CN117293635A - 一种有源耦合腔相干阵激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有源耦合腔相干阵激光器，包括：泵浦源、泵浦耦合系统、全反射层、第一相位调制层、连续激活介质、第二相位调制层和部分反射层，全反射层、第一相位调制层、连续激活介质、第二相位调制层和部分反射层构成有源耦合腔；泵浦源经泵浦耦合系统激发连续激活介质产生振荡光，振荡光在有源耦合腔往复振荡过程中依次被第一相位调制层、第二相位调制层进行相位调制，使得振荡光在连续激活介质中形成耦合相干阵振荡光，而后通过部分反射层输出相干阵激光。本发明只需一个激光模块即可迅速形成输出光完全紧密排布与孔径装填的相干阵激光，获得在远场衍射极限的单一主瓣的高功率激光输出，且系统简单紧凑，有利于功率扩展。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种有源耦合腔相干阵激光器。
背景技术
高功率、高光束质量激光技术支撑了物理学、材料科学、生命科学、能源科学等学科的发展，在激光加工、3D打印、激光雷达、激光测距、光电对抗、生物医疗等国民经济和国防安全领域具有重要应用。单一模块激光器的功率受到非线性效应和热效应的限制，这些效应会降低光束质量，甚至导致光学元件损伤，使得输出激光难以同时实现高功率和高光束质量。
对多束激光进行相干合成是实现提升激光功率的同时保持光束质量的有效技术途径。相干合成通过各路激光的相位、倾斜、偏振、光程和高阶像差等参量控制和激光阵列的孔径填充，实现激光阵列的同相位、高占空比输出，达到激光阵列亮度提升的目的。保证相干合成系统的输出性能，一般会对参与合成的单束激光偏振态、线宽、相位起伏等方面有严格的要求，对各路激光的进行参量控制的相干合成手段也难以实现高耦合效率、高相干性与孔径装填，并增加了系统的复杂度。随着激光单元模块数量的增加，系统体积与复杂性迅速增长，不利于定标放大，难以满足现实需求。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种有源耦合腔相干阵激光器，只需一个激光模块即可迅速形成输出光完全紧密排布与孔径装填的相干阵激光，获得在远场衍射极限的单一主瓣的高功率激光输出，且系统简单紧凑，有利于功率扩展。
本发明公开了一种有源耦合腔相干阵激光器，包括：泵浦源、泵浦耦合系统、全反射层、第一相位调制层、连续激活介质、第二相位调制层和部分反射层，所述全反射层、第一相位调制层、连续激活介质、第二相位调制层和部分反射层构成有源耦合腔；
所述泵浦源经泵浦耦合系统激发所述连续激活介质产生振荡光，所述振荡光在所述有源耦合腔往复振荡过程中依次被第一相位调制层、第二相位调制层进行相位调制，使得振荡光在连续激活介质中形成耦合相干阵振荡光，而后通过所述部分反射层输出相干阵激光。
作为本发明的进一步改进，所述有源耦合腔能够使完全填充的同相位超模形成稳定自在现。
作为本发明的进一步改进，所述连续激活介质的长度满足振荡光经过一次产生相移为第一相位调制层所提供周期性相位调制的-2倍±2mπ，m为整数。
作为本发明的进一步改进，所述第一相位调制层和第二相位调制层能够给振荡光提供一维或二维周期性的相位调制。
作为本发明的进一步改进，所述第一相位调制层与第二相位调制层所提供的周期性相位调制的相差为2nπ，n为整数。
作为本发明的进一步改进，所述第一相位调制层和第二相位调制层由无源通光材料形成，通光材料包括晶体、玻璃和蓝宝石中的一种或多种；所述第一相位调制层与第二相位调制层在对应位置上分别形成有一维或二维周期性紧密排布的微结构，所述微结构内填充有与所述第一相位调制层和第二相位调制层的折射率不同的无源通光材料。
作为本发明的进一步改进，所述泵浦源包括半导体激光器、光纤激光器、氙灯、氪灯、直流激励源、交流激励源、射频激励源和微波激励源中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述泵浦耦合系统包括光纤模块、空间光模块和电极模块中的一种或多种。
作为本发明的进一步改进，所述连续激活介质为固体激活介质或气体激活介质；
所述固体激活介质的几何形状包括棒状和薄片状中的一种，所述固体激活介质中掺杂有一种或多种稀土离子作为增益离子；
所述气体激活介质包括CO气体、CO2气体、He-Ne气体、CH4气体、C2H2气体、ArF气体、氧碘气体和碱金属气体中的一种或多种。
作为本发明的进一步改进，所述全反射层和部分反射层提供的反射率满足相干阵激光从所述部分反射层输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明通过采用连续激活介质配合第一、第二相位调制层构成有源耦合腔，可使单一激光模块的输出光迅速形成完全紧密排布与孔径装填的相干阵激光，获得在远场衍射极限的单一主瓣的高功率激光输出；
