专利名称：内部自组织同位相激励相干合成激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种相干合成激光器，以并联的方式实现高能激光输出，属于高能激光器技 术领域。
技术背景在某些领域需要高能量高功率激光源，如自由空间光通信、大面积动态全息摄影以及大 型工业加工、远距离作用等。为此，可以采取多激光器串联、并联的方式来实现这一目的， 其中的核心技术措施是增加参与合成的光束数量，但是，这些参与合成的光束彼此必须具有 高度的相干性。与本发明有关的一种己知技术由一篇发表于《华中理工大学学报》第25巻第 2期题为"多光束相干合成的研究"的文章所公开，见图l所示，其装置由主激光器l、光隔 离器2、分束镜3、光栅4及若干从激光器5组成，其中的光栅4选用位相型光栅。主激光器 l发射的激光束单向地通过光隔离器2，由分束镜3反射至光栅4，经衍射分束为衍射角不同 的多束激光，分别进入每个对应的从激光器5谐振腔中。每个从激光器5相同，所注入的来 自主激光器l的激励光光学模式如位相相同，通过相同的微扰作用，使得每个从激光器5发 射的激光光学模式相同，再经光栅4耦合，透过分束镜3输出，从而实现多光束相干合成， 提供了一种高功率激光源。 发明内容已知技术存在的问题有，首先，光栅4需要特别设计，理论依据复杂，还需要作优化处 理，要求能够完成从零级到士3级的衍射，光栅结构精细，参数精确，因此也使得制作极为困 难，如刻线的宽度、深度、距离等极难控制；并且，环境中的振动、大气扰动都会引起位相 波动，使合成激光的相干程度降低。其次，光栅衍射级次有限，当衍射级次高于±3级，衍射 光强度己不能满足要求，从激光器5的数量受到限制，最多也就是7个，从而也就限制了合 成激光功率的提高；另外，因衍射角不同耦合光强度也不同，合成激光能量仍呈高斯分布， 不能满足光斑能量分布均匀的要求。第三，每个从激光器5都是一个独立的激光器，在独立 于主激光器1的同时彼此独立，因此，该装置所实现的是一种外部合成，这里有两方面含义， 一是合成发生在已经从不同从激光器5中发射出来的激光束之间，这一过程只有合成而不再 涉及相干性的保持与提高，还会因光栅4的原因导致相干性的降低；二是来自主激光器l的 注入光对发生在每个从激光器5谐振腔内部的相干激励作用是分别发挥的，即使精确调试，
每个从激光器5也会存在不可避免的差异，因此，输出激光的相干程度受到影响，再有，这 种相干激励作用以及谐振并非发生在每个从激光器5和主激光器1之间，从所加入的光隔离 器2也可以看到这一点，因此，虽然每个从激光器5的注入光来自同一激光器，但是，其相 干激励作用可以说是一次性发挥，位相锁定作用发挥得并不彻底，尚不能最终使得每个从激 光器5发射的激光束位相高度一致。为了通过更大幅度增加合成激光束的数量的途径实现高 能量激光输出，同时保证合成激光具有高度的相干性，并且光斑能量分布均匀，我们发明了 一种内部自组织同位相激励相干合成激光器。本发明是这样实现的，见图2所示，内部自组织同位相激励相干合成激光器由全反射镜 6、相干激励源7、输出耦合镜8、分束合成器9、若干个相同被激励源10以及共同全反射镜 ll组成；相干激励源7与若干个被激励源10的工作物质相同；全反射镜6位于相干激励源7 的一端，与相干激励源7的光轴垂直，输出耦合镜8位于相干激励源7的另一端，与相干激励源7的光轴呈45。角，输出耦合镜8镀透射反射膜；分束合成器9位于输出耦合镜8和若干个被激励源10之间，其光轴与来自相干激励源7的光同轴；共同全反射镜11与分束合成器 9光学同轴；若干个被激励源10各自的一个端面12分布在一个圆周13上，见图3所示，并 且与分束合成器9相对，圆周13的圆心位于分束合成器9的光轴上，若干个被激励源10各 自的另一个端面位于同一平面上，该平面与共同全反射镜11反射面平行。所述的技术方案其技术效果如下，见图2所示， 一方面在相干激励源泵浦14的作用下， 相干激励源7产生激光，被输出耦合镜8反射后由分束合成器9分束，各束光通过各个被激 励源IO，由共同全反射镜ll反射，再沿原路传输至全反射镜6，于是，相干激励源7产生的 激光在全反射镜6、共同全反射镜ll之间谐振。另一方面在各个被激励源泵浦15的作用下， 每个相对应的被激励源10产生激光，多束激光由分束合成器9合成，由输出耦合镜8反射， 通过相干激励源7，由全反射镜6反射，再沿原路传输至共同全反射镜ll，于是，被激励源 10产生的激光也在全反射镜6、共同全反射镜ll之间谐振。