CN103069668A - 用于强腔内光束的相干耦合的极化中央提取激光腔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于强腔内光束的相干耦合的具有通过极化而进行的中央提取的激光腔。根据本发明的激光腔（1）包括具有中央提取的提取单元（1），该提取单元（1）把所述激光腔（1）纵向划分为两个功能部分（P1,P2），即包括放大激光束（4）的有源元件（3）的第一部分（P1），和执行激光束（4）的相干耦合的第二部分（P2）。

Description

用于强腔内光束的相干耦合的极化中央提取激光腔

本发明涉及通过极化进行中央提取的用于高强度激光束的无源相干耦合的模块化激光腔。本发明还涉及包括此类激光腔的激光源。

已知激光腔的目的是产生并提取激光辐射，为了这个目的激光腔特别包括：

-两个镜面，其彼此相对以便限定所述激光腔；以及

-至少一个有源元件（或激光放大器），其被布置在这两个镜面之间并能够吸收泵浦光束以便放大沿着传播轴线传播的激光束。

本发明可应用于激光放大器的无源相干耦合，目的是提高激光源的亮度。

一般通过在腔内（也就是说在激光腔内）在给定点或在给定区域中完全或部分地重叠要被耦合的不同光束（所述不同光束来自不同放大装置并被相互平行地布置），无源地相位锁定激光束。随后，在重叠位置处，施加对光束公共的空间或频谱约束。在激光发射之前的时刻，在一个或更多个泵浦源的作用下，不同的放大装置在这些装置的整个谱发射带上发射白噪声。作为在区域中施加的对光束公共的空间或谱约束的结果，白噪声被滤出并然后在腔内的相继反射期间被再次放大。激光系统通过仅再次放大具有最小的腔内损失的兼容的谐振频率而自动组织其发射谱。因此，由于过滤后的损失的程度小于激光的有效增益，所以产生激光发射。

有用的光线或光束总是根据输出耦合器的耦合在下游提取。

具有无源相位锁定的激光系统通常包括：

-至少一个泵浦源，其可基于单色光源，单色光源的发射谱匹配所考虑的有源装置（激光二极管）的吸收谱，或基于宽带光源（闪光灯，太阳等）；

-多个（N个）有源元件（掺杂晶体，掺杂光纤，气室，半导体），在公共激光腔内相互平行地布置；以及

-或者是用于沿着公共轴线使N个光束重叠的合束光学元件或分束光学元件（串联的分隔板，衍射元件），或者是可以进行空间滤波的元件（光圈，线光栅，刻花模板等）并且在该元件上光束在公共平面（会聚透镜或多面体棱镜的焦平面）中重叠。存在各种无源相位锁定配置：

-具有串联的分隔板（或树状结构）。在该配置中，在分隔板处，激光系统强制基本光束在其相交处彼此干涉，以使得在可能的情况下仅得到单个光束，该单个光束具有与基本光束相同的空间特征并具有理论上为基本光束的强度之和的强度；

-具有衍射耦合（“达曼光栅”）。在该配置中，基本光束在布置有充当多路分离器的衍射元件的平面内交叉。如在上一个配置中那样，光束必须朝着单个公共路径相长地干涉，从该公共路径，应该出现的光束的强度接近基本光束的强度之和；

-具有使用刻花镜面或不透光的线光栅的空间滤光。在该配置中，不同的基本光束在布置有刻花模板或的不透明的线光栅的给定平面中交叉，并产生特定干涉（或衍射）图案的强度最小值，该干涉图案是不同光束在同相的情况下重叠时将会产生的模式。该图案（其是通过导致不同光束的损失的蚀刻或布线产生的）因此强制所述光束相位锁定以使在腔内的反射期间的这些损失最小化；以及

-具有使用在会聚透镜的焦点处的光圈的空间滤波。在该配置中，不同的基本光束在被布置以产生傅里叶变换的会聚透镜的焦点处重叠。在该透镜的焦点处布置认真定义的直径的光圈。当基本光束同相时，在透镜的焦点处得到的衍射图案包括主要的狭窄中央瓣和较小的旁瓣。光圈的直径因此被调整为仅使预期的中央瓣的尺寸的光束通过，以便强制基本光束相位锁定以使得损失最小化。

