CN105870770B - 平直折叠式陶瓷板条激光器 - Google Patents
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Abstract
本申请案是关于平直折叠式陶瓷板条激光器。在至少一个说明性实施例中,一种激光器可包含界定含有激光气体的腔室的陶瓷主体。所述腔室可包含沿着平行第一轴线及第二轴线延伸的第一及第二板条波导区段,及沿着垂直第三轴线延伸的第三板条波导区段。所述第一板条波导区段及所述第二板条波导区段的相应第一末端可邻近所述第三板条波导区段的相对末端定位。所述激光器还可包含定位于所述第一板条波导区段及所述第二板条波导区段的相应第二末端处的第一及第二末端反射镜、靠近所述第一轴线与所述第三轴线的相交点与所述第一轴线及所述第三轴线两者成45度角定位的第一折叠反射镜,及靠近所述第二轴线与所述第三轴线的相交点与所述第二轴线及所述第三轴线两者成45度角定位的第二折叠反射镜,使得所述第一、第二及第三板条波导区段波导再循环正交于由所述第一、第二及第三轴线所界定的平面经偏振的光。
Description
技术领域
大体来说,本发明是关于激光器且更具体来说是关于平直折叠式陶瓷板条激光器。
背景技术
在波导谐振器中,谐振器壁在一定程度上影响激光束的传播且塑形其模式。波导谐振器可界定为具有小于0.5的菲涅耳数(NF=a2/(λL),其中a为谐振器孔径的一半,λ为激光束的波长且L为谐振器长度)。使用波导谐振器以形成激光束的一个优势为其允许降低激光束在波导内部的横向尺寸。较小横向尺寸通过允许将废热有效运输到波导谐振器的壁而准许增加由波导限界的激光气体的扩散冷却效率。在此有效冷却情况下,可降低电浆温度,借此增加增益且可增加激光气体的压力。总之,波导谐振器可每体积激光气体带来较高功率及对泵浦能量的射频(RF)脉冲的较快光学响应。
“板条”激光器利用谐振器的波导轴线上的有效冷却,同时允许谐振器的其它轴线表现有自由空间特性。可通过将谐振器设计为在板条波导的自由空间方向上不稳定而将功率耦合出激光器空腔。作为实例,板条激光器的谐振器可呈负或正分支不稳定谐振器(出于配向稳定性原因负分支设计较流行)形式。在负分支不稳定谐振器中,通过允许在谐振器的反射镜之间再循环能量反弹以“离开”一个末端反射镜的边缘而将光耦合出激光器空腔。
可通过在由激光器的物理结构及/或由待发射波束的所要求质量赋予的限制内使板条波导较宽(沿着其自由空间方向)增加板条激光器的功率输出。还可通过使板条波导较长(沿着谐振器的长度)增加板条激光器的功率输出,当考虑空间及纵向模式时此情况可有利。然而,简单地增加激光器主体的长度可在市场中不合需要及/或要求过分昂贵的陶瓷主体。
发明内容
本发明可包括以下特征中的一或多者及/或所附权利要求书中叙述的特征中的一或多者及/或其任何组合。
根据一个方面,一种激光器可包括界定含有激光气体的腔室的陶瓷主体。所述腔室可包括沿着第一轴线延伸的第一板条波导区段、沿着第二轴线延伸的第二板条波导区段及沿着第三轴线延伸的第三板条波导区段。所述第一轴线及所述第二轴线可彼此平行,所述第三轴线可垂直于所述第一轴线及所述第二轴线两者,且所述第一板条波导区段及所述第二板条波导区段的相应第一末端可邻近所述第三板条波导区段的相对末端定位。所述激光器可进一步包括:定位于相对所述第一板条波导区段的所述第一末端的所述第一板条波导区段的第二末端处的第一末端反射镜、定位于相对所述第二板条波导区段的所述第一末端的所述第二板条波导区段的第二末端处的第二末端反射镜、靠近所述第一轴线与所述第三轴线的相交点与所述第一轴线及所述第三轴线两者成45度角定位的第一折叠反射镜,及靠近所述第二轴线与所述第三轴线的相交点与所述第二轴线及所述第三轴线两者成45度角定位的第二折叠反射镜,使得所述第一、第二及第三板条波导区段波导正交于由所述第一、第二及第三轴线所界定的平面经偏振的再循环光。
