CN101496235A - 用于相干合并激光发射的方法和设备 - Google Patents

Abstract

激光***(21)包括第一和第二激光副腔(S1、S2)，每个副腔包括布置成产生体增益光栅(41、44)的增益介质(11、11a)。激光***(21)进一步包括光束合并器(13、20)，光束合并器(13、20)布置成合并来自每个腔的发射并将发射从一个腔引导到另一腔。作为结果，提供了稳定的锁相相干合并发射***。

Description

用于相干合并激光发射的方法和设备

本发明涉及激光，尤其是涉及用于相干合并激光发射(coherentlycombining laser emission)的方法和设备。

在将激光调节到较高功率中的关键问题是由泵浦源(pumping source)沉积在激光材料中的热。发热是与激光作用过程所需的介质激励(在本领域中被称为粒子数反转)的产生一起产生的副作用。发热导致在激光材料中引起折射率局部变化的温度分布和应力，该局部变化劣化(degrade)了激光辐射的光学质量。光学劣化往往导致降低的空间质量，并且还可能降低激光的光谱质量和效率。对于一些应用，高度期望激光器以高空间质量模(理想地，基本空间模)操作，对于其它应用也以窄光谱线宽(理想地，单纵模)操作，且在一些情况下，希望高效地操作以最小化电输入功率要求以及成本。当激光器被调节到高功率时，增加的热引起的光学畸变导致应用高功率激光器的限制。在足够高的泵浦功率处，热效应产生造成对激光放大器材料的损坏(例如，在固体激光器中的晶体断裂)的应力。

在激光器性能中热引起的劣化是相对于所有种类的激光器，特别是固体激光器。在固体激光器中，几种激光放大器结构被设计成减小热畸变效应，包括使用板、薄片和光纤几何结构。虽然这些几何结构可获得与传统的棒(rod)几何结构相比改进的热管理和激光器性能，但是它们没有消除热劣化和损坏问题，尽管在较高功率处，这些问题仍然再次变得难以解决。

可选的方法是使平行布置的多个激光放大器源多路复用，以通过汇总每个放大器的光输出来获得较高功率的激光发射。该方法是有吸引力的，因为它提供了几乎无限的功率调节的可能性。每个放大器可在热引起的畸变不过量的功率水平处单独地操作，且功率能够被所使用的放大器单元的数量所调节。然而，这种方法有相当多的困难。特别的问题是独立的激光腔往往对稍微不同的频率和不同的相位或输出光场的随机时变相位操作。结果是，在正常情况下，将独立的激光输出场(例如，依靠光束耦合器或衍射光学元件)以各个激光器功率之和合并到单个输出场中是不可能的。分立的激光的这种非最佳合并在本领域中称为非相干叠加。额外的但相关的问题是，激光输出场的横向空间分布也必须在振幅和相位上是相关的。输出的空间非相干叠加可增加输出功率，但将导致空间质量的降低，其以所谓的光束质量M²因子的增加为特征。可实现光谱合并，其中每个激光具有离散地分立的波长，但以增加的光谱带宽为代价，且受到具有适当宽的或不同的激光跃迁的激光介质的可用性和光束合并元件的光谱带宽限制。为了获得可保持高空间质量和光谱纯度的最佳合并，要求相干叠加，其中所有光场在空间和时间上的相位分布都完美地相关联，以给出相长干涉(constructive interference)，由此所有功率都正地(positively)添加在因而形成的输出场中。因此，对相干光束合并的挑战是确保待合并的各个光束的相位(空间波前分布和绝对相位)的相关性和用于实现光束合并的适当方法。

