CN1805226A - 激光相干合束装置 - Google Patents

Abstract

一种激光相干合束装置，包括多台LD抽运的固体激光器，每一台激光器有独立的激光介质和前后腔镜，相邻两台激光器之间通过公共的耦合镜的部分透射激光实现相互注入，使得多台激光器的频率和位相锁定。相邻两台激光器的输出激光通过直角棱镜的移动调整两者的光程差为0，最后平行输出高功率高光束质量的相干激光。每台激光器对其相邻激光器注入能量远大于对其它激光器注入的能量，因此多台激光器扩展时系统运转稳定。本发明结构相对简单、系统稳定实用，可以进行多台激光器扩展，输出光束通过调节直角棱镜达到腔外光程相等效果，通过多台激光器输出多束相干激光的合束可获得高功率高光束质量的激光。

Description

激光相干合束装置

技术领域

本发明涉及一种激光相干合束装置，特别是一种多台激光二极管(以下简称LD)抽运固体激光器输出的激光相干合成装置。

背景技术

高功率固体激光在科学研究、工业应用和军事上都有重要的应用，而现在的激光输出功率和光束质量水平还远没达到所要求的理想水平，高功率高光束质量是固体激光器追求的目标之一。随着激光二极管功率的不断提高和大尺寸晶体生长技术的成熟，固体激光器的功率也得到了相应的提高，但单台激光器输出依然受晶体生长、热管理、饱和效应以及损伤阈值等因素的限制，要同时满足高功率高光束质量是十分困难的。激光相干合束技术能在有效提高功率密度的同时提高光束质量，工业应用和科学研究对此有迫切需求。在激光束相干合束的各种技术中，腔内相干合束是一种非常有用的技术。在先技术中，所设计的腔内相干合束激光器需要耦合镜的反射率和透射率比是1∶1，参见在先技术[A.A.Ishaaya，N.Davidson，L.Shimshi，et al.Appl.Phys.Lett.Vol.85：2187-2189，2004]。这种腔内锁定技术虽能将两台激光器输出的激光进行相干合束，但是必须要求耦合镜的透射和反射比例是1∶1，并且由于分束片导致高损耗；为了减小损耗必须使得光腔光束在耦合镜上发生干涉相长，其调整往往非常困难；况且这种结构需要两腔的横模结构也要完全相同并且位置要完全对应，否则会引入很大的损耗，而侧面抽运的高功率固体激光器的输出往往是多模，一般难以满足这种结构；利用这种结构增加更多的激光器则会导致同时满足干涉相长条件相当困难，因此至今还只有两台激光器输出的激光相干合束装置。总之，现在的技术都存在损耗大、适用范围窄、增加更多激光器放大困难等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种激光相干合束装置，该装置的结构应简单，运转稳定，易于实现多束相干激光合成输出，能在获得高功率的同时保持高光束质量。

本发明技术解决方案如下：

一种激光相干合束装置，其特征在于包括N台可以独立运转的结构相同的并列的激光器，其中N＝2ⁿ，n为正整数，所述的第i台激光器是依次由光路上的后腔镜、激光介质、光束第一转束镜和第二转束镜、输出腔镜和泵浦源构成三折腔的激光器，其中i＝1、2、……、或N，所有N台激光器的后腔镜与激光介质的光束延线有一公共垂线，在所述的N台激光器的后腔镜与激光介质的光束延线和该公共垂线的相交处有与该公共垂线成45°放置的一相互平行的转束镜，在该公共垂线上于第N个转束镜后还放置第N+1个转束镜，并与前N个平行的转束镜平行，由后腔镜、激光介质、第一转束镜、第二转束镜至输出镜之间的光程为该激光器的腔长Li，由第一转束镜或第二转束镜到输出镜之间的光程称为为耦合光程li；各台激光器的腔长Li相等且耦合光程li也相等，在N/2对相邻输出光路上成45°成对地设有两个输出光束转束镜，在该两输出光束转束镜之间有一进行光束合成的直角棱镜，在相邻两直角棱镜的输出光路上又通过成对的输出光束转束镜和一直角棱镜再次进行合成，直至最后经n次合束后形成一束激光输出。

所述的第1转束镜和第N+1转束镜的反射率大于99.5％，称为反射镜，而其它的转束镜是具有高反射率和低透射率的耦合镜，相邻的两台激光器通过公共的耦合镜的透射实现相邻激光器之间的相互注入锁定。

所述的耦合镜的一面镀有对该45°入射激光的反射率在98％～90％之间的透射膜，另一面镀有对45°入射激光的反射率大于99.5％的反射膜。

所述的激光器由泵浦源从端面抽运或侧面抽运。

所述的激光介质的横截面是圆形、矩形或长方形。

所述的泵浦源为激光二极管。

本发明的技术效果：

本发明装置结构由于是相邻两激光器相互锁定，在多台激光器输出激光合束结构中受其它激光器影响较小，因而系统运行稳定，并且对多横模结构不会引入大损耗，对侧面抽运的高功率激光器也完全适合，激光器输出光的偏振态只要方向相同就可以，没有线性偏振光的要求。该发明适合于多种泵浦方式固体激光器输出激光相干合束。实验表明：该装置的结构相对简单，运转稳定，易于实现多束相干激光合成输出，能在获得高功率的同时保持高光束质量。

