專利名稱：用于相干合并激光發(fā)射的方法和設(shè)備的制作方法
用于相干合并激光發(fā)射的方法和設(shè)備
本發(fā)明涉及激光，尤其是涉及用于相干合并激光發(fā)射(coherently combining laser emission)的方法和i殳備。
在將激光調(diào)節(jié)到較高功率中的關(guān)鍵問(wèn)題是由泵浦源(pumping source) 沉積在激光材料中的熱。發(fā)熱是與激光作用過(guò)程所需的介質(zhì)激勵(lì)(在本領(lǐng) 域中被稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn))的產(chǎn)生一起產(chǎn)生的副作用。發(fā)熱導(dǎo)致在激光材料 中引起折射率局部變化的溫度分布和應(yīng)力，該局部變化劣化(degrade) 了 激光輻射的光學(xué)質(zhì)量。光學(xué)劣化往往導(dǎo)致降低的空間質(zhì)量，并且還可能降 低激光的光譜質(zhì)量和效率。對(duì)于一些應(yīng)用，高度期望激光器以高空間質(zhì)量 模(理想地，基本空間模)操作，對(duì)于其它應(yīng)用也以窄光譜線寬(理想地， 單縱模)操作，且在一些情況下，希望高效地操作以最小化電輸入功率要 求以及成本。當(dāng)激光器被調(diào)節(jié)到高功率時(shí)，增加的熱引起的光學(xué)畸變導(dǎo)致 應(yīng)用高功率激光器的限制。在足夠高的泵浦功率處，熱效應(yīng)產(chǎn)生造成對(duì)激 光放大器材料的損壞(例如，在固體激光器中的晶體斷裂)的應(yīng)力。
在激光器性能中熱引起的劣化是相對(duì)于所有種類的激光器，特別是固 體激光器。在固體激光器中，幾種激光放大器結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成減小熱畸變效 應(yīng)，包括使用板、薄片和光纖幾何結(jié)構(gòu)。雖然這些幾何結(jié)構(gòu)可獲得與傳統(tǒng) 的棒(rod)幾何結(jié)構(gòu)相比改進(jìn)的熱管理和激光器性能，但是它們沒(méi)有消除熱 劣化和損壞問(wèn)題，盡管在較高功率處，這些問(wèn)題仍然再次變得難以解決。
可選的方法是使平行布置的多個(gè)激光放大器源多路復(fù)用，以通過(guò)匯總 每個(gè)放大器的光輸出來(lái)獲得較高功率的激光發(fā)射。該方法是有吸引力的， 因?yàn)樗峁┝藥缀鯚o(wú)限的功率調(diào)節(jié)的可能性。每個(gè)放大器可在熱引起的畸 變不過(guò)量的功率水平處單獨(dú)地操作，且功率能夠被所使用的放大器單元的 數(shù)量所調(diào)節(jié)。然而，這種方法有相當(dāng)多的困難。特別的問(wèn)題是獨(dú)立的激光 腔往往對(duì)稍微不同的頻率和不同的相位或輸出光場(chǎng)的隨機(jī)時(shí)變相位操作。結(jié)果是，在正常情況下，將獨(dú)立的激光輸出場(chǎng)(例如，依靠光束耦合器或 衍射光學(xué)元件)以各個(gè)激光器功率之和合并到單個(gè)輸出場(chǎng)中是不可能的。 分立的激光的這種非最佳合并在本領(lǐng)域中稱為非相干疊加。額外的但相關(guān) 的問(wèn)題是，激光輸出場(chǎng)的橫向空間分布也必須在振幅和相位上是相關(guān)的。 輸出的空間非相干疊加可增加輸出功率，但將導(dǎo)致空間質(zhì)量的降低，其以 所謂的光束質(zhì)量M2因子的增加為特征?？蓪?shí)現(xiàn)光譜合并，其中每個(gè)激光 具有離散地分立的波長(zhǎng)，但以增加的光譜帶寬為代價(jià)，且受到具有適當(dāng)寬 的或不同的激光躍遷的激光介質(zhì)的可用性和光束合并元件的光譜帶寬限 制。為了獲得可保持高空間質(zhì)量和光譜純度的最佳合并，要求相干疊加， 其中所有光場(chǎng)在空間和時(shí)間上的相位分布都完美地相關(guān)聯(lián)，以給出相長(zhǎng)干
