專利名稱：波導(dǎo)激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波導(dǎo)激光器。
波導(dǎo)激光器在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的。這種激光器通常包括限定一個(gè)光學(xué)諧振腔的兩個(gè)反射鏡(或等效的反射器件)以及在這兩個(gè)反射器之間限定至少一部分光通道的波導(dǎo)。該波導(dǎo)具有兩個(gè)端孔，兩個(gè)反射器分別位于這兩個(gè)端孔上或這兩個(gè)端孔附近。反射器的曲率半徑和反射器相對(duì)于波導(dǎo)的位置之間的關(guān)系可用下面的公式(1)和(2)來(lái)表示R＝Zm+B2/Zm (2)W＝W0[1+(Z2/B2)]1/2(1)其中，R是在各種情況下的各反射器的曲率半徑；Z是沿激光束方向測(cè)得的從每個(gè)反射鏡到與各反射鏡最接近的波導(dǎo)端孔的位置坐標(biāo)；Zm是在每個(gè)反射鏡處的Z值；B是共焦光束參數(shù)，B＝πW02/λ；W是在位置Z處的光束半徑，是在光強(qiáng)最大值處和光強(qiáng)為最大值的1/e2處之間測(cè)得的；W0是一束具有TEM00強(qiáng)度分布的激光束的束腰部位的半徑，是在各個(gè)鄰近的波導(dǎo)端孔處測(cè)得的；λ是在位于反射鏡和波導(dǎo)之間的各個(gè)區(qū)域中測(cè)得的激光輻射的波長(zhǎng)。
公式(1)和公式(2)限定的是半徑為R的反射鏡與TEM00激光束相位匹配的情況。在已有技術(shù)中根據(jù)波導(dǎo)激光器諧振器中反射鏡的形狀，將反射鏡分為I型、II型和III型?？筛鶕?jù)上述公式(1)和(2)對(duì)它們進(jìn)行定義。在IEEE，J.Quantum Electron，VolQE-9 PP901-910，1973中，JJ Pegnan和D R Hall對(duì)它們作了描述。在由O R Hall和P E Jackson編輯、Adam Hilger出版的“The Physics and Technology of Laser Resonators”一書(shū)的第3章中也涉及到了這一問(wèn)題。I型反射鏡具有較大的曲率半徑R(可以是無(wú)限大，即平面反射鏡)和較小的或者等于零的Z值；即在公式(1)中當(dāng)Z趨向于零時(shí)R趨向于B2/Z。II型反射鏡具有較大的曲率半徑，并且其設(shè)置的位置使得Z約等于R，B2/Z可以忽略不計(jì)。最后，III型反射鏡的Z值大約為R值的一半，Z約等于B，并且W0經(jīng)過(guò)選擇，能為EH11基諧波導(dǎo)模式提供最佳耦合。
帶有氣體介質(zhì)的波導(dǎo)激光器比較先進(jìn)，因?yàn)槠洳▽?dǎo)為放電提供了冷卻作用。根據(jù)氣體放電比例法則，這種波導(dǎo)還允許高壓操作。并且，尤其是CO2激光器具有隨著工作壓力的增加而增加的激光譜線寬度，因此，與波導(dǎo)結(jié)合擴(kuò)大了可調(diào)諧范圍。這也適合于激光譜線寬度隨著壓力的增大而增大的其它氣體激光器。另一個(gè)潛在的優(yōu)點(diǎn)是，波導(dǎo)激光器的增益介質(zhì)可以被限制在一個(gè)尺寸較小的光波導(dǎo)中，這就使它比真空諧振器小巧得多。另外，諧振腔?？梢杂行У靥顫M波導(dǎo)，從而在光場(chǎng)和增益介質(zhì)之間產(chǎn)生良好的重疊。這導(dǎo)致對(duì)光能的有效提取。在采用真空諧振器時(shí)就不一定會(huì)這樣。
但是，波導(dǎo)激光器的缺點(diǎn)是，很難制造出具有足夠精度、能實(shí)現(xiàn)理想的激光性能的波導(dǎo)。典型的CO2激光器具有一個(gè)氧化鋁(Al2O3)的波導(dǎo)，該波導(dǎo)長(zhǎng)度在30cm左右，并具有一個(gè)橫截面是邊長(zhǎng)等于2mm的正方形的內(nèi)孔。在整個(gè)波導(dǎo)長(zhǎng)度上精確地開(kāi)出尺寸這么小的內(nèi)孔是非常困難的。橫截面不精確導(dǎo)致激光橫向模的性能不可靠。波導(dǎo)激光器還有一個(gè)主要缺點(diǎn)，即，它們易于工作在較高級(jí)別的波導(dǎo)諧振模式，而不是基諧模式(通常接近TEM00)，這不是人們所希望的。I型結(jié)構(gòu)尤為嚴(yán)重。III型結(jié)構(gòu)在這一方面要好一些，但I(xiàn)II型結(jié)構(gòu)又有其另外的缺點(diǎn)，即，它需要一個(gè)放置在距波導(dǎo)遠(yuǎn)得多的位置上的凹型反射鏡。因此，與I型相比，激光器每單位長(zhǎng)度的有效輸出功率減小。
在Rev Sci Instrum 55(1984)，pp1539-1541的“RadioFrequency Excited CO2Waveguide Lasers”一文中，R LSinclair和J Tulip描述了幾種以橫截面為正方形的波導(dǎo)為基礎(chǔ)、帶有兩個(gè)近似為I型的反射器的波導(dǎo)諧振器。這種波導(dǎo)包括兩個(gè)長(zhǎng)度各為29.5cm、橫截面的邊長(zhǎng)為2.0mm或2.5mm的部分。這種波導(dǎo)被四個(gè)外壁圍住，其中一面為鋁制外壁，另外三面為氧化鋁的外壁。這些反射器都鍍有硒鋅層，并距波導(dǎo)孔2.0mm。這種激光器的橫向模式鑒別力比較差，并且其輸出激光的模式質(zhì)量容易因激光放電或激光光學(xué)裝置的擾動(dòng)而降低。
在J opt Soc Am 72(1982)，pp853-860的“ModeDiscrimination and Coupling Losses in Rectangular-WaveguideResonators With Conventional and Phase-Conjugats Mirrors”一文中，J-L Boulnois和G P Agrawal描述了另一種形式的波導(dǎo)激光器。這種波導(dǎo)激光器具有一個(gè)長(zhǎng)度為200mm、截面為邊長(zhǎng)等于2mm的正方形的氧化鋁波導(dǎo)。兩個(gè)曲率半徑R各為1000mm的曲面反射鏡分別距波導(dǎo)的兩個(gè)端孔21mm。這些反射鏡與I型、II型或III型的不同。它們與位于激光諧振腔之內(nèi)、波導(dǎo)之外的自由空間TEM00模式相位匹配。相位匹配使波導(dǎo)基諧模式EH11的激勵(lì)達(dá)到最大程度，并且確保了TEM00型自由空間模式和EH11波導(dǎo)模式之間的輻射強(qiáng)度耦合的最高可能效率。這種激光器的設(shè)計(jì)忽略了多模式耦合和傳播的影響，因而不能容許波導(dǎo)生產(chǎn)中的誤差。
