專利名稱：環(huán)形行波腔多輸出光束相干合成裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光相干合束裝置，特別是一種環(huán)形行波腔多輸出光束相干合成裝置。
背景技術(shù)：
高功率高光束質(zhì)量激光光源在工業(yè)、科學(xué)研究上有著重要的應(yīng)用，但目前由于受限于晶體尺寸、熱效應(yīng)、飽和效應(yīng)以及損傷閾值的限制，要同時(shí)滿足高功率和高光束質(zhì)量這兩個(gè)條件十分困難。而激光相干合成為解決這個(gè)難題提供了可能。理論上講，如果N臺(tái)功率相同的激光器相干合束，其遠(yuǎn)場峰值強(qiáng)度為單臺(tái)的N2被，遠(yuǎn)場發(fā)散角為一束的1/N。因此相干合束既能提高遠(yuǎn)場功率密度又能保持高光束質(zhì)量，它是解決目前激光光源局限性的一條有效途徑。使得多臺(tái)激光器發(fā)射的激光相干有多種技術(shù)途徑，環(huán)形腔相互注入是實(shí)現(xiàn)激光輸出相干的一條有效途徑，可參見現(xiàn)有技術(shù)[JohnA.Benda，Amston Conn.Output phase shifter for coupled multiple-coupledring lasers，USA Paten No.5,265,108 Nov.23，1993]。該現(xiàn)有技術(shù)中，同時(shí)存在正向模和反向模，致命缺陷在于輸出激光的相干性嚴(yán)格受于“鎖定長度”的限制，腔長失調(diào)范圍最多也只有1/6波長，并且這種結(jié)構(gòu)中注入到另一激光介質(zhì)的光束光斑小，對固體激光器不適合，并且結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，增加更多激光介質(zhì)增加多輸出困難?？傊?，現(xiàn)有技術(shù)對腔長變化要求嚴(yán)格，增加更多輸出光束困難，工藝復(fù)雜，加工成本高，實(shí)用化水平低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種環(huán)形行波腔多輸出光束相干合成裝置，它可以在獲得高功率激光輸出的同時(shí)具有較高光束質(zhì)量，而且不存在腔長失諧問題，便于增加更多的光束輸出，結(jié)構(gòu)緊湊、加工簡單的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的基本思想是一種環(huán)形行波腔多輸出光束相干合成裝置，將多個(gè)激光單元置于同一環(huán)形腔中，通過壓縮鏡使得激光在腔內(nèi)單向傳輸形成行波腔，用多片輸出鏡輸出激光束。多個(gè)激光單元處于同一腔中相當(dāng)于同一臺(tái)激光器，每個(gè)激光單元在腔中位置變化也能保證輸出光束之間相干。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于加工和調(diào)整，不存在失諧問題，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，能獲得多束相干激光輸出，能滿足工業(yè)和科研對高功率高光束質(zhì)量激光的需求。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種環(huán)形行波腔多輸出光束相干合成裝置，包括由多塊激光介質(zhì)及其抽運(yùn)源構(gòu)成的多個(gè)激光單元，其特征在于所述的每塊激光介質(zhì)配有相應(yīng)的一對輸出鏡和壓縮鏡，或者每兩塊激光介質(zhì)共用一對輸出鏡和壓縮鏡；所述的多塊激光介質(zhì)、多塊輸出鏡以及一全反鏡和一直角棱鏡構(gòu)成一個(gè)環(huán)形行波腔；在該環(huán)形行波腔中每一塊輸出鏡和一塊壓縮鏡相對應(yīng)，所述的輸出鏡與光軸成45°地放置于所述的環(huán)形腔中，所述的輸出鏡放置的方向應(yīng)使所有順時(shí)針或者逆時(shí)針方向傳輸?shù)墓馐惠敵鲧R輸出的激光方向相一致，所述的壓縮鏡垂直于相應(yīng)的輸出鏡的輸出激光的方向，并且壓縮鏡方向與輸出的激光光束方向相對，在所述的多塊輸出鏡輸出的多束激光的光路上設(shè)有多束激光耦合輸出機(jī)構(gòu)。
