專利名稱：激光相干合束裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光相干合束裝置，特別是一種多臺激光二極管(以下簡稱LD)抽運(yùn)固體激光器輸出的激光相干合成裝置。
背景技術(shù)：
高功率固體激光在科學(xué)研究、工業(yè)應(yīng)用和軍事上都有重要的應(yīng)用，而現(xiàn)在的激光輸出功率和光束質(zhì)量水平還遠(yuǎn)沒達(dá)到所要求的理想水平，高功率高光束質(zhì)量是固體激光器追求的目標(biāo)之一。隨著激光二極管功率的不斷提高和大尺寸晶體生長技術(shù)的成熟，固體激光器的功率也得到了相應(yīng)的提高，但單臺激光器輸出依然受晶體生長、熱管理、飽和效應(yīng)以及損傷閾值等因素的限制，要同時滿足高功率高光束質(zhì)量是十分困難的。激光相干合束技術(shù)能在有效提高功率密度的同時提高光束質(zhì)量，工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究對此有迫切需求。在激光束相干合束的各種技術(shù)中，腔內(nèi)相干合束是一種非常有用的技術(shù)。在先技術(shù)中，所設(shè)計的腔內(nèi)相干合束激光器需要耦合鏡的反射率和透射率比是1∶1，參見在先技術(shù)[A.A.Ishaaya，N.Davidson，L.Shimshi，et al.Appl.Phys.Lett.Vol.852187-2189，2004]。這種腔內(nèi)鎖定技術(shù)雖能將兩臺激光器輸出的激光進(jìn)行相干合束，但是必須要求耦合鏡的透射和反射比例是1∶1，并且由于分束片導(dǎo)致高損耗；為了減小損耗必須使得光腔光束在耦合鏡上發(fā)生干涉相長，其調(diào)整往往非常困難；況且這種結(jié)構(gòu)需要兩腔的橫模結(jié)構(gòu)也要完全相同并且位置要完全對應(yīng)，否則會引入很大的損耗，而側(cè)面抽運(yùn)的高功率固體激光器的輸出往往是多模，一般難以滿足這種結(jié)構(gòu)；利用這種結(jié)構(gòu)增加更多的激光器則會導(dǎo)致同時滿足干涉相長條件相當(dāng)困難，因此至今還只有兩臺激光器輸出的激光相干合束裝置。總之，現(xiàn)在的技術(shù)都存在損耗大、適用范圍窄、增加更多激光器放大困難等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種激光相干合束裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，易于實現(xiàn)多束相干激光合成輸出，能在獲得高功率的同時保持高光束質(zhì)量。
本發(fā)明技術(shù)解決方案如下一種激光相干合束裝置，其特征在于包括N臺可以獨立運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)相同的并列的激光器，其中N＝2n，n為正整數(shù)，所述的第i臺激光器是依次由光路上的后腔鏡、激光介質(zhì)、光束第一轉(zhuǎn)束鏡和第二轉(zhuǎn)束鏡、輸出腔鏡和泵浦源構(gòu)成三折腔的激光器，其中i＝1、2、……、或N，所有N臺激光器的后腔鏡與激光介質(zhì)的光束延線有一公共垂線，在所述的N臺激光器的后腔鏡與激光介質(zhì)的光束延線和該公共垂線的相交處有與該公共垂線成45°放置的一相互平行的轉(zhuǎn)束鏡，在該公共垂線上于第N個轉(zhuǎn)束鏡后還放置第N+1個轉(zhuǎn)束鏡，并與前N個平行的轉(zhuǎn)束鏡平行，由后腔鏡、激光介質(zhì)、第一轉(zhuǎn)束鏡、第二轉(zhuǎn)束鏡至輸出鏡之間的光程為該激光器的腔長Li，由第一轉(zhuǎn)束鏡或第二轉(zhuǎn)束鏡到輸出鏡之間的光程稱為為耦合光程li；各臺激光器的腔長Li相等且耦合光程li也相等，在N/2對相鄰輸出光路上成45°成對地設(shè)有兩個輸出光束轉(zhuǎn)束鏡，在該兩輸出光束轉(zhuǎn)束鏡之間有一進(jìn)行光束合成的直角棱鏡，在相鄰兩直角棱鏡的輸出光路上又通過成對的輸出光束轉(zhuǎn)束鏡和一直角棱鏡再次進(jìn)行合成，直至最后經(jīng)n次合束后形成一束激光輸出。
所述的第1轉(zhuǎn)束鏡和第N+1轉(zhuǎn)束鏡的反射率大于99.5％，稱為反射鏡，而其它的轉(zhuǎn)束鏡是具有高反射率和低透射率的耦合鏡，相鄰的兩臺激光器通過公共的耦合鏡的透射實現(xiàn)相鄰激光器之間的相互注入鎖定。
