专利名称：受激耦合谐振腔激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型谐振腔的激光器。尤其是一种适用于无论是连续工作，还是脉冲工作(长脉冲、Q-开关工作)的高功率(能量)固体受激耦合谐振腔激光器。原则上，这种谐振腔也适合于其他类型的激光器，如气体激光器、液体激光器、化学激光器、光纤激光器等的应用。
长期以来激光技术发展的一个主要方向是，要求在获得高的输出功率(能量)的同时获得高的光束质量。对此，目前有两种技术方案第一种方案是，通过选模(横模、纵模)、注入种子等技术获得高光束质量的激光输出。
第二种方案是，采用本振-放大系统，即，系统的第一级(本振级)只追求光束质量，而激光器的效率、输出功率(能量)的大小等都不作为重点，并在系统的第一级之后通过多级放大来获得大的输出功率(能量)。所需放大器的级数则由本振级的输出大小以及最终要求输出多大的功率(能量)而定。为了避免级间耦合造成放大器自激，就需要加大各级间的距离、采用隔离器、像中继光学系统等。为了减小放大级造成的光束畸变，有时还需要采用相位共轭等技术。
上述两种方案都存在一些重大的缺点。例如，对于第一方案，采用选模(横模、纵模)等技术可以获得高的光束质量，但它们都以牺牲输出激光的功率(能量)为代价。所以单模(横模、纵模)激光器的效率、输出功率(能量)都要比多模激光器的低。如果增大激光的输出，则变为多模工作，光束质量将大大降低。
对于第二方案，采用本振-放大系统可以同时获得高的输出功率(能量)和高的光束质量，例如，Randall J.St.Pierre，等人(《SPIE》，Vol.3264,1998)采用这种方案在工作重复频率100Hz时，获得每个脉冲能量9.4J，平均输出功率940W,2倍衍射极限。但它存在两个主要缺点(1)由于级数增加，系统的体积增加，稳定性、可靠性降低。因此不能用于要求小型、牢固、能在恶劣环境下工作的军用激光系统中。
(2)因为连续工作激光器的增益低，其放大级的效率将很低。因此这种方案不能用于要求连续工作的激光系统中。
因此，本发明的目的在于提出一种与现有激光器不同的新型激光器，由于所述的激光器把超短腔、注入种子、再生放大、耦合腔等技术融为一体。因此，在获得高输出功率(能量)的同时，可以获得高光束质量、高效率。所述的激光器不再需要另外增加放大级，因此结构小巧、牢固，可靠性和稳定性大大提高。由于具有自注入种子的功能，所以可用于连续工作的激光系统中。
本发明以固体激光器作为实施例，因为这种新型受激耦合谐振腔激光器特别适用于高功率(能量)固体激光器，无论是连续工作，还是脉冲工作(长脉冲、Q-开关工作)都适用。当然，其原理也适合于在其他类型的激光器，如气体激光器、液体激光器、化学激光器、光纤激光器等中的应用。
图1表示本发明的受激耦合腔激光器的结构示意图；图2表示传统的激光器的结构示意图；图3表示传统的本振一放大结构系统的结构示意图；图4表示本发明第一实施例的受激耦合腔激光器结构示意图；图5表示本发明第二实施例的受激耦合腔激光器结构示意图；图6表示本发明第三实施例的受激耦合腔激光器结构示意图；图7表示本发明第四实施例的受激耦合腔激光器结构示意图；图8表示本发明第五实施例的受激耦合腔激光器结构示意图；图9表示本发明第六实施例的受激耦合腔激光器结构示意图；下面将结合附图和各个实施例对本发明的受激耦合腔激光器的结构以及工作过程进行详细的说明。
下面的描述都是以Nd:YAG(掺钕离子的钇铝石榴石)激光工作物质为例，但本发明不限于Nd:YAG，其他固体激光工作物质，例如Nd:YLF、Nd:YVO4、Yb:YAG、N d:YAP、玻璃等都完全适用。原理上，也适用于气体、液体、半导体等工作物质。
首先，参见图2，它是一种传统的激光器的结构示意图。这种激光器通常是由谐振腔的腔镜1、4，工作物质3、泵浦系统5和腔内元件2组成。
