专利名称：环形行波腔多输出光束相干合成装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种激光相干合束装置，特别是一种环形行波腔多输出光束相干合成装置。
背景技术：
高功率高光束质量激光光源在工业、科学研究上有着重要的应用，但目前由于受限于晶体尺寸、热效应、饱和效应以及损伤阈值的限制，要同时满足高功率和高光束质量这两个条件十分困难。而激光相干合成为解决这个难题提供了可能。理论上讲，如果N台功率相同的激光器相干合束，其远场峰值强度为单台的N2被，远场发散角为一束的1/N。因此相干合束既能提高远场功率密度又能保持高光束质量，它是解决目前激光光源局限性的一条有效途径。使得多台激光器发射的激光相干有多种技术途径，环形腔相互注入是实现激光输出相干的一条有效途径，可参见现有技术[JohnA.Benda，Amston Conn.Output phase shifter for coupled multiple-coupledring lasers，USA Paten No.5,265,108 Nov.23，1993]。该现有技术中，同时存在正向模和反向模，致命缺陷在于输出激光的相干性严格受于“锁定长度”的限制，腔长失调范围最多也只有1/6波长，并且这种结构中注入到另一激光介质的光束光斑小，对固体激光器不适合，并且结构相当复杂，增加更多激光介质增加多输出困难。总之，现有技术对腔长变化要求严格，增加更多输出光束困难，工艺复杂，加工成本高，实用化水平低。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种环形行波腔多输出光束相干合成装置，它可以在获得高功率激光输出的同时具有较高光束质量，而且不存在腔长失谐问题，便于增加更多的光束输出，结构紧凑、加工简单的优点。
本实用新型的基本思想是一种环形行波腔多输出光束相干合成装置，将多个激光单元置于同一环形腔中，通过压缩镜使得激光在腔内单向传输形成行波腔，用多片输出镜输出激光束。多个激光单元处于同一腔中相当于同一台激光器，每个激光单元在腔中位置变化也能保证输出光束之间相干。本实用新型结构简单，易于加工和调整，不存在失谐问题，系统运转稳定，能获得多束相干激光输出，能满足工业和科研对高功率高光束质量激光的需求。
本实用新型的技术解决方案如下一种环形行波腔多输出光束相干合成装置，包括由多块激光介质及其抽运源构成的多个激光单元，其特征在于所述的每块激光介质配有相应的一对输出镜和压缩镜，或者每两块激光介质共用一对输出镜和压缩镜；所述的多块激光介质、多块输出镜以及一全反镜和一直角棱镜构成一个环形行波腔；在该环形行波腔中每一块输出镜和一块压缩镜相对应，所述的输出镜与光轴成45°地放置于所述的环形腔中，所述的输出镜放置的方向应使所有顺时针或者逆时针方向传输的光束被输出镜输出的激光方向相一致，所述的压缩镜垂直于相应的输出镜的输出激光的方向，并且压缩镜方向与输出的激光光束方向相对，在所述的多块输出镜输出的多束激光的光路上设有多束激光耦合输出机构。
所述的输出镜是一面镀有增透膜，一面镀有透射率为20％～70％的膜的输出镜。
所述的多束激光耦合输出机构是由折转反射镜和输出直角棱镜构成的，最后从该输出直角棱镜输出多束相干的合成光束。
所述的输出直角棱镜的位置是可调的，以保持合成光束轴上的光场最强。
所述的激光介质为固体，其形状是板条或棒状。
本实用新型的优点或技术效果是1.在本实用新型中，利用一个激光单元注入到另一个激光单元，本质上是同一个腔中多个激光单元，这时从同一腔中多处输出激光，保证了输出激光之间满足相干条件。
2.基于与优点1同样的理由，在本实用新型中，微小腔长变化不会导致系统失调，腔长变化只会影响输出光场的分布，可以通过移动直角棱镜来调节腔外的光程差，使得合成光束的远场分布在中轴上的光场最强。
