CN109346910B - 用于激光器的偏振和模式选择技术 - Google Patents
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Abstract
描述了一种用于气体波导激光器的偏振和模式选择技术，其中波导的表面被形成为基本上介电表面，在所述基本上介电表面中具有局部金属区域。金属区域提供线偏振，而介电表面提供低阶模式选择。描述了具有各种共振腔结构的通道和平面波导的实施例。提供了波导表面上的金属区域的尺寸和位置的范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器中的组合偏振和模式选择技术，并且更具体地讲涉及，但并非仅涉及，一种气体波导激光器，在所述气体波导激光器中，波导的介电表面具有位于其中的局部金属区域。所述金属区域的位置和尺寸能够变化以提供偏振和模式选择。
背景技术
对于许多工业激光处理系统而言，气体波导激光器是典型选择。激光器包括：第一和第二表面，所述第一和第二表面分离以在所述表面之间在第一轴线上形成波导；放电区域，被包含在波导的至少一部分内；和共振腔，具有与第一轴线正交的波束传播轴线。当仅存在两个表面时，波导发生在第一轴线上的一个维度中，并且所述表面具有足以允许沿与第一和传播轴线正交的轴线的自由空间传播的宽度。这被称为平面波导，并且形成条形激光器。第三和第四表面可存在于垂直于第一轴线和传播轴线的第二轴线上。第一和第二表面之间的距离通常是1mm至3mm以用于波导。如果第三和第四表面之间的距离大于第一和第二表面之间的距离的10倍，则这是平面波导。当第三和第四表面分开1mm至3mm时，光的波导沿着两个维度发生。这被称为通道波导。
对于典型平面波导，第一和第二表面是金属表面(诸如，铝)。在存在第三和第四表面的情况下，这些将会是电介质(诸如，矾土)。替代地，所有表面可以是介电引导表面。通过在用于第一和第二表面的金属基底上涂敷电介质，可实现这一点。在通道波导中，典型布置是全部介电表面或者第一和第二金属表面以及第三和第四介电表面。同样地，介电引导层可被形成在金属基底上。在现有技术中，为波导创建放电的每个表面通常是完全金属表面或完全介电表面。
众所周知：与由介电表面引导的那些光相比，对于由金属表面引导的光而言，存在不同模式和偏振性质。矾土引导表面为铝表面提供更好的模式选择性质。然而，对于偏振选择，金属波导表面远优于介电波导表面。
与低阶模式一起，对于许多工业激光处理系统而言，需要稳定并且线性的偏振。在厚(>5mm)钢的切割中，当更深地穿透到材料中时的切口的侧壁中的激光吸收变得越来越显著。由于切割角度在布儒斯特角附近，所以吸收是高度偏振相关的。为了防止沿着正交切割方向的切割边缘质量和机加工速度的不一致，使用简单的四分之一波片将激光器的线偏振输出变换成圆偏振。如果来自激光器的偏振并非线性和稳定，则变换的偏振将会是不一致的并且切割质量和深度将会是非常易变的。在反射介质(尤其是金属)的激光处理期间，大部分激光被反射。这种背反射光能够被引导到激光器中，引起激光输出的显著变化，并且在最极端情况下，引起对激光共振腔内的光学部件的损害。通过背反射装置，能够防止来自激光器的线偏振输出在从工件反射之后重新进入，所述背反射装置旋转返回偏振并且吸收沿着垂直于离开激光器的发射的方向的偏振。如果偏振并非线性或稳定，则背反射装置将会被损坏，由此不再防止背反射光重新进入激光器。当安装激光器时，可变偏振也能够提出挑战。许多分束器具有偏振相关反射率。因此，将单个激光源用于多个波束的安装将会沿着每个波束路径具有不需要的功率的变化。最后，用于使波束偏转并且改变时间轮廓的光调制器(诸如，声光调制器)具有强偏振相关性，防止利用可变偏振激光器的有效操作。