2、本发明产生的振荡光在连续激活介质内形成耦合，能够形成光与激活介质的充分耦合，有效提高激活介质利用率与耦合效率，有利于迅速形成相干阵激光输出，并提高相干性，易于实现功率扩展；
3、本发明的相位有源耦合腔结构无需引入额外的外腔或控制器件，结构简单，能够有效减小激光器体积，结合腔内泵浦的方式，能够进一步提高激光器结构的紧凑性。
附图说明
图1为本发明公开的光激励的有源耦合腔相干阵激光器的结构示意图；
图2为本发明公开的射频激励的有源耦合腔相干阵激光器的结构示意图；
图3a为本发明公开的六边形排布的有源耦合腔的结构示意图；
图3b为本发明公开的正方形排布的有源耦合腔的结构示意图；
图4为本发明公开的异质连续激活介质结构示意图。
图中：
1、泵浦源；2、泵浦耦合系统；3、全反射层；4、第一相位调制层；5、连续激活介质；5-1、有源介质；5-2、无源介质；6、第二相位调制层；7、部分反射层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1、2所示，本发明提供一种有源耦合腔相干阵激光器，包括：泵浦源1、泵浦耦合系统2、全反射层3、第一相位调制层4、连续激活介质5、第二相位调制层6和部分反射层7；其中，
本发明的泵浦源1包括半导体激光器、光纤激光器、氙灯、氪灯、直流激励源、交流激励源、射频激励源和微波激励源中的一种，如图1所示的光激励和如图2所示的射频激励。
本发明的泵浦耦合系统2包括光纤模块、空间光模块和电极模块中的一种或多种，泵浦耦合系统2用于耦合泵浦源1的光激励或电激励，并将其导入连续激活介质5中。
本发明的全反射层3、第一相位调制层4、连续激活介质5、第二相位调制层6和部分反射层7构成有源耦合腔，有源耦合腔可为如图3a所示的六边形排布或图3b所示的正方形排布。使用时，泵浦源1经泵浦耦合系统2激发连续激活介质5产生振荡光，振荡光在有源耦合腔往复振荡过程中依次被第一相位调制层4、第二相位调制层6进行相位调制，使得振荡光在连续激活介质5中形成耦合相干阵振荡光，而后通过部分反射层7输出相干阵激光。
具体的：
本发明的有源耦合腔能够使完全填充的同相位超模形成稳定自在现。
本发明的连续激活介质5的长度满足振荡光经过一次产生相移为第一相位调制层4所提供周期性相位调制的-2倍±2mπ，m为整数。
本发明的连续激活介质5为固体激活介质或气体激活介质；其中，固体激活介质的几何形状包括棒状和薄片状中的一种，固体激活介质中掺杂有一种或多种稀土离子作为增益离子；气体激活介质包括CO气体、CO2气体、He-Ne气体、CH4气体、C2H2气体、ArF气体、氧碘气体和碱金属气体中的一种或多种。
本发明的第一相位调制层4和第二相位调制层6能够给振荡光提供一维或二维周期性的相位调制，且第一相位调制层4与第二相位调制层6所提供的周期性相位调制的相差为2nπ，n为整数。
本发明的第一相位调制层4和第二相位调制层6由无源通光材料形成，通光材料包括晶体、玻璃和蓝宝石中的一种或多种；第一相位调制层4与第二相位调制层6在对应位置上分别形成有一维或二维周期性紧密排布的微结构，微结构的形状是由排布决定，可如按图3a所示的六边形排布，则微结构为六边形；如按图3b所示的正方形排布，则微结构为正方形。微结构内填充有与第一相位调制层4和第二相位调制层6的折射率不同的其它无源通光材料。
本发明的全反射层3和部分反射层7提供的反射率满足相干阵激光从部分反射层7输出。
本发明提供一种有源耦合腔相干阵激光器的制备方法，包括：
步骤1、刻蚀第一无源通光材料形成微结构，在微结构内填充与第一无源通光材料折射率不同的第二无源通过材料，形成第一相位调制层4和第二相位调制层6；
步骤2、抛光第一相位调制层4和第二相位调制层6的表面，在第一相位调制层4的抛光面上镀全反射层3，在第二相位调制层6的抛光面镀部分反射层7；
步骤3、将第一相位调制层4和第二相位调制层6键合在连续激活介质5的两端；
步骤4、泵浦源1通过泵浦耦合系统2注入连续激活介质5中。
实施例1：
如图1所示，本发明提供一种光激励的有源耦合腔相干阵激光器，包括：
泵浦源1采用半导体激光器(光纤耦合)，波长对应于激活介质中激活例子的吸收光谱。
泵浦耦合系统2采用由透镜、棱镜、反射镜等空间光学元件构成的空间光耦合装置，泵浦光通过端面多通泵浦、侧泵浦或腔内泵浦的方式耦合注入连续激活介质；
全反射层3对泵浦光、振荡光提供反射率大于99.99％。
