CN1030124C - 激光器的横模选择方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光器的横模选择方法及装置。它为多模振荡单模高功率输出的横模选择方法。该方法是基于波导模与自由空间模之间展开与耦合原理，把增益介质区和控模波导管作为二种不同元件置于同一激光腔内，使参与在自由空间增益区振荡和放大的各阶自由空间模耦合成最低阶波导模输出。其激光装置依次包括全反射镜，充有气体介质的大口径放电管，或固体增益介质，或液体增益介质，或半导体，和中空介质波导管组成的“波导/自由空间”复合腔，输出反射镜。本发明的优点是：简单易行，而输出功率密度能提高二倍。
Description
本发明涉及一种激光器的横模选择方法及装置。
在大多数的激光应用场合，要求激光器具有良好的方向性，即所输出的激光束应具有尽可能小的发散度。而导致大的激光束发散度的主要原因是激光腔的多模振荡。虽然，多横模振荡的激光器具有较大的输出功率，但由于高阶模场分布的多个π相位跃变的特点，就使得输出光束的远场分布分裂为多个具有一定夹角的主瓣，这不仅使远场分布的中心强度减弱，而且也使激光束的发散角大大增加。
为了压缩激光束的发散度，通常的方法是压缩激光振荡模式，即通过对横模的选择，实现激光器的单模振荡和单模输出，从而获得良好的方向性。对于各种激光器，通常采用的横模选择方法是在谐振腔内插入附加的选模元件（通常有：孔径光栏、“F-P”标准具、临界角反射器、放电管或工作介质本身等），即通过控制选模元件的孔径尺寸，抑制高阶模振荡。由此，长期来，人们所形成的传统的横模选择概念就归纳为：要获得单横模输出，必须抑制高阶模振荡，即单模输出对应着单模振荡。传统的选模方法虽然简单易行，但根本的缺点是以撇弃高阶模能量为代价，由于振荡模体积的压缩，势必使得单模输出功率远小于多模运转的输出功率。
本发明的目的是提供一种激光器的横模选择方法及装置。
为了达到上述目的，本发明采取下列措施。它为多模振荡单模高功率输出的横模选择方法，该方法是基于波导模与自由空间模之间的展开与耦合原理，把增益介质区和控模波导管作为二种不同元件置于同一激光腔内，使参与在自由空间增益区振荡和放大的各阶自由空间模耦合成最低阶波导模输出。按照上述方法设计的装置依次包括，全反射镜，充有气体介质的大口径放电管，或固体增益介质，或液体增益介质或半导体和中空介质波导管，输出反射镜组成的“波导/自由空间”复合腔。
下面结合附图进一步作详细说明。
附图是按照上述方法设计的“波导/自由空间”复合腔激光装置示意图。
本发明所给出的选模原理和方法是：一支适当管径和管长的中空介质波导管置于激光腔内，而构成如图1所示的“波导/自由空间”复合腔激光器构型。其组成主要包括：激光腔的全反射镜1（曲率半径为R1），大口径放电管3（或其它大口径增益介质），中空介质波导管4和激光腔的输出反射镜2（曲率半径为∞）等部分。放电管内充有工作气体，是激光器的增益区，由于它的口径足够大，而使在其中参与振荡的高阶模具有很小的衍射损耗和包络有大的激活模体积，所以，放电管也相当于
自由空间增益区。中空介质波导管是作为控模元件置于腔内的，本身不具有增益放大作用。“波导/自由空间”复合腔与普通波导腔的根本区别在于：普通的波导腔中，波导管既是一个控模元件，同时又是增益介质工作区，而对于本发明所提出的复合腔，其增益介质区和控模波导管是作为二种不同元件置于腔内，中空波导管的控模作用限定了激光器以低阶波导模的输出形式，但波导管本身不是增益区，因而复合腔中的整个激活模体积就不受波导管尺寸的限制。
满足“波导/自由空间”复合腔自洽条件的振荡模必须是能以低损耗传输于波导管的低阶波导本征模，同时又必须是具有在自由空间增益区中的拉盖尔-高斯分布，以便能被反射镜所高效耦合。因此，在本发明所提出的复合腔中，中空介质波导管首先形成波导本征模EH11，当波导管的直径取成2a时，波导本征模EH11的场分布是：
E11＝J0（ (Un)/(a) r）
式中，u11是零阶贝塞尔函数的第一个根，r是传输系数，而在波导管与反射镜的空间中，即在大口径放电管内波导本征模EH11被展开成多阶拉盖尔-高斯自由空间模的线性组合，这些模在这自由空间传输中是满足传输规律;因而其传输损耗是很小的，当它们由波导管的管口传到全反射镜，将被反射镜反射，然后，再经由这传输空间，返回到波导管的管口，并重新耦合成原来的波导本征模EH11分布，而后经由波导管的传输，再由输出反射镜反射，再到波导管，如此，完成复合腔的自洽振荡。