用于使激光器偏振的标准技术是将布氏片放置在激光腔中。与p偏振辐射相比，对于s偏振辐射而言，这引入显著更高的损耗。然而，这不适合许多具有气体活性介质的波导激光器。通常，共振腔反射镜被布置为靠近波导的末端(壳体1附近位置)，以确保光被高效耦合到紧凑装置中的波导中。因此，不存在足以安装布氏片的空间。另外，在条形激光器中，电极宽度通常>25mm。由于布氏片将会需要在波束的整个宽度上延伸，所以该部件将会较大并且过于昂贵。
在现有技术中，通过使共振腔反射镜与波导出口分开以将增加的耦合损耗从共振腔反射镜引入到用于更高阶波导的波导来提供用于金属电极的模式选择。虽然有效，但这个方案导致对共振腔设计产生明显的约束，所述约束会在优化波导激光器时限制可用选择。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种激光器，所述激光器消除或减缓现有技术的至少一些缺点。
本发明的另一目的在于提供一种激光器，所述激光器提供组合偏振和模式选择。
根据本发明的第一方面，提供一种激光器，所述激光器包括：第一和第二表面，所述第一和第二表面分离以在所述表面之间在第一轴线上形成波导；放电区域，被包含在所述波导的至少一部分内；共振腔，具有与所述第一轴线正交的传播轴线；以及其特征在于，所述第一表面是基本上介电表面，在其中包括局部金属区域。
以这种方式，金属区域影响偏振，而介电表面影响模式选择。
优选地，在第一表面上存在单个金属区域。以这种方式，激光器的模式和偏振特性能够被预先选择。
优选地，所述金属区域具有沿着传播轴线的第一表面的长度的5％和30％之间的沿传播轴线的长度。已确定：介电表面的更大区域内的金属表面提供最佳模式和偏振选择。
优选地，所述金属区域的长度LM由以下方程控制：
并且LD1是金属区域的第一侧的介电表面的长度，并且LD2是金属区域的第二侧的介电表面的长度，以使得LM+LD1+LD2是沿着传播轴线的第一表面的长度。
优选地，所述金属区域沿着与第一和传播轴线正交的第二轴线在第一表面的整个宽度上延伸。这提供更简单的构造。替代地，所述金属区域可在第一表面的宽度的一部分延伸。在这种布置中，所述第一表面上的金属区域完全由介电表面限定边界。
所述金属区域可沿着传播轴线位于第一表面上的任何位置。优选地，LD1≠LD2。以这种方式，金属区域并非对称地布置。所述金属区域可相对于共振腔的焦点对称地布置。
优选地，所述金属区域在第一表面上具有矩形形状。这提供更容易的机加工。所述金属区域可包括多个部分，所述多个部分提供沿着传播轴线的总预期长度。替代地，所述金属区域可以是正方形、圆形、椭圆形或创建预期偏振的任何其它形状。
可在第二表面上存在金属区域。在这种布置中，所述金属区域优选地具有相同尺寸和形状，并且被布置为在激光器中直接彼此相对。
优选地，所述第一轴线上的波导的高度处于范围1mm至3mm中。优选地，所述第一和第二表面的宽度大于第一轴线上的高度的十倍。这提供带状放电。它也适合是条形激光器。有益地，所述波导的高度处于范围1.0mm至3.0mm中。
优选地，所述激光器具有第三和第四表面，第三和第四表面被相对地布置在第二轴线上，布置在第一和第二表面之间并且垂直于第一和第二表面。以这种方式，所述放电被包含在由第一、第二、第三和第四表面限定边界的体积内。所述第三和第四表面可分离以在所述第三和第四表面之间在第二轴线上形成波导。以这种方式，提供通道波导。替代地，所述第三和第四表面分离一定距离，所述一定距离足以允许沿第二轴线的方向的自由空间传播。以这种方式，提供平面波导，并且所述激光器可被视为条形激光器。
优选地，所述第三和第四表面之间的分离的距离与第一轴线上的波导的高度匹配。这提供波导激光器。替代地，所述第三和第四表面之间的分离的距离大于第一轴线上的高度的十倍。这提供带状放电和条形激光器。
