TWI668929B - 不穩定的成像共振器 - Google Patents

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Abstract

在一態樣之中，一種功率放大器包含配置於一第一垂直平面中之第一複數雷射碟片與配置於與該第一垂直平面相對之一第二垂直平面中之第二複數雷射碟片，其中該複數雷射碟片被配置於一中央水平平面之中、以及配置於該第一垂直平面中之第一複數反射鏡與配置於該第二垂直平面中之第二複數反射鏡，其中一第一組反射鏡被配置於一下方水平平面之中而一第二組反射鏡被配置於一上方水平平面之中，其中沿著一光軸彼此相鄰的各別雷射光碟及反射鏡被設置成在其間提供一個1：1的成像系統。其他態樣亦有所描述。

Description

不穩定的成像共振器
本文所述之主題係有關於雷射共振器(laser resonator)系統，特別是一種不穩定的成像共振器。
固態雷射碟片(laser disk)具有一主動式薄型碟片增益介質(gain medium)，沿著其背側表面裝載至一散熱體。該背側表面在雷射及激發波長(pump wavelengths)處具高度反射性，而前方表面則在雷射及激發波長具高度穿透性。一外部雷射光束在碟片的前方表面，或者說"正面"，進入碟片，傳播至背側表面，被背側表面反射回前方表面，並在此處離開碟片。當在碟片之中傳播時，雷射光束自碟片抽取能量。
漏失的能量藉由激發的雷射光束(pumped laser beam)回復，其亦在碟片的前方表面進入碟片，傳播至背側表面，被反射並傳播至前方表面，並在此處離開碟片。當傳播通過碟片之時，激發的光束將能量積藏入碟片並刺激前述之介質。一範例主動式介質係Yb：YAG(摻雜鐿(ytterbium)的釔鋁石榴石(yttrium aluminum garnet))，其係以一圓形碟片格式提供，可以是直徑10至2000毫米(mm)以及200微米(0.20毫米)厚。一激發光源通常藉由一二極體雷射陣列(diode laser array)提供，其在雷射波長處提供一大於單位增益的增益，以使得雷射碟片做為一主動式鏡體。激發光束被以一避免與 雷射光束產生干擾之入射角發送至正面。
可以藉由增加激發光源投送的功率及/或藉由將多個雷射碟片結合於一雷射碟片共振器之中，以增加雷射碟片輸出光束功率。一穩定之雷射碟片共振器被用以將多個碟片之個別輸出雷射功率結合成例如在金屬加工應用中所使用之一多千瓦雷射輸出光束。穩定雷射碟片共振器所產生的高功率輸出射束係多模的(multimode)，通常是繞射極限(diffraction limit)的五十倍。雖然此適用於諸如雷射焊接的工業應用，但其並不適合於需要更精確及嚴格聚焦輸出雷射光束的應用。因此，其需要提出一種產生可使用於更精密雷射光束應用之一高能量、近繞射極限雷射光束的多重雷射碟片共振器。
在一態樣之中，一種不穩定的成像共振器包含：一反饋鏡(feedback mirror)與一主鏡(primary mirror)，該反饋鏡與該主鏡提供一雷射信號之不穩定共振器振盪，該雷射信號在該反饋鏡與該主鏡之間沿著一光軸傳播；配置於一第一垂直平面中之第一複數雷射碟片與配置於與該第一垂直平面相對之一第二垂直平面中之第二複數雷射碟片，其中該複數雷射碟片被配置於一中央水平平面之中；以及配置於該第一垂直平面中之第一複數反射鏡與配置於該第二垂直平面中之第二複數反射鏡，其中一第一組反射鏡被配置於一下方水平平面之中而一第二組反射鏡被配置於一上方水平平面之中，其中在該光軸中相鄰的各別雷射碟片及反射鏡被設置成在其間提供一個1：1的成像系統。
在另一態樣之中，一種功率放大器(power amplifier)包含：配 置於一第一垂直平面中之第一複數雷射碟片與配置於與該第一垂直平面相對之一第二垂直平面中之第二複數雷射碟片，其中該複數雷射碟片被配置於一中央水平平面之中；以及配置於該第一垂直平面中之第一複數反射鏡與配置於該第二垂直平面中之第二複數反射鏡，其中一第一組反射鏡被配置於一下方水平平面之中而一第二組反射鏡被配置於一上方水平平面之中，其中沿著一光軸彼此相鄰的各別雷射碟片及反射鏡被設置成在其間提供一個1：1的成像系統。
此處所述之特徵、功能及優點可以獨立地在本文所述的許多實施例之中達成或者可以結合於又其他實施例之中，其進一步細節可以藉由參照以下之說明及圖式而看出。
20‧‧‧成像系統
22‧‧‧光軸
24a‧‧‧電磁場
24b‧‧‧電磁場
26‧‧‧共振器
28‧‧‧成像光學共振器
30‧‧‧正分支不穩定共振器
32‧‧‧反饋鏡
34‧‧‧主鏡
36‧‧‧光線
38‧‧‧雷射光束
40‧‧‧負分支不穩定共振器
42‧‧‧反饋鏡
44‧‧‧主鏡
