專利名稱：具有多個平行增益介質(zhì)的非穩(wěn)定激光諧振器中的相干光束組合的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有多個平行增益介質(zhì)的非穩(wěn)定激光諧振器中的相干光束組合。
背景技術(shù)：
尤其是由于激光器的發(fā)明，相干光已經(jīng)成為多種應(yīng)用的有用工具。通過由光學(xué)參量器件進(jìn)行的激光波長轉(zhuǎn)換以及三波交互，在實際中可以產(chǎn)生任意波長的相干光。許多工業(yè)應(yīng)用使用激光器作為相干光源。例如，在工業(yè)制造中使用具有以及不具有參量器件的激光器，用于包括金屬和非金屬材料的切割、加工以及焊接的各種工藝。激光器還用于電信產(chǎn)業(yè)，以產(chǎn)生并放大通過光纖傳輸?shù)墓狻?br> 為了提高激光器或光學(xué)參量器件的功率或能量輸出，可以在一定限制內(nèi)增大在這種器件中使用的增益介質(zhì)的大小或體積。這些限制根據(jù)所使用的增益介質(zhì)的類型而變換。例如，在具有固態(tài)增益介質(zhì)的激光器中，材料特性和/或制造技術(shù)限制了增益介質(zhì)的大小。類似地，制造和材料特性還限制了例如光學(xué)非線性晶體和晶體材料的非線性或參量增益介質(zhì)的物理大小。因此，晶體生長和制造技術(shù)限制了固態(tài)激光器和光學(xué)參量器件的功率和能量穩(wěn)定度。
作為增大單個激光器或參量器件的增益介質(zhì)的體積的一種可選方案，嘗試將來自兩個或更多這種器件的相干輸出相組合。本領(lǐng)域已知為了相干地組合兩個或更多電磁場(例如激光器輸出)，電磁場必需彼此同相。可以在美國專利No.5,936,993和美國專利公開No.US2002/0172253中得到與嘗試相干地組合多個激光束相關(guān)的信息。在這些公開物中公開的這些方法和系統(tǒng)的問題在于需要改裝要用于組合激光束的光學(xué)和/或波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。這種附加的結(jié)構(gòu)增大了所使用的系統(tǒng)的尺寸、復(fù)雜度和成本。
因此，需要簡單且廉價的方法和系統(tǒng)，以便將激光器和光學(xué)參量器件的相干輸出縮放為更高的功率和輸出脈沖能量。

發(fā)明內(nèi)容
簡而言之，概括地，本發(fā)明包括相干地組合兩個或更多增益介質(zhì)的輸出光束或電磁場的簡單且廉價的系統(tǒng)和方法。所公開的系統(tǒng)和方法包括使用非穩(wěn)定諧振器。所述增益介質(zhì)可以是激光增益介質(zhì)或參量增益介質(zhì)。
第一實施例可以包括一種用于相干光束組合的系統(tǒng)，包括非穩(wěn)定諧振器和位于非穩(wěn)定諧振器中的至少兩個增益介質(zhì)。在非穩(wěn)定諧振器中的一次或多次往返之后，由至少兩個增益介質(zhì)中的第一增益介質(zhì)產(chǎn)生的第一電磁場通過至少兩個增益介質(zhì)中的第二增益介質(zhì)中的一部分進(jìn)行傳播。第一電磁場與第二增益介質(zhì)產(chǎn)生的第二電磁場同相。
可以產(chǎn)生輸出光束，且輸出光束與幅度積的平方成比例，所述幅度積是第一電磁場的幅度與第二電磁場的幅度的乘積。增益介質(zhì)可以是參量增益介質(zhì)或激光增益介質(zhì)?？梢园凑贞嚵衼砼渲迷鲆娼橘|(zhì)?？梢詫?dǎo)熱元件與所述增益介質(zhì)相接觸以去除熱量。
第二實施例可以包括一種用于相干光束組合的方法。從第一增益介質(zhì)產(chǎn)生第一電磁場，并且從第二增益介質(zhì)產(chǎn)生第二電磁場?？梢栽诰哂蟹糯笠蜃拥姆欠€(wěn)定諧振器中擴(kuò)展(expand)所述第一和第二電磁場?？梢韵喔傻亟M合擴(kuò)展的第一和第二電磁場。
可以產(chǎn)生輸出光束，其具有與幅度積的平方成比例的強(qiáng)度，所述幅度積是第一電磁場的幅度與第二電磁場的幅度的乘積。產(chǎn)生第一或第二電磁場的步驟可以包括產(chǎn)生信號和空載(idler)場。可以產(chǎn)生第三電磁場，在非穩(wěn)定諧振器中進(jìn)行擴(kuò)展，并與第一和第二電磁場相組合。


參考以下說明書、所附的權(quán)利要求以及附圖，將能更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方案和優(yōu)點。所述附圖不必標(biāo)定和強(qiáng)調(diào)元件的尺寸和位置，僅用于顯示本發(fā)明的原理。所述附圖包括圖1是示出了相干光束組合系統(tǒng)的部件的簡化圖。
圖2是沿直線2-2得到的圖1的相干光束組合系統(tǒng)的截面圖。
圖3是相干光束組合系統(tǒng)的可選實施例的簡化圖。