在上述的复合腔内振荡模的形成过程中，一个关键所在是：在波导管口与全反射镜之间放置了大口径放电管，这大口径放电管是整个激光器的增益放大区，也就是说，在波导管与反射镜之间是一个自由空间增益区。据此，本发明所提出的复合腔的特点是显而易见的，即，由波导管所限定的波导模，在波导管的管口展开为多阶自由空间模的线性组合，这些模在自由空间增益区传输过程中，都得到放大，并形成大的多模激活模体积，因此，反馈回波导管，并重新耦合成波导模的能量必定大于单个高斯基模振荡时所能获得的能量。复合腔腔模自洽振荡过程中呈现的波导模与自由空间模之间的展开、放大、耦合过程，构成了本发明所提出的“多模振荡单模输出”的选模新概念和新方法。
“波导/自由空间”复合腔的结构参量的选取应基于如下的原则：
作为控模元件的中空介质波导管的管径a的选取是基于使最低阶波导模在波导管中的传输损耗足够小的考虑，应使腔的菲涅尔数N取在：
N＝ (G)/(Lλ) ＝0.5～1
之间，式中，L是总腔长（全反射镜与输出反射镜的间距），λ是波长。波导管的管长1的选取是基于波导管所能形成波导模的能力，我们的研究表明，当1/a比值取成15～25的范围时，是合宜的。
全反射镜的曲率半径R1，以及反射镜到波导管的间距Z的选取是基于共焦参量f，一种适当的选择是：
z＝f，R1＝2f，共焦参数：f= (πW2 0)/(λ) ，其中，w0是基模光斑的尺寸，W0与a之间应有如下合适的关系：
W0/a＝0.6435，或W0/a＝0.53
大口径放电管的管径DT的取值是基于在其中振荡的最大的光束直径Dj，它们之间的合宜的关系是：
DT＝e2Dj
式中，e＝2.73。
本发明所提出的方法的一个实施实例之一是一台“波导/自由空间复合腔CO2激光器。基于上述的设计原则，这台激光器的各参量分别是：中空介质波导管的管长1为100mm、管半径a为3.5mm;大口径放电管的管径DT＝28mm、管长L1＝900mm、全反射镜的曲率半径R1＝3000mm、到波导管的间距z＝15000mm，输出反射镜为平面镜。在通常典型的放电条件下，复合腔激光器获得了100w/cm2的输出功率密度为同等增益长度的普通CO2激光器的二倍，同时，具有远场的TEM∞模的分布形状，即具有良好的单横模输出的光束发散度。
本发明所提出的选横模新方法和谐振腔新构型适用于各类已有的激光器，象气体类激光器中的
CO2激光器、CO激光器、He-Ne激光器、Cu激光器等等;固体类激光器中的红宝石激光器、YAG激光器、钕玻璃激光器等等;液体类激光器中的染料激光器等，以及半导体激光器等。
本发明的优点是：
1.完全更新了传统的选横模概念和方法，实现了“多模振荡单模输出”，即，不是如传统方法那样以抑制掉高阶模振荡来获得单模输出，而是把参与振荡的高阶模能量耦合成低阶模输出。
2.较之同样增益长度的普通激光器，本发明的方法和装置的输出功率密度提高了二倍。
3.本发明的输出激光束具有极小的发散度，即，具有良好的方向性，并且具有远场的单横模光场分布。
4.本发明提供的方法和装置，简单易行，仅在原有的激光器中添加适当尺寸的控模波导管和设定腔体的几何结构尺寸。
5.本发明提供的方法和装置适用于包括气体、固体、液体和半导体介质的各类激光器。
Claims (4)
1、一种激光器的横模选择方法，其特征在于它为多模振荡单模高功率输出的横模选择方法，该方法是基于波导模与自由空间模之间的展开和耦合原理，把增益介质区和控模波导管作为二种不同元件置于同一激光腔内，使参与在自由空间增益区振荡和放大的各阶自由空间模耦合成最低阶波导模输出。
2、一种按照上述方法设计的“波导/自由空间”组合腔激光装置，其特征在于它依次包括全反射镜（1），充有气体介质的大口径放电管，或固体增益介质，或液体增益介质，或半导体（3），中空介质波导管（4），和输出反射镜（2）组成的“波导/自由空间”复合腔，其中，增益介质与波导管沿腔轴方向分主设置。
3、根据权利要求2所述的一种按照上述方法设计的“波导/自由空间”复合腔激光装置，其特征在于所说的输出反射镜为平面镜，输出反射镜到中空介质波导管的间距不大于1cm，所说的气体介质为CO2，CO，He-Ne，Cu蒸汽，所说的固体增益介质为红宝石，YAG，钕玻璃，液体增益介质为染料，以及半导体增益介质。
4、根据权利要求2或3所述的一种按照上述方法设计的“波导/自由空间”复合腔激光装置，其特征在于，所说中空介质波导管的管径a的尺寸满足腔菲涅尔数N＝0.5～1，波导管长1为管径a的15～20倍，自由空间增益介质的横向尺寸为最大振荡光束尺寸的e2倍（e＝2.731，当全反射镜曲率半径R1和全反射镜到中空介质波导管的间距为Z时，则R1＝2f，Z＝f，其中f为激光腔的其焦参数f＝-。
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