氦氖激光束同时满足调腔和确定强激光远场焦点的要求,它还必须满足:1)对于正支共焦非稳腔,强激光的起振是从菲涅耳芯核内开始的,因此,要使出射氦氖导引光与强激光波面充分接近,由小镜入射到腔内的氦氖光半径应与该波长光在强激光谐振腔

7、内的菲涅耳芯核半径相当,即:(M-w02L 21)(T-1)2)为使出射氦氖导引光具有尽可能高的亮度,扩束器应有比较准确的放大倍数,出射光束半径应当同输出镜尺寸相当,为此约定w=a(T-2)下面我们就根据这两个条件来确定n和w0。以凸面镜2为参考平面时,光腔内往返一次的光线转移矩阵为:S=M(M-M-1-1)f20MM(Mnn(1)进一步求得n次往返矩阵为:Sn=-M-n-n)f20M(2)从小反射镜6反射注入谐振腔的调腔氦氖光到达凸面镜2时具有复参数q=z+ikw0 22(3)2其中z=L=(M-1)f20(4)(5)根据ABCD法则,n次往返后的调腔光复参数q=z+ikw© 19

8、95-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第2期郭建增等:小镜法准直正支共焦非稳腔z=(M02n+1n315其中此时的光斑半径w满足w2-1)f2w=Mw(6)0=w201+(2z kwa-4022)(7)(8)(9)根据(T-2)及式(7),可解得:w20=(a2±216(z k) 22(8)式有意义的条件为a4-16(z k)0,将(6)式代入并整理得:2nlogM(1+ka 4f2)-1 2将式(T-2)和式(6)代入(8)式,得:w0=M2na2±a4-16(M2n+12

9、1 2-1)f2 k 2(10)为使w0取大值,以便加工小反射镜6,(10)式应取“+”号。这样,当我们依据约束条件(T-1)选定n值后,就可以由式(10)求出相应的w0值。进而确定小反射镜6的半径b和扩束器5的扩束比E,它们分别为:b=w0(11)(12)E=w0 w00值得指出的是:(8)式中取“-”号时,算出的b值较小,它对应于反射镜半径更小的情况,这种情况也可用于谐振腔和下游光路的准直与调整,并在b值等于凹面镜中心开孔半径时,调腔效果与凹面镜中心开小孔法完全相同。2实验为验证小镜法准直谐振腔和确定强激光远场焦点位置的可行性,我们选定一组参数,在DF化学激光器上作了与凹面镜中心开小孔法的

10、对比实验。实验选取的谐振腔和氦氖激光器参数为:M=1.8,f2=7.5m,a=16.2mm,w00=0.3mm。(9)和(10)计算得:菲涅耳芯轴半径为3.1mm,此时,n=2.8,w0=3.0,相根据式(T-1)、应的小反射镜6的半径为3mm,氦氖光扩束器的放大倍数为E=w0 0.3=10(倍)。w00=3 按照上述参数实际加工好光束扩束器和小反射镜后,我们利用图1给出的光路图首先对谐振腔进行了准直,其具体步骤如下:1)调整氦氖激光器4、扩束器5和小反射镜6,使激光器与扩束器的光轴重合,扩束后的氦氖激光束与小反射镜呈45°斜入射,反射光束B1与强激光谐振腔光轴重合。2)利用光束B1

11、及其衍射光调整耦合输出镜6,使输出镜内孔孔轴与谐振腔光轴重合,同时调整反射镜2,使光束B1按原光路返回为B2。3)调整反射镜1,使B2按原路返回为B3,B3的衍射光被耦合输出镜3反射出腔后,主光束通过耦合输出镜的内孔,再次到达反射镜2,被反射为B4,B4再由反射镜1反射为B5后,连同其衍射光一起由耦合输出镜反射到腔外。与凹面镜中心开小孔法一样,当谐振腔准直完毕后,由耦合输出镜几次反射到腔外的氦氖光迭加,在近场形成了一组均匀照明的多光束干涉条纹,利用该干涉条纹即可完成对谐振腔的准直。由此可见,小反射镜法与凹面镜中心开小孔法在准直谐振腔方面具有相同的机理与判据,两者的准直精度相当。© 1

12、995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.316强激光与粒子束第9卷对上述谐振腔准直完毕后,我们用小镜法和凹面镜中心开小孔法提供的氦氖导引光分别寻找焦点位置,作了精度对比实验。当谐振腔共焦情况较好时,发现小镜法比凹面镜中心开小孔法获得的焦点位置与平行光入射时聚焦系统的理论焦点位置更接近,说明由小镜法改善了用氦氖导引光确定强激光焦点位置的精确度。3结论通过分析和实验可得出以下结论:1)小镜法可以高精度准直正支共焦非稳腔。2)当小反射镜具有一定口径,扩束镜具有一定扩束比时,由氦氖导引光确定的强激光远场

13、焦点位置比以往更准确。3)仅要求去掉凹面镜中心小孔,准直谐振腔,和调整下游光路时,小镜法中使用的光束扩束器可以略去,小反射镜的口径可以在相对大的范围内选取。参考文献1R.W.F.格罗斯,J.F.博特.化学激光手册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.强激光与粒子束,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