图1示出具有两个激光副腔(sub-cavity)12和12a的相干合并激光输出的现有技术方法。激光副腔12包括增益介质10并具有高反射率端面反射镜(end mirror)16，而激光副腔12a具有分立的增益介质10a并具有高反射率端面反射镜16a。一个激光腔由副腔12和反射镜20以及通过光束分离器/合并元件14进行中间透射而形成，而第二激光腔由副腔12a和反射镜20以及来自元件14的中间反射而形成。元件14一般为对于激光辐射具有50％反射率和50％透射率的部分反射镜。激光增益元件10和10a由外部能量源泵浦，以在激光材料中产生激励，从而以已知方式的激光作用获得光放大。为了此例证的目的，假定元件10和10a为经历相似泵浦的相似地构成的增益材料。两个激光副腔12和12a共享公共的部分透射输出反射镜20。虽然此布置提供了合并输出22，但困难在于，在光束分离器14处还有可能的第二输出23。如果来自两个副腔的激光场是不相干的，则该输出可与输出22一样强，因此没有获得输出22的功率调节，且元件14可被视为充当损耗元件。如果耦合激光腔***可通过在光束分离器14处找到相干叠加的能够实质上消除输出23的公共频率、空间模和相对相位来获得锁相，则可减小该困难。然而，该锁相可能很难在实践中很好地实现，因为必须准确地控制每个腔中的腔反射镜(即，16、16a)的角度和线性位置，或由于腔的环境扰动(例如振动、气流和热膨胀)的效应而导致很难维持。

由于额外的限制和复杂性，找到可相干合并多于两个副腔的共模的能力甚至比对于两个副腔更难获得。实现所有光束的锁相的现有技术解决方案是在分立的光束被合并之前，将多个主动(active)相位控制元件合并到分立的光束中，连同主动地最优化各个光束的相对相位的反馈控制***一起合并。不幸的是，主动相位控制可能复杂、麻烦，并给***增加额外的费用，且还必须能够以比腔扰动更快的速率操作。进一步的困难是光束应具有相同的空间分布，且这需要匹配的腔设计，包括合并热引起的透镜化和畸变的效应。

现有技术在下列文献中被描述：

·M.J.Damzen，R.P.M.Green和K.S.Syed，Opt.Lett.，20，1704-1706(1995)

·B.A.Thompson，A.Minassian和M.J.Damzen，J.Opt.Soc.Am.B 20，857-862(2003)

·国际专利申请WO95/25367

在权利要求中陈述了本发明。

作为创造性特征的结果，本发明通过相干合并来自两个或更多激光腔的激光发射，允许激光发射的高功率调节。在本发明中，形成体增益光栅(volume gain grating)以充当适应性衍射元件，作为来自每个腔的发射穿过其它每个腔并反馈到光栅而形成的结果，其可允许具有分立的激光放大器元件的该***的每个腔会聚在公共相位上。这种相位相等允许输出光束在适当的光束合并元件处相长干涉，以产生具有合并的输出功率、高空间质量激光发射的主要的(predominantly)单一光束。与现有技术解决方案不同，相干合并是通过非线性增益光栅形成而自动实现的，且不需要复杂的主动控制的相位匹配设备。

现在参考下列附图，作为例子来描述本发明的实施方式，其中：

图1是体现现有技术激光***的示意图；

图2是根据本发明的激光***的示意图；

图3是自相交环放大器副腔元件的示意图；

图4是非互易透射元件的示意图，其为自相交环放大器元件的子部件；

图5a是由于一组光束的干涉通过增益饱和形成的增益光栅形成以及其作为衍射光学元件的操作的示意图；

图5b是可通过另一组光束的干涉由于增益饱和而可形成的第二增益光栅的示意图；

图6是根据本发明的第二实施方式的激光***的示意图；以及

图7是根据本发明的第三实施方式的激光***的示意图。

图2示出本发明的第一实施方式。激光***通常被指定为21，并包含第一和第二激光副腔S1和S2。***10具有提供输出光束22的公共半透明的输出耦合反射镜20以及中间的光束分离器13，该光束分离器13透射从反射镜20返回的辐射的一部分以形成指向副腔S1的光束25，并且剩余部分从13反射以形成指向副腔S2的光束25a。每个副腔S1、S2包括被适当布置的多个元件。在下文中详细描述本发明的操作的结构和原理。由本发明获得的优点是来自元件S1、S2的返回光束30、30a的产生，这些光束在光束分离器13处自动实现相干合并以获得单一的合并输出22，并实质上消除了次级输出(secondary output)23。

