專利名稱：光放大裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光放大裝置和/或光源。
背景技術(shù)：
二極管泵浦固態(tài)板條放大器的結(jié)構(gòu)公知為，其中光輻射源射入激光材料條中，并在激光材料中產(chǎn)生增益。這種結(jié)構(gòu)可以用于放大、或在對激光材料添加諧振反饋下產(chǎn)生激光，而用作光源。
激光的很多應(yīng)用要求、或得益于增強(qiáng)的光功率輸出，但是優(yōu)選地是，該功率放大能夠同時保持輻射的高空間質(zhì)量，并且可以高效地工作。在二極管泵浦固態(tài)激光器中的一個公知的問題是由泵浦機(jī)制產(chǎn)生的熱致變形，這將導(dǎo)致光束質(zhì)量的下降。
目前已研制出多種幾何結(jié)構(gòu)用于二極管泵浦，其主要基于端泵浦和側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)。端泵浦由于熱致透鏡化、以及由于當(dāng)使用多個二極管柵條(diode bar)時難于進(jìn)行二極管重整和功率傳輸，而在功率放大上受到限制。同時，側(cè)面泵浦表現(xiàn)出泵浦分布的不均勻性和高質(zhì)量激光模的無效疊加。
美國專利5,315,612(加拿大國家研究協(xié)會)示出了一種掠射板條激光器，其具有從側(cè)面泵浦激光板條的泵浦面的完全內(nèi)反射，所述板條對泵浦輻射具有強(qiáng)吸收性。這在小入射角度下提供了高增益、以及對熱致折射率和增益的不均勻性的較大的均勻化。這種設(shè)置的示例顯示出平均功率超過20W、光學(xué)效率超過60％的工作。然而，在更高的功率下，在反射面中的空間光束的質(zhì)量一般會下降。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種光放大裝置，其在使用中發(fā)生側(cè)面泵浦以提供增益區(qū)域，該裝置包括路徑限定裝置，用于限定路徑通過增益區(qū)域，從而放大光輻射，其中將所述路徑限定裝置設(shè)置為，使所述路徑在增益區(qū)域包括至少兩次在空間上分開的掠射反射。
由于將要放大的光輻射不止一次地通過增益區(qū)域，所以可以將該路徑描述為通過增益區(qū)域的多通路徑。
雖然在采用達(dá)到11、12、13、14、15、16、17、18、19或者20度的掠入射時仍能獲得增益，但本文中的“掠入射”通常是指達(dá)到大約10度。
優(yōu)選地是，增益區(qū)域具有多于一個的增益帶，反射分別發(fā)生在不同的增益帶中。例如，增益區(qū)域的每個增益帶可以只是同一增益區(qū)域的不同的空間帶，或者增益帶可以分別由不同的泵浦源提供。
因此，本發(fā)明的實(shí)施例通過掠射反射放大器提供了光束的多次通過，所述光束在每次通過中到達(dá)增益區(qū)域的不同部分，經(jīng)發(fā)現(xiàn)這樣可以改善光束質(zhì)量的特征，特別是具有更高的功率可放大性。該多通結(jié)構(gòu)可以用作高增益放大器裝置，以及在添加合適的反饋(例如腔反射器)下，可以用作提供光源的激光振蕩器。
本發(fā)明實(shí)施例中通常使用的板條放大器包括對輻射源具有強(qiáng)吸收性的晶體，由輻射源使所述晶體在其一面上發(fā)生側(cè)面泵浦，從而在泵浦面內(nèi)的淺層區(qū)域產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(以激光的已知方式支持放大)。在每次通過放大器晶體時，掠入射的角度的激光束在泵浦面上受到完全內(nèi)反射。在每次通過時，光束入射為從泵浦面的不同區(qū)域反射。這種多通技術(shù)提供了對熱致變形和增益的不均勻性的更大程度的均勻化，從而使放大的輻射具有更高的空間光束質(zhì)量。對于特定泵浦分布，多通放大器可以改善放大器的效率和增益?？傊?，本發(fā)明的實(shí)施例在保持接近的繞射極限光束質(zhì)量中可以提供改進(jìn)的性能。
優(yōu)選地是，相關(guān)于每次掠射反射在增益區(qū)域中的增益獲得具有相當(dāng)?shù)拇笮?。這在本裝置中支持更均勻的放大特性。