在以上示例中，在腔内施加的约束使得能够把基本光束相位锁定并因此使它们相互相干。

相位锁定激光源之后隐藏的主要思路是要能够超过可由单个光源给出的激光功率或能量，同时保持高光束质量。事实上，当达到单个基本光源的能量限制时，该思路是要相干地耦合该类型的N个基本激光源，然后把N个发射的光束合路为强度大大提高的单个光束。

当前，为了在连续操作的情况下达到很高的功率（100kW范围内），需要对每个发射器的相位的持久分析和伺服的有源相位锁定系统是优选的，虽然这样的系统非常复杂、昂贵和庞大。在这些系统中，N个发射器分布在周期性的二维矩阵中并且在远场中实现组合。

然而，在脉冲操作（纳秒类型）的情况下，这些有源设备似乎不兼容，这是由于与有源公共相位的建立的极慢动态特性（该动态特性与数据的伺服和计算机处理电子设备有关）相比事件的快速性。当前，为了达到几千焦耳的最大能量，使用较小的脉冲式振荡器，后面跟随有一长串的多路放大器。

在具有很高增益和很高连续操作功率（几千瓦）或具有较高脉冲式操作能量（几焦耳）的常规激光源的情况下，功率密度等级通常非常高，甚至接近于一些光学组件或处理的通量能力限制。此外，如果希望通过如现有的无源腔内相干耦合技术（这些技术需要把要被耦合的不同光束在一个或更多光学组件上局部重叠）来使这些激光源演化以便达到最大能量，则由于这些组件的通量能力会引起严重问题。

为了解决这些问题，必须：

-或者是提供支持所需通量率的新的光学设备和处理；

-或者是降低敏感重叠区域中的光束的通量率。

然而：

-光学设备的通量能力或处理能力必须随着要被耦合的激光器的数量增大而变得更大，这迅速成为限制；以及

-对于降低光束的通量率，简单可想到使其面积扩大，但是随着要被耦合的激光器的数量增大，该扩大需要更大尺寸的光学组件。此外，该扩大还导致激光腔的稳定性问题，以及在固态激光器的情况下导致保持光束质量的问题。

本发明涉及与无源相干耦合技术相关联的新的激光腔结构，优选地使用针对高功率或能量的高增益放大装置，其使得能够把由光学元件的通量能力导致的对可被耦合的激光器的数量的限制大大地放宽（没有附加元件的限制）。

更具体地，本发明涉及这样的激光腔，其使得能够在所使用的相干耦合技术要求在一个或更多个通量率受限元件上组合不同的基本光束时把与光学元件的通量能力的问题相关的、对可被耦合的有源元件的数量的限制放宽。

根据本发明，所述激光腔使得能够产生至少一个激光辐射，并且该激光腔包括：

－彼此相对以便限定所述激光腔的两个镜面;

－多个有源元件，被相互平行地布置，这些有源元件的传播轴线也是相互平行的，所述有源元件被布置在这两个镜面之间并能够经受泵浦以便放大激光束；以及

－提取单元，布置在所述激光腔中，并被形成为执行激光束的中央提取以获得激光辐射，

所述激光腔是突出的是因为所述提取单元包括相对于所述传播轴线而倾斜的至少一个极化器，并且包括纵向布置在所述极化器上游（或者在所述有源元件和所述极化器之间，或者在所述有源元件上游）的至少一个延迟元件，以及所述提取单元被布置在所述激光腔中以便把所述激光腔纵向地分为两个功能部分，即包括放大所述激光束的所述有源元件的第一部分，以及相干地耦合所述激光束的第二部分。

根据本发明的结构的设计因此提供把激光腔划分为成一行的两个功能部分（其中通过中央来提取激光束）的可能性，这两个部分为：具有并行放大不同激光束的功能的第一部分，和具有相干地耦合这些光束的主要功能的第二部分。根据本发明，激光腔被形成为在所述第二部分中通过重叠而相干地耦合激光束。

（也就是说来自激光腔的所述各个有源元件的）基本激光束的中央提取优选地在放大期间之后发生，以使得在到达其中光束要被相干地耦合的公共区域（第二部分）时其强度以所考虑的提取比率大大降低。