46‧‧‧光線
50‧‧‧不穩定正分支成像共振器(PBIR)
56a‧‧‧光束
56b‧‧‧光束
58a‧‧‧光束
58b‧‧‧光束
60a‧‧‧光束
60b‧‧‧光束
62a‧‧‧光束
62b‧‧‧光束
64a‧‧‧光束
64b‧‧‧光束
70‧‧‧負分支成像共振器(NBIR)
72‧‧‧球狀凹面反饋鏡
74‧‧‧球狀凹面主鏡
76a‧‧‧光束
76b‧‧‧光束
78a‧‧‧光束
78b‧‧‧光束
80a‧‧‧光束
80b‧‧‧光束
82a‧‧‧光束
82b‧‧‧光束
84a‧‧‧光束
84b‧‧‧光束
86a‧‧‧光束
86b‧‧‧光束
88a‧‧‧光束
88b‧‧‧光束
90‧‧‧不穩定NBIR
92‧‧‧球狀凹面反饋鏡
94‧‧‧球狀凹面主鏡
96‧‧‧光軸
98‧‧‧凹面鏡
100‧‧‧凹面鏡
102a‧‧‧光束
102b‧‧‧光束
104a‧‧‧光束
104b‧‧‧光束
106a‧‧‧光束
106b‧‧‧光束
108a‧‧‧光束
108b‧‧‧光束
110a‧‧‧光束
110b‧‧‧光束
112a‧‧‧光束
112b‧‧‧光束
114‧‧‧NBIR
116‧‧‧凹面鏡
118‧‧‧凹面鏡
120‧‧‧凹面鏡
122‧‧‧凹面鏡
124‧‧‧光軸
126‧‧‧反饋鏡
128‧‧‧主鏡
130‧‧‧輸出光束
200‧‧‧共振器
202‧‧‧光軸
204‧‧‧第一垂直平面
206‧‧‧第二垂直平面
208‧‧‧下方水平平面
210‧‧‧中央水平平面
212‧‧‧上方水平平面
220‧‧‧反饋鏡
222‧‧‧主鏡
230、230a-f‧‧‧雷射碟片
240、240a-n‧‧‧反射鏡
300‧‧‧功率放大器
f‧‧‧焦距
F1-F5‧‧‧焦點
L‧‧‧距離
L1、L2‧‧‧透鏡
M1、M2‧‧‧凹面端鏡
詳細之說明係參照所附圖式進行。
圖1係依據實例之一1：1成像系統之示意圖。
圖2係依據實例之一普通共振器之示意圖。
圖3係依據實例之一成像系統及一共振器之簡化示意圖。
圖4係圖3例示之組態之一重新配置示意圖。
圖5係依據實例之一第一型不穩定共振器之示意圖。
圖6係依據實例之一第二型不穩定共振器之示意圖。
圖7至圖8係依據實例之一共振器之運作原理之示意圖。
圖9至圖11係依據實例之共振器之示意圖。
圖12係依據實例之一功率放大器之示意圖。
在以下的說明之中，其闡述許多特定之細節以提供對於各種實施例的全盤了解。然而，熟習相關技術者應能理解，該等實施例並不需要該等特定細節即能付諸實現。在其他的樣例之中，習知的方法、程序、組件及電路並未加以詳細例示或描述，以避免混淆該等特別實施例之重點。
本發明提出用以自一N個雷射碟片之陣列建立一單一多千瓦、單橫模(single transverse mode)、近繞射極限輸出雷射光束之方法及設備。為了在單橫模之下提供多千瓦輸出功率射束，其需要使用一不穩定共振器，其中雷射輸出係提供自反饋鏡之邊緣。單模穩定共振器不能配合例如1cm之較大直徑高功率碟片使用，因為實際穩定共振器之基本模式直徑僅係1或2毫米之直徑。
為了提供一近繞射極限、單橫模雷射，雷射碟片被以一種使得每一雷射碟片與反射鏡結合成一1：1成像系統之方式，在不穩定共振器之中配置相關之反射鏡。此亦將每一雷射碟片輸出之完整成像提供至毗連的雷射碟片之上。此提供一單橫模共振器，並且提供有效率之碟片功率抽取。為了實現此點，雷射碟片及反射鏡被配置成使得其各自之球狀鏡體表面被定位於各別雷射碟片及反射鏡影像平面，在其沿著光軸的置放範圍上彼此間隔一選定之影像距離。如同以下之進一步詳細說明，每一雷射碟片-反射鏡組合均提供一1：1成像系統。
為了教示將成像系統置放於光學共振器之內所牽涉的原理，首先參見圖1至圖10。圖1例示一個具有相同正透鏡L1與L2之1：1成像系統20。該等透鏡各自具有焦距(focal length)f，當置於光軸22之上時， 其具有一共同之聚焦點F2。此1：1成像系統20將所有物體以單一放大倍率成像，故在物體平面F1上具有複變振幅u(x,y)之一電磁場24a、24b單純地被系統20傳遞至具有複變振幅u(-x,-y)的影像平面F3。該傳遞基本上係一零光學距離傳播與一180度旋轉。該1：1成像系統20之實體長度係4f，但其光學長度係零。