所述的耦合鏡的一面鍍有對該45°入射激光的反射率在98％～90％之間的透射膜，另一面鍍有對45°入射激光的反射率大于99.5％的反射膜。
所述的激光器由泵浦源從端面抽運(yùn)或側(cè)面抽運(yùn)。
所述的激光介質(zhì)的橫截面是圓形、矩形或長方形。
所述的泵浦源為激光二極管。
本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)由于是相鄰兩激光器相互鎖定，在多臺激光器輸出激光合束結(jié)構(gòu)中受其它激光器影響較小，因而系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并且對多橫模結(jié)構(gòu)不會引入大損耗，對側(cè)面抽運(yùn)的高功率激光器也完全適合，激光器輸出光的偏振態(tài)只要方向相同就可以，沒有線性偏振光的要求。該發(fā)明適合于多種泵浦方式固體激光器輸出激光相干合束。實驗表明該裝置的結(jié)構(gòu)相對簡單，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，易于實現(xiàn)多束相干激光合成輸出，能在獲得高功率的同時保持高光束質(zhì)量。
以下結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。


圖1為本發(fā)明實施例1用于兩臺LD抽運(yùn)固體激光器輸出的激光相干合束裝置示意圖。
圖2為本發(fā)明中耦合鏡的鍍膜示意圖。
圖3為本發(fā)明實施例2用于四臺LD抽運(yùn)固體激光器輸出的激光相干合束裝置示意圖。
圖4為本發(fā)明多臺LD抽運(yùn)固體激光器輸出的激光相干合束裝置示意圖。
具體實施例方式
先請參閱圖4，圖4為本發(fā)明多臺LD抽運(yùn)固體激光器輸出的激光相干合束裝置示意圖。由圖可見，本發(fā)明激光相干合束裝置，包括N臺可以獨立運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)相同的并列的激光器，其中N＝2n，n為正整數(shù)，所述的第i臺激光器是依次由光路上的后腔鏡i1、激光介質(zhì)i2、光束第一轉(zhuǎn)束鏡i3和第二轉(zhuǎn)束鏡(i+1)3、輸出腔鏡i4和泵浦源構(gòu)成三折腔的激光器，其中i＝1、2、……、或N，所有N臺激光器的后腔鏡i1與激光介質(zhì)i2的光束延線有一公共垂線OO`，在所述的N臺激光器的后腔鏡i1與激光介質(zhì)i2的光束延線和該公共垂線OO`的相交處有與該公共垂線OO`成45°放置的一相互平行的轉(zhuǎn)束鏡i3，在該公共垂線OO`上于第N個轉(zhuǎn)束鏡N3后還放置第N+1個轉(zhuǎn)束鏡(N+1)3，并與前N個平行的轉(zhuǎn)束鏡i3平行，由后腔鏡i1、激光介質(zhì)i2、轉(zhuǎn)束鏡i3、轉(zhuǎn)束鏡(i+1)3至輸出鏡i4之間的光程為第i臺激光器的腔長Li，由轉(zhuǎn)束鏡i3到輸出鏡i4和由轉(zhuǎn)束鏡(i+1)3到輸出鏡i4之間的光程稱為為耦合光程li；各臺激光器的腔長Li相等且耦合光程li也相等，在N/2對相鄰輸出光路上成45°成對地設(shè)有輸出光束轉(zhuǎn)束鏡i5和輸出光束轉(zhuǎn)束鏡(i+1)5，在所述的輸出光束轉(zhuǎn)束鏡i5和輸出光束轉(zhuǎn)束鏡(i+1)5之間有一進(jìn)行光束合成的直角棱鏡，在相鄰兩直角棱鏡的輸出光路上又通過成對的輸出光束轉(zhuǎn)束鏡和一直角棱鏡再次進(jìn)行合成，直至最后經(jīng)n次合束后成為一束激光輸出。
所述的第1轉(zhuǎn)束鏡13和第N+1轉(zhuǎn)束鏡(N+1)3的反射率大于99.5％，稱為反射鏡，而其它的轉(zhuǎn)束鏡是具有高反射率和低透射率的耦合鏡，相鄰的第i臺激光器和第i+1臺激光器通過公共的耦合鏡(i+1)3的透射實現(xiàn)該相鄰激光器的相互注入鎖定。
所述的耦合鏡的一面(i+1)31鍍有對該45°入射激光的反射率在98％～90％之間的透射膜，另一面(i+1)33鍍有對45°入射激光的反射率大于99.5％反射膜，見圖2。
所述的激光器由泵浦源從端面抽運(yùn)或側(cè)面抽運(yùn)。
所述的激光介質(zhì)i2的橫截面是圓形、矩形或長方形。
所述的泵浦源為激光二極管。
