CN1032946C - 超环模激光器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种超环模激光器，或称超01模激光器。主要用于产生各种超环模分布，各种频谱，各种运行时间的大功率范围的激光。它包含有N只(N＞1)由激光介质或单元激光器构成的介质，与N只介质相对应的有N块反射镜。有构成激光谐振腔的输出耦合镜的平镜，有中心点置于介质光轴上的斜面镜，还有中心点置于输出光束6的中心光轴上的锥面与斜面镜一一对应的锥形镜。具有上述结构的超环模激光器可以获得多种超环模式，多种频谱混合，多种输出时间分布的多种单元激光束叠加的强激光束。

Description

超环模激光器

本发明是一种超环模激光器或称超01模激光器用于产生各种超环模分布，各种频谱，各种运行时间的大功率范围激光。

已有技术：与本发明最接近的激光器有：

1.专利EP0390013，涉及一种提高稳定性光学腔的激光器，它包含由90°棱槽形反射镜等组成的光学谐振腔。

2.专利CN89108536.X，涉及一种连续波环形波导二氧化碳激光器，它包含一只环形二氧化碳气体波导管和一对平行平面光学谐振腔。

3.专利WO91/15045，涉及一种放电型气体激光器，它包含一只环形激光气体管和一对空芯环形光学谐振腔。

上述几项专利均有局限性，已有技术1仅对一种稳定光学谐振腔而言；已有技术2仅是一种连续运转的波导型二氧化碳激光器；已有技术3也仅是一种放电型气体激光器，它们的结构特性及所具有的功能参数仅局限于一种单元激光器上。对提高功率密度，扩宽频谱范围，变换输出激光束的模式等是很困难的。

本发明的目的旨在利用多样化光学元件组成光学系统，将N只(N＞1)无论是连续波的，或者是长、短脉冲的，或各种激光频谱的任何结构形式或任何泵浦方式的单元激光器，或者单元激光介质巧妙地构成一种新型激光器。该激光器能克服上述已有技术激光器的局限性，可达到：1)能按所需要输出特殊空间分布花样的激光束，这类分布称为超环模式；2)能按需要输出由不同激光频谱组成的激光束；3)能输出由不同运转时间组成的激光束；4)能输出比任何一个单元激光器的功率密度或能量高得多的激光束。

附图说明：

图1示出本发明典型的超环模激光器结构示意图

图2超环模激光束的10种典型空间分布模式图

其中2-1分立单环模          2-2连续单环模

(圆环形或椭环形)           (圆环形或椭环形)

2-3分立双环模或多环模      2-4连续双环模或多环模

2-5分立十字叉形模          2-6连续十字叉形模

2-7分立线形模              2-8连续线形模

2-9分立矩形模              2-10连续矩形模

图3超环模激光束的一种典型时间分布图

其中曲线3-1是连续波        横坐标t为时间

曲线3-2是长脉冲            纵坐标p为激光功率

曲线3-3是短脉冲

图4超环模激光束的一种典型频谱分布

其中v₁、v₂…v_n为激光频率，P为激光功率或能量

本发明的超环模激光器由图1所示，包含置于光轴7上有N(N＞1)只介质2和有N块反射镜1，反射镜1的中心点置于光轴7上介质2的一端，有作为介质2激光谐振腔的输出耦合镜的平镜5，有与介质2和反射镜1一一对应的N块斜反镜3，有中心点置于输出光束6的中心光轴8上锥面与斜反镜5一一对应的锥形镜4。

本发明的超环模激光器可分为二大类型：

1.介质2为带泵浦源的激光介质，它和由反射镜1、斜面镜3、锥形镜4及平镜5构成一超环模激光器。当激光介质受到泵浦时，上述谐振腔使激光产生振荡，输出激光集中于光束6。其中，介质2可以为任何单元激光介质，并且可以是分立的柱状，矩形片状或其他形状等；反射镜1和斜反镜3与介质2一一对应成对的排列；锥形镜4可为静态多棱锥面，各锥面分别与斜反镜3一一对应，或斜反镜3为环形内锥反射镜，则锥形镜4为相对应的突形锥面反射镜；此外，锥形镜4也可以是动态的带转轴的反射镜；平镜5为激光束输出耦合镜；泵浦源是与激光介质相匹配的各类供能装置，包括放电的、发光或相干辐射的、射线的或化学的各种激光泵浦源；介质2的排列可以是环形或任何非环形的。

2.介质2为单元激光器(包括分立的或连成整体的)，它通过斜反镜3和锥形4组成的折叠光路将单元激光器的激光束集中于光束6中输出。这类结构中每只激光器本身就带有反射镜1和自身输出耦合镜所构成的光学谐振腔，所以整体中就不增加反射镜1和平镜5，单元激光器的数目N排布方法、泵浦方法、振荡频谱和运转时间均不受限制。斜反镜3和锥形镜4的设计和排布方式均与上述第1类相同。

本发明的优点：

本发明的超环模激光器具有如下四种主要特点：

1.图1中光束6可以获得任何介质2输出激光功率或脉冲能量为N倍(N＞1)的强激光束，因为构成本发明的超环模激光器的N只介质2输出的激光束均叠加于光束6中。

2.光束6可以是单一的激光频谱，也可以是N种(N＞1)激光频谱组成的混合激光光谱，图4给出一种典型的光束6激光光谱的曲线图。

3.光束6可是以一种激光束输出时间分布，也可以是包含N种激光束输出时间分布的组合，图3给出一种包含三种激光束输出时间的分布的典型光束6的激光束输出时间分布曲线图。