3.在本实用新型中，由于使用压缩镜，使激光在腔中呈单向传输，不存在正向波和反向波同时注入的情况，不仅增加了系统的稳定性，还减小了系统的损耗。
4.在本实用新型中，由于采用输出镜的透射注入到下一激光单元，注入光束的面积与下一单元激光介质横截面相同，不仅适用于气体激光器，也适用于固体激光器。
5.在本实用新型中，由于激光单元在同一环中，增加激光介质增加多输出时系统调整很方便，不会对系统增加困难，容易获得更高的功率，如图4所示。
6.该结构器件少，引入的光学畸变小，易于获得高光束质量，并且调整容易。
图1为本实用新型装置实施例1—两束激光输出的结构示意图。
图2为本实用新型中压缩镜功能示意图。
图3为本实用新型实施例2—增加激光介质而保持输出光束数量不变的装置结构示意图。
图4为本实用新型实施例3—输出四束激光光束的装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。
先请参阅图1，由图可见，本实用新型环形行波腔多输出光束相干合成装置的实施例1，包括2块Nd:YAG板条激光介质2、6，用LD列阵通过整形系统后垂直于介质侧面抽运，另两个侧面通过有冷却水的铜块导热；垂直于光轴45°放置两块输出镜4、10，该输出镜一面镀1064nm的增透膜，另一面镀1064nm反射膜，对45°的反射率为60％；放置两块压缩镜5、11在输出光束相反且垂直于输出光束的方向；直角棱镜1、输出直角棱镜8的两直角边镀有1064nm的高反膜，3块45°全反镜3、7、9用来改变光束方向。为了便于调整，环形中用了一块直角棱镜1来改变光路。其中一块激光介质2激发的光沿着图中顺时针方向传输的光被输出镜4输出一部分激光，被输出镜4反射的激光注入到另外一块激光介质6，经过放大后其激光被输出镜10反射输出一部分，透射的部分注入到激光介质2中，沿图的顺时针方向这样循环下去。激光介质2激发的逆时针方向的激光被输出镜10透射和反射，透射部分注入到激光介质6中，而反射部分经压缩镜11反射后再次被输出镜10反射和透射，反射部分改变了方向，向顺时针方向注入到激光介质2中；同样的原理，激光介质6激发的激光也有部分从顺时针方向变为逆时针方向，为了使得由逆时针方向变为顺时针方向的光束的模式与顺时针方向激光的模式匹配，需要适当调节压缩镜与输出镜之间的距离。因此通过多次激发以后在顺时针方向的强度远大于逆时针反向，逆时针方向的光束得到压缩，形成单向传输结构。输出的两束光经反射镜7、9反射后被输出直角棱镜8反射后平行输出，在该平行光束输出处放置一焦距为500mm的双凸透镜，观察其焦平面上的光斑分布，左右移动直角棱镜调整两输出光的腔外光程，使得焦平面的中心出现最强峰值。
激光介质是固体，其横截面可以是圆形、正方形或者长方形，泵浦方式为侧面LD列阵泵浦。
所述的输出镜4、10为平面镜，放置在环形腔中与光轴成45°，该镜一面镀对激光波长的增透膜，另一面镀对激光波长部分透射膜，透射率根据泵浦源和是否有调Q元件控制在20％～70％之间。
所述的压缩镜5、11为平面镜，镀对该激光波长全反的膜，与输出方向垂直放置，如图2所示，定义从左向右先被反射镜3的光束传播方向为正向波FW，它通过输出镜4透射的光束就是输出光的一部分，而被反射的光在腔中继续被放大；而与正向波FW相反方向传播的光叫做反向波RW，它被耦合镜4透射和反射，透射的光经压缩镜5反射后再次被透射和反射，其反射部分作为输出光束，而透射部分则和正向波FW的方向一致，这样在正向波传输方向的光束功率要比反向波方向传输的光束功率大得多。因此由于压缩镜5的存在，使得光束在正向波方向得到加强，而在反向波方向得到减弱，两者通过竞争，最后反向波被压缩，形成环形行波腔。