圖2例示一任意的二鏡體共振器26，顯示成彼此分隔L的凹面端鏡M1及M2。共振器26可以置放於成像系統20的光軸22之上，如圖3所示。在圖4之中，鏡體M1接著被向左移動一距離4f至一重新定位後的影像位置27，其提供1：1成像系統20內嵌於光學共振器26內部，以形成一成像光學共振器28。此成像光學共振器28在裸腔效能(bare cavity performance)上基本上與共振器26(圖2)完全相同，但硬體上有所差異。換言之，鏡體M1及M2處之裸腔場域對於共振器26與成像共振器28而言實際上完全相同，裸腔特徵值(bare cavity eigenvalue)之強度亦然。該1：1成像系統20之插入並未改變共振器輸出雷射光束的基本特徵。若共振器26(圖2)之設計係針對一預定之共振器效能，例如，良好的橫模鑑別度，則成像共振器28亦將擁有此等相同的預定性質。為了獲得此效能，其必須確定透鏡L1與L2對於傳播穿越該1：1成像系統的腔內光束並未大幅地縮減(aperture)。
因此，將一1：1成像系統插入任何共振器內部之程序係在共振器光軸之上選擇一點。將所有的共振器光學元件帶到此點之左側並將其向左移動一距離4f，然後將實體長度4f的1：1成像系統插入所提供的空餘空間之中。所形成的成像共振器將會擁有原始共振器的所有裸腔效能屬性。此程序可以被擴充以建立一個具有數目N串接1：1成像系統之成像共振 器系統，藉由挪空一個等於N4f的空間，而形成之新共振器將會擁有原始母共振器的裸腔效能屬性。
可以使用於本發明的兩種不穩定共振器示意性地顯示於圖5及圖6之中。圖5係一正分支不穩定共振器30，具有一球狀凸面反饋鏡(FB)32以及一球狀凹面主鏡(PRI)34。反饋鏡32反射之光線36看起來像是來自聚焦點F。光線36在從主鏡34反射之後即被準直化以產生一準直化環狀輸出雷射光束38於反饋鏡32周圍。反饋鏡與主鏡32、34共用一共同之焦點F，使得共振器30係一共焦不穩定共振器(confocal unstable resonator)。
反饋鏡32之直徑係2a，而主鏡之直徑係2Ma，或者更大，其中M>1且等於共振器放大倍率。主鏡34之焦距係f。此係反饋鏡32之焦距的M倍，反饋鏡32之焦距等於f/M。鏡體32、34之間的距離係L=f(M-1)/M。
圖6係一負分支不穩定共振器40，具有一球狀凹面反饋鏡(FB)42以及一球狀凹面主鏡(PRI)44。反饋鏡42反射之光線46被聚焦於焦點F處，且在從主鏡44反射後即被準直化以產生一準直化環狀輸出雷射光束48於反饋鏡42周圍。反饋鏡與主鏡42、44共用一共同之焦點F，使得共振器40係一共焦不穩定共振器。主鏡44具有一焦距f且反饋鏡42具有一焦距f/M，其中M>1，係不穩定共振器之放大倍率。該等鏡體分隔一距離L=f(M+1)/M。
共振器30及40顯示於圖7及圖8之中，其內嵌入圖5之1：1成像系統20。僅供例示性用途，且無限制之意味，圖7及圖8中之成像共振器被顯示成包含具有一共同焦點F1之反饋鏡及透鏡L1以及具有一共同 焦點F3之主鏡及透鏡L2。同時為了方便起見，主鏡之焦距係f，而反饋鏡之焦距係f/M。此使得L1、L2及主鏡上的腔內光束尺寸均具有一直徑2Ma(同樣地，其中的M係放大倍率，而a係反饋鏡之直徑)；此對於反饋行進路線及輸出行進路線二者均成立。若圖6及圖7之共振器擁有良好的橫模鑑別度且產生近繞射極限輸出光束，則圖7及圖8之成像共振器亦將同樣如此。
參見圖7，其係一不穩定、正分支成像共振器(PBIR)50。透鏡L1、L2及球狀凹面主鏡54均具有焦距f並且彼此分隔2f。球狀凸面反饋鏡52具有焦距f/M，且被設置於距L1一距離L處。同樣地，L=f(M-1)/M，其中的M>1，係共振器50的放大倍率。當經過準直化的輸出光束被反饋鏡FB反射之時，反射光變成一束像是來自F1的發散光束56a、56b。
以下我們將循著此光束往返一個行程，其中之反射光束以虛線例示，而回返，或前進光束，則顯示為實線。當光束56a、56b抵達L1之時，其接著被準直化58a、58b，且透鏡L2將光束聚焦於F3，使得其在抵達主鏡54期間發散60a、60b。主鏡將其反射成一準直化光束62a、62b，其接著被透鏡聚焦於F2，而在入射至透鏡L1之時發散64a、64b，接著透鏡L1將其準直化成輸出光束66a、66b。當經過準直化的光束抵達反饋鏡52之時，其完成一個完整的往返行程。在進行此往返行程之時，光束通過焦點兩次(在F3及F2)，而腔內的偶數焦點數將共振器50表徵為一個不穩定、正分支成像共振器(PBIR)。一PBIR將總是具有一個偶數的腔內焦點數目。
圖8係一負分支成像共振器(NBIR)70，具有一球狀凹面反饋鏡72以及一球狀凹面主鏡74。如前所述，透鏡L1、L2及主鏡74均具有焦距f並且彼此分隔2f。反饋鏡72具有一焦距f/M，且被設置於距L1一距離 L處。同樣地，L=f(M+1)/M，其中的M>1，係不穩定共振器的放大倍率。當經過準直化的光束照射到反饋鏡72之上時，其被反射。在其通過位於F1的焦點期間，其變成一收斂光束76a、76b，而在入射至透鏡L1期間發散78a、78b。
