CN101895052A - 包含微腔阵列的激光器谐振腔 - Google Patents

Abstract

一种包含微腔阵列的激光器谐振腔，属于激光技术领域。现有激光器谐振腔体积很大，所包含的模式数目较大，这使得自发射光子耦合到具有谢振频率ν的激光模式中来产生激光的几率非常小，从而激光器阈值高。本发明之激光器谐振腔包含由若干微谐振腔组成的微腔阵列。微谐振腔的实现通过采用由若干微型全反射镜构成微型全反射镜阵列、或/和由若干微型输出耦合反射镜构成微型输出耦合反射镜阵列、或者由若干微型激光工作物质构成的微型激光工作物质阵列实现。本发明能够减少激光器谐振腔内模式数目，降低激光器阈值。

Description

包含微腔阵列的激光器谐振腔

技术领域

本发明涉及一种包含微腔阵列的激光器谐振腔，能够减少谐振腔内模式数目，降低激光器阈值，属于激光技术领域。

背景技术

减少谐振腔内的模式数目是降低激光器阈值的主要措施。谐振腔是激光器的核心部分，而开腔谐振腔内的模式数目较少，见图1、图2所示，所述开腔有源谐振腔由全反射镜1、激光工作物质2、输出耦合反射镜3构成，激光工作物质2位于全反射镜1与输出耦合反射镜3之间，三者光学同轴。处在谐振频率ν附近频带dν内的模式数目G为

$G=\frac{{8\mathrm{\π\ν}}^2}{c^3}\mathrm{Vd\ν}---\left(1\right)$

式中：V是谐振腔体积，c为光速。谐振腔体积V由谐振腔腔长L以及全反射镜1、输出耦合反射镜3的有效区域面积A求出。

发明内容

现有激光器谐振腔存在的问题在于，由于全反射镜1、输出耦合反射镜3直径在10mm左右，有效区域面积A比较大，谐振腔体积V也就很大，而谐振腔内模式数目G与体积V成正比，所以谐振腔内包含的模式数目G较大，这使得自发射光子耦合到具有谢振频率ν的激光模式中来产生激光的几率非常小，从而激光器阈值高。为了减少激光器谐振腔内的模式数目，降低激光器阈值，我们发明了一种包含微腔阵列的激光器谐振腔。

本发明是这样实现的，激光器谐振腔包括全反射镜1、激光工作物质2、输出耦合反射镜3，激光工作物质2位于全反射镜1与输出耦合反射镜3之间，三者光学同轴，激光工作物质2的两个端面与全反射镜1、输出耦合反射镜3的有效区域4相对，见图1、图2所示，其特征在于，所述激光器谐振腔包含由若干微谐振腔组成的微腔阵列，其实现有两种方案：

一、由若干微型全反射镜构成微型全反射镜阵列，若干微型全反射镜光学轴线平行，或/和由若干微型输出耦合反射镜构成微型输出耦合反射镜阵列，若干微型输出耦合反射镜光学轴线平行，见图3所示，微谐振腔的构成有三种方案，一是由一个微型全反射镜与其光学轴线经过的输出耦合反射镜3的部分构成；二是由一个微型输出耦合反射镜与其光学轴线经过的全反射镜1的部分构成；三是由一个微型全反射镜与其光学轴线经过的一个微型输出耦合反射镜构成；若干个这样的微谐振腔组成微腔阵列；

二、将由若干微型激光工作物质构成的微型激光工作物质阵列5作为激光工作物质2，见图4所示，微型激光工作物质阵列5位于全反射镜1和输出耦合反射镜3之间，见图5所示，每一个微型激光工作物质轴线均与全反射镜1和输出耦合反射镜3的轴线平行，每一个微型激光工作物质轴线与全反射镜1有效区域的交点之处为一个微型全反射镜有效区域，与输出耦合反射镜3有效区域的交点之处为一个微型输出耦合反射镜有效区域，一个微型全反射镜有效区域与一个微型输出耦合反射镜有效区域构成一个微谐振腔，若干个这样的微谐振腔组成微腔阵列。

