具有混合式非稳定环形谐振腔的激光器的制作方法

专利名称：：具有混合式非稳定环形谐振腔的激光器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及从大体积的非对称横截面激光增益介质产生单级或低阶(singleorloworder)横模相干光，以产生一种实心的衍射耦合的输出光束。这是通过使用混合式行波非稳定谐振腔实现的。一般地说，众所周知对称横截面或非对称横截面驻波非稳定谐振腔与稳定驻波谐振腔相比具有极好的横模鉴别特性。如本文所示，使用混合式非稳定环形谐振腔具有的一些特征是使用混合式驻波非稳定光学空腔谐振腔不可能得到的。例如，人们广泛认为，因为在凹面镜对的焦平面处发生了左右反转，混合式负支驻波非稳定谐振腔唯一地实现了对端镜未对准的高度不敏感。确实，这是在某些激光器应用中混合式负支驻波非稳定谐振腔被认为比混合式正支驻波谐振腔更受欢迎的理由。然而，本文表明可以在混合式行波谐振腔中实现所希望的腔内左右互换特征和对谐振腔位置未对准的低敏感性，而不会具有与腔内焦平面相关的有害特性。同样地，因为谐振腔是行波腔，便可以消除在一些激光介质中的空间烧孔效应。而且，因为本发明限于仅在一个平面上不稳定的一种谐振腔，不使用分叉波导几何结构，而优先使用全反射光学器件，因而本文公开的概念可升级到非常高的平均激光输出功率的情形。因此，本发明的整体目标是提供新颖的、经过改进的方法和具有此特征的装置。2.关于非稳定谐振腔的现有技术的一般介绍自从在1965年首次在文献[1]中介绍非稳定谐振腔及其首次系统实验和分析研究以来，非稳定谐振腔已经在从紫外线到红外线的光谱范围上被应用于激基、离子、分子、固态、液态和自由电子激光介质发射等场合。在这篇初始论文中，作者用专门的几何光学分析发现模损耗与激光器端镜尺寸无关，而实验发现腔损耗达到了预计的较大值，人们认为衍射输出耦合对于横模控制是有用的。1967年，第二篇论文[2]列出非稳定谐振腔的三个一般特征“(1)非稳定谐振腔可以具有较大的模体积，即使在非常短的谐振腔中亦如此；(2)非稳定结构容易适应可调的衍射输出耦合；(3)分析表明非稳定谐振腔应该对较高阶横模具有非常强的鉴别能力”。在具有非稳定谐振腔的激光器中对高阶横模的鉴别的第一次实验证明见文献[3]。随着时间推移，这三个特征已在实验和理论上多次得到确证。1967年和1969年，当首次在[4]中介绍几种新型非稳定环形谐振腔并在[5、6]中对其作简短讨论时，驻波非稳定谐振腔的概念被推广到共焦概念，提出了对“构造一种单向环形发生器的新可能性”的预期[5，p1002]。文献[4-6]首次介绍了具有或不具有腔内聚焦区的非稳定环形谐振腔。这些环形几何结构在[5、6]中作了进一步探讨，并首次发现“尽管对向传播的模损耗是相同的，但这类谐振腔的体积差异非常大，这明显有利于单向激光的产生”[5，p1002]。尽管CO2激光介质被广泛认为是应用于非稳定谐振腔系统的一些理想选择之一，但在首次介绍非稳定谐振腔[1]后几乎五年才在1969年报道这种谐振腔系统的细节[7]。这项工作通报了使用一种正支、共焦非稳定谐振腔产生22W的最大连续波(cw)输出功率，并使用环形耦合器产生一种近场环面形式的平行基本输出模式。一年之内，1970年发表的文献[8]首次详细介绍了在一些圆镜、驻波非稳定谐振腔中首批的6个最低损耗模式中的真实衍射损耗，而在文献[9]中通报了一种连续波CO2输出功率为30kW的非稳定谐振腔系统。1972年，提交了关于一种独特的共焦环形非稳定谐振腔的专利申请[10]。而且，就在这时发表了一些关于CO2激光器的实验研究，这些研究探讨了驻波共焦非稳定谐振腔[11]，单向对称共焦环形谐振腔[12]，非对称共焦环形非稳定谐振腔[13]以及在驻波和行波非稳定谐振腔中注入锁模和再生放大[14]的详尽细节。无一例外地，已经表明对在共焦驻波非稳定谐振腔中测得的衍射损耗的实验研究[11]与严格的衍射理论[8]的预计损耗完全一致。这种一致包括在最低损耗对称模和次最低损耗对称模之间的过渡部分附近腔损耗特性的细节[参考文献11，图17]。同样，实现了在1968年中期首次提出的激光在行波非稳定谐振腔中的单向工作，如最初预想的那样，这种单向工作仅基于在不相等的前后模体积中放置增益介质以促使光在其中之一的行波方向上传播。而且，已经表明行波非稳定谐振腔是一种应用激光再生放大[14]概念的强有力的谐振腔方案。在这种情况下，已表明作为反像镜[参考文献10，图29]的注入式激光器的输出镜可以强有力地提升光的单向工作[参考文献10，图24，元件24]。已经表明，与驻波非稳定谐振腔相比，因为不需要隔离器[参阅10，图29]，在非稳定光学环形再生放大器中更容易实现单向工作。总之，在非稳定光谐振腔被首次引入和进行分析的十年内，对非稳定光谐振腔的理解已经从最初的几何光学方法[1]发展到完全累接的衍射方法[8]。伴随这十年的理论发展，CO2输出功率从最初驻波装置[7]的20W增加到一种非对称环形非稳定器件设计[12、13]所具有的预测为几百kW的连续波输出功率级。注意到历史上由Siegman在1965年提出的非稳定光谐振腔原始概念[1]从未提交任何专利部门申请专利，这一点是相当有趣的。也许这是由于在早期讨论和研发阶段对非稳定谐振腔缺乏好的衍射分析模型。同时，1968年和1969年，在文献[7]和[15]中分别预测和用实验表明了共焦非稳定谐振腔的足够的实际用途。由于这些研究，正支非稳定共焦(伸缩式)谐振腔在前苏联获得专利[16]，优先权日为1968年3月18日，但是很长时间仍不为世界激光学术界所知。在1968年提出的环形非稳定谐振腔[4]直至1972年从未提交任何专利部门。回想起来，这可能是由于对如何完全抑制谐振腔中的反向波存在一般误解。1972年，由于关于具有这种谐振腔的激光器的单向工作的有效的概念的发展，非稳定环形激光器谐振腔[10]获得专利。无论如何，在[6、17]中可找到对那个时期关于非稳定谐振腔研究的著作的相关回顾，在参考文献[18，19]中对所有这些和其他类型的非稳定谐振腔进行了最为详尽的讨论，并附上了详细的参考资料。在上世纪六十年代后期的激光
技术领域：
中稳定环形谐振腔已被公知，其中，它被较早地引入需要检测惯性引力场中物体的物理旋转的场合[20]。对于这一应用，人们发现向前和向后环形波之间的频率差值正比于环形激光系统的角旋转速率。非稳定环形谐振腔与稳定环形谐振腔不同之处在于，在向前和向后方向上模直径在非稳定环形谐振腔一般是不相同的，但在稳定环形谐振腔中却是相同的。这构成了其中一个通过使用腔内小孔实现单向工作的方法[5-6]的基础。而且，通过适当地放置腔内增益介质，在对称[12]或是非对称[6、12、13]非稳定环形谐振腔中可以实现对其中一个振荡方向的抑制。为了实现这一点，增益介质被放置在腔内对其中一个行波的模体积较大而对其他行波的模体积较小的部位[文献17，图16，17]。在接近对称的非稳定环形谐振腔中，测得的前向波与逆向波输出功率之比大约为20[12，图6]。实现单向工作的另一方法是使用位于谐振腔外的反像镜[10，图2]。确实，在稳定和非稳定对称孔径谐振腔中的单向性对于要实现再生放大而又不在主振荡器和再生放大器[14，图8和图29]之间引入光隔离器是至关重要的。同样，在如等离子体诊断[21]或激光光谱成分分析[22]的各种不同应用中，环形几何结构是极有优势的，甚至是必不可少的。在所有这些应用中(发明或装置)，普遍地和毫无例外地，总能发现一些关于激光在环形几何结构中两个传播方向的讨论，这不应当让人感到奇怪。显然，在行波光学几何结构中，因为相反的传播方向以截然不同的方向离开光学设备，仅讨论一个传播方向相当于仅讨论这个光学问题的一半。确实，若没有这种讨论，甚至不可能确切地了解两个相反方向的传播模中的哪一个被用于输出或输出是从何种方向被取出的。相反地，若没有关于这两个传播方向的讨论，这种发明和设备必定会被认为在性质上和应用中主要是驻波。除了发现的作为区分稳定环形谐振腔和稳定驻波谐振腔的最显著特征的方向性这个简单概念，非稳定环形谐振腔和稳定环形谐振腔之间的差异更为丰富也更为复杂。例如，在稳定环形谐振腔中，谐振腔中任何位置的向前波和向后波的模直径和两种波的总模体积是相同的。