以下结合附图与实施例对本发明做进一步的说明。

附图说明

图1为本发明实施例1：用于两台LD抽运固体激光器输出的激光相干合束装置示意图。

图2为本发明中耦合镜的镀膜示意图。

图3为本发明实施例2：用于四台LD抽运固体激光器输出的激光相干合束装置示意图。

图4为本发明多台LD抽运固体激光器输出的激光相干合束装置示意图。

具体实施方式

先请参阅图4，图4为本发明多台LD抽运固体激光器输出的激光相干合束装置示意图。由图可见，本发明激光相干合束装置，包括N台可以独立运转的结构相同的并列的激光器，其中N＝2ⁿ，n为正整数，所述的第i台激光器是依次由光路上的后腔镜i1、激光介质i2、光束第一转束镜i3和第二转束镜(i+1)3、输出腔镜i4和泵浦源构成三折腔的激光器，其中i＝1、2、……、或N，所有N台激光器的后腔镜i1与激光介质i2的光束延线有一公共垂线OO`，在所述的N台激光器的后腔镜i1与激光介质i2的光束延线和该公共垂线OO`的相交处有与该公共垂线OO`成45°放置的一相互平行的转束镜i3，在该公共垂线OO`上于第N个转束镜N3后还放置第N+1个转束镜(N+1)3，并与前N个平行的转束镜i3平行，由后腔镜i1、激光介质i2、转束镜i3、转束镜(i+1)3至输出镜i4之间的光程为第i台激光器的腔长Li，由转束镜i3到输出镜i4和由转束镜(i+1)3到输出镜i4之间的光程称为为耦合光程li；各台激光器的腔长Li相等且耦合光程li也相等，在N/2对相邻输出光路上成45°成对地设有输出光束转束镜i5和输出光束转束镜(i+1)5，在所述的输出光束转束镜i5和输出光束转束镜(i+1)5之间有一进行光束合成的直角棱镜，在相邻两直角棱镜的输出光路上又通过成对的输出光束转束镜和一直角棱镜再次进行合成，直至最后经n次合束后成为一束激光输出。

所述的第1转束镜13和第N+1转束镜(N+1)3的反射率大于99.5％，称为反射镜，而其它的转束镜是具有高反射率和低透射率的耦合镜，相邻的第i台激光器和第i+1台激光器通过公共的耦合镜(i+1)3的透射实现该相邻激光器的相互注入锁定。

所述的耦合镜的一面(i+1)31镀有对该45°入射激光的反射率在98％～90％之间的透射膜，另一面(i+1)33镀有对45°入射激光的反射率大于99.5％反射膜，见图2。

所述的激光器由泵浦源从端面抽运或侧面抽运。

所述的激光介质i2的横截面是圆形、矩形或长方形。

所述的泵浦源为激光二极管。

实施例1：

请参见图1，图1为本发明实施例1，即n＝1的情况：用于两台LD抽运固体激光器输出的激光相干合束装置示意图。也是本发明激光相干合束装置结构最简单的装置，两台激光器的介质为Nd:YAG或者Nd:GGG等板条介质，其泵浦源为半导体激光二极管，在激光介质12、22的两个侧面进行抽运，两激光器的后腔镜11和后腔镜21镀该激光波长(比如1064nm，以下以该波长为例)0°入射全反射膜，输出腔镜14和输出腔镜24镀1064nm波长0°入射低透射膜，透射率为30％～80％范围。两腔长L1和L2相同，可在100mm～1000mm内选择。耦合镜23的一面231对45°入射的1064nm波长激光的反射率为95％，而另一面232镀有45°入射1064nm波长激光的增透膜，如图2所示。耦合镜23与输出镜14的耦合光程l1和耦合镜23与输出镜24的耦合光程l2相等。光路中改变光束方向的转束镜13、15、23、33、25对45°入射1064波长激光的反射率大于99.5％。运行时，先调整两输出腔镜14和输出腔镜24，使得它们与耦合镜23的光程相等。然后调整两激光器的后腔镜11和后腔镜21，使得L1＝L2。通过移动直角棱镜1C来保证两者腔外光程差也相等。这样通过直角棱镜1C就获得了两束激光相干合成的光束输出。