微谐振腔的物理体积非常小，其模式数目非常低，进而影响内部原子的自发辐射特性，由于微腔限制作用，自发辐射耦合到激光模式内的几率大大增加，从而使激光器的阈值变得很低。本发明实质上是将现有固体激光器的大体积谐振腔分割成众多小体积的微谐振腔，并排列成微腔阵列，各个微谐振腔产生的激光相干合成，峰值功率大于现有大体积谐振腔固体激光器的峰值功率。这一效果还可以从以下分析看出。

从自发辐射增强因子F分析：

$F=\frac{{\mathrm{Q\λ}}^2}{8\mathrm{\πV}}---\left(2\right)$

式中：Q＝λ/Δλ是谐振腔品质因子，λ是辐射波长，Δλ是自发辐射带宽，V是谐振腔体积。从公式(2)可以看出，对于微谐振腔，Δλ很小，因而Q值很大，另外V也非常小，Q/V比值远大于现有固体激光器的大体积谐振腔的Q/V比值，所以，自发辐射增强因子F非常大，自发辐射极大增强。

再从自发辐射耦合因子β分析：

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\λ}}^4}{4{\mathrm{\π}}^2\mathrm{V\Δ\λ}{n}^3}---\left(3\right)$

式中：λ是辐射波长，Δλ是自发辐射带宽，V是谐振腔体积，n是激光工作物质介质折射率。从公式(3)可以看出，由于微谐振腔体积V、自发辐射带宽Δλ都很小，因此，耦合因子β得到极大的提高，自发辐射耦合到激光模式内的几率大大增加。

激光器阈值P_th与自发辐射耦合因子β之间关系为：

$P_{\mathrm{th}}=\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}[1+\mathrm{\β}+\mathrm{\ξ}(1-\mathrm{\β})]---\left(4\right)$

式中：γ是光子从谐振腔内出射的效率，数值ξ＝NβVΓ/γ，是半数原子处于激发态时激光模式内的平均光子数，N是原子数目，β是自发辐射耦合因子，V是谐振腔体积，Γ是自发辐射速率。从公式(4)可以看出，在微谐振腔之中由于体积的限制作用，谐振模式的数目显著减少，自发辐射也不再各向同性，耦合因子β可以得到极大改善，因此，激光器阈值P_th会随之明显减小，如果能将β提高到1，那么P_th＝γ，可以实现接近无阈值的激光出射。

由于每个微谐振腔的体积V的限制，包含微腔阵列的激光器谐振腔模式数目显著降低，使得自发辐射极大增强，耦合到激光模式中的自发辐射耦合因子β得到极大提高，激光阈值P_th明显减小，所以包含微腔阵列的激光器谐振腔会使激光器的阈值得到降低。同时由于每个微谐振腔之间因衍射相干耦合而产生模式锁定，使包含微腔阵列的激光器谐振腔输出的激光束产生相干叠加，保证了输出激光束的质量。

附图说明

图1是现有激光器谐振腔的基本结构示意图。图2是是现有激光器谐振腔中的全反射镜或者输出耦合反射镜上的有效区域示意图。图3是本发明所涉微型全反射镜阵列或者微型输出耦合镜阵列示意图。图4是本发明所涉微型激光工作物质阵列示意图。图5是因采用微型激光工作物质阵列而形成的本发明之包含微腔阵列的激光器谐振腔结构示意图，该图兼作为摘要附图。图6是由微型全反射镜阵列与输出耦合反射镜构成的本发明之包含微腔阵列的激光器谐振腔结构示意图。图7是由全反射镜与微型输出耦合反射镜阵列构成的本发明之包含微腔阵列的激光器谐振腔结构示意图。图8是由微型全反射镜阵列与微型输出耦合反射镜阵列构成的本发明之包含微腔阵列的激光器谐振腔结构示意图。