然而，在非稳定环形谐振腔中任何位置的向前波和向后波的模直径和这两个相反方向传播波的总模体积一般是不相同的。为便于说明，假定非稳定环形谐振腔是共焦和非对称的。对于本讨论，共焦是指无论是向前波还是向后波都是以平行输出的形式从谐振腔取出这一事实。在本实例中非对称是指光束扩展光学器件之间距离的大于(或小于)周边的其余部分的这一事实。对于这种共焦非对称的例子[10]，谐振腔仅在一个环形方向是共焦的。重提一下，“这种方向上的非对称性只可能在[非稳定]环形谐振腔中实现”[19，p839的28、29行]。因此，要完整和明确地叙述非稳定环形谐振腔的模态性质，必须将非稳定环形谐振腔与稳定驻波、稳定行波谐振腔以及驻波非稳定谐振腔完全分开讨论。因此，对于通过采用各种类型的的对称孔径或混合式非稳定谐振腔来主张新颖性的发明来说，这样的发明不能被称为包括非稳定环形谐振腔，除非专利本身特别地包含了关于如何有效地抑制其中一个非稳定环形模式方向的讨论。同样，应对这样的问题进行讨论什么样的未被抑制的行波模若保持不被抑制会与激光增益介质有关，因为未被抑制就代表存在一个有效的激光功率出射的方向。在这一点上，美国专利5097479[23]通过说明用于具有板条形CO2激光介质的、在一个双镜、分叉的非稳定环形谐振腔中对其中一个方向的行波进行抑制，附和了上述观念。同样，美国专利3824487[10]也符合这一要求，因为它同时讨论了反向波和根据大体积增益介质对未抑制波进行调节。在另一方面，美国专利4719639[24]和5048048[25]与此不符，因而它们的效用基本上自我局限于混合式驻波非稳定谐振腔几何结构之中。正如本申请所公开，在一个横向尺寸上具有行波非稳定谐振腔模和在正交的横向尺寸上具有波导模或是自由空间高斯模的激光器可以理想地用于与具有伸长的横截面的任何类型的增益介质进行有效的耦合。当然，这样做的前提是假定其中一个非稳定环形振荡方向能被有效地抑制。假如这样，本发明便可以在从紫外线到红外线的光谱范围内在激基、离子、分子、固态、液态和自由电子激光介质发射方面被加以利用。可以使用射频的、直流的、电子束的、非相干光的、相干光的或自由电子光源或是这些光源的组合对这些介质进行激发。3.对射频波导和板条激光器的现有技术的描述尽管对本发明的用途没有限制，本发明特别适用于具有矩形放电几何结构的大功率CO或CO2激光器。一般地说，矩形放电几何结构是指横向放电的横截面被伸长，而放电在绝大多数情况下或建立于较短的横向尺寸(板条装置)或建立于较长的横向放电尺寸(薄片式装置)上。对于薄片式装置存在一种独立情形，其中可以垂直于伸长的横向孔径建立放电。在所有这些情况下，较长的横向尺寸与较短的横向尺寸之比很大，使得较长的横向尺寸能支持在这个较长的横向尺寸上的行波非稳定谐振腔模。由于伸长的横截面，这样的激光器可有利地用于两个不同的横向尺寸具有不同功能和传播特性的光谐振腔。在[26]中使用板条钕玻璃激光器首次对这种几何结构的光谐振腔进行了实验研究。该腔由一个平面镜和一个凸面圆柱镜构成，使得谐振腔沿板条的较长横向尺寸上(240mm)是非稳定的，而在较短的横向尺寸(20mm)上等同于一个Fabry-Perot谐振腔。因此，类似的谐振腔被称为混合式谐振腔[27]。因而本发明特别适用的两种混合式谐振腔类型，其较短的横向尺寸的场通过①波导模或是②自由空间高斯模来进行描述，而其较长的横向尺寸中的场则通过非稳定谐振腔模进行功能描述。在本发明一优选实施例中，可以将其公开的光学配置用于如在[24]公开的‘639的“板条”放电几何结构和在‘663[28]中公开的“薄片式”放电几何结构的大功率碰撞冷却的波导气体激光器中。由横向高频放电激发的板条波导激光器包括由两个平行放置且相对的伸长电极的反射表面构成的波导。电极由对激光辐射具高反射率的材料制成，以确保在波导中辐射损耗较低。电极之间的间隙充有气体增益介质，当高频激发功率加在电极上时，在气体介质中产生横向放电以激发气体增益介质。构成驻波激光器谐振腔的反射镜放置在由伸长电极表面构成的波导的两端附近。除了通过放电激发气体和用作光波导的上下壁板以外，电极还可作为冷却部件，将热量从气体中移除。为了确保为放电进行足够的碰撞散热，电极由高导热率的材料制成。此外，电极之间的间隙做得很小，一般不超过几毫米。在这种放电中的电场基本上垂直于冷却部件表面，并基本上沿着增益介质横截面的高度定向。这样的激光器的典型例子是高频激发的CO2[29、30]、CO[31]和Xe[32]波导激光器。在‘663[28]中公开的“薄片式”激光器放电几何结构的特点也是气体增益介质由高频放电激发，并具有一个尺寸较短而一个尺寸较长的伸长的横截面。与波导激光器区别之处在于其放电区域由垂直于较短的横向尺寸所建立的放电电场确定。在薄片式激光器中，放电被限制在一对近距离放置的非导电冷却部件之间。这两个冷却部件被布置成彼此相对，使得其相对表面之间的间隙不仅小到足以为填充在间隙中的气体提供碰撞冷却，而且适合于在非导电表面之间引导激光。因此，由这样放置的电极系统激发气体中的放电，使得放电室中的电场基本上平行于冷却部件表面，即横向地指向增益介质横截面的顶端(较短的一边)。正如在‘663[28]中所公开的那样，“薄片式”激光器与传统的波导激光器相比具有一些优点。这些优点包括彼此独立地选择和优化放电压强和激发频率，将射频的和直流的放电激励源结合使用的可能性和靠近电极的边界层的慢化效应，等等。类似于板条装置，薄片式放电几何结构与CO、CO2、Xe以及其它气体激光器介质相关。显然，在1987年初提交关于板条几何结构申请‘639[24]之前已经在1980年通报了[33]具有微波和射频几何结构的小孔径横向射频放电装置和在1984年通报了[34]带状线(stripline)几何结构。之后在现有技术的基础上，由于申请专利的目的，板条激光器被限制于两个横向放电尺寸中的较短尺寸中的波导运行，和在较长尺寸的非稳定谐振腔运行。在板条波导几何结构中，沿相对电极表面传播的光模完全由电极表面和其相互位置决定。在另一方面，在‘663[28]和‘256[35]中公开的薄片式几何结构是首次在专利申请中公开的一种全新的横向放电结构。因此，薄片式几何结构是一种可以应用一组更为广泛的混合式谐振腔类型的几何结构。例如，关于薄片式几何结构[32、35]的、用于“薄片式”激光器中的术语“光波导”具有比波导更为广泛的含义。因此，在薄片式几何结构中的光传播可以是在板条装置中的波导或是与薄片式小室侧壁无任何相互作用的腔内辐射传播。一个这样的例子是在小横向薄片尺寸中的腔内模式不接触侧壁，因而在功能上最好被称为自由空间高斯模。这种情况发生稳定谐振腔中，在这种谐振腔中，激光束由谐振腔镜面进行限制，且激光束不接触光波导的侧壁，因为对于这种类型的腔内模式传播侧壁不是边界条件。在本公开中，术语“光波导”具有更为广泛的意义，应注意到它包括从波导模到高斯激光束的自由空间传播的所有光传播模。为了在传统的对称孔径波导激光器中增加增益介质体积和激光器输出功率，同时保持小的电极间隙，在美国专利No.4719639[24]中提出了具有与水平面平行的、宽度远大于电极间隙的伸长电极的大孔径波导激光器。在这种激光器中，反射激光辐射的电极表面构成宽度较大的光波导的上下壁.其中在电极之间传播的辐射仅在垂直于电极表面的方向受到该波导的限制。该波导在平行于电极表面的方向上是开放的，因此，沿波导传播的激光束可以在这些方向上进行两种相反方向上的扩展，便如同在自由空间中一样。构成具有M＞1的放大倍率的正支驻波非稳定谐振腔的一个凸面和一个凹面共焦反射镜被配置在波导末端附近。激光束每次从该谐振腔的一面镜到达另一面镜并返回原镜时，便在两个相反方向上被放大了约M倍。在该谐振腔中，电极表面没有约束激光束，从而，后者便如同在自由空间中一样被扩展。为了在具有这种谐振腔的激光器中仅形成一个具有实心的即充实的横截面输出光束，通常将镜面以某种方式放置，使得由它们构成的非稳定谐振腔的轴被偏移到电极间隙开口侧附近。在谐振腔外部，输出光束被从电极间隙的另一侧，特别是靠近凸面镜与光波导横截面的一部分发生重叠的边缘部分进行耦合。谐振腔的这种“等分”结构使得即使对于宽度较大的电极，在激光器出口处也能形成具有近似于矩形的实心横截面的光束，在两个方向上接近衍射极限发散度。较大的电极宽度激发了较大的增益介质体积，因而，它提供了大功率的激光输出。