S N Chirikov，S T Kornilov，E D Protsenko和M I Pschikov在Infrared Phys.30，(1990)，pp455-464的“Formation Detailsof a waveguide Gas Laser Intensity Distribution”一文中描述了一種具有一個(gè)截面為矩形的波導(dǎo)和兩個(gè)相隔一定距離的平面反射鏡的激光諧振器。為了研究模式相移，仍然把反射鏡視作等同于I型來(lái)對(duì)待。作者研究了改變波導(dǎo)長(zhǎng)度對(duì)諧振器輸出的影響。他們特別研究了隨著波導(dǎo)長(zhǎng)度的改變，不同波導(dǎo)模式對(duì)諧振器模式所起的作用以及諧振器模式的損耗。結(jié)果表明，激光器的某些性能(如對(duì)反射鏡不準(zhǔn)直的靈敏度)取決于菲涅耳(Fresenel)波導(dǎo)系數(shù)N；N被定義為a2/λL，其中a為波導(dǎo)的半寬，L為波導(dǎo)長(zhǎng)度，λ是輻射波長(zhǎng)。C A Hill，P Monk和D R Hall也得到了相似的結(jié)論，參見(jiàn)IEEE J.Quantum Electron.Vol.QE-23pp1968-1973，1987。
在IEEE J Quantum Electron.QE-24(1988)，PP193 6-194 6的“Transverse Modes of Plane-Mirrorwaveguide Resonators”一文中，C A Hill討論了帶有平面反射鏡的截面為正方形的波導(dǎo)的原理。業(yè)已表明，在這種激光器中難以在對(duì)波導(dǎo)制造誤差不敏感的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低損耗和良好的模式鑒別力之間的結(jié)合。
帶有圓孔波導(dǎo)的激光器的應(yīng)用也是公知的。F P Roullard III和M Bass有IEEE Quantum Electron，Vol.QE-13，PP3684-3690，1977中、M Lyszyk等人在opt，Commun，Vol.36，pp327-339，1981中都對(duì)此做了描述。圓孔波導(dǎo)激光器通常具有這樣一個(gè)缺點(diǎn)；激光輸出模式的特性不夠好，不能達(dá)到很高的性能。此外，比起制造具有平行的平面外壁的波導(dǎo)來(lái)，精確地制造圓孔波導(dǎo)要困難得多。
對(duì)于許多激光器來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生直接沿著激光軸絲并且在遠(yuǎn)場(chǎng)中具有較高在軸強(qiáng)度的輸出射線是非常重要的。這意味著該輸出應(yīng)該是集中在激光軸線上的、具有TEM00強(qiáng)度分布的一個(gè)單波瓣的基本空間模式。一般來(lái)說(shuō)很難真正達(dá)到這一目的。激光器會(huì)產(chǎn)生兩種或多種頻率或許互不相同的輸出模式。它們還可能產(chǎn)生一些具有離軸光束波瓣的輸出模式。并且，一些表面上看來(lái)相同的激光器可能產(chǎn)生不同的輸出，某一單個(gè)激光器也可能在預(yù)熱時(shí)或周?chē)h(huán)境變化時(shí)突然從輸出單波瓣變成輸出多波瓣。在大多數(shù)場(chǎng)合下，多數(shù)帶有激光器的光學(xué)系統(tǒng)都是用于使激光束沿激光軸線通過(guò)的，多瓣波形沒(méi)有用處。另外，離軸激光束具有潛在的危害性，因方其中的輻射朝向非設(shè)定的方向，很有可能射到光學(xué)系統(tǒng)之外。
本發(fā)明的目的是提供另一種形式的波導(dǎo)激光器。
本發(fā)明提供的波導(dǎo)激光器具有一個(gè)位于激光諧振腔中的波導(dǎo)，所述的激光諧振腔由第一和第二反射部件限定，其中(a)所述波導(dǎo)具有至少一對(duì)大體上為平面形的波導(dǎo)壁，這對(duì)波導(dǎo)壁大體上互相平行并且相距2a；(b)所述諧振腔用于產(chǎn)生位于波導(dǎo)端孔中部的幅度為2W0的波束腰，其中W0在0.1a至0.65a范圍內(nèi)；(c)第一反射部件用于接收由波導(dǎo)通過(guò)端孔發(fā)出的輻射，并且具有會(huì)聚特性和反射特性，該部件至少在與所述波導(dǎo)壁正交的一個(gè)方位上被設(shè)計(jì)成與它所接收到的來(lái)自所述端孔的、具有所述的束腰尺寸的TEM00型的振幅分布的輻射相位匹配；(d)諧振腔被設(shè)計(jì)成在波導(dǎo)端孔處呈現(xiàn)出電場(chǎng)維持特性，因此，在這一端孔處的具有所述的束腰尺寸的TEM00型輻射振幅分布可以在該輻射經(jīng)過(guò)波導(dǎo)到達(dá)第二反射部件然后再返回該端孔時(shí)重現(xiàn)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，它能提供一種與已有技術(shù)相比具有更高的TEM00模式含量的輸出波束。在一些具體的實(shí)施例中，它還能夠呈現(xiàn)出更高的對(duì)制造誤差不敏感的特性。還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，能避免不希望出現(xiàn)的波導(dǎo)輸入的邊界效應(yīng)，因此也不同程度地衰減了高階模。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，束腰半徑W0在0.3a至0.65a的范圍內(nèi)；在該激光器的波導(dǎo)中具有一種增益介質(zhì)，可在該波導(dǎo)中產(chǎn)生工作波長(zhǎng)為λ的增益；并且波導(dǎo)的橫截面為邊長(zhǎng)等于2a的正方形，波導(dǎo)長(zhǎng)度為4na2/λ，其中n是一個(gè)正整數(shù)；所述的端孔是第一端孔，該波導(dǎo)還有一個(gè)第二端孔，在第二端孔處，諧振腔呈現(xiàn)出電場(chǎng)維持特性。
所述的波導(dǎo)可以是第一波導(dǎo)，在該激光器的諧振腔內(nèi)還可以有一個(gè)第二波導(dǎo)。該激光器還可以包括將來(lái)自第一波導(dǎo)的輻射耦合到第二波導(dǎo)的部件，該部件限定了第一和第二波導(dǎo)中的相互傾斜的光學(xué)路徑。
所述激光器還可以包括一個(gè)由一個(gè)平面鏡構(gòu)成的第二反射部件；所述波導(dǎo)可以具有邊長(zhǎng)等于2a的正方形截面，波導(dǎo)長(zhǎng)度為2a2/λ，所述端孔可以是第一端孔，該波導(dǎo)還可以具有一個(gè)緊鄰第二反射部件的第二端孔。
