一种偏振衍射光栅的激光相干合束耦合谐振腔的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种偏振衍射光栅的激光相干合束耦合谐振腔，包括半导体激光器、增益单元、偏振衍射光栅、反射镜、输出镜，耦合谐振腔里面有增益单元、偏振衍射光栅；反射镜和输出镜分布在相干合束系统两端；半导体激光为泵浦光，其中心波长与谐振腔内的增益单元吸收谱线相匹配；偏振衍射光栅为分束/合束器件，其理论分束/合束效率达99％。本发明可以克服传统激光器系统随输出功率的增加而导致的热效应、非线性效应等，且光栅器件的高效率可以降低相干合束系统的成本及体积，同时可以实现高功率、高合束效率的激光输出。
【专利说明】
一种偏振衍射光栅的激光相干合束耦合谐振腔
一、技术领域
[0001]本发明属于激光技术领域涉及一种偏振衍射光栅的激光相干合束耦合谐振腔，特别涉及一种高合束效率、高相干性的激光相干合束耦合谐振腔。
二、【背景技术】
[0002]随着工业和军事技术的发展，对高能激光输出能量和光束质量提出了越来越高的要求。激光凭借其单色性、方向性和相干性的优势，已经在工业、农业、军事、医疗和科技创新等领域中都扮演着举足轻重的角色，而这些应用都需要激光器有高功率和高光束质量。基于上述需求，提出一种偏振衍射光栅的激光相干合束耦合谐振腔。
[0003]目前激光相干合束耦合系统的动态及主要问题:
[0004]1、传统激光器系统随着输出功率的增加会遇到热效应、非线性效应和物理损伤等物理瓶颈以至无法继续提高输出功率。通过采用新型腔形结构的激光器，如碟片激光器、板条激光器和大模场面积光纤激光器可以的缓解上述问题，但其输出功率也会受到一定的限制。
[0005]2、激光相干合束技术不着眼于提升单一激光器的物理极限，而是通过耦合谐振腔或者MOPA结构(Master Oscillator Power Amplifier)将一定数目的激光器单元的输出进行相干合成。传统的激光合束系统的效率很难达到50%，且会随着合束的激光单元增加而减小，而该发明是用偏振衍射光栅作用合束器件，其理论合束效率可达99 %，而且在合束系统中，由于每个合束单元的运行功率在其物理极限以内，所以不会遇到上述瓶颈问题，而所有合束单元的输出之和则带来了合束系统总输出功率的巨大提升。合束单元光束的高相干性又保证了较高的光束质量。
三、
【发明内容】
[0006]针对现有技术的以上缺陷和改进需求，本发明提供了一种高功率、高光束质量的激光相干合束耦合谐振腔，目的在于解决合束系统中的输出功率不高、转化效率低等问题。
[0007]本发明提出一种包含偏振衍射光栅的激光相干合束親合谐振腔，包括上、中、下反射镜，上、中、下增益单元，上、中、下半导体激光器，偏振衍射光栅和输出镜；
[0008]所述上、中、下反射镜从上至下对称设置，其中，中反射镜和输出镜共轴相对设置，两者光轴中心线上设有偏振衍射光栅，各反射镜的反射中心均与偏振衍射光栅的光轴中心等距;各反射镜与偏振衍射光栅之间的光路上分别设有上、中、下增益单元;输出镜与上、中、下反射镜共同组成谐振腔；
[0009]所述上、中、下半导体激光器分别靠近上、中、下增益单元设置，各激光输出窗口对准各增益单元侧面的各增益单元的正中部；
[0010]所述半导体激光器用于产生栗浦光;所述增益单元设置在用于放大耦合腔内传输的激光;所述偏振衍射光栅用于腔内激光分束/合束;所述输出镜位于谐振腔右端，用于激光束输出；
[0011]工作时，各半导体激光器产生初始的栗浦光，经过各增益单元放大后的三束栗浦光，经各反射镜反射后，到达偏振衍射光栅后合为一束，合束后的激光功率如果没有达到谐振腔的阈值，合束光会经过输出镜反射，由偏振衍射光栅分成三束，三光束再经各增益单元放大，再次被反射和合束，直到达到谐振腔的阈值后，由输出镜输出合束后的激光。
[0012]进一步的，所述各反射镜由大于3的奇数个镀膜镜组成，以获得更高的激光功率。
[0013]进一步的，所述各反射镜圆中心对称偏振衍射光栅，以获得更高的激光功率。
[0014]进一步的，所述偏振衍射光栅的基底是低膨胀系数的单晶硅，经过曝光、显影、刻蚀把光栅图案刻在单晶硅上。
[0015]进一步的，所述各反射镜为高反射镜，是在光学玻璃的背面，通过真空镀膜镀一层金属银或铝薄膜。
[0016]进一步的，所述各增益单元为Nd:YAG晶体或其它具有增益功能的晶体组成，通过高精度机械控制元件固定。
[0017]进一步的，所述偏振衍射光栅为亚波长光栅，且把光栅分割成等高等宽的多个块状区域，每个区域的光栅结构为二元型。可通过控制各区域的结构参数，来实现等能量和任意数目的分束。