以下我們將循著此光束往返一個行程。當光束78a、78b抵達L1之時，其接著被準直化80a、80b，且接著被透鏡L2聚焦於F3，使得其在抵達主鏡74期間發散82a、82b。此完成了反饋行程，而主鏡將光束反射成一個準直化光束84a、84b。透鏡L2將光束聚焦於F2，使其在入射至透鏡L1期間發散86a、86b，透鏡L1接著將其準直化成輸出光束88a、88b。當經過準直化的光束抵達FB之時，其完成輸出的行進過程以及完整的往返行程。在進行此往返行程之時，光束通過焦點三次(在F1、F3及F2)，而腔內的奇數焦點數將共振器70表徵為一個不穩定、負分支成像共振器(NBIR)。一NBIR將總是具有一個奇數的腔內焦點數目。
以上關於圖1至10的說明係例示將一1：1成像系統嵌入一不穩定共振器以提供一NBIR與一PBIR類型之不穩定共振器所牽涉的原理，其中之任一者均可套用至本發明。以下係一1：1成像系統之一詳細說明，其以一雷射碟片取代圖1至4及圖7至8之成像系統透鏡L1及L2的其中一者或二者。雖然其係藉由一不穩定NBIR提出此教示，但其應理解，一不穩定PBIR同樣適用，而針對PBIR可以提出類似的實施例。
以下參見圖9，其例示一不穩定NBIR90，具有一球狀凹面反饋鏡92及球狀凹面主鏡94做為端鏡(end mirrors)。該等端鏡被配置於共振器腔穴之中，位於共振器光軸96的相對側端。一1：1成像系統，由依序沿 著光軸配置的凹面鏡D1(98)及R1(100)構成，被嵌入於端鏡92、94之間。鏡體D1與R1形成此1：1成像系統，並且取代了參照圖7及圖8所述之先前成像系統中的透鏡L1及L2。該等鏡體二者均具有一焦距f，並且彼此分隔一距離2f，如圖9所示。在此實施例之中，主鏡94亦具有一焦距f且反饋鏡92具有一焦距f/M，其中M>1，係共振器放大倍率，因此，該不穩定成像共振器係共焦型的。
在此實施例之中，凹面鏡D1(98)係一雷射碟片，而R1係一中繼鏡(relay mirror)。雷射碟片，諸如德國Ditzingen的TRUMPF GMBH & CO.公司供應的Yb：YAG摻雜薄型雷射碟片，充當具有一光學增益之球狀凹面鏡，意即，"主動式鏡體"。此等雷射碟片通常小於0.22毫米厚，通常具有一厘米之碟片直徑。碟片的凹面前方表面可以擁有典型的二米曲率半徑(radius of curvature；ROC)，其藉由自一二極體雷射堆疊激發光線而自前端激發，以一個不阻礙主要Yb：YAG雷射光束之入射角度投射至碟片前方表面之上。相對側或者說碟片之背側係裝載至一散熱體。
反射鏡R1(100)及碟片D1(98)之直徑均大於2 Ma，且該二者具有相同的曲率半徑。碟片D1上的激發直徑大約係2 Ma。若焦距f=1/2 ROC，則分隔距離係ROC而NBIR 90係共焦型式。該R1鏡體及D1碟片沿著光軸依序配置成一彼此傾斜的關係，NBIR 90中的所有元件亦然。傾斜的角度被選定成在D1表面具有一不同於雷射碟片激發光線的入射角度，並且盡可能依照光學元件循序配置所允許地接近正交，以最小化雷射光束之像散(astigmatism)，以及透過該1：1成像系統提供雷射光的完整成像。
我們再次循著雷射光束往返NBIR 90的一個行程，其中反射 自反饋鏡92之回返光線被顯示成虛線，而前進路徑的光線則以實線表示。反射自反饋鏡92的光線102a、102b收斂至焦點F1，並在入射至D1期間發散。在入射R1時，D1準直化光束104a、104b，R1使光束聚焦於F3，而當投射至主鏡94期間發散106a、106b。主鏡準直化光束108a、108b，並將其提供至R1，R1將其聚焦於焦點F2，並發散110a、110b至D1。D1接著準直化光線成為輸出光束112。在此往返行程之中，光束依序聚焦於F1、F3及F2，而腔內的奇數焦點數將共振器表徵為一個負分支成像共振器。
如前所述，此1：1成像系統可以同樣地被嵌入PBIR組態之中，雖然NBIR組態提供對於對齊較不敏感的額外優點。情況類似地，在圖9的實施例以及下文中的每一個實施例之中，雷射碟片與反射鏡的位置可以互換，且其亦有可能將反射鏡本身置換成雷射碟片，使得該1：1成像系統的光學元件可以二者均是雷射碟片。
圖10係一個具有二串接1：1成像系統嵌入共振器之內的NBIR 114。此包含D1(116)與R1(118)與D2(120)與R2(122)，其全部均具有焦距f，且彼此分隔一距離2f。該成像系統沿著NBIR光軸124在一反饋鏡126與一主鏡128之間被依序配置成一傾斜之形式。主鏡128具有一焦距f且反饋鏡126具有一焦距f/M，其中M>1，係共振器放大倍率，且NBIR 114係共焦型式。