在一些实施例中,所述第一、第二及第三板条波导区段中的每一者可在由所述第一、第二及第三轴线所界定的所述平面中展现自由空间特性。所述第一、第二及第三板条波导区段中的每一者可在垂直于由所述第一、第二及第三轴线所界定的所述平面的方向上展现波导特性。所述第一、第二及第三板条波导区段中的每一者可由平行于由所述第一、第二及第三轴线所界定的所述平面延伸的所述陶瓷主体的陶瓷壁部分限界。平行于由所述第一、第二及第三轴线所界定的所述平面延伸的所述陶瓷主体的所述陶瓷壁可充当波导。
在一些实施例中,所述激光器可进一步包括定位于所述陶瓷主体外部的多个电极,其中所述多个电极经配置以当将激励信号施加到所述多个电极时激励所述激光气体的部分通过所述陶瓷主体。所述多个电极可经定位,使得当将所述激励信号施加到所述多个电极时仅激励所述第一板条波导区段及所述第二板条波导区段中的所述激光气体的部分。所述多个电极可经定位,使得当将所述激励信号施加到所述多个电极时不激励所述第三板条波导区段中的所述激光气体的部分。所述多个电极可经定位,使得当将所述激励信号施加到所述多个电极时不激励所述第一折叠反射镜与所述第二折叠反射镜之间的所述激光气体的部分。所述陶瓷主体及所述多个电极可支撑于由非陶瓷材料形成的密闭罩壳内。
在一些实施例中,所述第一末端反射镜及所述第二末端反射镜形成不稳定负分支谐振器。所述不稳定负分支谐振器的焦点可定位于所述第一折叠反射镜与所述第二折叠反射镜之间。所述不稳定负分支谐振器的所述焦点可定位于所述第一折叠反射镜与所述第二折叠反射镜之间的中点处。
在一些实施例中,所述第一末端反射镜的反射性表面的半径可小于所述第二末端反射镜的反射性表面的半径。所述第二板条波导区段可沿着所述第二轴线延伸比所述第一板条波导区段沿着所述第一轴线延伸的距离大的距离。所述第一末端反射镜与所述第一折叠反射镜之间的第一距离可小于所述第二末端反射镜与所述第二折叠反射镜之间的第二距离。
在一些实施例中,所述陶瓷主体可由选自由以下各者组成的群组的材料形成:Al2O3、BeO及AlN。所述激光气体可为包括CO2的混合物。
根据另一方面,一种激光器可包括界定含有激光气体的腔室的陶瓷主体。所述腔室可包括沿着第一轴线延伸的第一板条波导区段及沿着第二轴线延伸的第二板条波导区段。所述第一板条波导区段及所述第二板条波导区段可各自在由所述第一轴线及所述第二轴线所界定的平面中展现自由空间特性且在垂直于由所述第一轴线及所述第二轴线所界定的所述平面的方向上展现波导特性。所述激光器可进一步包括靠近所述第一轴线与所述第二轴线的相交点定位的折叠反射镜。所述第一轴线与垂直于所述折叠反射镜的反射性表面的反射镜轴线之间的第一角度可大于35度且小于55度,且所述第二轴线与所述反射镜轴线之间的第二角度可大于35度且小于55度。因而,所述第一板条波导区段及所述第二板条波导区段经配置以波导正交于由所述第一轴线及所述第二轴线所界定的所述平面经偏振的再循环光。
附图说明
作为实例而非限制在随附图式中说明本发明中所描述的概念。为简单及清晰说明起见,图中所说明的元件未必按比例绘制。举例来说,为清楚起见可相对于其它元件放大一些元件的尺寸。另外,在视为适当时可在图当中重复参考标记以指示对应或相似元件。
图1为平直折叠式陶瓷板条激光器的一个说明性实施例的横截面图;
图2为比较介电陶瓷表面(具体为Al2O3)及金属表面(具体为Al)的反射性的反射曲线图;
图3为图1的平直折叠式陶瓷板条激光器的横截面图,其展示由激光器的反射镜之间所反射的光子沿循的一个说明性光学路径;及
图4为图1的平直折叠式陶瓷板条激光器的横截面图,且展示激光器的电泵浦区的一个说明性实施例。
具体实施方式