所述的輸出鏡是一面鍍有增透膜，一面鍍有透射率為20％～70％的膜的輸出鏡。
所述的多束激光耦合輸出機(jī)構(gòu)是由折轉(zhuǎn)反射鏡和輸出直角棱鏡構(gòu)成的，最后從該輸出直角棱鏡輸出多束相干的合成光束。
所述的輸出直角棱鏡的位置是可調(diào)的，以保持合成光束軸上的光場最強(qiáng)。
所述的激光介質(zhì)為固體，其形狀是板條或棒狀。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)或技術(shù)效果是1.在本發(fā)明中，利用一個(gè)激光單元注入到另一個(gè)激光單元，本質(zhì)上是同一個(gè)腔中多個(gè)激光單元，這時(shí)從同一腔中多處輸出激光，保證了輸出激光之間滿足相干條件。
2.基于與優(yōu)點(diǎn)1同樣的理由，在本發(fā)明中，微小腔長變化不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失調(diào)，腔長變化只會(huì)影響輸出光場的分布，可以通過移動(dòng)直角棱鏡來調(diào)節(jié)腔外的光程差，使得合成光束的遠(yuǎn)場分布在中軸上的光場最強(qiáng)。
3.在本發(fā)明中，由于使用壓縮鏡，使激光在腔中呈單向傳輸，不存在正向波和反向波同時(shí)注入的情況，不僅增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還減小了系統(tǒng)的損耗。
4.在本發(fā)明中，由于采用輸出鏡的透射注入到下一激光單元，注入光束的面積與下一單元激光介質(zhì)橫截面相同，不僅適用于氣體激光器，也適用于固體激光器。
5.在本發(fā)明中，由于激光單元在同一環(huán)中，增加激光介質(zhì)增加多輸出時(shí)系統(tǒng)調(diào)整很方便，不會(huì)對系統(tǒng)增加困難，容易獲得更高的功率，如圖4所示。
6.該結(jié)構(gòu)器件少，引入的光學(xué)畸變小，易于獲得高光束質(zhì)量，并且調(diào)整容易。


圖1為本發(fā)明裝置實(shí)施例1-兩束激光輸出的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明中壓縮鏡功能示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例2-增加激光介質(zhì)而保持輸出光束數(shù)量不變的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例3-輸出四束激光光束的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請參閱圖1，由圖可見，本發(fā)明環(huán)形行波腔多輸出光束相干合成裝置的實(shí)施例1，包括2塊Nd:YAG板條激光介質(zhì)2、6，用LD列陣通過整形系統(tǒng)后垂直于介質(zhì)側(cè)面抽運(yùn)，另兩個(gè)側(cè)面通過有冷卻水的銅塊導(dǎo)熱；垂直于光軸45°放置兩塊輸出鏡4、10，該輸出鏡一面鍍1064nm的增透膜，另一面鍍1064nm反射膜，對45°的反射率為60％；放置兩塊壓縮鏡5、11在輸出光束相反且垂直于輸出光束的方向；直角棱鏡1、輸出直角棱鏡8的兩直角邊鍍有1064nm的高反膜，3塊45°全反鏡3、7、9用來改變光束方向。為了便于調(diào)整，環(huán)形中用了一塊直角棱鏡1來改變光路。其中一塊激光介質(zhì)2激發(fā)的光沿著圖中順時(shí)針方向傳輸?shù)墓獗惠敵鲧R4輸出一部分激光，被輸出鏡4反射的激光注入到另外一塊激光介質(zhì)6，經(jīng)過放大后其激光被輸出鏡10反射輸出一部分，透射的部分注入到激光介質(zhì)2中，沿圖的順時(shí)針方向這樣循環(huán)下去。