CN100479272C - 脉冲振荡固体激光装置 - Google Patents

Abstract

提供一种固体激光装置。本发明的固体激光装置，包括固体激光介质、对上述固体激光介质进行激励的光源、和夹着上述固体激光介质构成激光共振器的至少2个反射镜，其构成为，在上述固体激光介质与至少1个反射镜之间的空间内设定假想镜面的同时，在上述假想镜面与上述反射镜之间设置至少1个光学元件，通过假想镜面～光学元件～反射镜～光学元件～假想镜面的往返路径，往路上的假想镜面与返路上的假想镜面在光学上是共轭的。由此能够利用简单、可靠性高的结构，得到高输出的、宽脉冲固体激光束的固体激光装置。

Description

脉冲振荡固体激光装置

技术领域

本发明涉及固体激光装置，特别涉及产生输出高且脉冲宽度较宽的激光的脉冲型固体激光装置。

背景技术

现有的固体激光装置具有固体激光介质、对固体激光介质进行激励的光源、由夹着固体激光介质配置的至少2个反射镜构成的激光共振器。固体激光介质被光源激励而产生增益，用激光介质的增益把在反射镜间往返的光放大，把从上述反射镜中的具有把一部分光反射、另一部分透射的部分反射特性的部分反射镜来的透射光作为输出取出。把平面镜用作反射镜、把固体激光介质配置在反射镜间隔的中央的结构，不需要用于调整激光束的附加单元，是把固体激光介质串联连接进行高输出化时的基本单位，是最基本且最有用的结构之一。

一般地，在固体激光装置中，受到激励的固体激光介质进行发热而产生温度分布，固体激光介质产生作为

透镜而起作用的热透镜效应。热透镜效应大致与激励输入成正比地增强，但是，当固体激光介质的热透镜效应按照激励输入而增强时，共振器的动作偏离稳定型共振器的条件产生了停止振荡的现象。共振器稳定地动作的界限的热透镜效应的强度上限值，与共振器的长度有关，共振器越短，即使对于强的热透镜效应也就越稳定地动作。即，短共振器一直到高激励输入和高输出都能稳定地动作。因此，为了得到高输出，需要使用短共振器并进行强激励。

另一方面，在使用光学开关进行脉冲振荡的脉冲型激光装置的场合，存在着共振器长度越短、激励越强时，脉冲宽度就越缩短这样的关系。

这样，一般来说，高输出、与脉冲振荡中的脉冲宽度较宽，需要相反的动作条件。

已提出了在使用共振器长度较长的共振器、产生脉冲宽度较宽的激光的脉冲型固体激光装置中，提高共振器稳定性的共振器结构(例如，参照专利文献1)。该共振器包括：固体激光介质；在把从固体激光介质一侧入射的激光扩大的同时，把由反射镜反射而返回来、从与上述入射时相反一侧入射的激光缩小的望远镜；把从该望远镜入射的激光反射的平面反射镜；把由平面反射镜反射、由望远镜缩小、且由激光介质放大而入射的激光扩大，把从相反一侧入射的激光缩小的望远镜；以及把经由该望远镜而入射的激光反射的平面反射镜。通常，用2个透镜来构成上述望远镜。在这样的激光装置中，通过使用上述望远镜把用共振器长度较长的共振器产生的射束缩小成适当的大小，并经过固体激光介质，实现了用较长的共振器一直到高输出都能够实现稳定的动作。在该结构中，由于使用长的共振器，所以能够产生脉冲宽度较宽的振荡。

<专利文献1>

日本特开2001-274491号公报(第6～7页，图1)

在现有的固体激光装置中，如上述那样，为了稳定地得到高输出，需要使用短的共振器并进行高密度的激励，振荡脉冲的宽度有缩短的倾向。因此，存在着难以兼顾较宽的脉冲宽度和高输出这样的问题。对此，如上所述，提出了使用望远镜的共振器结构，但是，为了构成望远镜需要2个或更多个透镜，因此，存在着装置复杂化这样的问题。特别是，在把多个固体激光介质连结起来以谋求高输出化时，需要在各固体激光介质之间插入扩大望远镜和缩小望远镜，存在着装置复杂化和提高了成本这样的问题。此外，还存在着调整变得困难这样的问题。

