CN1213462A - 带有螺旋形光学元件的光学谐振腔 - Google Patents

带有螺旋形光学元件的光学谐振腔 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种光学谐振腔(24),它包括至少一个能改变该光学谐振腔(24)内各个模的角向相位分布的螺旋形光学元件(44),由此同时消除各个不希望的模。

Description

带有螺旋形光学元件的光学谐振腔
本发明的领域
本发明涉及激光器和光学谐振腔。
本发明的背景
一般希望激光器的尺寸紧凑，同时又希望它能产生大功率、高质量的输出光束。不幸的是，在许多激光器系统中这种希望的要求不能同时满足，所以必须进行设计上的折衷。
输出光束的特性取决于激光器光学谐振腔内的光分布。光学谐振腔内的光是按一些称之为“模”的确定图形分布的。
从光学谐振腔输出的光束质量由光束的发散度确定，谐振腔内各个模的发散度是不同的。最高质量的输出光束有最小的发散度。
一个能对输出光束提供定量度量的参数叫做M2。这一参数在A.E.Siegman的论文“New developments in laser resonators(激光谐振腔的新发展)”(SPIE Vol.1224,2-14,1990)中有所说明，其内容在此引用作为参考。
具有最小发散度的输出光束的最佳形状是高斯形状，其M2=1。具有较大M2参数值的输出光束有较大的发散度，所以它们的光束质量较差。如果在谐振腔内只存在一个模，则可以通过在光学谐振腔外部放置一个专门设计得能改善这个模的发散度的补偿光学元件来改良从谐振腔输出的光束。
模的场分布会影响从谐振空射出的光束的功率。描述这种场分布的一个最常见方法是利用圆柱函数表示，如下述两篇论文所述：
A.G.Fox和T.Li,“Resonant modes in an optical maser(光学微波激射器中的谐振模)”，Bell sys.Tech.J.,vol.40,453-488(1961)；
H.Kogelnik和T.Li,”Laser beams and resonators(激光束与谐振腔)”，Proc.IEEE,vol 54,NO.10,1312-1328(1966)。
场分布的表达式如下：
FNM(r,Θ)=RNM(r)*Exp(iNΘ)    (1)
其中r是径向坐标，Θ是角向坐标，N是描述模的角向分布的角因子，M是描述模的径向分布的径向因子，R可以是任意一组正交、完全函数。
已有几种技术可以做到：1)改变模的场分布，2)实现模区分，以及3)提高输出功率。下面简单地说明这些技术：
1)模整形：模的场分布主要取决于含在光学谐振腔内的反射镜和透镜。典型地，这些元件的形状是球面形的，得到的模的场分布如在H.Kogelnik和T.Li的“Laser beams and resonators”(Proc.IEEE,vol 54,NO.10,1312-1328,1966)中所说明的那样，是已知的。
近来，为了控制模的场分布，已引入了一些新型的反射镜。这些反射镜与角向坐标值无关，但与径向坐标值有关。结果，它们只能控制模的径向场分布。这一类型的反射镜在P.A.Belanger,P.L.Lachance和C.Pare的论文“Super-Gussian output from a CO2 laser byusing a graded phase mirror resonator(从利用梯度相位反射镜谐振腔的CO2激光器输出的超高斯光束)”(Opt.Lett,vol.17,No.10,739-7411992)中有所说明。
2)模区分：通过在谐振腔内引入一个孔径，一个光学谐振腔内模的数目可以减少，甚至减少到一个单模。描述孔径相对宽度的一个参数叫做菲涅耳数。菲涅耳数由下式定义： F = a 1 λ * L - - - - - ( 2 )
其中a是孔径的半径，L是光学谐振腔的长度，λ是模的波长。
当菲涅耳数小时对应着一个小的孔径，这时只有具有最窄场分布的模才能传播，而其余的模的强度损耗将增大很多，结果不再存在。在此情形下很容易达到单模工作，由此把这个模从其他模中甄选出来。得到的输出光束有高的质量和相应较低的M2。不幸的是，如下面将要说明的，这种含有小内部孔径的构形对许多激光谐振腔来说是不合适的。
3)提高输出功率：为了得到最大的输出功率，激光谐振腔内的增益媒质必须被模的场分布以最佳的方式照射。例如，对于直流放电CO2(二氧化碳)激光器，其中沿着激光器纵轴的高温会降低输出光束中央的功率，所以环形照射是最好的。获得这种场照射形状的通常方法是用具有对应于宽孔径的大菲涅耳数的光学谐振腔。
