谐振腔镜

谐振腔镜

简介

谐振腔镜是激光器的核心光学元件，通过精确控制光的反射与透射，在谐振腔内形成稳定的光学反馈，实现激光的振荡与放大。其性能直接决定激光输出功率、光束质量、光谱纯度及系统稳定性。核心功能光反馈：高反射率维持光子往返振荡，形成共振。模式控制：表面曲率与相位设计优化激光横模（如基模高斯光束）。能量管理：输出耦合镜调控激光发射比例，泵浦镜高效导入泵浦光。光谱选择：镀膜设计窄带反射，抑制非增益波长振荡（如锁模激光器）。分类详解 1. 腔镜/端镜（Cavity Mirror / End Mirror）角色：谐振腔的基础反射终端（通常成对使用）。关键特性：超高反射率（R>99.9%）：最大限度减少腔内损耗。低吸收/散射损耗：避免热透镜效应与功率衰减。表面面型精度：λ/10~λ/20 @632.8nm，维持波前一致性。应用：固体激光器、气体激光器、光学参量振荡器（OPO）腔体。 2. 高斯镜（Gaussian Mirrors）角色：主动塑造激光横模为高斯分布（TEM₀₀模）。设计核心：变反射率涂层（VRM）：反射率从中心到边缘渐变（如超高斯剖面）。相位校正曲面：补偿腔内像差，抑制高阶模振荡。优势：提升光束质量（M²≈1.1）、增强功率提取效率。应用：高功率固体激光器、半导体激光泵浦系统。 3. 输出耦合镜（Output Couplers, OC）角色：调控激光输出功率与腔内增益平衡。关键参数：透射率（T）：决定输出比例（典型值：1%~50%）。低T（1%~5%）：高增益低功率激光器（如准分子激光）。中高T（10%~30%）：固体/光纤激光器（平衡效率与功率）。最优透射率（Tₒₚₜ）：根据增益介质与小信号增益计算。特殊类型：双波长OC：同时透射激光波长并反射泵浦波长（如Yb光纤激光器）。 4. 泵浦镜/入射镜（Pump Mirror / Incoupling Mirror）角色：高效耦合泵浦光进入增益介质。核心设计：双色性镀膜：泵浦波段：高透射率（T>95%）激光波段：高反射率（R>99.5%）热管理设计：承受高功率泵浦光吸收热负载（如水冷结构）。应用场景：端面泵浦固体激光器（置于谐振腔入口）。折叠腔泵浦点（多通泵浦增强吸收）。关键设计要素参数影响典型要求反射率/透射率决定激光阈值、输出功率、腔内损耗端镜：R>99.9%；OC镜：按增益优化T值涂层光谱带宽支持窄线宽激光或超快激光的宽带锁模窄带镜：<1nm；超快激光：>100nm 激光损伤阈值限制最大输出功率（尤其高峰值功率激光）脉冲激光：>5 J/cm² (10ns, 1064nm) 面型精度影响模式稳定性与光束质量 λ/10~λ/20 (RMS@633nm) 热畸变抵抗高功率下维持光学性能低热膨胀材料（熔融石英）、主动冷却设计选型与应用逻辑建腔基础：选择端镜反射率（R≈100%）与曲率（稳定腔/非稳腔设计）。模式优化：需基模输出 → 采用高斯镜抑制高阶模。功率控制：根据增益介质计算最佳输出耦合率（Tₒₚₜ） → 选OC镜透射率。泵浦设计：按泵浦源波长/功率选入射镜镀膜与散热方案。示例：钛宝石飞秒激光器端镜：R>99.9%@700–1000nm，λ/20面型 OC镜：T=10%@800nm，宽带低色散泵浦镜：T>95%@532nm, R>99.5%@钛宝石波段

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谐振腔镜简介

谐振腔镜是激光器的核心光学元件，通过精确控制光的反射与透射，在谐振腔内形成稳定的光学反馈，实现激光的振荡与放大。其性能直接决定激光输出功率、光束质量、光谱纯度及系统稳定性。

核心功能

光反馈	高反射率维持光子往返振荡，形成共振
模式控制	表面曲率与相位设计优化激光横模（如基模高斯光束）
能量管理	输出耦合镜调控激光发射比例，泵浦镜高效导入泵浦光
光谱选择	镀膜设计窄带反射，抑制非增益波长振荡（如锁模激光器）

分类

可分为腔镜/端镜（Cavity Mirror / End Mirror）、高斯镜（Gaussian Mirrors）、输出耦合镜（Output Couplers, OC）、泵浦镜/入射镜（Pump Mirror / Incoupling Mirror）等。

1、腔镜/端镜（Cavity Mirror / End Mirror）

定义：谐振腔的基础反射终端（通常成对使用）

特性参数:

超高反射率（R>99.9%）	最大限度减少腔内损耗
低吸收/散射损耗	避免热透镜效应与功率衰减
表面面型精度	λ/10~λ/20 @632.8nm，维持波前一致性

2、高斯镜（Gaussian Mirrors）

定义：主动塑造激光横模为高斯分布（TEM₀₀模）

设计核心:

变反射率涂层（VRM）

反射率从中心到边缘渐变（如超高斯剖面）

相位校正曲面

补偿腔内像差，抑制高阶模振荡

优势

提升光束质量（M²≈1.1）、增强功率提取效率

3、输出耦合镜（Output Couplers, OC）

定义：调控激光输出功率与腔内增益平衡

特性参数:

透射率（T）

决定输出比例（典型值：1%~50%）。

低T（1%~5%）：高增益低功率激光器（如准分子激光）。

中高T（10%~30%）：固体/光纤激光器（平衡效率与功率）

最优透射率（Tₒₚₜ）

根据增益介质与小信号增益计算

特殊类型

双波长OC：同时透射激光波长并反射泵浦波长（如Yb光纤激光器）

4、泵浦镜/入射镜（Pump Mirror / Incoupling Mirror）

定义：高效耦合泵浦光进入增益介

设计核心:

双色性镀膜

泵浦波段：高透射率（T>95%）

激光波段：高反射率（R>99.5%）

热管理设计

承受高功率泵浦光吸收热负载（如水冷结构）

应用场景

腔镜/端镜（Cavity Mirror / End Mirror）	固体激光器、气体激光器、光学参量振荡器（OPO）腔体
高斯镜（Gaussian Mirrors）	高功率固体激光器、半导体激光泵浦系统
输出耦合镜（Output Couplers, OC）
泵浦镜/入射镜（Pump Mirror / Incoupling Mirror）	端面泵浦固体激光器（置于谐振腔入口）、折叠腔泵浦点（多通泵浦增强吸收）

关键设计要素

参数	影响	典型要求
反射率/透射率	决定激光阈值、输出功率、腔内损耗	端镜：R>99.9%；OC镜：按增益优化T值
涂层光谱带宽	支持窄线宽激光或超快激光的宽带锁模	窄带镜：<1nm；超快激光：>100nm
激光损伤阈值	限制最大输出功率（尤其高峰值功率激光）	脉冲激光：>5 J/cm² (10ns, 1064nm)
面型精度	影响模式稳定性与光束质量	λ/10~λ/20 (RMS@633nm)
热畸变抵抗	高功率下维持光学性能	低热膨胀材料（熔融石英）、主动冷却设计

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