涉(constructive interference)，由此所有功率都正地(positively)添力口在因而形
相位(空間波前分布和絕對(duì)相位)的相關(guān)性和用于實(shí)現(xiàn)光束合并的適當(dāng)方法。


圖1示出具有兩個(gè)激光副腔(sub-cavity)12和12a的相干合并激光輸出 的現(xiàn)有技術(shù)方法。激光副腔12包括增益介質(zhì)10并具有高反射率端面反射 鏡(end mirror)16，而激光副腔12a具有分立的增益介質(zhì)10a并具有高反射 率端面反射鏡16a。 一個(gè)激光腔由副腔12和反射鏡20以及通過(guò)光束分離 器/合并元件14進(jìn)行中間透射而形成，而第二激光腔由副腔12a和反射鏡 20以及來(lái)自元件14的中間反射而形成。元件14 一般為對(duì)于激光輻射具有 50%反射率和50%透射率的部分反射鏡。激光增益元件10和10a由外部能 量源泵浦，以在激光材料中產(chǎn)生激勵(lì)，從而以已知方式的激光作用獲得光 放大。為了此例證的目的，假定元件10和10a為經(jīng)歷相似泵浦的相似地構(gòu) 成的增益材料。兩個(gè)激光副腔12和12a共享公共的部分透射輸出反射鏡 20。雖然此布置提供了合并輸出22，但困難在于，在光束分離器14處還 有可能的第二輸出23。如果來(lái)自兩個(gè)副腔的激光場(chǎng)是不相干的，則該輸出 可與輸出22 —樣強(qiáng)，因此沒(méi)有獲得輸出22的功率調(diào)節(jié)，且元件14可被 視為充當(dāng)損耗元件。如果耦合激光腔系統(tǒng)可通過(guò)在光束分離器14處找到 相干疊加的能夠?qū)嵸|(zhì)上消除輸出23的公共頻率、空間模和相對(duì)相位來(lái)獲 得鎖相，則可減小該困難。然而，該鎖相可能很難在實(shí)踐中很好地實(shí)現(xiàn)，
5因?yàn)楸仨殰?zhǔn)確地控制每個(gè)腔中的腔反射鏡(即，16、 16a)的角度和線性位 置，或由于腔的環(huán)境擾動(dòng)(例如振動(dòng)、氣流和熱膨脹)的效應(yīng)而導(dǎo)致很難 維持。
由于額外的限制和復(fù)雜性，找到可相干合并多于兩個(gè)副腔的共模的能 力甚至比對(duì)于兩個(gè)副腔更難獲得。實(shí)現(xiàn)所有光束的鎖相的現(xiàn)有技術(shù)解決方 案是在分立的光束被合并之前，將多個(gè)主動(dòng)(active )相位控制元件合并到 分立的光束中，連同主動(dòng)地最優(yōu)化各個(gè)光束的相對(duì)相位的反饋控制系統(tǒng)一 起合并。不幸的是，主動(dòng)相位控制可能復(fù)雜、麻煩，并給系統(tǒng)增加額外的 費(fèi)用，且還必須能夠以比腔擾動(dòng)更快的速率操作。進(jìn)一步的困難是光束應(yīng) 具有相同的空間分布，且這需要匹配的腔設(shè)計(jì)，包括合并熱引起的透鏡化 和畸變的步丈應(yīng)。
現(xiàn)有技術(shù)在下列文獻(xiàn)中 一皮描述
MJ. Damzen, R.P.M. Green和K.S. Syed, Opt. Lett., 20, 1704-1706 (1995)
B. A. Thompson, A. Minassian和M丄Damzen,丄Opt. Soc.Am. B 20, 857-862 (2003)
國(guó)際專利申請(qǐng)W095/25367 在權(quán)利要求中陳述了本發(fā)明。