发明内容

本发明正是为了解决这样的问题而提出的，其目的在于得到能够利用简单、可靠性高的结构，得到高输出的、宽脉冲固体激光束的固体激光装置。

本发明的脉冲振荡固体激光装置，包括：1个或更多个固体激光介质；对上述固体激光介质进行激励的光源；和夹着上述1个或更多个固体激光介质构成激光共振器的一对反射镜，所述脉冲振荡固体激光装置的特征在于：在至少1个固体激光介质与上述一对反射镜中的任意一个反射镜之间的空间上将假想镜面作为等价于在该空间上放置的光学作用的反射镜来设定，同时，在上述假想镜面与上述一对反射镜中的任意一个反射镜之间设置至少1个光学元件，通过从假想镜面经过光学元件到达上述一对反射镜中的任意一个反射镜的往返路径，使得往路上的假想镜面与返路上的假想镜面在光学上是共轭的，其中，所述至少1个固体激光介质位于上述1个或更多个固体激光介质的端部上，所述一对反射镜中的任意一个反射镜设置在与位于该端部上的固体激光介质相对置的位置上。

此外，本发明的脉冲振荡固体激光装置，包括：多个固体激光介质；对上述固体激光介质进行激励的光源；和夹着上述多个固体激光介质构成激光共振器的一对反射镜，所述脉冲振荡固体激光装置的特征在于：在上述多个固体激光介质中的至少相邻的2个固体激光介质之间至少设置1个光学元件，为了使位于上述相邻的固体激光介质中的一方的固体激光介质与上述光学元件之间的空间上的一个面和位于上述相邻的固体激光介质中的另一方的固体激光介质与上述光学元件之间的空间上的一个面成为共轭关系，来构成上述光学元件。

在本发明的固体激光装置中，能够用简单的结构得到高输出的、宽脉冲固体激光束。特别是，在把多个固体激光介质连结起来以谋求高输出化时，由于成为通过只把固体激光介质排列起来即可的结构，所以能够得到容易调整、且可靠性高、输出高、且脉冲宽度较宽的激光输出。

附图说明

图1为示出本发明实施方式1的固体激光装置和现有固体激光装置的结构图。

图2为说明现有的固体激光装置的动作的图。

图3为与现有的固体激光装置相比较，示出本发明实施方式1的固体激光装置中的动作的图。

图4为示出本发明实施方式1的另一固体激光装置的结构图。

图5为示出本发明实施方式2的固体激光装置和使用了望远镜的现有的固体激光装置的结构图。

图6为示出本发明实施方式2的另一固体激光装置的结构图。

图7为示出本发明实施方式3的固体激光装置的结构图。

具体实施方式

(实施方式1)

图1(a)为示出本发明实施方式1的固体激光装置的结构图。固体激光装置包括：固体激光介质1；对固体激光介质1进行激励的激励光源2；反射镜3、4；以及透镜6。再有，图1(a)中，反射镜3为部分反射镜，反射镜4为全反射镜。在固体激光介质1与至少1个反射镜(在此，为全反射镜4)之间的空间内，设定假想的假想镜面5。固体激光介质1与部分反射镜之间的距离为La、固体激光介质1与假想镜面5之间的距离为Lb，把假想镜面5设定在图1(b)所示那样的、现有的放置固体激光装置的全反射镜(平面镜)40的位置上。图1(b)中，固体激光介质1、光源2、和部分反射镜3，与图1(a)的固体激光介质1、光源2、和部分反射镜3相同。把透镜6设置在距离假想镜面5为L₁的位置上，把反射镜4设置在距离透镜6为L₂的位置上。有关L₁、L₂见后述。

接着，说明图1(a)所示的本实施方式1的固体激光装置的动作。

固体激光介质1被激励光源2激励而产生增益。由激光介质1的增益把在部分反射镜3与全反射镜4之间往返的光放大，并将其作为输出从部分反射镜3取出。在假想镜面5与透镜6之间的距离为L₁，透镜6与全反射镜4之间的距离为L₂，全反射镜4的曲率半径为R，透镜6的焦距为f时，表示从假想镜面5经过透镜6、达全反射镜的往返路径的光线行列式，可用：

[数学式1]

$\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& L_1\\ 0& 1\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/f& 1\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{cc}1& L_2\\ 0& 1\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -2/R& 1\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{cc}1& L_2\\ 0& 1\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/f& 1\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{cc}1& L_1\\ 0& 1\end{array}\right]......\left(1\right)$