优选地，所述共振腔包括两个共振腔反射镜，所述两个共振腔反射镜是高反射后反射镜和输出耦合器。所述输出耦合器可以是部分反射的，并且共振腔被布置在通道波导周围。在实施例中，所述共振腔是正分支非稳定共振腔。在优选实施例中，所述共振腔是布置在平面波导周围的负分支非稳定共振腔。
在本发明的实施例中，所述放电是RF激发CO2激光气体。这提供具有密封激光器的机会。
所述激光器可被视为一种偏振和模式选择波导气体激光器，所述偏振和模式选择波导气体激光器包括：共振腔，具有激光束传播轴线；第一和第二表面，所述表面是细长的并且分隔开以形成波导，所述波导具有沿着第一轴线在所述表面之间延伸的波导高度，所述第一轴线与所述表面并且与所述激光束传播轴线正交；放电区域，位于第一和第二电极之间，所述放电区域被包含在所述波导的至少一部分内以由此创建沿着所述激光束传播轴线的输出激光束；
其特征在于：所述第一表面是基本上介电表面，在所述基本上介电表面中包括金属部分。
根据本发明的第二方面，提供一种提供偏振和模式选择激光器的方法，所述方法包括步骤：
a)提供第一和第二表面，所述第一和第二表面能够被布置为在它们之间形成波导；
b)在所述波导周围提供共振腔；
c)在所述波导的至少一部分内创建气体放电；
其特征在于：
所述第一表面包括基本上介电表面，所述基本上介电表面在其中包括局部金属区域。
优选地，所述方法包括将机加工的金属元件插入到机加工的陶瓷元件中以提供第一表面的步骤。
所述方法可包括将机加工的金属元件插入到两个机加工的陶瓷元件之间以提供第一表面的步骤。
所述方法可包括将金属涂层布置在陶瓷基底的表面上的区域中以提供第一表面的步骤。优选地，所述涂层具有微米的范围中的厚度。
所述方法可包括将介电涂层布置在金属基底上的步骤，其中金属基底的区域包括掩模以防止在掩模的区域中镀覆。优选地，所述涂层具有微米的范围中的厚度。
优选地，所述金属区域具有沿着共振腔的第一表面的长度的5％和30％之间的长度。
其它特征可如参照第一方面所述。
优选地，所述激光器是具有负分支非稳定共振腔的RF激发CO2条形激光器。
附图说明
现在将仅作为示例描述本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明的实施例的偏振和模式选择激光器的示意性示图；
图2是平面波导中的计算的矾土和铝引导表面上的TE偏振模式的波导损耗系数与模式编号的曲线图；
图3是平面波导中的计算的利用矾土引导表面的TE偏振和TM偏振的波导损耗系数与电极间空隙的曲线图；
图4是平面波导中的计算的利用铝引导表面的TE偏振和TM偏振的波导损耗系数与电极间空隙的曲线图；
图5是根据本发明的实施例的在第一和第二表面中包括金属区域的激光器的示意性示图，在(a)中，平面与第一轴线正交，并且在(b)中，平面与第二轴线正交；
图6是根据本发明的实施例的在第一和第二表面中包括金属区域的激光器的示意性示图，在(a)中，平面与第一轴线正交，并且在(b)中，平面与第二轴线正交；
图7是根据本发明的实施例的在第一和第二表面中包括金属区域的激光器的示意性示图，在(a)中，平面与第一轴线正交，并且在(b)中，平面与第二轴线正交；
图8是根据本发明的实施例的示出在与第一轴线正交的平面中的具有较小的金属区域的图7的激光器的示意性示图；
图9是用于测量偏振性质的实验测试机构；
图10是根据本发明的实施例的当(a)不存在金属区域时和(b)当存在金属区域时使用图9的布置测试的图7的激光器的透射功率和反射功率与时间的曲线图；
图11是图7的激光器的光束半径与通过1.3m透镜的焦点的(a)第一轴线和(b)第二轴线中的位置的图表；和