圖4是沿直線4-4得到的圖3的相干光束組合系統(tǒng)的截面圖。
圖5是相干光束組合系統(tǒng)的可選實施例的簡化圖。
圖6是沿直線6-6得到的圖5的相干光束組合系統(tǒng)的截面圖。
圖7是相干地組合來自多個增益介質(zhì)的輸出的方法的流程圖。
具體實施例方式
通過應(yīng)當(dāng)結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀的以下詳細(xì)描述，可以理解本發(fā)明。以下詳細(xì)描述僅作為示例，并不意味著限制本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明針對相干地組合由分離的增益介質(zhì)或晶體產(chǎn)生的光束或電磁場。多個增益介質(zhì)可以位于具有放大因子的非穩(wěn)定諧振器中。由于放大因子，來自一個增益介質(zhì)的輸出場或波可以擴(kuò)展非穩(wěn)定諧振器中的其它增益介質(zhì)并與其相重疊。重疊的場或波同相并且在諧振器中將其相干地組合，以便形成功率和能量高于利用單個的尺寸有限增益介質(zhì)能夠得到的功率和能量的場?？梢詮姆欠€(wěn)定諧振器輸出耦合(outcouple)或發(fā)送所得到的場，作為輸出光束，其強(qiáng)度與諧振器中幅度場的相干組合的平方成比例，即，與諧振器中重疊場的幅度的平方積成比例。
可以在本發(fā)明的實施例中使用非穩(wěn)定光學(xué)諧振器。由于這種諧振器中諧振模式的不穩(wěn)定性，同樣將其稱作所謂的“非穩(wěn)定諧振器”。非穩(wěn)定諧振器的特征在于固有的可伸縮(telescopic)放大或放大因子M。在通過諧振器的每一次往返中，在非穩(wěn)定諧振器中形成的光學(xué)模式的截面尺寸以因子(例如M)持續(xù)增長。
參考圖1-7，現(xiàn)在描述本發(fā)明的實施例。圖1是示出了相干光束組合系統(tǒng)100的部件的簡化圖。系統(tǒng)100可以包括具有放大因子M的非穩(wěn)定諧振器102，非穩(wěn)定諧振器102可以包括第一反射鏡104和第二反射鏡106。在非穩(wěn)定諧振器102中設(shè)置了多個增益介質(zhì)108a和108b，并由適當(dāng)?shù)脑O(shè)備(出于簡化原因?qū)⑵涫÷?對其進(jìn)行泵浦。示出了入射到第一反射鏡104上的泵浦波130。如圖所示，泵浦波130可以是連續(xù)波(CW)、準(zhǔn)CW或脈沖波。將反射鏡104配置為輸出耦合器。
選擇例如102的適當(dāng)非穩(wěn)定諧振器，用于諧振器的穩(wěn)定性的適當(dāng)設(shè)計。經(jīng)常由具有包括穩(wěn)定性參數(shù)(有時被稱作“g參數(shù)”)的坐標(biāo)軸的雙曲線來圖形化地表示諧振器的穩(wěn)定性。對于雙反射鏡諧振器，g參數(shù)具有以下形式(1) g1＝1+(d/R1)；(2) g2＝1+(d/R2)；其中，d是諧振器中光軸的長度，R1和R2中的每一個分別表示諧振器反射鏡之一的曲面的曲率。由以下描述穩(wěn)定性條件(3) 0≤g1g2≤1當(dāng)雙曲線的外部不穩(wěn)定時，與方程(3)所述的雙曲線中的點相對應(yīng)的諧振器幾何形狀是穩(wěn)定的。在g1和g2的乘積是正值的情況下，將非穩(wěn)定諧振器稱作“正分支”非穩(wěn)定諧振器。類似地，在g1和g2的乘積是負(fù)值的情況下，將非穩(wěn)定諧振器稱作“負(fù)分支”非穩(wěn)定諧振器。
在非穩(wěn)定諧振器102中，由于諧振器102的放大效果，從每一個增益介質(zhì)的輸出或場(例如108b’)形成的諧振模式沿諧振器102的長度增長或擴(kuò)展。更具體地，在通過諧振器102的每一個往返期間，以因子增長或擴(kuò)展的模式的截面面積近似等于諧振器放大因子的平方，即M2。模式的擴(kuò)展導(dǎo)致來自一個增益介質(zhì)的輸出或場與相鄰一個或多個增益介質(zhì)相重疊。例如，在通過非穩(wěn)定諧振器102放大之后，如圖所示，輸出108b’會覆蓋增益介質(zhì)108a。盡管未示出，應(yīng)當(dāng)可以理解對于增益介質(zhì)108a存在類似輸出。
因此，可以相干地組合并輸出耦合增益介質(zhì)的輸出，作為具有比尺寸有限增益介質(zhì)所產(chǎn)生的光束更高功率或注量(fluence)的單個輸出光束140。輸出光束140高度相干且相干程度取決于例如增益介質(zhì)的放大或增益帶寬以及諧振器反射鏡的濾波效果的因素。諧振器102支持的結(jié)果模式包括由增益介質(zhì)放大的場，該場彼此同相并因此相干，而無需例如可變形反射鏡的任意適配光學(xué)系統(tǒng)。
