激光腔体的整体结构设计及优势

图1.1 激光腔体的基本结构

a）稳定腔 b）非稳定腔 c）带有气动窗口的稳定腔

1.1.1.1 总体设计

基本的激光器包括了两面平行放置的反射镜，由这两面反射镜组成光学谐振腔。如果光束能量不损失（例如被吸收），光束将在这两面反射镜之间沿光轴来回振荡。在这两面反射镜之间有激活介质存在，该介质可以通过受激辐射的机制对光学振荡进行放大（后来将激光定义为受激辐射产生的光放大）。另外，还应有一些对激活介质进行泵浦的系统，对于气体激光器来说，例如CO₂激光、准分子激光和氦氖激光，通常采用直流或射频电源进行泵浦，Nd-YAG激光采用特定频率的光泵浦，碘激光采用化学反应进行泵浦。激光腔体的基本结构如图1.1所示。两面反射镜中的一面部分透明，这样可以使部分振荡能量能够从谐振腔输出，另一面反射镜为全反射镜，最好的全反射镜可以达到99.999%的反射率。这种反射镜通常被制成曲面形状，这样可以减少振荡光束的衍射损失。另外，采用曲面镜可以比较容易地实现两反射镜同轴，如果采用平面镜会遇到意想不到的困难。激光器的设计还要考虑腔体的长度、反射镜的形状及系统的其他方面。

1.1.1.2 腔镜设计

Kogelnik和Li^[1]写了一篇关于谐振腔腔体设计的重要论文。他们指出谐振腔两端反射镜的曲率都必须小于某一特定值，否则谐振腔将会变得不稳定，光束能量会在输出镜边缘损失。“稳定的”或者“非稳定的”谐振腔取决于振荡光束能否汇聚进谐振腔还是从谐振腔中发散出去。大多数小于2kW的激光器都采用稳定腔结构（见图1.1a），采用这种结构的谐振腔可以安全地把这种功率水平的激光从输出镜传输出去，而不至于损坏输出镜。输出镜对于10.6μm波长的红外激光来说是半透明的，CO₂激光器中的输出镜通常用ZnSe、GaAs或者CdTe来制造；YAG激光器的输出镜采用BK7石英玻璃制造。输出镜都会被仔细地镀上一层膜，从而能够得到所要求的反射率（通常情况下，CO₂激光器的输出光有35%将会反射到腔内）。输出窗口的破损是一个非常严重的问题，它会导致激光器的内爆，因此大功率激光器采用非稳定腔体结构（见图1.1b）是常见的，使用全反射镜这种结构会使光束能量在输出镜的边缘射出。大的环形光束通过输出镜可以降低密封着的低压腔窗口上的功率密度，减少谐振腔的压力。另一种方法是采用气动窗口，在输出窗口放置一个文氏管，它可以确保光束在通过高速和低压的气氛时保持真空（见图1.1c）。稳定光束的形状是由输出缝隙的形状决定的，通常是圆形光束或者环形光束，但是一些准分子激光器和板条状激光器发射出的光束形状为方形。

1.1.1.3 腔体长度

谐振腔的长度与输出缝隙的宽度之比决定了离轴模式数，该数由菲涅尔数描述，即N=a²/λL，这是一个无量纲量，a为输出孔的半径，L为谐振腔的长度，λ为激光的波长。

假设一个圆柱形谐振腔长度为L，半径为a，如图1.2所示。当直射光束和离轴光束之间光程差为波长的整数倍时，将会出现一个亮环或者条纹。

图1.2 菲涅尔数意义的图解说明

因此谐振腔内振荡光束的条纹数，或者说离轴模式可以由Pythagoras定理确定。

a²+L²=（L+nλ）²(www.xing528.com)

忽略n²λ²项后

a²=2Lnλ

则

n=a²/（2Lλ）=菲涅尔数/2

因此菲涅尔数低的腔体就会产生低阶模光束，离轴振荡光束会以衍射的方式损失，因此在一个光放大的腔中不会产生离轴振荡光束。表1.1列出了一些当前工业激光器的菲涅尔数。菲涅尔数比较高的腔可以控制腔两端反射镜的设计来获得模式比较低的光束，反射镜越平产生的光束模式越低。Ecosse公司（现为Ferranti Photonics公司）的AF5激光器就具有柔性可调的镜组，该激光器可以产生任何模式的激光，从TEM₀₀到多阶模。

表1.1 工业激光器的规格

a采用柔性光学系统。

b腔体为方形，且采用了柔性光学系统，数据为统计得出。

c根据板条状谐振腔输出光束的直径而给出的估计值。

d见图2.14，模式的含义。

离轴模式描述了光束能量分布的横向电磁模式（TEM）结构，该模式结构将在2.7.3节中继续讨论，给定模式的激光束可以通过在腔中插入一个小孔来调整光束模式，改变谐振腔的菲涅尔数，当然这样做会减少功率输出，但是它可以得到更容易聚焦的光束。