腔镜1与4构成激光器的谐振腔。通常，谐振腔后镜1是在K9玻璃或石英玻璃上镀上对激光工作波长全反射的介质膜(反射率R＞99.9％)制成。谐振腔输出镜4是在K9玻璃或石英玻璃上镀上对激光工作波长部分反射的介质膜制成，其反射率(R≈5～99％)根据激光器的种类、具体应用而定。泵浦系统5对激光工作物质3进行泵浦。当达到或超过阈值时，腔内的增益大于损耗，激光在后镜1与输出镜4构成的谐振腔内振荡、放大，最后从腔镜4输出。如果腔内元件2是光阑，则由于光阑对不同模式的损耗不同，对TEM00模的损耗最小，因此TEM00模最先起振。由于模式竞争，最后输出TEM00模激光。由于TEM00模与其邻近高阶模之间的损耗相差很小，当泵浦增强时其它高阶模也起振。因此，用这种选模方法可以获得TEM00模激光输出，但不可能同时获得大的输出能量(功率)。
加标准具、光栅或采用预激光等方法可以获得单纵模激光输出，但不可能获得100％几率的单纵模工作，输出激光能量(功率)也不大。
采用超短腔可以获得100％几率的单纵模工作，但由于腔长太短(例如，对于Nd:YAG激光器，要求腔长＜1mm)，因此，工作物质也很短，这就不可能获得高能量(功率)激光输出。
图3所示的是一种本振-放大激光系统，这种激光系统是由主振、功率放大器、像中继光学系统和相位共轭镜等部分组成。图中所示的各部件分别是主振荡激光器9，光束整形望远镜10，法拉第隔离器11，45°全反介质膜镜12、14、17、18、21、23，像中继望远镜13、19、22、25，倍频组件15，第一、第二、第三级放大器16、20、24，波片26，透镜27，受激布里渊盒28。所示的主振荡激光器为非稳腔，变反射率输出耦合镜，并注入连续单纵模种子，因此获得高光束质量的单横模、单纵模激光。主振荡激光器的输出经多级放大(例如图中采用的三级放大)以提高输出能量(功率)，放大级的畸变由SBS校正。通过像中继光学系统降低衍射损耗、隔离放大级、抑制放大的自发辐射和寄生振荡并减少尖峰可能引起的破坏。采用这种激光系统，可以同时获得很高的光束质量和很大的激光输出能量(功率)，但是它的缺点是，系统庞大、复杂，很难在恶劣的外场环境下使用，而且所需的费用昂贵。
因此，本发明针对已有技术中所存在的不足，以及为了适合于在恶劣的外场环境下使用，提出了本发明所述的受激耦合腔激光器。
图1是本发明的受激耦合腔激光器的结构示意图。所述的激光器由谐振腔后镜1，腔内元件(光阑、Q-开关等)2，激光工作物质3，激光器谐振腔输出镜4，泵浦系统5组成。其中，所述的谐振腔后镜1其本身是一个高光束质量的微型激光器(或者可作为耦合腔激光器的一部分)，泵浦光为IP，由受激耦合腔输出种子激光IS，激光器输出激光为IL。
在本发明中，作为激光器谐振腔的谐振腔后镜后镜1，它具有腔镜M1,M2，其本身是一个高光束质量的微型激光器，它既作为激光器谐振腔的后镜，也作为产生种子激光IS的激光器。
在图1中，谐振腔后镜1的一个端面M2与输出镜4构成激光器的谐振腔，或放大器、或耦合腔的一部分。泵浦系统5对激光工作物质3进行泵浦，当泵浦强度超过一定值时，则形成激光或对种子激光进行放大，最后从输出腔镜4输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
在本发明中，所述的谐振腔后镜1，它所采用的材料是一块与主激光器的工作物质3(例如，Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4、Yb:YAG、Nd:YAP、玻璃等)相同的、长度从0.5到10毫米的晶体。但它还可以掺入与主激光器的工作物质中不同的、特殊的杂质(例如，掺1at.％的Cr4+等)，所述工作物质的几何形状可以是园棒、盘状、片状、块状、板条、光纤等。