然而，已知具有较低放大倍率M的正支非稳定谐振腔的伸长放电孔径的激光器对谐振腔镜面位置未对准，尤其是对它们的角度位置在平行于电极的平面中发生的变化以及在同一平面中的楔形光学不均匀性极为敏感。这种不均匀性通常形成于处于放电激发下的激光增益介质中。由早期发表的文章[6、7]看来，这种情况对于传统的非稳定谐振腔来说并不是未曾预料的。在板条或薄片式CO2激光器中放大倍率M一般不超过1.2至1.5。因此，假如没有采取特别的措施来增加结构的刚性和改善增益介质的光学不均匀性，那么在这种激光器的谐振腔内镜面的未对准和增益介质不均匀性将导致辐射模结构的明显变形。而这将造成在大多数应用中无法忍受的输出功率大幅下降，激光束发散度变差和输出光束的角度偏移。而采取措施解决这些问题又会增加激光器的成本。为板条激光器领域一般技术人员熟知的是，若正支非稳定谐振腔轴偏移至电极间隙的一侧，将导致谐振腔结构从全谐振腔结构变为半谐振腔结构。然而，一些腔内辐射会从偏移轴所在的电极间隙侧逃逸出去，这是不能让人满意的。因此，尽管谐振腔轴的这种偏移导致基本上形成了一个实心横截面的输出光束，而不是两个彼此分隔的输出光束，然而，获得这个优点是以迫使一些辐射从谐振腔的上上述一侧逃逸，使得它们不能被加入到有用的输出光束之中为代价的。这使谐振腔遭受了一定的辐射损失，从而降低了激光器的总体效率。更糟的是，通过杂散反射这些辐射可能被不经意地耦合回想要的腔内模式，迫使不想要的更高阶模也进行对整个增益介质体积即激光器输出的争夺。为了克服这些难点，美国专利No.5048048[25]公开了一种用在放电孔径的宽度上具有M＜-1的放大倍率的负支线性非稳定谐振腔的方法。所公开的共焦几何结构由两个在谐振腔内具有公共焦点而曲率半径不同的凹面镜构成。由于在两个凹面谐振腔镜面的共焦平面处发生的左右反转，该共焦负支几何结构可以提供单侧实心输出光束。在每次通过焦点(激光束的焦点腰)时，沿负支非稳定谐振腔的镜面之间的波导传播的激光束在横截面处将发生反转，使得在经过焦点后，在谐振腔轴(它是两个镜表面的公共法线)的一侧传播的激光束光线将出现在谐振腔轴的另一侧。由于激光束光线交替地经过谐振腔轴的其中一侧和另一侧，对于|M|(1.2-1.5)的量级由谐振腔镜面在平行于电极的平面中发生角度偏移造成的未对准被有效补偿，同样得到有效补偿的是增益介质中的楔形光学不均匀性，这使得谐振腔对这种未对准和光学不均匀性仅具有微弱的敏感性[6、7]。为了从‘048[25]中的负支混合式非稳定谐振腔得到辐射的单侧耦合，为其中一个谐振腔镜面选择了合适的尺寸，使得在平行于电极反射表面的平面中从谐振腔轴到该镜的对边之间的距离相差|M|倍以上。而为另一个谐振腔镜选择了足够大的尺寸，使得它不会限制光束在波导中的扩展。在下一次经过谐振腔时，沿谐振腔在其轴线的与将辐射耦合输出的一侧相对的那一侧传播的辐射被反射到激光束离开的那一侧，并作为有用的输出光束被耦合输出。结果，尽管激光束在谐振腔内的两个相反方向进行自由扩展，但激光器输出的辐射是一种仅在其中一侧离开的、具有实心横截面的激光束。因而，与正支等分非稳定谐振腔相比，负支非稳定谐振腔中存在的焦点腰减少了在谐振腔中产生的辐射的被动损耗。而在正支等分非稳定谐振腔中，在两个相反方向的光束扩展不可避免地在与有用的输出光束被耦合输出的一侧相对的那一侧产生被动的功率损耗。然而，由于高的局部束功率密度，负支非稳定谐振腔中增益介质内存在的焦点腰可能导致在增益介质中出现不希望的非线性效应和气体击穿，尤其在大功率脉冲激光器中更是如此。此外，这种谐振腔中增益介质体积的使用效率比在正支谐振腔中的使用效率低，因为在增益介质中被非均匀地加注了激光束。往往通过一个额外的镜面将谐振腔光轴进行对折来减小激光器尺寸，但在这种结构中也很难做到，因为被放入负支谐振腔的使其光轴对折的镜面将因过于靠近焦点腰而无法承受可预期的大激光功率级上的强烈照射。而且，负支非稳定谐振腔的镜面应当具有较大的曲率。确实，镜面的曲率半径应该与镜面之间的距离处于同一量级。结果，为了减小这些镜面的曲率对在波导高度方向上即沿电极表面法线方向的场分布产生的影响，必须使用在两个互相垂直的方向上具有不同曲率的复杂形状的镜面，或者为波前匹配采取特别措施，从而在谐振腔中引入了额外的损耗，正如在美国专利5123028[36]中所公开的那样。此外，若电极宽度显著增加，则大曲率镜面的宽度的增加会伴随有球面像差的快速增长，从而激光束的发散度也会明显的增大，这也对在大功率波导激光器中使用负支非稳定谐振腔造成了障碍。确实，虽然在‘048[25]中的图4表明了负支结构相对于正支设计的一个优点，但是值得注意的是，其功率级也相对较低。当时已有一些迹象表明在几千瓦的输出功率级上，在CO2板条激光器中发生可能由共焦镜面对的焦点区处的气体受热或其它非线性效应引起的明显的激光束转向。美国专利No.5097479[23]提出了一种具有正支环形非稳定谐振腔的大孔径波导气体激光器，该谐振腔具有促使光在谐振腔内发生单向振荡的装置[23，图10，元件80]。所实施的这种波导气体激光器是加于一对相互间隔的电极之间的高频电源抽运的。所公开的环形谐振腔只用两个腔内镜面，这就是为什么一个完整的环形谐振腔往返须依赖于精确弯曲的分叉波导结构中的一系列分布式反射。在这种分叉双波导结构中形成了具有闭合轴线轮廓的非稳定环形光谐振腔，以能从中抽取具有实心横截面的输出光束。在‘479[23]中描述的环形谐振腔是将通过将两个邻近的光波导结构的两个经过精确弯曲的分支在光学上合并为一个光学单元而构成的。该经过精确弯曲的分叉的波导结构的每一半通过位于末端的一对镜面被相互光学耦合在一起，以指引激光束从一个波导分支进入另一个波导分支并入射在镜面上。结果，每个镜面将入射在其上的激光束转移至垂直于电极表面的那个平面内。因而，一对镜面和两个经过弯曲的波导分支构成了激光器中具有闭合轴线轮廓的环形谐振腔，且该闭合轴线轮廓位于基本上以直角与电极表面相交的、其彼此相对的侧面朝向波导的开口侧末端的平面内。在该平面内以这种方式构成的环形谐振腔提供了一种紧凑的激光器设计方案，因为与它们的宽度和长度相比，这些波导分支的高度较小。然而，由于任何种类的行波谐振腔均不能仅用两个镜面构成，该环形谐振腔的光路必须依赖于两个波导分支的适当、精确和相等的曲率。显然，在两个弯曲的分叉波导分支中的连续反射将显著增加腔内的光学损耗，并且极大地增大了激光器制造工艺的机械复杂程度。若考虑到射频抽运的板条激光器中的一个电极须处于增高的射频电位，这一点尤为明显。总而言之，只使用两个腔内环形镜面看似简单，但必须将这一点与沿两个弯曲的波导分支实现非常低的分布光学反射损耗的要求带来的复杂性放在一起综合衡量。在实现非常低的分布损耗的同时要防止处于升高电位的射频电极与接地的射频电极发生短接。而且，为了从上述的正支环形非稳定谐振腔中取出单侧激光束，须将这种谐振腔的轴线轮廓适当地偏移，使得它经过电极间隙的其中一个开口侧附近。正如从‘479[23]光路图中可以看到的那样，因为它只使用两个腔内光学元件，这种混合式环形谐振腔方案不能用于单个平面波导或单平面导波结构。而且，因为分叉波导结构，无法将这种环形谐振腔制成非对称结构。因为‘479[23]中的行波非稳定谐振腔在其腔内没有焦点腰，从而只能通过将轴线轮廓偏移到电极间隙的其中一个开口末端附近，来从激光器取出单侧衍射输出光束。因此，这种激光器具有与带有正支等分线性非稳定系统的板条激光器相关的所有缺点。这些缺点中包括对谐振腔镜面未对准和增益介质中的楔形不均匀性的高度敏感性，以及当以单激光束形式取出有用的辐射时发生在谐振腔轴线轮廓所偏向的谐振腔一侧的被动辐射损耗。如果有什么区别，那就是‘479[23]中的分叉波导行波非稳定谐振腔系统中增加了而不是消除了其它单板条混合式谐振腔板条装置的复杂性。
