TWI479759B - 雷射裝置 - Google Patents

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Description

雷射裝置
本發明關於一種雷射裝置，特別是一固體雷射，具有在一共振器中的至少一活性介質，該共振器具有二個共振器分枝，該共振器分枝具有各一共振器面鏡且利用一共同的物鏡在一側泵動，其中該物鏡形成一折疊元件以供共振器分枝的一V形裝置之用。
在固體雷射的場合會發生一問題：該活性介質對通過的光有一種受熱引發的折射力，泵動程序造成介質中溫度升高，因為所吸收的泵功率只有一部分轉換成可用的光束，而其餘的功率呈熱方式散到材料去，將外側面同時作冷劫造成一種溫度分佈的廓形，由於折射指數和熱光學電壓和溫度有關，這種溫度分佈廓形造成一種折射指數分佈廓形。
基本上，各熱透鏡作用可用適當的共振器預防。一般知道一種可能方式：將一種凹端面研磨到一雷射棒的一端或兩端上，將單一負透鏡放入共振器中，或者，很普通的方式係選用一種共振器結構，特別是在找適當的共振器以供泵功率的整個範圍之用[從雷射臨限(它本身和所選共振器很有關)一直到最大泵功率為止]，就會發生困難。
比起橫向泵來，將二極體雷射所泵動的(dioden lasergepumpt，英：diode-laser-pumped)固體雷射作縱向激發係有決定性的優點。在此，由一個半導體雷射機發出的光束沿雷射模式軸線的方向或(在放大器的情形)沿共振器光束的方向耦入，因此泵光束體積與模式體積或與所要放大的光束在放大器中最佳地重疊。由於泵體積與模式體積最佳地重疊，使效率較高。此外，可達成較佳的光束品質，因為只要將基礎的雷射模式激發。
美專利US 2005/0152426 A1提到一種將一雷射共振器用雷射二極體泵動的方法，其中該共振器的縱端面具有特殊光學性質。雷射的波長不被此端面反射，而泵光束的波長則部分被反射。
WO 96/05637 A1提到一與一熱源作熱耦合的元件，以將設在雷射系統光束路徑中的元件由於雷射光束造成的變形作補償。
EP 0 202 322 A1提到之光學元件，其折射指數與長度膨脹適當的變化與溫度有關，該元件與一熱源耦合，以在該元件中依標的產生熱透鏡之效果中產生的及熱雙折射的效果，以將固體雷射介質中的熱雙折射作補償。
DE 197 14 175 A1關於一種光學元件，用於將一光學方式泵動的固體雷射介質中的熱透鏡作補償，熱透鏡用以下方式補償：將泵光本身的一部分隨其變化的功率應用，造成一種對應的光學元件，將活性介質中的熱透鏡補償。此元件須為一種變更的「耦入面鏡」或一種另外放入的元件[它呈透鏡作用，具有負的焦距或正焦距(在雷射介質中為負的熱透鏡的情形)]。
第一種變更例係為一特別的耦入面鏡，它由一基材製造，該基材具有適當的吸收性以吸收泵光束，並有正或負的熱膨脹係數，且由於面鏡端面之形成的曲率當作共振模式用的凸面鏡或凹面鏡的作用。
第二變更例係一種宜為鍍覆有抗反射層的板，它具有其折射指數的負或正的熱係數，且對泵波長有適當的吸收，且對雷射波長損失很小。
DE 10 2007 023 298 A1關於二極體泵動的雷射，其中將具有一第一直線極化狀態的泵光束沿一泵軸朝向一放大介質，此雷射軸可為一雷射空腔的一內軸或另一種軸(雷射光束沿此軸發出)，當在雷射空腔中接收到泵光束時，此泵軸被折疊，俾沿雷射軸延伸。
此外US 7,016,380 B2關於一具一活性介質的雷射，該介質從相反側泵過來。
本發明的目的在提一種可能方式，可用簡單方式達成高光束品質和高功率。