在本發(fā)明的激光器的另一實(shí)施例中(a)所述波導(dǎo)為第一波導(dǎo)；(b)所述端孔是所述第一波導(dǎo)的兩個(gè)端孔之一；(c)具有兩個(gè)端孔的第二波導(dǎo)被設(shè)置在所述諧振腔中；(d)所述激光器具有將第一波導(dǎo)的一個(gè)端孔和第二波導(dǎo)的一個(gè)端孔之間的輻射耦合起來(lái)的部件；(e)兩個(gè)波導(dǎo)的橫截面都是邊長(zhǎng)等于2a的正方形，它們的長(zhǎng)度都是4a2/λ；以及(f)所述諧振腔在所述第二波導(dǎo)的另一端孔呈現(xiàn)電場(chǎng)維持特性。
在這又一個(gè)實(shí)施例中，所述的用于耦合輻射的部件可以限定位于第一和第二波導(dǎo)中的相互傾斜的光學(xué)路徑。
為使本發(fā)明能得到充分的理解，現(xiàn)在結(jié)合附圖描述幾個(gè)實(shí)施例。


圖1是本發(fā)明的一種波導(dǎo)激光器的側(cè)剖面示意圖，該激光器具有兩個(gè)類似凹形的諧振反射鏡；圖2表示在圖1所示激光器的波導(dǎo)中的電場(chǎng)強(qiáng)度分布；圖3和4是本發(fā)明的兩種波導(dǎo)激光器的側(cè)剖面示意圖，這兩種激光器各自具有一個(gè)平面諧振反射鏡和一個(gè)凹形諧振反射鏡；圖5是波導(dǎo)中的TEM00傳輸保真度與波導(dǎo)長(zhǎng)度的關(guān)系曲線；圖6是激光器中往返諧振損耗與波導(dǎo)長(zhǎng)度的關(guān)系曲線；圖7簡(jiǎn)要表示了波導(dǎo)長(zhǎng)度改變對(duì)激光波束束腰位置的影響；圖8是本發(fā)明的具有兩個(gè)光學(xué)耦合波導(dǎo)的激光器的側(cè)剖面示意圖；圖9的本發(fā)明的具有透鏡/光柵組合的激光器的側(cè)剖面示意圖；圖10是本發(fā)明的具有兩個(gè)通過(guò)兩個(gè)透鏡和一個(gè)平面反射鏡實(shí)現(xiàn)光學(xué)耦合的波導(dǎo)的激光器的側(cè)剖面示意圖。
參照?qǐng)D1，圖1是本發(fā)明的波導(dǎo)激光器的側(cè)剖視圖，整個(gè)波導(dǎo)激光器用標(biāo)號(hào)10表示。該激光器10未按比例繪制。激光器10包括一個(gè)光波導(dǎo)12(以后稱之為“波導(dǎo)”)，波導(dǎo)12位于第一和第二會(huì)聚鏡14和16之間。鏡14和16分別是全反射的和部分反射的。波導(dǎo)12以及鏡14和16具有共同的光軸18，光軸18位于圖示的平面內(nèi)。
波導(dǎo)12是一中空的氧化鋁管，其橫截面為邊長(zhǎng)2a等于2mm的正方形，其長(zhǎng)度L由下式給出L＝4a2/λ(3)其中λ是在波導(dǎo)12中測(cè)得的激光工作波長(zhǎng)。
激光器10被設(shè)計(jì)成在自由空間波長(zhǎng)為10.59×10-4cm的情況下工作。波導(dǎo)12中的CO2介質(zhì)的折射率基本上等于1，因此在該波導(dǎo)中的波長(zhǎng)λ等于其自由空間波長(zhǎng)。根據(jù)公式(3)計(jì)算出L為37.8cm。
在該例中，鏡14和16的曲率半徑R1和R2都等于29cm。它們離各自的波導(dǎo)端孔20和22的距離分別是Z1和Z2。在本例中，Z1和Z2都等于4.7cm。通過(guò)設(shè)計(jì)，使激光器10可以在與軸18垂直的平面內(nèi)產(chǎn)生TEM00強(qiáng)度分布的輻射，該輻射由下式定義Ir(z)=I0(z)e-2r2/w2---(4)]]>其中Ir(2)是在反射鏡14或16與波導(dǎo)12之間、沿著軸18與波導(dǎo)之間的距離為Z的任何一個(gè)平面上的輻射強(qiáng)度；I0(2)是在軸18上的Z點(diǎn)測(cè)得的輻射強(qiáng)度；r是測(cè)定Ir(2)的那一點(diǎn)離軸18的徑向距離；W是在軸向位置Z處的激光束半徑，并且被定義為在Ir(2)/I0(2)等于e-2時(shí)的r值；它是波導(dǎo)12與鏡14和16之間距離的函數(shù)。
經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，使激光器能夠在第一和第二光導(dǎo)端孔20和22處分別產(chǎn)生二個(gè)與各自端孔同心的、設(shè)計(jì)半徑為W0(直徑為2W0)的最小波束寬度(稱作波束腰)。這些孔位于點(diǎn)劃線24和28所表示的平面24和28上，并沿著與圖中的平面垂直的方向延伸。波束腰的設(shè)計(jì)直徑2W0與反射鏡曲率半徑和反射鏡—波導(dǎo)間距相關(guān)，它們之間的關(guān)系由公式(1)限定，為方便起見(jiàn)，下面重復(fù)列出公式(1)R＝Z+B2/Z，其中B＝πW02/λ(1)在圖1所示的實(shí)施例中，R＝R1＝R2。消去BR=z+π2w04zλ2---(5)]]>將R、Z和λ代入公式(5)，得到；W0＝0.6mm (6)因此，經(jīng)設(shè)計(jì)，激光器10所產(chǎn)生的輻射30的波束腰出現(xiàn)在平面24和28上，波束腰的設(shè)計(jì)半徑為0.6mm(直徑2W0為1.2mm)。波束腰的設(shè)計(jì)直徑與波導(dǎo)直徑之比W0/a為0.6；即，W0＝0.6a。
各反射鏡14或16的曲率半徑R是經(jīng)過(guò)選擇的，因此與在該反射鏡處將要產(chǎn)生的假想的球形波前形成精確的相位匹配，所述球形波前由位于平面24或28上并且集中在端孔20或22處的具有TEM00強(qiáng)度曲率的平面波前產(chǎn)生。在一級(jí)近似下，處在波導(dǎo)端孔20或22處的TEM00Gaussian波前在反射鏡20或22處產(chǎn)生大體上為球形的波前。因此，在各種情況下，各反射鏡都使入射輻射穿過(guò)入射波前向后反射。一接收到這樣的球形波前，各反射器14或16就向各自的波導(dǎo)孔20或22返回一個(gè)基本上完全反相的波束，從而在該孔處重新產(chǎn)生平面的TEM00的波前。如上所述，第二反射鏡16是部分反射的，穿過(guò)它的輻射產(chǎn)生輸出波束32。
選擇各反射鏡14或16離各自的波導(dǎo)孔20或22的距離Z，以便在各種情況下都在相應(yīng)的孔和鏡之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的衍射和由此造成的激光波束散射。這種衍射是使模式選擇特性優(yōu)化的部分原因，這些優(yōu)化的特性包括優(yōu)先再生一種離開(kāi)孔20或22然后又從鏡14或16返回到孔20或22的TEM00模式。該相應(yīng)的TEM00模式具有設(shè)計(jì)尺寸為W0的波束腰，兩個(gè)反射鏡都是為此而按照公式(1)選擇出來(lái)的。在經(jīng)反射鏡14或16反射后返回時(shí)，會(huì)不太精確地再生一些波束腰的尺寸不等于W0的模式，這通常會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的諧振模式的較大損耗。根據(jù)本發(fā)明，R不得大于5B也不得小于2B，其中B為公式(1)中的共焦波束參數(shù)。這樣可以產(chǎn)生前面所述的較為理想的衍射特性，同時(shí)又能將激光器做得比較小巧。因此，本發(fā)明的激光器與I型(R＞＞B，Z＜＜B)和II型(Z和R都＞＞B)都不相同。
