專利名稱：包含微腔陣列的激光器諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包含微腔陣列的激光器諧振腔，能夠減少諧振腔內(nèi)模式數(shù)目，降 低激光器閾值，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
減少諧振腔內(nèi)的模式數(shù)目是降低激光器閾值的主要措施。諧振腔是激光器的核心 部分，而開腔諧振腔內(nèi)的模式數(shù)目較少，見圖1、圖2所示，所述開腔有源諧振腔由全反射鏡 1、激光工作物質(zhì)2、輸出耦合反射鏡3構(gòu)成，激光工作物質(zhì)2位于全反射鏡1與輸出耦合反 射鏡3之間，三者光學(xué)同軸。處在諧振頻率ν附近頻帶d ν內(nèi)的模式數(shù)目G為G = ^-Vdv(1)
c式中V是諧振腔體積，c為光速。諧振腔體積V由諧振腔腔長(zhǎng)L以及全反射鏡1、 輸出耦合反射鏡3的有效區(qū)域面積A求出。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有激光器諧振腔存在的問題在于，由于全反射鏡1、輸出耦合反射鏡3直徑在 IOmm左右，有效區(qū)域面積A比較大，諧振腔體積V也就很大，而諧振腔內(nèi)模式數(shù)目G與體積 V成正比，所以諧振腔內(nèi)包含的模式數(shù)目G較大，這使得自發(fā)射光子耦合到具有謝振頻率ν 的激光模式中來產(chǎn)生激光的幾率非常小，從而激光器閾值高。為了減少激光器諧振腔內(nèi)的 模式數(shù)目，降低激光器閾值，我們發(fā)明了一種包含微腔陣列的激光器諧振腔。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，激光器諧振腔包括全反射鏡1、激光工作物質(zhì)2、輸出耦合 反射鏡3，激光工作物質(zhì)2位于全反射鏡1與輸出耦合反射鏡3之間，三者光學(xué)同軸，激光 工作物質(zhì)2的兩個(gè)端面與全反射鏡1、輸出耦合反射鏡3的有效區(qū)域4相對(duì)，見圖1、圖2所 示，其特征在于，所述激光器諧振腔包含由若干微諧振腔組成的微腔陣列，其實(shí)現(xiàn)有兩種方 案—、由若干微型全反射鏡構(gòu)成微型全反射鏡陣列，若干微型全反射鏡光學(xué)軸線平 行，或/和由若干微型輸出耦合反射鏡構(gòu)成微型輸出耦合反射鏡陣列，若干微型輸出耦合 反射鏡光學(xué)軸線平行，見圖3所示，微諧振腔的構(gòu)成有三種方案，一是由一個(gè)微型全反射鏡 與其光學(xué)軸線經(jīng)過的輸出耦合反射鏡3的部分構(gòu)成；二是由一個(gè)微型輸出耦合反射鏡與其 光學(xué)軸線經(jīng)過的全反射鏡1的部分構(gòu)成；三是由一個(gè)微型全反射鏡與其光學(xué)軸線經(jīng)過的一 個(gè)微型輸出耦合反射鏡構(gòu)成；若干個(gè)這樣的微諧振腔組成微腔陣列；二、將由若干微型激光工作物質(zhì)構(gòu)成的微型激光工作物質(zhì)陣列5作為激光工作物 質(zhì)2，見圖4所示，微型激光工作物質(zhì)陣列5位于全反射鏡1和輸出耦合反射鏡3之間，見圖 5所示，每一個(gè)微型激光工作物質(zhì)軸線均與全反射鏡1和輸出耦合反射鏡3的軸線平行，每 一個(gè)微型激光工作物質(zhì)軸線與全反射鏡1有效區(qū)域的交點(diǎn)之處為一個(gè)微型全反射鏡有效 區(qū)域，與輸出耦合反射鏡3有效區(qū)域的交點(diǎn)之處為一個(gè)微型輸出耦合反射鏡有效區(qū)域，一個(gè)微型全反射鏡有效區(qū)域與一個(gè)微型輸出耦合反射鏡有效區(qū)域構(gòu)成一個(gè)微諧振腔，若干個(gè) 這樣的微諧振腔組成微腔陣列。