来表示。在此，如果例如L₁＝2f，L₂＝2f，R＝f，则(1)式可用：

[数学式2]

$\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]......\left(2\right)$

来表示，(2)式的光线行列式与表示平面镜的光线行列式相同。这一点表明，往返从假想镜面5经过透镜6到达全反射镜4的路径所产生的光学作用，与把平面镜放置在假想镜面5时的光学作用是等价的。因此，在图1(a)的结构中，在L₁＝2f，L₂＝2f，R＝f时，激光共振器显示出与把平面镜设置在假想镜面5的位置上、即，图1(b)结构的情况相同的动作。

图2表示出现有的固体激光装置中的动作特性。图3为与现有的固体激光装置相比较，示出本实施方式1的固体激光装置中的动作特性的图，图3(a)示出在图1(a)的结构中，L₁＝2f，L₂＝2f，R＝f时的共振器动作特性，图3(b)示出图1(b)中示出的现有固体激光装置的共振器动作特性。

如图2(a)所示那样，在现有的固体激光装置中来自共振器的输出与激励输入大致成正比地增加，但是，当激励输入超过预定值时，共振器的动作变得不稳定，产生了停止振荡的现象。此外，共振器稳定地动作的激励输入的极限与共振器的长度有关，如图2(a)所示，可以看出，共振器越短，一直到高的激励输入、高的输出就越稳定地动作。此外，如图2(b)所示，可以看出，在现有的固体激光装置中，共振器长度越短、激励越强时，脉冲宽度就越窄。

与此不同，在本实施方式1的固体激光装置中，如前所述，激光共振器表现出与把平面镜设置在假想镜面5上时等价的动作，激光介质部中的共振器内的射束直径与现有的直径相等，在稳定动作区域和激光输出方面得到完全相同的共振器动作特性。即，如从图3(a)和图3(b)可以看出的那样，激励输入与激光输出的关系大致相同。另一方面，与现有的结构相比较，在图1(a)的结构中由于共振器的长度加长，所以激光往返共振器所需要的时间加长，在脉冲动作中得到脉冲宽度较宽的振荡特性。即，在图3(a)和图3(b)中，激励输入与脉冲宽度的关系不同，对于相同的激励输入，图3(a)所示的本实施方式描述的发明可以得到脉冲宽度比现有技术更宽的激光。

通过按下述那样来考虑，可以理解上述的动作。也就是说，从共振器动作的现点出发，在光学上共轭面之间的空间、即光在经过共轭面再返回到该共轭面之间的传播空间，在光学上作为短路的空间对于共振器动作不造成影响，但是，在激光放大的过程中，据说可以认为它是造成与空间传播相当的时间延迟的空间。图1(a)的结构利用该动作特性可以兼顾共振器的高输出动作与脉冲宽度较宽的振荡。

再有，在上述实施方式中，作为例子举出了L₁＝2f，L₂＝2f，R＝f的条件，但是，更普遍地说，使用一个透镜6使假想的平面镜出现在假想镜面5上的L₁、L₂的条件，可用下列(3)、(4)式来表示。在把可以按照标准取得的反射镜和透镜以满足(3)、(4)式条件的方式加以组合并配置的条件下，能够以更高的自由度来设计动作特性。

[数学式3]

$L_1=\frac{f(f+R)}{R}......\left(3\right)$

L₂＝f+R    ......(4)

此外，在上述实施方式中，说明了使平面镜出现在假想镜面5上的情形，但是，能够使任意曲率的假想镜出现。

例如，L₁＝L₂＝2f时，(1)式成为

[数学式4]

$\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{2}{f}-\frac{2}{R}& 1\end{array}\right]......\left(5\right)$

，(5)式示出，可以得到与把曲率半径R^＊

[数学式5]

$R^{*}=\frac{\mathrm{fR}}{R-f}$

的曲面镜设置在假想镜面上时相同的共振器动作。

此外，在上述实施方式中，说明了假想镜面5与反射镜在光学上为共轭关系的情形，但是，也可以作成通过从假想镜面5经过透镜6到达全反射镜4的往返路径，往路上的假想镜面与返路上的假想镜面在光学上是共轭的结构。作为有代表性的例子，可以举出L₁＝L₂＝f，R＝∞(平面镜)的情况。