后面將會(huì)更詳細(xì)地描述，經(jīng)設(shè)計(jì)波導(dǎo)12能在孔20或22處重新產(chǎn)生任意一種輸入到另一孔22或20的電場(chǎng)幅度分布，其條件是該輸入分布只激勵(lì)對(duì)稱的波導(dǎo)模式。一個(gè)在軸、同相的平面波只激勵(lì)對(duì)稱的模式。因此，就基諧模式的形式而言(盡管在其它情況不是這樣)，激光諧振器10的性能就象波導(dǎo)12已被取走，反射鏡14和16彼此靠攏，直到平面24和28重合在一起時(shí)那樣。另外，通過(guò)設(shè)計(jì)反射鏡14和16的曲率半徑及位置，能產(chǎn)生一種具有TEM00強(qiáng)度分布的輻射波束，該波束的束腰位于孔20和22處，各反射鏡14和16可將它們以不變的幅度曲線和相對(duì)反相的形式反射到所述的孔處。只要在各種情況下使反射鏡的半徑R1和R2滿足公式(1)，使反射鏡14和16的曲率中心(未示出)位于波導(dǎo)軸18上(即波導(dǎo)12與反射鏡14和16構(gòu)成完全準(zhǔn)直的共軸系統(tǒng))就能達(dá)到這一目的。當(dāng)R、Z和λ給定時(shí)，公式(1)確定了波束腰的設(shè)計(jì)半徑W0。
波導(dǎo)12以及反射鏡14和16的位置及尺寸產(chǎn)生的總效應(yīng)是激光器10對(duì)于具有經(jīng)過(guò)選擇的激光波束腰的TEM00波束的損耗相對(duì)較小，但對(duì)其它波束的損耗相對(duì)較大。當(dāng)波導(dǎo)12中的CO2激光介質(zhì)受到激勵(lì)，具有最高的增益/損耗比的諧振模式就是所產(chǎn)生的激光模式。其它具有較高增益/損耗比的激光空間模式受到抑制。本發(fā)明的激光器具有最低的損耗模式，該模式是基次的準(zhǔn)TEM00模式。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，避免在波導(dǎo)12中出現(xiàn)較高階次的空間傳播模式和避免波導(dǎo)孔20和22處的邊界效應(yīng)是很有好處的。為此，在每個(gè)波束腰處，孔20和22的邊界處的輻射強(qiáng)度應(yīng)該小于軸18上最高強(qiáng)度的1％。于是將波束腰與孔的尺寸之比(即W0/a)的上限設(shè)為0.65。這一上限比例使得在孔的邊緣處的TEM00波束的輸入輻射強(qiáng)度小于在軸波束最高強(qiáng)度的1％。
如果比值W0/a大于或等于0.1，但不大于0.65，在波導(dǎo)12中會(huì)較輕微地激勵(lì)很高階次的空間模式；即不會(huì)將m和n等于或大于11的波導(dǎo)模式EHmn激發(fā)到較為明顯的程度。如果W0/a大于或等于0.3，但不大于0.65，則EH77以上的波導(dǎo)模式的強(qiáng)度小于總輻射強(qiáng)度的0.5％。最好避免對(duì)很高階次的波導(dǎo)模式的明顯激發(fā)，因?yàn)檫@些模式在沿波導(dǎo)12傳播時(shí)會(huì)有不成比例的大幅度衰減。它們同波導(dǎo)壁之間的相互影響比較低階次的模式強(qiáng)得多。這導(dǎo)致了相位誤差，削弱了電場(chǎng)再生。因此，在輸出孔20或22處，不會(huì)按照最初分別在孔22或20處輸入的電場(chǎng)的適當(dāng)傳播比例得到這些很高階次的模式。因此，應(yīng)該適當(dāng)選定輸入輻射波束的波束腰同輸入孔的尺寸之比W0/a，以盡量不激發(fā)很高階次的模式(m，n＞11)；因此，W0/a應(yīng)該在0.1至0.65的范圍內(nèi)，對(duì)于高于EH77的模式來(lái)說(shuō)，W0/a最好在0.3至0.65的范圍內(nèi)，以便接收的強(qiáng)度低于總輻射強(qiáng)度的1％?？梢苑奖愕貙⒈景l(fā)明的裝置的W0/a值定在0.4至0.55的范圍內(nèi)。
在裝置10中，W0/a為0.6，R1和R2為29cm，Z1和Z2為4.7cm。因此滿足了公式(1)。具有這樣的束腰尺寸特性并且從波導(dǎo)12傳向反射鏡14或者16的TEM00型電場(chǎng)強(qiáng)度分布基本上毫無(wú)變化地再現(xiàn)于波導(dǎo)12。這里忽略了有關(guān)反射鏡的機(jī)械誤差和該反射鏡處的邊界效應(yīng)，對(duì)于直徑足夠大的反射鏡來(lái)說(shuō)，它們實(shí)際上并不重要。并且，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，從20和22兩孔之一進(jìn)入波導(dǎo)12中的電場(chǎng)分布沒(méi)有明顯變化地重現(xiàn)在另一孔處，并傳至另一反射鏡，由另一反射鏡回射，象以前那樣通過(guò)波導(dǎo)12返回。
現(xiàn)在參看圖2，圖2表示由輻射沿波導(dǎo)12傳播一個(gè)單程在波導(dǎo)全長(zhǎng)L的不同點(diǎn)處形成的橫向電場(chǎng)強(qiáng)度分布的一組計(jì)算曲線。在該圖中，縱坐標(biāo)Z是沿波導(dǎo)12測(cè)得的，在端孔平面24和28處的Z值分別是O和L。這些曲線被稱作40至48，對(duì)應(yīng)于波導(dǎo)12上的L/8的間隔。即，曲線N表示Z等于(N-40)L/8時(shí)的橫向電場(chǎng)強(qiáng)度分布I(X，Y)，其中N是該曲線的參考序數(shù)，其取值范圍是40至48。
曲線40表示在第一波導(dǎo)孔20處接收到的來(lái)自第一反射鏡14的TEM00形式的輸入激勵(lì)。這一輸入激勵(lì)分解成波導(dǎo)12的一些模式的線性組合。如上所述，只有對(duì)稱的模式才被激勵(lì)。這些模式沿波導(dǎo)12以不同的速率傳播；即出現(xiàn)模式分散的現(xiàn)象。因而，各模式之間出現(xiàn)相差，引起模式間的相互干擾，結(jié)果在波導(dǎo)12的中部，即Z＝L/2處，強(qiáng)度分布呈四波瓣的形式。在波導(dǎo)12的遠(yuǎn)端，即Z＝L處，這些對(duì)稱模式再一次同相，形成與40相同的單波瓣強(qiáng)度分布48。因此，在第二波導(dǎo)孔22處，以強(qiáng)度分布曲線48的形式重現(xiàn)輸入強(qiáng)度分布40。