微諧振腔的物理體積非常小，其模式數(shù)目非常低，進(jìn)而影響內(nèi)部原子的自發(fā)輻射 特性，由于微腔限制作用，自發(fā)輻射耦合到激光模式內(nèi)的幾率大大增加，從而使激光器的閾 值變得很低。本發(fā)明實(shí)質(zhì)上是將現(xiàn)有固體激光器的大體積諧振腔分割成眾多小體積的微諧 振腔，并排列成微腔陣列，各個(gè)微諧振腔產(chǎn)生的激光相干合成，峰值功率大于現(xiàn)有大體積諧 振腔固體激光器的峰值功率。這一效果還可以從以下分析看出。從自發(fā)輻射增強(qiáng)因子F分析 式中Q = λ/Δ λ是諧振腔品質(zhì)因子，λ是輻射波長(zhǎng)，Δ λ是自發(fā)輻射帶寬，V 是諧振腔體積。從公式(2)可以看出，對(duì)于微諧振腔，Δ λ很小，因而Q值很大，另外V也 非常小，Q/V比值遠(yuǎn)大于現(xiàn)有固體激光器的大體積諧振腔的Q/V比值，所以，自發(fā)輻射增強(qiáng) 因子F非常大，自發(fā)輻射極大增強(qiáng)。再從自發(fā)輻射耦合因子β分析 式中λ是輻射波長(zhǎng)，Δ λ是自發(fā)輻射帶寬，V是諧振腔體積，η是激光工作物質(zhì) 介質(zhì)折射率。從公式(3)可以看出，由于微諧振腔體積V、自發(fā)輻射帶寬△ λ都很小，因此， 耦合因子β得到極大的提高，自發(fā)輻射耦合到激光模式內(nèi)的幾率大大增加。激光器閾值Pth與自發(fā)輻射耦合因子β之間關(guān)系為 式中Y是光子從諧振腔內(nèi)出射的效率，數(shù)值ξ =ΝβνΓ/Υ，是半數(shù)原子處于激 發(fā)態(tài)時(shí)激光模式內(nèi)的平均光子數(shù)，N是原子數(shù)目，β是自發(fā)輻射耦合因子，V是諧振腔體積， Γ是自發(fā)輻射速率。從公式(4)可以看出，在微諧振腔之中由于體積的限制作用，諧振模式 的數(shù)目顯著減少，自發(fā)輻射也不再各向同性，耦合因子β可以得到極大改善，因此，激光器 閾值Pth會(huì)隨之明顯減小，如果能將β提高到1，那么Pth= Y，可以實(shí)現(xiàn)接近無閾值的激光 出射。由于每個(gè)微諧振腔的體積V的限制，包含微腔陣列的激光器諧振腔模式數(shù)目顯著 降低，使得自發(fā)輻射極大增強(qiáng)，耦合到激光模式中的自發(fā)輻射耦合因子β得到極大提高， 激光閾值Pth明顯減小，所以包含微腔陣列的激光器諧振腔會(huì)使激光器的閾值得到降低。同 時(shí)由于每個(gè)微諧振腔之間因衍射相干耦合而產(chǎn)生模式鎖定，使包含微腔陣列的激光器諧振 腔輸出的激光束產(chǎn)生相干疊加，保證了輸出激光束的質(zhì)量。


圖1是現(xiàn)有激光器諧振腔的基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是是現(xiàn)有激光器諧振腔中的全 反射鏡或者輸出耦合反射鏡上的有效區(qū)域示意圖。圖3是本發(fā)明所涉微型全反射鏡陣列或 者微型輸出耦合鏡陣列示意圖。圖4是本發(fā)明所涉微型激光工作物質(zhì)陣列示意圖。圖5是因采用微型激光工作物質(zhì)陣列而形成的本發(fā)明之包含微腔陣列的激光器諧振腔結(jié)構(gòu)示意 圖，該圖兼作為摘要附圖。