因此，一旦每个基本光束的强度已大大降低，它们就可以在考虑通量率限制的情况下在公共区域中安全地重叠。

如上所述，通过使极化器和相位延迟元件（优选地是λ/4或四分之一波长相位延迟片）相关联来在中央提取光束，该延迟元件被放置在极化器和封闭放大区域的腔底部镜面之间。因此，只要所用的放大装置（有源元件）不是双折射或轻微双折射，旋转相位延迟元件就可以使得能够使激光腔的过电压系数（也就是说，穿过极化器时保留在腔内的来自有源放大元件的通量的百分比）从0％到100％连续地演变。事实上，被极化器矩形极化的光束通过该相位延迟元件两次，这样的效果是使光束的极化状态根据其中间轴线的选定取向而旋转特定角度。在返回时，沿着与极化器的轴线相同的轴线极化的光束部分将因此继续在腔内传播。相反，垂直于极化器的轴线而被极化的光束部分将被所述极化器拒绝，从而使得能够通过极化对光束进行中央提取。

此外：

－在第一实施变型中，所述提取单元包括多个由极化器和延迟元件形成的组件，即针对所述有源元件（放大器）中的每一个的不同组件；以及

－在第二实施变型中，所述提取单元包括由极化器和延迟元件形成的单个组件，该单个组件对激光腔的所有所述有源元件（放大器）是公共的。

本发明在使用通过往返而允许强光束提取的纵向高增益放大装置（有源元件）的情况下带来重要优点。事实上，强中央提取使得能够大大降低在提取下游的光束的强度。结果，增大了在达到损坏极限前可在激光腔中组合的光束的数量。

举例而言，考虑激光源（使用根据本发明的激光腔）包括相同的（相互平行地布置的）有源元件，并且所生成的光束具有处于其经过的光学组件的通量能力极限的通量率。如果在这种情况下，过电压系数是20％，也就是说来自放大装置的通量的20％在穿过极化器时保留在激光腔中，而该通量的80％被所述极化器从激光腔中提取出去，则在耦合区域（激光腔的第二部分）中可被组合或重叠的光束的最大数量是五，以便达到由激光源容忍的通量率等级。类似地，如果在与之前相同的通量率约束的情况下施加到激光腔上的过电压系数是5％，则可被耦合的光束的数量是二十。

根据本发明的中央提取技术与要求激光束的腔内重叠的所有已知相干耦合技术相兼容。

此外，在特定实施例中，根据本发明的激光腔还包括被布置在第二部分中的至少一个触发元件，即，或者是在重叠之前的不同路径中的每一个路径上的触发元件，或者是在激光束的重叠位置处的单个触发元件。该特定实施例使得能够提供可以发射同相的多个脉冲光束的Q开关激光系统。

此外，有利地，根据本发明的激光腔还包括至少一个辅助有源元件，所述辅助有源元件被布置在所述第二部分中，从而使得能够在极化器处增大光束提取比率。

此外，在优选实施例中，所述激光腔还包括用于相互平行地布置激光束的装置，所述装置在所述提取单元上游，甚至经由提取单元，以使得所述激光束（在提取之后）在所述激光腔外部以更高效率组合。