在工作過(guò)程中，激光諧振器中產(chǎn)生的輻射是由諧振腔中的多次傳輸造成的。這就建立起一個(gè)自洽電場(chǎng)，該自洽電場(chǎng)在諧振腔中每傳播一個(gè)來(lái)回行程，就重復(fù)一次其自身的相位和幅度。通過(guò)設(shè)計(jì)，使激光器10將輻射以單波瓣準(zhǔn)TEM00波束的形式從第二孔22傳播到第二反射鏡16，然后被部分透射、部分反射，從而產(chǎn)生輸出波束32。因此，該波束實(shí)質(zhì)上包括一個(gè)在激光軸18上具有最高強(qiáng)度的單波瓣。由第二反射鏡16反射的輻射返回到波束30的路徑上；在到達(dá)第一反射鏡14之前，在波導(dǎo)12中以相反的順序重新產(chǎn)生與強(qiáng)度分布48一樣的強(qiáng)度分布40，然后經(jīng)第一反射鏡14再一次返回。本發(fā)明的一大優(yōu)點(diǎn)是，輸出波速32由準(zhǔn)TEM00模式造成，這樣就提供了一個(gè)在裝置軸線18上具有最高強(qiáng)度的單波瓣輻射波束。
截面為正方形的波導(dǎo)12的場(chǎng)再生特性是由矩形波導(dǎo)的一般傳播特性所形成的。假定矩形波導(dǎo)的高度為2a，寬度為2b，并由一種具有復(fù)合介電常數(shù)ε的勻質(zhì)介電材料包縛。又假定這種(構(gòu)成波導(dǎo)壁的)介電材料對(duì)于所需要的傳播模式具有很強(qiáng)的反射性并且衰減不明顯。該波導(dǎo)的長(zhǎng)、寬和高分別平行于X、Y和Z軸。它具有規(guī)范化的EHmn型線性極化模式。在Appl.opt.Vol.15，No5，page 1334-1340，May 1976中，Laakmann等人用下面的公式計(jì)算了第mn個(gè)模式EHmn在點(diǎn)(X、Y、Z)處的電場(chǎng)分量Emn(X，Y，Z)Emn(x,y,z)=1(ab)[sincos(mπx2a)][sincos(nπy2b)]eiYmn2---(6)]]>其中，m是沿X軸的與場(chǎng)從屬性有關(guān)的模式序數(shù)，n是沿Y軸的與場(chǎng)從屬性有關(guān)的模式序數(shù)，Z是沿Z軸(相當(dāng)于圖1中的軸18)的距離，Ymn＝(βmn+iαmn)，是第mn個(gè)模式的傳播常數(shù)，βmn和αmn是第mn個(gè)模式的相位系數(shù)和衰減系數(shù)，“cos”在“sin”之上表示前者適用于奇數(shù)的模式序數(shù)(適合的m或n值)，后者適用于偶數(shù)的模式序數(shù)。
相位系數(shù)βmn由下式給出βmn=2πλ[1-{(λm4a)2+(λn4b)2}]12---(7.1)]]>如果在公式(7.1)的括弧中的負(fù)的那一項(xiàng)與1相比很小(近軸輻射的近似值)，(這實(shí)際上適宜于低階次模式)，則利用二項(xiàng)式定理將公式(7.1)改寫(xiě)成βmn=2πλ[1-12{(λm4a)2+(λn4b)2}]---(7.2)]]>其中a、b、m和n和前面定義的一樣，λ是在波導(dǎo)中傳播的輻射的自由空間波長(zhǎng)。
公式(6)表示可以從短形波導(dǎo)的所有線性極化模式得到的電場(chǎng)分量。這樣計(jì)算的前提條件是，在矩形波導(dǎo)的側(cè)壁，即Y＝+b和-b處，各模式的電場(chǎng)分量為0，(在相當(dāng)于軸18的地方，Y＝0)。這至少近似地適用于具有反射側(cè)壁的矩形波導(dǎo)。并不是所有的波導(dǎo)模式都必須被某一給定輸入激勵(lì)。在圖1中的裝置10的情況下，波導(dǎo)12是矩形波導(dǎo)的一個(gè)特例，因?yàn)樗慕孛媸钦叫蔚摹Ｋ邮諄?lái)自孔20和22的TEM00型輸入。這一輸入激勵(lì)與波導(dǎo)12的各種EHmn模式耦合，因此，這一輸入的TEM00電場(chǎng)分布分解成各EHmn模式和各自的復(fù)數(shù)乘法系數(shù)Amn的線性組合?？捎孟率奖磉_(dá)EG＝∑Amn·EHmn(8)實(shí)質(zhì)上，振幅耦合系數(shù)Amn就是代表在波導(dǎo)孔20或22處的電場(chǎng)的傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)。各EHmn模式相互正交，因此可以通過(guò)重疊積分來(lái)計(jì)算Amn，對(duì)于矩形波導(dǎo)，積分式為Amn=∫-b+b∫-a+aEG.EHmn.dy.dx.---(9)]]>利用公式(7)至(9)可以計(jì)算出這些被激勵(lì)的波導(dǎo)模式的振幅系數(shù)是如何隨著波束腰與孔的尺寸之比W0/a變化的。
可以利用公式(7.2)來(lái)論證在矩形波導(dǎo)中的模式分散以及由此產(chǎn)生的場(chǎng)重現(xiàn)現(xiàn)象。將m＝1和n＝p代入公式(7.2)，求得波導(dǎo)模式EH1P的相位系數(shù)β1pβ1p=2πλ[1-12{(λ4a)2+(λp4b)2}]---(10)]]>然后由下式求得波導(dǎo)模式EH1q的相位系數(shù)β1qβ1q=2πλ[1-12{(λ4a)2+(λq4b)2}]---(11)]]>
從公式(10)中減去公式(11)，然后重新整理一下，得出在波導(dǎo)長(zhǎng)度Z處模式EH1p和EH1q之間的相位差XzXz=β1p-β1q=π.λ.z16.b2·(p2-q2)---(12)]]>如果將兩模式間的相位差必須等于2π這樣的條件應(yīng)用于此，公式(12)變成Xz=π.λ.z16.b2·(p2-q2)=2π---(13)]]>根據(jù)公式(13)，在矩形波導(dǎo)中使模式EH1p與EH1q之間的相位差為2π的傳播距離Z(稱作Z2π)由下式給出z2π=32.b2(p2-q2).λ---(14)]]>對(duì)于EH11和EH1n模式(即基次模式和第n次奇數(shù)模式)，Z2π由下式給出z2π=32.b2(π2-1).λ---(15)]]>將公式(2)和(13)結(jié)合起來(lái)，得z2π=8L′(n2-1),]]>其中L′＝4b2/λ (16)對(duì)于n＝3，5，7，9，11，...，Z2π為L(zhǎng)′，L′/3，L′/6，L′/10，L′/15...。這表明在矩形波導(dǎo)的E1n模式之間具有諧波關(guān)系。公式(16)表明，在基諧模式EH11和下一個(gè)最高階次的模式EH13之間引起2π相位差的傳播距離Z2π也會(huì)在基諧模式與所有其它EH1n模式(n為奇數(shù))之間引起2π的相位差。這樣，只要不存在偶數(shù)階次的EH1n模式的激勵(lì)，任何對(duì)稱的輸入電場(chǎng)都會(huì)在Z2π的距離之后重現(xiàn)。如果波導(dǎo)具有足夠的長(zhǎng)度，對(duì)稱的輸入電場(chǎng)就會(huì)以tz2π的距離周期地產(chǎn)生，這里的“t”為一個(gè)整數(shù)。