圖6是由微型全反射鏡陣列與輸出耦合反射鏡構(gòu)成的本發(fā)明之 包含微腔陣列的激光器諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是由全反射鏡與微型輸出耦合反射鏡陣列 構(gòu)成的本發(fā)明之包含微腔陣列的激光器諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是由微型全反射鏡陣列與 微型輸出耦合反射鏡陣列構(gòu)成的本發(fā)明之包含微腔陣列的激光器諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明具體是這樣實(shí)現(xiàn)的，激光器諧振腔由全反射鏡1、激光工作物質(zhì)2、輸出耦 合反射鏡3構(gòu)成，激光工作物質(zhì)2位于全反射鏡1與輸出耦合反射鏡3之間，三者光學(xué)同軸， 激光工作物質(zhì)2的兩個(gè)端面與全反射鏡1、輸出耦合反射鏡3的有效區(qū)域4相對(duì)，見圖1、圖 2所示。所述激光器諧振腔包含由若干微諧振腔組成的微腔陣列，其實(shí)現(xiàn)有兩種方案一、由若干微型全反射鏡構(gòu)成微型全反射鏡陣列，若干微型全反射鏡光學(xué)軸線平 行，或/和由若干微型輸出耦合反射鏡構(gòu)成微型輸出耦合反射鏡陣列，若干微型輸出耦合 反射鏡光學(xué)軸線平行，見圖3所示，微諧振腔的構(gòu)成有三種方案，一是由一個(gè)微型全反射鏡 與其光學(xué)軸線經(jīng)過的輸出耦合反射鏡3的部分構(gòu)成；二是由一個(gè)微型輸出耦合反射鏡與其 光學(xué)軸線經(jīng)過的全反射鏡1的部分構(gòu)成；三是由一個(gè)微型全反射鏡與其光學(xué)軸線經(jīng)過的一 個(gè)微型輸出耦合反射鏡構(gòu)成；若干個(gè)這樣的微諧振腔組成微腔陣列。此時(shí)，包含微腔陣列的 激光器諧振腔有三種方案，一是由微型全反射鏡陣列6與輸出耦合反射鏡3構(gòu)成，見圖6所 示；二是由全反射鏡1與微型輸出耦合反射鏡陣列7構(gòu)成，見圖7所示；三是由微型全反射 鏡陣列6與微型輸出耦合反射鏡陣列7構(gòu)成，見圖8所示。由于微型全反射鏡陣列6中的 微型全反射鏡與微型輸出耦合反射鏡陣列7中的微型輸出耦合反射鏡很難一一對(duì)應(yīng)光學(xué) 同軸，因此前兩種方案更容易實(shí)現(xiàn)。設(shè)微型全反射鏡或者微型輸出耦合反射鏡直徑為Cltl，根據(jù)緊密陣列要求，若干微 型全反射鏡或者微型輸出耦合反射鏡在η個(gè)同心的陣列環(huán)上排列，在有效區(qū)域4的中心設(shè) 置一個(gè)直徑為Cltl的微型全反射鏡或者微型輸出耦合反射鏡，然后在第1陣列環(huán)上設(shè)置，第η 個(gè)陣列環(huán)半徑就是Iidtl，第η個(gè)陣列環(huán)上直徑為Cltl的微型全反射鏡或者微型輸出耦合反射 鏡的數(shù)量Nn為 式中n為陣列環(huán)序數(shù)，取值為整數(shù)1、2、3……當(dāng)激光工作物質(zhì)2采用Nd:YAG激 光棒時(shí)，輸出激光波長(zhǎng)為1. 