由此来看，由全反射镜6、共同 全反射镜ll构成一个谐振腔，进一步说本发明之技术方案涉及到的是一个激光器。但是，经 输出耦合镜8透射输出的激光却是由若干个被激励源10所产生的激光合成而成，成为一种高 能量高功率激光源，并且，通过增加在圆周上分布的被激励源10数量，如8个以上，可以较 大幅度地增加输出激光能量和功率。在提高激光输出能量与功率的同时输出激光的相干性得 到保证。这是因为，所述的合成发生在激光器内部，相干激励源7、若干个被激励源10的工 作物质相同，所产生的激光也相同，并且在同一个谐振腔中谐振，在谐振的过程中不断地自 组织；相干激励源7产生的激光被分束后，彼此在光学上高度一致，如位相高度一致，若干
个被激励源IO在这些高度一致的激光反复同位相激励下，各自所产生的激光也在光学上趋于 高度一致，最终输出的激光也就具有高度的相干性。再有，若干个被激励源10所产生的激光完全相同，所合成的激光束光斑能量分布较为均匀。从而全面实现了发明目的。
图1是己知技术中的多光束相干合成装置结构示意图。图2是本发明之内部自组织同位 相激励相干合成激光器结构示意图。图3是若干个被激励源一端的端面及其泵浦按圆周分布 示意图。图4是相干激励源与分束合成器光学同轴之内部自组织同位相激励相干合成激光器 结构示意图。图5是分束合成器采用正轴锥镜、负轴锥镜组合的本发明之内部自组织同位相 激励相干合成激光器结构示意图，该图兼作摘要附图。图6是正轴锥镜、负轴锥镜组合分束 示意图。图7是分束合成器采用内锥面反射镜、环形光栅组合的本发明之内部自组织同位相 激励相干合成激光器结构示意图。图8是内锥面反射镜、环形光栅组合分束示意图。
具体实施方式
对本发明之技术方案的具体再现方式叙述如下，见图2所示，内部自组织同位相激励相 干合成激光器由全反射镜6、相干激励源7、相干激励源泵浦14、输出耦合镜8、辅助全反射 镜16、分束合成器9、若干个相同被激励源10、若干个被激励源泵浦15以及共同全反射镜 11组成，相干激励源7、若干个被激励源11均有自己的泵浦。相干激励源7与若干个被激励 源10的工作物质相同。全反射镜6位于相干激励源7的一端，与相干激励源7的光轴垂直，输出耦合镜8位于相干激励源7的另一端，与相干激励源7的光轴呈45°角，输出耦合镜8镀透射反射膜。分束合成器9位于输出耦合镜8和若干个被激励源10之间，与来自相干激励 源7的光同轴。共同全反射镜11与分束合成器9光学同轴。相干激励源7与分束合成器9在光学上的位置关系有两种， 一种是二者光轴相互垂直， 在这种结构中，辅助全反射镜16位于来自相干激励源7的光透射输出耦合镜8后的光路上， 并垂直于该光路光轴；另一种是二者光学同轴，见图4所示，在这种结构中，辅助全反射镜 16位于来自相干激励源7的光被输出耦合镜8折射后的光路上，并垂直于该光路光轴。辅助 全反射镜16的作用在于，使得来自相干激励源7的光在上述两种情况下不可避免地透射或者 折射的部分能够加入到内部自组织同位相激励相干合成激光器的谐振中来。当相干激励源7 与分束合成器9 二者光轴相互垂直时，输出耦合镜8所镀的透射反射膜透射率大于反射率， 如透射率为70%，反射率为30%;当相干激励源7与分束合成器9二者光学同轴时，输出耦 合镜8所镀的透射反射膜透射率小于反射率，如透射率为30%，反射率为70%。分束合成器9的一种具体方案是采用正轴锥镜17、负轴锥镜18组合，见图5、图6所示，
其中正轴锥镜17与若干被激励源10相邻，该组合的作用之一是先将实心圆柱光束分束为空 心圆锥光束，再折转为圆筒状的平行光束，这是其分束作用，作用之二与作用之一相反，即 先将圆筒状的平行光束折转为空心圆锥光束，再合成为实心圆柱光束，这是其合成作用。在 由全反射镜6、共同全反射镜ll构成的谐振腔中，由相干激励源7、若干个被激励源10产生 的激光随着谐振方向的不同，要么被分束、要么被合成，直至经输出耦合镜8输出。分束合 成器9的另一种具体方案是采用内锥面反射镜19、环形光栅20组合，见图7、图8所示，其 中内锥面反射镜19与若干被激励源10相邻，环形光栅20的光栅刻线为一组同心圆，且衍射 角相同，与内锥面反射镜19的锥角配合，实现空心圆锥光束与圆筒状的平行光束的转换，该 组合的作用与正轴锥镜17、负轴锥镜18组合的作用相同。若干个被激励源10各自的一个端面12分布在一个圆周13上，见图3所示，并且与分束 合成器9相对，圆周13的圆心位于分束合成器9的光轴上，若干个被激励源10各自的另一 个端面位于同一平面上，该平面与共同全反射镜11反射面平行。若干个被激励源10可以采 用激光棒，如Nd:YAG;也可以采用激光光纤，保持若干根激光光纤各自的一个端面12分布 在圆周13上，各自的另一个端面分布在一个平面上，该平面与共同全反射镜11反射面平行， 这些激光光纤可以盘绕，所以这种方案可以在较小的空间中延长被激励源10的长度，从而可 以提高单个被激励源10的能量及功率输出，最终提高内部自组织同位相激励相干合成激光器 的能量及功率输出。