作為創(chuàng)造性特征的結(jié)果，本發(fā)明通過(guò)相干合并來(lái)自兩個(gè)或更多激光腔 的激光發(fā)射，允許激光發(fā)射的高功率調(diào)節(jié)。在本發(fā)明中，形成體增益光柵 (volume gain grating)以充當(dāng)適應(yīng)性衍射元件，作為來(lái)自每個(gè)腔的發(fā)射穿過(guò) 其它每個(gè)腔并反饋到光柵而形成的結(jié)果，其可允許具有分立的激光放大器 元件的該系統(tǒng)的每個(gè)腔會(huì)聚在公共相位上。這種相位相等允許輸出光束在 適當(dāng)?shù)墓馐喜⒃幭嚅L(zhǎng)干涉，以產(chǎn)生具有合并的輸出功率、高空間質(zhì) 量激光發(fā)射的主要的(predominantly)單一光束。與現(xiàn)有技術(shù)解決方案不同， 相千合并是通過(guò)非線性增益光柵形成而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，且不需要復(fù)雜的主動(dòng) 控制的相位匹配設(shè)備。
現(xiàn)在參考下列附圖，作為例子來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，其中圖1是體現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)激光系統(tǒng)的示意圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的激光系統(tǒng)的示意圖； 圖3是自相交環(huán)放大器副腔元件的示意圖4是非互易透射元件的示意圖，其為自相交環(huán)放大器元件的子部件；
圖5a是由于一組光束的干涉通過(guò)增益飽和形成的增益光柵形成以及 其作為衍射光學(xué)元件的操作的示意圖5b是可通過(guò)另一組光束的干涉由于增益飽和而可形成的第二增益 光柵的示意圖6是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的激光系統(tǒng)的示意圖；以及
圖7是^^艮據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式的激光系統(tǒng)的示意圖。
圖2示出本發(fā)明的第一實(shí)施方式。激光系統(tǒng)通常被指定為21，并包含 第一和第二激光副腔Sl和S2。系統(tǒng)10具有提供輸出光束22的公共半透 明的輸出耦合反射鏡20以及中間的光束分離器13,該光束分離器13透射 從反射鏡20返回的輻射的 一部分以形成指向副腔S1的光束25,并且剩余 部分從13反射以形成指向副腔S2的光束25a。每個(gè)副腔Sl、 S2包括被適 當(dāng)布置的多個(gè)元件。在下文中詳細(xì)描述本發(fā)明的操作的結(jié)構(gòu)和原理。由本 發(fā)明獲得的優(yōu)點(diǎn)是來(lái)自元件Sl、 S2的返回光束30、 30a的產(chǎn)生，這些光 束在光束分離器13處自動(dòng)實(shí)現(xiàn)相干合并以獲得單一的合并輸出22,并實(shí) 質(zhì)上消除了次級(jí)輸出(secondary output) 23 。
圖3示出副腔Sl的布置。有激光介質(zhì)11、 一組反射鏡17、 18以及非 互易(non-reciprocal)透射元件27 (其在圖4中簡(jiǎn)要示出并在以后描述)。 在輻射25穿過(guò)增益介質(zhì)11之后，該組反射鏡使輻射25改變方向，以便形 成與激光介質(zhì)11內(nèi)部的光束25自相交的返回光束26。此幾何結(jié)構(gòu);故稱為 自相交環(huán)(self-intersecting lo叩)。通過(guò)使增益介質(zhì)lla、非互易透射元件 27a以及反射鏡17a、 18a這樣布置成類似地形成自相交環(huán)幾何結(jié)構(gòu)，從而 與副腔Sl類似地配置副腔S2。激光介質(zhì)11、 lla由泵浦源激勵(lì)，以用本 領(lǐng)域中已知的激光放大器的方式提供光輻射的放大。在本領(lǐng)域[1,2]中已知，自相交環(huán)幾何結(jié)構(gòu)Sl能夠在增益介質(zhì)11中形