為了避免例示的複雜度，此六元件NBIR 114之光束傳播被顯示成單一路線(共振器之光軸)。如同先前之理解，NBIR輸出光束130被準直化，且反射自反饋鏡的光線係一個被聚焦於F1處之收斂光束。反射光接著被聚焦於位於其反向(反饋)路徑中的F3及F5處，以及位於其前進(輸 出)路徑中的F4及F2處，總共五處焦點。
如同從圖9至10的實施例之所見，輸出雷射光束的基本特徵與串接及嵌入共振器之內的1：1成像系統的數目無關。因此，本發明容許規模之調整，此允許依據需要納入盡可能多的雷射碟片，以滿足功能需求，諸如輸出功率，僅受制於尺寸及重量上的物理性限制。
在此等規模調整之中，所有碟片被成像於彼此之上，且所有的中繼鏡被成像於彼此之上。焦距f與間隔2f被選擇成提供一個對於位於反饋行程與輸出行程二者上的所有雷射碟片均具有相同直徑的腔內共振器光束。此對於從雷射碟片有效率功率抽取是有必要的。
一背景實例可以在授予Dale A.Holmes的美國專利No.7,978,746之中找到，該專利讓予美國Illinois州Chicago市的Boeing公司，其描述一種不穩定雷射共振器，被構建成在該共振器的相鄰光學元件之間提供一個1：1成像系統。
在描述於美國專利No.7,978,746中的範例共振器之中，雷射碟片被沿著位於一第一平面之一中心軸置放，而反射鏡被置放於平行並且與第一平面相對之一第二平面之中。本文所述之共振器結構提供與美國專利No.7,978,746所述者可堪比擬之光學器件，但結構更為精巧，此在對於一共振器系統尺寸的特定物理限制下，容許更大的功率放大倍率。
以下參見描繪於圖11中之實例，一不穩定影像共振器200包含配置於二對立平面中之光學元件，該等平面在圖11中被描繪成垂直之平面：一第一垂直平面204及一第二垂直平面206。此外，共振器200之光學元件被配置於三個平行平面之中，該等平面在圖11之中被描繪成水平的 平面：一下方水平平面208、一中央水平平面210、以及一上方水平平面212。其應能理解，"水平"及"垂直"等詞在此處僅係用以清楚說明，並非意味相對於一外部方位系統之方位。共振器之特別方位可能改變該等水平及垂直平面相對於外部方位系統之方位。
共振器200包含一反饋鏡220及一主鏡222，其提供一雷射信號之不穩定共振器振盪，該雷射信號在反饋鏡220與主鏡222之間沿著一光軸202傳播。反饋鏡220配置於第一垂直平面204之中。主鏡222配置於第二垂直平面206之中。反饋鏡220及主鏡222二者均配置於中央水平平面210之中。
共振器200包含複數雷射碟片230a-230f，其在本文之中可共同以參考編號230稱之。第一複數雷射碟片230(a-c)配置於第一垂直平面204之中，而第二複數雷射碟片230(d-f)配置於與第一垂直平面204相對之第二垂直平面206之中。此外，該複數雷射碟片230a-f係配置於中央水平平面210之中。如前所述，雷射碟片230可以被實施成德國Ditzingen的TRUMPF GMBH & CO.公司供應的薄型雷射碟片，充當具有一光學增益之球狀凹面鏡，意即，"主動式鏡體"。
第一複數反射鏡240e-h配置於第一垂直平面204之中，而第二複數反射鏡240a-d配置於第二垂直平面206之中。一第一組反射鏡240b、240d、240e、240g配置於下方水平平面208之中，而一第二組反射鏡240a、240c、240f、240h配置於上方水平平面212之中。
光軸中相鄰的各別雷射碟片230與反射鏡240之位置及尺寸被調整成在其間提供一個1：1成像系統，如下文的更詳細描述。在描繪於圖 11的例子之中，第一垂直平面204係配置於位於第二垂直平面206之中的第二複數雷射碟片230與第二複數反射鏡240的一影像平面之中。情況類似地，第二垂直平面206係配置於位於第一垂直平面204之中的第一複數雷射碟片230與第一複數反射鏡240的一影像平面之中。
此外，雷射碟片230與反射鏡240均係以相同的曲率半徑(ROC)及焦距(f)形成，以確保投射於其表面上的電磁輻射被成像於一相對側光學元件之上。因此，配置於第一垂直平面204上的第一複數雷射碟片230a、230b、230c包含一個具有一第一曲率半徑與一第一焦距之凹面球狀表面。第二複數雷射碟片230d、230e、230f亦包含一個具有等於第一曲率半徑與第一焦距之一第二曲率半徑與一第二焦距之凹面球狀表面。
配置於第一垂直平面204上的第一複數反射鏡240e、240f、240g、240h包含一個具有等於第一曲率半徑與第一焦距之一第三曲率半徑與一第三焦距之凹面球狀表面。配置於第二垂直平面206上的第二複數反射鏡240a、240b、240c、240d包含一個具有等於第一曲率半徑與第一焦距之一第四曲率半徑與一第四焦距之凹面球狀表面。相鄰的雷射碟片230與反射鏡240沿著光軸202相隔一個相當於該第一曲率半徑之距離。