直接在谐振腔后镜1的腔镜两端面镀上高强度的介质膜，以构成谐振腔后镜1的腔镜M1,M2。腔镜M1对工作激光波长高反(R＞99.9％)，而同时对泵浦光波长高透(T＞85％)。腔镜M2对工作激光波长部分反射，其反射率R≈5～99％，它由激光器的具体应用要求而定。M2也可以是单独的一块输出镜。并且，可以在M1,M2构成的谐振腔内插入需要的元件。谐振腔后镜1本身是受激的，而且是一个整体腔激光器(根据M1、M2的结构，谐振腔后镜1也可以是分离腔激光器)。由于掺杂而形成损耗光栅(或由于是超短腔)，它输出高光束质量的、100％几率的单纵模激光。而其输出又恰好成为腔镜M2、输出镜4构成主激光器的种子。因此，腔镜M1、M2、输出镜4又构成注入种子腔激光器。根据具体情况，M2、4可以是激光器，也可以是再生放大器、多程放大器等。另外，控制腔镜M2的反射率(例如R≈50％，或更低)，使腔镜M1、M2内不能形成激光振荡，腔镜1就成为耦合腔激光器的一部分。由谐振腔后镜1与输出镜4一起构成耦合腔激光器，它具有脉宽在一定范围内可调的特性。这种多功能的结合，使整体激光器的光束质量改善、效率提高、稳定性、可靠性增加。
对于受激耦合腔激光器，可以根据对整个激光器的性能要求和输出的需要采用不同规格的腔镜M1和M2。例如，腔镜M1可以是凹面、平面、凸面的。
腔镜M2可以是凹面、平面、凸面。
腔镜4可以是凹面、平面、凸面的。
图1，图4～图9是激光器的几个典型实施例。
图1中，由腔镜M1-M2构成平-平介稳腔，它输出高光束质量的种子激光IS。通过放大或模式竞争作用，在由M2、输出腔镜4构成的平-平介稳腔中(再生)放大，最后从输出腔镜4输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
在图4所示的第一实施例中，由腔镜M1-M2构成平-平介稳腔，它输出高光束质量的种子激光Is。通过放大或模式竞争作用，在由M2、输出腔镜4构成的平-凹稳定腔中(再生)放大，最后从输出腔镜4输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
图4所示的第一实施例中，腔镜4还可以是凸面，由腔镜M2、输出腔镜4构成平-凸非稳腔结构。于是，由腔镜M1-M2构成的平-平介稳腔激光器中输出的高光束质量种子激光IS，通过放大或模式竞争作用，在腔镜M2、输出镜4构成的平-凸稳定腔中(再生)放大，最后从输出腔镜4输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
图5所示的第二实施例中，由腔镜M1-M2构成平-凹稳定腔，它输出高光束质量的种子激光IS。通过放大或模式竞争作用，在腔镜M2、输出腔镜4构成的平-凸非稳腔中(再生)放大，最后从输出腔镜4输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
图6所示的第三实施例中，由腔镜M1-M2构成平-凹稳定腔，它输出高光束质量的种子激光IS。通过放大或模式竞争作用，在腔镜M2、输出腔镜4构成的凸-凹虚共焦非稳腔中(再生)放大，最后从输出腔镜4输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
图7所示的第四实施例中，由腔镜M1-M2构成平-凸非稳腔，它输出高光束质量的种子激光IS。通过放大或模式竞争作用，在腔镜M2、输出腔镜4构成的平-平介稳腔中(再生)放大，最后从输出腔镜4输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
图8所示的第五实施例中，由腔镜M1-M2构成平-凸非稳腔，它输出高光束质量的种子激光IS。通过放大或模式竞争作用，在腔镜M2、输出腔镜4构成的平-凹稳定腔中(再生)放大，最后从输出腔镜4输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