利用使通過增益介質(zhì)的任意光路長度差異最小化，可以增強(qiáng)非穩(wěn)定諧振器102中的輸出或場的相干組合。例如，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計非穩(wěn)定諧振器和增益介質(zhì)幾何形狀可以實現(xiàn)這種最小化。在特定實施例中，可以如此設(shè)計非穩(wěn)定諧振器102的幾何形狀設(shè)計以及諧振器102中增益介質(zhì)的放置對于所有輸出光線，總光路長度相等或近似相等，而與原始增益介質(zhì)無關(guān)。
對于增益介質(zhì)108a和108b的配置，將其每一個放置在橫跨非穩(wěn)定諧振器102的橫軸或光軸的平面內(nèi)。此外，定位每一個增益介質(zhì)，使其到諧振器102的縱軸的不同側(cè)的距離相等。
在特定實施例中，可以將增益介質(zhì)108a和108b放置在諧振器102的第一104和第二106反射鏡之間的距離中點處或附近，即，接近非穩(wěn)定諧振器102的長度的中點。利用公知設(shè)備(例如光具座等)定位的間隙或間隔距離112分離了增益介質(zhì)108a和108b。
在特定實施例中，間隔距離112可以處于1毫米的數(shù)量級。在特定實施例中，可以將增益介質(zhì)108a和108b定形為相同的矩形棱鏡?？梢远ㄏ蛟鲆娼橘|(zhì)108a和108b，以使其中每一個的長軸平行于非穩(wěn)定諧振器102的橫軸。每一個增益介質(zhì)還可以具有與其它增益介質(zhì)相同的額定增益長度，并且由相同材料制成，例如磷酸氧鈦鉀(KTiOPO4或“KTP”)。
可以將任意適當(dāng)?shù)姆欠€(wěn)定諧振器設(shè)計用于非穩(wěn)定諧振器102，例如正分支非穩(wěn)定諧振器。在特定實施例中，非穩(wěn)定諧振器102可以是共焦非穩(wěn)定諧振器。適當(dāng)?shù)墓步狗欠€(wěn)定諧振器設(shè)計包括共焦平面和共焦凸面型。在特定實施例中，可以利用分級反射率剖面(profile)實現(xiàn)在非穩(wěn)定諧振器中用作輸出耦合器(例如104)的反射鏡，例如實質(zhì)上高斯或超高斯剖面，以改進(jìn)輸出光束的特性。這種輸出耦合器或分級反射率反射鏡可以包括公知為點反射器的高反射率中心區(qū)域?？梢詫⒆冔E或平滑元件用于限制輸出光束直徑。
用于增益介質(zhì)108a和108b的材料可以是有源或“激光器”增益介質(zhì)，或可以是光學(xué)參量增益介質(zhì)。適當(dāng)類型的激光增益介質(zhì)可以包括氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)介質(zhì)(包括半導(dǎo)體增益介質(zhì))。這種介質(zhì)的適當(dāng)示例包括但不局限于鉻摻雜氟鋁鈣鋰石晶體(包括氟鋁鍶鋰(LiSAF)、氟鎵鍶鋰(LiSGaF)和氟鋁鈣鋰(LiCAF))。在特定實施例中，可以將鈰摻雜氟鋁鍶鋰(Ce:LiSAF)、鉻摻雜紅寶石或鈦摻雜藍(lán)寶石(Ti:藍(lán)寶石)激光介質(zhì)用作增益介質(zhì)。在其它特定實施例中，可以將摻雜了來自稀土元素和過渡金屬元素族中的三價激光活化劑離子的鋁釔石榴石(YAG)或氟鋁釔(YLF)用作增益介質(zhì)，所述的元素如釹(Nd)、鉻(Cr)、鉺(Er)和鐿(Yb)。
增益介質(zhì)可以包括半導(dǎo)體材料和激光二極管結(jié)構(gòu)。適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料包括任意直接帶隙(direct-gap)半導(dǎo)體材料。可以使用來自砷化鎵鋁(AlGaAs)、砷化鎵銦(InGaAs)和磷化砷鎵銦(InGaAsP)合金系。適當(dāng)?shù)募す舛O管結(jié)構(gòu)包括但不局限于同構(gòu)、異構(gòu)和雙異構(gòu)。在二極管激光器結(jié)構(gòu)中可以包括一個或多個量子阱。在特定實施例中，量子級聯(lián)(QC)激光器可以用作增益介質(zhì)。例如，可以利用磷化銦(InP)上的AlInAs/InGaAs晶格，以近似4.5到17微米的任意長度來制造QC激光器。
本發(fā)明的實施例可以將非線性光學(xué)晶體材料或晶體用作參量增益介質(zhì)?？梢詫⑦@種非線性材料和晶體(“晶體”)用于產(chǎn)生光學(xué)參量生成，其中混合三個光波或場，并且可以選擇性地放大三個光波中的一個或兩個。通過開發(fā)非線性晶體的非線性電極化率，假設(shè)滿足能量和動量或相位的守恒條件，可以將一個波長處的電磁能量轉(zhuǎn)換到另一個波長，因此，特定實施例可以用作光學(xué)參量振蕩器(OPO)。
通常，根據(jù)其進(jìn)入特定晶體時雙重折射或雙折射的效應(yīng)如何影響入射光，非線性光學(xué)(“非線性”)晶體的特征為特定參量類型。當(dāng)將入射或“泵浦”波雙重地折射為具有相同極化的信號以及空載場或波(與泵浦波正交)時，將非線性晶體稱作I型晶體。II型非線性晶體是從泵浦波正交地產(chǎn)生信號和空載場或波的晶體。在特定實施例中，用作參量增益介質(zhì)的非線性晶體是相同的參量類型，即，I型或II型。