权利要求
1、一种内部自组织同位相激励相干合成激光器，其特征在于，由全反射镜(6)、相干激励源(7)、输出耦合镜(8)、分束合成器(9)、若干个相同被激励源(10)以及共同全反射镜(11)组成；相干激励源(7)与若干个被激励源(10)的工作物质相同；全反射镜(6)位于相干激励源(7)的一端，与相干激励源(7)的光轴垂直，输出耦合镜(8)位于相干激励源(7)的另一端，与相干激励源(7)的光轴呈45°角，输出耦合镜(8)镀透射反射膜；分束合成器(9)位于输出耦合镜(8)和若干个被激励源(10)之间，其光轴与来自相干激励源(7)的光同轴；共同全反射镜(11)与分束合成器(9)光学同轴；若干个被激励源(10)各自的一个端面(12)分布在一个圆周(13)上，并且与分束合成器(9)相对，圆周(13)的圆心位于分束合成器(9)的光轴上，若干个被激励源(10)各自的另一个端面位于同一平面上，该平面与共同全反射镜(11)反射面平行。
2、 根据权利要求1所述的相干合成激光器，其特征在于，相干激励源(7)、若干个被激 励源(11)均有自己的泵浦。
3、 根据权利要求1所述的相干合成激光器，其特征在于，在其组成部分中还有辅助全反 射镜(16)。
4、 根据权利要求1所述的相干合成激光器，其特征在于，相干激励源(7)与分束合成 器(9)在光学上的位置关系或者是二者光轴相互垂直；或者是二者光学同轴。
5、 根据权利要求3、 4所述的相干合成激光器，其特征在于，在相干激励源(7)与分束 合成器(9) 二者光轴相互垂直的结构中，辅助全反射镜(16)位于来自相干激励源(7)的 光透射输出耦合镜(8)后的光路上，并垂直于该光路光轴；在相干激励源(7)与分束合成 器(9) 二者光学同轴的结构中，辅助全反射镜(16)位于来自相干激励源(7)的光被输出 耦合镜(8)折射后的光路上，并垂直于该光路光轴。
6、 根据权利要求l、 4所述的相干合成激光器，其特征在于，在相干激励源(7)与分束 合成器(9) 二者光轴相互垂直的结构中，输出耦合镜(8)所镀的透射反射膜透射率大于反 射率；在相干激励源(7)与分束合成器(9) 二者光学同轴的结构中，输出耦合镜(8)所镀 的透射反射膜透射率小于反射率。
7、 根据权利要求1所述的相干合成激光器，其特征在于，分束合成器(9)或者采用正 轴锥镜(17)、负轴锥镜(18)组合，其中正轴锥镜(17)与若干被激励源(10)相邻；或者 采用内锥面反射镜(19)、环形光栅(20)组合，其中内锥面反射镜(19)与若干被激励源(10) 相邻。
8、 根据权利要求7所述的相干合成激光器，其特征在于，环形光栅(20)的光栅刻线为 一组同心圆，且衍射角相同，与内锥面反射镜(19)的锥角配合，实现空心圆锥光束与圆筒 状的平行光束的转换。
9、 根据权利要求1所述的相干合成激光器，其特征在于，若干个被激励源(10)采用激 光棒；或者采用激光光纤。
全文摘要
内部自组织同位相激励相干合成激光器属于高能激光器技术领域。已知的多光束相干合成技术采用若干从激光器及一个主激光器，由光栅实现主激光的分束和从激光的合成，各束从激光在外部微扰作用下实现相干合成。但是，受光栅衍射角所限，从激光器数量被限定在7个之内，并且，由于是在外部实施微扰，并且因光栅的原因，各束微扰光在光学上存在差异，最终导致合成激光功率不高，相干性难以保证。本发明在一个激光器内安置若干被激励源及一个相干激励源，由分束合成器分束合成，被激励源数量可以提高到8个以上，具有高度光学一致性的激励激光在激光器内部反复实施同位相激励，同时进行自组织，实现了激光的高能相干合成。可应用于远距离作用等领域。
文档编号H01S5/00GK101132110SQ20071015204
公开日2008年2月27日 申请日期2007年9月28日 优先权日2007年9月28日
发明者宁国斌, 张喜和, 金光勇 申请人:长春理工大学