4.光束6可以是一种简单的激光空间分布模式，也可以是包含N种超环模式，图2给出10种典型的光束6的超环模模式的分布图。

本发明的最佳实施例：

实施例1：

结构如图1所示。其中，介质2排列成环形，光轴7处的圆环直径为Φ16cm，环上均匀排列N＝5的带有Φ6mm的Nd：YAG激光棒和泵浦闪光灯的水冷椭圆形聚光腔；反射镜1是5块分立的平面的或者是带2m曲率半径的凹面全反射镜，它们分别对准Nd：YAG激光棒的一个端面，平镜5为Φ3cm的波长为1.06μm的输出耦合镜，斜反镜3为5块分立的平面全反射镜，分别对准Nd：YAG激光棒的另一个端面，并与光轴7成45°角放置。锥形镜4可以取二种型号：I型为带5块锥面的锥形镜4，锥角为90°，各锥面涂有激光全反射膜，并且每块锥面分别与5块斜反镜3对准；II型锥形镜4为一块平面全反射镜，与中心光轴8成45°夹角，反射面朝向斜反镜3，锥形镜背面与驱动马达相连，使锥形镜4可沿中心光轴8旋转。此实施例的激光器有以下四种典型的运转方式：(1)5个聚光腔同时以连续波方式运转，锥形镜4采用I型，在光束6中获得激光功率为上述5只Nd：YAG激光棒各自运转时输出激光功率的总和；(2)5个聚光腔同时以脉冲方式运转，锥形镜4采用I型，在光束6中获得5台单元激光器脉冲激光能量的总和；(3)5个聚光腔分别以连续波、长脉冲50μs、短脉冲10ns和超短脉冲100ps运转，锥形镜4采用I型。在光束6中获得上述5台四种时间波形相混合的激光束；(4)5个聚光腔按一定时序同步地以脉冲方式运转，锥形镜4采用II型，在光束6中获得一串脉冲，其平均激光功率和重复频率为5只单元激光器的总和。该实施例适用于介质2采用其他激光介质，或单元激光器和N等于任意数目的组合。

实施例2：

本实施例中超环模激光器由N＝10的半导体激光器LD所构成的介质2沿图1光轴7方向安置，斜反镜3有二种形式：I型为空芯90°环锥形全反镜，II型为10片分立的平面全反镜；斜反镜与光轴7成45°角置放。锥形镜4相应地分为三种形式：I型为90°圆锥形全反镜，II型为带10块全反射锥而的90°角多棱锥形镜，III型为实施例1中的II型。该超环模激光器有下述四种典型运转方式：(1)10只LD排列成如图1所示的环形分布，斜反镜3和锥形镜4均采用I型，各LD同时通电以连续波方式运转，光束6中获得10只LD激光功率的总和；(2)各LD以重复率脉冲方式运转，时间上同步错置，光束6中获得10倍于单只LD的重复频率激光，平均功率为10只LD的总和；(3)10只LD按图2所示10种分立图形排布，斜反镜3和锥形镜4采用II型，各LD运转时，光束6中获得如图2所示10种图案的超环模式；(4)按方式(2)运转，镜4采用III型，光束6直径与单只LD输出光束一样(同方向角，同光束直径)，但其重复频率和平均光功率均为10只LD激光的总和。该实施例介质2适用于其他激光介质，单元激光器和N等于任意数目的组合。

实施例3：

一种典型的多频谱激光器。如图1所示的结构，介质2的数目N＝4，其中，一台是掺Nd磷玻璃激光器，一台是CO₂激光器，一台XeCl激光器和一台He-Ne激光器。四台单元激光器安置如图1所示介质2的环上，斜反镜3为分立的四片平而全反镜，分别与上述四台激光器的输出激光束相对应，且与光轴7成45°角，锥形镜4为四锥而的90°全反射四棱锥形镜。上述四台激光器同时运转，光束6可获得1.05μm，10.6μm，0.308μm和0.6328μm四种频谱混和的激光束。该实施例介质2适合于其他任何多种频谱的激光组合。

Claims (4)

1.一种超环模激光器，其特征在于包含置于光轴(7)上有N(N＞1)只带有泵浦源的激光介质(2)和有N块中心点置于光轴(7)上介质(2)一端的反射镜(1)，有作为介质(2)的激光谐振腔的输出耦合镜的平镜(5)，有与介质(2)和反射镜(1)一一对应的N块斜反镜(3)，有中心点置于输出光束(6)的中心光轴(8)上锥面与斜反镜(3)一一对应的锥形镜(4)。

2.依据权利要求1所述的一种超环模激光器，其特征在于锥形镜(4)是静态的多棱锥面的反射镜，或者是突形锥面反射镜，或者是动态的带转轴的反射镜。

3.依据权利要求1所述的一种超环模激光器，其特征在于介质(2)的排列是环形的，或者是非环形的。

4.依据权利要求1所述的一种超环模激光器，其特征在于斜反镜(3)是分立的平面全反射镜，或者是环形内锥形反射镜。

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