[0018]进一步的，所述偏振衍射光栅的每个区域的栅条结构的周期、方向角、占空比不同，其安装位置可通过高精度机械控制元件进行微小移动。
[0019]进一步的，所述偏振衍射光栅替换可为达曼光栅。
[0020]进一步的，所述偏振衍射光栅的激光相干合束耦合谐振腔的偏振衍射光栅的基底是低膨胀系数的单晶硅，经过硅片清洗、前烘和前处理、匀胶、掩模和对准、曝光、曝光后烘、显影、图形检查、刻蚀得到偏振衍射光栅。
[0021 ]进一步的，所述偏振衍射光栅的激光相干合束耦合谐振腔的偏振衍射光栅的每个区域的栅条结构的周期、方向角、占空比不同，其安装位置可通过高精度机械控制元件进行微小移动。
[0022]本发明所述偏振衍射光栅是指能够对入射光的偏振方向进行选择的大量不等宽不等距的平行狭缝构成的光学元件。
[0023]本发明提出的激光相干合束親合谐振腔，结合了偏振衍射光栅分/合束效率高的优点，有效的解决了传统激光器系统随着输出功率的增加会遇到的热效应、非线性效应和物理损伤，可以实现高功率、高光束质量的激光输出。该耦合谐振腔可以有效的解决激光相干合束系统低转换效率问题，使得减小冷却设备的体积，对光纤激光器的相干合成具有重要的启发作用，并有望将激光器功率提升到新的量级。其不同于传统的激光相干合束系统，偏振衍射光栅作为分/合束器件，其效率远高于其它器件，而且该发明中的光栅器件经过量化处理分为很多块状区域，且每个区域的方向、周期、占空比，这些参数的不同可以对入射光的偏振态进行任意的调控，从而得到等能量和任意数目的子光束，再经过增益单元放大进行激光相干合成，从而实现高功率、高光束质量的激光输出，与现有技术相比，本光栅具有如下优点:
[0024](I)加入了偏振衍射光栅做为分/合器件，能改变激光相干合束系统模式选择、随机相位波动特性，可通过基于主动偏振控制元件解决或缓解相干合束系统中随机相位波动的问题。这样可以代替传统激光器的而采用选模(锁相)机理，提高激光器的转换效率，有利于高功率激光的输出。
[0025](2)栗浦半导体激光由端面栗浦至增益单元内，提高了其栗浦强度和效率，增加了其与增益单元粒子的碰撞面积，从而增加了两者的碰撞概率，因此大大提高半导体激光的栗浦质量和栗浦效率。
[0026](3)偏振衍射光栅激光相干合束系统由多个增益单元组成，增益单元的位置对称排列，该种结构是根据偏振衍射光栅的分束特性所决定，可以有效的进行激光的传输和放大，以提高激光输出的功率。
【附图说明】
[0027]图1是本发明提供的偏振衍射光栅的激光相干合束耦合谐振腔的端面示意图；
[0028]图2是本发明提供的偏振衍射光栅的激光相干合束耦合谐振腔的偏振衍射光栅的掩摸板不意图；
[0029]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:
[0030]11、12、13 反射镜，21、22、23 增益单兀，31、32、33 半导体激光器，4 偏振衍射光栅，5---输出镜。
四、【具体实施方式】
[0031]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0032]在本发明的实施例中，采用本发明提供的偏振衍射光栅的激光相干合束耦合谐振腔的工作方式，具体如下:
[0033]请参阅图1、图2所示，由图可见，本实施例中，偏振衍射光栅的激光相干合束耦合谐振腔包括反射镜(11、12、13)，增益单元(21、22、23)，半导体激光器(31、32、33)，偏振衍射光栅，输出镜。其中反射镜(11、12、13)通过镀膜技术使其保证经增益单元(21、22、23)放大的光束具有高反射特性，所述的反射镜(11、12、13)由三块镀膜镜组成，上下两块对称置于激光相干合束系统的左端，多个反射镜同时使用以提高系统的输出功率;所述的半导体激光器用于产生栗浦光，发出的栗浦光通过激励增益单元(21、22、23)，得到相干合束的栗浦光，种子光在耦合谐振腔不断往返传输，并且被增益单元(21、22、23)不断放大，最后得到激光输出；所述的输出镜5为部分反射镜，位于合束系统的右端，与反射镜(11、12、13)共同组成谐振腔，可以把大部分的光反射回去，当合束后的功率达到耦合谐振腔的阈值时，经输出镜5输出激光;所述偏振衍射光栅4位于耦合谐振腔的中间，其基底是低膨胀系数的单晶硅，然后曝光、显影、刻蚀把平行线刻在单晶硅上，用于分束/合束作用，由增益单元(21、22、23)产生的种子光经反射镜