可以證明，與上述相同的解釋也適用于在矩形波導(dǎo)中的與上述模式正交的模式(模式階數(shù)m)；即，對(duì)于m為奇數(shù)的模式，如果只有對(duì)稱的模式受到激勵(lì)，這些模式會(huì)在波導(dǎo)長(zhǎng)度4a2/λ范圍內(nèi)再一次彼此同相(相位差為2γπ，γ＝0，1，2...)，其中2a是波導(dǎo)橫截面在編號(hào)為m的模式方向上的尺寸(寬或高)。波導(dǎo)12的截面為邊長(zhǎng)等于2a的正方形(即a＝b)，波導(dǎo)12的長(zhǎng)度L等于4a2/λ。它在各個(gè)孔20或22處接收來(lái)自相應(yīng)的反射鏡14或16的準(zhǔn)TEM00輸入，因此這一輸入只激勵(lì)對(duì)稱的模式(m和n都是奇數(shù))。根據(jù)公式(16)，這些在波導(dǎo)中的某一點(diǎn)同相的對(duì)稱模式在離該點(diǎn)的距離為L(zhǎng)的倍數(shù)的位置上也同相。因此，只要不明顯違背公式(7.2)，并且不同模式的衰減差也不明顯，則從20和22兩個(gè)孔中的一個(gè)輸入到波導(dǎo)12的、在軸的電場(chǎng)分布將會(huì)在這兩個(gè)孔中的另一個(gè)處重現(xiàn)，前提是，只有波導(dǎo)的對(duì)稱模式受到激勵(lì)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3，圖3表示本發(fā)明的波導(dǎo)激光器的另一實(shí)施例，整個(gè)激光器用60表示。激光器60相當(dāng)于將圖1所示實(shí)施例中的凹面鏡14換成了一個(gè)與波導(dǎo)64靠得很近的平面反射鏡62。波導(dǎo)64和凹面鏡66與圖1中的對(duì)應(yīng)元件12和16具有相同的尺寸和位置關(guān)系。
平面反射鏡62與波導(dǎo)64間的距離小于5mm。因此它屬于前面定義過(guò)的I型反射鏡。凹面鏡66(和圖1中的一樣)處在一個(gè)與I型、II型或III型都不相應(yīng)的位置上。它是一個(gè)處在介質(zhì)場(chǎng)中的相位匹配反射鏡。
激光器60的工作情況與參照?qǐng)D1所作的描述相同。集中在第一波導(dǎo)端孔68處的TEM00強(qiáng)度分布分散到相位匹配的凹形反射鏡66上，然后返回第一孔68。波導(dǎo)64在靠近平面反射鏡62的第二端孔70處重新產(chǎn)生這一電場(chǎng)強(qiáng)度分布，根據(jù)實(shí)際需要，平面反射鏡62與波導(dǎo)的距離應(yīng)該是零。在第二孔70處的電場(chǎng)分布又相應(yīng)地重現(xiàn)在第一孔68處，然后開(kāi)始下一個(gè)光學(xué)往返。
現(xiàn)在看圖4，圖4表示本發(fā)明的又一種波導(dǎo)激光器。整個(gè)激光器用80表示，它包括一個(gè)全反射平面鏡82，一個(gè)波導(dǎo)84和一個(gè)部分反射凹面鏡86。除了波導(dǎo)84的長(zhǎng)度為2a2/λ(即圖3中對(duì)應(yīng)波導(dǎo)64的一半長(zhǎng))以外，激光器80與參照?qǐng)D3所描述的完全一樣。由于激光器60和80的相似性，下面只討論它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)的差異。采用公式(1)和圖2中的術(shù)語(yǔ)，波導(dǎo)84的長(zhǎng)度為L(zhǎng)/2。因此，它將第一(右手)端孔88處的準(zhǔn)TEM00強(qiáng)度分布分成第二端孔90處的四波瓣強(qiáng)度分布。后一種分布如圖2中的44處所示。借助于在平面反射鏡82的回反射，該四波瓣強(qiáng)度分布在第一孔88處重新變成單波瓣準(zhǔn)TEM00強(qiáng)度分布。在平面鏡82處的回反射將波導(dǎo)84的有效長(zhǎng)度增加一倍，因此，在該波導(dǎo)中，在長(zhǎng)度為L(zhǎng)或4a2/λ的路徑上重新產(chǎn)生準(zhǔn)TEM00強(qiáng)度分布。如果要將平面鏡82做成部分反射的，激光器80將提供四波瓣的輸出。
現(xiàn)在看圖5，圖5是通過(guò)計(jì)算得到的、表明諸如12、64和84一類波導(dǎo)的傳輸特性的兩條曲線100和102。如前面的實(shí)施例所述，波導(dǎo)的橫截面為邊長(zhǎng)等于2mm的正方形，輻射長(zhǎng)度是10.59微米。“傳輸保真度”一詞的定義是，在通過(guò)一個(gè)波導(dǎo)傳輸之后，輸入強(qiáng)度在輸出的TEM00模式中所占的比例，所述波導(dǎo)的長(zhǎng)度由橫軸上的相應(yīng)位置表示。假定在波導(dǎo)輸入孔處，輸入輻射波束的束腰尺寸為W0，在波導(dǎo)輸出孔處輸出輻射波束具有同樣的束腰尺寸。以氧化鋁波導(dǎo)壁為基準(zhǔn)對(duì)損耗做了估計(jì)。曲線100和102分別假定束腰尺寸與波導(dǎo)孔的尺寸之比W0/a為0.3和0.5。曲線100和102表明，在它們各自的尖峰104和106處，傳輸保真度達(dá)95％以上，這兩個(gè)尖峰集中在波導(dǎo)長(zhǎng)度37.8cm處，37.8cm就是2a＝2mm、λ＝10.59時(shí)的4a2/λ或L。這證明了通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的波導(dǎo)重現(xiàn)TEM00模式的精確性。
現(xiàn)在看圖6，圖6表示激光輻射在激光器的內(nèi)部光路徑中經(jīng)歷一次往返后，根據(jù)理論計(jì)算出的損耗值與波導(dǎo)激光諧振器中波導(dǎo)的長(zhǎng)度的關(guān)系曲線。在圖1中，往返行程是激光諧振腔中位于反射鏡14和16之間的路徑的兩倍(來(lái)回)，該行程的長(zhǎng)度為2(Z1+Z2+L)。
曲線110所表示的往返損耗涉及的是最低階次的諧振模式。曲線112所表示的往返損耗是第二級(jí)諧振模式的往返損耗。
