CN102668276A - 在激光***中引导激光射束的反射镜装置和激光射束的射束引导方法 - Google Patents

在激光***中引导激光射束的反射镜装置和激光射束的射束引导方法 Download PDF

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Abstract

在用于在激光***中引导激光射束的、且包括至少一个第一端面反射镜(1)和第二端面反射镜(2)的反射镜装置中，这两个端面反射镜(1、2)限定出具有光学谐振器轴线(OA)的谐振器，激光射束作为输入激光射束(ES)被引入谐振器并且分别在第一和第二端面反射镜(1、2)上多次反射后作为输出激光射束(AS)又从谐振器被引出。此时，在第一和第二端面反射镜(1、2)上的反射顺序确定了相对于作为转动轴线的谐振器轴线(OA)所限定的、在谐振器内在第一和第二端面反射镜之间的转动方向，由此限定出第一光路，并且激光射束以相对于作为转动轴线的谐振器轴线(OA)所限定的转动方向在谐振器内在第一和第二端面反射镜之间往复运动。如此构成谐振器，即，转动方向在反向点掉转，并且该激光射束至少部分以与第一光路相反的转动方向经过该谐振器，由此限定出第二光路。

Description

在激光***中引导激光射束的反射镜装置和激光射束的射束引导方法
本发明涉及根据权利要求1前序部分的在激光***中引导激光射束的反射镜装置，还涉及具有这种激光装置的激光***和根据权利要求15前序部分的激光射束的射束引导方法。
在产生超短脉冲即脉冲持续时间为毫微微秒级或微微秒级的脉冲的激光***中，通常需要在端面反射镜之间有大的间距，例如当需要低脉冲重复率时，即一般小于-30MHz。这样的激光***的谐振器除了大的长度(>4m)外应该具有紧凑的结构、对光学元件的例如因温度变化、机械振动等引起的偶然移动的高度不敏感性以及简单的可实现性。
这种激光***的一个例子是根据脉冲出射或腔倒空原理的模式耦合激光装置，例如以Nd:YV04为激光器介质并且在500kHz重复率下具有7.8W平均功率和15.6μJ脉冲能量和在1MHz重复率下具有10W平均功率和10μJ脉冲能量。这样的激光***例如被用于材料加工。
在现有技术中描述了不同的方法，其中如此布置两个或更多的反射镜，光线或者说激光射束在这些反射镜之间被多次反射并由此能在小的基本面上增加总路径长度。
通常，该布置结构按照首次报告的作者来命名，例如White单元(JU.White，J.Opt.Soc.Am.32,285(1942))、Hanst单元(P.L.Hanst,Adv.Environ.Sei.Technol.2,91(1971))或者可能用得最多的单元即Herriott单元(D.R.Herriott和H.J.Schulte，Appl.Opt.4,883(1965)以及US 3437954)。以下将举例详细描述Herriott单元。
涉及多次反射经过或者说按照多次反射布置形式的这种Herriott单元在最简单的布置中由作为限定该单元的端面反射镜的两个反射镜构成，至少其中一个反射镜具有凹面，这两个反射镜彼此间隔一段距离布置。该反射镜装置本身构成一个光学谐振器，光在该谐振器中被多次反射并且在反射过一定次数后自动重复。此时在端面反射镜上形成一个环绕的位于椭圆或圆上的反射点图案。一般，射束在经过一次该单元后即在即将面临的相同光路重复之前又从反射镜装置中被出射。为了在利用光学谐振器情况下实现出射，在该单元内的闭合光路通过单独的反射镜或通过在其中一个端面反射镜上的多个孔被中断(参见例如Kowalevicz等人的“Design principles of q-preservingmultipass-eavity femtosecond lasers”J.Opt.Soc.Am.B，第23卷，第4期，2006年4月)。
Kowalevicz等人的公开文献(“Generation of 150nj pulses from a ultiple-pass cavityKerr-lens modelocked Ti:AL201 oscilator”Optic Letters Opt.Soc.Am.，第23卷，第17期，2003年9月)以及SENNAROGLU A,FUJIMOTO J G等人(“Compact FemtosecondLasers Based on Novel Multipass Cavities”IEEE Journal of Quantum Electronics，第40卷，第5期，2004年5月)示出了用于已知的多次反射型Herriott单元的例子，在这里，在端面反射镜上的反射点“旋转(Umlauf)”(顺时针或逆时针进行)之后，一个回反射元件可以使射束返回。