使用宽孔径的结果将是同时有许多模存在，使得大部分的增益媒质都受到照射。这种提高输出功率的方法造成光束质量的下降。这是因为具有宽场分布的模的输出光束在从激光器射出时将严重地发散。由于同时存在多于一个的模，要用补偿光学元件来改善输出光束质量也是不可能的。
为了减小发散度，已提出了一些在光束射出激光器后改变输出光束的角向分布的技术。对此可以参考L.W.Casperson,N.K.Kincheloe和O.M.Stafsudd的论文“Phase plates for laser beam compensation(用于激光束补偿的相位板)”(Opt.Comm.,vol21,NO.1,1-4,1977)。不幸的是，这些改变角向分布的技术并没有减小M2参数所定义的发散度。对此可参见A.E.Siegman的论文“Binary phase plates cannotinprove laser beam quality(二值相位板不能改善激光束质量)”(Opt.Lett.,vol 18,NO.675-677,1993)。
总之，已认识到在普通的光学激光谐振腔中，必须在提高输出功率和输出光束质量之间作出折衷。用比较专业的术语来说，这意味着，需要具有菲涅耳数的宽光学谐振腔与需要具有小发散度即小M2的输出光束两者是互相矛循的。
本发明的概述
本发明试图提供一种改进的光学谐振腔。
因此根据本发明的一个优选实施例提供了一种光学谐振腔，它包括至少一个能改变该光学谐振腔内各个模的角向相位分布的螺旋形光学元件，由此可同时消除各个不希望的模。
最好是提供一对能给模提供相反角向相位改变的螺旋形光学元件。
也可以提供至少一个不是螺旋形光学元件但能使一个入射模的角向相位反转的元件。例如，这种元件可以是一个相位共轭(反射)镜、一个空心屋脊棱镜、一个普罗(Poro)棱镜、一个柱面反射镜、或者一个柱透镜。
光学谐振腔可以在一个激光器中实现，例如在一个轴激光器(axiallaser)或者一个环形激光器中实现。该激光器可以是稳定的或非稳定的。或者，光学谐振腔可以是一个被动式光学谐振腔。
螺旋形光学元件可以在至少一个反射镜或一个输出耦合镜中实现，或者也可以放置在靠近至少一个反射镜或一个输出耦合镜的地点。
螺旋形光学元件可以提供角向相位改变，也可以提供线性相位改变和径向相位改变中的至少一种改变。
光学谐振腔也可以包括一个能消除从光学谐振腔输出的光束的畸变和角向相位改变的外部螺旋形光学元件。
本发明的基本原理是通过改变不希望模的角向分布使它们的损耗大到足以阻止它们的存在。这一点是通过利用特殊设计的螺旋形光学元件来改变方程[1]中的角因子N而实现的。
通常，模的场分布由方程[1]中给出的柱函数来描述，其中对各个模分布角因子是不同的。而且，在包括主动式谐振腔，例如激光器，和被动式谐振腔，例如法-白(Fabry-Perot)谐振腔，在内的众知光学谐振腔中，这种角因子不随模在谐振腔内的传播改变。
在本发明中，一个模的场的角向分布在一般情况下用至少两个位在谐振腔内的角向相位改变螺旋形光学元件来改变，或者，在特殊情况下，用至少一个螺旋形光学元件和至少一个象相位共轭镜这样的能反转入射模的角向相位的元件来改变。
这样，根据本发明的一个优选实施例，即使在一个具有大菲涅耳数的谐振腔中也可以达到单模工作和高光束质量。
两个螺旋形光学元件最好这样设计，使一个螺旋形光学元件通过对入射光波导入-2NΘ的相位来增大角因子，而另一个螺旋光学元件则导入+2NΘ的相位。由这两个螺旋形光学元件导入的两种相位互相抵消，所以一个光学谐振腔内的模经过一次来回传播后，角向分布将恢复到原来的分布。
为了解释两个螺旋形光学元件导入的改变的物理意义，把光学谐振腔内一个任意点处与某个模相对应的角因子定义为K。当这个模在谐振腔内传播时，它的场的径向分布将以适配于这个角因子的方式发生固有的变化。
一个螺旋形光学元件使角因子从K变为K-2N，这里2N是该螺旋形光学元件的角相位因子。这个新的角因子K-2N不再适配于径向分布。其结果是，这个模的场分布将增宽，由此增加了它的强度损耗。实质上，该模的强度将衰减直到它不再存在。
相同的过程将在另一个螺旋形光学元件上重复，只是2N的正负号相反。这一过程对所有的模都有效，唯一的例外是一个角因子K=N的模。由于这个特定的模的角因子从N变成-N，然后又变回N，所以它的损耗不会增大。对于角因子N和-N，径向强度分布是完全相同的，所以径向分布总是适配于角因子的。
在光学谐振腔内设置两个螺旋形光学元件将导致光学谐振腔的某一预定的单模工作。这个模并不像普通光学谐振腔中那样需要有最窄的场分布，而只是简单地取决于螺旋形光学元件的角向相位。