在特定實施例中，可以將雙折射非線性晶體用作增益介質(zhì)。適當(dāng)?shù)姆蔷€性晶體包括但不局限于以下晶體磷酸二氫銨(NH4H2PO4或“ADP”)、貝塔(β)硼酸鋇(BBO)、硒化鎵(GaSe)、鈮酸鋰鋇(Ba2LiNb5O15)、硫化鎵鎘(CdGa2S4)、硒化鎘(CdSe)、二砷化鍺鎘(CdGeAs2)、鈮酸鋰(LiNbO3)、化學(xué)計量的鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)、三硼酸鋰(LiB3O5或“LBO”)、磷酸二氫鉀(KH2PO4或“KDP”)、磷酸氧鈦鉀(KTiOPO4或“KTP”)、砷酸氧鈦鉀(KTiOAsO4或“KTA”)、銦摻雜的砷酸氧鈦鉀(In:KTiOAsO4或“In:KTA”)、砷酸氧鈦銣RbTiOAsO4(RTA)、砷化鎵銀(AgGaS2)、硫化鎵銀(AgGaS2)、硫化砷銀(Ag3AsS3或“淡紅銀礦”)、鈮酸鉀(KNbO3)、釹摻雜的鈮酸鋰鎂(Nd:MgLiNbO3)以及適當(dāng)?shù)狞S銅礦。還可以從以下化合物系或合金中選擇適當(dāng)?shù)姆蔷€性晶體(Zn1-xCdx)GeAs2、Zn(Ge1-xSix)As2以及Zn(Ge1-xSix)P2。用于增益介質(zhì)的其它適當(dāng)非線性晶體可以包括AgGa1-xInxSe2和CdGe(As1-xPx)2的合金或化合物系。
除了上述材料以外，還可以將準(zhǔn)相位匹配(QPM)或周期接入的非線性晶體材料用作參量增益介質(zhì)。所述QPM材料使用周期域反轉(zhuǎn)或周期極化(poling)，并且可以用于形成補(bǔ)償交互波或信號之間的相速度失配的QPM光柵。非線性系數(shù)的符號的改變伴隨著域反向，因此，這種光柵能夠不成由于材料的折射系數(shù)造成的色散。周期極化或QPM材料可以考慮到具體非線性晶體材料中采用最大非線性系數(shù)的、要選擇的傳播方向和極化的組合。
用作增益介質(zhì)的適當(dāng)周期極化材料包括但不局限于周期極化鈮酸鋰(PPLN)、周期極化KTP(PPKTP)以及周期極化RTA(PPRTA)。還可以將周期孿晶砷化鎵(PTGaAs)或其它平板印刷圖案材料用于增益介質(zhì)(例如QPM材料)。還可以將其中將QPM材料包含在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(例如退火質(zhì)子交換LiNbO3結(jié)構(gòu))中的波導(dǎo)QPM材料用于增益介質(zhì)。還可以將包括但不局限于非周期極化鈮酸鋰(APPLN)的非周期極化材料用于增益介質(zhì)。
現(xiàn)在參考圖2，示出了沿直線2-2的圖1的相干光束組合系統(tǒng)100的截面圖。如前所述，由于非穩(wěn)定諧振器102的放大效應(yīng)，當(dāng)在諧振器102中行進(jìn)并生長時，一個增益介質(zhì)的輸出與相鄰增益介質(zhì)相重疊。例如，如圖所示，在由非穩(wěn)定諧振器102放大之后，由增益介質(zhì)108b產(chǎn)生的輸出(即，輸出108b’)與相鄰增益介質(zhì)108a重疊了重疊距離114。非穩(wěn)定諧振器102的間隔距離112和放大因子M是可以影響重疊距離114的因子。
在特定實施例中，增益介質(zhì)108a和108b可以具有與非穩(wěn)定諧振器102的橫軸109相關(guān)的相同截面面積。增益介質(zhì)108a和108b具有垂直于橫軸109的面，并且還具有平行于橫軸109的外圍面。在特定實施例中，增益介質(zhì)之間的間隔距離112可以處于1到數(shù)毫米的數(shù)量級。在其它特定實施例中，間隔距離112可以處于十到百微米的數(shù)量級。
對于圖2所示的幾何形狀，通過使用麥克斯韋方程之一的簡化形式，可以近似從一個增益介質(zhì)到另一增益介質(zhì)的電磁輸出場(例如信號或空載)的耦合。利用參量生成或交互作為示例，以下方程給出了麥克斯韋方程的最簡單形式，描述了在位于(x，y)空間中兩個平行的非線性晶體中的相位匹配的三個波參量放大(4)...∂Ej/∂z=χj(x,y)EkEl*]]>其中Ej，k，l是三個波中每一個的電場強(qiáng)度，其中j≠k≠l，*表示特定電波或電場的復(fù)共軛，以及(5) χj＝(j)(deff)(ωj)/(c)(nj)其中，deff與晶體非線性極化率成比例，ωj是反射系數(shù)為nj的第i波的頻率，當(dāng)不是系數(shù)時，j是-1的平方根?？梢詫囟ǚ蔷€性晶體材料的反射系數(shù)的項與非線性極化率相組合，并將其稱作非線性系數(shù)dNL或deff。