图12(a)-(c)是根据本发明的实施例的形成激光器中的第一表面的方法的示图。
具体实施方式
最初参照附图中的图1，图1表示根据本发明的实施例的通常由标号10表示的模式和偏振选择激光器。激光器10包括由介电材料(诸如，矾土)形成的一对细长矩形陶瓷板或条12、14。底板14完全由陶瓷构成，但顶板12是基本上介电材料，由导电金属(诸如，铝)形成的金属材料的区域16位于所述介电材料中。每个板12、14提供平面矩形表面18、20，并且这些第一和第二表面18、20是平行的并且被相对地布置为朝向彼此并且分开一定距离，所述距离是波导高度22。因此，第一表面18是基本上介电表面，所述介电表面中包括局部金属区域16。
板12、14被分隔开波导高度22，波导高度22优选地处于范围1.0mm至3.0mm中。通过包括侧板30、32(部分地说明性地示出)，板12、14在预期高度18被保持分开。侧板30、32是平行壁，所述平行壁分别提供第三和第四表面34、36。本领域技术人员将会意识到：第三和第四表面34、36的间距能够等于波导高度22。以这种方式，所述布置将会是通道激光波导。在第三和第四表面34、36之间的间距大于波导高度22的十倍的情况下，所述布置将会是平面波导激光器。第一和第二表面18、20能够被视为平面波导中的引导表面，并且第一、第二、第三和第四表面18、20、34、36可因此被视为通道波导中的引导表面。金属区域16可位于任何引导表面上。
板12、14被夹在平面电极24、26(部分地说明性地示出)之间，这在表面18、20、34、36之间并且沿着板12、14、30、32的整个长度创建放电体积28以提供激光器10的输出功率。介电板12、14具有选择的厚度，通过所述厚度，能够保持放电。对于100w CO2激光器，板12、14的合适的长度将会是480mm，宽度是45mm。电极24、26通常适应于包括一个或多个冷却剂通道(未示出)，通过所述冷却剂通道，水能够流动。所述放电充满整个放电体积28，放电体积28在限定体积28的边界的全部介电和金属表面上延伸。这个体积28由第一轴线上的波导高度22、与第一轴线正交的第二轴线上的第三和第四表面34、36之间的间距以及沿传播方向的板12、14、30、32的长度定义，所述传播方向沿着与第一和第二轴线正交的第三轴线。第一、第二和第三轴线是矩形坐标系，如图1中所示。
如本领域所知，经网络40从射频RF发生器38激发电极，射频RF发生器38是与电极24、26匹配的阻抗。通过在电极24、26之间位于体积28内的激光气体的激发来创建放电。在优选实施例中，激光气体是按照比例3:1:1的氦、氮和二氧化碳的标准CO2混合物和另外的5％氙,激光气体在50至300mbar的填充压力的。所述输出处于10.6微米的主波长。所述布置被密封在壳体(未示出)内。
在电极24、26的每个末端42、44，布置有反射镜46、48。这一对共振反射镜46、48经高反射后反射镜46和输出耦合器48提供共振腔60。如果需要，每个反射镜46、48被固定到托架(未示出)，能够使得可从壳体外部调整所述托架。反射镜46、48通常由硅或铜基底形成，所述硅或铜基底首先镀覆有金或银，并且其次镀覆有氟化钍和硫化锌的介电堆栈。涂敷氟化钍或优选地锗的另外的涂层。后反射镜46被确定尺寸以提供在放电体积28之外延伸的反射表面50，从而来自末端反射镜46的所有光被反射回至区域28中。输出耦合器48较短，从而光52的一部分经反射镜硬边缘54被耦合到共振腔60之外作为激光输出。本领域技术人员将会意识到：输出耦合器48能够是部分反射的并且具有与后反射镜46类似的尺寸和布置，从而激光输出现在通过中心光轴上的输出耦合器48。
返回到具有金属区域的电介质的第一表面，我们现在考虑提供低阶模式选择和线偏振的选择所需的金属区域的尺寸之间的关系。