共振器200的結構元件描述完畢之後，以下將轉而關注共振器200之運作。運作之中，一輻射光束被透過反饋鏡220輸入共振器200，反饋鏡220位於中央水平平面210之中。該輻射光束從反饋鏡220被反射至反射鏡240a，反射鏡240a位於上方水平平面212之中。該光束從反射鏡240a被反射至雷射碟片230a，雷射碟片230a位於中央水平平面210之中。雷射碟片230a放大該光束，其被反射至反射鏡240b，反射鏡240b位於下方水平 平面208之中。光束被從反射鏡240b反射至雷射碟片230b之上，其在此處被放大並被反射至反射鏡240c之上，反射鏡240c位於上方水平平面212之中。光束被從反射鏡240c反射至雷射碟片230c之上，其在此處被放大並被反射至反射鏡240d之上，反射鏡240d位於下方水平平面208之中。
該光束從反射鏡240d被反射至另一反射鏡240e，反射鏡240e亦位於下方水平平面208之中。反射鏡240e將光束反射至雷射碟片230d之上，其在此處被放大並被反射至反射鏡240f之上，反射鏡240f位於上方水平平面212之中。光束被從反射鏡240f反射至雷射碟片230e之上，其在此處被放大並被反射至反射鏡240g之上，反射鏡240g位於下方水平平面208之中。光束被從反射鏡240g反射至雷射碟片230f之上，其在此處被放大並被反射至反射鏡240h之上，反射鏡240h位於上方水平平面212之中。
反射鏡240h將光束反射至反射鏡240i之上，位於下方水平平面208之中。反射鏡240h將光束反射至雷射碟片230a之上，其在此處被放大並被反射至反射鏡240j之上，反射鏡240j位於上方水平平面212之中。光束被從反射鏡240j反射至雷射碟片230b之上，其在此處被放大並被反射至反射鏡240k之上，反射鏡240k位於下方水平平面208之中。反射鏡240k將光束反射至雷射碟片230c之上，其在此處被放大並被反射至反射鏡240l之上，反射鏡240l位於上方水平平面212之中。
反射鏡240l將光束反射至反射鏡240m之上，其亦位於上方水平平面212之中。反射鏡240m將光束反射至雷射碟片230d之上，其在此處被放大並被反射至反射鏡240n之上，反射鏡240n位於下方水平平面208之中。反射鏡240n將光束反射至雷射碟片230e之上，其在此處被放大 並被反射至反射鏡240o之上，反射鏡240o位於上方水平平面212之中。反射鏡240o將光束反射至雷射碟片230f之上，其在此處被放大並被反射至反射鏡240p之上，反射鏡240p位於下方水平平面208之中。
反射鏡240p將光束反射至主鏡222之上，光束本身在此處被反射而循著反向路徑通過共振器200抵達反饋鏡220，其中一部分的光束可以離開共振器而成為一輸出光束。
因此，從反饋鏡220輸入共振器200之一光束循著一光學路徑穿越共振器四次而投射到主鏡222，接著循著反向的光學路徑，穿越共振器四次而投射到反饋鏡220，其中一部分的光束可以離開共振器而成為一輸出光束。因此，透過反饋鏡220輸入至共振器200之一雷射信號投射到每一雷射碟片230兩次，而後一部分雷射信號透過反饋鏡240離開共振器。
在共振器200的每一次行程之中，反射自一雷射碟片230之一雷射信號被反射至在上方水平平面212與下方水平平面208之間交替的反射鏡。更具體言之，從位於上方水平平面中之一反射鏡240被反射至一雷射碟片230之一雷射信號被該雷射碟片230反射至位於下方水平平面中之一反射鏡，而從位於下方水平平面中之一反射鏡240被反射至一雷射碟片230之一雷射信號被該雷射碟片230反射至位於上方水平平面212中之一反射鏡240。由於雷射信號在光軸之中被反相於相鄰的雷射碟片230之間，故循著在位於上方水平平面212與下方水平平面208之上的反射鏡之間交替之一光學路徑，藉由消除幾何像差(例如，像散)而降低了反射的失真變形。
在若干實例之中，反饋鏡220、主鏡222、以及各別雷射碟片230與反射鏡240被設置成提供負分支成像共振器，而在其他實例之中， 反饋鏡220、主鏡222以及各別雷射碟片230與反射鏡240被設置成提供正分支成像共振器。
雖然圖11中描繪的範例共振器200包含六個雷射碟片230，但其應能領略，共振器200可以包含較多或較少之雷射碟片230。雷射碟片230的具體數目可以根據諸如一特定應用所需之放大倍率總量及/或共振器200的尺寸的物理限制而決定。
藉由省略反饋鏡220及主鏡222，共振器200可以被使用做為一雷射功率放大器。圖12係依據實例之一功率放大器300之一示意圖。參見圖12，一雷射光束可以被沿著光軸202輸入，並且被導引至雷射碟片230a之上。雷射光束以與參照圖11所述的穿越共振器200的相同方式經由功率放大器穿越光學路徑。然而，由於主鏡被移除，故光束自功率放大器300輸出，而非自主鏡反射。