具体实施方式

本发明具体是这样实现的，激光器谐振腔由全反射镜1、激光工作物质2、输出耦合反射镜3构成，激光工作物质2位于全反射镜1与输出耦合反射镜3之间，三者光学同轴，激光工作物质2的两个端面与全反射镜1、输出耦合反射镜3的有效区域4相对，见图1、图2所示。所述激光器谐振腔包含由若干微谐振腔组成的微腔阵列，其实现有两种方案：

一、由若干微型全反射镜构成微型全反射镜阵列，若干微型全反射镜光学轴线平行，或/和由若干微型输出耦合反射镜构成微型输出耦合反射镜阵列，若干微型输出耦合反射镜光学轴线平行，见图3所示，微谐振腔的构成有三种方案，一是由一个微型全反射镜与其光学轴线经过的输出耦合反射镜3的部分构成；二是由一个微型输出耦合反射镜与其光学轴线经过的全反射镜1的部分构成；三是由一个微型全反射镜与其光学轴线经过的一个微型输出耦合反射镜构成；若干个这样的微谐振腔组成微腔阵列。此时，包含微腔阵列的激光器谐振腔有三种方案，一是由微型全反射镜阵列6与输出耦合反射镜3构成，见图6所示；二是由全反射镜1与微型输出耦合反射镜阵列7构成，见图7所示；三是由微型全反射镜阵列6与微型输出耦合反射镜阵列7构成，见图8所示。由于微型全反射镜阵列6中的微型全反射镜与微型输出耦合反射镜阵列7中的微型输出耦合反射镜很难一一对应光学同轴，因此前两种方案更容易实现。

设微型全反射镜或者微型输出耦合反射镜直径为d₀，根据紧密阵列要求，若干微型全反射镜或者微型输出耦合反射镜在n个同心的阵列环上排列，在有效区域4的中心设置一个直径为d₀的微型全反射镜或者微型输出耦合反射镜，然后在第1阵列环上设置，第n个阵列环半径就是nd₀，第n个阵列环上直径为d₀的微型全反射镜或者微型输出耦合反射镜的数量N_n为：

$N_n=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{arctg}\left(\frac{1}{2n}\right)}---\left(5\right)$

式中：n为阵列环序数，取值为整数1、2、3……当激光工作物质2采用Nd:YAG激光棒时，输出激光波长为1.06μm，因此，微型全反射镜或者微型输出耦合反射镜直径d₀为μm量级，设d₀＝10μm，全反射镜1或者输出耦合反射镜3的有效区域4直径为6mm，那么阵列环序数n最大为299，也就是有299个阵列环，每个阵列环上的微型全反射镜或者微型输出耦合反射镜数目各不相同，从内环向外环逐渐增加，由公式(5)可知，在第1个阵列环上设置有6个，第2环12个，第3环19个，……第299环1878个，总计269100个，最内环半径10μm，最外环半径2990μm，微型全反射镜阵列或者微型输出耦合反射镜阵列直径为5990μm，因此，微型全反射镜或者微型输出耦合反射镜均分布在有效区域4内。

采用光刻技术在全反射镜1的反射膜上以及输出耦合反射镜3介质膜上制作微型全反射镜阵列6以及微型输出耦合反射镜阵列7。阵列环序数n最大取到299，微型全反射镜阵列6以及微型输出耦合反射镜阵列7直径达到6010μm，略大于全反射镜1、输出耦合反射镜3有效区域4的直径，适应谐振光的发散角。微型全反射镜或者微型输出耦合反射镜直径d₀为8～9μm，以使每个微型全反射镜或者微型输出耦合反射镜边缘之间有1～2μm间隔。

或者采用单模光纤制作微型全反射镜阵列6、微型输出耦合反射镜阵列7。去掉单模光纤外保护层，环形紧密排列捆扎形成光纤束，光纤束直径10mm、长2～3mm，光纤束两端面为抛光平面，镀介质膜。

