專(zhuān)利名稱(chēng)：激光相干合束裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光相干合束裝置，特別是一種多臺(tái)激光二極管(以下簡(jiǎn)稱(chēng)LD)抽運(yùn)固體激光器輸出的激光相干合成裝置。
背景技術(shù)：
高功率固體激光在科學(xué)研究、工業(yè)應(yīng)用和軍事上都有重要的應(yīng)用，而現(xiàn)在的激光輸出功率和光束質(zhì)量水平還遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到所要求的理想水平，高功率高光束質(zhì)量是固體激光器追求的目標(biāo)之一。隨著激光二極管功率的不斷提高和大尺寸晶體生長(zhǎng)技術(shù)的成熟，固體激光器的功率也得到了相應(yīng)的提高，但單臺(tái)激光器輸出依然受晶體生長(zhǎng)、熱管理、飽和效應(yīng)以及損傷閾值等因素的限制，要同時(shí)滿(mǎn)足高功率高光束質(zhì)量是十分困難的。激光相干合束技術(shù)能在有效提高功率密度的同時(shí)提高光束質(zhì)量，工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究對(duì)此有迫切需求。在激光束相干合束的各種技術(shù)中，腔內(nèi)相干合束是一種非常有用的技術(shù)。在先技術(shù)中，所設(shè)計(jì)的腔內(nèi)相干合束激光器需要耦合鏡的反射率和透射率比是1∶1，參見(jiàn)在先技術(shù)[A.A.Ishaaya，N.Davidson，L.Shimshi，et al.Appl.Phys.Lett.Vol.852187-2189，2004]。這種腔內(nèi)鎖定技術(shù)雖能將兩臺(tái)激光器輸出的激光進(jìn)行相干合束，但是必須要求耦合鏡的透射和反射比例是1∶1，并且由于分束片導(dǎo)致高損耗；為了減小損耗必須使得光腔光束在耦合鏡上發(fā)生干涉相長(zhǎng)，其調(diào)整往往非常困難；況且這種結(jié)構(gòu)需要兩腔的橫模結(jié)構(gòu)也要完全相同并且位置要完全對(duì)應(yīng)，否則會(huì)引入很大的損耗，而側(cè)面抽運(yùn)的高功率固體激光器的輸出往往是多模，一般難以滿(mǎn)足這種結(jié)構(gòu)；利用這種結(jié)構(gòu)增加更多的激光器則會(huì)導(dǎo)致同時(shí)滿(mǎn)足干涉相長(zhǎng)條件相當(dāng)困難，因此至今還只有兩臺(tái)激光器輸出的激光相干合束裝置。總之，現(xiàn)在的技術(shù)都存在損耗大、適用范圍窄、增加更多激光器放大困難等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種激光相干合束裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)多束相干激光合成輸出，能在獲得高功率的同時(shí)保持高光束質(zhì)量。
本發(fā)明技術(shù)解決方案如下一種激光相干合束裝置，其特征在于包括N臺(tái)可以獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)相同的并列的激光器，其中N＝2n，n為正整數(shù)，所述的第i臺(tái)激光器是依次由光路上的后腔鏡、激光介質(zhì)、光束第一轉(zhuǎn)束鏡和第二轉(zhuǎn)束鏡、輸出腔鏡和泵浦源構(gòu)成三折腔的激光器，其中i＝1、2、……、或N，所有N臺(tái)激光器的后腔鏡與激光介質(zhì)的光束延線(xiàn)有一公共垂線(xiàn)，在所述的N臺(tái)激光器的后腔鏡與激光介質(zhì)的光束延線(xiàn)和該公共垂線(xiàn)的相交處有與該公共垂線(xiàn)成45°放置的一相互平行的轉(zhuǎn)束鏡，在該公共垂線(xiàn)上于第N個(gè)轉(zhuǎn)束鏡后還放置第N+1個(gè)轉(zhuǎn)束鏡，并與前N個(gè)平行的轉(zhuǎn)束鏡平行，由后腔鏡、激光介質(zhì)、第一轉(zhuǎn)束鏡、第二轉(zhuǎn)束鏡至輸出鏡之間的光程為該激光器的腔長(zhǎng)Li，由第一轉(zhuǎn)束鏡或第二轉(zhuǎn)束鏡到輸出鏡之間的光程稱(chēng)為為耦合光程li；各臺(tái)激光器的腔長(zhǎng)Li相等且耦合光程li也相等，在N/2對(duì)相鄰輸出光路上成45°成對(duì)地設(shè)有兩個(gè)輸出光束轉(zhuǎn)束鏡，在該兩輸出光束轉(zhuǎn)束鏡之間有一進(jìn)行光束合成的直角棱鏡，在相鄰兩直角棱鏡的輸出光路上又通過(guò)成對(duì)的輸出光束轉(zhuǎn)束鏡和一直角棱鏡再次進(jìn)行合成，直至最后經(jīng)n次合束后形成一束激光輸出。