本发明还涉及一个激光源，所述激光源包括至少：

-激光腔，包括有源元件；

-用于发射至少一个泵浦光束的泵浦系统；以及

-用于把泵浦光束引向所述激光腔的所述有源元件的光学传送系统。

根据本发明，该激光源的突出之处在于所述激光腔是前述类型的。

附图的图示将提供对如何执行本发明的较好理解。在附图中，相似的附图标记表示相似的元件。

图1至图5示意性示出根据本发明的激光腔的特定实施例。

在图1至图5中的不同实施例中示意地示出的根据本发明的激光腔1（或光学腔）用于激光源中。

除了所述激光腔1之外，该类型的激光源（未示出）常规地特别包括：

-常规泵浦系统，其包括可以发射至少一个泵浦光束的装置；以及

-常规的光学传输系统，其用于把由泵浦系统发射的泵浦光束引导到所述激光腔1中，以便泵浦下面详述的有源元件3。

所述激光腔1常规地包括：

-限定该激光腔1的两个相对的镜面2A和2B；以及

-多个有源元件3。有源元件3是放大元件。每个放大元件包括掺杂材料，掺杂材料可以吸收由泵浦系统发射的泵浦光束（未示出）以便放大沿着传播轴线5传播的相应激光束4。

激光腔1提供激光辐射6，激光辐射6被如下详述那样提取出来，还详述了其方向（箭头10）和几何特征。

所述镜面2A和2B是完全反射的，所述激光腔1还包括提取单元7，提取单元7被布置在所述激光腔1中并且被形成为提供激光束4的中央提取以便获得所述激光辐射6。中央提取是指基本在激光腔1的中央进行的提取，并且不是经由端部镜面（比如镜面2B）在侧部进行的提取。

此外，所述提取单元7包括：

-至少一个极化器8，其相对于所述（相互平行的）传播轴线5而倾斜；以及

-至少一个相位延迟元件9，其被纵向布置在所述极化器8上游。所述元件9可以被布置在有源元件3上游。优选地，如图中所示，元件9被纵向布置在所述有源元件3和所述极化器8之间并且被激光束4穿过。该延迟元件9优选地是四分之一波片。相位延迟元件9使得能够在穿过该元件9的激光束4中产生相位移。

极化器8是光束分离极化器，其把入射光束分为具有不同极化的两个光束。

在本发明的上下文中，如图1至图5所示，所述激光腔1包括多个有源元件3，这些有源元件3被相互平行地布置并且其激光束4的相应传播轴线5互相平行。此外，根据本发明，提取单元7被布置在所述激光腔1中以便把激光腔1纵向划分为两个功能部分P1和P2，即包括放大所述激光束4的所述有源元件3的部分P1（图左侧），和相干地耦合所述激光束4的部分P2（图右侧），如下面详细描述那样。

前述结构的设计因此提供了把激光腔1划分为成一行的两个功能部分P1和P2，其中激光束4经由中央提取，第一部分P1具有并行放大不同激光束4的功能，第二部分P2具有相干地耦合这些光束4的基本功能。根据本发明，激光腔1被形成为在所述第二部分P2中通过重叠来相干地耦合激光束4，如同通过图1至图5中的公共区域11所示的那样。

基本激光束4（也就是说来自所述单个有源元件3的那些光束）的中央提取优选地是在放大期间之后实现的，以使得在达到要对光束4进行相干耦合的公共区域11中时其强度大大减小。

因此，一旦每个基本光束4的强度已经大大减小时，考虑到在光束4的组合中涉及到的光学元件的通量率限制，基本光束4就可以在公共区域11中安全地重叠。

如上所述，通过使极化器8和放置在极化器8和封闭放大区域的腔底部镜面2A之间的相位延迟元件9（优选地是λ/4或四分之一波长相位延迟片）相关联来实现光束4的中央提取。因此，只要所使用的放大装置（有源元件3）不是双折射或仅轻微双折射，相位延迟元件9的旋转可允许使激光腔1的过电压系数（也就是说，在穿过极化器8时保留在腔1中的来自有源放大元件3的通量的百分比）从0%到100%连续演变。事实上，被极化器8矩形极化的光束通过该相位延迟元件9两次，这样的效果是使光束的极化状态根据其中间轴线的选定取向而旋转特定角度。在返回时，沿着与极化器8的轴线相同的轴线极化的光束部分将被极化器8透射并因此继续在腔1内传播。相反，垂直于极化器8的轴线而被极化的光束部分将被所述极化器拒绝，从而使得能够通过极化对光束进行中央提取。

此外，在第一实施变型（未示出）中，所述提取单元包括多个由极化器和延迟元件形成的组件，即针对所述有源元件（放大器）中的每一个的不同组件。

此外，在第二实施变型（图1至图5示出）中，所述提取单元7包括由极化器8和延迟元件9形成的单个组件，该单个组件被所述激光腔1的全部所述有源元件3（放大器）共用。

应注意根据本发明的中央提取技术与要求激光束4的腔内重叠的所有已知相干耦合技术相兼容。

此外，如图2和图3所示，根据本发明的激光腔1还包括至少一个触发单元12，该触发单元12被布置在部分P2中并使得能够发射同相的多个脉冲光束。该特别实施例使得能够提供Q开关激光器系统。在这种情况下：