图3示出副腔S1的布置。有激光介质11、一组反射镜17、18以及非互易(non-reciprocal)透射元件27(其在图4中简要示出并在以后描述)。在辐射25穿过增益介质11之后，该组反射镜使辐射25改变方向，以便形成与激光介质11内部的光束25自相交的返回光束26。此几何结构被称为自相交环(self-intersecting loop)。通过使增益介质11a、非互易透射元件27a以及反射镜17a、18a这样布置成类似地形成自相交环几何结构，从而与副腔S1类似地配置副腔S2。激光介质11、11a由泵浦源激励，以用本领域中已知的激光放大器的方式提供光辐射的放大。

在本领域[1，2]中已知，自相交环几何结构S1能够在增益介质11中形成体增益光栅，并能够形成返回光束30，返回光束30是光束25的波前反转并在相反的方向上传播。在激光放大器S1中的自相交环几何结构和输出耦合器20之间的反馈，导致激光腔辐射25、30的同时增大，从而产生激光输出22。此相互作用对有技能的读者是已知的，并在这里被描述以提供一些关键原理。然而为了完整性，因此参考国际专利申请WO95/25367以及参考资料1和2，这些资料的内容在这里通过引用被并入，如同在本文进行了充分阐述。

下面，为了理解自相交环几何结构在本发明中的操作，而描述自相交环几何结构的一些关键元件。图5a简要示出体增益光栅的形成。在本领域中已知，在激光放大器介质中的自相交环几何结构可通过增益饱和过程而导致体增益光栅的形成[1，2]。特别是，在稳态相互作用的假设下，在增益介质中的增益分布通过下列等式(1)物理地变化：

$\mathrm{\α}\left(\underset{\‾}{r}\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_0}{1+I\left(\underset{\‾}{r}\right)/I_S}---\left(1\right)$

其中α(r)是介质的局部增益系数，α₀是当没有激光辐射出现时的不饱和增益系数，I(r)是介质中的局部强度，以及I_S是增益介质的饱和强度。因此，自相交环的输入光束25和返回光束26的强度干涉图样，可产生在相交光束的半角处形成体增益光栅41的增益系数的局部调制。在图5a中简要示出的该增益光栅形成过程表明，光栅平面41的方向沿着干涉光束25、26在增益介质11中相交的等分线。在本领域中有技能的读者应理解，增益光栅可充当衍射元件。特别是，如果光束42入射在增益光栅上，则除了放大的透射光束30以外，还可产生衍射光束43。在正常情况下，当光束42与入射光束25同频并反向时，强衍射条件将出现，在这种情况下，衍射光束43与光束26反向。因此应理解，光束43将在与入射环路径25、26相反的方向上折回自相交环路径。此外，可以看到来自增益光栅41的衍射连同环路径一起，使光束42、43完成环形腔。相反的光束42、43的源可来自外部光束的注入。如果没有使用注入光束，则相反的光束42、43的源将来自起源于激光介质11中的放大的自发辐射。如果增益光栅41的衍射效率和自相交环透射率的和大于单位1，则获得激光振荡的条件，且低水平辐射42能够以激光的方式增长到高功率水平，从而产生高功率返回光束30。

关于本发明，体增益光栅的关键特征不仅仅是其形成反向振荡(backward oscillation)的能力，还是其具有相对于输入光束25、26的反转波前(reversed wavefront)的能力。这是因为由光束25和环形光束26的干涉图形成的增益光栅41对光束的相对波前的空间信息进行编码。反向自相交环的最低级自再现空间模具有入射光束的反转波前。此特性产生返回光束30，该返回光束30是与入射光束25反转的波前，因此是针对放大器11中例如可出现在高泵浦功率处的任何像差进行校正的畸变。