所述的第1轉(zhuǎn)束鏡和第N+1轉(zhuǎn)束鏡的反射率大于99.5％，稱(chēng)為反射鏡，而其它的轉(zhuǎn)束鏡是具有高反射率和低透射率的耦合鏡，相鄰的兩臺(tái)激光器通過(guò)公共的耦合鏡的透射實(shí)現(xiàn)相鄰激光器之間的相互注入鎖定。
所述的耦合鏡的一面鍍有對(duì)該45°入射激光的反射率在98％～90％之間的透射膜，另一面鍍有對(duì)45°入射激光的反射率大于99.5％的反射膜。
所述的激光器由泵浦源從端面抽運(yùn)或側(cè)面抽運(yùn)。
所述的激光介質(zhì)的橫截面是圓形、矩形或長(zhǎng)方形。
所述的泵浦源為激光二極管。
本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)由于是相鄰兩激光器相互鎖定，在多臺(tái)激光器輸出激光合束結(jié)構(gòu)中受其它激光器影響較小，因而系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并且對(duì)多橫模結(jié)構(gòu)不會(huì)引入大損耗，對(duì)側(cè)面抽運(yùn)的高功率激光器也完全適合，激光器輸出光的偏振態(tài)只要方向相同就可以，沒(méi)有線(xiàn)性偏振光的要求。該發(fā)明適合于多種泵浦方式固體激光器輸出激光相干合束。實(shí)驗(yàn)表明該裝置的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)多束相干激光合成輸出，能在獲得高功率的同時(shí)保持高光束質(zhì)量。
以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1用于兩臺(tái)LD抽運(yùn)固體激光器輸出的激光相干合束裝置示意圖。
圖2為本發(fā)明中耦合鏡的鍍膜示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例2用于四臺(tái)LD抽運(yùn)固體激光器輸出的激光相干合束裝置示意圖。
圖4為本發(fā)明多臺(tái)LD抽運(yùn)固體激光器輸出的激光相干合束裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式
先請(qǐng)參閱圖4，圖4為本發(fā)明多臺(tái)LD抽運(yùn)固體激光器輸出的激光相干合束裝置示意圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明激光相干合束裝置，包括N臺(tái)可以獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)相同的并列的激光器，其中N＝2n，n為正整數(shù)，所述的第i臺(tái)激光器是依次由光路上的后腔鏡i1、激光介質(zhì)i2、光束第一轉(zhuǎn)束鏡i3和第二轉(zhuǎn)束鏡(i+1)3、輸出腔鏡i4和泵浦源構(gòu)成三折腔的激光器，其中i＝1、2、……、或N，所有N臺(tái)激光器的后腔鏡i1與激光介質(zhì)i2的光束延線(xiàn)有一公共垂線(xiàn)OO`，在所述的N臺(tái)激光器的后腔鏡i1與激光介質(zhì)i2的光束延線(xiàn)和該公共垂線(xiàn)OO`的相交處有與該公共垂線(xiàn)OO`成45°放置的一相互平行的轉(zhuǎn)束鏡i3，在該公共垂線(xiàn)OO`上于第N個(gè)轉(zhuǎn)束鏡N3后還放置第N+1個(gè)轉(zhuǎn)束鏡(N+1)3，并與前N個(gè)平行的轉(zhuǎn)束鏡i3平行，由后腔鏡i1、激光介質(zhì)i2、轉(zhuǎn)束鏡i3、