而且，有可能区分两个具有相反符号角因子的模。
一旦建立了单模工作而且这个模具有完全已知的角因子，要消除从光学谐振腔射出的光束对角向的依赖关系就比较容易了。例如，这一点可以通过在谐振腔外部紧挨谐振腔处放置一个具有角向相位-NΘ的第三个螺旋形光学元件来做到。消除了对角向的依赖关系可减小出射光束的发散度，从而减小M2参数。
在某些情形中为了提高激光功率可以加上一个外部光学放大器。在这些情形中，第三个螺旋形光学元件可以放置在放大器后面而不是靠近激光谐振腔。这样，进入放大器的光分布仍然是宽的，所以能得到较有效的放大。
在一些特殊情形中，例如在高功率激光器中，有可能只使用单个螺旋形光学元件。代替第二个螺旋形光学元件的是使用一个仅仅会改变任何入射模角因子的正负号的元件。这种元件的例子有相位共轭镜、V形反射镜和棱镜。
虽然螺旋形光学元件可以对每个谐振腔有不同的设计，但所有螺旋形光学元件都有一个共同的固有特性，即能改变光学谐振腔内模的角因子。这些螺旋形光学元件全都至少含有一个奇异点。这意味着，对于螺旋形光学元件平面上环绕一个奇异点的一个封闭径迹，螺旋形光学元件的相位至少有一个大小为2πN的不连续点，其中N是一个整数。该封闭径迹中所有正和负的不连续量的总和确定了由该螺旋形光学元件导入的角向相位变化。
几个属于不同螺旋形光学元件的角向相位元件可以合成为一个元件。这种组合元件可以含有多个奇异点或围绕奇异点的多个不同大小的相位不连续量，或者同时含有两者。
为了分析光学谐振腔的性质，本发明的发明人发展了一种新的数学算法，其中光学谐振腔用一个算符代表。这个算符的本征矢量代表各个模，而本征值代表这些模的损耗。
附图的简单说明
通过下面结合附图所作的详细说明，将可更充分地理解和承认本发明。
图1是一个根据本发明一个优选实施例构筑和工作的轴激光器的示意图；
图2是在图1激光器中有用的一种反射镜布局的示意图，该布局包括一个普通反射镜与一个与角向有关的螺旋形光学元件的组合，其中一个入射模在受反射镜反射之前和之后都通过螺旋形光学元件；
图3是在图1激光器中有用的一种反射镜布局的示意图，该布局包括一个反射/螺旋混合元件，它带有一个与角向无关的反射表面和一个能导入角向相位变化的螺旋形表面；
图4是在图1激光器中有用的一种反射镜布局的示意图，该布局包括一个衍射反射镜，其中的径向相位和角向相位是从单个螺旋形光学表面导入的；
图5是在图1激光器中有用的一种输出耦合镜布局的示意图，该布局包括一个其两表面与角向无关的普通输出耦合镜和一个与角向有关的螺旋形光学元件的组合；
图6是在图1激光器中有用的一种输出耦合镜布局的示意图，该布局包括一个构成输出耦合镜的混合元件，该元件组合了一个能导入角向相位变化的螺旋形表面和一个与角向无关的反射表面；
图7是在图1激光器中有用的一种输出耦合镜布局的示意图，该布局包括一个衍射输出耦合镜，其中的径向相位和角向相位是从单个部分反射的螺旋形光学元件表面导入的，并且其中输出耦合镜的外表面也是一个能给出射光束导入补偿的螺旋形光学元件；
图8是一个具有单个不连续面和正角向相位的螺旋形光学元件的示意图；
图9是一个具有单个不连续面和负角向相位的螺旋形光学元件的示意图；
图10是一个具有两个不同连续面和正角向相位的螺旋形光学元件的示意图；
图11是一个具有四个不连续面和正角向相位的螺旋形光学元件的示意图；
图12是一个具有四个奇异点的螺旋形光学元件的示意图；
图13是一个在靠近中央部分没有相位不连续面但在离开中央部分有大相位不连续面的螺旋形元件的示意图；
图14A、14B、14C、14D和14E是5种掩模的示意图，利用以多个阶梯等级来近似所需形状的照相蚀刻法，它们可以用来在一个螺旋形光学元件中实现Exp(±NΘ)的角向相位变化；
图15是一个含有混合气体的直流放电CO2激光器的圆柱管的简图；
图16是一个RF(射频)激励CO2激光器的环形管的简图，其中环形管的外包壳和内芯部分用外部装置冷却；
图17是一个Nd:YAG(掺钕钇铝在榴石)激光器的圆柱管的简图，其中增益媒质由位在管子周边上的一些二极管激光器泵浦；
图18A、18B、18C、18D、18E、18F、18G、18H和18I是一个角因子N=1的模的径向分布图，其中从接近于输出耦合镜的曲线A开始直到接近反射镜的曲线I为止，各条曲线依次描述沿激光器纵轴各个距离的模振幅；
图19A、19B、19C、19D、19E、19F、19G、19H和19I是对应于图18A-18I所示径向分布的输出光束的径向振幅分布图，其中以曲线A为最接近于输出耦合镜，各条曲线依次对沿着输出轴的不同位置描述作为径向距离函数的振幅；