成體增益光柵，并能夠形成返回光束30，返回光束30是光束25的波前反 轉(zhuǎn)并在相反的方向上傳播。在激光放大器Sl中的自相交環(huán)幾何結(jié)構(gòu)和輸 出耦合器20之間的反饋，導(dǎo)致激光腔輻射25、 30的同時(shí)增大，從而產(chǎn)生 激光輸出22。此相互作用對(duì)有技能的讀者是已知的，并在這里被描述以提 供一些關(guān)鍵原理。然而為了完整性,因此參考國(guó)際專利申請(qǐng)W095/25367 以及參考資料1和2，這些資料的內(nèi)容在這里通過(guò)引用被并入，如同在本 文進(jìn)行了充分闡述。
下面，為了理解自相交環(huán)幾何結(jié)構(gòu)在本發(fā)明中的操作，而描述自相交 環(huán)幾何結(jié)構(gòu)的一些關(guān)鍵元件。圖5a簡(jiǎn)要示出體增益光柵的形成。在本領(lǐng)域 中已知，在激光放大器介質(zhì)中的自相交環(huán)幾何結(jié)構(gòu)可通過(guò)增益飽和過(guò)程而 導(dǎo)致體增益光柵的形成[1,2]。特別是，在穩(wěn)態(tài)相互作用的假設(shè)下，在增益 介質(zhì)中的增益分布通過(guò)下列等式(1 )物理地變化
其中"乙)是介質(zhì)的局部增益系數(shù)，《。是當(dāng)沒(méi)有激光輻射出現(xiàn)時(shí)的不飽和增 益系數(shù)，/(^是介質(zhì)中的局部強(qiáng)度，以及/,是增益介質(zhì)的飽和強(qiáng)度。因此， 自相交環(huán)的輸入光束25和返回光束26的強(qiáng)度干涉圖樣，可產(chǎn)生在相交光 束的半角處形成體增益光柵41的增益系數(shù)的局部調(diào)制。在圖5a中簡(jiǎn)要示 出的該增益光柵形成過(guò)程表明，光柵平面41的方向沿著干涉光束25、 26 在增益介質(zhì)11中相交的等分線。在本領(lǐng)域中有技能的讀者應(yīng)理解，增益光 柵可充當(dāng)衍射元件。特別是，如果光束42入射在增益光柵上，則除了放 大的透射光束30以外，還可產(chǎn)生衍射光束43。在正常情況下，當(dāng)光束42 與入射光束25同頻并反向時(shí)，強(qiáng)衍射條件將出現(xiàn)，在這種情況下，衍射 光束43與光束26反向。因此應(yīng)理解，光束43將在與入射環(huán)路徑25、 26 相反的方向上折回自相交環(huán)路徑。此外，可以看到來(lái)自增益光柵41的衍 射連同環(huán)路徑一起，使光束42、 43完成環(huán)形腔。相反的光束42、 43的源 可來(lái)自外部光束的注入。如果沒(méi)有使用注入光束，則相反的光束42、 43 的源將來(lái)自起源于激光介質(zhì)11中的放大的自發(fā)輻射。如果增益光柵41的 衍射效率和自相交環(huán)透射率的和大于單位1,則獲得激光振蕩的條件，且低水平輻射42能夠以激光的方式增長(zhǎng)到高功率水平，從而產(chǎn)生高功率返
回光束30。
關(guān)于本發(fā)明，體增益光柵的關(guān)鍵特征不僅僅是其形成反向振蕩
(backward oscillation )的能力，還是其具有相對(duì)于輸入光束25、 26的反 轉(zhuǎn)波前(reversed wavefront)的能力。這是因?yàn)橛晒馐?5和環(huán)形光束26 的干涉圖形成的增益光柵41對(duì)光束的相對(duì)波前的空間信息進(jìn)行編碼。反 向自相交環(huán)的最低級(jí)自再現(xiàn)空間模具有入射光束的反轉(zhuǎn)波前。此特性產(chǎn)生 返回光束30,該返回光束30是與入射光束25反轉(zhuǎn)的波前，因此是針對(duì)放 大器11中例如可出現(xiàn)在高泵浦功率處的任何像差進(jìn)行校正的畸變。
除了入射光束25、 26，光束42、 43的存在可導(dǎo)致其它增益光柵的形 成。值得注意的是，光束26和光束42可產(chǎn)生強(qiáng)度干涉圖樣，其將導(dǎo)致如 圖5b所示的另 一增益光柵44的形成。增益光柵44具有在光束26、 42的 等分線處的平面。增益光柵44的形成導(dǎo)致光束25衍射進(jìn)入光束43的路 徑中。在適當(dāng)?shù)臈l件下，這將相長(zhǎng)地增強(qiáng)由增益光柵41產(chǎn)生的返回光束 30的強(qiáng)度。