－在图2所示的第一实施变型中，激光腔1包括多个触发器12，每个触发器12安装在激光腔1的路径（具有轴线5）之一上。路径是指与有源元件3相关联并且与该有源元件3相关的激光束4被发射的传播方向；以及

－在图3所示的第二实施变型中，所示激光腔1包括单个触发器12，该触发器12为所有有源元件共用并且被设置在激光束4被在部分P2中组合的路径13上。

此外，在特别的实施例中，所述激光腔1可以包括被布置在激光腔1的所述第二部分P2中的附加有源元件（放大器）14，如图4和图5中所示。

在图4所示的第一实施变型中，激光腔1包括多个辅助有源元件14，每个有源元件14与激光腔1的路径之一相关联。相反，在图5所示的第二实施变型中，激光腔1包括被布置在组合各个光束4的路径13上的单个辅助有源元件14。

该特别的实施例使得可以在极化器8处提高光束4的提取比率。附加的放大（由于辅助有源元件14而得）必须使得组合后的光束在激光腔1中的一次往返之后的强度与在不改变提取比率并且不增加附加放大的情况下应该达到的强度相同。因此，通过附加放大人为地保持过电压水平，同时使得可以从激光源提取更多能量。

应注意一旦在激光腔1内相干地耦合之后，经由激光腔1的中央而被提取的不同光束可以组合。这些相干激光束4此后可以在远场在自由空间中组合，而无需必需穿过附加元件。为此，激光腔1被形成为使得以周期方式（优选地根据二维矩阵）布置恰好在提取之前的光束。以此方式，根据在离开激光腔1时基本光束的空间分布和指向的质量，辐射6可在远场中干涉，以便形成包含伴有低强度旁瓣的强中央峰的衍射图案。

本发明因此在使用允许通过往返而实现强光束提取的具有高纵向增益的放大器装置（有源元件3）的情况下带来重要优点。事实上，强中央提取使得能够在提取的下游大大降低光束4的强度。结果，在达到损坏限制之前在激光腔1中可被组合的光束4的数量增加。

Claims (7)

1.一种激光腔，使得能够产生至少一个激光辐射（6），该激光腔包括：

-至少两个镜面（2A,2B）;

-具有传播轴线（5）的多个有源元件（3），所述有源元件（3）被布置在这两个镜面（2A,2B）之间并能够经受泵浦以便放大激光束（4）；以及

-提取单元（7），布置在所述激光腔（1）中，包括相对于所述传播轴线（5）而倾斜的至少一个极化器（8），并被形成为执行激光束（4）的中央提取以获得激光辐射，所述提取单元（7）被布置在所述激光腔（1）中以便把所述激光腔（1）纵向地分为两个功能部分（P1,P2），其中包括所述有源元件的第一部分（P1）放大所述激光束（4），

其特征在于，所述提取单元（7）包括纵向布置在所述极化器（8）上游的至少一个延迟元件（9），所述提取单元（7）对所述激光腔（1）进行纵向划分以便形成通过重叠来相干耦合所述激光束（4）的第二部分（P2）。

2.根据权利要求1所述的激光腔，其特征在于，所述提取单元（7）包括多个由极化器和延迟元件形成的组件，即针对所述有源元件中的每一个的不同组件。

3.根据权利要求1所述的激光腔，其特征在于，所述提取单元（7）包括由极化器（8）和延迟元件（9）形成的单个组件，该单个组件对所有所述有源元件（3）是公共的。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的激光腔，其特征在于还包括被布置在第二部分（P2）中的至少一个触发元件（12），以用于发射同相的脉冲光束。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的激光腔，其特征在于还包括被布置在所述第二部分（P2）中的至少一个辅助有源元件（14）。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的激光腔，其特征在于包括用于在提取单元上游使激光束（4）成形的装置，以使得所述激光束（4）在被提取之后在所述激光腔（1）外部组合。

7.一种激光源，包括：

-激光腔（1），包括有源元件（3）；

-用于发射至少一个泵浦光束的泵浦系统；以及

-用于把所述泵浦光束引向所述激光腔（1）的所述有源元件（3）的光学传送系统，

其特征在于所述激光腔（1）是在权利要求1-6中任一项所指定的类型的激光腔。

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