虽然本发明的概念易于做出各种修改及替代性形式,但其具体示范性实施例已在图式中作为实例展示,且本文中将予以详细描述。然而,应理解,不欲将本发明的概念限于所揭示的具体形式,而是相反,意欲涵盖属于本发明的精神及范围内的所有修改、等效物及替代物。
参看图1,以横截面图展示平直折叠式陶瓷板条激光器10的一个说明性实施例。激光器10的此说明性实施例利用各自与法线入射成45度安置的两个折叠反射镜32、34以提供平直折叠式“U”形谐振器。谐振器的此折叠增加其长度,借此增加激光器10的功率输出,而不要求增加激光器10的主体的整个长度。如下文进一步所论述,此平直折叠是由激光器10包含由陶瓷壁制成的板条波导的事实独特地成为可能。
具体来说,激光器10包含界定含有激光气体的腔室的陶瓷主体12。在说明性实施例中,陶瓷主体12由氧化铝(Aluminum Oxide)(Al2O3,在所属领域中也被称作“氧化铝”(Alumina))形成。在其它实施例中,作为实例,陶瓷主体12可由另一陶瓷材料形成,例如氧化铍(BeO)或氮化铝(AlN)。在再其它实施例中,预期激光器10的主体可由另一合适电介质材料形成,例如某些类型的玻璃或玻璃陶瓷。在图1的说明性实施例中,陶瓷主体12形成为单片陶瓷组件。然而,在其它实施例中,陶瓷主体12可由多个陶瓷组件形成。所述多个陶瓷组件可接合在一起(例如,经由钎焊、焊接、玻璃烧结等等)或可相对于彼此由非陶瓷罩壳支撑。
在说明性实施例中,由陶瓷主体12界定的腔室中所含有的激光气体为包括二氧化碳(CO2)以及其它气体的混合物。所属领域的技术人员将了解,在其它实施例中,另一合适气体或气体混合物可用于激光器10。在说明性实施例中,陶瓷主体12连同激光器10的其它组件(例如,反射镜支架)形成含有激光气体的密闭或真空密封罩壳。然而,在其它实施例中,陶瓷主体12可含有于另一密闭罩壳内(例如,由例如金属的非陶瓷材料制成)。
如图1中所展示,在激光器10的说明性实施例中,由陶瓷主体12界定的腔室包括三个板条波导区段14、16、18。板条波导区段18的一个末端邻近(且无缝连接到)板条波导区段14的一端定位,而板条波导区段18的相对末端邻近(且无缝连接到)板条波导区段16的一端定位。板条波导区段14沿着轴线20延伸。板条波导区段16沿着轴线22延伸。板条波导区段18沿着轴线24延伸。换句话说,板条波导区段14、16、18中的每一者的长度尺寸大体上平行于轴线20、22、24中的相应一者延行。在图1的说明性实施例中,轴线20、22彼此平行,而轴线24垂直于两轴线20、22,从而给予腔室大体上“U”形横截面。虽然说明性实施例描绘为具有三个板条波导区段14、16、18,但预期由陶瓷主体12界定的腔室可在其它实施例中包含任何数目个板条波导区段。类似地,虽然每一板条波导区段14、16、18的长度尺寸在说明性实施例中描绘为与每一邻近板条波导区段14、16、18的长度尺寸成90度安置,但预期邻近板条波导区段可在其它实施例中彼此成其它角度(例如,70度到110度)安置。
板条波导区段14、16、18中的每一者由平行于由轴线20、22、24所界定的平面(例如,图1的平面)延伸且充当板条波导区段14、16、18中的波导的陶瓷主体12的陶瓷壁部分限界。换句话说,平行于由轴线20、22、24所界定的平面延伸的陶瓷壁间隔开足够小以被视为波导(例如,具有小于0.5的菲涅耳数)的高度。同时,板条波导区段14、16、18中的每一者的宽度足够大以被视为完全自由空间。在说明性实施例中,板条波导区段14、16、18中的每一者具有相同高度及相同宽度。所属领域的技术人员将了解,板条波导区段14、16、18的高度及宽度在激光器10的具体实施例中的合适值将取决于各种参数,包含激光束的波长及激光器10的谐振器的长度。在任何状况下,板条波导区段14、16、18中的每一者在垂直于由轴线20、22、24所界定的平面的方向上展现波导特性,且在由轴线20、22、24所界定的平面中展现自由空间特性。如将从前述内容了解,板条波导区段14、16、18中的每一者布置于相同平面中。
