一種偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔，包括半導(dǎo)體激光器、增益單元、偏振衍射光柵、反射鏡、輸出鏡，耦合諧振腔里面有增益單元、偏振衍射光柵；反射鏡和輸出鏡分布在相干合束系統(tǒng)兩端；半導(dǎo)體激光為泵浦光，其中心波長與諧振腔內(nèi)的增益單元吸收譜線相匹配；偏振衍射光柵為分束/合束器件，其理論分束/合束效率達99％。本發(fā)明可以克服傳統(tǒng)激光器系統(tǒng)隨輸出功率的增加而導(dǎo)致的熱效應(yīng)、非線性效應(yīng)等，且光柵器件的高效率可以降低相干合束系統(tǒng)的成本及體積，同時可以實現(xiàn)高功率、高合束效率的激光輸出。
【專利說明】
一種偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔
一、技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域涉及一種偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔，特別涉及一種高合束效率、高相干性的激光相干合束耦合諧振腔。
二、【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)和軍事技術(shù)的發(fā)展，對高能激光輸出能量和光束質(zhì)量提出了越來越高的要求。激光憑借其單色性、方向性和相干性的優(yōu)勢，已經(jīng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療和科技創(chuàng)新等領(lǐng)域中都扮演著舉足輕重的角色，而這些應(yīng)用都需要激光器有高功率和高光束質(zhì)量?；谏鲜鲂枨?，提出一種偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔。
[0003]目前激光相干合束耦合系統(tǒng)的動態(tài)及主要問題:
[0004]1、傳統(tǒng)激光器系統(tǒng)隨著輸出功率的增加會遇到熱效應(yīng)、非線性效應(yīng)和物理損傷等物理瓶頸以至無法繼續(xù)提高輸出功率。通過采用新型腔形結(jié)構(gòu)的激光器，如碟片激光器、板條激光器和大模場面積光纖激光器可以的緩解上述問題，但其輸出功率也會受到一定的限制。
[0005]2、激光相干合束技術(shù)不著眼于提升單一激光器的物理極限，而是通過耦合諧振腔或者MOPA結(jié)構(gòu)(Master Oscillator Power Amplifier)將一定數(shù)目的激光器單元的輸出進行相干合成。傳統(tǒng)的激光合束系統(tǒng)的效率很難達到50%，且會隨著合束的激光單元增加而減小，而該發(fā)明是用偏振衍射光柵作用合束器件，其理論合束效率可達99 %，而且在合束系統(tǒng)中，由于每個合束單元的運行功率在其物理極限以內(nèi)，所以不會遇到上述瓶頸問題，而所有合束單元的輸出之和則帶來了合束系統(tǒng)總輸出功率的巨大提升。合束單元光束的高相干性又保證了較高的光束質(zhì)量。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷和改進需求，本發(fā)明提供了一種高功率、高光束質(zhì)量的激光相干合束耦合諧振腔，目的在于解決合束系統(tǒng)中的輸出功率不高、轉(zhuǎn)化效率低等問題。
[0007]本發(fā)明提出一種包含偏振衍射光柵的激光相干合束親合諧振腔，包括上、中、下反射鏡，上、中、下增益單元，上、中、下半導(dǎo)體激光器，偏振衍射光柵和輸出鏡；
[0008]所述上、中、下反射鏡從上至下對稱設(shè)置，其中，中反射鏡和輸出鏡共軸相對設(shè)置，兩者光軸中心線上設(shè)有偏振衍射光柵，各反射鏡的反射中心均與偏振衍射光柵的光軸中心等距;各反射鏡與偏振衍射光柵之間的光路上分別設(shè)有上、中、下增益單元;輸出鏡與上、中、下反射鏡共同組成諧振腔；
[0009]所述上、中、下半導(dǎo)體激光器分別靠近上、中、下增益單元設(shè)置，各激光輸出窗口對準各增益單元側(cè)面的各增益單元的正中部；