我们首先考虑用于模式选择的介电和金属表面的不同波导性质。以下针对TE和TM模式在方程(1)和(2)中给出用于平面波导的波导损耗系数。TE模式具有平行于引导表面偏振的线偏振，而TM模式具有布置为垂直于引导表面的偏振。
这里，m是横模阶数，λ是波长，a是引导表面之间的间距，n是折射率并且k是消光系数。
图2显示计算的波导损耗系数62与矾土64和铝66波导表面上的TE模式的模式编号58的曲线图56，传播波长是10.6μm，波导表面18、20之间的空隙是2mm。所述计算使用针对矾土的0.67的典型折射率和0.136的消光系数以及针对铝的36.6的折射率和111的消光系数。
通过考虑基本模式(m＝1)和第一高阶偶数模式(m＝3)，清楚的是，矾土引导表面提供比铝表面好的模式选择性质。在矾土的情况下，对于m＝1αTE～0.0014m-1，0.5m-1至1.0m-1的CO2气体波导激光器中的典型小信号增益系数(g0)的～0.15％-0.3％，而对于m＝3αTE～0.0126m-1，g0的～1.25％-2.5％。损耗系数的差异足以抑制高阶模式振荡，同时允许高效基本模式操作，导致许多应用所需的高质量模式。然而，在铝引导表面的情况下，两个波导损耗系数都<g0的0.2％，导致很少的选择(如果存在任何模式的话)。
相反地，对于偏振选择，金属波导表面远优于介电波导表面。图3显示曲线图68，曲线图68显示用于在10.6μm的波长的m＝1的基本波导的矾土引导表面的计算。在这种布置中，引导表面由电极形成，从而波导高度22是电极间空隙70。曲线图68因此是利用平面波导激光器中的矾土引导表面针对TE偏振72(平行于引导表面)和TM偏振74(垂直于引导表面)计算的波导损耗系数62与电极间空隙70。在2mm的标称空隙尺寸，用于TE模式的损耗系数是0.001m-1，并且对于TM模式，损耗系数是0.002m-1。虽然TM模式具有TE模式的损耗的两倍，但在两种情况下，损耗系数都从不超过g0的～0.2％。因此，损耗系数不足以在特定偏振上产生优选激光振荡。
图4显示与图3对应但现在针对铝引导表面的曲线图。曲线图76因此是利用平面波导激光器中的铝引导表面针对TE偏振78(平行于引导表面)和TM偏振80(垂直于引导表面)计算的波导损耗系数62与电极间空隙70。明显地，所述波导损耗系数显著不同于针对矾土计算的那些波导损耗系数。对于TE模式，损耗系数是～0.00002m-1，小信号增益系数的～0.002％，而对于TM模式，损耗系数是～0.28m-1，典型小信号增益系数的30％-60％，导致强偏振选择性。对于通道波导，可获得类似的计算和结论。
本申请人已发现：在表面上组合介电和金属材料能够同时创建来自介电表面的模式选择和来自金属表面的偏振选择的益处，而没有在现有技术中呈现的对共振腔设计的约束。
如图1中所示，本发明在基本上介电表面18内使用局部金属区域16以确保线性输出偏振。金属区域16仅沿着传播轴线在波导表面长度的5％和30％之间延伸。这种低范围是可能的，因为连续金属表面的TM模式的损耗是仅确保TE模式的振荡所需的损耗的～10-20×。通过考虑在损耗仅是g0的～2％的情况下抑制的高阶TE模式的损耗系数的值，这是显然的。因此，通过使金属区域局部化，偏振损耗能够朝着～2％减小，足以选择需要的偏振，同时使电介质在波导传播长度的～70％-95％延伸确保足够的高阶模式选择。