當(dāng)提供反饋來配置多通放大器以使其用作多通激光振蕩器時，該激光振蕩器的工作可以如放大器一樣類似地改進(jìn)光束質(zhì)量和效率。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，其中提供了一種放大光輻射的方法，所述方法包括，使輻射沿路徑通過側(cè)面泵浦反射放大器，該路徑在放大器的側(cè)面泵浦面上的至少兩個在空間上不同的位置對掠射提供完全內(nèi)反射。


下面只是以示例的方式，參考附圖描述作為本發(fā)明實(shí)施例的多通反射放大器，其中圖1示出了反射放大器的示意圖，其中說明了具有用于第二次通過的光束的外部反饋的雙通的情況；圖2示出了反射放大器的示意圖，其中示出了向3次和更高次通過的延伸；圖3示出了反射放大器的泵浦面的示意圖，其中示出了放大器的多次通過可以到達(dá)的泵浦區(qū)域的不同排列的示例；圖4示出了反射放大器的示意圖，其中示出了具有用于第二次通過的反饋的雙通的情況，所述第二次通過由從放大器的切割表面的反射提供；圖5示出了具有反饋反射鏡的圖1中的雙通反射放大器形成線性激光振蕩器的示意圖；圖6示出了具有反饋反射鏡的圖1中的雙通反射放大器形成環(huán)形激光振蕩器的示意圖；以及圖7示出了具有反饋反射鏡的圖2中的多通反射放大器形成線性激光振蕩的示意圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，其中示出了本發(fā)明的雙通實(shí)施例，用于說明工作原理。
該反射放大器包括激光介質(zhì)1，其生長為固態(tài)激光材料(例如Nd:YVO4)的單晶體。通過由輻射源(未示出)入射到晶體的稱為泵浦面2的平面上，所述放大器以已知方式發(fā)生二極管泵浦。通過在輻射源中，尤其是在激光二極管中利用公知的光粒子數(shù)反轉(zhuǎn)機(jī)制對激光介質(zhì)1進(jìn)行泵浦。激光介質(zhì)材料對光粒子數(shù)反轉(zhuǎn)源必須具有高吸收性。這可以在晶體內(nèi)的鄰近泵浦面2的淺層區(qū)域中提供高反轉(zhuǎn)密度。
可以示意性地將該反轉(zhuǎn)或增益區(qū)域設(shè)計(jì)分為兩個增益區(qū)域G1和G2。在對激光材料的一次通過中，激光束相對于泵浦面2以小入射角θ1入射，并集中在增益區(qū)域G1內(nèi)，激光束在增益區(qū)域G1中從泵浦面得到完全內(nèi)反射，并從區(qū)域G1得到增益。例如由一對反射鏡M1和M2提供外部反饋，其使光束第二次通過激光介質(zhì)入射到增益區(qū)域G2上，并以相對于所述泵浦面的角度θ2得到反射，并從區(qū)域G2得到增益。
圖1中示意性地將增益區(qū)域G1和G2示出為矩形并具有相同的尺寸。實(shí)際的增益分布的形狀將由泵浦分布決定。不同的區(qū)域具有不同的尺寸，所述尺寸由泵浦光束在泵浦面2上的尺寸決定。
通過增益區(qū)域的放大光束還可能與通過相鄰增益區(qū)域的放大光束部分疊加。然而，優(yōu)選的實(shí)施是，光束應(yīng)該充分分開，盡管可能需要在光束的相鄰側(cè)端部分地疊加，以獲得在整個增益分布中的突出部分。
通過每個增益區(qū)域的光束的尺寸依賴于多個因素，包括入射光束參數(shù)、衍射、以及在泵浦激光介質(zhì)中熱致的透鏡化和偏差。通過選擇合適的入射光束和外部反饋反射鏡M1、M2，可以對所述尺寸的進(jìn)行一些調(diào)節(jié)。
雖然增益區(qū)域不必相等，但是優(yōu)選地是，在每次通過中發(fā)生的增益獲得具有相當(dāng)?shù)拇笮。⑶褿1和G2的全部增益區(qū)域應(yīng)該包含實(shí)際泵浦分布的相當(dāng)大的部分，以有效地工作。
參考圖2，其中可以將圖1的工作原理延伸為利用添加的反饋產(chǎn)生第三次通過，例如可以通過另一對反射鏡M5和M6實(shí)現(xiàn)。在第三次通過中，光束入射到第三增益區(qū)域G3。第三次通過的實(shí)施從原理上說，當(dāng)然可以分級到達(dá)第四區(qū)域G4，并且一般，多次通過可以到達(dá)更多的增益子區(qū)域。在多通放大中到達(dá)的增益區(qū)域不必順序排列(G1，G2，G3...)，而是可以按照任意方便的和有利的順序到達(dá)(例如G1，G3，G2...)。