图20是在不带有螺旋形光学元件的普通轴激光器中对5个不同的模描述损耗作为孔径的函数的图，其中示出了5个具有最低损耗的模，纵轴代表在每次来回传播中模强度减小的百分数(损耗)，横轴代表以mm为单位的激光器孔径直径；
图21是在与图20相同的坐标轴中示出的在带有螺旋形光学元件的普通轴激光器中对5个不同的模描述损耗作为孔径的函数的图，该螺旋形光学元件设计得能生长具有角因子N=1的模，并且其中示出的是具有最小损耗的5个模；
图22是一个带有单个属于图2-4所示类型的反射螺旋形光学元件和两个其他光学元件的环形激光器的示意图，这两个其他光学元件起着反射镜的作用，并且其联合作用是反转模的角向相位；
图23是根据本发明一个优选实施例构筑和工作的一个法-白标准具有简图，该标准具设计得既能分辨各空间模又能分辨各纵模；
图24是一个采用图23标准具的普通环形激光器的示意图；以及
图25代表各激光器元件的一种组合，其中在光学谐振腔内设置了一个螺旋形光学元件，使得在谐振腔的一部分得到某种光分布，而在其余部分得到另一种不同的分布。
优选实施例的详细说明
现在参见图1，这是一个根据本发明一个优选实施例构筑和工作的轴激光器的示意图。该轴激光器包括一个反射镜20和一个设置在一个含有增益媒质26的光学谐振腔24的对侧端的输出耦合镜22。
可以看到有一个以代号30表示的模在反射镜20和输出耦合镜22之间来回传播，同时穿过增益媒质26。一个光束32通过输出耦合镜22射出。激光器内模30的宽度受到一个孔径34的影响。
图1中示出了该激光器的柱坐标，z是纵轴、r是径向距离，Θ是角度。根据本发明，激光器中一个希望模的角向相位依赖关系是这样选择的：按照图1的方向，当向右传播时选为Exp(iNΘ)，当向左传播时选为Exp(-iNΘ)。
或者，角向相位依赖关系也可以选择成：当模沿图1中的向右方向传播时为Exp(-iNΘ)，当模沿图1中的向左方向传播时为Exp(iNΘ)。
根据本发明的一个优选实施例，图1激光器的特征在于，它含有至少一个能改变各不希望模在光学谐振腔内的径向分布的螺旋形光学元件，这一改变使得不希望模的径向分布将宽于希望模的径向分布，从而同时使各不希望模消失。
最好使用两个螺旋形光学元件。或者是使用一个是螺旋形光学元件以及一个能反转入射模的角向相位的元件，例如相位共轭镜。
现在将参考图2、3、4说明另三种含有一个螺旋形光学元件的反射镜布局的实施例。
图2是在图1激光器中有用的一种反射镜布局的示意图。图2的反射镜布局包括一个带有一个与角向无关的表面42的普通反射镜40，该表面最好加以镀膜以得到最大的反射率。一个与角向有关的螺旋形光学元件44被放置在普通反射镜40的邻近，使得一个由代号46表示的模在被反射镜40反射之前和之后都通过该螺旋形光学元件44。
螺旋形光学元件44的一个螺旋形表面48的形状最好做成为这样的，使得一个通过该表面的模将受到+iNΘ的相位改变，其中N是希望模在激光器内的角因子。螺旋形光学元件44的另一表面50可以是一个平面。
螺旋形光学元件44的螺旋形表面48可以用各种方法制成，例如利用一些计算机制作的掩模和照相蚀刻方法，或者用金刚石车削方法。
图8-11示出了螺旋形光学元件44的螺旋形表面48的一些优选形状。这些表面例如可以通过利用如图14A、14B、14C、14D和14E所示的一系列掩模来生成。这些掩模可以在照相蚀刻法中使用，在这种方法中需要的形状是用有多个等级的阶梯来近似的。这种结构在下述参考文献中有说明：E.Hasman,N.Davidson和A.A.Friesem,“Efficient Multilevel phase holograms for CO2 lasers(用于CO2激光器的有效多等级相位全息图)”，Opt.Lett.16,423(1991)。螺旋形光学元件44的两个表面最好镀有消反射镀层。
在图2的实施例中，施加在模46上的相位改变是以下两者的结合：由普通反射镜40的表面42所导入的径向相位改变和这个模在两次通过螺旋形光学元件44的表面48时导入的角向相位改变。这样将产生总的角向相位改变+2NΘ。
现在参见图3，这是在图1激光器中有用的一种反射镜布局的示意图，该布局包括一个反射/螺旋混合元件60，它含有一个与角向无关的反射表面62和一个能导入角向相位改变的螺旋形表面64。
在图3的实施例中，与图2中的表面42和48等价的两个表面被结合到一个具有反射表面62和螺旋形表面64的单个混合元件60中。这种构形的优点是需要较少的表面数和较少的元件数。
现在参见图4，这是在图1激光器中有用的一种反射镜布局的示意图，该布局包括一个衍射镜70，其中径向相位和角向相位是由该衍射镜所体现的单个螺旋形光学元件导入的。