第一相位调制层4材料为玻璃、蓝宝石、晶体等透光材料，微结构形状是由排布决定，本实施例为六边形周期排布，如图3a所示，微结构形状为六边形，边长为2～10μm；微结构中填充材料为SiO2、Si3N4、SiON或其他材料。第一相位调制层4的厚度可为0.5～2μm。
连续激活介质5为圆形，直径为2寸；连续激活介质的长度为50～500μm，满足振荡光经过一次产生相移为第一相位调制层所提供周期性相位调制的-2倍；材料为玻璃、晶体、红宝石或蓝宝石，其中掺杂有一种或多种稀土离子作为增益离子。
第二相位调制层6材料为玻璃、蓝宝石、晶体等透光材料，第二相位调制层与第一相位调制层在对应位置上分别形成有相同紧密排布的微结构，本实施例为六边形周期排布，如图3a所示，微结构形状为六边形，边长为2～10μm；微结构中填充材料为SiO2、Si3N4、SiON或其他材料。第二相位调制层6的厚度满足其余第一相位调制层4所提供的周期性相位调制的相差为2nπ，n为整数。
部分反射层提供的反射率满足相干阵激光从部分反射层输出。
实施例2：
如图2所示，本发明提供一种射频激励的有源耦合腔相干阵激光器，包括：
泵浦源1为射频激励源。
泵浦耦合系统2为平行平板电极；射频电源产生射频功率在平行平板结构电极间产生高功率密度射频电磁波激励气体连续激活介质电离。
全反层3对振荡光提供反射率大于99.99％。
第一相位调制层4的材料为ZnSe、Ge、Si、Mo等透光材料，微结构形状是由排布决定，本实施例为四边形周期排布，如图3b所示，微结构形状为四边形，边长为50～200mm；微结构中填充材料为SiO2、Si3N4、SiON或其他材料。第一相位调制层4的厚度可为5～20μm。
连续激活介质5为工作气体与缓冲气体，工作气体为CO2，其中还充有N2和He气体作为缓冲气体，长度为200～4000mm，满足振荡光经过一次产生相移为第一相位调制层所提供周期性相位调制的-2倍。
第二相位调制层6材料为ZnSe、Ge、Si、Mo等透光材料，第二相位调制层与第一相位调制层在对应位置上分别形成有相同紧密排布的微结构，本实施例为四边形周期排布，如图3b所示，微结构形状为四边形，边长为50～200mm；微结构中填充材料为CaF、ZnS、As2S3、ZnSe或其他材料。第二相位调制层6的厚度满足其与第一相位调制层4所提供的周期性相位调制的相差为2nπ，n为整数。
部分反射层7提供的反射率满足相干阵激光从部分反射层输出。
实施例3
如图1所示，本发明提供一种光激励的异质有源耦合腔相干阵激光器，包括：
泵浦源1采用半导体激光器(光纤耦合)，波长对应于激活介质中激活例子的吸收光谱。
泵浦耦合系统2采用由透镜、棱镜、反射镜等空间光学元件构成的空间光耦合装置，泵浦光通过端面多通泵浦、侧泵浦或腔内泵浦的方式耦合注入连续激活介质；
全反射层3对泵浦光、振荡光提供反射率大于99.99％。
第一相位调制层4材料为玻璃、蓝宝石、晶体等透光材料，微结构形状是由排布决定，本实施例为六边形周期排布，如图3a所示，微结构形状为六边形，边长为50～100μm；微结构中填充材料为SiO2、Si3N4、SiON或其他材料。第一相位调制层4的厚度可为0.5～2μm。
连续激活介质5为异质连续激活介质，如图4所示，包括有源介质5-1与无源介质5-2；连续激活介质5为圆形，直径为3寸，长度为1～2cm；连续激活介质的长度满足振荡光经过一次产生相移为第一相位调制层所提供周期性相位调制的-2倍；有源介质与无源介质材料为玻璃、晶体、红宝石或蓝宝石，其中有源介质中掺杂有一种或多种稀土离子作为增益离子。
第二相位调制层6材料为玻璃、蓝宝石、晶体等透光材料，第二相位调制层与第一相位调制层在对应位置上分别形成有相同紧密排布的微结构，本实施例为六边形周期排布，如图3a所示，微结构形状为六边形，边长为50～100μm；微结构中填充材料为SiO2、Si3N4、SiON或其他材料。第二相位调制层6的厚度满足其余第一相位调制层4所提供的周期性相位调制的相差为2nπ，n为整数。
部分反射层提供的反射率满足相干阵激光从部分反射层输出。
本发明的优点为：
1、本发明通过采用连续激活介质配合第一、第二相位调制层构成有源耦合腔，可使单一激光模块的输出光迅速形成完全紧密排布与孔径装填的相干阵激光，获得在远场衍射极限的单一主瓣的高功率激光输出；
2、本发明产生的振荡光在连续激活介质内形成耦合，能够形成光与激活介质的充分耦合，有效提高激活介质利用率与耦合效率，有利于迅速形成相干阵激光输出，并提高相干性，易于实现功率扩展；