實施例1請參見圖1，圖1為本發(fā)明實施例1，即n＝1的情況用于兩臺LD抽運(yùn)固體激光器輸出的激光相干合束裝置示意圖。也是本發(fā)明激光相干合束裝置結(jié)構(gòu)最簡單的裝置，兩臺激光器的介質(zhì)為Nd:YAG或者Nd:GGG等板條介質(zhì)，其泵浦源為半導(dǎo)體激光二極管，在激光介質(zhì)12、22的兩個側(cè)面進(jìn)行抽運(yùn)，兩激光器的后腔鏡11和后腔鏡21鍍該激光波長(比如1064nm，以下以該波長為例)0°入射全反射膜，輸出腔鏡14和輸出腔鏡24鍍1064nm波長0°入射低透射膜，透射率為30％～80％范圍。兩腔長L1和L2相同，可在100mm～1000mm內(nèi)選擇。耦合鏡23的一面231對45°入射的1064nm波長激光的反射率為95％，而另一面232鍍有45°入射1064nm波長激光的增透膜，如圖2所示。耦合鏡23與輸出鏡14的耦合光程l1和耦合鏡23與輸出鏡24的耦合光程l2相等。光路中改變光束方向的轉(zhuǎn)束鏡13、15、23、33、25對45°入射1064波長激光的反射率大于99.5％。運(yùn)行時，先調(diào)整兩輸出腔鏡14和輸出腔鏡24，使得它們與耦合鏡23的光程相等。然后調(diào)整兩激光器的后腔鏡11和后腔鏡21，使得L1＝L2。通過移動直角棱鏡1C來保證兩者腔外光程差也相等。這樣通過直角棱鏡1C就獲得了兩束激光相干合成的光束輸出。
實施例2圖3是本發(fā)明實施例2，即n＝2的情況，用于四臺LD抽運(yùn)固體激光器輸出的激光相干合束裝置示意圖。
以圖1為基礎(chǔ)，本發(fā)明可用于偶數(shù)臺激光器。圖3所示的裝置由四臺激光器所組成。4臺激光器都由獨立的激光介質(zhì)、泵浦源、后腔鏡和輸出腔鏡構(gòu)成三折腔激光器，第一臺激光器是由光路上依次由后腔鏡11、激光介質(zhì)12、光束第一轉(zhuǎn)束鏡13和第二轉(zhuǎn)束鏡23、輸出腔鏡14和泵浦源(圖中未示，以下同)所組成，第二臺激光器是由光路上依次由后腔鏡21、激光介質(zhì)22、光束第一轉(zhuǎn)束鏡23和第二轉(zhuǎn)束鏡33、輸出腔鏡24、和泵浦源所組成，第三臺激光器是由光路上依次的后腔鏡31、激光介質(zhì)32、光束第一轉(zhuǎn)束鏡33和第二轉(zhuǎn)束鏡43、輸出腔鏡34和泵浦源所組成，第四臺激光器4是光路上依次由后腔鏡41、激光介質(zhì)42、光束第一轉(zhuǎn)束鏡43和第二轉(zhuǎn)束鏡53、輸出腔鏡44和泵浦源所組成，依次經(jīng)過這些器件的光程叫做這四臺激光器的腔長。第一臺激光器與第二臺激光器通過耦合鏡23實現(xiàn)相互注入，第二臺激光器和第三臺激光器通過耦合鏡33實現(xiàn)相互注入，第三臺激光器和第四臺激光器通過耦合鏡43實現(xiàn)相互注入。轉(zhuǎn)束鏡13、23、33、43、53對45°入射激光的反射率都為90％，輸出鏡14、24、34、44對0°入射激光的反射率為50％時，第一臺激光器注入到第二臺激光器的能量占第一臺激光器輸出方向能量的4.52％，第一臺激光器對第三臺激光器注入的能量只占第一臺激光器輸出能量的0.118％，這表明第一臺激光器對第二臺(它所相鄰的激光器)激光器的注入能量要比對其它臺激光器注入的能量大得多。其它的可以進(jìn)行類推，因此系統(tǒng)存在多個激光器時，起重要作用的仍然只有相鄰的激光器相互作用，所以系統(tǒng)能運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。為保證光束在腔外的光程，指輸出腔鏡14、24、34、44到直角棱鏡3E的光程相等的調(diào)整方法是將第一臺激光器和第二臺激光器為一組，調(diào)節(jié)直角棱鏡1C使得腔外光程相等；第三臺激光器和第四臺激光器為另一組，調(diào)節(jié)直角棱鏡2C使得兩臺激光器輸出的腔外光程相等；前面兩合束光合成后再通過直角棱鏡3E來調(diào)整使得兩者光程相等。四臺激光器的腔長相等是通過移動它們的后腔鏡11、21、31、41來保證的。這樣就從直角棱鏡3E輸出四束相干合成的激光束。
依此類推，該發(fā)明裝置可以推廣到有N臺激光器的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。在此不再贅述。
綜上所述，本發(fā)明結(jié)構(gòu)相對簡單、易于實現(xiàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定，能獲得多束相干激光輸出，獲得高功率高光束質(zhì)量的激光光源，以滿足工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究的需要。
權(quán)利要求