腔镜4还可以是凸面，由腔镜M2、输出腔镜4构成平-凸非稳腔结构。于是，由腔镜M1-M2构成平-凸非稳腔激光器中输出的高光束质量种子激光IS，通过放大或模式竞争作用，在腔镜M2、输出腔镜4构成的平-凸非稳定腔中(再生)放大，最后从输出腔镜4输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
图9所示的第六实施例中，由腔镜M1-M2构成凹-凸非稳腔，它输出高光束质量的种子激光IS。通过放大或模式竞争作用，在腔镜M2、输出腔镜4构成的平-凸非稳腔中(再生)放大，最后从输出腔镜4输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
在上述几种实例中，如果减少腔镜M2的反射率(R≈50％，或更低)，则腔镜M1、M2不能形成激光振荡，此时腔镜M1、M2、4相互之间的耦合作用加强，它们构成耦合腔激光器。
具体选用哪种腔型(稳定腔、介稳腔、非稳腔)、或希望是哪种类型的激光器(注入种子激光器、种子-行波放大器、种子-再生放大器、耦合腔激光器等)，根据具体应用要求而定。
典型的固体激光工作物质是Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4、Yb:YAG、Nd:YAP、玻璃等，其直径从1到15毫米，棒长从2到200毫米。连续工作时还可以用多根棒串联起来。工作物质还可以是板条、薄片、盘、光纤等几何形状。
虽然本发明是用上述的实施例和附图加以说明的，但是本发明并不限于实施例和附图，凡是本领域的技术人员看过本发明说明书后，所能想到的任何本发明的变形方案，都应当看成是在本发明的保护范围之内。
权利要求
1．一种受激耦合谐振腔激光器，其特征在于所述的激光器由谐振腔后镜(1)，腔内元件(光阑、Q-开关等)(2)，激光工作物质(3)，激光器谐振腔输出镜(4)，泵浦系统(5)组成。其中，所述的谐振腔后镜(1)其本身是一个高光束质量的微型激光器(或者可作为耦合腔激光器的一部分)，泵浦系统(5)输出泵浦光为IP，由受激耦合腔输出种子激光IS，激光器输出激光为IL。
2．根据权利要求1的受激耦合谐振腔激光器，其特征在于所述的谐振腔后镜(1)本身是受激的，而且可以是一个整体腔激光器，也可以是分离腔激光器，而其输出又恰好成为腔镜(M2)，输出腔镜(4)所构成主激光器的种子激光；所述的受激耦合腔(1)采用的工作物质可以是与主激光器系统相同的工作物质，例如，Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4、Yb:YAG、Nd:YAP、玻璃等，长度从0.5到10毫米的晶体，它还可以采用掺入与主激光器的工作物质中不同的、特殊的杂质(例如，掺1at.％的Cr4+等)；所述的谐振腔后镜(1)的腔镜两端面镀上高强度的介质膜，以构成受激耦合腔(1)的腔镜(M1,M2)，腔镜(M1)对工作激光波长高反(R＞99.9％)，而同时对泵浦光波长高透(T＞85％)，腔镜(M2)对工作激光波长部分反射，其反射率R≈5～99％，可以在腔镜(M1,M2)构成的谐振腔内插入需要的元件，腔镜(M2)也可以是单独的一块输出镜；谐振腔后镜(1)所构成的种子激光器是二极管泵浦的，也可以是灯泵浦或其它方式泵浦的，所述的激光器可以是整体腔结构，也可以是分离的紧凑结构。
3．根据权利要求1的受激耦合谐振腔激光器，其特征在于所述的谐振腔后镜(1)的腔镜M1-M2构成平-平介稳腔，由所述的平-平介稳定腔所形成的激光器输出高光束质量的种子激光IS，通过放大或模式竞争作用，在由腔镜M2、输出腔镜(4)构成的平-平稳定腔中(再生)放大，最后从输出腔镜4输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