激光介質(zhì)2激發(fā)的逆時(shí)針方向的激光被輸出鏡10透射和反射，透射部分注入到激光介質(zhì)6中，而反射部分經(jīng)壓縮鏡11反射后再次被輸出鏡10反射和透射，反射部分改變了方向，向順時(shí)針方向注入到激光介質(zhì)2中；同樣的原理，激光介質(zhì)6激發(fā)的激光也有部分從順時(shí)針方向變?yōu)槟鏁r(shí)針方向，為了使得由逆時(shí)針方向變?yōu)轫槙r(shí)針方向的光束的模式與順時(shí)針方向激光的模式匹配，需要適當(dāng)調(diào)節(jié)壓縮鏡與輸出鏡之間的距離。因此通過多次激發(fā)以后在順時(shí)針方向的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于逆時(shí)針反向，逆時(shí)針方向的光束得到壓縮，形成單向傳輸結(jié)構(gòu)。輸出的兩束光經(jīng)反射鏡7、9反射后被輸出直角棱鏡8反射后平行輸出，在該平行光束輸出處放置一焦距為500mm的雙凸透鏡，觀察其焦平面上的光斑分布，左右移動(dòng)直角棱鏡調(diào)整兩輸出光的腔外光程，使得焦平面的中心出現(xiàn)最強(qiáng)峰值。
激光介質(zhì)是固體，其橫截面可以是圓形、正方形或者長方形，泵浦方式為側(cè)面LD列陣泵浦。
所述的輸出鏡4、10為平面鏡，放置在環(huán)形腔中與光軸成45°，該鏡一面鍍對激光波長的增透膜，另一面鍍對激光波長部分透射膜，透射率根據(jù)泵浦源和是否有調(diào)Q元件控制在20％～70％之間。
所述的壓縮鏡5、11為平面鏡，鍍對該激光波長全反的膜，與輸出方向垂直放置，如圖2所示，定義從左向右先被反射鏡3的光束傳播方向?yàn)檎虿‵W，它通過輸出鏡4透射的光束就是輸出光的一部分，而被反射的光在腔中繼續(xù)被放大；而與正向波FW相反方向傳播的光叫做反向波RW，它被耦合鏡4透射和反射，透射的光經(jīng)壓縮鏡5反射后再次被透射和反射，其反射部分作為輸出光束，而透射部分則和正向波FW的方向一致，這樣在正向波傳輸方向的光束功率要比反向波方向傳輸?shù)墓馐β蚀蟮枚?。因此由于壓縮鏡5的存在，使得光束在正向波方向得到加強(qiáng)，而在反向波方向得到減弱，兩者通過競爭，最后反向波被壓縮，形成環(huán)形行波腔。
所述的環(huán)形腔中，既可以只增加激光介質(zhì)的數(shù)量來提高每束光的功率，如圖3所示；也可以既增加激光介質(zhì)，又增加輸出光束的數(shù)目，如圖4所示。
由于形成了行波腔，多塊激光介質(zhì)相當(dāng)于在同一腔中，因此它們輸出的激光具有相同的頻率和固定的位相差，這樣保證了輸出的多束激光之間滿足相干條件。當(dāng)腔長變化時(shí)，影響的僅僅是位相差的大小，但是這個(gè)差值仍舊是恒定的，它們之間同樣是保持相干的。
為了使得每束激光的強(qiáng)度增加，可以在環(huán)形腔中增加激光介質(zhì)，如圖3所示的介質(zhì)2a、6a；也可以在增加激光介質(zhì)的同時(shí)增加輸出光束的數(shù)目，如圖4所示，增加了激光介質(zhì)2a、6a，同時(shí)增加相應(yīng)的輸出鏡4a、10a和壓縮鏡5a、11a以及增加的直角棱鏡8a，最后由直角棱鏡8、8a合成的光束分別經(jīng)過反射鏡12、13反射后由直角棱鏡14合成平行輸出的激光光束。