激光器10还包含在由陶瓷主体12界定的腔室中形成谐振器(经由两个折叠反射镜32、34的反射)的一对末端反射镜26、28。末端反射镜26定位于相对邻近板条波导区段18的板条波导区段14的末端的板条波导区段14的一端处。类似地,末端反射镜28定位于相对邻近板条波导区段18的板条波导区段16的末端的板条波导区段16的一端处。如图1中所展示,在激光器10的说明性实施例中,末端反射镜26的反射性表面的凹面半径小于末端反射镜28的反射性表面的凹面半径,使得可在板条波导的自由空间方向上将光学功率30耦合出谐振器。出于此目的,末端反射镜26可具有尖锐边缘。
如上文所提及,激光器10的说明性实施例还包含数个折叠反射镜32、34,其用以光学连接板条波导区段14、16、18。折叠反射镜32、34示意性地体现为平面镜,如图1中所展示,但可在其它实施例中替代性地体现为略微凸面或凹面反射镜。折叠反射镜32靠近轴线20、24的相交点与两轴线20、24成45度角定位。换句话说,轴线20与垂直于折叠反射镜32的反射性表面的反射镜轴线36之间的角度为45度,同时轴线24与反射镜轴线36之间的角度为45度。类似地,折叠反射镜34靠近轴线22、24的相交点与两轴线22、24成45度角定位。换句话说,轴线22与垂直于折叠反射镜34的反射性表面的反射镜轴线38之间的角度为45度,同时轴线24与反射镜轴线38之间的角度为45度。在其它实施例中,预期每一折叠反射镜可相对于每一邻近板条波导区段以大于35度且小于55度的任何角度安置(例如,折叠反射镜32可经安置,使得轴线36与轴线20、24中的任一者之间的角度大于35度且小于55度)。
如上文所提到,激光器10的谐振器的此平直折叠归因于板条波导区段14、16、18由陶瓷主体12界定而独特地成为可能。虽然一些现有技术设计已尝试利用板条波导谐振器的折叠以达成激光器主体的紧凑性,但这些设计通常利用以接近法线角反射空腔通量的折叠反射镜(大体上离法线入射小于15度)。在此类较低角度情况下,折叠反射镜几乎同样反射空腔通量的“S”偏振(S-Pol)及“P”偏振(P-Pol)。相反地,以45度(离法线入射)使用的折叠反射镜相比P-Pol将以较高反射性反射S-Pol。为清楚起见,当光以大于0度(离法线入射)的角度反射离开金属表面时,其电场以反射平面定向的光波(即,P-Pol)相比其电场垂直于反射平面定向的光波(即,S-Pol)将具有较大损耗。在约45度及较大角度情况下此反射性差异极明显(参见图2)。鉴于前述内容,相比P-Pol反射,金属(例如,基于铝金属)波导强烈支持S-Pol反射。因而,包含一或多个金属波导壁的板条激光器变得平行于板条平面经偏振。此偏振要求此激光器中的任何空腔折叠接近法线反射(例如,使用离法线入射以小于15度定向的折叠反射镜)或以复杂三维关系定向(此情况给建造及冷却激光器带来困难)。
相比于金属波导,电介质材料(例如,陶瓷)具有以实质上相等效率在S-Pol或P-Pol中波导光的能力。因而,波导壁由陶瓷材料(例如,Al2O3)形成的板条波导相对于另一光偏振将不偏好一个光偏振。图2说明比较针对S-Pol及P-Pol两者的陶瓷表面(具体为Al2O3)与金属表面(具体为Al)的反射性的反射曲线图。如图2中可看出,陶瓷的S-Pol及P-Pol曲线在接近90度的高波导角度处彼此相当接近,而金属的S-Pol及P-Pol曲线在波导角度甚至略微离开90度时极不同。图2的曲线图展现陶瓷波导表面将不对偏振进行选择而金属波导表面将如此操作。