图4的实施例结合了图3实施例中表面62的径向相位和表面64的角向相位。这是通过利用衍镜70达到的，该衍射镜构成一个带有一个能得到希望相位改变的螺旋形表面72的单一螺旋形光学元件。衍射镜70的另一个表面74可以有任意形状，不过为了简单它典型地是平面形的。表面72最好镀以反射材料。
由衍射镜70产生的角向相位改变+2NΘ最好是图2中元件44所产生的改变的两倍，因为在每次来回传播中模只被反射一次。
现在参见图5、6和7，这些图示出了根据本发明一个优选实施例构筑和工作的一种输出耦合镜的三种示例性构形。
图5是在图1激光器中有用的一种输出耦合镜布局的示意图，该布局包括一个带有角向对称表面82和84的普通输出耦合镜80和一个与角向有关的螺旋形光学元件86的组合。
在图5的实施例中，除了所导入的相位变化与图2的螺旋形光学元件44有相反的正负号，即导入相位变化为-2NΘ之外，螺旋形光学元件86与元件44是相同的。螺旋形光学元件86最好含有一个螺旋形表面88和一个平面表面90，并且两者都镀以消反射镀层。
普通输出耦合镜80最好在表面82上镀以部分反射镀层，在表面84上镀以消反射镀层。入射模92在被输出耦合镜80反射之前和之后都要通过螺旋形光学元件86。模92的部分能量被耦合到外部，成为光束94。由于这部分能量只通过螺旋形光学元件86一次，所以它与角向无关。
现在参见图6，这是在图1激光器中有用的一种输出耦合镜布局的示意图，该布局包括一个混合元件100，它构成了一个输出耦合镜并结合了一个螺旋形表面102和一个反射表面104，前者导入角的相位改变，后者是与角向无关的。
图6的实施例结合了图5实施例的元件80和86，从而得到具有较少表面的单个混合元件100。螺旋形表面102可以与图5实施例中的表面88相同，同时反射表面104也可以与图5实施例中的表面82相同。
在图5和图6的实施例中，由于出射的输出光束只通过螺旋形光学元件一次，所以它与角向无关。这个角向无关的性质造成输出光束的减小的发散度，从而减小了光束的M2参数。
现在参见图7，这是在图1激光器中有用的输出耦合镜110的示意图。在图7的实施例中，输出耦合镜110有两个螺旋形表面112和114。表面112被镀以部分反射镀层。该表面设计得能向由代号116表示的反射模同时导入径向的和角向的相位改变。角向相位改变是-2NΘ。
众所周知，对于反射型螺旋光学元件要得到2π的相位改变所需的轮廓高度d反射=λ/2，而对于透射型螺旋元件要得到2π的相位改变所需的轮廓高度d透射=λ/(n-1)，其中n是透射元件的折射率。
由于透射的光束118受到与透射表面轮廓高度不同的表面112的轮廓高度d反射的影响，该光束将发生畸变。为了补尝这一畸变，引入了第二个螺旋形表面114。这个表面的形状除了其轮廓高度由下式给出之外与表面112的形状是相同的：
d补偿=d透射-d反射
通过了表面112之后，透射光束将有一定的已知角向相位依赖性。为了得到没有角向相位改变的均匀光束，有必要或者加上另一个其表面能抵消该角向相位改变的元件，或者改变表面114使其进一步补偿该角向相位改变。
图7实施例的优点是，谐振腔内的模116不通过输出耦合镜110的基底，而是直接从表面112反射。其结果是减小了吸收损耗。
应该看到，根据本发明的一个优选实施例，激光器的最重要元件是位在谐振空每一侧的至少一个元件，一侧的元件导入+2NΘ的角向相位改变，另一侧的元件导入-2NΘ的改变。
图8-11示出只产生某一种角向相位改变的螺旋形光学元件的一些代表性形状。这些形状是螺旋形、近似的螺旋形，或者螺旋形的一部分或几部分，其中从某一条起始线开始，高度随角方向有连续的增大。这里把这种元件叫做螺旋形光学元件。
图8示出一种螺旋形光学元件120，当不连续面122的高度为2π时，它提供一个角因子N=1，通过把不连续面122的高度增大为2π的整数倍，即增大为2Mπ，并且在本情形中若整数M=N，则该元件也能产生相应较大的角因子N。
图9示出一种能提供一种N=-1或者像上面一样通过增大不连续面的高度而提供更大的负角因子的一种螺旋形光学元件130。图10示出一种有两个分别由代号142和144代表的不连续面的螺旋形光学元件140。每个不连续面的高度都必须是2π的整数倍，但如图10所示，两个不连续面的高度不一定要相等。螺旋形光学元件140的最小角因子是2，但可以通过把一个或两个不连续面的高度增大为2π的整数倍来增大该因子。
图11示出一种有4个不连续面152、154、156和158的螺旋形光学元件150。这里每个不连续面的高度也必须是2π的整数倍。这种元件所导入的最小角向相位变化由不连续面的数目限定。例如，因为图11所示的螺旋形光学元件150有4个不连续面，所以最小角向相位改变是4Θ，对应于角因子4。