发明内容应用于大功率的、高频抽运的、碰撞冷却气体激光器中的本发明的首要目标是提出一种混合式非稳定环形谐振腔系统，该系统对激光器谐振腔镜面未对准和增益介质中的楔形光学不均匀性的敏感度较低，且在以具有实心横截面的光激光束的形式从谐振腔耦合输出辐射时其被动功率损耗有所减少。这个目标在高频抽运的一种碰撞冷却气体激光器中得以实现，该碰撞冷却气体激光器包括一对冷却部件，每个冷却部件的伸长表面彼此相对，使得在上述表面之间的间隙中形成用于光辐射传播的光波导；位于上述间隙中的、由对其供电的高频电源提供的放电进行激发来产生激光辐射的激光气体，和一些镜面形成了用于在上述光波导中形成一种激光束的、具有闭合轴线轮廓的行波环形谐振腔。根据本发明，上述镜面被按照一种特定的方式放置，使得上述谐振腔的上述轴线轮廓基本上处于形成用于光辐射的上述表面之间的、且其彼此对立的两侧与冷却部件的上述表面相对的平面内，冷却部件上述行波环形谐振腔在上述平面内是非稳定的，使得在上述谐振腔中扩展的一部分激光束以一种具有实心横截面的输出光束的形式从激光器中耦合输出，并且通过选择上述镜面的数量和曲率，使得任何属于上述激光束的、并沿上述处于谐振腔的轴线轮廓内的光波导进行传播的任何光线在经过往返一圈以后出现以在谐振腔的上述轴线轮廓外进行传播，而属于上述激光束的、并沿处于谐振腔的上述轴线轮廓外的上述波导传播的任何光线在往返一圈后出现以便在上述轴线轮廓内进行传播。将环形谐振腔的闭合轴线轮廓配置在处于冷却部件表面之间的平面内意味着，环形谐振腔的每一镜面在上述平面内将其反射的激光束进行转向。每次这样转向的结果是，沿谐振腔闭合轴线轮廓内侧的光波导传播的这部分激光束出现在轴线轮廓外，反之亦然。由于每一个镜面(适当地选择数量和曲率)对激光束的这种转向，沿谐振腔的轴线轮廓内的光波导传播的激光束的任何光线在谐振腔内完整往返一圈以后将出现在谐振腔的轴线轮廓外。相反地，沿谐振腔的轴线轮廓外的波导传播的激光束的任何光线将出现在谐振腔的轴线轮廓内，即经过的、距谐振腔轴线轮廓一定距离的任何光线在谐振腔内往返一圈以后将切换到相对于上述轴线轮廓的一个对称位置，且在该轴线轮廓所处的平面内激光束如同在自由空间中一样扩展。因此，所提出的行波环形谐振腔交替地在环形谐振腔轴线轮廓两侧为处于上述平面内的激光束提供了通道。环形谐振腔轴线轮廓在处于冷却部件表面之间的平面中，或基本处于此平面内，是正支非稳定环形谐振腔用中减小谐振腔中在该平面内的楔形扰动的谐振腔敏感度的必要条件。假如谐振腔轴线轮廓处于横向平面内，即垂直于冷却部件表面的平面内，如在根据美国专利No.5097479[23]实施的、具有非稳定环形谐振腔的激光器中，谐振腔镜面提供的激光束反射并不会在其进行自由扩展的平面内提供对该激光束的这种反转，而这种反转对于减小谐振腔对在该平面内的楔形扰动的敏感度是必须的。由于激光束光线交替地经过环形谐振腔轴线轮廓两侧，按照这种发明实施的激光器为由谐振腔镜面在处于冷却部件之间的平面中的角度偏移引起的未对准提供了补偿，也为在上述平面中偏向一侧的、增益介质中的楔形光学不均匀性提供了补偿。因此，与已知的正支混合式激光器设计比较，所提出的激光器对这种谐振腔镜面未对准和光学不均匀性相对地不敏感。在已知的正支混合式激光器中，环形非稳定谐振腔的轴线轮廓位于与电极表面垂直的平面内，因此，它未降低定向在对在激光束自由扩展的平面内的激光束楔形扰动的敏感度。此外，由于激光束光线交替地经过环形谐振腔的轴线轮廓两侧，在所提出的激光器中，具有实心横截面的输出光束仅在轴线轮廓的一侧耦合输出，尽管在谐振腔中激光束的激光束自由扩展发生在不受电极表面限制的两个相反的横向上。例如，沿着谐振腔内边缘即轴线轮廓的内侧传播的这部分激光束在完整往返一圈以后出现在谐振腔外侧，且激光束可以作为有用的输出光束被耦合输出。而且，实际上消除了在轴线轮廓内侧的被动功率损耗。因此，根据本发明，与已知的正支环形非稳定谐振腔相比，其谐振腔的被动功率损耗得到了减小。在已知的正支非稳定谐振腔中，其轴线轮廓位于垂直于电极表面的平面内，因此，沿电极表面两个相反方向进行的光束扩展导致了在激光束靠近谐振腔的某边缘处的被动功率损耗，该边缘正对着具有实心横截面的输出光束耦合输出的那一侧。与具有负支线性非稳定谐振腔的板条型波导激光器相关的一种现有技术相比，如本发明所述，使用具有轴向环形轮廓的正支行波谐振腔能交替地为激光束光线在轴线轮廓的两侧提供通道。值得注意的是，无需在谐振腔中配置焦点腰便能实现这一点。因为根据本发明实施的激光器不需要使用焦点腰，这种激光器就不会遭受由焦点腰引起的不希望的非线性效应和增益介质击穿。而且，正如本发明所指出的，由于腔内辐射通量更均匀地填充于介质中，对增益介质的使用变得更具有体积效率。这里，通过折叠激光器谐振腔光轴来减小激光器尺寸的做法也得到简化。此外，无需使用大曲率的球面镜和采取相应措施来减小这些镜面对在波导高度方向上的场分布产生的有害影响。在所提出的激光器的优选实施例中，构成上述行波环形谐振腔的上述镜面的数量是奇数，且它们的曲率使得在上述波导中传播的激光束不具有焦点腰。假如激光束不具有焦点腰，为使它在完整往返一圈后被反转，构成环形谐振腔的镜面数量必须是奇数。根据本发明，在构成上述行波环形谐振腔的上述镜面中仅需一个为凸面镜，以提供非稳定谐振腔的需要的放大倍率。在本实施例中，为了简化激光器结构并降低成本，构成环形谐振腔的其它镜面可为平面镜。在本发明的另一实施例中，上述非稳定环形谐振腔中的一个镜面可以是凸面镜，另一镜面可以是凹面镜，而其余镜面为平面镜。可以看出，使用具有至少一个凸面镜和一个凹面镜的环形非稳定谐振腔更容易在激光器输出处提供理想的波前曲率。与根据现有技术‘479[23]制造的板条激光器比较，在所提出的激光器的优选实施例中，冷却部件的上述表面基本上是平坦的，并且被平行放置。与包括弯曲波导分支的激光器相比，这样做显然简化了激光器的设计和制造，并提高了效率。这是显而易见的，因为在激光器中使用弯曲波导分支将迫使波导模场朝向其凹表面面对放电间隙的电极增强，其结果是位于彼此相对的电极附近的这部分受激增益介质的使用效率较低。在所提出的发明的优选实施例中，从构成谐振腔的各镜面边缘到镜面与上述轴线轮廓的交点的距离，使得能以具有实心横截面的、位于上述镜面之一的边缘附近的单一激光束形式从谐振腔耦合输出光束，并以此限制了激光束在谐振腔中的扩展。然而，在本发明的其它可能的实施例中，上述谐振腔可以包括一种装置，该装置能将由谐振腔镜面形成的激光束边缘附近的一部分辐射进行偏转，以提供谐振腔的上述部分辐射的耦合输出，并以这种方式限制激光束在谐振腔中的扩展。所提出的激光器的优选实施例包括用于为两种可能的相反方向之一的方向上占优的沿环形谐振腔的辐射传播提供有利条件的装置。这样的装置允许在行波激光器谐振腔中产生基本上为单向的激光，从而提供了在单一的密集输出光束中获得激光束最大辐射功率的可能性。为上述相反方向中的一个方向上占优的辐射传播提供有利条件的上述装置可以包括一个反馈(反像)镜，将反馈反射镜以一种特定的方式放置，使得它基本上不影响在谐振腔中沿上述两个方向中第一方向传播的辐射，但是它至少反射一部分在谐振腔中以与上述第一方向相反的第二方向进行传播的辐射，使得该部分辐射沿第一方向在谐振腔中传播。在本发明另一可能的实施例中，其中一个谐振腔镜面可以有一个小孔，该小孔中心位于上述镜面与上述轴线轮廓的交点，为两个相反方向中的一个方向上占优的辐射传播提供有利条件的上述装置包括一个安装在上述小孔后部的反馈反射镜，使得该镜经过上述小孔将至少一部分沿第二方向传播的辐射反射到第一方向上沿谐振腔进行传播。由于反馈反射镜，在以两个相反方向的传播波之间便建立了一种耦合，而这导致其中的一个波得到了额外的放大。在激光形成阶段，处于谐振腔中增益介质内的模式竞争配置为激光束在第一方向上占优进行传播提供了有利条件，从而激光器开始基本上以一种单向行波的模式运行。在本发明的另一个实施例中，来自较小功率的激光器的功率可以被注入到比其功率大得多的装置之中，使得小功率装置发出的相干光可以控制大功率器件的波长。在一种配置中，来自小功率器件的输出可以以与大功率输出耦合反射镜相反的功率方向注入到后者，或者在另一种配置中，小功率辐射可以通过其中一个非稳定环形谐振腔镜面上的一个小孔注入大功率的谐振腔。在本发明的任何这些实施例中，小功率装置与从大功率装置中取出的任何功率在方向上是隔离的。之前一般讨论的实施例中的光波导参数可以是不同的，从而，光波导中的光传播模也可以是不同的。在一些实施例中，上述行波环形谐振腔在垂直于谐振腔轴线轮廓所在平面的方向上是稳定的，使得激光束实际上没有受到冷却部件表面的引导。在一些其它实施例中，将所述冷却部件可配置成，使它们在上述光波导中确定一种光的波导传播模。附图的简要说明本发明由以下图1是根据本发明制造的碰撞冷却气体激光器实施例的其中一个变型的透视图。