應(yīng)該很清楚，在激光放大器S1中自相交環(huán)幾何結(jié)構(gòu)中的入射光束25 可導(dǎo)致反轉(zhuǎn)光束30的形成。元件Sl的效率或反射率可^fe定義為反轉(zhuǎn)光束 30的功率與入射光束25的功率之比。反射率的最大化可通過(guò)增益光柵形 成過(guò)程的最優(yōu)化來(lái)獲得，且這可通過(guò)使用插在如[l, 2, 3]中詳細(xì)解釋的環(huán)路 徑中的非互易透射元件27來(lái)獲得。圖4a示出元件27的操作原理，元件 27與在反向方向上的透射(t)相比在正向方向上提供不同的透射(U)。通常， 在正向方向上設(shè)置低透射(t+),確保光束26具有與入射光束25相似的強(qiáng)度， 以最優(yōu)化增益光柵的調(diào)制深度和衍射效率。反向透射因子(t—)被維持盡可能 高，以最優(yōu)化反向環(huán)輻射42、 43的增長(zhǎng)，因此最優(yōu)化輸出光束30的增長(zhǎng)。 可提高返回光束30的強(qiáng)度的元件27的第二特征是在正向和反向環(huán)路徑之 間引入180度的差分相移。通過(guò)補(bǔ)償可能出現(xiàn)在來(lái)自增益光柵的衍射上的 180度相移，這可以實(shí)現(xiàn)光束42、 43的諧振條件，以便在與入射光束25、 26相同的波長(zhǎng)處，在反向環(huán)形腔中操作。180度光柵相移可通過(guò)下列事實(shí) 理解增益光柵與來(lái)自記錄光束25 、 26的強(qiáng)度千涉圖樣反相(180度偏移)，因?yàn)楦鶕?jù)等式l，增益飽和過(guò)程在最大強(qiáng)度處引起最小局部增益。圖4b示
出由具有平行透射軸的兩個(gè)偏振器31和32組成的非互易透射元件的實(shí) 現(xiàn)，且在這兩個(gè)偏振器31和32之間放置半波延遲波片34和具有45度旋 轉(zhuǎn)角的法拉第旋轉(zhuǎn)器33。在一個(gè)方向上，波片34和法拉第旋轉(zhuǎn)器33的偏 振旋轉(zhuǎn)疊加，而在另一傳播方向上它們相減。這導(dǎo)致通過(guò)偏振器的透射在 一個(gè)方向上與另一方向相比不同。在一個(gè)極端處，當(dāng)波片34具有45度的 旋轉(zhuǎn)時(shí)，總正向旋轉(zhuǎn)可為90度且正向透射為零，而反向總旋轉(zhuǎn)為零且正 向透射為單位1。正向透射可設(shè)置成低但非零，以確保光束25和26之間 的最佳光柵記錄過(guò)程。應(yīng)注意，對(duì)90+5和90-5的正向旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)值，可 獲得相同量值的正向透射，其中5為角。然而，在這兩種情況下，在輸出 場(chǎng)之間存在180度的相差。這允許非互易透射元件27通過(guò)選擇S的符號(hào)， 在環(huán)中的正向和反向透射之間引入180度相移，S的符號(hào)可由波片34的旋 轉(zhuǎn)角選擇。在正向和反向環(huán)路徑之間的180度的非互易相移，連同180度 (反相)增益光柵衍射一起，確?？稍谂c光束25的輸入頻率相同的頻率 處獲得諧振環(huán)形腔振蕩42、 43。這也通過(guò)圖5b所示的第二增益光柵來(lái)產(chǎn) 生對(duì)返回光束30的相長(zhǎng)貢獻(xiàn)的條件。
在自相交環(huán)Sl和來(lái)自輸出耦合反射鏡20之間的反饋可導(dǎo)致激光振蕩 的形成。獲得激光振蕩閾值的要求是在激光放大器11中具有足夠高的增 益，連同所產(chǎn)生的增益光柵具有適當(dāng)?shù)难苌湫?。作為輸入輻?5和25a 與環(huán)返回光束26和26a之間相互作用的結(jié)果，分別在增益介質(zhì)11和lla 中形成的體增益衍射光柵，對(duì)關(guān)于每個(gè)腔中光束25和25a的相位分布的真 實(shí)信息進(jìn)行編碼。返回光束30、 30a被發(fā)現(xiàn)分別具有與入射波前25、 25a 相反轉(zhuǎn)的波前。在激光放大器11、 lla中引入的相位畸變被抵消。返回光 束30、 30a也處在與入射光束25、 25a相同的頻率處。