某些激光器的构形是其增益媒质的横截面形状不是圆形的。为了使激光器内部的光分布与这种非圆形增益媒质有良好的匹配，有可能利用一个具有几个奇异点的螺旋形光学元件来做到。
图12示出这种光学元件的一个例子，其中该元件用代号501表示。该元件提供由4个不同奇异点的组合所造成的角向相位改变。奇异点505和507提供角向相位改变Exp(iΘ)，奇异点509和511提供角向相位改变Exp(iΘ)，元件501所造成的结果是谐振腔内的光分布接近于矩形形状。
一般地说，谐振腔内任何形状的光分布都可以通过设置具有分布在一些预定地点的多个奇异点的螺旋形光学元件来近似。这种不寻常的分布例如对于二极管激光器和平台状激光器是合适的。
另一种使谐振腔内的光分布匹配于增益媒质形状的方法涉及到一种组合螺旋形光学元件，其中结合了几个分别来自不同的螺旋形光学元件的角向相位改变。图13示出了这种组合螺旋形光学元件520的一个实施例，该元件520所提供的角向相位改变是结合了两个不同元件的两个角向相位分布的结果。元件的中央部分522被设计得能产生一个高斯光分布[(0,0)模]，因此元件的相位在环绕元件中心的一条封闭径迹上不出现不连续。元件的外面部分(接近外周的部分)525被设计得能产生一个环形分布[(0,2)模]，因此在元件的这个外面部分有两个突变的相位不连续面。在元件的中间部分530,(0,0)模与(0,2)模重叠，所以相位的不连续性必然是逐渐的。
为了设计一个组合螺旋形光学元件，可以首先分别计算各个模的光分布。然后，把这些分布相干地结合起来，得到谐振腔内总的结合光分布。最后，设计螺旋形光学元件，使它能产生其角向相位与计算的结合分布相位匹配的光分布。
原则上，本发明的螺旋形光学元件可以用一个或几个反射型、折射型和衍射型的元件来实现。这种元件可以用例如金刚石切削等机械方法、照相蚀刻方法、和例如掺杂等化学方法制作。应用照相蚀刻法时将涉及到使用计算机产生的掩膜。图14A-14E示出5种可以用来制作螺旋光学元件的掩模。
在每个掩模的中央都能看到螺旋形光学元件相位的奇异点。利用一个掩模对准仪相继地应用这些掩模，有可能制成一个趋近于螺旋形光学元件所需连续形状的多等级浮雕图形。例如，通过应用图14A、14B、14C和14D的掩模，有可能趋近于图8螺旋光学元件的形状；应用图14B、14C、14D和14E的掩模，有可能趋近一个有两个等高不连续面的螺旋形光学元件的形状。
增益媒质的形状最好根据取决于增益材料物理性质的限制进行设计。普通激光器内模的分布并不总是与该形状相适配的。通过利用本发明，可以把模分布调节得能适配于增益媒质形状，从而得到较大的输出功率。
图15、16和17示出了增益媒质26(图1)的三种典型形状。前面说明的各种螺旋形光学元件可以结合其中任一种形状使用。
图15是根据本发明一个优选实施例构筑和工作的一个直流放电CO2激光器的简图。与许多功率较低的CO2激光器一样，一个外部冷却的圆柱管170内含有混合气体。设置在圆柱管170相对两端的第一和第二电极172和174用来引起气体放电。该放电把CO2分子泵浦到它们的激光态上，并对它们加热。
浦泵过程的效率对温度是敏感的。在靠近被冷却圆柱管的部分温度比较低，泵浦效率较高。但沿着圆柱管的轴线温度比较高，因此泵浦效率较低，从而得到的辐射能量增益较低。这样，在普通激光器的设计中必须限制圆柱管170的最大半径，于是输出功率比较低。
根据本发明，这一限制可以通过利用借助本发明的螺旋形光学元件所产生的一个环形模来克服。这种环形模不会受到圆柱管170轴线上高温的影响。
现在参见图16，这是一个带有一个环形管192和一个柱形外壳196的RF激励CO2激光器190的简图，其中环形管192和外壳194都借助于外部装置例如用流动冷却剂冷却。这种管形结构典型地使用于高功率CO2激光器。
环形管192内的气体被一个RF场泵浦。在靠近环形管内壳壁和外壳壁处气体的温度都比较低，所以可用的气体比较多。对于普通结构的激光器，在该谐振腔内发育的各种模都有大的角因子，并且它们的损耗几乎相同，也即损耗的差别很小。因此这种激光器的输出光束质量比较低。
现在参见图17，这是一个Nd:YAG激光器的柱形管200的简图，其中位于管200内的增益媒质202由一些位在管壳周边上的二极管激光器204泵浦。
通常，为了保证对增益媒质的均匀泵浦，管200的半径要根据二极管激光器泵浦光的穿透深度受到限制。对于灯泵浦激光器也存在有这种限制。
根据本发明，通过使用前面参考图2-7所说明类型的螺旋形光学元件206和208，可以克服尺寸限制和需要均匀泵浦的困难。增益媒质202中央处的低泵浦效率可通过使用由螺旋形光学元件所形成的环形模得到补偿。