除了入射光束25、26，光束42、43的存在可导致其它增益光栅的形成。值得注意的是，光束26和光束42可产生强度干涉图样，其将导致如图5b所示的另一增益光栅44的形成。增益光栅44具有在光束26、42的等分线处的平面。增益光栅44的形成导致光束25衍射进入光束43的路径中。在适当的条件下，这将相长地增强由增益光栅41产生的返回光束30的强度。

应该很清楚，在激光放大器S1中自相交环几何结构中的入射光束25可导致反转光束30的形成。元件S1的效率或反射率可被定义为反转光束30的功率与入射光束25的功率之比。反射率的最大化可通过增益光栅形成过程的最优化来获得，且这可通过使用插在如[1，2，3]中详细解释的环路径中的非互易透射元件27来获得。图4a示出元件27的操作原理，元件27与在反向方向上的透射(t_-)相比在正向方向上提供不同的透射(t₊)。通常，在正向方向上设置低透射(t₊)，确保光束26具有与入射光束25相似的强度，以最优化增益光栅的调制深度和衍射效率。反向透射因子(t_-)被维持尽可能高，以最优化反向环辐射42、43的增长，因此最优化输出光束30的增长。可提高返回光束30的强度的元件27的第二特征是在正向和反向环路径之间引入180度的差分相移。通过补偿可能出现在来自增益光栅的衍射上的180度相移，这可以实现光束42、43的谐振条件，以便在与入射光束25、26相同的波长处，在反向环形腔中操作。180度光栅相移可通过下列事实理解：增益光栅与来自记录光束25、26的强度干涉图样反相(180度偏移)，因为根据等式1，增益饱和过程在最大强度处引起最小局部增益。图4b示出由具有平行透射轴的两个偏振器31和32组成的非互易透射元件的实现，且在这两个偏振器31和32之间放置半波延迟波片34和具有45度旋转角的法拉第旋转器33。在一个方向上，波片34和法拉第旋转器33的偏振旋转叠加，而在另一传播方向上它们相减。这导致通过偏振器的透射在一个方向上与另一方向相比不同。在一个极端处，当波片34具有45度的旋转时，总正向旋转可为90度且正向透射为零，而反向总旋转为零且正向透射为单位1。正向透射可设置成低但非零，以确保光束25和26之间的最佳光栅记录过程。应注意，对90+δ和90-δ的正向旋转的两个值，可获得相同量值的正向透射，其中δ为角。然而，在这两种情况下，在输出场之间存在180度的相差。这允许非互易透射元件27通过选择δ的符号，在环中的正向和反向透射之间引入180度相移，δ的符号可由波片34的旋转角选择。在正向和反向环路径之间的180度的非互易相移，连同180度(反相)增益光栅衍射一起，确保可在与光束25的输入频率相同的频率处获得谐振环形腔振荡42、43。这也通过图5b所示的第二增益光栅来产生对返回光束30的相长贡献的条件。

在自相交环S1和来自输出耦合反射镜20之间的反馈可导致激光振荡的形成。获得激光振荡阈值的要求是在激光放大器11中具有足够高的增益，连同所产生的增益光栅具有适当的衍射效率。作为输入辐射25和25a与环返回光束26和26a之间相互作用的结果，分别在增益介质11和11a中形成的体增益衍射光栅，对关于每个腔中光束25和25a的相位分布的真实信息进行编码。返回光束30、30a被发现分别具有与入射波前25、25a相反转的波前。在激光放大器11、11a中引入的相位畸变被抵消。返回光束30、30a也处在与入射光束25、25a相同的频率处。