现在参照图5(a)和5(b)，图5(a)和5(b)显示根据本发明的实施例的激光器110的示图，在(a)中，平面与第一轴线正交，并且在(b)中，平面与第二轴线正交。与图1的那些部分相同的部分已被给予相同的标号，添加100以便清楚。激光器110具有通道波导，所述通道波导在第一和第二表面118、120上都具有长度LM的局部金属区域116，局部金属区域116位于分别具有长度LD1和LD2的两个介电区域112a、112b之间。与第三和第四表面134、136一起，通道波导被形成在两个共振腔反射镜146、148(部分反射输出耦合器148和高反射后反射镜146)之间。金属区域16、116可被形成在仅一个表面或两个相对表面中以确保偏振选择。金属区域116在波导的整个宽度上延伸以确保所有光82经过偏振选择区域116，但沿着长度延伸由以下方程(3)控制的距离：
在由方程(3)控制的范围内根据经验调整LM的值以优化偏振和模式选择。金属区域116能够被放置在第一和第二波导表面中的任一个或两个波导表面中，在没有模式选择的显著损耗的情况下产生提供的充分的偏振选择。在优选实施例中，金属区域116被放置在第一和第二波导表面118、120中，每个板112、114内的金属部分具有相同尺寸，并且所述两个部分被放置为直接彼此相对。金属部分116能够因此被沿着波导的长度放置在任何地方，通常，LD1≠LD2。金属部分116可被分成较短长度LM的几个部分以给出偏振选择所需的沿着传播第三轴线的需要的总长度。还需要注意的是，金属区域116能够替代地位于第三134和/或第四136表面中，因为这些也是通道波导中的引导表面。
图6(a)和6(b)显示根据本发明的实施例的激光器210的示图，在(a)中，平面与第一轴线正交，并且在(b)中，平面与第二轴线正交。与图1的那些部分相同的部分已被给予相同的标号，添加200以便清楚。激光器210具有共振腔260，共振腔260是形成在平面波导周围的正分支非稳定共振腔。在平面图图6(a)中，在光轴84开始的光82多次从前后高反射器246、248反射，在每个完整行程之后放大，直至它在输出耦合器248的边缘254周围离开共振腔260。在其它轴线中，图6(b)，光82从两个波导表面218、220反射，所述两个波导表面218、220由长度LD1和LD2的两个介电部分218a、218b、220a、220b以及长度LM的金属部分216形成。再次根据经验确定并且在方程(3)中详述的范围内调整长度LM以优化偏振和模式选择。金属部分216延伸波导表面的整个宽度w。类似于通道波导，金属部分能够位于任一个或两个引导表面中，但在理想情况下应该位于两个引导表面中，沿着波导长度位于任何地方，并且能够被分成几个较小的部分以给出偏振选择所需的总长度LM。
激光器310的优选实施例在图7(a)中被示出在与第一轴线正交的平面中，并且在图7(b)中被示出在与第二轴线正交的平面中。与图1的那些部分相同的部分已被给予相同的标号，添加300以便清楚。激光器310具有共振腔360，共振腔360是形成在平面波导周围的负分支非稳定共振腔。在负分支非稳定共振腔中，光82在光轴84上开始，并且在输出耦合器348的边缘354周围离开激光器310之前在每次往返时被放大。然而，与正分支共振腔260不同，波束沿相反方向聚焦，光82a朝着后反射镜348传播，并且沿向前方向被准直，光82b朝着输出耦合器348传播。金属偏振选择区域316被设计为作用于沿向前和相反方向的所有振荡光。因此，金属区域在波导表面318、320的整个宽度w延伸，并且相对于沿相反方向传播的光82的腔内焦点F 86对称地布置。金属区域316的中心的位置由以下的方程(4)和(5)确定：
这里，R1是输出耦合器348的曲率半径，并且R2是后反射镜346的曲率半径。根据经验确定金属区域的长度以在从方程(3)确定的范围内确保需要的偏振和模式选择。金属部分316将会位于波导表面318、320中。