06 μ m,因此，微型全反射鏡或者微型輸出耦合反射鏡直徑Cltl為 μ m量級(jí)，設(shè)dQ = 10 μ m,全反射鏡1或者輸出耦合反射鏡3的有效區(qū)域4直徑為6mm，那么 陣列環(huán)序數(shù)η最大為299，也就是有299個(gè)陣列環(huán)，每個(gè)陣列環(huán)上的微型全反射鏡或者微型 輸出耦合反射鏡數(shù)目各不相同，從內(nèi)環(huán)向外環(huán)逐漸增加，由公式(5)可知，在第1個(gè)陣列環(huán) 上設(shè)置有6個(gè)，第2環(huán)12個(gè)，第3環(huán)19個(gè)，……第299環(huán)1878個(gè)，總計(jì)269100個(gè)，最內(nèi)環(huán) 半徑10 μ m,最外環(huán)半徑2990 μ m,微型全反射鏡陣列或者微型輸出耦合反射鏡陣列直徑為 5990 μ m,因此，微型全反射鏡或者微型輸出耦合反射鏡均分布在有效區(qū)域4內(nèi)。采用光刻技術(shù)在全反射鏡1的反射膜上以及輸出耦合反射鏡3介質(zhì)膜上制作微型全反射鏡陣列6以及微型輸出耦合反射鏡陣列7。陣列環(huán)序數(shù)η最大取到299，微型全反射 鏡陣列6以及微型輸出耦合反射鏡陣列7直徑達(dá)到6010 μ m，略大于全反射鏡1、輸出耦合 反射鏡3有效區(qū)域4的直徑，適應(yīng)諧振光的發(fā)散角。微型全反射鏡或者微型輸出耦合反射 鏡直徑Cltl為8 9 μ m，以使每個(gè)微型全反射鏡或者微型輸出耦合反射鏡邊緣之間有1 2μπι間隔?；蛘卟捎脝文９饫w制作微型全反射鏡陣列6、微型輸出耦合反射鏡陣列7。去掉單 模光纖外保護(hù)層，環(huán)形緊密排列捆扎形成光纖束，光纖束直徑10mm、長(zhǎng)2 3mm，光纖束兩端 面為拋光平面，鍍介質(zhì)膜。二、將由若干微型激光工作物質(zhì)構(gòu)成的微型激光工作物質(zhì)陣列5作為激光工作物 質(zhì)2，見圖4所示，微型激光工作物質(zhì)陣列5位于全反射鏡1和輸出耦合反射鏡3之間，見圖 5所示，每一個(gè)微型激光工作物質(zhì)軸線均與全反射鏡1和輸出耦合反射鏡3的軸線平行，每 一個(gè)微型激光工作物質(zhì)軸線與全反射鏡1有效區(qū)域的交點(diǎn)之處為一個(gè)微型全反射鏡有效 區(qū)域，與輸出耦合反射鏡3有效區(qū)域的交點(diǎn)之處為一個(gè)微型輸出耦合反射鏡有效區(qū)域，一 個(gè)微型全反射鏡有效區(qū)域與一個(gè)微型輸出耦合反射鏡有效區(qū)域構(gòu)成一個(gè)微諧振腔，若干個(gè) 這樣的微諧振腔組成微腔陣列。將直徑為10 μ m釹光纖激光器用的單模釹光纖環(huán)形緊密排列捆扎形成光纖束，光 纖束直徑為8mm，長(zhǎng)100mm，光纖束兩端面為拋光平面，一個(gè)端面鍍對(duì)1. 06 μ m全反、對(duì)808nm 全透的雙色膜，另一個(gè)端面鍍1. 06 μ m增透膜，作為微型激光工作物質(zhì)陣列5。在諧振腔腔 長(zhǎng)L相同、全反射鏡1和輸出耦合反射鏡3有效區(qū)域4面積A相同的前提下，與采用同尺寸 的Nd:YAG激光棒相比，采用微型激光工作物質(zhì)陣列5形成的微諧振腔體積V'與諧振腔體 積V相比，可得V' /V = 1. 1 X 10_6，也就是說，微諧振腔體積是諧振腔體積的1. IXlO6分 之一，這意味V'內(nèi)模式數(shù)目是V的1. 1 X IO6分之一，耦合到激光模式中的自發(fā)輻射耦合因 子β提高了 1. IXlO6倍，所以說包含微腔陣列的激光器諧振腔有利于激光閾值的降低。
權(quán)利要求