本說明書之中提及的"一實施例"或者"若干實施例"意味配合實施例所述之一特別特徵、結構、或特性係包含於至少一種實施方式之中。說明書各處出現的"在一實施例之中"之詞可以表示同一實施例或者不同實施例。
此外，本揭示包含依據以下條文之實施例：
條文1. 一種不穩定成像共振器，包含：一反饋鏡及一主鏡，其提供一雷射信號之不穩定共振器振盪，該雷射信號在該反饋鏡與該主鏡之間沿著一光軸傳播；第一複數雷射碟片，配置於一第一垂直平面之中，以及第二複數雷射碟片，配置於與該第一垂直平面相對之一第二垂直平面之中，其中該複數 雷射碟片係配置於一中央水平平面之中；以及第一複數反射鏡，配置於該第一垂直平面之中，以及第二複數反射鏡，配置於該第二垂直平面之中，其中一第一組反射鏡配置於一下方水平平面之中且一第二組反射鏡配置於一上方水平平面之中；其中在該光軸中相鄰的各別雷射碟片與反射鏡被設置成在其間提供一個1：1成像系統。
條文2. 條文1之不穩定成像共振器，其中：該第一垂直平面被配置於該第二複數雷射碟片與該第二複數反射鏡的一影像平面之中；並且該第二垂直平面被配置於該第一複數雷射碟片與該第一複數反射鏡的一影像平面之中。
條文3. 條文1之不穩定成像共振器，其中：該反饋鏡配置於該第一垂直平面之中；該主鏡配置於該第二垂直平面之中；且該反饋鏡及該主鏡均配置於該中央水平平面之中。
條文4. 條文1之不穩定成像共振器，其中：該第一複數雷射碟片包含一具有一第一曲率半徑與一第一焦距之凹面球狀表面；該第二複數雷射碟片包含一具有等於該第一曲率半徑與該第一焦距之一第二曲率半徑與一第二焦距之凹面球狀表面；該第一複數反射鏡包含一具有等於該第一曲率半徑與該第一焦距之一第三曲率半徑與一第三焦距之凹面球狀表面；且 該第二複數反射鏡包含一具有等於該第一曲率半徑與該第一焦距之一第四曲率半徑與一第四焦距之凹面球狀表面。
條文5. 條文4之不穩定成像共振器，其中相鄰的雷射碟片與反射鏡沿著光軸相隔一個相當於該第一曲率半徑之距離。
條文6. 條文1之不穩定成像共振器，其中：自位於該上方水平平面中之一反射鏡反射至一雷射碟片上之一雷射信號被該雷射碟片反射至位於該下方水平平面中之一反射鏡；並且自位於該下方水平平面中之一反射鏡反射至一雷射碟片上之一雷射信號被該雷射碟片反射至位於該上方水平平面中之一反射鏡。
條文7. 條文1之不穩定成像共振器，其中透過該反饋鏡輸入至該共振器之一雷射信號投射到每一雷射碟片四次，而後一部分該雷射信號透過該反饋鏡離開該共振器。
條文8. 條文1之不穩定成像共振器，其中一雷射信號在該光軸中被反相於相鄰雷射碟片之間。
條文9. 條文1之不穩定成像共振器，其中：該反饋鏡、該主鏡、以及各別雷射碟片及反射鏡被設置以提供負分支成像共振器。
條文10. 條文1之不穩定成像共振器，其中：其中該反饋鏡、該主鏡、以及各別雷射碟片及反射鏡被設置以提供正分支成像共振器。
條文11. 一種功率放大器，包含：第一複數雷射碟片，配置於一第一垂直平面之中，以及第二複數雷射 碟片，配置於與該第一垂直平面相對之一第二垂直平面之中，其中該複數雷射碟片係配置於一中央水平平面之中；以及第一複數反射鏡，配置於該第一垂直平面之中，以及第二複數反射鏡，配置於該第二垂直平面之中，其中一第一組反射鏡配置於一下方水平平面之中且一第二組反射鏡配置於一上方水平平面之中；其中沿一光軸彼此相鄰的各別雷射碟片與反射鏡被設置成在其間提供一個1：1成像系統。
條文12. 條文11之功率放大器，其中：該第一垂直平面被配置於該第二複數雷射碟片與該第二複數反射鏡的一影像平面之中；並且該第二垂直平面被配置於該第一複數雷射碟片與該第一複數反射鏡的一影像平面之中。
條文13. 條文11之功率放大器，其中：該第一複數雷射碟片包含具有一第一曲率半徑與一第一焦距之一凹面球狀表面；該第二複數雷射碟片包含一具有等於該第一曲率半徑與該第一焦距之一第二曲率半徑與一第二焦距之凹面球狀表面；該第一複數反射鏡包含一具有等於該第一曲率半徑與該第一焦距之一第三曲率半徑與一第三焦距之凹面球狀表面；且該第二複數反射鏡包含一具有等於該第一曲率半徑與該第一焦距之一第四曲率半徑與一第四焦距之凹面球狀表面。
條文14. 條文13之功率放大器，其中相鄰的雷射碟片與反 射鏡沿著光軸相隔一個相當於該第一曲率半徑之距離。
條文15. 條文11之功率放大器，其中：自位於該上方水平平面中之一反射鏡反射至一雷射碟片上之一雷射信號被該雷射碟片反射至位於該下方水平平面中之一反射鏡；並且自位於該下方水平平面中之一反射鏡反射至一雷射碟片上之一雷射信號被該雷射碟片反射至位於該上方水平平面中之一反射鏡。