图2是透过图1所示的碰撞冷却激光器的电极间隙得到的截面顶视图。图3示出了根据本发明制造的碰撞冷却气体激光器实施例的另一种变型。图4示出了根据本发明制造的碰撞冷却气体激光器实施例的另一种变型。图5a和5b说明了在根据本发明制造的碰撞冷却气体激光器中提供单方向激光的其中一个可能方案。图6示出了根据本发明制造的碰撞冷却气体激光器的实施例的另一变型，它具有5个镜面。为更清晰地表示本发明的思想，附图未按比例绘制。公开实施例的说明图1中示出的具有高频横向抽运的碰撞冷却气体激光器包括一对由间隙3间隔的冷却部件1和2冷却部件，在间隙3中充有气体增益介质(图中未示出)，例如，它可以是包括CO2、N2、He和其它气体的波导型CO2激光器的一种典型气体介质。在传统的板条波导激光器中冷却部件同时用作电极。在“薄片式”激光器中放电由额外的电极(图中未示出)来进行抽运。位置相对的冷却部件1和2表面彼此距离足够近，从而形成用于传播光辐射的光波导。其电极被连接到为气体介质提供高频抽运功率的高频发生器(图中未示出)。也可以在冷却部件1和2中附加冷却装置(图中未示出)，以增强冷却部件的散热。每个冷却部件1和2的外部轮廓呈顶角被削平的三角形，在靠近削平的顶角处和与间隙3外缘直接相邻的位置放置了镜面4、5和6，这些镜面构成了一个正支环形行波非稳定光谐振腔，该谐振腔所具有的闭合轴线轮廓处于从冷却部件1和2表面之间穿过的、且其相对两侧分别面向冷却部件1和2的表面的平面内。如图2所示，为形成行波环形光谐振腔，将镜面4、5和6相互之间按一种特定的方式放置，使得它们包围了一个三角形轴线轮廓(由虚线表示)。这个三角形轮廓每个角的角平分线(由虚线表示)同时垂直于镜面表面，使得对于每个镜面，其轴向光线在镜面表面的入射角等于其反射角。图1和2中示出，谐振腔的轴线轮廓位于到构成光波导的冷却部件1和2的相对表面距离相等的中平面内。正如从图1和2可以看到的那样，与现有技术的线性非稳定谐振腔设计相比，通过在处于冷却部件之间的单一平面上配置一个闭合的环形谐振腔轴线轮廓，在冷却部件面积相等的情况下，可以提供更为紧凑的谐振腔设计。而且，因为激光束在处于冷却部件1和2的表面之间的单一平面上的传播不受任何限制，使得在这个平面上额外偏转激光辐射和遭受由现有技术中的弯曲波导壁引起的严重的分布式反射损耗基本上变得不可能。因此，与在‘479中公开的、使用两个镜面、两个复杂而又精确的弯曲波导平面以及沿四个弯曲波导表面进行的分布式反射来完成穿越环形谐振腔的一个来回的现有技术相比，本发明使用三个镜面和仅一个简单的谐振腔轴线轮廓来完成穿越谐振腔的一个来回。通过消除沿两个精确弯曲的波导表面进行的分布式反射，并将其用来自单一腔内光学器件的反射代替，本发明的腔内损耗明显比现有技术的具有两个镜面的环形谐振腔概念的腔内损耗小。而且，即使在由三个镜面组成的环形谐振腔中，本发明也允许谐振腔的光束扩展部分是由如图2中的镜面5和6组成的。这使得本发明的环形可做成共焦非对称型。而这在‘479[23]现有技术的两镜面对称结构中是不可能实现的。最后，在本发明中不需要现有技术的线性非稳定谐振腔中必要的腔内焦点区便可以实现腔内辐射的左右反转。对于图2所示的要成为正支非稳定环形谐振腔的行波环形光谐振腔来说，将本发明实施例的此变型中的镜面4选定为凸面镜，而将镜面5和6选定为平面镜。凸面镜4可以是球面镜，通过选择其曲率半径R，以为非稳定谐振腔提供一个最优的放大倍率M。对于在凸面镜上足够小的光束入射角，可以由下列表示式确定图2中示出的环形谐振腔的放大倍率(约等于在此环形谐振腔的一个来回中达到的、处于波导中平面内的横向激光束尺寸的放大倍率)M=RL+L2+LRL+L2-L,]]>式中L为谐振腔轴线轮廓长度的一半。通常选定非稳定谐振腔放大倍率M，以提供从激光器增益介质中抽取能量的最优效率。可以通过采用用于计算波导气体激光器中的非稳定谐振腔参数的熟知方法来确定M的最优值。例如，对于典型的具有2mm电极间隙、3.5m长轴线轮廓和81MHz抽运频率的碰撞冷却波导CO2激光器，M的最优值大约在1.3-1.4之间。选定从谐振腔轴线轮廓与构成谐振腔的每个镜面4、5和6的表面的交点到这些镜面边缘的距离，以在靠近其中一个镜面的边缘处，如镜面6的边缘6a处以具有实心横截面的单一激光束形式将辐射从谐振腔中耦合输出，从而限制了激光束在谐振腔中的扩展。例如，镜面4、5和6沿冷却部件表面的法线的尺寸远大于间隙高度，以防止激光功率越过镜面边缘而发生泄漏。选定镜面6在上述法线的横向上的尺寸，使得在波导中平面测得的、从谐振腔轴线轮廓与镜面6表面的交点到该镜面的第一边缘6a的距离小于从上述交点到该镜面的第二边缘6b的距离，至少小M倍。其它镜面4和5在上述横向上足够大，使得在谐振腔中传播的和入射在这些镜面上的激光束不会在它们的边缘溢出，即这些边缘不会限制谐振腔中的光束扩展。图1所示的激光器也包括用于提供在两个相反的谐振腔往返方向中的一个方向上占优的辐射传播的装置，在此特例中，是顺时针方向。为此目的，在处于谐振腔轴上的镜面4上开有小孔8(对于CO2激光器，小孔直径一般为1mm)。为小孔8选定一个方向，使得对从镜面5到镜面4的、即处于逆时针的谐振腔往返方向上的一部分谐振腔轴线的延伸穿过了该小孔。在镜面4的另一侧，小孔8后放置了一个用于截取上述一部分谐振腔轴线的延伸部分的、且垂直朝向于该延伸部分的小型平面反馈反射镜9。将反馈反射镜9进行适当的排列，使得沿环形谐振腔逆时钟方向传播的、经过小孔8的波被镜面9反射后又通过小孔8返回谐振腔传播，并在腔内与谐振腔中顺时钟方向传播的波进行相加。图1和2所示的激光器还包括用于将输出的激光束偏转至所希望的方向上的一种装置，该装置由一个平面镜10和用来为激光束的波前提供所希望的曲率的一个凹面镜11构成。图1和图2中所示的激光器仅用于说明目的。在本发明实施例的其它变型中，构成环形谐振腔的镜面中包括的凸面镜可以超过一个。谐振腔镜面中一个或多个镜面可以被制成凹面镜，以平坦输出光束或将所希望的曲率提供给激光束的波前。根据本发明制造的激光器中用于构成行波环形谐振腔的镜面数量可以超过三个。例如，在图3中示意性地示出的波导气体激光器中，构成环形谐振腔的镜面数量是四个，其中镜面12和13是凹面镜，而镜面14和15为凸面镜。在图6中示意性地示出的碰撞冷却气体激光器中，在行波环形谐振腔中的镜面数量是五个(镜面21至25)。选定这些镜面的曲率和尺寸，使得在位于冷却部件的表面之间的平面上非稳定的环形谐振腔具有需要的放大倍率，并且谐振腔内部的辐射场分布使得增益介质26中较为均匀地充满了激光辐射。在如图6所示的变型中，镜面21和24是凸面镜，镜面22和23是凹面镜，而镜面25是平面镜。同样值得注意的是，如相应的附图所示，在构成环形谐振腔的镜面中，至少有一些可能并不构成单独的完整元件，而是构成某公共镜面的一部分。此外，除了镜面以外，环形谐振腔还可以包括用于构成这种谐振腔的其它公知元件。冷却部件1和2不一定必须是平行的平面。例如，冷却部件1和2的表面可以在与垂直于光波导壁的一个平面内被以正负的曲率弯曲，并经过轴线轮廓的截面。如本发明实施例的上述变型那样，在这种情况下谐振腔的闭合轴线轮廓仍然基本上处于一个平面内，正如在本发明实施例上述变型中的情况那样。在本实施例的其它变型中，冷却部件之间的距离可以根据横坐标而发生变化，以控制光波导对称的中平面上的光束波前曲率。同样显而易见的是，行波环形谐振腔的轴线轮廓在一定限度内可以偏离处于冷却部件表面之间的中平面，只要这种偏离不会明显地降低激光器输出参数。冷却部件也可以由几个彼此分开的部分组成。正如在由射频抽运的板条波导激光器或薄片式导波激光器的技术中所熟知的那样，当冷却部件被用作电极时，抽运功率可以被彼此独立地分别施加在其中的每一部分上。如图1至3所示，将激光功率从谐振腔中耦合输出不一定必须在其中一个镜面的边缘附近进行。例如，在图4中示意性地示出的、根据本发明原理制成的碰撞冷却气体激光器中，谐振腔是通过以镜面16的形式存在的、单独的装置将激光束从谐振腔耦合输出的，镜面16位于谐振腔轴线轮廓的外侧。不需要谐振腔镜面上的小孔便能在行波环形谐振腔中提供单向激光。例如，在图5a和5b中示意性地示出的碰撞冷却气体激光器实施例中，反馈反射镜17被放置在谐振腔输出镜面的后部、靠近该镜的边缘的位置，并处于谐振腔中沿顺时针方向传播的波的阴影区之中。