此目的依本發明係利用具有申請專利範圍第1項的特點的一種雷射裝置達成，它在一共振器中有一活性介質，該共振器包含二個共振器分枝，各有一個共振器面鏡，該分枝利用一光學系統經一共同物鏡在一側泵動，其中該物鏡有一折疊元件以供共振器分枝的一V形設置之用。在此本發明由一種認知著手：如果該共振器的折疊只做成具有一元件──物鏡──，泵能量共通地耦入其中，其中各共振分枝設有一活性體積，則可用簡單方式提高功率且雷射光束品質可改善。如此造成可簡單實施的結構性構造，它用較少數目的構件就足夠了。在此，泵能量可利用光波導線從一共同側供應，而不須為此需要將光波導線作大幅彎曲。在此，折疊元件對泵能量的波長有高度穿透性，而對基本波長有高度反射性，此外，舉例而言，折疊元件也可做成一平面鏡。由於光學元件的數目減到最小，同時實際上發生的損失可減到最小，在此，與各共振器分枝相關聯的活性體積宜對相關的共振器分枝的光學軸呈對準中心及共軸方式定位及對準。特別是活性的體積在空間中隔離。在此，可避免共振器分枝的活性積有重疊的區域。
藉著活性體積與所形成的共振器模式儘量大地重疊，可達較高效率。
一種特別有利的實施例也可用以下方式達成：該反射器有一球形彎曲表面。利用此物鏡(它形成耦入元件且將泵功率耦入)的外表面(它當作凸的折疊面鏡)可減少熱透鏡的共同光學力量。
本發明另一特別有利的特點也用以下方式達成：至少一活性介質有一球形的端側面。如此，在所產生的熱透鏡區域中，由於泵功率的功率密度造成之強力正熱透鏡作用被抵消，為此，利用該負透鏡作用(例如呈凹形彎曲者)的活性介質的端面或端側面將熱透鏡作用抵消。
如果依本發明一種特別接近實際的變更例，反應器由物鏡的一聚焦光學手段的外側形成，則所需之光學構件的數目可進一步減少，因為反應器由聚焦透鏡之朝向共振器分枝的面形成。
此外一有利做法，係將反射器設計成分別的折疊面鏡形式，特別是做成半月形(Meniskus)折疊面鏡的形式，俾能一方面將該系統(它形成泵功率)的功能分離(例如獨立地調整)，另方面可造成凸形折疊元件。
在此，宜將折疊角度保持儘量小，並因此避免散光(Astigmatismus)。在此，共振器分枝設計成使其間所夾的折疊角度特別是約4°。
泵功率以習知方式利用分別的光波導線供應，其中還有光學泵映象系統的附加之自身的聚焦或準直(Kollimieren)光學手段與各光潻導線配合。
此外，如果雷射至少有一設在聚焦光學手段與物鏡之間的偏轉面鏡──特別包含一偏轉面鏡及/或一稜鏡，則特佳。如此可造成共振器分枝的小折疊角度，以避免散光(Astignatismus)，而不會如此同時在供應泵功率時造成光學系統之結構上繁複或不利的設置；否則就須對應於纖維準直器或纖維映象光學手段的大直徑而設在距該由面鏡形成的耦入元件一段對應的大距離處，在偏轉元件(宜為一偏轉面鏡或稜鏡)上的偏轉作用(該元件可定位在該有共振器分枝決定的對稱軸附近)可使造型緊密。
所要的效應也可用類似方式如下造成：偏轉元件設計成透光性，特別是呈至少一折疊楔的形式，俾達到所要偏轉作用。
在中間影像成像時，映象平面宜在對稱軸附近，以使折疊角度很小。為此，偏轉作用係在一區域中達成，在此區域中，泵光束在空間中被隔開。
如果泵功率利用平行之光波導線，特別是光波導線的端側面設在一平面中，且該光學系統具有遠心(焦闌)(telezentrisch)的映像光學手段，則特別有利，因為如此構形可特別緊密，且光學系統可進一步簡化。