参照图8，示出根据本发明的另一实施例的激光器410。激光器410在平面波导周围具有与图7(a)和(b)相同的负分支非稳定共振腔360。在这个实施例中，金属区域416是完全由板412的第一表面418上的介电材料限定边界的矩形部分。与图7的实施例不同，金属区域416仅与沿相反方向的所有传播的光82a相互作用，并且因此被视为单向选择。在这种情况下，金属区域416不在整个宽度上延伸，而是相对于腔内焦点F 86对称地布置，并且被确定尺寸以给予需要的偏振和模式选择。沿着波导的长度，根据以上方程(4)和(5)定位金属部分416的中心。沿着宽度，根据方程(6)定位金属部分的中心：
这里，
是共振腔360的放大率，并且x1是横跨第一表面418的宽度w的距离。
金属部分416的长度LM被根据经验确定以提供需要的偏振和模式选择。选择这个区域416的宽度WM以确保沿相反方向的所有光经过金属区域，并且从以下的方程(7)确定这个区域416的宽度WM。
相同的金属部分416位于板414(未示出)的第二表面420上的相同位置。
使用图9的实验布置测试激光器310的偏振选择。来自激光器310的输出光束352入射在倾斜的ZnSe板88上，因此入射角与布儒斯特角相差几度。p偏振光的反射率是～0.5％-1.0％，而s偏振光的反射率是～60％。激光器310被布置，因此TE模式具有其相对于ZnSe板88沿着p偏振方向布置的偏振。因此，与透射光束92相比，偏振的任何变化导致反射光束94的显著变化。
图10(a)和10(b)显示针对激光器310的透射功率92和反射功率94与时间90的实验结果，(a)不存在偏振选择金属区域，和(b)存在偏振选择区域316。在没有偏振选择区域的情况下，当偏振改变状态时，在反射信号91中存在清楚的尖峰。然而，在引入偏振选择金属区域316之后，反射信号91是透射信号93的直接缩放复制品，与TM模式相比，针对TE模式，指示>100:1的偏振纯度。
通过在两个正交平面、波导和自由空间轴线中通过1.3m透镜的焦点测量光束半径，测试包括金属区域316的激光器310的模式选择性。结果被示出在图11中，图11是沿着(a)第二或自由空间轴线和(b)第一轴线或波导轴线的光束半径99与位置98的曲线图96。在两个方向上，M2＝1.05，这清楚地表示最低或基本模式的模式选择性。因此，利用根据本发明的激光器，可同时实现高偏振纯度和高模式质量。
现在，参照图12(a)–(c)，示出根据本发明的实施例的将金属区域516包括在基本上介电表面518中以提供预期模式和偏振选择的方法。在图12(a)中，机加工的金属块13被插入到机加工的陶瓷部件15中。机加工的陶瓷部件15能够包括两个个体机加工的陶瓷块15a、15b，金属块13被夹在它们之间。金属块13直接紧挨着陶瓷块15a、15b，并且中间不存在空隙，从而连续表面518被提供用于波导。这种布置能够被布置在支撑结构上，所述支撑结构能够是金属支撑结构或介电支撑结构。如果所述支撑结构是介电支撑结构，则单个介电块15能够被机加工以提供金属块13所在的沟槽或凹槽。在图12(b)中，局部金属区域516被作为金属涂层涂敷在陶瓷板512的表面518上。所述涂层为几微米厚以提供足够的偏振选择性，同时仍然提供用于波导的基本上平坦的表面518。所述涂层被涂敷在如以上所计算的介电表面的区域上方。图12(c)显示替代实施例，其中金属基底被用于形成板512。随后应用掩模，所述掩模覆盖区域516。几微米厚度的介电涂层随后被涂敷在金属基底的表面上方。掩模被去除，裸金属暴露于振荡光，在基本上介电表面518上提供金属区域516。尽管金属区域516被示出为在表面区域中是矩形的，但将会理解，金属区域能够形成任何形状，并且选择矩形仅是为了构造的简单并且确保光经过该区域。
本发明的主要优点在于：它提供一种具有组合偏振和模式选择的激光器。
本发明的另一优点在于：它在没有另外的光学器件的情况下从通道或平面波导提供一种具有低阶模式和线偏振的激光器。