[0010]所述半導(dǎo)體激光器用于產(chǎn)生栗浦光;所述增益單元設(shè)置在用于放大耦合腔內(nèi)傳輸?shù)募す?所述偏振衍射光柵用于腔內(nèi)激光分束/合束;所述輸出鏡位于諧振腔右端，用于激光束輸出；
[0011]工作時，各半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生初始的栗浦光，經(jīng)過各增益單元放大后的三束栗浦光，經(jīng)各反射鏡反射后，到達偏振衍射光柵后合為一束，合束后的激光功率如果沒有達到諧振腔的閾值，合束光會經(jīng)過輸出鏡反射，由偏振衍射光柵分成三束，三光束再經(jīng)各增益單元放大，再次被反射和合束，直到達到諧振腔的閾值后，由輸出鏡輸出合束后的激光。
[0012]進一步的，所述各反射鏡由大于3的奇數(shù)個鍍膜鏡組成，以獲得更高的激光功率。
[0013]進一步的，所述各反射鏡圓中心對稱偏振衍射光柵，以獲得更高的激光功率。
[0014]進一步的，所述偏振衍射光柵的基底是低膨脹系數(shù)的單晶硅，經(jīng)過曝光、顯影、刻蝕把光柵圖案刻在單晶硅上。
[0015]進一步的，所述各反射鏡為高反射鏡，是在光學(xué)玻璃的背面，通過真空鍍膜鍍一層金屬銀或鋁薄膜。
[0016]進一步的，所述各增益單元為Nd:YAG晶體或其它具有增益功能的晶體組成，通過高精度機械控制元件固定。
[0017]進一步的，所述偏振衍射光柵為亞波長光柵，且把光柵分割成等高等寬的多個塊狀區(qū)域，每個區(qū)域的光柵結(jié)構(gòu)為二元型?？赏ㄟ^控制各區(qū)域的結(jié)構(gòu)參數(shù)，來實現(xiàn)等能量和任意數(shù)目的分束。
[0018]進一步的，所述偏振衍射光柵的每個區(qū)域的柵條結(jié)構(gòu)的周期、方向角、占空比不同，其安裝位置可通過高精度機械控制元件進行微小移動。
[0019]進一步的，所述偏振衍射光柵替換可為達曼光柵。
[0020]進一步的，所述偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔的偏振衍射光柵的基底是低膨脹系數(shù)的單晶硅，經(jīng)過硅片清洗、前烘和前處理、勻膠、掩模和對準、曝光、曝光后烘、顯影、圖形檢查、刻蝕得到偏振衍射光柵。
[0021 ]進一步的，所述偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔的偏振衍射光柵的每個區(qū)域的柵條結(jié)構(gòu)的周期、方向角、占空比不同，其安裝位置可通過高精度機械控制元件進行微小移動。
[0022]本發(fā)明所述偏振衍射光柵是指能夠?qū)θ肷涔獾钠穹较蜻M行選擇的大量不等寬不等距的平行狹縫構(gòu)成的光學(xué)元件。
[0023]本發(fā)明提出的激光相干合束親合諧振腔，結(jié)合了偏振衍射光柵分/合束效率高的優(yōu)點，有效的解決了傳統(tǒng)激光器系統(tǒng)隨著輸出功率的增加會遇到的熱效應(yīng)、非線性效應(yīng)和物理損傷，可以實現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出。該耦合諧振腔可以有效的解決激光相干合束系統(tǒng)低轉(zhuǎn)換效率問題，使得減小冷卻設(shè)備的體積，對光纖激光器的相干合成具有重要的啟發(fā)作用，并有望將激光器功率提升到新的量級。其不同于傳統(tǒng)的激光相干合束系統(tǒng)，偏振衍射光柵作為分/合束器件，其效率遠高于其它器件，而且該發(fā)明中的光柵器件經(jīng)過量化處理分為很多塊狀區(qū)域，且每個區(qū)域的方向、周期、占空比，這些參數(shù)的不同可以對入射光的偏振態(tài)進行任意的調(diào)控，從而得到等能量和任意數(shù)目的子光束，再經(jīng)過增益單元放大進行激光相干合成，從而實現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本光柵具有如下優(yōu)點:
[0024](I)加入了偏振衍射光柵做為分/合器件，能改變激光相干合束系統(tǒng)模式選擇、隨機相位波動特性，可通過基于主動偏振控制元件解決或緩解相干合束系統(tǒng)中隨機相位波動的問題。這樣可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)激光器的而采用選模(鎖相)機理，提高激光器的轉(zhuǎn)換效率，有利于高功率激光的輸出。