當然本發明的雷射裝置可在各共振分枝中利用各一介質造成。反之，另一種簡化的實施例也可用以下方式達成：把利用分別的光波導體供應的泵能量耦合到一共同的活性介質中，藉著只使用一共同的活性介質，可使距反射器(它當作折疊面鏡)的距離以及光學系統的構造尺寸減少。
如不用此方式，另一特別接近實際的變更方式，該光學系統設計成將利用光波導線供應的泵能量分成二道部分光束。
本發明可有各種不同實施例，為了進一步說明其基本原理，在圖式中顯示其一例並在以下說明。此實施例顯示一個具有一折疊的共振器的雷射裝置一原理圖。
圖1顯示一雷射裝置，例如特別是可在固體雷射中所使用者。雷射裝置有一折疊的共振器，其共振器分枝(1a)(1b)之間有一折疊角度α。共振器分枝(1a)(1b)各有一活性介質(2a)(2b)及一共振器面鏡(3a)(3b)，利用分別的光波導線(4a)(4b)供應泵功率利用各一準直光學手段(5a)(5b)在一側泵經一物鏡(11)，該物鏡(11)有一具一平坦外側面的折疊元件(7)，該二準直光學手段(5a)(5b)隨物鏡(11)共同形成一泵映像系統(25)。二活性介質(2a)(2b)各有一球形端側面(8a)(8b)，朝向相關之共振器面鏡(3a)(3b)，俾依需要將活性介質中產生之熱透鏡作用抵消。
與此不同者，在圖2中所示的變更例，折疊元件設計成物鏡(11)的一透鏡(10)的一球形彎曲折疊元件(9)形式，利用它將共振分枝(1a)(1b)利用二個分別的準直光學手段(5a)(5b)在一側泵動。該二準直光學手段(5a)(5b)共同與物鏡(11)形成泵映像系統(25)。在此，透鏡(10)之彎曲的外側(9)做成對於泵波長呈對應地高透過性，而對雷射基本波長呈高反射性，且舉例而言，可利用透鏡(10)之一適當鍍層造成。根據此相較圖1所示的變更例利用彎曲之折疊元件(9)所能造成之熱透鏡作用的補償，可省却該二活性介質的側面的凹形造型，端側面可呈平坦，在此可利用小的折疊角度β(約為4°)使散光(Astigmatismus)實際上不明顯。但這種變更例在純結構上，却造成準直光學手段(5a)(5b)距物鏡(11)的距離較大。
圖3中顯示一變更例，其中該折疊元件做成一分別的半月形面鏡(25)形式。用於供應泵能量的光波導線(4a)(4b)平行設在物鏡(17)前。
為了減少構造長度，在圖4所示的變更例中，在聚焦光學手段(6a)(6b)和物鏡(11)之間，利用一偏轉元件(12)作二次偏轉，它一邊有一與聚焦光學手段相關的分別的偏轉面鏡(13a)(13b)，另一邊有一共同之稜鏡，當作該二個設在導管(Katheten)側上的面鏡的載體。如此共振分枝的折疊角度β很小，同時聚焦光學手段(6a)(6b)的光波導線(4a)(4b)的纖維端距物鏡(11)距離很小，其中纖維端的映像平面(15a)(15b)在光束路徑中在偏轉面鏡(13a)(13b)之後，而在稜鏡(14)的進一步的偏轉之前。在此，泵映像系統(25)容納二聚焦光學手段(6a)(6b)偏轉元件(12)和物鏡。
依圖5所示之變更例，也利用各一個設計成一折疊楔(16a)(16b)形式的透光偏轉元件設在各光波導線(4a)(4b)與物鏡(11)之間，而將構造成度減少，俾使纖維之間的夾角γ更大，造成較接近物鏡(11)的定位。
與此不同之另一簡化變更例示於圖6及圖7。在此，當共振器分枝(1a)(1b)的該折疊角度β未變或只略變時，只使用具二活性體積(26a)(26b)的一共同活性介質(19)，利用光波導線(4)(4a)(4b)供應的泵功率，利用該折疊元件[它做成半月形折疊面鏡(18)形式]對相關的共振器分枝(1a)(1b)的光學軸(27a)(27b)成同心共軸地耦入該活性體積(26a)(26b)。在此光波導線(4a)(4b)開口到一共同的物體(17)中，該物鏡與半月形折疊面鏡(18)共同形成泵映像系統(25)。如圖所示，如此可使雷射裝置構造長度進一步減少，同時減少所需之構件的數目。