当本发明应用于如图1所示的轴激光器时，其优点可通过下述的仿真来说明：
仿真是对一个直流放电CO2激光器进行的，该激光器的一些参数如下：最大孔径7mm，径向平坦输出耦合镜，曲率半径为1.5m的球面反射镜，以及，反射镜与输出耦合镜之间的距离为0.5m。螺旋形光学元件的角因子设计为N=1。仿真的结果见图18A-18I和图19A-19I。
图18A-18I示出一个角因子N=1的模的振幅径向分布，其中从靠近输出耦合镜的曲线A开始到靠近反射镜的曲线I为止，各条曲线依次描述一个模在沿着激光器纵轴的不同距离处的振幅。
图19A-19I示出对应于图18A-18I所示径向分布的输出光束径向分布，其中各条曲线描述沿着输出轴上不同位置处作为径向距离函数的振幅，这里曲线A最近输出耦合镜。
图18A-18I和图19A-19I表明，作为角向相位改变的结果，这个模在激光器内部保持着它的环形形状，但由于射出的输出光束的角向相位改变已被消除，它的径向形状发生了变化。角向变化的消除改善了输出光束质量。例如，虽然内部模(图18A-18I)的M2因子为2，但由于消除了角向改变，外部光束(图19A-19I)的M2因子只有1.3。另外的一些仿真表明，M2=9的模可以被改善到M2=2.4的输出光束。
利用外部相位和振幅变换元件可以进一步改善光束质量，例如见N.Davidson,A.A.Friesem和E.Hasman的论文“Optical coordinatetransformations(光学坐标变换)”，Appl.Opt.,31,1067(1992)。
各种模的损耗之间的区别能力也得到了明显的改善。图20示出了普通轴激光器中一些具有最小损耗的模。如图所示，对于孔径大于4.5mm的情况，每次来回传播的损耗小于百分之五的模多于一个。这意味着只有减小孔径才能达到单模工作，结果是输出功率较小。
图21是一个与图20相对应的图，只是这里是对根据本发明构筑和工作的激光器作出的，该激光器使用了具有随角向变化的相位的螺旋形光学元件。显然，在本发明中，即使最大孔径为7mm，第一个模与其余模之间的损耗差别也大于20％。于是，在一个根据本发明的激光器中，容易建立起单模(0,1)工作。
根据本发明的一个优选实施例可以预料，当用非球面光学元件替代通常的球面反射镜，以得到新形状的模，例如环形平顶模时，将可进一步改善模的质量和模的损耗差别。
现在参见图22，这是一个含有图2-24所示类型的单个反射型螺旋光学元件230的环形激光器的示意图。图22的环形激光器还含有至少一个反射镜232和一个输出耦合镜234。上述各元件中的至少一个元件可以根据本发明设计得能导入角向相位改变。其余的元件可以仍然是普通元件。
例如，在图22的环形激光器中，反射镜230是一个能导入角向相位改变的螺旋形光学元件。该螺旋形光学元件以一个离轴的角度反射传播的模。于是需要作出相应的校正，并且该螺旋形光学元件的形状也由圆形改为椭圆形。然而如前所述，改变入射波前角向分布的元件相位中的单个奇异点的一般原则仍然有效。
螺旋形光学元件230导入2NΘ的角向相位改变，而其他两个元件234和232只是反转角向相位的正负号。
这种含有本发明螺旋形光学元件的环形结构的优点与对轴激光器说明的优点相同。具体地说就是能单模工作，有较高的输出功率和较好的光束质量。
现在参见图23，其中示出一个根据本发明一个优选实施例构筑和工作的被动式光学谐振腔，具体地是一个法-白(Fabry-Perot)标准具，它设计既得能分辨各个空间模，又能分辨各个纵模。
通常法-白标准具用来分辨一个多波长光束中的各种纵模。本发明使得有可能用这种标准具在分辨纵模的同时也分辨各种横模。
该标准具包括两个输出耦合镜252、254和两个外部的螺旋形光学元件256、258。输出耦合镜252、254最好根据图5-7所示的构形来设计。
第一个输出耦合镜252对反射波前导入的角向相位改变是+2NΘ，对透镜波前导入的是+NΘ。第二输出耦合镜254导入大小相同的但正负号相反的相位改变。第一个外部螺旋形光学元件256导入-NΘ的角向相位改变，第二个外部螺旋形光学元件258导入+NΘ的改变。
两个外部螺旋形光学元件256和258各自的两侧最好都镀以消反射镀层。或者也可以像图7的实施例那样，把一个外部螺旋形光学元件和一个输出耦合镜结合成一个元件。在这个结合元件中，外部螺旋形光学元件的相位要加到输出耦合镜外表面的相位上，如图7实施例如示。
工作时，入射光束260在通过第一外部螺旋形光学元件256和第一输出耦合镜252时不会有任何相位改变，这是因为这两个元件对光束相位的作用互相抵消了。然后，内部光束在标准具的两个内表面之间来回反射，建立起模270。