參考圖3，多通技術(shù)可以延伸為從更復(fù)雜的增益區(qū)域陣列中獲得增益，所述增益區(qū)域陣列可以通過更復(fù)雜的泵浦分布產(chǎn)生。圖3示出了在激光介質(zhì)的泵浦面2上出現(xiàn)的分布示例。圖3A示出了具有兩個增益區(qū)域G1和G2的雙通放大器結(jié)構(gòu)，其中包括簡單的泵浦分布3。圖3B示出了更復(fù)雜的(彎曲的)泵浦分布3，其可以由二極管激光柵條的不完善質(zhì)量產(chǎn)生。在本示例中，由高空間質(zhì)量的激光束選擇三個增益區(qū)域G1、G2和G3用于提供有效的疊加。
圖3B中所示的示例在單通實(shí)施的基礎(chǔ)上提供了關(guān)于多通放大器的改進(jìn)的內(nèi)容。當(dāng)試圖在單次反射中放大覆蓋整個增益區(qū)域的大尺寸光束，由于高質(zhì)量高斯激光模在增益分布下的較差的空間疊加，導(dǎo)致了放大光束的光束質(zhì)量下降，以及由于熱致折射率變化引起相位偏差而導(dǎo)致不均勻性。在本發(fā)明實(shí)施例的多通放大器中，可以在更小的區(qū)域內(nèi)以更均勻的增益和更小的相位偏差放大高質(zhì)量光束。而且，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)反饋，可以優(yōu)化區(qū)域以便可以對每個區(qū)域之間的增益和相位偏差提供一定程度的均勻化。利用多通光束的更高質(zhì)量的疊加，還可以增大放大器的效率。
圖3C示出了增益分布在兩個分離的區(qū)域3內(nèi)的另一個示例，所述增益分布可以由兩個二極管激光柵條提供泵浦，并通過兩次反射到達(dá)區(qū)域G1和G2。
圖3D示出了圖3C中的兩個分離的區(qū)域，在多個增益子區(qū)域G1-G8中傳播的多通光束分別到達(dá)每個區(qū)域。
參考圖4，在雙通放大器的可選實(shí)施中，由從激光介質(zhì)的反射表面4的反射提供用于第二次通過的反饋。對該表面4可以特定地進(jìn)行高反射性涂覆、以合適的角度切割、以及選擇入射光束的角度，從而在泵浦面2的適當(dāng)區(qū)域提供反射。
參考圖5，6和7，可以將上述參考圖1至圖4的多通放大器轉(zhuǎn)換成多通激光振蕩器，以及從而轉(zhuǎn)換成光源。
圖5示出了在激光介質(zhì)1的外部結(jié)合兩個反射鏡M3、M4形成的圖1的雙通放大器實(shí)施的線性激光腔。可以結(jié)合類似的實(shí)施(未示出)將圖4的放大器系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成激光振蕩器。圖6示出了結(jié)合反射鏡M3、M4形成的環(huán)形激光振蕩器。通過使M1至M4中的任一反射鏡部分透射，可以從所述任一反射鏡上獲得該激光器的輸出。該激光器在兩個環(huán)方向上都可以發(fā)生振蕩。通過在環(huán)中結(jié)合法拉第隔離器(Faraday isolator)，則可以以已知的方法強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)單向環(huán)振蕩。圖7示出了在三通放大系統(tǒng)中結(jié)合反射鏡M3、M4形成的激光振蕩器。向更高次通過的激光振蕩器的結(jié)構(gòu)的延伸是容易組合實(shí)現(xiàn)的。
在多通激光振蕩器中的激光模具有與在多通放大器中相同的優(yōu)點(diǎn)，包括改善了在增益分布下的模疊加，以及由于對整個增益分布中的增益和相位偏差的增大的均勻化，而改善了放大的空間質(zhì)量。多通放大器顯示出用于選擇腔內(nèi)基模的更小的有效孔徑。
本發(fā)明的另一個實(shí)施為，使用一個增益區(qū)域形成多通激光振蕩器，而使用另一個單獨(dú)的區(qū)域用作為另外的單通或多通放大區(qū)域。