轉(zhuǎn)束鏡(i+1)3至輸出鏡i4之間的光程為第i臺(tái)激光器的腔長(zhǎng)Li，由轉(zhuǎn)束鏡i3到輸出鏡i4和由轉(zhuǎn)束鏡(i+1)3到輸出鏡i4之間的光程稱(chēng)為為耦合光程li；各臺(tái)激光器的腔長(zhǎng)Li相等且耦合光程li也相等，在N/2對(duì)相鄰輸出光路上成45°成對(duì)地設(shè)有輸出光束轉(zhuǎn)束鏡i5和輸出光束轉(zhuǎn)束鏡(i+1)5，在所述的輸出光束轉(zhuǎn)束鏡i5和輸出光束轉(zhuǎn)束鏡(i+1)5之間有一進(jìn)行光束合成的直角棱鏡，在相鄰兩直角棱鏡的輸出光路上又通過(guò)成對(duì)的輸出光束轉(zhuǎn)束鏡和一直角棱鏡再次進(jìn)行合成，直至最后經(jīng)n次合束后成為一束激光輸出。
所述的第1轉(zhuǎn)束鏡13和第N+1轉(zhuǎn)束鏡(N+1)3的反射率大于99.5％，稱(chēng)為反射鏡，而其它的轉(zhuǎn)束鏡是具有高反射率和低透射率的耦合鏡，相鄰的第i臺(tái)激光器和第i+1臺(tái)激光器通過(guò)公共的耦合鏡(i+1)3的透射實(shí)現(xiàn)該相鄰激光器的相互注入鎖定。
所述的耦合鏡的一面(i+1)31鍍有對(duì)該45°入射激光的反射率在98％～90％之間的透射膜，另一面(i+1)33鍍有對(duì)45°入射激光的反射率大于99.5％反射膜，見(jiàn)圖2。
所述的激光器由泵浦源從端面抽運(yùn)或側(cè)面抽運(yùn)。
所述的激光介質(zhì)i2的橫截面是圓形、矩形或長(zhǎng)方形。
所述的泵浦源為激光二極管。
實(shí)施例1請(qǐng)參見(jiàn)圖1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例1，即n＝1的情況用于兩臺(tái)LD抽運(yùn)固體激光器輸出的激光相干合束裝置示意圖。也是本發(fā)明激光相干合束裝置結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的裝置，兩臺(tái)激光器的介質(zhì)為Nd:YAG或者Nd:GGG等板條介質(zhì)，其泵浦源為半導(dǎo)體激光二極管，在激光介質(zhì)12、22的兩個(gè)側(cè)面進(jìn)行抽運(yùn)，兩激光器的后腔鏡11和后腔鏡21鍍?cè)摷す獠ㄩL(zhǎng)(比如1064nm，以下以該波長(zhǎng)為例)0°入射全反射膜，輸出腔鏡14和輸出腔鏡24鍍1064nm波長(zhǎng)0°入射低透射膜，透射率為30％～80％范圍。兩腔長(zhǎng)L1和L2相同，可在100mm～1000mm內(nèi)選擇。耦合鏡23的一面231對(duì)45°入射的1064nm波長(zhǎng)激光的反射率為95％，而另一面232鍍有45°入射1064nm波長(zhǎng)激光的增透膜，如圖2所示。耦合鏡23與輸出鏡14的耦合光程l1和耦合鏡23與輸出鏡24的耦合光程l2相等。光路中改變光束方向的轉(zhuǎn)束鏡13、15、23、33、25對(duì)45°入射1064波長(zhǎng)激光的反射率大于99.5％。運(yùn)行時(shí)，先調(diào)整兩輸出腔鏡14和輸出腔鏡24，使得它們與耦合鏡23的光程相等。然后調(diào)整兩激光器的后腔鏡11和后腔鏡21，使得L1＝L2。通過(guò)移動(dòng)直角棱鏡1C來(lái)保證兩者腔外光程差也相等。這樣通過(guò)直角棱鏡1C就獲得了兩束激光相干合成的光束輸出。
實(shí)施例2圖3是本發(fā)明實(shí)施例2，即n＝2的情況，用于四臺(tái)LD抽運(yùn)固體激光器輸出的激光相干合束裝置示意圖。