條文16. 條文11之功率放大器，其中一雷射信號在該光軸中被反相於相鄰雷射碟片之間。
雖然實施例係透過特定於結構特徵及/或方法動作的語言加以描述，但其應理解，申請專利範圍所請求的內容並未被限制於所述之特定特徵或動作。而是該等特定特徵及動作被揭示做為實施申請專利範圍請求內容之樣本形式。

Claims (10)

  1. 一種不穩定成像共振器(200)，包含：一反饋鏡(220)及一主鏡(222)，其提供一雷射信號之不穩定共振器振盪，該雷射信號在該反饋鏡與該主鏡之間沿著一光軸(202)傳播；第一複數雷射碟片(230a-c)，配置於一第一垂直平面(204)之中，以及第二複數雷射碟片(230d-f)，配置於與該第一垂直平面(204)相對之一第二垂直平面(206)之中，其中該複數雷射碟片(230a-f)係配置於一中央水平平面(210)之中；以及第一複數反射鏡(240e-h)，配置於該第一垂直平面(204)之中，以及第二複數反射鏡(240a-d)，配置於該第二垂直平面(206)之中，其中該第一複數反射鏡和該第二複數反射鏡中的一第一組反射鏡(240b、240d、240e、240g)配置於一下方水平平面(208)之中且該第一複數反射鏡和該第二複數反射鏡中的一第二組反射鏡(240a、240c、240f、240h)配置於一上方水平平面(212)之中；其中在該光軸中相鄰的各別雷射碟片與反射鏡被設置成在其間提供一個1：1成像系統。
  2. 申請專利範圍第1項之不穩定成像共振器(200)，其中：該第一垂直平面(204)被配置於該第二複數雷射碟片(230d-f)與該第二複數反射鏡(240a-d)的一影像平面之中；並且該第二垂直平面(206)被配置於該第一複數雷射碟片(230a-c)與該第一複數反射鏡(240e-h)的一影像平面之中。
  3. 申請專利範圍第1項或第2項之不穩定成像共振器(200)，其中：該反饋鏡(220)配置於該第一垂直平面(204)之中；該主鏡(222)配置於該第二垂直平面(206)之中；且該反饋鏡及該主鏡均配置於該中央水平平面(210)之中。
  4. 申請專利範圍第1項或第2項之不穩定成像共振器(200)，其中：該第一複數雷射碟片(230a-c)包含一具有一第一曲率半徑與一第一焦距之凹面球狀表面；該第二複數雷射碟片(230d-f)包含一具有等於該第一曲率半徑與該第一焦距之一第二曲率半徑與一第二焦距之凹面球狀表面；該第一複數反射鏡(240e-h)包含一具有等於該第一曲率半徑與該第一焦距之一第三曲率半徑與一第三焦距之凹面球狀表面；且該第二複數反射鏡(240a-d)包含一具有等於該第一曲率半徑與該第一焦距之一第四曲率半徑與一第四焦距之凹面球狀表面。
  5. 申請專利範圍第4項之不穩定成像共振器(200)，其中相鄰的雷射碟片(230)與反射鏡(240)沿著該光軸(202)相隔一個相當於該第一曲率半徑之距離。
  6. 申請專利範圍第1項或第2項之不穩定成像共振器(200)，其中：自位於該上方水平平面(212)中之一反射鏡(240a、240c、240f、240h)反射至一雷射碟片(230)上之一雷射信號被該雷射碟片反射至位於該下方水平平面(208)中之一反射鏡(240b、240d、240e、240g)；並且自位於該下方水平平面(208)中之一反射鏡(240b、240d、240e、240g)反射至一雷射碟片上之一雷射信號被該雷射碟片反射至位於該上方水平平面(212)中之一反射鏡(240a、240c、240f、240h)。
  7. 申請專利範圍第1項或第2項之不穩定成像共振器(200)，其中在該雷射信號的一部分透過該反饋鏡離開該共振器之前，透過該反饋鏡(220)輸入至該共振器之一雷射信號投射到每一雷射碟片(230a-f)四次。
  8. 申請專利範圍第1項或第2項之不穩定成像共振器(200)，其中一雷射信號在該光軸(202)中被反相於相鄰雷射碟片(230a-f)之間。
  9. 申請專利範圍第1項或第2項之不穩定成像共振器(200)，其中：該反饋鏡(220)、該主鏡(222)以及各別雷射碟片(230)及反射鏡(240)被設置以提供負分支成像共振器(negative branch imaging resonator)。
  10. 申請專利範圍第1項或第2項之不穩定成像共振器(200)，其中：該反饋鏡(220)、該主鏡(222)以及各別雷射碟片(230)及反射鏡(240)被設置以提供正分支成像共振器(positive branch imaging resonator)。
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