本发明的另一优点在于：它提供一种生产偏振和模式选择激光器的方法，所述偏振和模式选择激光器相对比较简单并且能够按照相对较低的成本实现。
可在不脱离这里描述的本发明的范围的情况下对本发明做出修改。例如，金属区域可形成任何形状，并且能够被确定形状以理想地与光束腰匹配或形成在所述区域的位置。所述区域能够被布置在传播轴线上的任何位置。尽管参照CO2波导激光器描述本发明，但本发明将会在其它气体放电、固态材料、半导体材料或液体染料类型的其它激光器中发现应用。
Claims (15)
1.一种偏振和模式选择激光器，包括：第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面分离以在所述第一表面与所述第二表面之间在第一轴线上形成波导；放电区域，被包含在所述波导的至少一部分内；共振腔，具有与所述第一轴线正交的传播轴线；以及其特征在于，所述第一表面是基本上介电表面，在其中包括局部金属区域，从而提供金属表面和介电表面，所述介电表面的表面大于所述金属表面的表面。
2.如权利要求1所述的偏振和模式选择激光器，其中，在第一表面上存在单个金属区域。
3.如权利要求1或权利要求2所述的偏振和模式选择激光器，其中，所述金属区域具有沿着传播轴线的第一表面的长度的5％和30％之间的沿传播轴线的长度。
4.如权利要求3所述的偏振和模式选择激光器，其中，所述金属区域的长度LM由以下方程控制：
并且LD1是金属区域的第一侧的介电表面的长度，并且LD2是金属区域的第二侧的介电表面的长度，以使得LM+LD1+LD2是沿着传播轴线的第一表面的长度。
5.如权利要求1所述的偏振和模式选择激光器，其中，所述金属区域沿着与第一和传播轴线正交的第二轴线在第一表面的整个宽度上延伸。
6.如权利要求4所述的偏振和模式选择激光器，其中，LD1≠LD2。
7.如权利要求1所述的偏振和模式选择激光器，其中，所述金属区域相对于共振腔的焦点对称地布置。
8.如权利要求1所述的偏振和模式选择激光器，其中，在第二表面上存在金属区域。
9.如权利要求1所述的偏振和模式选择激光器，其中，所述共振腔是布置在平面波导周围的负分支非稳定共振腔。
10.如权利要求1所述的偏振和模式选择激光器，其中，在所述放电区域中产生RF激发的CO2激光气体。
11.一种提供偏振和模式选择激光器的方法，所述方法包括下述步骤：
a)提供第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面能够被布置为在所述第一表面与所述第二表面之间形成波导；
b)在所述波导周围提供共振腔；
c)在所述波导的至少一部分内创建气体放电；
其特征在于：
所述第一表面包括基本上介电表面，所述基本上介电表面在其中包括局部金属区域，从而提供金属表面和介电表面，所述介电表面的表面大于所述金属表面的表面。
12.如权利要求11所述的提供偏振和模式选择激光器的方法，其中，所述方法包括将机加工的金属元件插入到机加工的陶瓷元件中以提供第一表面的步骤。
13.如权利要求11所述的提供偏振和模式选择激光器的方法，其中，所述方法包括将机加工的金属元件插入到两个机加工的陶瓷元件之间以提供第一表面的步骤。
14.如权利要求11所述的提供偏振和模式选择激光器的方法，其中，所述方法包括将金属涂层布置在陶瓷基底的表面上的区域中以提供第一表面的步骤。
15.如权利要求11所述的提供偏振和模式选择激光器的方法，其中，所述方法包括将介电涂层布置在金属基底上的步骤，其中金属基底的区域包括掩模以防止在掩模的区域中镀覆。
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