在參量交互的情況下，方程(4)中的系數(shù)j、k、l分別指泵浦(p)、信號(s)和空載(i)波或場。以下方程描述了用于方程(4)的邊界條件，描述了在橫跨光軸并通過參量晶體108a和108b(例如沿截面2-2)的平面中的、非穩(wěn)定諧振器102中極化率的數(shù)值(6)對于(x1，y1)≤(x，y)≤(x2，y2)，χj(x，y)＝χj
(7)對于(x2，y2)＜(x，y)＜(x3，y3)，χj(x，y)＝0(8)對于(x3，y3)≤(x，y)≤(x4，y4)，χj(x，y)＝χj通過假設(shè)來自一個參量晶體的場輸出(例如信號波)與其它晶體的場弱耦合，可以得到具有方程(6)-(8)的邊界條件的方程(4)中偏微分方程的可用近似解。弱耦合表示M＝1+x的低放大率諧振器的情況，其中x＜＜1。通過一階攝動(peturbation)分析可以得到近似解。利用作為示例的信號場，在該攝動分析的第一步驟中，對于被標(biāo)記為1&2的兩個非耦合參量放大器，分別利用方程(4)來計算零階信號輸出場Es1(0)和Es2(0)。接下來，通過將一個放大器(例如#1)的零階信號場強(qiáng)度與因子(M-1)相乘，得到一階修正。實際中，該表達(dá)式對輸出場之間的較小重疊進(jìn)行建模。
然后，對于任意放大器，通過將一階修正與零階估計相加，可以得到弱相關(guān)問題的改進(jìn)估計。例如，以下給出了參量放大器#2的弱耦合輸出場(9) Es2(1)＝Es2(0)+(M-1)(Es1(0))除了由功率需求的守恒得到用于Es1(1)的一階修正項中的因子，存在與參量放大器#1相似的表達(dá)式(10) (Es1(0)+Es2(0))2＝(Es1(1)+Es2(1))2然后，通過輸出耦合或發(fā)送來自每一個放大器的信號功率的一部分(1-R)并將其余的信號場(例如(R)0.5(Es1或2(1))反射回每一個放大器的輸入，對光學(xué)參量振蕩器性能進(jìn)行建模，其中R是輸出耦合反射鏡的功率反射率。在通過每一個放大器傳送特定次數(shù)(例如十到二十)之后，從信號噪聲開始，可以對諧振器輸出建模，以便達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)值。
在如圖2所示配置的非穩(wěn)定諧振器中，由發(fā)明人開發(fā)的計算機(jī)程序?qū)Φ湫统叽?例如一側(cè)5到15毫米)的兩個平行參量增益介質(zhì)的耦合進(jìn)行建模并確認(rèn)。以Compaq Visual Basic版本6.5編寫計算機(jī)程序，并進(jìn)行測試以執(zhí)行OPO模式分析。將非耦合OPO情況用作開始點，并使用由雅各比(Jacobi)橢圓函數(shù)描述的精確分析解以及第一類完全橢圓解。例如，參見G.T.Moore等，IEEE J.Of Quantum Electronics31，761(1995)，將其內(nèi)容一并在此作為參考。
用于闡明POP耦合效果的方法考慮到具有略微不同非耦合增益的兩種參量放大器，例如G(1)/G(2)＝1.2，其中G(1)和G(2)指不同的放大器增益。將并排設(shè)置的OPO量子產(chǎn)額的效果確定為從初始值零開始增大耦合。已知兩個并排OPO的最大量子產(chǎn)額是2.0，即在非衰退的情況下，每OPO中每泵浦光子1.0的因子。不同的增益導(dǎo)致OPO閾值的明顯不同，當(dāng)OPO耦合在一起時，閾值會出現(xiàn)變化。作為實際物質(zhì)，在測量的極化率晶體到晶體可變性中，發(fā)現(xiàn)1.2的增益比與僅為1.095的額定等同晶體樣本的極化率比相對應(yīng)。
由發(fā)明人執(zhí)行的建模分析指示對于包括數(shù)值1.04和1.12的放大因子M，在并行OPO之間出現(xiàn)了明顯耦合。此外，進(jìn)行分析以便確切得到OPO、參量放大器或激光放大器之間的橫向空間重疊量。這種分析可以考慮到衍射項(例如2E/x2+2E/y2)，將該準(zhǔn)一維問題轉(zhuǎn)化為三維問題。用于諧振器建模的軟件可以包含源于并行或陣列配置的這種衍射項。這種軟件可以包括沿光軸的變量z的數(shù)值積分的功能，可以利用包含ABCD矩陣元素的Huygens-Fresnel衍射積分來處理橫向坐標(biāo)，即，對諧振腔光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行建模的組合光線傳遞矩陣或矩陣集合。這種軟件可以根據(jù)并行OPO或激光器設(shè)置直接計算所得到的信號幅度和相位波前(front)。
現(xiàn)在參考圖3，示出了可選實施例300的簡化圖，包括非穩(wěn)定諧振器302和增益介質(zhì)的陣列。將四個增益介質(zhì)308a-308d定位在非穩(wěn)定諧振器302中，并將各個增益介質(zhì)分開間隔距離312。非穩(wěn)定諧振器302具有放大因子M并且包括第一反射鏡304和第二反射鏡306。示出了入射到第一反射鏡304的泵浦波330。對于穿過非穩(wěn)定諧振器302的每一次往返，將各個增益介質(zhì)的輸出擴(kuò)展與放大因子的平方(即M2)成比例的因子。