输出反射镜20和任一自相交环S1(或S2)的合并提供了“自调节”激光腔，其中腔会聚在单空间和单频率模上，在激光放大器中具有畸变的校正。这是将被选择的优选的且增长最高的解决方案，因为它产生最有效的增益光栅，因此产生最强的反馈30(或30a)。因为腔通过增益光栅的自形成而闭合，而不是具有固定的腔长度，所以腔自由地选择任何频率连续体(continuum)，而不是与非自调节的激光腔相关的离散频率组，并往往操作在具有最高增长率的频率中央处，例如由增益介质11中激光跃迁的峰光谱增益所确定的频率。

这里描述的本发明提供了两个相似的和耦合的自调节激光器。两个腔可单独地自调节。然而，如光束分离器13所提供的并具有公共输出反射镜20的两个副腔S1和S2的耦合，导致了公共自调节超腔(super-cavity)操作。光束分离器13的存在确保两个副腔在操作上不独立。分别来自两个副腔S1和S2的返回辐射30和30a，从公共输出耦合器20反射，并接着被光束分离器13分离。因此，进入副腔S1的输入25、25a由来自S1和S2的返回组成。因为具有两个不同频率和/或两个不同空间模的输入，将导致每个自相交环S1和S2中增益光栅的有损形成以及在光束分离器13处的损耗23，所以耦合腔将支持单一的同频和空间模，从而最优化S1、S2的返回30、30a，并最小化13处的损耗23。在13处来自S1和S2的返回之间的最小化损耗输出23的最佳相差，可通过找到实现这种条件的同频的腔来找到，因为它最大化了合并超腔的增长率。结果是来自输出耦合器20的相干合并的公共输出22，连同最小化的损耗输出23，该公共输出22由于元件S1和S2提供的腔内畸变校正而具有高质量空间模和单频。本发明优于例如图1所示的现有技术解决方案的优点是，获得了高空间质量的窄带宽激光辐射的相干合并，而无需精确的腔长度调节或长度稳定性或准确的腔空间模设计，且即使在存在腔内像差(intracavity aberration)时，包括可能出现在放大器元件11和11a中的热引起的畸变。

应认识到，该方法可扩展到激光腔的其它适当结构和具有自相交环部分的任何数量的这种副腔，只要在每个腔的发射之间存在相互作用。

例如，第二实施方式在图6中示出。除了在光束分离器13a处合并的副腔S1和S2以外(如前面利用图3中所描绘的子元件描述的)，还有在光束分离器13b处合并的两个另外的副腔S3和S4。副腔对S1和S2本身通过光束分离器13与副腔对S3和S4合并，以形成来自公共输出耦合器20的合并输出22。应认识到，因为每对副腔可通过形成最小化输出23a和23b的返回光束来自优化其增长率，且类似地，这样布置的副腔整体形成超腔，超腔也将通过最小化来自光束分离器13的输出23来获得最大增长率。超腔因此通过所有副腔S1、S2、S3、S4的相干合并，而找到最大化来自公共输出耦合器20的输出22的同频和空间形式。

应认识到，适当地使用另外的光束分离器可合并额外的腔。例如，通过以下布置可合并8个副腔：将类似地布置的4个新副腔S5、S6、S7、S8添加到与如图6所示具有光束分离器13a、13b和13的副腔S1、S2、S3、S4，且在一个分支(arm)S1、S2、S3、S4中和另一分支S5、S6、S7、S8中具有的输出耦合器20之前***另外的光束分离器。对16个副腔、32个副腔的进一步调节，以及对2个副腔的较高功率的进一步调节，可通过进一步套用本原理来获得。

上面提到的实施方式使用来自具有单一反射和单一透射的光束分离器的耦合，来获得嵌套式副腔对的相干合并。在图7中示出可选的实施方式，其中多个副腔S1、S2、S3...Sn设置成与光束分离器51和输出反射镜20结合。在这种情况下，光束分离器元件51可以是将单光束46分成多个衍射级的衍射光学元件。如果元件51设计成形成相等地分离到每个副腔中的衍射级，则每个衍射级将通过来自公共输出耦合器20的反馈相互作用以形成超腔，在超腔中来自副腔的返回将在元件51处相干地汇总，以形成单一的合并返回47，因此形成单一的合并输出光束22。如以前，每个副腔利用非互易透射元件在激光放大器中设置自相交环几何结构，如参考图3所述的。