所述的环形腔中，既可以只增加激光介质的数量来提高每束光的功率，如图3所示；也可以既增加激光介质，又增加输出光束的数目，如图4所示。
由于形成了行波腔，多块激光介质相当于在同一腔中，因此它们输出的激光具有相同的频率和固定的位相差，这样保证了输出的多束激光之间满足相干条件。当腔长变化时，影响的仅仅是位相差的大小，但是这个差值仍旧是恒定的，它们之间同样是保持相干的。
为了使得每束激光的强度增加，可以在环形腔中增加激光介质，如图3所示的介质2a、6a；也可以在增加激光介质的同时增加输出光束的数目，如图4所示，增加了激光介质2a、6a，同时增加相应的输出镜4a、10a和压缩镜5a0、11a以及增加的直角棱镜8a，最后由直角棱镜8、8a合成的光束分别经过反射镜12、13反射后由直角棱镜14合成平行输出的激光光束。
综上所述，本实用新型利用多个腔正向模耦合的方法来产生相干的激光。多个激光单元的正向模耦合相当于将每一单台激光器的模场耦合锁定其它的激光单元，输出多束的相干激光，该结构同时达到了减小谐振腔光学元件的尺寸和单位面积所承受功率的目的。这种结构不存在失谐问题，单个单元腔长的微小变化对相干性并不产生影响，这一特点大大提高了系统的稳定性，增加输出简单易于实现，而且系统的结构简单，易于加工，成本低。
权利要求1.一种环形行波腔多输出光束相干合成装置，其特征在于多个激光单元置于同一环形腔中，通过压缩镜使得激光在腔内单向传输形成环形行波腔，用多片输出镜输出激光束，然后通过多束激光耦合输出机构对所述的输出激光束合成输出。
2.根据权利要求1所述的环形行波腔多输出光束相干合成装置，其特征在于所述的环形行波腔包括由多块激光介质及其抽运源构成的多个激光单元，所述的每块激光介质配有相应的一对输出镜和压缩镜，或者每两块激光介质共用一对输出镜和压缩镜；所述的多块激光介质、多块输出镜以及一全反镜和一直角棱镜的设置构成一个环形行波腔；在该环形行波腔中每一块输出镜和一块压缩镜相对应，所述的输出镜与光轴成45°地放置于所述的环形腔中，所述的输出镜放置的方向应使所有顺时针或者逆时针方向传输的光束被该输出镜输出的激光方向相一致，所述的压缩镜垂直于相应的输出镜的输出激光的方向，并且压缩镜方向与输出的激光光束方向相对，在所述的多块输出镜输出的多束激光的光路上设有多束激光耦合输出机构。
3.根据权利要求1所述的环形行波腔多输出光束相干合成装置，其特征在于所述的输出镜是一面镀有增透膜，一面镀有透射率为20％～70％的膜的输出镜。
4.根据权利要求1所述的环形行波腔多输出光束相干合成装置，其特征在于所述的多束激光耦合输出机构是由折转反射镜和输出直角棱镜构成的，最后从该输出直角棱镜输出多束相干的合成光束。
5.根据权利要求1所述的环形行波腔多输出光束相干合成装置，其特征在于所述的输出直角棱镜的位置是可调的，以保持合成光束轴上的光场最强。
6.根据权利要求1所述的环形行波腔多输出光束相干合成装置，其特征在于所述的激光介质为固体，其形状是板条或棒状。
专利摘要一种环形行波腔多输出光束相干合成装置，其特征在于多个激光单元在同一环形腔中，通过压缩镜使得激光在腔内单向传输形成行波腔，用多片输出镜输出激光束。多个激光单元处于同一腔中相当于同一台激光器，每个激光单元在腔中位置变化也能保证输出光束之间相干。本实用新型结构简单，易于加工和调整，不存在失谐问题，系统运转稳定，能获得多束相干激光输出，能满足工业和科研对高功率高光束质量激光的需求。
文档编号G02F1/35GK2872405SQ20062004039
公开日2007年2月21日 申请日期2006年3月22日 优先权日2006年3月22日
发明者唐前进, 胡企铨 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所