[0025](2)栗浦半導(dǎo)體激光由端面栗浦至增益單元內(nèi)，提高了其栗浦強度和效率，增加了其與增益單元粒子的碰撞面積，從而增加了兩者的碰撞概率，因此大大提高半導(dǎo)體激光的栗浦質(zhì)量和栗浦效率。
[0026](3)偏振衍射光柵激光相干合束系統(tǒng)由多個增益單元組成，增益單元的位置對稱排列，該種結(jié)構(gòu)是根據(jù)偏振衍射光柵的分束特性所決定，可以有效的進行激光的傳輸和放大，以提高激光輸出的功率。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明提供的偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔的端面示意圖；
[0028]圖2是本發(fā)明提供的偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔的偏振衍射光柵的掩摸板不意圖；
[0029]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:
[0030]11、12、13 反射鏡，21、22、23 增益單兀，31、32、33 半導(dǎo)體激光器，4 偏振衍射光柵，5---輸出鏡。
四、【具體實施方式】
[0031]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0032]在本發(fā)明的實施例中，采用本發(fā)明提供的偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔的工作方式，具體如下:
[0033]請參閱圖1、圖2所示，由圖可見，本實施例中，偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔包括反射鏡(11、12、13)，增益單元(21、22、23)，半導(dǎo)體激光器(31、32、33)，偏振衍射光柵，輸出鏡。其中反射鏡(11、12、13)通過鍍膜技術(shù)使其保證經(jīng)增益單元(21、22、23)放大的光束具有高反射特性，所述的反射鏡(11、12、13)由三塊鍍膜鏡組成，上下兩塊對稱置于激光相干合束系統(tǒng)的左端，多個反射鏡同時使用以提高系統(tǒng)的輸出功率;所述的半導(dǎo)體激光器用于產(chǎn)生栗浦光，發(fā)出的栗浦光通過激勵增益單元(21、22、23)，得到相干合束的栗浦光，種子光在耦合諧振腔不斷往返傳輸，并且被增益單元(21、22、23)不斷放大，最后得到激光輸出；所述的輸出鏡5為部分反射鏡，位于合束系統(tǒng)的右端，與反射鏡(11、12、13)共同組成諧振腔，可以把大部分的光反射回去，當合束后的功率達到耦合諧振腔的閾值時，經(jīng)輸出鏡5輸出激光;所述偏振衍射光柵4位于耦合諧振腔的中間，其基底是低膨脹系數(shù)的單晶硅，然后曝光、顯影、刻蝕把平行線刻在單晶硅上，用于分束/合束作用，由增益單元(21、22、23)產(chǎn)生的種子光經(jīng)反射鏡(11、12、13)反射后，到達偏振衍射光柵4后合束，最后經(jīng)輸出鏡5反射，由偏振衍射光柵4進行分束，分束后的子光束再經(jīng)增益單元放大，不同于傳統(tǒng)的相位、振幅光柵的是該光柵可以實現(xiàn)入光偏振態(tài)的任意調(diào)控，以實現(xiàn)等能量和任意數(shù)目的分束;所述的增益單元(21、22、23)由成一定角度分布在反射鏡(11、12、13)和偏振衍射光柵4的中間，為Nd:YAG晶體或其它具有增益功能的晶體組成，用于實現(xiàn)光束的放大;所述反射鏡(11、12、13)為高反射鏡，是在光學(xué)玻璃的背面，通過真空鍍膜鍍一層金屬銀(或鋁)薄膜;所述偏振衍射光柵4為亞波長光柵，且光柵通過量化處理為多個塊狀區(qū)域，每個區(qū)域的光柵結(jié)構(gòu)為二元型，并且每個區(qū)域的柵條結(jié)構(gòu)的周期、方向角、占空比不同，其安裝位置可通過高精度機械控制元件進行微小移動。
[0034]作為一種選擇，所述的偏振衍射光柵也可使用達曼光柵，它可以將一束相干光分成若干束等強度的相干光，或者將滿足相位關(guān)系的相干光束陣列合成一束光，但是其理論分束效率要低一些。
