CN1116367A - 波导列阵co2激光器相位锁定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导列阵CO₂激光器相位锁定方法及装置，它中在波导列阵CO₂激光器的金属矩形波导管内的上下壁面上，沿光轴方向开设n个相互平行的等间距凹槽，即在波导管内设置n个周期分布的高损耗区，各自形成独立的波导列阵光束，由各子波导光束通过损耗区过渡而相互耦合，实现相位的完全锁定，获得激光器的远场同相态和异相态的光强分布。本发明加工简便，易达到高的光学精度，而使波导场的传输损耗小，激光器输出功率高。

Description

波导列阵CO2激光器相位锁定方法及装置

本发明涉及一种波导列阵CO₂激光器相位锁定方法及装置。

把相位锁定技术应用于射频(FR)激励波导列阵CO₂激光器，是目前密封型CO₂激光器最为引人注目的进展之一。波导列阵激光器的最大优点在于满足激光器高功率输出的同时仍保持结构紧凑、长寿命、非流动和单模运转的特点。通常认为，实现波导列阵CO₂激光器的各波导元之间相位锁定的有效方法是光学分布耦合法。首先获得实际运转的波导列阵激光器，是通过安置在两平行波导间的ZnSe隔板进行波导模之间的振幅和相位耦合而实现相位锁定。其后，提出的多通道空心桥脊(HBR)波导列阵构型使器件的性能获得了改进，其机理是通过使各波导元之间的桥脊变短，形成间隙，各波导元中的场相互漏泄而实现相位锁定而后，又发展了空心交错(SHB)波导列阵构型，由于在没有被缩短耦合桥脊的条件下，消除了过大的横向耦合区，而缓和了HBR波导列阵的“高阶模鉴别”的难题。但上述的各类构型的波导列阵激光器构型仍存在着结构复杂、加工困难，且不易获得各波导元之间的同相态相位锁定等不足和困难。

本发明的目的提供一种加工简便，传输损耗小，输出功率高的波导列阵CO₂激光器相位锁定方法及装置。

为了达到上述目的本发明采取下列措施，波导列阵CO₂激光器相位锁定方法为：在波导列阵CO₂激光器的金属矩形波导管内的上下壁面上，沿光轴方向开方向开n个相互平行的等间距凹槽，即在波导管内设置n个周期分布的高损耗区，各自形成独立的波导列阵光束，由各子波导光束通过损耗区过渡而相互耦合，实现相位的完全锁定，获得激光器的远场同相态和异相态的光强分布。

其装置为：它包括激光管体，激光管体两端分别设有全反射镜、输出镜，全反射镜和输出镜分别设有三维调节机构，并经波纹管与激光管体相连，激光管体内设有金属上电极条，金属下电极条，上电极条与下电极条间设有二条陶瓷隔离条，由此构成金属矩形波导管，在所说的金属矩形波导管内的上下壁面上，沿光轴方向开设n个相互平行的等间距凹槽。

本发明的优点是：

1.通常的波导列阵器件的列阵元件都采用金属/陶瓷结构，陶瓷元件热导率低，且加工复杂，难以达到高的光学精度，而限制了激光器输出功率。本发明所提出的特殊构型，采用全金属列阵元件，加工简便，易达到高的光学精度，而使波导场的传输损耗小，并且大为改善了工作介质的热扩散传导冷却效率，使激光器输出功率得以提高。

2.本发明所提出的实现相位锁定的方法和结构是：由在波导管通道内设置损耗区的方法形成列阵子波导光束，各子波导元之间的场耦合是通过损耗区的过渡而实现的，因而避免了“HBR”波导列阵的由于桥脊高度所引起的“耦合程度”或“高阶模的鉴别”问题，并且，由于金属波导列阵管体的良好导热性和热均匀性，而使得列阵激光器更易获得波导元之间的相位完全锁定以及提高了锁定的稳定性。

3.由于射频源输入到电极的高频能量纵向传输速率与空气的传输速率相同，而使得本发明所提供的金属波导列阵元激光器允许被做成有较长的腔长，不需附加分流电感来消除纵向驻波。

下面结合附图作进一步详细说明。

图1是相位锁定波导列阵CO₂激光器示意图；

图2是波导列阵CO₂激光器矩形波导管横向剖面图。

本发明包括激光管体6，外设水冷却夹层11可使得激光器工作时所产生的热量，通过腔内金属电极的热传导由冷却水带走，2和9分别是冷却水的进出口。激光管体用不锈钢制成，可兼作RF辐射的屏蔽套，激光管体两端分别设有全反射镜1、输出镜7，全反射镜和输出镜组成波导列阵CO₂激光器的光学谐振腔，它们都为平面镜。全反射镜是以半导体材料Ge基底的介质膜全反射镜，反射率大于98％，输出镜是以ZnSe晶体为基底的介质膜输出镜，透过率为12％，全反射镜和输出镜都配有精密的三维调节机构12，并通过波纹管8与激光管体相连，激光管体内，上电极条5和下电极条10以及二条Al₂O₃陶瓷隔离条3构成金属矩形波导管。射频(RF)源和匹配耦合器13，通过激光管体上的RF输入口4，耦合到上电极条5上。