圖7中在物鏡(17)和半月形折疊面鏡(18)之間設有一分光稜鏡(24)，因此泵能量可只利用單一光波導線供應。
圖8中顯示一變更例，它依圖5所示原理建構，但設有加倍的元件，利用四個分別的光波導線(4a)(4b)(4a’)(4b’)(它們在一共同平面中延伸)供應的泵能量送到二個泵映像系統(25)(25’)，它們各包含一物鏡(11)(11’)，在這四個設在一共同平面中的共振器分枝(1a)(1a’)(1b)(1b’)中，各設有一活性介質(2a)(2b)(2a’)(2b’)，其中各有一共振器面鏡(3a)(3b)與共振器分枝(1a)(1b’)配合，而一附加之折疊面鏡(3’)與共振器分枝(1b)和共振器分枝(1a’)配合。
圖9中還顯示一變更例，其中泵能量經四條光波導(4)類似圖示之變更例地耦入一共同物鏡(11)中。如此，泵能量進入一共同活性介質(20)中，它有四個活性體積。在此變更例，共振器分枝設在二個互相垂直延伸的平面X,Y中(Z為共振器對稱軸)，其中有一共振器面鏡(3a)(3b)或一附加之折疊面鏡(3’)(3”)與各共振器分枝配合。
在圖10中顯示圖3中所示之實施例的變更例，其中在其第一共振器分枝(1a)中各設有一視需要設的Q-開關，而在其第二共振器分枝(1b)中設有至少一模組(22)，它具有至少一非性元件(23)，以在共振器中產生一較高之諧波。
(1a)．．．共振器分枝
(1b)．．．共振器分枝
(2a)．．．活性介質
(2b)．．．活性介質
(3a)．．．共振器面鏡
(3b)．．．共振器面鏡
(4)．．．光波導線
(4a)．．．光波導線
(4b)．．．光波導線
(5a)．．．準直光學手段
(5b)．．．準直光學手段
(6a)．．．聚焦光學手段
(6b)．．．聚焦光學手段
(7)．．．半月形折疊面鏡
(8a)．．．端側面
(8b)．．．端側面
(9)．．．折疊元件
(10)．．．透鏡
(11)．．．物鏡
(12)．．．偏轉元件
(13a)．．．偏轉面鏡
(13b)．．．偏轉面鏡
(14)．．．稜鏡
(15a)．．．映像平面
(15b)．．．映像平面
(16a)．．．折疊楔
(16b)．．．折疊楔
(17)．．．物鏡
(18)．．．半月形折疊面鏡
(19)．．．活性介質
(25)．．．面鏡(映像系統)
(26a)．．．活性體積
(26b)．．．活性體積
圖1顯示一與共振器分枝配合的活性介質及一聚焦光學手段與一具一平坦外側面的折疊面鏡；
圖2顯示一與共振器分枝配合的活性介質及一聚焦光學手段與物鏡的一彎曲折疊面鏡；
圖3係一變更例，其中反射器做成分別的半月形折疊面鏡；
圖4係在各聚焦光學手段與物鏡之間的一偏轉元件的設置；
圖5係在光波導線與物鏡之間的折疊楔的設置；
圖6係一變更例，其中利用二個光潻導線供應的泵能量耦入一共同活性介質中；
圖7係一變更例，其中利用單一光波導線供應的泵能量耦入一共同活性介質中；
圖8係接近圖5所示原理建構的一變更例，具有二個設在一共同平面中的V形設置，總共具有四個共振器分枝；
圖9係一變更例，具有四條將泵能量耦入一共同物鏡的光波導線；
圖10係一實施例，具有在一共振器分枝中之一非線性模組。
(1a)．．．共振器分枝
(1b)．．．共振器分枝
(2a)．．．活性介質
(2b)．．．活性介質
(3a)．．．共振器面鏡
(3b)．．．共振器面鏡