曲線110表明，在長(zhǎng)度分別為18.9cm和37.8cm的波導(dǎo)兩側(cè)，對(duì)于最低階次諧振模式的往返衰減在很寬的取值范圍內(nèi)都很低，低于10％。這兩種波導(dǎo)長(zhǎng)度分別是圖4和圖3中的波導(dǎo)84和64的長(zhǎng)度，它們分別對(duì)應(yīng)于2a2/λ和4a2/λ。對(duì)于長(zhǎng)度為2na2/λ(n＝3，4，...)的波導(dǎo)，也能得到相似的結(jié)果。曲線110表明，只要波導(dǎo)長(zhǎng)度是2a2/λ的倍數(shù)，往返損耗就不容易受到波導(dǎo)長(zhǎng)度不精確性的影響。并且，由于波導(dǎo)長(zhǎng)度與a2/λ有關(guān)，波導(dǎo)橫截面的些許誤差不會(huì)影響往返損耗。這是本發(fā)明的主要的有益效果，因?yàn)樗_保了本發(fā)明的長(zhǎng)度為2ma2/λ(m＝1，2，3，...)的波導(dǎo)激光器在具有容許范圍內(nèi)的制造誤差的情況下仍能產(chǎn)生一種大體上為單波瓣的在軸輸出。本發(fā)明的對(duì)波導(dǎo)橫截面誤差的相對(duì)不敏感性對(duì)于2mm見(jiàn)方范圍內(nèi)的波導(dǎo)尤為重要，因?yàn)橐?0或40cm的波導(dǎo)長(zhǎng)度范圍內(nèi)保持這么小的橫截面的精確性是非常困難的。例如，根據(jù)公式(3)，波導(dǎo)橫截面的5％的誤差，即100μm范圍內(nèi)的變化，相當(dāng)于波導(dǎo)長(zhǎng)度的10％的誤差(3.8cm)。
在波導(dǎo)長(zhǎng)度為18.9cm左右和37.8cm左右的區(qū)域，曲線110和112分得很開(kāi)，往返損耗之差在5％左右。因此，對(duì)于長(zhǎng)度在18.9cm的大約±10％范圍內(nèi)和37.8cm的大約±5％范圍內(nèi)的波導(dǎo)而言，激光器優(yōu)先對(duì)曲線110所涉及的低損耗基諧模式發(fā)生作用，并獲得良好的模式鑒別力。上述論點(diǎn)同樣適合用于降低長(zhǎng)度為2a2/λ的較高倍數(shù)的波導(dǎo)的公差。
現(xiàn)在看圖7，圖7是第一、第二和第三波導(dǎo)激光器120a、120b和120c(總稱為120)的示意圖，這三種激光器的差別僅在于波導(dǎo)長(zhǎng)度不同。這些激光器具有各自的波導(dǎo)121a、121b和121c(總稱為121)以及各自的會(huì)聚腔反射鏡122a/123a，122b/123b和122c/123c。線124a、124b和124c表示在輻射強(qiáng)度為最大強(qiáng)度的1/e2時(shí)的輻射強(qiáng)度的外輪廓。這些波導(dǎo)121的內(nèi)部橫截面為邊長(zhǎng)等于2a的正方形。第一波導(dǎo)121a的長(zhǎng)度為12a2/λ，第二波導(dǎo)121b和第三波導(dǎo)121c的長(zhǎng)度分別小于和大于這個(gè)值。在125a這一類的縱向位置上，強(qiáng)度輪廓線的間隔最大，在這些地方，強(qiáng)度在與波導(dǎo)如121a的長(zhǎng)度垂直的平面中分成四波瓣形式。在126a和127a一類的縱向位置上，輪廓線的間隔最小，激光波束的束腰就出現(xiàn)在這些位置上；即橫向強(qiáng)度波形是單波瓣的，并且位于光導(dǎo)軸線上。
盡管圖7只是示意圖，并且為清楚起見(jiàn)，將波導(dǎo)120間的長(zhǎng)度差夸大了，圖7表明，波導(dǎo)長(zhǎng)度的改變對(duì)由反射鏡對(duì)122a/123a等限定的激光腔中的輻射強(qiáng)度分布沒(méi)有很大影響。
但是，由于波導(dǎo)長(zhǎng)度的改變，最外面的波束腰126b和126c分別變成位于波導(dǎo)121b之外和位于波導(dǎo)121c之內(nèi)。這表明波導(dǎo)長(zhǎng)度的誤差造成波束腰偏離了原先設(shè)計(jì)的位于波導(dǎo)孔(如圖1中的孔20或22)平面的位置。這也一定程度地改變了波束腰的尺寸。根據(jù)尺寸(18)，波導(dǎo)長(zhǎng)度與波導(dǎo)橫截面的寬度成正比，因此，波導(dǎo)橫截面的誤差同樣會(huì)導(dǎo)致波束腰的偏移。因此，只有可能限定波束腰的設(shè)計(jì)位置和設(shè)計(jì)尺寸，因?yàn)橹圃煺`差會(huì)使波束腰的位置和尺寸偏離它們的設(shè)計(jì)值。同樣的論點(diǎn)也適用于反射鏡位置的誤差。
現(xiàn)在看圖8，圖8表示本發(fā)明的波導(dǎo)激光器的另一實(shí)施例，整個(gè)激光器用140表示。它包括第一和第二波導(dǎo)142和144以及第一、第二和第三凹面鏡146、148和150。激光器140相當(dāng)于兩個(gè)激光器10疊加并耦合在一起，并具有一個(gè)傾斜的第二反射鏡148，反射鏡148將來(lái)自一個(gè)波導(dǎo)142或144的輻射反射到另一波導(dǎo)144或142。在146、148和150三個(gè)反射鏡中，有一個(gè)是部分反射的，另外兩個(gè)是全反射的。如果第一和第三反射鏡中有一個(gè)是部分反射的，激光輸出波束就從這一個(gè)發(fā)射出去。如果第二反射鏡148是部分反射的，則有兩束互相傾斜的輸出波束，它們分別與各自的波導(dǎo)同軸并且彼此間相位同步。
圖9表示本發(fā)明的另一實(shí)施例，整個(gè)裝置用160表示。它包括一個(gè)凹面鏡162，一個(gè)波導(dǎo)164，一個(gè)透鏡166和一個(gè)與激光波束170夾成利特羅(Littrow)角θ的衍射光柵168。θ由下式給出θ＝sin-1(λ/2d) (17)其中λ是激光波長(zhǎng)，d是光柵行間距。
透鏡166與光柵168組合起來(lái)，起到與圖1中的反射鏡16等效的、相位基本匹配的回反射鏡的作用。由于前面所述的原因，又由于光柵與波束170成一定角度，相位匹配并不嚴(yán)格。透鏡一光柵組合與反射鏡等效，這在激光領(lǐng)域是公知的，因此不再做描述。
圖10表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。整個(gè)激光器用180表示，它與圖8所示的激光器等效。這兩個(gè)實(shí)施例之間的差別是，前者用兩個(gè)透鏡182、184和一個(gè)傾斜的平面反射鏡186代替后者中的傾斜的第二反射鏡。圖10所示的實(shí)施例具有和圖8中的相應(yīng)元件等同的第一和第二凹面鏡188和190以及第一和第二波導(dǎo)192和194。這是透鏡和平面鏡的組合等同于凹面鏡的一個(gè)例子。另一種可供選擇的組合形式是透鏡和曲面鏡的組合。
波導(dǎo)12，64，84，142，144，164，192和194都具有正方形的截面。也可以采用具有矩形截面的波導(dǎo)，所述矩形截面的尺寸，為2b×2a(b＞a)。在這種情況下，為了取得電場(chǎng)維持的效果，波導(dǎo)長(zhǎng)度L，波導(dǎo)寬度以及波導(dǎo)中的波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系必須同時(shí)適合于參數(shù)b和a。因此，對(duì)于一個(gè)內(nèi)部尺寸為2a×2b×L的矩形截面波導(dǎo)