作为上面描述的布置的结果，激光***设置成包括多个腔，其中可获得共纵模(共时间模)和共空间模，以及当在输出处以良好光束质量重新合并光束时允许相长干涉的锁相。

虽然在附图中示出的本发明实施方式描绘了元件的特定布置，但是应认识到，这些是为了例证的目的，而且能够使用其它变形，而不影响成为这些发明的基础的关键原理。例如，在图3中，示出自相交环由两个反射镜17、18形成，但是它可由使光束25形成环的任何数量的反射镜或者折射或衍射元件形成，光束25所形成的环使环光束26与输入光束25在增益介质11中自相交。例如，环光束26被示为从增益介质的相对侧与入射光束25相交。环光束也可布置成形成环(loop)，并从与光束25相同的一侧或从增益介质11的任何其它侧入射在增益介质11上，只要光束25和26在元件11的增益区域中自相交。

可包含额外的光学部件以提高性能，例如允许频率调节的Fabry-Perot元件，其以另外的方式通过依赖于激光放大器增益分布的超腔而会聚。任何适当的设备都能够用于耦合多个腔，例如适当的反射光束分离器或衍射光学元件。

形成激光反射镜、光束分离器和输出耦合器的各种材料，对有技能的读者是公知，且不在这里描述。例如，反射镜可为具有介电涂层的玻璃基底(substrate)，这在本领域是公知的。

增益介质可以是大量材料中的任何一种，包括固态、光纤、半导体、气体、液体，用适当的泵浦以激光器的方式提供激励和光学增益。在固态激光材料例如Nd:YAG的情况下，泵浦可来自放电灯，且增益介质可以具有棒或板的形式。可选地，增益介质可以是通过半导体二极管激光器泵浦的Nd:YAG或Nd:YVO₄。

Claims (11)

1.一种激光***，其用于相干合并来自两个或更多激光腔的发射，所述激光***包括：

两个或更多激光腔，其共享公共发射输出，每个腔包括布置成产生体增益光栅的增益元件；以及

光束合并器，其布置成合并来自每个腔的发射，并将来自每个腔的所述发射的一部分返回到每个其它腔中。

2.如权利要求1所述的激光***，其中每个所述腔包括自相交环路径。

3.如权利要求2所述的激光***，其中所述环路径由多个反射镜形成。

4.如权利要求2或3所述的激光***，其中每个增益元件设置在所述环路径的相交点处，以在操作中提供体增益光栅的形成。

5.如任何前述权利要求所述的激光***，进一步包括在每个环路径中的非互易透射元件。

6.如权利要求5所述的激光***，其中所述非互易透射元件由中间放置有45度法拉第旋转器和半波延迟波片的一对偏振器组成。

7.如权利要求5或6所述的激光***，其中所述非互易透射元件在所述环路径中的一个方向上的光学辐射通路到所述环路径的另一方向之间，引入180度的非互易相移。

8.如任何前述权利要求所述的激光***，包括布置成合并来自第一腔和第二腔的发射的光束合并器、布置成合并来自第三腔和第四腔的发射的第二光束合并器、以及合并第一腔、第二腔、第三腔和第四腔的发射的第三光束合并器。

9.如任何前述权利要求所述的激光***，其中所述光束合并器包括光束分离器。

10.如权利要求1到8中任一项所述的激光***，其中来自两个或更多腔的发射在主要由衍射光学元件组成的公共光束合并器处被合并。

11.如任何前述权利要求所述的且实质上如这里参考图2到7所描述的激光***。

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