同时，将反馈反射镜17进行合适的排列，以便将以逆时针方向传播的入射波反射回谐振腔。在本发明实施例的这一变型中凸面镜4被用作输出镜，在该镜边缘附近激光束被耦合输出。在图6中示意性地示出的实施例变型中，另一种可能的反馈设计是在反馈路径中设置中间镜面27和屋顶形反射镜28。如图6所示，镜面21的抛光侧表面被用作镜面27，以便将由适当放置的屋顶形反射镜28反射来的以逆时针方向入射的辐射20返回谐振腔。为运行如图1和2所示的碰撞冷却的行波环形激光器，由外部发生器供给的高频抽运功率通过放电来激发气体增益介质。在传统波导激光器的场合，该过程通过由导电材料制成的、并用作电极的冷却部件1和2来实现。为了不抽运未注入腔内辐射的区域并提高激光器效率，可以在其中一个电极上形成凹部7，以阻止在凹部的放电激发。为运行图1和2所示的具有行波环形谐振腔的“薄片式”激光器，在另外的电极(图中未示出)上施加高频抽运功率(或其与直流功率的组合)。在这两种情况下，抽运时，增益介质中产生在冷却部件1和2的相对表面之间形成的波导(光波导)中传播的光辐射。与环形谐振腔的轴线轮廓方向相重合的辐射被引导着沿上述轮廓在一条闭合的轨迹中运行，并在气体介质中被放大，而这导致了激光束在谐振腔轴线轮廓附近激光束的自激发。当沿非稳定环形谐振腔传播时，由于凸面镜4的曲率，每次激光束沿谐振腔往返一圈后，其宽度在冷却部件的中平面(处于图2所示的平面中)中便增大M倍，即激光束如同在自由空间中一样扩展。在垂直于冷却部件1和2表面的方向上的光束扩展受到这些表面的限制，因而，取决于光波导高度，便形成了基波导模或高斯模。三个谐振腔镜面4、5和6中每一个镜面在经过上述电极之间的波导中平面内偏转激光器横截面。在每次这种偏转后，激光束中任何光线反转其相对于谐振腔轴线轮廓的位置。在镜面4、5和6之间不会发生激光束的反转，因为这个谐振腔没有包含凹面镜，因而没有焦点腰。因为在这种谐振腔中镜面数是奇数，在经过谐振腔内完整往返一圈以后，在谐振腔轴线轮廓一侧传播的激光束任何光线将在谐振腔轴线轮廓另一侧出现和传播。为说明这一情形，图2中沿环形谐振腔顺时针经过处于轴线轮廓内侧的点A的光线，在经过包括镜面5，6，4对其进行的连续反射在内的一个完整的谐振腔往返后，出现在位于轴线轮廓外的点B。沿环形非稳定谐振腔传播的近轴激光束的宽度在每一次谐振腔内往返中放大M倍，直至经过几次往返以后，其中一个激光束边缘从镜面6的边缘6a溢出，如图2所示。然而，激光束不会从镜面6的另一边缘6b溢出，因为从轴线轮廓到边缘b的距离比轴线轮廓到边缘a的距离至少大M倍。在激光束沿谐振腔完成下一次往返和保留在谐振腔中的激光束的宽度又一次增长M倍之后，由于在根据本发明制造的环形谐振腔中发生的激光束反转，靠近镜面6的第二边缘6b的那部分激光束在轴线轮廓的另一侧出现和传播，并从镜面6的第一边缘6a溢出，并将被从谐振腔中耦合输出。因此，将辐射从谐振腔靠近镜面6的第一边缘6a处取出限制了激光束在两个相反的横向上放大激光束，而在自由空间中，它可以在这两个方向上扩展。同时，其它谐振腔镜面4和5的边缘距离谐振腔轴线轮廓足够远，使得在谐振腔中传播的激光束不会从这些镜面的边缘溢出，因而从谐振腔取出的辐射是一个而不是二个或多个激光束。变宽的激光束的从镜面6的边缘6a溢出的这一部分在经过镜面10和11的连续反射以后，将以具有接近矩形实心截面的输出光束18的形式离开激光器。凹面镜11的曲率为在横向平面内的输出光束提供了准直，或者，如必要，它将会从离开环形谐振腔的发散光束中形成一种会聚光束。因此，与图1和图2中所示的实施例类似，在按照公开的发明制造的激光器实施例中，由于构成激光束的光线交替地经过谐振腔轴线轮廓的不同侧，从而实现了谐振腔的单侧激光束耦合输出，这与在具有负支线性非稳定谐振腔的波导激光器中通过让光线交替地经过线性谐振腔轴的两侧以实现单侧激光束输出的方式类似。这种线性负支配置避免了在具有单侧激光束输出的正支等分非稳定谐振腔中发生的谐振腔被动功率损耗。同时，与先有的负支线性非稳定谐振腔技术相比，在根据本发明制造的被公开的环形谐振腔中进行激光束横截面反转不需要为此目的而设置焦点腰，而是通过将环形谐振腔轴线轮廓配置在经过冷却部件1和2表面中间的平面内、适当选择用以形成环形谐振腔的镜面4，5和6的数量和曲率等方法来实现此目的。在图1和2所示的谐振腔中不存在焦点腰，而这使得激光束强度的分布变得高度均匀，从而实现了对增益介质体积的高效率使用，并防止了增益介质中的不希望的非线性效应和击穿。与在具有焦点腰的负支线性非稳定谐振腔中发生的情况类似，由于在根据本发明制造的环形谐振腔中形成激光束的光线交替地在轴线轮廓两侧撞击镜面4、5和6，从而消除了这些镜面在光波导中平面中可能存在的实际角度位置与其需要的角度位置之间存在的偏差。在增益介质中光学楔形不均匀性以类似方式被消除，因为在一次经过(transit)中由于光束的传播由其外部形成的正程差，例如在经过定向在光波导中平面中的这样一种楔形的“厚”侧时，可在下一次经过中被抵消。这是由于激光束的相同部分在下一次经过时取得了负程差，因为现在激光束的外部成为其内部，并将经过同一楔形的“薄”侧。因此，不需要为此目的二在谐振腔中使用焦点腰。构成激光束的光线交替经过环形谐振腔轴线轮廓的相对两侧极大地降低了根据本发明制造的环形谐振腔对构成谐振腔的镜面4至6的未对准和对增益介质中光学楔形不均匀性的敏感度。从而，适用于具有行波环形谐振腔的碰撞冷却激光器的本发明的一个实施例，可同时具有现有技术的线性正支混合式波导激光器没有腔内焦点区的优点，以及线性负支激光器对于角度未对准及楔形不均匀性的低敏感度和输出单侧的实心输出光束耦合等优点。从上述讨论可以看出，为了实现激光束的横截面反转，根据本发明制造的激光器最好使用奇数个腔内镜面(3、5、7等)。使用这种配置，不需经过焦点区，激光束横截面在较长尺寸上会被反转。然而，如果为了具有腔内焦点区而根据本发明制造一种负支环形激光器，那么，为了在完成一个往返后保持对激光束的反转，则在环形谐振腔中的镜面数量必须是偶数。另外，根据本发明，可以设计具有偶数个腔内镜面的环形谐振腔。对于如图3所示的这种情况，如果认为在具有偶数个腔内镜面的环形谐振腔中左右反转较为有利，则必须用腔内焦点区来完成该反转。例如，在图3中，由于被凹面镜12聚焦的激光束而形成的焦点腰19处于镜面12和13之间。然而，与具有负支线性非稳定谐振腔的激光器相比，环形谐振腔的激光器中的腰区可从被抽运的增益介质中去除，因此，上述焦点腰的存在不会由于任何有害的非线性效应而显著减少腔内激光参数。与图2中所示的、其光束扩展受到谐振腔镜面6的限制的谐振腔配置相比，在图4所示的激光器中激光束受到另一镜面16的限制。在这种情况下，将镜面16进行适当的放置，使得它偏转与由光学谐振腔镜面形成的、处于谐振腔轴线轮廓外的激光束的边缘相邻的一部分激光束，并将这部分激光束从谐振腔耦合输出。使用这种单独的装置来偏转激光束以将其从谐振腔中耦合输出的做法简化了对激光器光学系统的对准，也允许人们通过在横向上适当地移动镜面16来方便地控制输出光束的宽度。图1和2中所示的反馈反射镜9使得在谐振腔中优选的激光束沿顺时钟方向的传播成为可能，从而提供了基本上单向的激光。因为其尺寸较小，镜面4上的小孔8没有明显地影响沿谐振腔顺时钟方向传播的波。通过小孔8的该波所携带功率的较小一部分受到镜面9的偏转，并且未返回谐振腔。同时，谐振腔中以逆时钟方向传播的波的一部分通过小孔8，受到镜面9的反射后又通过小孔8返回谐振腔，以便在其中沿顺时钟方向传播。因而，在两个传播方向相反的波之间建立了一种耦合，这种耦合引起了对其中一个波的额外放大；在本例中，沿顺时钟方向传播的波得到了放大。谐振腔中在激光的开始阶段形成的增益介质中的模式竞争为沿顺时钟方向传播的波提供了有利条件，激光器开始基本上运行在单向模式。这种反像镜对于如钇铝石榴石(YAG)或CO2之类的均匀展宽的增益介质是特别有效的。正如本发明的发明人进行的计算和实验表明的那样，谐振腔中在两个传播方向相反的波之间即使仅存在相对较弱的耦合，也已经足以提供基本上单向的激光运行。在图5a和5b中示意性地示出的谐振腔实施例中，未使用谐振腔镜面小孔来实现激光的单向工作，因为并不总是希望在具有较小电极间隙的波导激光器中存在这些小孔。