綜上所述，本發(fā)明利用多個(gè)腔正向模耦合的方法來產(chǎn)生相干的激光。多個(gè)激光單元的正向模耦合相當(dāng)于將每一單臺(tái)激光器的模場耦合鎖定其它的激光單元，輸出多束的相干激光，該結(jié)構(gòu)同時(shí)達(dá)到了減小諧振腔光學(xué)元件的尺寸和單位面積所承受功率的目的。這種結(jié)構(gòu)不存在失諧問題，單個(gè)單元腔長的微小變化對相干性并不產(chǎn)生影響，這一特點(diǎn)大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加輸出簡單易于實(shí)現(xiàn)，而且系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，成本低。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)形行波腔多輸出光束相干合成裝置，其特征在于多個(gè)激光單元置于同一環(huán)形腔中，通過壓縮鏡使得激光在腔內(nèi)單向傳輸形成環(huán)形行波腔，用多片輸出鏡輸出激光束，然后通過多束激光耦合輸出機(jī)構(gòu)對所述的輸出激光束合成輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形行波腔多輸出光束相干合成裝置，其特征在于所述的環(huán)形行波腔包括由多塊激光介質(zhì)及其抽運(yùn)源構(gòu)成的多個(gè)激光單元，所述的每塊激光介質(zhì)配有相應(yīng)的一對輸出鏡和壓縮鏡，或者每兩塊激光介質(zhì)共用一對輸出鏡和壓縮鏡；所述的多塊激光介質(zhì)、多塊輸出鏡以及一全反鏡和一直角棱鏡的設(shè)置構(gòu)成一個(gè)環(huán)形行波腔；在該環(huán)形行波腔中每一塊輸出鏡和一塊壓縮鏡相對應(yīng)，所述的輸出鏡與光軸成45°地放置于所述的環(huán)形腔中，所述的輸出鏡放置的方向應(yīng)使所有順時(shí)針或者逆時(shí)針方向傳輸?shù)墓馐辉撦敵鲧R輸出的激光方向相一致，所述的壓縮鏡垂直于相應(yīng)的輸出鏡的輸出激光的方向，并且壓縮鏡方向與輸出的激光光束方向相對，在所述的多塊輸出鏡輸出的多束激光的光路上設(shè)有多束激光耦合輸出機(jī)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形行波腔多輸出光束相干合成裝置，其特征在于所述的輸出鏡是一面鍍有增透膜，一面鍍有透射率為20％～70％的膜的輸出鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形行波腔多輸出光束相干合成裝置，其特征在于所述的多束激光耦合輸出機(jī)構(gòu)是由折轉(zhuǎn)反射鏡和輸出直角棱鏡構(gòu)成的，最后從該輸出直角棱鏡輸出多束相干的合成光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形行波腔多輸出光束相干合成裝置，其特征在于所述的輸出直角棱鏡的位置是可調(diào)的，以保持合成光束軸上的光場最強(qiáng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形行波腔多輸出光束相干合成裝置，其特征在于所述的激光介質(zhì)為固體，其形狀是板條或棒狀。
全文摘要
一種環(huán)形行波腔多輸出光束相干合成裝置，其特征在于多個(gè)激光單元在同一環(huán)形腔中，通過壓縮鏡使得激光在腔內(nèi)單向傳輸形成行波腔，用多片輸出鏡輸出激光束。多個(gè)激光單元處于同一腔中相當(dāng)于同一臺(tái)激光器，每個(gè)激光單元在腔中位置變化也能保證輸出光束之間相干。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于加工和調(diào)整，不存在失諧問題，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，能獲得多束相干激光輸出，能滿足工業(yè)和科研對高功率高光束質(zhì)量激光的需求。
文檔編號B23K26/06GK1845396SQ20061002495
公開日2006年10月11日 申請日期2006年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月22日
發(fā)明者唐前進(jìn), 胡企銓 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所