例如，圖3中示出了與部分增益介質(zhì)308a重疊的輸出308b’，其中將反射鏡306配置為輸出耦合器?？梢詫⒃鲆娼橘|(zhì)308a-308d定位于沿非穩(wěn)定諧振器302的縱軸的任意適當(dāng)位置。如圖所示，可以按照橫跨非穩(wěn)定諧振器302的縱軸的二乘二陣列來排列增益介質(zhì)308a-308d。因此，相干地組合增益介質(zhì)的輸出并輸出耦合為單個光束340。
圖4是沿直線4-4的圖3中相干組合系統(tǒng)300的截面圖?？梢园凑斩硕?2×2)的方陣來定位四個增益介質(zhì)308a-308d。如第二反射鏡306的位置所示，所述陣列可以以非穩(wěn)定諧振器的縱軸為中心。示出了與其它每一個增益介質(zhì)308b-308d的一部分重疊的增益介質(zhì)308b的輸出308b’。每一對相鄰介質(zhì)(例如308a和308c)之間的間隔距離312可以是相等或不等的數(shù)值。在可選的實施例中，陣列可以是四乘一(4×1)配置。
圖5是相干光束組合系統(tǒng)500的可選實施例的簡化圖，其包括導(dǎo)熱元件，以去除由增益介質(zhì)產(chǎn)生的熱量。非穩(wěn)定諧振器502包括第一反射鏡504和第二反射鏡506，與圖3和圖4的實施例相似，非穩(wěn)定諧振器502可以包括多個增益介質(zhì)508a-508d。增益介質(zhì)508a-508d可以與導(dǎo)熱元件510接觸，以利于從增益介質(zhì)508a-508d傳送走熱量，并緩解諧振器502中模式上的熱效應(yīng)。
例如，可以將增益介質(zhì)508a-508d嵌入或配合到導(dǎo)熱元件510的孔或凹陷中。在特定實施例中，導(dǎo)熱元件510可以接觸與諧振器的縱軸平行的增益介質(zhì)的外圍面。導(dǎo)熱元件510可以由金剛石制成，包括光學(xué)性能金剛石、紫水晶或其它任意適當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱材料。在特定實施例中，導(dǎo)熱元件510對于在非穩(wěn)定諧振器502中傳播的一個或多個波長透明。因此，相干地組合了增益介質(zhì)的輸出并且輸出耦合為單個光束540。將反射鏡504配置為輸出耦合器。
圖6是沿直線6-6的圖5的相干光束組合系統(tǒng)的截面圖?？梢砸苑疥噥砼帕卸鄠€增益介質(zhì)508a-508d，并且所述增益介質(zhì)可以處于導(dǎo)熱元件510之內(nèi)。當(dāng)增益介質(zhì)508a-508d產(chǎn)生熱量時，可以從增益介質(zhì)508a-508d傳導(dǎo)走熱量，因此有助于防止增益介質(zhì)508a-508d的熱材料破裂以及熱透鏡化效應(yīng)。每一對相鄰增益介質(zhì)之間的間隔距離512可以等于各種輸出的光路長度的最小差值。在特定實施例中，間隔距離512可以在增益介質(zhì)508a-508d之間變化。在特定實施例中，導(dǎo)熱元件510對于增益介質(zhì)504a-504d所產(chǎn)生或透射通過所述增益介質(zhì)504a-504d的光線或電磁輸出是透明的。
圖7是相干地組合來自多個增益介質(zhì)的輸出的方法700的流程圖。在第一增益介質(zhì)(例如激光器或參量增益介質(zhì))中產(chǎn)生702第一電磁場。在第二增益介質(zhì)(例如激光器或參量增益介質(zhì))中產(chǎn)生704第二電磁場。通過諧振器的放大效應(yīng)在非穩(wěn)定諧振器中擴(kuò)展706第一電磁場。以相同的方式在非穩(wěn)定諧振器中擴(kuò)展708第二電磁場。通過第二增益介質(zhì)上的第一電磁場與第一增益介質(zhì)上的第二電磁波的重疊，可以相干地組合710第一和第二電磁場。結(jié)果的輸出具有比尺寸有限增益介質(zhì)所產(chǎn)生的光束更高的功率和注量電平，并且不需要適配的光學(xué)系統(tǒng)。
參考圖1，現(xiàn)在描述實施例的使用。為了組合輸出并縮放增益介質(zhì)的功率，如圖所示，在非穩(wěn)定諧振器102中以并排配置放置多個增益介質(zhì)(例如兩個光學(xué)參量晶體108a和108b)。用于泵浦的適當(dāng)設(shè)備(未示出)(例如二極管陣列)以兩個光學(xué)參量晶體108a和108b的參量閾值高于參量閾值提供了適當(dāng)?shù)谋闷植?30。在將足夠的泵浦能量提供給增益介質(zhì)108a和108b之后，擴(kuò)展從各個增益介質(zhì)所產(chǎn)生的輸出場，以便在由于諧振器102的放大效應(yīng)導(dǎo)致從諧振器反射鏡(例如反射鏡106)之一或二者反射之后，與相鄰增益介質(zhì)相重疊。