L＝4mb2/λ＝4na2/λ (18) 公式(19)表明，如果矩形波導(dǎo)的橫向尺寸2b和2a之比是一個(gè)整數(shù)比例的平方根，滿足公式(18)的矩形波導(dǎo)將具有電場(chǎng)維持特性。對(duì)于一個(gè)采用這種波導(dǎo)的激光器而言，激光波束束腰的半徑W0在寬度為2b的方向應(yīng)該在0.1b至0.65b范圍內(nèi)，在寬度為2a的方向應(yīng)該在0.1a至0.65a的范圍內(nèi)。
在一個(gè)與圖4中的裝置80類似的激光器中，與公式(18)和(19)相應(yīng)的公式為L(zhǎng)＝2mb2/λ＝2na2/λ (20)以及 在本發(fā)明的激光器中也可以采用一維波導(dǎo)。這種波導(dǎo)具有兩個(gè)基本上彼此平行的、大體上為平面形的壁。這兩個(gè)壁構(gòu)成只涉及一個(gè)橫向尺寸的波導(dǎo)。在與之垂直的橫向方位內(nèi)沒(méi)有波導(dǎo)壁或波導(dǎo)效應(yīng)；在后一方位，激光器所起的作用與一個(gè)常規(guī)的、具有反射部件和增益介質(zhì)但沒(méi)有波導(dǎo)的自由空間諧振器相同。激光波束的束腰尺寸(2W0)應(yīng)該是波束的最小寬度，因?yàn)樵谠摾?，波束腰處的?qiáng)度分布不是相對(duì)于激光光軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的。
作為又一個(gè)實(shí)施例，可以將本發(fā)明的激光器做成只有一個(gè)橫向尺寸符合該發(fā)明，另一橫向尺寸不符合該發(fā)明的形式。在該實(shí)施例中，反射鏡和波導(dǎo)在一個(gè)橫向方位上的幾何尺寸與前面的一維情況相同。在另一橫向方位上，諧振器的幾何尺寸可以與已有技術(shù)中任意一種激光器的設(shè)計(jì)相同；即，它可以具有不按照一維情況中的位置設(shè)置的波導(dǎo)壁。
權(quán)利要求
1.一種波導(dǎo)激光器，包括一個(gè)位于激光諧振腔中的波導(dǎo)，所述的諧振腔由第一和第二反射部件限定，其特征在于(a)所述波導(dǎo)具有至少一對(duì)大體上為平面形的波導(dǎo)壁，這對(duì)波導(dǎo)壁基本上彼此平行并且彼此相距2a的距離；(b)所述諧振腔用于產(chǎn)生位于波導(dǎo)端孔中部的、幅度為2W0的波束腰，其中W0在0.1a至0.65a的范圍內(nèi)；(c)第一反射部件用于接收由波導(dǎo)通過(guò)端孔發(fā)出的輻射，并且具有會(huì)聚特性和反射特性，該部件至少在與所述波導(dǎo)壁正交的一個(gè)方位上被設(shè)計(jì)成與它所接收到的、來(lái)自所述端孔的、具有所述的束腰尺寸的TEM00型振幅分布的輻射相位匹配；(d)諧振腔被設(shè)計(jì)成在波導(dǎo)端孔處表現(xiàn)電場(chǎng)維持特性，因此，在這一端孔處的具有所述的束腰尺寸的TEM00型輻射振幅分布可以在該輻射經(jīng)過(guò)波導(dǎo)到達(dá)第二反射部件然后再返回該端孔時(shí)重現(xiàn)。
2.如權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于，W0在0.3a至0.5a范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的激光器，其特征在于，在所述波導(dǎo)中具有一種增益介質(zhì)，所述介質(zhì)可在所述波導(dǎo)中提供工作波長(zhǎng)為λ的增益，所述波導(dǎo)具有邊長(zhǎng)等于2a的正方形橫截面，波導(dǎo)長(zhǎng)度為4na2/λ，其中n為一個(gè)正整數(shù)，所述的端孔是第一個(gè)這類端孔，所述波導(dǎo)還有一個(gè)第二端孔，所述諧振腔被設(shè)計(jì)成在該第二端孔處表現(xiàn)電場(chǎng)維持特性。
4.如權(quán)利要求2所述的激光器，其特征在于，所述波導(dǎo)是第一波導(dǎo)，所述激光器還有一個(gè)位于所述諧振腔中的第二波導(dǎo)。
5.如權(quán)利要求4所述的激光器，其特征在于，還包括將來(lái)自第一波導(dǎo)的輻射耦合到第二波導(dǎo)中的部件，所述部件確定了第一和第二波導(dǎo)中的相互傾斜的光學(xué)路徑。
6.如權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于，在所述波導(dǎo)中具有一種增益介質(zhì)，所述介質(zhì)在所述波導(dǎo)中工作波長(zhǎng)λ條件下提供增益，所述第二反射部件是一個(gè)與所述波導(dǎo)緊鄰的平面反射鏡，所述波導(dǎo)的橫截面為邊長(zhǎng)等于2a的正方形，波導(dǎo)長(zhǎng)度為2a2/λ，所述端孔為第一端孔，該波導(dǎo)還有一個(gè)緊鄰所述第二反射部件的第二端孔。
7.如權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于，波導(dǎo)中的工作波長(zhǎng)為λ，并且(a)所述波導(dǎo)為第一波導(dǎo)；(b)所述端孔是第一波導(dǎo)的兩個(gè)端孔之一；(c)具有兩個(gè)端孔的第二波導(dǎo)被設(shè)置在所述諧振腔中；(d)所述激光器包括將第一波導(dǎo)的一個(gè)端孔和第二波導(dǎo)的一個(gè)端孔之間的輻射耦合起來(lái)的部件；以及(e)兩個(gè)波導(dǎo)的橫截面都是邊長(zhǎng)等于2a的正方形，兩個(gè)波導(dǎo)的長(zhǎng)度都是4a2/λ。
8.如權(quán)利要求7所述的激光器，其特征在于，所述的用于耦合輻射的部件確定了位于第一和第二波導(dǎo)中的相互傾斜的光學(xué)路徑。
9.如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的激光器，其特征在于，所述第一和第二反射部件中至少有一個(gè)由一個(gè)透鏡和一個(gè)反射鏡或者一個(gè)透鏡和一個(gè)衍射光柵組合而成。
全文摘要
一種波導(dǎo)激光器(10)，包括一個(gè)波導(dǎo)(12)和兩個(gè)凹形諧振鏡(14，16)。波導(dǎo)(12)的截面為邊長(zhǎng)等于2a的正方形，長(zhǎng)度L等于4a
文檔編號(hào)H01S3/05GK1136865SQ9419266
公開(kāi)日1996年11月27日 申請(qǐng)日期1994年4月8日 優(yōu)先權(quán)日1993年5月7日
發(fā)明者R·M·詹金斯, C·A·希爾 申請(qǐng)人:英國(guó)國(guó)防部