以圖1為基礎(chǔ)，本發(fā)明可用于偶數(shù)臺(tái)激光器。圖3所示的裝置由四臺(tái)激光器所組成。4臺(tái)激光器都由獨(dú)立的激光介質(zhì)、泵浦源、后腔鏡和輸出腔鏡構(gòu)成三折腔激光器，第一臺(tái)激光器是由光路上依次由后腔鏡11、激光介質(zhì)12、光束第一轉(zhuǎn)束鏡13和第二轉(zhuǎn)束鏡23、輸出腔鏡14和泵浦源(圖中未示，以下同)所組成，第二臺(tái)激光器是由光路上依次由后腔鏡21、激光介質(zhì)22、光束第一轉(zhuǎn)束鏡23和第二轉(zhuǎn)束鏡33、輸出腔鏡24、和泵浦源所組成，第三臺(tái)激光器是由光路上依次的后腔鏡31、激光介質(zhì)32、光束第一轉(zhuǎn)束鏡33和第二轉(zhuǎn)束鏡43、輸出腔鏡34和泵浦源所組成，第四臺(tái)激光器4是光路上依次由后腔鏡41、激光介質(zhì)42、光束第一轉(zhuǎn)束鏡43和第二轉(zhuǎn)束鏡53、輸出腔鏡44和泵浦源所組成，依次經(jīng)過(guò)這些器件的光程叫做這四臺(tái)激光器的腔長(zhǎng)。第一臺(tái)激光器與第二臺(tái)激光器通過(guò)耦合鏡23實(shí)現(xiàn)相互注入，第二臺(tái)激光器和第三臺(tái)激光器通過(guò)耦合鏡33實(shí)現(xiàn)相互注入，第三臺(tái)激光器和第四臺(tái)激光器通過(guò)耦合鏡43實(shí)現(xiàn)相互注入。轉(zhuǎn)束鏡13、23、33、43、53對(duì)45°入射激光的反射率都為90％，輸出鏡14、24、34、44對(duì)0°入射激光的反射率為50％時(shí)，第一臺(tái)激光器注入到第二臺(tái)激光器的能量占第一臺(tái)激光器輸出方向能量的4.52％，第一臺(tái)激光器對(duì)第三臺(tái)激光器注入的能量只占第一臺(tái)激光器輸出能量的0.118％，這表明第一臺(tái)激光器對(duì)第二臺(tái)(它所相鄰的激光器)激光器的注入能量要比對(duì)其它臺(tái)激光器注入的能量大得多。其它的可以進(jìn)行類(lèi)推，因此系統(tǒng)存在多個(gè)激光器時(shí)，起重要作用的仍然只有相鄰的激光器相互作用，所以系統(tǒng)能運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。為保證光束在腔外的光程，指輸出腔鏡14、24、34、44到直角棱鏡3E的光程相等的調(diào)整方法是將第一臺(tái)激光器和第二臺(tái)激光器為一組，調(diào)節(jié)直角棱鏡1C使得腔外光程相等；第三臺(tái)激光器和第四臺(tái)激光器為另一組，調(diào)節(jié)直角棱鏡2C使得兩臺(tái)激光器輸出的腔外光程相等；前面兩合束光合成后再通過(guò)直角棱鏡3E來(lái)調(diào)整使得兩者光程相等。四臺(tái)激光器的腔長(zhǎng)相等是通過(guò)移動(dòng)它們的后腔鏡11、21、31、41來(lái)保證的。這樣就從直角棱鏡3E輸出四束相干合成的激光束。
依此類(lèi)推，該發(fā)明裝置可以推廣到有N臺(tái)激光器的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。在此不再贅述。
綜上所述，本發(fā)明結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定，能獲得多束相干激光輸出，獲得高功率高光束質(zhì)量的激光光源，以滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究的需要。
權(quán)利要求
1.一種激光相干合束裝置，其特征在于包括N臺(tái)可以獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)相同的并列的激光器，其中N＝2n，n為正整數(shù)，所述的第i臺(tái)激光器(i)是依次由光路上的后腔鏡(i1)、激光介質(zhì)(i2)、光束第一轉(zhuǎn)束鏡(i3)和第二轉(zhuǎn)束鏡((i+1)3)、輸出腔鏡(i4)和泵浦源構(gòu)成一三折腔激光器，其中i＝1、2、……、或N，所有N臺(tái)激光器的后腔鏡(i1)與激光介質(zhì)(i2)的光束延線(xiàn)有一公共垂線(xiàn)(OO`)，在所述的N臺(tái)激光器的后腔鏡(i1)與激光介質(zhì)(i2)的光束延線(xiàn)和該公共垂線(xiàn)(OO`)的相交處有與該公共垂線(xiàn)(OO`)成45°放置的一相互平行的轉(zhuǎn)束鏡(i3)，在該公共垂線(xiàn)(OO`)上于第N個(gè)轉(zhuǎn)束鏡(N3)后還放置第N+1個(gè)轉(zhuǎn)束鏡((N+1)3)，并與前N個(gè)平行的轉(zhuǎn)束鏡(i3)平