再有，在上述实施方式中，说明了从设置在共振器中的激光介质看、把假想镜面5设定在全反射镜一侧上时的共振器各结构要素的配置，但是，将其设定在部分反射镜(取出镜)一侧或两侧上，当然也可以得到同样的效果。

此外，在上述实施方式中，说明了使用一个透镜6的最简单的结构，但是，使用多个透镜当然也可以具有同等的效果来实现。

此外，在上述实施方式中，示出了使用透镜6的例子，但是，也可以如图4所示那样，使用反射型聚焦元件60来代替透镜6。通过使用反射型聚焦元件60，能够得到折叠型的望远镜结构。在向反射型聚焦元件入射的入射角大时，使用旋转椭圆面或抛物面即可。

(实施方式2)

在固体激光装置中，通过把多个分别包含固体激光介质的基本单元串联连结起来，可谋求高输出化。在上述的现有固体激光装置中，说明了作为兼顾较宽的脉冲宽度和高输出的装置的如图5(b)所示那样的、使用了望远镜7的共振器结构，但是，在这样的结构的装置中，为了使用多个固体激光介质来谋求高输出化，需要在各固体激光介质之间插入扩大望远镜和缩小望远镜，存在着装置复杂、提高了成本这样的问题。还存在着调整变得困难这样的问题。

与此不同，实施方式1的固体激光装置，利用简单的结构可以得到高输出、宽脉冲的固体激光束。

图5(a)为示出本发明实施方式2的固体激光装置的结构图，示出把2个固体激光介质1连结起来的情形。

图中，多个固体激光介质1的每一个被激励光源2激励而产生增益。由激光介质1的增益把在部分反射镜3与全反射镜4之间往返的光放大，并将其作为输出从部分反射镜3取出。此时，与实施方式1同样，在固体激光介质1与至少1个共振器镜(在此，为全反射镜4)之间的空间内设定假想的假想镜面5的同时，在该假想镜面5与全反射镜4之间设置透镜6，并且，与实施方式1中所述的同样地，把上述假想镜面5和透镜6的位置设定在由L₁、L₂确定的位置上，由此，可实现在从假想镜面5经过透镜6到达全反射镜4的往返路径上，往路上的假想镜面与返路上的假想镜面是共轭的结构，可得到高输出、且脉冲宽度较宽的脉冲激光输出。此外，由于是多个固体激光介质连结起来的结构，所以可得到更高输出的激光输出。

再有，如果在把多个单元1、2连结起来时配置成，接受固体激光介质1的热透镜作用而进行传播的激光束的波阵面在各基本单元的两端上为平面，则通过简单地把多个同一规格的单元排列起来就成为周期性的射束传播，能够实现简单且高效率的连结。例如，图5(a)中，如果作成使假想的平面镜出现在假想镜面5上的结构(例如，L₁＝2f，L₂＝2f，R＝f)，则在基本单元的两端上激光束的波阵面为平面。其结果，在基本单元的连结中，不附加用于取得波阵面匹配的装置，而通过把多个单元简单地排列起来，就能够容易地实现高输出化。

再有，图5(a)中示出了把2个单元连结起来的例子，但是，当然也能够不使用附加装置就把任意个数的单元连结起来。

此外，在上述实施方式中，说明了把假想镜面5设定在多个固体激光介质中的位于全反射镜一侧上的固体激光介质与全反射镜之间的情形，但是，也可以将其设定在部分反射镜(取出镜)一侧或两侧上。

而且，从共振器动作的观点出发，在光学上共轭面之间的空间、在光学上作为短路的空间对于共振器动作不造成影响，但是，在激光放大的过程中，根据它是造成与空间传播相当的时间延迟的空间这样的动作原理，在使用了多个固体激光介质的情形下，也可以在多个固体激光介质之间设置上述那样的在光学上短路的空间。图6为示出这样的结构的固体激光装置的结构图，其结构为，在单元1与单元2之间设定2个假想镜面5的同时，在2个假想镜面5之间设置2个透镜6和全反射镜8，并与实施方式1同样地按照预定来设定每一个设置位置、透镜的焦距等，由此，2个假想镜面5在光学上是共轭关系。在设置激光单元的空间不够等情形下，这样的结构具有在设置装置时能够提高装置结构上的自由度这样的优点。

再有，图6中，在2个假想镜面5之间设置了2个透镜6和全反射镜8，但是，也可以如图4所示那样构成为，在透镜6处使用例如反射型聚焦元件，2个假想镜面5在光学上是共轭关系。