一種包含微腔陣列的激光器諧振腔，包括全反射鏡(1)、激光工作物質(zhì)(2)、輸出耦合反射鏡(3)，激光工作物質(zhì)(2)位于全反射鏡(1)與輸出耦合反射鏡(3)之間，三者光學(xué)同軸，激光工作物質(zhì)(2)的兩個(gè)端面與全反射鏡(1)、輸出耦合反射鏡(3)的有效區(qū)域(4)相對(duì)，其特征在于，所述激光器諧振腔包含由若干微諧振腔組成的微腔陣列，其實(shí)現(xiàn)有兩種方案一、由若干微型全反射鏡構(gòu)成微型全反射鏡陣列，若干微型全反射鏡光學(xué)軸線平行，或/和由若干微型輸出耦合反射鏡構(gòu)成微型輸出耦合反射鏡陣列，若干微型輸出耦合反射鏡光學(xué)軸線平行，微諧振腔的構(gòu)成有三種方案，一是由一個(gè)微型全反射鏡與其光學(xué)軸線經(jīng)過的輸出耦合反射鏡(3)的部分構(gòu)成；二是由一個(gè)微型輸出耦合反射鏡與其光學(xué)軸線經(jīng)過的全反射鏡(1)的部分構(gòu)成；三是由一個(gè)微型全反射鏡與其光學(xué)軸線經(jīng)過的一個(gè)微型輸出耦合反射鏡構(gòu)成；若干個(gè)這樣的微諧振腔組成微腔陣列；二、將由若干微型激光工作物質(zhì)構(gòu)成的微型激光工作物質(zhì)陣列(5)作為激光工作物質(zhì)(2)，微型激光工作物質(zhì)陣列(5)位于全反射鏡(1)和輸出耦合反射鏡(3)之間，每一個(gè)微型激光工作物質(zhì)軸線均與全反射鏡(1)和輸出耦合反射鏡(3)的軸線平行，每一個(gè)微型激光工作物質(zhì)軸線與全反射鏡(1)有效區(qū)域的交點(diǎn)之處為一個(gè)微型全反射鏡有效區(qū)域，與輸出耦合反射鏡(3)有效區(qū)域的交點(diǎn)之處為一個(gè)微型輸出耦合反射鏡有效區(qū)域，一個(gè)微型全反射鏡有效區(qū)域與一個(gè)微型輸出耦合反射鏡有效區(qū)域構(gòu)成一個(gè)微諧振腔，若干個(gè)這樣的微諧振腔組成微腔陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器諧振腔，其特征在于，包含微腔陣列的激光器諧振腔 由微型全反射鏡陣列(6)與輸出耦合反射鏡(3)構(gòu)成；或者由全反射鏡(1)與微型輸出耦 合反射鏡陣列⑵構(gòu)成；或者由微型全反射鏡陣列(6)與微型輸出耦合反射鏡陣列(7)構(gòu) 成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器諧振腔，其特征在于，若干微型全反射鏡或者微型輸 出耦合反射鏡在η個(gè)同心的陣列環(huán)上排列。
全文摘要
一種包含微腔陣列的激光器諧振腔，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有激光器諧振腔體積很大，所包含的模式數(shù)目較大，這使得自發(fā)射光子耦合到具有謝振頻率ν的激光模式中來產(chǎn)生激光的幾率非常小，從而激光器閾值高。本發(fā)明之激光器諧振腔包含由若干微諧振腔組成的微腔陣列。微諧振腔的實(shí)現(xiàn)通過采用由若干微型全反射鏡構(gòu)成微型全反射鏡陣列、或/和由若干微型輸出耦合反射鏡構(gòu)成微型輸出耦合反射鏡陣列、或者由若干微型激光工作物質(zhì)構(gòu)成的微型激光工作物質(zhì)陣列實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明能夠減少激光器諧振腔內(nèi)模式數(shù)目，降低激光器閾值。
文檔編號(hào)H01S3/082GK101895052SQ20101022695
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月15日
發(fā)明者寧國(guó)斌, 張喜和 申請(qǐng)人:寧國(guó)斌