实施例2：

图3是本发明实施例2，即n＝2的情况，用于四台LD抽运固体激光器输出的激光相干合束装置示意图。

以图1为基础，本发明可用于偶数台激光器。图3所示的装置由四台激光器所组成。4台激光器都由独立的激光介质、泵浦源、后腔镜和输出腔镜构成三折腔激光器，第一台激光器是由光路上依次由后腔镜11、激光介质12、光束第一转束镜13和第二转束镜23、输出腔镜14和泵浦源(图中未示，以下同)所组成，第二台激光器是由光路上依次由后腔镜21、激光介质22、光束第一转束镜23和第二转束镜33、输出腔镜24、和泵浦源所组成，第三台激光器是由光路上依次的后腔镜31、激光介质32、光束第一转束镜33和第二转束镜43、输出腔镜34和泵浦源所组成，第四台激光器4是光路上依次由后腔镜41、激光介质42、光束第一转束镜43和第二转束镜53、输出腔镜44和泵浦源所组成，依次经过这些器件的光程叫做这四台激光器的腔长。第一台激光器与第二台激光器通过耦合镜23实现相互注入，第二台激光器和第三台激光器通过耦合镜33实现相互注入，第三台激光器和第四台激光器通过耦合镜43实现相互注入。转束镜13、23、33、43、53对45°入射激光的反射率都为90％，输出镜14、24、34、44对0°入射激光的反射率为50％时，第一台激光器注入到第二台激光器的能量占第一台激光器输出方向能量的4.52％，第一台激光器对第三台激光器注入的能量只占第一台激光器输出能量的0.118％，这表明第一台激光器对第二台(它所相邻的激光器)激光器的注入能量要比对其它台激光器注入的能量大得多。其它的可以进行类推，因此系统存在多个激光器时，起重要作用的仍然只有相邻的激光器相互作用，所以系统能运转稳定。为保证光束在腔外的光程，指输出腔镜14、24、34、44到直角棱镜3E的光程相等的调整方法是：将第一台激光器和第二台激光器为一组，调节直角棱镜1C使得腔外光程相等；第三台激光器和第四台激光器为另一组，调节直角棱镜2C使得两台激光器输出的腔外光程相等；前面两合束光合成后再通过直角棱镜3E来调整使得两者光程相等。四台激光器的腔长相等是通过移动它们的后腔镜11、21、31、41来保证的。这样就从直角棱镜3E输出四束相干合成的激光束。

依此类推，该发明装置可以推广到有N台激光器的系统，其结构示意图如图4所示。在此不再赘述。

综上所述，本发明结构相对简单、易于实现，系统稳定，能获得多束相干激光输出，获得高功率高光束质量的激光光源，以满足工业应用和科学研究的需要。

Claims (6)

1、一种激光相干合束装置，其特征在于包括N台可以独立运转的结构相同的并列的激光器，其中N＝2ⁿ，n为正整数，所述的第i台激光器(i)是依次由光路上的后腔镜(i1)、激光介质(i2)、光束第一转束镜(i3)和第二转束镜((i+1)3)、输出腔镜(i4)和泵浦源构成一三折腔激光器，其中i＝1、2、……、或N，所有N台激光器的后腔镜(i1)与激光介质(i2)的光束延线有一公共垂线(OO`)，在所述的N台激光器的后腔镜(i1)与激光介质(i2)的光束延线和该公共垂线(OO`)的相交处有与该公共垂线(OO`)成45°放置的一相互平行的转束镜(i3)，在该公共垂线(OO`)上于第N个转束镜(N3)后还放置第N+1个转束镜((N+1)3)，并与前N个平行的转束镜(i3)平行，由后腔镜(i1)、激光介质(i2)、转束镜(i3)、转束镜((i+1)3)至输出镜(i4)之间的光程为第i台激光器(i)的腔长Li，由转束镜(i3)经转束镜((i+1)3)到输出镜(i4)之间的光程称为为耦合光程li；各台激光器的腔长Li相等且耦合光程li也相等，在N/2对相邻输出光路上成45°成对地设有输出光束转束镜(i5)和输出光束转束镜((i+1)5)，在所述的输出光束转束镜(i5)和输出光束转束镜((i+1)5)之间有一进行光束合成的直角棱镜，在相邻两直角棱镜的输出光路上又通过成对的输出光束转束镜和一直角棱镜再次进行合成，直至最后经n次合束后形成一束激光输出。

2、根据权利要求1所述的激光相干合束装置，其特征在于所述的第1转束镜(13)和第N+1)转束镜((N+1)3)的反射率大于99.5％，称为反射镜，而其它的转束镜是具有高反射率和低透射率的耦合镜，相邻的第i台激光器(i)和第i+1台激光器(i+1)通过共用的耦合镜((i+1)3)的透射实现相邻激光器之间的相互注入锁定。

3、根据权利要求2所述的激光器相干合束装置，其特征在于所述的耦合镜的一面镀有对45°入射激光的反射率在98％～90％之间的透射膜，另一面镀有对45°入射激光的反射率大于99.5％的反射膜。

4、根据权利要求1所述的激光相干合束装置，其特征在于所述的激光器(i)由泵浦源从端面抽运或侧面抽运。

5、根据权利要求1所述的激光相干合束装置，其特征在于所述的激光介质(i2)的横截面是圆形、矩形或长方形。

6、根据权利要求1至5任一项所述的激光相干合束装置，其特征在于所述的泵浦源为激光二极管。

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