3、本发明的相位有源耦合腔结构无需引入额外的外腔或控制器件，结构简单，能够有效减小激光器体积，结合腔内泵浦的方式，能够进一步提高激光器结构的紧凑性。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种有源耦合腔相干阵激光器，其特征在于，包括：泵浦源、泵浦耦合系统、全反射层、第一相位调制层、连续激活介质、第二相位调制层和部分反射层，所述全反射层、第一相位调制层、连续激活介质、第二相位调制层和部分反射层构成有源耦合腔；
所述泵浦源经泵浦耦合系统激发所述连续激活介质产生振荡光，所述振荡光在所述有源耦合腔往复振荡过程中依次被第一相位调制层、第二相位调制层进行相位调制，使得振荡光在连续激活介质中形成耦合相干阵振荡光，而后通过所述部分反射层输出相干阵激光。
2.如权利要求1所述的有源耦合腔相干阵激光器，其特征在于，所述有源耦合腔能够使完全填充的同相位超模形成稳定自在现。
3.如权利要求1所述的有源耦合腔相干阵激光器，其特征在于，所述连续激活介质的长度满足振荡光经过一次产生相移为第一相位调制层所提供周期性相位调制的-2倍±2mπ，m为整数。
4.如权利要求1所述的有源耦合腔相干阵激光器，其特征在于，所述第一相位调制层和第二相位调制层能够给振荡光提供一维或二维周期性的相位调制。
5.如权利要求4所述的有源耦合腔相干阵激光器，其特征在于，所述第一相位调制层与第二相位调制层所提供的周期性相位调制的相差为2nπ，n为整数。
6.如权利要求4所述的有源耦合腔相干阵激光器，其特征在于，所述第一相位调制层和第二相位调制层由无源通光材料形成，通光材料包括晶体、玻璃和蓝宝石中的一种或多种；所述第一相位调制层与第二相位调制层在对应位置上分别形成有一维或二维周期性紧密排布的微结构，所述微结构内填充有与所述第一相位调制层和第二相位调制层的折射率不同的无源通光材料。
7.如权利要求1所述的有源耦合腔相干阵激光器，其特征在于，所述泵浦源包括半导体激光器、光纤激光器、氙灯、氪灯、直流激励源、交流激励源、射频激励源和微波激励源中的一种。
8.如权利要求1所述的有源耦合腔相干阵激光器，其特征在于，所述泵浦耦合系统包括光纤模块、空间光模块和电极模块中的一种或多种。
9.如权利要求1所述的有源耦合腔相干阵激光器，其特征在于，所述连续激活介质为固体激活介质或气体激活介质；
所述固体激活介质的几何形状包括棒状和薄片状中的一种，所述固体激活介质中掺杂有一种或多种稀土离子作为增益离子；
所述气体激活介质包括CO气体、CO2气体、He-Ne气体、CH4气体、C2H2气体、ArF气体、氧碘气体和碱金属气体中的一种或多种。
10.如权利要求1所述的有源耦合腔相干阵激光器，其特征在于，所述全反射层和部分反射层提供的反射率满足相干阵激光从所述部分反射层输出。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311251576.0A CN117293635A (zh) | 2023-09-26 | 2023-09-26 | 一种有源耦合腔相干阵激光器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311251576.0A CN117293635A (zh) | 2023-09-26 | 2023-09-26 | 一种有源耦合腔相干阵激光器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117293635A true CN117293635A (zh) | 2023-12-26 |
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Family Applications (1)
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| CN202311251576.0A Pending CN117293635A (zh) | 2023-09-26 | 2023-09-26 | 一种有源耦合腔相干阵激光器 |
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| Country | Link |
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| CN (1) | CN117293635A (zh) |
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2023
- 2023-09-26 CN CN202311251576.0A patent/CN117293635A/zh active Pending
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