(5a)．．．準直光學手段
(5b)．．．準直光學手段
(9)．．．折疊元件
(10)．．．透鏡
(11)．．．物鏡
(25)．．．面鏡(映像系統)

Claims (13)

  1. 一種雷射裝置，特別是一種縱向受二極體泵動的固體雷射的雷射裝置，具有在一光學共振器及一光學泵映像系統(25)中的至少一種活性介質(2a)(2b)(19)(20)和至少一和二個共振器分枝(1a)(1b)的V形設置，該共振器分枝經由一個對基本波長高度反射性的折疊元件(7)(9)(18)連接，各有一活性體積(26a)(26b)與該二共振器分枝(1a)(1b)配合，且該二共振器分枝利用該泵映像系統(25)的一共同物鏡(11)(17)經由該對泵波長呈透明的折疊元件(7)(9)(18)在一側泵動，其特徵在：該活性介質(2a)(2b)(19)(20)有平坦的端側面，且該折疊元件(9)(18)做成球形凸出，且(A)共同的活性介質(2a)(2b)有二個活性體積(26a)(26)，該活性體積定位及定向成對該相關之共振器分枝(1a)(1b)的光學軸成對準中心及共軸，且該活性介質(19)包含二共振器分枝(1a)(1b)，或者(B)各共振器分枝(1a)(1b)各有一活性介質(2a)(2b)，其中各一個共振器分枝(1a)或(1b)相關的活性體積(26a)(26b)定位及定向成對該相關的共振器分枝(1a)(1b)的光學軸成對準中心及共軸。
  2. 如申請專利範圍第1項的雷射裝置，其中：該折疊元件(9)做成物鏡(11)的外側的高反射面。
  3. 如申請專利範圍第1或第2項的雷射裝置，其中：該折疊元件(18)做成一個面鏡，特別是做成一半月形面鏡。
  4. 如申請專利範圍第1或第2項的雷射裝置，其中： 該泵映像系統(25)至少包含一準直光學手段(5a)(5b)。
  5. 如申請專利範圍第1或第2項的雷射裝置，其中：該泵映像系統(25)至少包含一聚焦光學手段(6a)(6b)以產生一中間映像。
  6. 如申請專利範圍第1或第2項的雷射裝置，其中：該泵的功率係可利用分別的光波導線(4a)(4b)(4a’)(4b’)供應。
  7. 如申請專利範圍第1或第2項雷射裝置，其中：該泵映像系統(25)至少有一偏轉元件(12)，例如偏轉面鏡(13a)(13b)、稜鏡(14)或光學楔(16a)(16b)。
  8. 如申請專利範圍第1或第2項的雷射裝置，其中：泵功率利用平行的光波導線(4a)(4b)供應，特別是利用該光波導線(4)之設在一平面中的端側面達成，而該物鏡(1)做成在物體側的遠心式映像光學手段形式。
  9. 如申請專利範圍第1或第2項的雷射裝置，其中：該泵映像系統(25)利用一分光稜鏡(24)做成，以將該利用一光波導線供應的泵光束分成二道部分光束。
  10. 如申請專利範圍第1或第2項的雷射裝置，其中：雷射裝置包含至少二個V形裝置，該二V形裝置利用一附加的折疊面鏡(3’)呈光學式耦合。
  11. 如申請專利範圍第1或第2項的雷射裝置，其中：該雷射裝置包含二個V形裝置及一供二個V形裝置用的共同物鏡(11)。
  12. 如申請專利範圍第1或第2項的雷射裝置，其中： 該共振器的一共振器分枝(1a)中設至少一Q開關調變器(21)以產生脈動的雷射光束。
  13. 如申請專利範圍第1或第2項的雷射裝置，其中：在共振器的一共振器分枝(1b)中至少設一模組，該模組具有至少一非直線元件，以產生至少一較高之諧波。
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