通過增益介質(zhì)108a和108b之間的間隔距離112的選擇以及放大因子M的設(shè)計，可以有利于場重疊的條件。通過非穩(wěn)定諧振器102的幾何形狀的適當(dāng)設(shè)計，可以得到任意希望的數(shù)值M，例如，通過選擇具有如方程(1)到(3)定義的特定g參數(shù)的反射鏡。相干地組合并輸出耦合來自非穩(wěn)定諧振器的、增益介質(zhì)的輸出場?？梢钥刂品瓷溏R反射率，以便在通過非穩(wěn)定諧振器102希望次數(shù)(例如10或20)之后產(chǎn)生輸出耦合。
因此，本發(fā)明實施例可以將激光器和光學(xué)參量器件縮放到更高功率、注量和輸出脈沖能量。通過其各個輸出場的相干組合，根據(jù)制造技術(shù)具有最大實際尺寸的增益介質(zhì)可以有效地耦合在一起。所述實施例可以有利地用于金屬和非金屬材料的激光切割、加工以及焊接。利用本發(fā)明的實施例還可以實現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)和材料的激光切除和破壞。
盡管已經(jīng)參考其特定版本詳細(xì)地描述了本發(fā)明，其它版本也是可能的。例如，盡管已經(jīng)描述了使用具有兩個反射鏡或透鏡的非穩(wěn)定諧振器，還可以使用具有多于兩個反射鏡的非穩(wěn)定環(huán)形諧振器。此外，盡管已經(jīng)一般性的描述了光學(xué)參量非穩(wěn)定振蕩器，這種振蕩器可以單次、二次或三次地諧振。此外，盡管上述泵浦波沿非穩(wěn)定諧振器的縱軸入射，可以使用脫離縱軸或光軸的泵浦。
此外，并不限制相鄰增益介質(zhì)之間的間隔距離，其可以與以上給定的距離不同。影響間隔距離的因素可以包括但不局限于(1)包括放大因子的非穩(wěn)定諧振器的幾何形狀，(2)由增益介質(zhì)所產(chǎn)生的熱量，以及(3)增益介質(zhì)之間導(dǎo)熱元件的出現(xiàn)。此外，可以使用除固態(tài)增益介質(zhì)以外的增益介質(zhì)(例如氣態(tài)或液態(tài)染料介質(zhì))。
除非明確聲明，否則可以由用于相同、等效或類似目的的可選特征來代替本說明書(包括所附的權(quán)利要求、摘要和附圖)所公開的所有特征。除非明確聲明，否則所公開的每一個特征只是等效或類似特征的一般性系列的一個示例。
權(quán)利要求
1.一種用于相干光束組合的系統(tǒng)，包括非穩(wěn)定諧振器；位于所述非穩(wěn)定諧振器中的至少兩個增益介質(zhì)；其中，在所述非穩(wěn)定諧振器中的一次或多次往返之后，由所述至少兩個增益介質(zhì)中的第一增益介質(zhì)產(chǎn)生的第一電磁場通過所述至少兩個增益介質(zhì)中的第二增益介質(zhì)中的一部分進(jìn)行傳播；其中所述第一電磁場與所述第二增益介質(zhì)產(chǎn)生的第二電磁場同相。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括離開所述非穩(wěn)定諧振器的輸出光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述輸出光束具有與幅度積的平方成比例的強(qiáng)度，所述幅度積是所述第一電磁場的幅度與所述第二電磁場的幅度的乘積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個增益介質(zhì)是激光增益介質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個增益介質(zhì)是參量增益介質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述間隔距離在大約100微米到大約5毫米之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述間隔距離是大約1毫米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括與所述至少兩個增益介質(zhì)相接觸的導(dǎo)熱元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱元件位于橫跨所述非穩(wěn)定諧振器的縱軸的平面中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱元件與所述至少兩個增益介質(zhì)平行于所述縱軸的一部分相接觸。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱元件由金剛石或紫水晶制成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述金剛石是光學(xué)品質(zhì)的金剛石。