二、将由若干微型激光工作物质构成的微型激光工作物质阵列5作为激光工作物质2，见图4所示，微型激光工作物质阵列5位于全反射镜1和输出耦合反射镜3之间，见图5所示，每一个微型激光工作物质轴线均与全反射镜1和输出耦合反射镜3的轴线平行，每一个微型激光工作物质轴线与全反射镜1有效区域的交点之处为一个微型全反射镜有效区域，与输出耦合反射镜3有效区域的交点之处为一个微型输出耦合反射镜有效区域，一个微型全反射镜有效区域与一个微型输出耦合反射镜有效区域构成一个微谐振腔，若干个这样的微谐振腔组成微腔阵列。

将直径为10μm钕光纤激光器用的单模钕光纤环形紧密排列捆扎形成光纤束，光纤束直径为8mm，长100mm，光纤束两端面为抛光平面，一个端面镀对1.06μm全反、对808nm全透的双色膜，另一个端面镀1.06μm增透膜，作为微型激光工作物质阵列5。在谐振腔腔长L相同、全反射镜1和输出耦合反射镜3有效区域4面积A相同的前提下，与采用同尺寸的Nd:YAG激光棒相比，采用微型激光工作物质阵列5形成的微谐振腔体积V′与谐振腔体积V相比，可得V′/V＝1.1×10^-6，也就是说，微谐振腔体积是谐振腔体积的1.1×10⁶分之一，这意味V′内模式数目是V的1.1×10⁶分之一，耦合到激光模式中的自发辐射耦合因子β提高了1.1×10⁶倍，所以说包含微腔阵列的激光器谐振腔有利于激光阈值的降低。

Claims (3)

1.一种包含微腔阵列的激光器谐振腔，包括全反射镜(1)、激光工作物质(2)、输出耦合反射镜(3)，激光工作物质(2)位于全反射镜(1)与输出耦合反射镜(3)之间，三者光学同轴，激光工作物质(2)的两个端面与全反射镜(1)、输出耦合反射镜(3)的有效区域(4)相对，其特征在于，所述激光器谐振腔包含由若干微谐振腔组成的微腔阵列，其实现有两种方案：

一、由若干微型全反射镜构成微型全反射镜阵列，若干微型全反射镜光学轴线平行，或/和由若干微型输出耦合反射镜构成微型输出耦合反射镜阵列，若干微型输出耦合反射镜光学轴线平行，微谐振腔的构成有三种方案，一是由一个微型全反射镜与其光学轴线经过的输出耦合反射镜(3)的部分构成；二是由一个微型输出耦合反射镜与其光学轴线经过的全反射镜(1)的部分构成；三是由一个微型全反射镜与其光学轴线经过的一个微型输出耦合反射镜构成；若干个这样的微谐振腔组成微腔阵列；

二、将由若干微型激光工作物质构成的微型激光工作物质阵列(5)作为激光工作物质(2)，微型激光工作物质阵列(5)位于全反射镜(1)和输出耦合反射镜(3)之间，每一个微型激光工作物质轴线均与全反射镜(1)和输出耦合反射镜(3)的轴线平行，每一个微型激光工作物质轴线与全反射镜(1)有效区域的交点之处为一个微型全反射镜有效区域，与输出耦合反射镜(3)有效区域的交点之处为一个微型输出耦合反射镜有效区域，一个微型全反射镜有效区域与一个微型输出耦合反射镜有效区域构成一个微谐振腔，若干个这样的微谐振腔组成微腔阵列。

2.根据权利要求1所述的激光器谐振腔，其特征在于，包含微腔阵列的激光器谐振腔由微型全反射镜阵列(6)与输出耦合反射镜(3)构成；或者由全反射镜(1)与微型输出耦合反射镜阵列(7)构成；或者由微型全反射镜阵列(6)与微型输出耦合反射镜阵列(7)构成。

3.根据权利要求1所述的激光器谐振腔，其特征在于，若干微型全反射镜或者微型输出耦合反射镜在n个同心的阵列环上排列。

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