輸出反射鏡20和任一自相交環(huán)S1 (或S2)的合并提供了 "自調(diào)節(jié)" 激光腔，其中腔會(huì)聚在單空間和單頻率模上，在激光放大器中具有畸變的 校正。這是將被選擇的優(yōu)選的且增長(zhǎng)最高的解決方案，因?yàn)樗a(chǎn)生最有效 的增益光柵，因此產(chǎn)生最強(qiáng)的反饋30(或30a)。因?yàn)榍煌ㄟ^(guò)增益光柵的自 形成而閉合，而不是具有固定的腔長(zhǎng)度，所以腔自由地選^^任何頻率連續(xù)體(continuum),而不是與非自調(diào)節(jié)的激光腔相關(guān)的離散頻率組，并往往 操作在具有最高增長(zhǎng)率的頻率中央處，例如由增益介質(zhì)11中激光躍遷的峰 光譜增益所確定的頻率。
這里描述的本發(fā)明提供了兩個(gè)相似的和耦合的自調(diào)節(jié)激光器。兩個(gè)腔 可單獨(dú)地自調(diào)節(jié)。然而，如光束分離器13所提供的并具有公共輸出反射 鏡20的兩個(gè)副腔Sl和S2的耦合，導(dǎo)致了公共自調(diào)節(jié)超腔(super-cavity) 操作。光束分離器13的存在確保兩個(gè)副腔在操作上不獨(dú)立。分別來(lái)自兩 個(gè)副腔Sl和S2的返回輻射30和30a,從公共輸出耦合器20反射，并接 著被光束分離器13分離。因此，進(jìn)入副腔Sl的輸入25、 25a由來(lái)自Sl 和S2的返回組成。因?yàn)榫哂袃蓚€(gè)不同頻率和/或兩個(gè)不同空間模的輸入， 將導(dǎo)致每個(gè)自相交環(huán)Sl和S2中增益光柵的有損形成以及在光束分離器13 處的損耗23，所以耦合腔將支持單一的同頻和空間^t,從而最優(yōu)化Sl、 S2的返回30、 30a,并最小化13處的損耗23。在13處來(lái)自Sl和S2的返 回之間的最小化損耗輸出23的最佳相差，可通過(guò)找到實(shí)現(xiàn)這種條件的同 頻的腔來(lái)找到，因?yàn)樗畲蠡撕喜⒊坏脑鲩L(zhǎng)率。結(jié)杲是來(lái)自輸出耦合 器20的相干合并的公共輸出22，連同最小化的損耗輸出23，該公共輸出 22由于元件Sl和S2提供的腔內(nèi)畸變校正而具有高質(zhì)量空間模和單頻。本 發(fā)明優(yōu)于例如圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)解決方案的優(yōu)點(diǎn)是，獲得了高空間質(zhì)量 的窄帶寬激光輻射的相干合并，而無(wú)需精確的腔長(zhǎng)度調(diào)節(jié)或長(zhǎng)度穩(wěn)定性或 準(zhǔn)確的腔空間模設(shè)計(jì)，且即使在存在腔內(nèi)像差(intracavity aberration)時(shí)， 包括可能出現(xiàn)在放大器元件11和lla中的熱引起的畸變。
應(yīng)認(rèn)識(shí)到，該方法可擴(kuò)展到激光腔的其它適當(dāng)結(jié)構(gòu)和具有自相交環(huán)部 分的任何數(shù)量的這種副腔，只要在每個(gè)腔的發(fā)射之間存在相互作用。
例如，第二實(shí)施方式在圖6中示出。除了在光束分離器13a處合并的 副腔Sl和S2以外(如前面利用圖3中所描繪的子元件描述的)，還有在 光束分離器13b處合并的兩個(gè)另外的副腔S3和S4。副腔對(duì)S1和S2本身 通過(guò)光束分離器13與副腔對(duì)S3和S4合并，以形成來(lái)自公共輸出耦合器 20的合并輸出22。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，因?yàn)槊繉?duì)副腔可通過(guò)形成最小化輸出23a 和23b的返回光束來(lái)自優(yōu)化其增長(zhǎng)率，且類似地，這樣布置的副腔整體形