13.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述從包括以下的組中選擇所述激光增益介質(zhì)Nd:YAG、Nd:YLF、Cr:LiSAF、Cr:LiSGAF、Cr:LiCAF、Ce:LiSAF以及Ti藍(lán)寶石。
14.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述參量增益介質(zhì)是準(zhǔn)相位匹配(QPM)非線性晶體。
15.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述參量增益介質(zhì)是雙折射非線性晶體。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中從包括以下的組中選擇所述參量增益介質(zhì)周期孿晶砷化鎵(PTGaAs)、周期極化鈮酸鋰(PPLN)、周期極化KTP(PPKTP)、周期極化RTA(PPRTA)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中從包括以下的組中選擇所述參量增益介質(zhì)ADP、BBO、GaSe、CdGa2S4、CdSe、CdGeAs2、LiNbO3、LiTaO3、LBO、KDP、KTP、AgGaS2、AgGaS2以及淡紅銀礦。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少兩個增益介質(zhì)包括四個增益介質(zhì)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述四個增益介質(zhì)是二乘二的陣列。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述非穩(wěn)定諧振器是負(fù)或正分支非穩(wěn)定諧振器。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述非穩(wěn)定諧振器是共焦諧振器。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述共焦諧振器是共焦平面或共焦凸面非穩(wěn)定諧振器。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述非穩(wěn)定諧振器是非穩(wěn)定環(huán)形諧振器。
24.一種用于相干光束組合的方法，包括步驟從第一增益介質(zhì)產(chǎn)生第一電磁場；從第二增益介質(zhì)產(chǎn)生第二電磁場；在具有放大因子的非穩(wěn)定諧振器中擴(kuò)展所述第一和第二電磁場；以及相干地組合所述擴(kuò)展的第一和所述擴(kuò)展的第二電磁場。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括產(chǎn)生輸出光束，所述輸出光束具有與幅度積的平方成比例的強(qiáng)度，所述幅度積是所述第一電磁場的幅度與所述第二電磁場的幅度的乘積。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述產(chǎn)生第一電磁場的步驟還包括產(chǎn)生信號和空載場。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括產(chǎn)生第三電磁場，以及在所述非穩(wěn)定諧振器中擴(kuò)展所述第三電磁場。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，還包括將所述擴(kuò)展的第三電磁場與所述擴(kuò)展的第一和第二電磁場相干地組合。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括從所述第一和第二增益介質(zhì)中去除熱量。
全文摘要
公開了用于相干組合來自兩個或更多增益介質(zhì)的光束或波的系統(tǒng)和方法。可以在具有放大因子(M)的非穩(wěn)定諧振器(102)中排列增益介質(zhì)(108a，108b)。由于非穩(wěn)定諧振器的放大，在諧振器中擴(kuò)展了來自增益介質(zhì)的輸出光束或波，并將其相干地組合。所述增益介質(zhì)可以是通過激勵發(fā)射產(chǎn)生輸出的激光介質(zhì)，或增益介質(zhì)可以是通過參量或三波交互產(chǎn)生一個或多個輸出的參量增益介質(zhì)。導(dǎo)熱元件(510)可以與增益介質(zhì)(508a－508d)相接觸，并從其去除熱量。
文檔編號H01S3/08GK1849732SQ200480026256
公開日2006年10月18日 申請日期2004年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月18日
發(fā)明者理查德·斯萊特 申請人:特克斯特羅恩系統(tǒng)公司