(实施方式3)

作为固体激光装置的谋求高输出化的单元，使用了放大器。图7为示出本发明实施方式3的固体激光装置的结构图，示出使用了放大器的结构。图7中，单元1为振荡级，单元2和单元3为放大级。

图7中，各单元中的固体激光介质1的每一个被激励光源2激励而产生增益。由单元1的固体激光介质1的增益把在共振器镜3与4之间往返的光放大，并将其作为振荡射束从部分反射镜3取出。使该振荡射束经过放大级单元2和单元3进行放大，由此，可容易地得到高的激光输出。而且，本实施方式3中，在共振器内设置假想镜面5和透镜6，并将其设置位置设定在实施方式1中说明了的位置上，由此，可得到高输出、且脉冲宽度较宽的脉冲激光输出。此外，本实施方式中，由于把放大级设置在共振器的外部，所以调整变得容易。

此外，特别是，如果作成使假想的平面镜出现在假想镜面上的结构(例如，L₁＝2f，L₂＝2f，R＝f)，则使用单一结构的基本单元，不用校正光学元件就能够谋求高输出化。

再有，在上述实施方式中示出了在共振器内有一个固体激光介质的情形，但是，也可以与实施方式2同样，有多个固体激光介质。

此外，也可以把假想镜面、透镜、反射镜配置在满足实施方式1、2中所述的条件的其它位置上。

此外，在上述实施方式中示出使用了透镜6的例子，但是，也可以使用其它光学元件，例如图4所示的反射型聚焦元件。

Claims (8)

1.一种脉冲振荡固体激光装置，包括：

1个或更多个固体激光介质；

对上述固体激光介质进行激励的光源；和

夹着上述1个或更多个固体激光介质构成激光共振器的一对反射镜，

所述脉冲振荡固体激光装置的特征在于：

在至少1个固体激光介质与上述一对反射镜中的任意一个反射镜之间的空间上将假想镜面作为等价于在该空间上放置的光学作用的反射镜来设定，同时，在上述假想镜面与上述一对反射镜中的任意一个反射镜之间设置至少1个光学元件，通过从假想镜面经过光学元件到达上述一对反射镜中的任意一个反射镜的往返路径，使得往路上的假想镜面与返路上的假想镜面在光学上是共轭的，

其中，所述至少1个固体激光介质位于上述1个或更多个固体激光介质的端部上，所述一对反射镜中的任意一个反射镜设置在与位于该端部上的固体激光介质相对置的位置上。

2.根据权利要求1所述的脉冲振荡固体激光装置，其特征在于：

假想镜面与上述一对反射镜中的任意一个反射镜在光学上是共轭的。

3.根据权利要求2所述的脉冲振荡固体激光装置，其特征在于：

在假想镜面与上述一对反射镜中的任意一个反射镜之间设置的光学元件为1个透镜，上述透镜的焦距为f，上述一对反射镜中的任意一个反射镜的曲率半径为R，上述假想镜面与上述透镜的距离为L₁，上述透镜与上述一对反射镜中的任意一个反射镜的距离为L₂时，满足：

$L_1=\frac{f(f+R)}{R}$ 且L₂＝f+R。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的脉冲振荡固体激光装置，其特征在于：

假想镜面数为1个。

5.一种脉冲振荡固体激光装置，包括：

多个固体激光介质；

对上述固体激光介质进行激励的光源；和

夹着上述多个固体激光介质构成激光共振器的一对反射镜，

所述脉冲振荡固体激光装置的特征在于：

在上述多个固体激光介质中的至少相邻的2个固体激光介质之间至少设置1个光学元件，为了使位于上述相邻的固体激光介质中的一方的固体激光介质与上述光学元件之间的空间上的一个面和位于上述相邻的固体激光介质中的另一方的固体激光介质与上述光学元件之间的空间上的一个面成为共轭关系，来构成上述光学元件。

6.根据权利要求1～3、5中的任一项所述的脉冲振荡固体激光装置，其特征在于：

在共振器的外部具有至少1个放大用的固体激光介质。

7.根据权利要求4所述的脉冲振荡固体激光装置，其特征在于：

在共振器的外部具有至少1个放大用的固体激光介质。

8.根据权利要求1、2、5中的任一项所述的脉冲振荡固体激光装置，其特征在于：

光学元件是反射型的聚焦元件。

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