ii成超腔，超腔也將通過(guò)最小化來(lái)自光束分離器13的輸出23來(lái)獲得最大增 長(zhǎng)率。超腔因此通過(guò)所有副腔Sl、 S2、 S3、 S4的相干合并，而找到最大 化來(lái)自公共輸出耦合器20的輸出22的同頻和空間形式。
應(yīng)認(rèn)識(shí)到，適當(dāng)?shù)厥褂昧硗獾墓馐蛛x器可合并額外的腔。例如，通 過(guò)以下布置可合并8個(gè)副腔將類似地布置的4個(gè)新副腔S5、 S6、 S7、 S8
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S4，且在一個(gè)分支(arm)Sl、 S2、 S3、 S4中和另一分支S5、 S6、 S7、 S8
中具有的輸出耦合器20之前插入另外的光束分離器。對(duì)16個(gè)副腔、32個(gè) 副腔的進(jìn)一步調(diào)節(jié)，以及對(duì)2個(gè)副腔的較高功率的進(jìn)一步調(diào)節(jié)，可通過(guò)進(jìn) 一步套用本原理來(lái)獲得。
上面提到的實(shí)施方式使用來(lái)自具有單一反射和單一透射的光束分離器 的耦合，來(lái)獲得嵌套式副腔對(duì)的相干合并。在圖7中示出可選的實(shí)施方式， 其中多個(gè)副腔Sl、 S2、 S3…Sn設(shè)置成與光束分離器51和輸出反射鏡20 結(jié)合。在這種情況下，光束分離器元件5l可以是將單光束46分成多個(gè)衍 射級(jí)的衍射光學(xué)元件。如果元件51設(shè)計(jì)成形成相等地分離到每個(gè)副腔中 的衍射級(jí)，則每個(gè)衍射級(jí)將通過(guò)來(lái)自公共輸出耦合器20的反饋相互作用 以形成超腔，在超腔中來(lái)自副腔的返回將在元件51處相干地匯總，以形 成單一的合并返回47，因此形成單一的合并輸出光束22。如以前，每個(gè) 副腔利用非互易透射元件在激光放大器中設(shè)置自相交環(huán)幾何結(jié)構(gòu)，如參考 圖3所述的。
作為上面描述的布置的結(jié)果，激光系統(tǒng)設(shè)置成包括多個(gè)腔，其中可獲 得共縱模(共時(shí)間模)和共空間模，以及當(dāng)在輸出處以良好光束質(zhì)量重新 合并光束時(shí)允許相長(zhǎng)千涉的鎖相。
雖然在附圖中示出的本發(fā)明實(shí)施方式描繪了元件的特定布置，但是應(yīng) 認(rèn)識(shí)到，這些是為了例證的目的，而且能夠使用其它變形，而不影響成為 這些發(fā)明的基礎(chǔ)的關(guān)鍵原理。例如，在圖3中，示出自相交環(huán)由兩個(gè)反射 鏡l7、 18形成，但是它可由使光束25形成環(huán)的任何數(shù)量的反射鏡或者折 射或衍射元件形成，光束25所形成的環(huán)使環(huán)光束26與輸入光束25在增 益介質(zhì)ll中自相交。例如，環(huán)光束26被示為從增益介質(zhì)的相對(duì)側(cè)與入射光束25相交。環(huán)光束也可布置成形成環(huán)(lo叩)，并從與光束25相同的一 側(cè)或從增益介質(zhì)11的任何其它側(cè)入射在增益介質(zhì)11上，只要光束25和 26在元件11的增益區(qū)域中自相交。
可包含額外的光學(xué)部件以提高性能，例如允許頻率調(diào)節(jié)的Fabry-Perot 元件，其以另外的方式通過(guò)依賴于激光放大器增益分布的超腔而會(huì)聚。任 何適當(dāng)?shù)脑O(shè)備都能夠用于耦合多個(gè)腔，例如適當(dāng)?shù)姆瓷涔馐蛛x器或衍射 光學(xué)元件。
形成激光反射鏡、光束分離器和輸出耦合器的各種材料，對(duì)有技能的 讀者是公知，且不在這里描述。例如，反射鏡可為具有介電涂層的玻璃基 底(substrate)，這在本領(lǐng)域是公知的。