4．根据权利要求1的受激耦合谐振腔激光器，其特征在于所述的谐振腔后镜(1)的腔镜M1-M2构成平-平稳定腔，由所述的平-平稳定腔所形成的激光器输出高光束质量的种子激光IS，通过放大或模式竞争作用，在由腔镜M2、输出腔镜(4)构成的平-凹稳定腔中(再生)放大，最后从输出腔镜(4)输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
5．根据权利要求1的受激耦合谐振腔激光器，其特征在于所述的谐振腔后镜(1)的腔镜M1-M2构成平-平稳定腔，由所述的平-平稳定腔所形成的激光器输出高光束质量的种子激光IS，通过放大或模式竞争作用，在由腔镜M2、输出腔镜(4)构成的平-凸稳定腔中(再生)放大，最后从输出腔镜(4)输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
6．根据权利要求1的受激耦合谐振腔激光器，其特征在于所述的谐振腔后镜(1)的腔镜M1-M2构成平-凹稳定腔，由所述的平-凹稳定腔所形成的激光器输出高光束质量的种子激光IS，通过放大或模式竞争作用，在腔镜M2、输出腔镜(4)构成的平-凸非稳定腔中(再生)放大，最后从输出腔镜4输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
7．根据权利要求1的受激耦合谐振腔激光器，其特征在于所述的谐振腔后镜(1)的腔镜M1-M2构成平-凹稳定腔，由所述的平-凹稳定腔所形成的激光器输出高光束质量的种子激光IS，通过放大或模式竞争作用，在腔镜M2、输出腔镜(4)构成的凹-凸虚共焦非稳定腔中(再生)放大，最后从输出腔镜4输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
8．根据权利要求1的受激耦合谐振腔激光器，其特征在于所述的谐振腔后镜(1)的腔镜M1-M2构成平-凸非稳定腔，由所述的平-凸非稳定腔所形成的激光器输出高光束质量的种子激光Is，通过放大或模式竞争作用，在腔镜M2、输出腔镜(4)构成的平-平介稳定腔中(再生)放大，最后从输出腔镜4输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
9．根据权利要求1的受激耦合谐振腔激光器，其特征在于所述的谐振腔后镜(1)的腔镜M1-M2构成平-凸非稳腔激光器，它输出高光束质量的种子激光IS。通过放大或模式竞争作用，在腔镜M2、输出腔镜(4)构成的平-凹稳定腔中(再生)放大，最后从输出腔镜(4)输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。腔镜(4)还可以是凸面的，由腔镜M2、输出腔镜(4)构成平-凸非稳腔结构。于是，由腔镜M1-M2构成平-凸非稳腔激光器中输出的高光束质量种子激光IS，通过放大或模式竞争作用，在腔镜M2、输出腔镜4构成的平-凸非稳定腔中(再生)放大，最后从输出腔镜4输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
10．根据权利要求1的受激耦合谐振腔激光器，其特征在于所述的谐振腔后镜(1)的腔镜M1-M2构成凹-凸非稳腔激光器，它输出高光束质量的种子激光IS。通过放大或模式竞争作用，在腔镜M2、输出腔镜4构成的平-凸非稳腔中(再生)放大，最后从输出腔镜4输出高光束质量、高功率(能量)激光IL。
全文摘要
本发明涉及的受激耦合腔激光器，适用于固体激光器和其他类型的激光器，所述的激光器由受激耦合腔，腔内元件(或不设置)，激光工作物质，激光器谐振腔输出镜和泵浦系统等部分组成，采用不同的受激耦合腔以及它与谐振腔输出腔镜的组合使它同时具有注入种子、再生放大、多程放大、耦合腔等功能并输出高功率(能量)、高光束质量激光，适用于Q－开关、长脉冲、连续工作的激光器。
文档编号H01S3/08GK1317856SQ01102490
公开日2001年10月17日 申请日期2001年2月9日 优先权日2001年2月9日
发明者周寿桓, 周翊 申请人:周寿桓, 周翊