如同在轴激光器中一样，只有对具有角因子N的模，发散度才是小的。输出光束272从标准具射出时其相位不会受到第二输出耦合镜254和第二外部螺旋形光学元件258的改变。结果入射光束中只有角因子为N的那个成分才能通过该标准具。
这种标准具可以用来改进如图24所示的普通环形激光器的性能，而不需要更换该激光器原有的普通光学元件。
为了估算任意光学谐振腔内模的构形和损耗，本发明的发明人发展了一种新的数学算法。在该算法中，模的波前在大量地点被采样，并把采样值写成一个矢量或一个矩阵。光学元件则用一个对角张量描述，其中每个分量描述该元件在一个特定位置处所导入的振幅和相位改变。
波前从一个平面到另一个平面的传播用一个张量表示，其中各个分量描述原来平面上各个点对另一平面上各个点的影响。波的传播和光学元件被表示成一些张量(或矩阵)的相乘。相乘的结果是一个代表谐振腔算符的张量。该算符的各本征矢量是谐振腔的各个模，各本征值是各个模的损耗。
也有可能在光学谐振腔内设置一个螺旋形光学元件，以在谐振腔内的两个不同部分得到不同的光分布。
例如考虑图25所示的轴激光器，它包括一个增益媒质、一个用来使激光倍频的非线性媒质、以及一个螺旋形光学元件。在这样的结构中同一模在螺旋形元件两侧将有不同的分布。每一分布都由一个不同的角向相位表征。一个分布1是宽的，以便有效地充满整个例如为Nd:YAG晶体的增益媒质2；另一个分布3是窄的，以便从例如为KTP(磷酸二氚钾)晶体的非线性媒质得到有效的二次谐波发生。
为了得到所需的分布，在激光器腔内增益媒质2与非线性媒质4之间任意点上放置一个螺旋形光学元件5。还有，反射镜6或者是一个螺旋形光学元件，或者是一个能反转入射模角向相位的元件。在该结构中输出耦合镜7是一个普通元件。从这个带有螺旋形元件结构输出的光束8比普通结构的输出光束有较大的功率和较好的质量。如果螺旋形光学元件5放置在反射镜的像平面上，则输出光束8将具有理想的高斯分布。
应该看到，对于熟悉本技术领域的人们来说本发明并不局限于上面具体示出和说明的内容。反之，本发明的范畴仅仅由下述权利要求定义。

Claims (21)

1、一种光学谐振腔，它包括至少一个能改变上述光学谐振腔内各个模的角向相位分布的螺旋形光学元件，由此同时消除各个不希望的模。
2、根据权利要求1的光学谐振腔，其中上述至少一个螺旋形光学元件包括一对能给上述各个模提供相反角向相位改变的螺旋形光学元件。
3、根据权利要求1的光学谐振腔，它还包括至少一个能反转一个入射模的角向相位的元件。
4、根据权利要求3的光学谐振腔，其中上述至少一个能反转一个入射模的角向相位的元件包括一个相位共轭镜。
5、根据权利要求3的光学谐振腔，其中上述至少一个能反转一个入射模的角向相位的元件包括一个V形反射镜。
6、根据权利要求3的光学谐振腔，其中上述至少一个能反转一个入射模的角向相位的元件包括一个棱镜。
7、根据权利要求3的光学谐振腔，其中上述至少一个能反转一个入射模的角向相位的元件包括一个柱透镜。
8、根据权利要求3的光学谐振腔，其中上述至少一个能反转一个入射模的角向相位的元件包括一个圆柱形谐振腔。
9、根据前述各项权利要求中任一项的光学谐振腔，其中上述至少一个螺旋形元件位在谐振腔内部任一点处，使得在谐振腔内至少有两种不同的光分布。
10、根据权利要求1的光学谐振腔，它是一个轴激光器。
11、根据前述权利要求1-6中任一项的光学谐振腔，它是一个环形激光器。
12、根据前述权利要求1-6中任一项的光学谐振腔，它是一个非稳定激光器。
13、根据前述权利要求1-6中任一项的光学谐振腔，它是一个稳定激光器。
14、根据权利要求1的光学谐振腔，它是一个激光器。
15、根据权利要求1的光学谐振腔，它是一个被动式光学谐振腔。
16、根据权利要求1的光学谐振腔，其中至少一个螺旋形光学元件在至少一个反射镜中实现。
17、根据权利要求1的光学谐振腔，其中至少一个螺旋形光学元件放置在靠近至少一个反射镜处。
18、根据权利要求1的光学谐振腔，其中至少一个螺旋形光学元件在一个输出耦合镜中实现。
19、根据权利要求1的光学谐振腔，其中至少一个螺旋形光学元件放置在靠近一个输出耦合镜处。
20、根据权利要求1的光学谐振腔，其中上述至少一个螺旋形光学元件提供角向相位改变以及线性相位改变与径向相位改变中的至少一种改变。
21、根据权利要求1的光学谐振腔，它还包括一个能抵消上述光学谐振腔的输出光束的畸变和消除该输出光束的角向相位改变的外部螺旋形光学表面。
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