本发明的关键部分是矩形波导管，图2是它的横向剖面图。上电极、下电极均为金属板条，一般采用纯铜、纯铝或铜铝合金等。内表面光学抛光并真空镀铝，金属板条的长度为L，宽度为W。上、下电极条被二条等长(L)的左右平行放置的厚度为2b的Al₂O₃陶瓷隔离条其间隔为2a。在金属矩形波导管内的上下壁面上(上电极或下电极或上电极和下电极壁面上)，沿光轴方向开设n个相互平行的等间距凹槽。凹槽宽度为C，深度为h，即n条凹槽把矩形波导管的横向间隔2a进行n个等分，从而在矩形波导管内形成n列尺寸 $L\×2b\×(\frac{2a}{n}-c)$ 的独立增益区。

上述的设计是基于如下的理论分析。对于如附图2所示横截面为2a×2b的矩形波导管，在波导管内，对于E^YH^X _nm模，场分布为：

对于E^XH^Y _nm模，其场分布也有类似的形式。

当如我们所设计的那样(见附图2)，在矩形波导管的上、下壁(或仅上壁，或仅下壁)面上对应开设N条沿光轴平行的等间隔的凹槽，凹槽的间隔为d，宽度为c，深度为h，这样在管内沿X方向设置了N个等间隔的高损耗区，而使得管内形成沿X方向的(N＋1)个周期分布的增益区。因此，按空心介质波导模理论，在管内存在周期分布高损耗区条件下，管内的总光场分布应由(1)式改写为：

在我们所提出的上述(2)式中，其项

表征着由于开槽所形成的周期分布的高损耗区，使得在X＝±pd/2处的场强为零(式中，P＝1、2、3，…，N，N是在X方向的开槽数)，式(2)表示，开槽的结果在矩形波导管内形成了与开槽数相对应的独立的周期分布的光束，即系列子波导光束。各子波导光束的光场分布，在Y方向受到波导管壁的限制，壁间距决定所能形成的波导模的形式，而在X方向，受到开槽形成的高损耗区的限制，因此，各子波导的光强分布为：

这些在X方向所形成的(N＋1)个独立的子波导，构成了(N＋1)波导列阵，各子波导是独立的，但它们的光场又可以通过它们的高损耗间隔区的间隙而相互漏泄而耦合，而获得各子波导光束的相位锁定。这些相位锁定的子波导光束的远场线性迭加，而导致了波导列阵CO₂激光器的远场的同相态和异相态的光强分布。

根据上述的理论分析，本发明提供了一系列结构设计参量。

(1)上电极条与下电极条的间隔2b的尺寸决定着在波导管内所形成的波导模的形式，对于波长为10.6μm的CO₂激光器，2b取成2～2.8mm，以确保激光器能以低阶波导模运转。

(2)两条平行凹槽的间隔d取成与2b相对应的尺寸，一般为d＝2～2.8mm，以使各子波导光束具有对称的光束截面。

(3)每条凹槽的宽度C，关系到所能形成损耗区的大小和各子波导光束的相互耦合、相位锁定程度。本发明所提供的C值的取值范围是0.2～1.2mm。

(4)凹槽的深度h取值为0.5～2.5mm，并且要求凹槽的三个表面是粗糙的，以防止在波导管内形成寄生振荡。

(5)组成谐振腔的一对反射镜(即全反射镜和输出镜)都是平面镜，并且它们各自到波导管口的间隔不大于1cm。

Claims (4)

1.一种波导列阵CO₂激光器相位锁定方法，其特征在于在波导列阵CO₂激光器的金属矩形波导管内的上下壁面上，沿光轴方向开设n个相互平行的等间距凹槽，即在波导管内设置n个周期分布的高损耗区，各自形成独立的波导列阵光束，由各子波导光束通过损耗区过渡而相互耦合，实现相位的完全锁定，获得激光器的远场同相态和异相态的光强分布。

2.按照上述方法设计的一种波导列阵CO₂激光器相位锁定装置，其特征在于：它包括激光管体[6]，外设水冷却夹层[11]，激光管体两端分别设有全反射镜[1]、输出镜[7]，全反射镜和输出镜分别设有三维调节机构[12]，并经波纹管[8]与激光管体相连，激光管体内设有金属上电极条[5]，金属下电极条[10]，上电极条与下电极条间设有二条陶瓷隔离条[3]，由此构成金属矩形波导管，射频[RF]源和匹配耦合器[13]通过激光管体上的[RF]输入口[4]耦合到上电极条[5]上，其特征在于所说的金属矩形波导管内的上下壁面上，沿光轴方向开设n个相互平行的等间距凹槽。

3.根据权利要求2所述的一种波导列阵CO₂激光器相位锁定装置，其特征在于所说的全反射镜和输出镜为平面镜，全反射镜和输出镜离波导管的距离小于1cm。

4.根据权利要求2或3所述的一种波导列阵CO₂激光器相位锁定装置，其特征在于上、下电极条的间距2b＝(2～2.8)mm，上、下电极条壁面上的平行凹槽的间隔d＝(2～2.8)mm，凹槽的宽度C＝(0.2～1)mm，凹槽的深度h＝(0.5～2.5)mm。

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