图5a示出了在谐振腔中沿顺时钟方向传播的有用激光束18，而图5b示出了将要抑制的沿逆时钟方向传播的激光束20。镜面17，由于它位于输出镜面4之后的阴影区，所以不会在激光束18中引入扰动。同时，以逆时钟方向传播的激光束20以不同于激光束18离开谐振腔的角度的角度离开谐振腔，因而受到镜面17的拦截。入射于镜面17的激光束被镜面17以相反方向反射回去，并且被加入到谐振腔中顺时钟方向传播的激光束之中。如图1和2中所示的激光器那样，这导致为沿顺时钟方向传播的激光束提供了有利条件，激光器开始基本上运行于单向状态。在图6中示意性示出的激光器中示出了反馈设计的另一种变型。此处，以逆时钟方向传播的激光束在经反馈反射镜28反射以前，经受了镜面21的侧面27的一次额外反射。可以通过调整靠近公共边29的镜面27和21之间的夹角来增大光束20和18之间的夹角。增大这个角度简化了通过反馈反射镜28实现的对逆时针传播的激光束20的截取和将该激光束反射回环形谐振腔等过程。如果相对于边缘29适当地放置边缘30，使用屋顶形反射镜28而不是反馈反射镜17能显著地降低对反馈反射镜角度定位精度的要求。在本发明的初始实施例中，从具有三个镜面的非稳定环形谐振腔的CO2板条激光器取出了350W的连续波输出功率。该混合式谐振腔的行波非稳定谐振腔部件包括两个平面镜和一个60m凸球面的最大反射率腔内镜，以构成具有周边为2L＝1.3m和几何放大倍率为1.3的谐振腔。放电间隙2mm运行于总压强(He-N2-CO21-1-6)为70托的量级上。在谐振腔结构类似于图5a中所示的谐振腔的情况下，测得的逆向传输功率被抑制到约比350W的激光器前向输出功率小100或20dB。测量可知，具有2mm×12mm横截面的单侧实心非对称输出光束非常接近于限于每个输出尺寸的衍射。上述高频抽运的碰撞冷却气体激光器的各种变型仅用于说明。可使用任何适当类型的、用于限制在这类设备中普遍使用的间隙、镜面、增益介质、抽运装置和其它部件的要素来实施本发明。激光
技术领域：
内的专家将意识到，人们能使用任何能够对光束进行所需变换和改变其方向的任何等效光学装置来代替镜面，或是同时使用镜面与这些装置。因此，虽然已对优选实施例进行了图示和说明，但在不背离本发明的精神和范围的情况下，仍可以对这些实施例可以进行种种修改和替代。因此，应当理解，本文仅以说明的方式对本发明进行了描述，并没有对本发明进行限制。参考文献[1]A.E.Siegman，“用于激光器的非稳定光学谐振腔”，“UnstableOpticalResonatorsforLaserApplication”ProceedingsoftheIEEE，Mar.1965，pp277-287。A.E.Siegman和R.Arrathoon，“在非稳定光学谐振腔和透镜波导中的各种模式”，“ModesinUnstableOpticalResonatorsandLensWaveguide”IEEE，J.QuantumElectronics，vol.QE-3，156-163，April1967。Yu.A.Anan’ev，N.A.Sventsitskaya和V.E.Sherstobitov，“在具有凸面镜的激光器中横模的选择”，“Transversemodeselectioninalaserwithconvexmirrors”Sov.Phs.-Dokladyv.13，p.351-352(October1968)。Yu.A.Anan’ev，N.S.Sventsitskaya和V.E.Sherstobitov，“具有非稳定谐振腔的激光器的一些特性”，“PropertiesofalaserwithanUnstableResonator”，SovietPhysicsJETP，28，1，p.69-74，Jan.1969。Yu.A.Anan’ev和G.N.Vinokurov，“具有辐射角度选择的环形非稳定谐振腔的一些特性”，“SomepropertiesofRing-TypeUnstableCavitieswithAngularSelectionofRadiation”，SovietPhysics，14，7，p.1000-1002，Jan.1970。Yu.A.Anan’ev，“非稳定谐振腔和它们的应用”，“Unstableresonatorsandtheirapplications”，“Sov.J.Quant.Electron”，v.l，p.565-586(May-June1972)。W.F.Krupke和W.R.Sooy，“具有非稳定共焦谐振腔的CO2激光器系统的一些特性”，“PropertiesofanUnstableConfocalResonatorCO2LaserSystem”，IEEEJ.QuantumElectronics，vol.QE-5，pp575-586，Dec.1969。A.E.Siegman和H.Y.Miller，“使用Prony方法计算非稳定光学腔损耗”，“UnstableOpticalResonatorLossCalculationsUsingthePronyMethod”，AppliedOptics，vol.9，No.12，p.2729-2736，Dec.1970。E.V.Locke，R.A.Hella，L.Westra和G.Zeiders，“在30kW连续波功率的气体动态激光器中的一种非稳定振荡器性能”，“PerformanceofanUnstableOscillatorona30-kWGasDynamicLaser”，IEEEJ.QuantumElectronics，vol.QE-7，pp581-583，Dec.1971。Carl.J.Buczek，PeterP.Chenausky和RobertJ.Freiberg，“非稳定环形激光器谐振腔”，“UnstableRingLaserResonators”，U.S.专利，3824487，1972年5月8日提交。R.J.Freiberg，P.P.Chenausky和C.J.Buczek，“对非稳定共焦CO2谐振腔的实验研究”，“AnExperimentalStudyofUnstableConfocalCO2Resonators”，IEEEJ.QuantumElectronics，vol.QE-8，p.882-892，Dec.1972。R.J.Freiberg，P.P.Chenausky和，“单向非稳定环形激光器”，“UnidirectionalUnstableRingLasers”，Appl.Optics，vol.12，No.6，p.1140-1144，June1973。R.J.Freiberg，P.P.Chenausky和C.J.Buczek，“用于大功率应用的非稳定不对称行波谐振腔”，“UnstableAsymmetricTravellingWaveResonatorsforHigh-PowerApplications”，IEEEJ.QuantumElectronics，vol.QE-9，p716ff，June1973。CarlJ.Buczek，RobertJ.Freiberg和M.L.Skolnick，“激光器注入锁模”，“LaserInjectionLocking”，Proc.IEEE，Vol.61，No.10，October1973。Yu.A.Anan’ev，G.N.Vinokurov，L.V.Koval’chuk，N.A.Sventsitskaya和V.E.Sherstobitov，“具有伸缩式谐振腔的激光器”，“Telescopic-resonatorLaser”，Zh.Eksp.Teor.Fiz.，58，786-793，1970(1969年7月29日提交)；Sov.Phys.JETP，v.31，No.3，p.420-423，1970。发明人证书SU274254，1968年3月18日存档，公告号241970，p.63，发明人Yu.A.Anan’ev，N.A.Sventsitskaya和V.E.Sherstobitov(前苏联)。A.E.Siegman，“非稳定光谐振腔”，“UnstableOpticalResonators”，Appl.Optics，vol.13，No.2，p353-367，Feb.1974。