由于激光器10的板条波导区段14、16、18由陶瓷主体12界定(且因此以实质上相等效率波导S-Pol及P-Pol两者),因此激光器10的谐振器折叠可保持于相同平面中,即使折叠反射镜32、34离轴线20、22、24中的每一者以45度定向也如此。如上文所论述,如果板条波导包含一或多个金属波导壁,则此布置将不光学有效。使板条波导区段14、16、18定向于相同平面中(如激光器10的说明性实施例中)允许易于制造且易于在操作期间冷却的较简单谐振器结构。另外,与法线入射成45度定向的折叠反射镜32、34的S-Pol反射偏好将选择空腔的偏振定向。具体来说,由折叠反射镜32、34反射的激光束30将正交于板条波导区段14、16、18的平面(即,由轴线20、22、24所界定的平面)经偏振。在以此方式偏振激光束30的情况下,可任选地使用美国专利第4,982,166号(所述申请案的内容以引用的方式并入本文中)中教示的方法实现多个激光器10的波束混合。
现参看图3,展示激光器10的另一横截面图,其展示由在末端反射镜26、28之间反射(经由折叠反射镜32、34)的光子沿循的一个说明性光学路径。在图3的说明性实施例中,末端反射镜26、28形成不稳定负分支谐振器40。如上文所论述,末端反射镜26的反射性表面的凹面半径小于末端反射镜28的反射性表面的凹面半径,使得可在板条波导的自由空间方向上将光学功率30耦合出谐振器。如图3中所展示,板条波导区段16沿着轴线22延伸的距离比板条波导区段14沿着轴线20延伸的距离大。换句话说,末端反射镜26与折叠反射镜32(沿着轴线20测量)之间的距离小于末端反射镜28与折叠反射镜34(沿着轴线22测量)之间的距离。这些不同距离允许不稳定负分支谐振器40的焦点42定位于折叠反射镜32、34之间(相反于定位于折叠反射镜32、34中的一者处或靠近所述折叠反射镜中的一者)。此布置最小化折叠反射镜32、34的反射性表面处的通量密度(在焦点42处可为尤其高),以便避免损害折叠反射镜32、34中的任一者。在图3的说明性实施例中,不稳定负分支谐振器40的焦点42定位于折叠反射镜32、34之间的中点处(沿着轴线24测量)。当从末端反射镜26到折叠反射镜32的距离与从末端反射镜28到折叠反射镜34的距离之间的比率等于末端反射镜26、28的反射性表面的半径之间的比率时可实现焦点42的此定位。
现参看图4,展示激光器10的另一横截面图,其展示激光器10的电泵浦区44的一个说明性实施例。激光器10进一步包含定位于陶瓷主体12外部的多个电极(未展示),所述电极经配置以当将激励信号施加到电极时激励激光气体的部分44通过陶瓷主体12。在图4中所展示的说明性实施例中,激光器10的电极经定位,使得当将激励信号施加到电极时,仅激励板条波导区段14、16中的激光气体的部分44。换句话说,激光器10的电极经定位,使得当将激励信号施加到电极时并不激励板条波导区段18中的激光气体的部分(例如,折叠反射镜32、34之间的激光气体的部分)。通过并不浪费板条波导区段18中的泵浦能量,在一半空腔光子被限制于相对较小区域情况下,可增加激光器10的泵浦效率。
虽然已在图及前述描述中详细描述某些说明性实施例,但此说明及描述应被视为示范性而非限制性特性,应了解仅已展示及描述说明性实施例且希望保护属于本发明的精神内的所有改变及修改。存在由本文中所描述的设备、系统及方法的各种特征产生的本发明的多个优势。应注意,本发明的设备、系统及方法的替代性实施例可不包含所有所描述特征但仍受益于此类特征的优势中的至少一些。所属领域的一般技术人员可容易地设计并入本发明的特征中的一或多者的设备、系统及方法的其自身实施方案。
Claims (18)
1.一种激光器,其包括:
陶瓷主体,其包含一组相对的陶瓷壁,所述相对的陶瓷壁界定含有激光气体的腔室,所述腔室经配置以产生具有波长λ的激光,所述腔室包括界定在所述相对的陶瓷壁之间且沿着第一轴线延伸的第一板条波导区段、界定在所述相对的陶瓷壁之间且沿着第二轴线延伸的第二板条波导区段及界定在所述相对的陶瓷壁之间且沿着第三轴线延伸的第三板条波导区段,其中所述第一轴线及所述第二轴线彼此平行,所述第三轴线垂直于所述第一轴线及所述第二轴线两者,且所述第一板条波导区段及所述第二板条波导区段的相应第一末端邻近所述第三板条波导区段的相对末端定位;
第一末端反射镜,其定位于与所述第一板条波导区段的所述第一末端相对的所述第一板条波导区段的第二末端处;
第二末端反射镜,其定位于与所述第二板条波导区段的所述第一末端相对的所述第二板条波导区段的第二末端处;
第一折叠反射镜,其靠近所述第一轴线与所述第三轴线的相交点与所述第一轴线及所述第三轴线两者成45度角定位;及
第二折叠反射镜,其靠近所述第二轴线与所述第三轴线的相交点与所述第二轴线及所述第三轴线两者成45度角定位;
其中所述第一末端反射镜和所述第二末端反射镜界定谐振器长度L;及
2.根据权利要求1所述的激光器,其中所述第一、第二及第三板条波导区段中的每一者在由所述第一、第二及第三轴线所界定的所述平面中展现自由空间特性。
3.根据权利要求2所述的激光器,其中所述第一、第二及第三板条波导区段中的每一者在垂直于由所述第一、第二及第三轴线所界定的所述平面的方向上展现波导特性。
4.根据权利要求1所述的激光器,其中所述陶瓷主体的所述相对的陶瓷壁经配置以充当用于所述激光的波导。
5.根据权利要求1所述的激光器,其进一步包括定位于所述陶瓷主体外部的多个电极,所述多个电极经配置以当将激励信号施加到所述多个电极时激励所述激光气体的部分通过所述陶瓷主体的所述相对的陶瓷壁。
6.根据权利要求5所述的激光器,其中所述多个电极经定位,使得当将所述激励信号施加到所述多个电极时仅激励所述第一板条波导区段及所述第二板条波导区段中的所述激光气体的部分。
7.根据权利要求5所述的激光器,其中所述多个电极经定位,使得当将所述激励信号施加到所述多个电极时不激励所述第三板条波导区段中的所述激光气体的部分。
8.根据权利要求5所述的激光器,其中所述多个电极经定位,使得当将所述激励信号施加到所述多个电极时不激励所述第一折叠反射镜与所述第二折叠反射镜之间的所述激光气体的部分。
9.根据权利要求5所述的激光器,其中所述陶瓷主体及所述多个电极支撑于由非陶瓷材料形成的密闭罩壳内。
10.根据权利要求1所述的激光器,其中所述第一末端反射镜及所述第二末端反射镜形成不稳定负分支谐振器。
11.根据权利要求10所述的激光器,其中所述不稳定负分支谐振器的焦点定位于所述第一折叠反射镜与所述第二折叠反射镜之间。
12.根据权利要求11所述的激光器,其中所述不稳定负分支谐振器的所述焦点定位于所述第一折叠反射镜与所述第二折叠反射镜之间的中点处。
13.根据权利要求1所述的激光器,其中所述第一末端反射镜的反射性表面的半径小于所述第二末端反射镜的反射性表面的半径。
14.根据权利要求13所述的激光器,其中所述第二板条波导区段沿着所述第二轴线延伸的距离比所述第一板条波导区段沿着所述第一轴线延伸的距离大。
15.根据权利要求13所述的激光器,其中所述第一末端反射镜与所述第一折叠反射镜之间的第一距离小于所述第二末端反射镜与所述第二折叠反射镜之间的第二距离。
16.根据权利要求1所述的激光器,其中所述陶瓷主体由选自由以下各者组成的群组的材料形成:Al2O3、BeO及AlN。
17.根据权利要求1所述的激光器,其中所述激光气体为包括CO2的混合物。
18.根据权利要求1所述的激光器,其中所述谐振器长度L为以下距离的和:(i)所述第一末端反射镜和所述第二末端反射镜之间的距离,(ii)所述第一折叠反射镜和所述第二折叠反射镜之间的距离,及(iii)所述第二末端反射镜和所述第二折叠反射镜之间的距离。
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