(11、12、13)反射后，到达偏振衍射光栅4后合束，最后经输出镜5反射，由偏振衍射光栅4进行分束，分束后的子光束再经增益单元放大，不同于传统的相位、振幅光栅的是该光栅可以实现入光偏振态的任意调控，以实现等能量和任意数目的分束;所述的增益单元(21、22、23)由成一定角度分布在反射镜(11、12、13)和偏振衍射光栅4的中间，为Nd:YAG晶体或其它具有增益功能的晶体组成，用于实现光束的放大;所述反射镜(11、12、13)为高反射镜，是在光学玻璃的背面，通过真空镀膜镀一层金属银(或铝)薄膜;所述偏振衍射光栅4为亚波长光栅，且光栅通过量化处理为多个块状区域，每个区域的光栅结构为二元型，并且每个区域的栅条结构的周期、方向角、占空比不同，其安装位置可通过高精度机械控制元件进行微小移动。
[0034]作为一种选择，所述的偏振衍射光栅也可使用达曼光栅，它可以将一束相干光分成若干束等强度的相干光，或者将满足相位关系的相干光束阵列合成一束光，但是其理论分束效率要低一些。
[0035]总体而言，本发明从以高效率的合束效率及高功率的激光输出等方面考虑，提供了一种偏振衍射光栅的激光相干合束親合谐振腔。
[0036]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种偏振衍射光栅的激光相干合束親合谐振腔，包括上、中、下反射镜(11、12、13)，上、中、下增益单元(21、22、23)，上、中、下半导体激光器(31、32、33)，偏振衍射光栅(4)和输出镜(5)，其特征在于: 上、中、下反射镜(11、12、13)从上至下对称设置，其中，中反射镜(12)和输出镜(5)共轴相对设置，两者光轴中心线上设有偏振衍射光栅(4 )，各反射镜的反射中心均与偏振衍射光栅(4)的光轴中心等距;各反射镜与偏振衍射光栅(4)之间的光路上分别设有上、中、下增益单元(21、22、23);输出镜(5)与上、中、下反射镜(11、12、13)共同组成谐振腔； 上、中、下半导体激光器(31、32、33)分别靠近上、中、下增益单元(21、22、23)设置，各激光输出窗口对准各增益单元侧面的各增益单元的正中部； 所述半导体激光器(31、32、33)用于产生栗浦光;所述增益单元(21、22、23)设置在用于放大耦合腔内传输的激光;所述偏振衍射光栅(4)用于腔内激光分束/合束;所述输出镜(5)位于谐振腔右端，用于激光束输出； 工作时，各半导体激光器(31、32、33)产生初始的栗浦光，经过各增益单元(21、22、23)放大后的三束栗浦光，经各反射镜(11、12、13)反射后，到达偏振衍射光栅(4)后合为一束，合束后的激光功率如果没有达到谐振腔的阈值，合束光会经过输出镜(5)反射，由偏振衍射光栅(4)分成三束，三光束再经各增益单元放大，再次被反射和合束，直到达到谐振腔的阈值后，由输出镜(5)输出合束后的激光。2.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述各反射镜由大于3的奇数个镀膜镜组成，以获得更高的激光功率。3.根据权利要求2所述的谐振腔，其特征在于，所述各反射镜圆中心对称偏振衍射光栅，以获得更高的激光功率。4.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述偏振衍射光栅的基底是低膨胀系数的单晶硅，经过曝光、显影、刻蚀把光栅图案刻在单晶硅上。5.根据权利要求1或2所述的谐振腔，其特征在于，所述各反射镜为高反射镜，是在光学玻璃的背面，通过真空镀膜镀一层金属银或铝薄膜。6.根据权利要求1或2所述的谐振腔，其特征在于，所述各增益单元为Nd:YAG晶体或其它具有增益功能的晶体组成，通过高精度机械控制元件固定。7.根据权利要求1或2所述的谐振腔，其特征在于，所述偏振衍射光栅为亚波长光栅，且把光栅分割成等高等宽的多个块状区域，每个区域的光栅结构为二元型。8.根据权利要求1、2或6所述的谐振腔，其特征在于，所述偏振衍射光栅的每个区域的栅条结构的周期、方向角、占空比不同，其安装位置可通过高精度机械控制元件进行微小移动。9.根据权利要求1或2所述的谐振腔，其特征在于，所述偏振衍射光栅可为达曼光栅。
【文档编号】H01S3/082GK106025776SQ201610588778
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月25日
【发明人】万辰皓, 肖建高, 郭海平, 陈念, 唐霞辉
【申请人】华中科技大学