在上述參考圖5的本發(fā)明的實(shí)施例的示例中，在基于雙通反射放大器的激光振蕩器中，激光介質(zhì)1包括Nd:YVO4板條，其由放射波長為808nm的二極管柵條泵浦。在反射面上的泵浦面2上的增益區(qū)域G1、G2的全長大約是14mm。
兩次通過中使用的反射角度θ1、θ2大約是7.5度和5度。在每次反射中獲得的增益區(qū)域是大致相等的兩部分(G1和G2)。利用從部分反射鏡M3得到的輸出形成激光諧振器。當(dāng)采用57瓦的二極管功率進(jìn)行泵浦時，激光振蕩器的輸出功率為26W。輸出為空間TEM00模式，光束質(zhì)量參數(shù)M2在反射平面為1.2，在正交平面為1.05。
權(quán)利要求
1.一種光放大裝置，包括在使用時受側(cè)面泵浦而提供增益區(qū)域的板條材料，所述裝置包括路徑限定裝置，用于限定路徑通過所述增益區(qū)域而放大光輻射，其中所述路徑限定裝置設(shè)置為，使所述路徑在所述增益區(qū)域內(nèi)包括至少兩次在空間上不同的掠射反射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述掠射反射包括不大于20度的反射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述掠射反射包括不大于10度的反射。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一的裝置，其中所述增益區(qū)域具有多于一個的增益帶，并且所述反射在各個不同的所述增益帶上發(fā)生。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其中所述增益區(qū)域中的至少兩個所述增益帶是在同一所述增益區(qū)域的不同空間上的帶。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的裝置，其中至少兩個所述增益帶分別由不同的泵浦源提供。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求任一的裝置，其中包括對所述增益區(qū)域的反饋，所述反饋使所述裝置能夠在使用時產(chǎn)生激光，從而可以提供光源。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求任一的裝置，其中所述路徑限定裝置包括至少一個反射鏡。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求任一的裝置，其中所述路徑限定裝置包括所述板條材料的至少一個表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，其結(jié)合根據(jù)權(quán)利要求1的用于接收和放大光源的輻射輸出的所述裝置，其中所述二裝置共用同一板條材料。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求任一的裝置，其中在所述增益區(qū)域獲得的相關(guān)于每次所述掠射反射的增益具有相當(dāng)?shù)拇笮　?br> 12.一種用于放大光學(xué)輻射的方法，所述方法包括使所述輻射沿路徑通過側(cè)面泵浦反射放大器，所述路徑在所述放大器的側(cè)面泵浦面上的至少兩個在空間上不同的位置提供對掠入射的完全內(nèi)反射。
全文摘要
一種光放大裝置，其中，光束多次通過掠射反射放大器，在每次通過中到達(dá)增益區(qū)域的不同部分(G1，G2)。這在光束質(zhì)量上提供了改進(jìn)的特征，使其具有更高的功率可放大性。該多通結(jié)構(gòu)可以用作高增益放大器裝置，以及當(dāng)添加例如反射鏡(M1－M4)的合適的反饋時，還可以用作提供光源的激光振蕩器。
文檔編號H01S3/081GK1666390SQ03815595
公開日2005年9月7日 申請日期2003年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月9日
發(fā)明者M·J·達(dá)米澤 申請人:帝國學(xué)院創(chuàng)新有限公司