[0035]總體而言，本發(fā)明從以高效率的合束效率及高功率的激光輸出等方面考慮，提供了一種偏振衍射光柵的激光相干合束親合諧振腔。
[0036]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種偏振衍射光柵的激光相干合束親合諧振腔，包括上、中、下反射鏡(11、12、13)，上、中、下增益單元(21、22、23)，上、中、下半導(dǎo)體激光器(31、32、33)，偏振衍射光柵(4)和輸出鏡(5)，其特征在于: 上、中、下反射鏡(11、12、13)從上至下對稱設(shè)置，其中，中反射鏡(12)和輸出鏡(5)共軸相對設(shè)置，兩者光軸中心線上設(shè)有偏振衍射光柵(4 )，各反射鏡的反射中心均與偏振衍射光柵(4)的光軸中心等距;各反射鏡與偏振衍射光柵(4)之間的光路上分別設(shè)有上、中、下增益單元(21、22、23);輸出鏡(5)與上、中、下反射鏡(11、12、13)共同組成諧振腔； 上、中、下半導(dǎo)體激光器(31、32、33)分別靠近上、中、下增益單元(21、22、23)設(shè)置，各激光輸出窗口對準各增益單元側(cè)面的各增益單元的正中部； 所述半導(dǎo)體激光器(31、32、33)用于產(chǎn)生栗浦光;所述增益單元(21、22、23)設(shè)置在用于放大耦合腔內(nèi)傳輸?shù)募す?所述偏振衍射光柵(4)用于腔內(nèi)激光分束/合束;所述輸出鏡(5)位于諧振腔右端，用于激光束輸出； 工作時，各半導(dǎo)體激光器(31、32、33)產(chǎn)生初始的栗浦光，經(jīng)過各增益單元(21、22、23)放大后的三束栗浦光，經(jīng)各反射鏡(11、12、13)反射后，到達偏振衍射光柵(4)后合為一束，合束后的激光功率如果沒有達到諧振腔的閾值，合束光會經(jīng)過輸出鏡(5)反射，由偏振衍射光柵(4)分成三束，三光束再經(jīng)各增益單元放大，再次被反射和合束，直到達到諧振腔的閾值后，由輸出鏡(5)輸出合束后的激光。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振腔，其特征在于，所述各反射鏡由大于3的奇數(shù)個鍍膜鏡組成，以獲得更高的激光功率。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的諧振腔，其特征在于，所述各反射鏡圓中心對稱偏振衍射光柵，以獲得更高的激光功率。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振腔，其特征在于，所述偏振衍射光柵的基底是低膨脹系數(shù)的單晶硅，經(jīng)過曝光、顯影、刻蝕把光柵圖案刻在單晶硅上。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的諧振腔，其特征在于，所述各反射鏡為高反射鏡，是在光學(xué)玻璃的背面，通過真空鍍膜鍍一層金屬銀或鋁薄膜。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的諧振腔，其特征在于，所述各增益單元為Nd:YAG晶體或其它具有增益功能的晶體組成，通過高精度機械控制元件固定。7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的諧振腔，其特征在于，所述偏振衍射光柵為亞波長光柵，且把光柵分割成等高等寬的多個塊狀區(qū)域，每個區(qū)域的光柵結(jié)構(gòu)為二元型。8.根據(jù)權(quán)利要求1、2或6所述的諧振腔，其特征在于，所述偏振衍射光柵的每個區(qū)域的柵條結(jié)構(gòu)的周期、方向角、占空比不同，其安裝位置可通過高精度機械控制元件進行微小移動。9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的諧振腔，其特征在于，所述偏振衍射光柵可為達曼光柵。
【文檔編號】H01S3/082GK106025776SQ201610588778
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月25日
【發(fā)明人】萬辰皓, 肖建高, 郭海平, 陳念, 唐霞輝
【申請人】華中科技大學(xué)