Yu.A.Anan’ev，“光谐振腔和激光束发散”，“Opticalresonatorsandlaserbeamdivergence”，Moscow，Nauka，1979(前苏联)。A.E.Siegman，“激光器”，“Lasers”，pages858-922，Univ.ScienceBooks，copyright1986，ISBN0-935702-11-5。W.M.Mecek和D.T.M.Davis，Jr.，“使用行波环形激光器检测旋转速度”，“RotationRateSensingwithTravelling-WaveRingLasers”，Appl.Phys.Lett.，9，1966p，55ff。RogerA.Hass，PeterP.Chenausky和RobertJ.Freiberg，“使用环形谐振腔的激光等离子体诊断”，“LaserPlasmaDiagnosticsUsingRingResonators”，U.S.专利3885874，1974年1月11日提交申请，1975年5月27日发布。A.S.Osipov，G.A.Ponomarev，Yu.P.Maiboroda，V.K.Batalin，V.G.Kurganov和V.A.Levada，“用于分析来自CO2激光器的辐射的频谱组成的环形谐振腔”，“RingCavityResonatorfortheAnalysisoftheSpectralCompositionoftheRadiationfromaCO2laser”，PriboryiTekhnikaEksperimenta，No.1，p.186-187，Jan-Feb.1973。HansOpower，“被折叠的波导激光器”，“FoldedWaveguideLaser”，U.S.专利5097479，1990年12月28日提交申清，1992年3月17日发布。JohnTulip，“CO2板条激光器”，“CarbonDioxideSlabLaser”，U.S.专利4719639，1987年1月8日提交申请，1988年1月12日发布。JunichiNishimae，KenjiYoshizawa，MasakazuTaki，“气体激光器装置”，“GasLaserDevice”，U.S.专利5048048，1990年8月9日提交申请，1991年9月10日发布。Yu.A.Anan’ev，V.N.Chernov和V.E.Sherstobitov，“具有较高空间相干性辐射的固态激光器”，“Solid-statelaserwithahighspatialcoherenceofradiation”，Sov.J.Quant.Electron.，v.l，p.403-404(Jan.-Feb.1972)。P.E.Jackson，H.J.Baker和D.R.Hall，“使用非稳定-波导混合式谐振腔的CO2大面积放电激光器”，“CO2largeareadischargelaserusinganunstable-waveguidehybridresonator”，Appl.Phys.Lett.Vol.54，No.20，15May1989，p.1950-1952。PeterChenausky，“矩形放电气体激光器”，“RectangularDischargeGasLaser”，U.S.专利5748663，1997年6月6日提交申请，1998年5月5日发布。D.R.Hall和H.J.Baker，“面积缩放增强了CO2激光器性能”，“AreaScalingbootsCO2-laserperformance”，“LaserFocusWorld”，October1989，p.77-80。A.Lapucci，A.Labate，F.Rossetti和S.Mascalchi，“用于散射-冷却的CO2板条激光器的混合式稳定-非稳定环形谐振腔”，“Hybridstable-unstableresonatorsfordiffusion-cooledCO2slablasers”，Vol.35，No.18，AppliedOptics，June1996，3185-3192。H.Zhao，H.J.Baker和D.R.Hall，“在射频抽运的板条CO激光器中的面积缩放”，“Areascalinginslabrf-excitedcarbonmonocidelasers”，Appl.Phys.Lett.，Vol.59，No.11，9Sept.1991，p.1281-1283。P.P.Vitruk，R.J.Morley，H.J.Baker和D.R.Hall，“射频抽运的大功率连续波氙激光器”，“HighpowercontinuouswaveXelaserwithradiofrequencyexcitation”，Appl.Phys.Lett.Vol.67，No.10，4Sept.1995，p.1366-1368。P.Chenausky，L.M.Laughman和R.J.Wayne，“对CO2激光器的射频和微波抽运”，“Radio-frequencyandMicrowaveExcitationofCO2Lasers”，PaperTukkyCLEOSConference，1980。A.Gabi，R.Hertzberg和S.Yatsiv，“射频抽运的带状线CO和CO2激光器”，“Radio-FrequencyExcitedStriplineCOandCO2Lasers”，paperTuB4，CLEOConference，June19，1984。PeterChenausky，“薄片式激光器”，“SliceLaser”，U.S.专利6134256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述轴线轮廓的交点的距离，使得从谐振腔耦合输出一种具有实心横截面的、位于一个所述镜面的一个边缘附近的单一光束，并以此限制光束在谐振腔中的扩展。96.权利要求90至94中任一项定义的碰撞冷却气体激光器，其中所述谐振腔包含将靠近由谐振腔镜面形成的所述激光束的边缘的一部分辐射进行偏转的装置，以将所述部分辐射从谐振腔中耦合输出，并以此限制光束在谐振腔中的扩展。97.权利要求90至96中任一项定义的碰撞冷却气体激光器，其中所述激光器包含为在两个可能的相反方向的一个方向上占优地沿环形谐振腔的辐射传播而提供有利条件的装置。98.权利要求97定义的碰撞冷却气体激光器，其中所述为在所述相反方向中的一个方向上占优地沿环形谐振腔的辐射传播提供有利条件的装置包括一种反馈反射镜，配置成使它基本上不影响在谐振腔中沿所述方向中的第一方向传播的辐射，但是将在谐振腔中以第二方向传播的辐射的至少一部分以相反方向反射到所述第一方向上，使得辐射的所述一部分在谐振腔中以第一方向传播。99.权利要求97定义的碰撞冷却气体激光器，其中谐振腔镜面之一开有小孔，该小孔的中心位于所述镜面与所述轴线轮廓的交点位置，且所述为在两个相反方向中的一个方向上占优地沿环形谐振腔的辐射传播提供有利条件的装置包括一种反馈反射镜，被安装在所述小孔后，使得所述反馈反射镜将沿第二方向传播的辐射的至少一部分反射而经所述小孔反射到第一方向上，以使辐射的至少一部分通过小孔而沿谐振腔在第一方向上传播。100.权利要求90至99中任一项定义的碰撞冷却气体激光器，其中所述行波环形谐振腔在垂直于所述轴线轮廓的所述平面的方向上是稳定的。101.权利要求90至99中任一项定义的碰撞冷却气体激光器，其中所述冷却部件的所述表面确定在所述光波导中光的波导传播模。全文摘要一种单向环形激光谐振腔具有在一个横向维度上的行波非稳定模和在正交横向维度上的波导模或自由空间高斯模，以耦合到大体积的非对称横截面激光增益介质。这种装置在概念上被证明具有独特和新颖的特征，例如将腔内辐射剖面的左右进行交换时不使用凹面光学器件。而且，实现了对腔内环形光学器件之一未对准的较高不灵敏度，而不会受与在腔内焦平面处通常遇到的高强度辐射相关的任何有害影响。同时采用腔内与腔外光学技术实现了激光器的单向工作。文档编号H01S3/081GK1816951SQ03826748公开日2006年8月9日申请日期2003年5月7日优先权日2003年5月7日发明者V·E·谢尔斯托比托夫,A·Y·罗迪奥诺夫申请人:联邦国家单一企业科学及工业公司瓦维洛夫光学研究所