行，由后腔鏡(i1)、激光介質(zhì)(i2)、轉(zhuǎn)束鏡(i3)、轉(zhuǎn)束鏡((i+1)3)至輸出鏡(i4)之間的光程為第i臺(tái)激光器(i)的腔長(zhǎng)Li，由轉(zhuǎn)束鏡(i3)經(jīng)轉(zhuǎn)束鏡((i+1)3)到輸出鏡(i4)之間的光程稱(chēng)為為耦合光程li；各臺(tái)激光器的腔長(zhǎng)Li相等且耦合光程li也相等，在N/2對(duì)相鄰輸出光路上成45°成對(duì)地設(shè)有輸出光束轉(zhuǎn)束鏡(i5)和輸出光束轉(zhuǎn)束鏡((i+1)5)，在所述的輸出光束轉(zhuǎn)束鏡(i5)和輸出光束轉(zhuǎn)束鏡((i+1)5)之間有一進(jìn)行光束合成的直角棱鏡，在相鄰兩直角棱鏡的輸出光路上又通過(guò)成對(duì)的輸出光束轉(zhuǎn)束鏡和一直角棱鏡再次進(jìn)行合成，直至最后經(jīng)n次合束后形成一束激光輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光相干合束裝置，其特征在于所述的第1轉(zhuǎn)束鏡(13)和第N+1)轉(zhuǎn)束鏡((N+1)3)的反射率大于99.5％，稱(chēng)為反射鏡，而其它的轉(zhuǎn)束鏡是具有高反射率和低透射率的耦合鏡，相鄰的第i臺(tái)激光器(i)和第i+1臺(tái)激光器(i+1)通過(guò)共用的耦合鏡((i+1)3)的透射實(shí)現(xiàn)相鄰激光器之間的相互注入鎖定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光器相干合束裝置，其特征在于所述的耦合鏡的一面鍍有對(duì)45°入射激光的反射率在98％～90％之間的透射膜，另一面鍍有對(duì)45°入射激光的反射率大于99.5％的反射膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光相干合束裝置，其特征在于所述的激光器(i)由泵浦源從端面抽運(yùn)或側(cè)面抽運(yùn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光相干合束裝置，其特征在于所述的激光介質(zhì)(i2)的橫截面是圓形、矩形或長(zhǎng)方形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的激光相干合束裝置，其特征在于所述的泵浦源為激光二極管。
全文摘要
一種激光相干合束裝置，包括多臺(tái)LD抽運(yùn)的固體激光器，每一臺(tái)激光器有獨(dú)立的激光介質(zhì)和前后腔鏡，相鄰兩臺(tái)激光器之間通過(guò)公共的耦合鏡的部分透射激光實(shí)現(xiàn)相互注入，使得多臺(tái)激光器的頻率和位相鎖定。相鄰兩臺(tái)激光器的輸出激光通過(guò)直角棱鏡的移動(dòng)調(diào)整兩者的光程差為0，最后平行輸出高功率高光束質(zhì)量的相干激光。每臺(tái)激光器對(duì)其相鄰激光器注入能量遠(yuǎn)大于對(duì)其它激光器注入的能量，因此多臺(tái)激光器擴(kuò)展時(shí)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。本發(fā)明結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定實(shí)用，可以進(jìn)行多臺(tái)激光器擴(kuò)展，輸出光束通過(guò)調(diào)節(jié)直角棱鏡達(dá)到腔外光程相等效果，通過(guò)多臺(tái)激光器輸出多束相干激光的合束可獲得高功率高光束質(zhì)量的激光。
文檔編號(hào)H01S3/00GK1805226SQ20061002341
公開(kāi)日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2006年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月18日
發(fā)明者唐前進(jìn), 于永愛(ài), 胡企銓 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所