1.一種激光相干合束裝置，其特征在于包括N臺可以獨立運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)相同的并列的激光器，其中N＝2n，n為正整數(shù)，所述的第i臺激光器(i)是依次由光路上的后腔鏡(i1)、激光介質(zhì)(i2)、光束第一轉(zhuǎn)束鏡(i3)和第二轉(zhuǎn)束鏡((i+1)3)、輸出腔鏡(i4)和泵浦源構(gòu)成一三折腔激光器，其中i＝1、2、……、或N，所有N臺激光器的后腔鏡(i1)與激光介質(zhì)(i2)的光束延線有一公共垂線(OO`)，在所述的N臺激光器的后腔鏡(i1)與激光介質(zhì)(i2)的光束延線和該公共垂線(OO`)的相交處有與該公共垂線(OO`)成45°放置的一相互平行的轉(zhuǎn)束鏡(i3)，在該公共垂線(OO`)上于第N個轉(zhuǎn)束鏡(N3)后還放置第N+1個轉(zhuǎn)束鏡((N+1)3)，并與前N個平行的轉(zhuǎn)束鏡(i3)平行，由后腔鏡(i1)、激光介質(zhì)(i2)、轉(zhuǎn)束鏡(i3)、轉(zhuǎn)束鏡((i+1)3)至輸出鏡(i4)之間的光程為第i臺激光器(i)的腔長Li，由轉(zhuǎn)束鏡(i3)經(jīng)轉(zhuǎn)束鏡((i+1)3)到輸出鏡(i4)之間的光程稱為為耦合光程li；各臺激光器的腔長Li相等且耦合光程li也相等，在N/2對相鄰輸出光路上成45°成對地設(shè)有輸出光束轉(zhuǎn)束鏡(i5)和輸出光束轉(zhuǎn)束鏡((i+1)5)，在所述的輸出光束轉(zhuǎn)束鏡(i5)和輸出光束轉(zhuǎn)束鏡((i+1)5)之間有一進(jìn)行光束合成的直角棱鏡，在相鄰兩直角棱鏡的輸出光路上又通過成對的輸出光束轉(zhuǎn)束鏡和一直角棱鏡再次進(jìn)行合成，直至最后經(jīng)n次合束后形成一束激光輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光相干合束裝置，其特征在于所述的第1轉(zhuǎn)束鏡(13)和第N+1)轉(zhuǎn)束鏡((N+1)3)的反射率大于99.5％，稱為反射鏡，而其它的轉(zhuǎn)束鏡是具有高反射率和低透射率的耦合鏡，相鄰的第i臺激光器(i)和第i+1臺激光器(i+1)通過共用的耦合鏡((i+1)3)的透射實現(xiàn)相鄰激光器之間的相互注入鎖定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光器相干合束裝置，其特征在于所述的耦合鏡的一面鍍有對45°入射激光的反射率在98％～90％之間的透射膜，另一面鍍有對45°入射激光的反射率大于99.5％的反射膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光相干合束裝置，其特征在于所述的激光器(i)由泵浦源從端面抽運(yùn)或側(cè)面抽運(yùn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光相干合束裝置，其特征在于所述的激光介質(zhì)(i2)的橫截面是圓形、矩形或長方形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項所述的激光相干合束裝置，其特征在于所述的泵浦源為激光二極管。
全文摘要
一種激光相干合束裝置，包括多臺LD抽運(yùn)的固體激光器，每一臺激光器有獨立的激光介質(zhì)和前后腔鏡，相鄰兩臺激光器之間通過公共的耦合鏡的部分透射激光實現(xiàn)相互注入，使得多臺激光器的頻率和位相鎖定。相鄰兩臺激光器的輸出激光通過直角棱鏡的移動調(diào)整兩者的光程差為0，最后平行輸出高功率高光束質(zhì)量的相干激光。每臺激光器對其相鄰激光器注入能量遠(yuǎn)大于對其它激光器注入的能量，因此多臺激光器擴(kuò)展時系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。本發(fā)明結(jié)構(gòu)相對簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定實用，可以進(jìn)行多臺激光器擴(kuò)展，輸出光束通過調(diào)節(jié)直角棱鏡達(dá)到腔外光程相等效果，通過多臺激光器輸出多束相干激光的合束可獲得高功率高光束質(zhì)量的激光。
文檔編號H01S3/00GK1805226SQ20061002341
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月18日
發(fā)明者唐前進(jìn), 于永愛, 胡企銓 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所