增益介質(zhì)可以是大量材料中的任何一種，包括固態(tài)、光纖、半導(dǎo)體、 氣體、液體，用適當(dāng)?shù)谋闷忠约す馄鞯姆绞教峁┘?lì)和光學(xué)增益。在固態(tài)
激光材料例如Nd:YAG的情況下，泵浦可來(lái)自放電燈，且增益介質(zhì)可以具 有棒或板的形式?？蛇x地，增益介質(zhì)可以是通過(guò)半導(dǎo)體二極管激光器泵浦 的Nd:YAG或Nd:YV04。
權(quán)利要求
1.一種激光系統(tǒng)，其用于相干合并來(lái)自兩個(gè)或更多激光腔的發(fā)射，所述激光系統(tǒng)包括兩個(gè)或更多激光腔，其共享公共發(fā)射輸出，每個(gè)腔包括布置成產(chǎn)生體增益光柵的增益元件；以及光束合并器，其布置成合并來(lái)自每個(gè)腔的發(fā)射，并將來(lái)自每個(gè)腔的所述發(fā)射的一部分返回到每個(gè)其它腔中。
2. 如權(quán)利要求1所述的激光系統(tǒng)，其中每個(gè)所述腔包括自相交環(huán)路徑。
3. 如權(quán)利要求2所述的激光系統(tǒng)，其中所述環(huán)路徑由多個(gè)反射鏡形成。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的激光系統(tǒng)，其中每個(gè)增益元件設(shè)置在所 述環(huán)路徑的相交點(diǎn)處，以在操作中提供體增益光柵的形成。
5. 如任何前述權(quán)利要求所述的激光系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在每個(gè)環(huán)路徑 中的非互易透射元件。
6. 如權(quán)利要求5所述的激光系統(tǒng)，其中所述非互易透射元件由中間 放置有45度法拉第旋轉(zhuǎn)器和半波延遲波片的一對(duì)偏振器組成。
7. 如權(quán)利要求5或6所述的激光系統(tǒng)，其中所述非互易透射元件在 所述環(huán)3各徑中的一個(gè)方向上的光學(xué)輻射通路到所述環(huán)路徑的另 一方向之 間，引入180度的非互易相移。
8. 如任何前述權(quán)利要求所述的激光系統(tǒng)，包括布置成合并來(lái)自第一 腔和第二腔的發(fā)射的光束合并器、布置成合并來(lái)自第三腔和第四腔的發(fā)射 的第二光束合并器、以及合并第一腔、第二腔、第三腔和第四腔的發(fā)射的 第三光束合并器。
9. 如任何前述權(quán)利要求所述的激光系統(tǒng)，其中所述光束合并器包括 光束分離器。
10. 如權(quán)利要求1到8中任一項(xiàng)所述的激光系統(tǒng)，其中來(lái)自兩個(gè)或更
11. 如任何前述權(quán)利要求所述的且實(shí)質(zhì)上如這里參考圖2到7所描述的激光系統(tǒng)。
全文摘要
激光系統(tǒng)(21)包括第一和第二激光副腔(S1、S2)，每個(gè)副腔包括布置成產(chǎn)生體增益光柵(41、44)的增益介質(zhì)(11、11a)。激光系統(tǒng)(21)進(jìn)一步包括光束合并器(13、20)，光束合并器(13、20)布置成合并來(lái)自每個(gè)腔的發(fā)射并將發(fā)射從一個(gè)腔引導(dǎo)到另一腔。作為結(jié)果，提供了穩(wěn)定的鎖相相干合并發(fā)射系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01S3/07GK101496235SQ200780028069
公開(kāi)日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2007年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月21日
發(fā)明者M·J·達(dá)米澤 申請(qǐng)人:帝國(guó)創(chuàng)新有限公司