另一个折光反射镜装置例如由EP1588461公开，在此如此布置两个反射平面，激光射束在每个反射面上被多次反射并且光路具有入射折射装置的射束和从折射装置射出的射束，在这里，反射面彼此以大于0度的张角定向。因此，这样的直线布置造成光路的曲折走向，在这里，该反射点在两个反射表面上位于一条线上并且具有变化的距离。因而在此布置中，只能在一个平面内即以两维方式利用供射束折射装置用的空间。
因而在迄今的反射镜装置，反射次数受限于通行状况或者射束折射只在一个平面内进行。
本发明的一个任务在于提供一种更好的激光***，尤其是二极管抽运的模式耦合型激光***。
另一任务在于提供这样的激光***，它具有更高的结构紧凑性和/或更加的稳健性。
这些任务通过权利要求1或15或者从属权利要求的主题来完成或加以方案改进。
本发明涉及用于在激光***中引导激光射束的反射镜装置以及用于激光射束的相应的射束引导方法。此时，该反射镜装置依靠至少两个反射镜，它们作为端面反射镜限定出用于射束折射引导的谐振器并且光路在两者之间多次来回往复，其中分别在端面反射镜上出现反射。此时，谐振器内的光路可通过使用一个或多个其它反射镜被附加折射，从而可进一步提高该装置或利用该装置的总体结构的紧凑性。
在此反射镜装置中，激光射束被引导或入射，从而激光射束经过作为在谐振器内的总光路一部分的第一光路。在第一次经过的过程中，该光路在端面反射镜之间延伸，在这里，出现在那里的反射点位于一条圆线上并且以一个转动方向例如顺时针方向经过。在一次经过后，即在到达将会在此实现在此经过已走过的路径或光路的点之后，在角度变化的情况下完成射束的回反射，从而经过相同或相似的第二光路，但第二光路的在端面反射镜上的反射点相对于第一光路是错开或者旋转的。例如如果在第一光路内在端面反射镜上各有五次反射，则第二光路通过回反射在角度改变情况下最好如此构成，即同样各有五个反射点出现在该端面反射镜上，在这里，这些反射点可以位于第一光路的反射点图案的间隙中。当射束在谐振器内回送或经过谐振器时，此时使转动方向调转，从而转动方向相反的两个光路彼此交叉。这是基于从在端面反射镜上的射束图案的观察中得到的重要认识。得到一种图案，其中射束顺时针转动，还得到一种逆时针转动的图案，在这里，两个图案具有此外都相同的特性。就是说，原则上可以两次经过具有两个端面反射镜或Herriott单元的反射镜装置。这两次经过除了转动方向外，具有相同的特性。由不同的角度得到射束可分离性。
不过，除了用于两个光路的关于反射是相同但错位的射束引导外，原则上也可以通过适当选择回反射角度和/或其它影响射束的元件来实现对两个光路之一采用较多数量的反射点。因此，在第一光路内可以在两个端面反射镜上出现四个反射点，而返回光路形成有数量倍增的反射点，即此时是十个反射点。因为光路之间的反射点的整数关系，所以这两个光路即使在反射点数量不同时也还是相互交叉。
在现有技术所公开的装置中，根据实施方式的不同，在端面反射镜上的这些点或是沿顺时针方向或逆时针方向运行，随后射束返回。而本发明通过转动方向在反向点反向而允许同时采用两个转动方向，连同反射点数量的增加和因而在相同结构尺寸时的谐振器长度增大。
通过其它的反射镜元件，可以形成激光射束的入射和出射。
以下将示意示出并且单纯举例详细说明本发明的反射镜装置或相应方法和采用反射镜装置的激光***的实施例。具体示出了：
图1-8示出本发明反射镜装置或者用于激光射束的本发明射束引导方法的第一实施例，
图9-10示出包括折射镜的本发明反射镜装置的第二实施例，
图11示出包括本发明反射镜装置的第二实施例的激光***。
图1-8示出本发明反射镜装置或者用于激光射束的本发明射束引导方法的第一实施例，在这里在不同的图中说明射束引导。
图l示出激光射束作为输入激光射束ES被入射到谐振器的情况，在这里，谐振器以Herriott单元形式构成，其至少包括第一端面反射镜1和带有凹面的第二端面反射镜2。单纯举例选择了在此实施例中示出的两个端面反射镜1、2的布置。尤其是，两个反射镜的位置原则上也可交换。连接两个端面反射镜的光学谐振器轴线OA在两个端面反射镜之间延伸，其中，该轴线在此例子中呈直线。但是在折射布置结构中，光学谐振器轴线OA也可以具有相应的弯折（即拐弯）走向。在谐振器前面设有用于输入激光射束ES和输出激光射束AS的聚焦反射镜3。
如图2所示，聚焦反射镜3将激光射束转向反射镜4，因而转向真正的谐振器，其中，聚焦反射镜3的轴线位于包含谐振器轴线OA的平面内。
随后，如图3所示，激光射束被入射反射镜4被引导至第一端面反射镜1，随后如图4所示来到第二端面反射镜2。
如图5所示，在第一和第二端面反射镜1、2上相应地发生了多次反射，在这个例子中，在端面反射镜1和2上出现了四个反射点，它们构成以下图案，在此图案中，这些反射点位于正方形的角点上。由此，在第一和第二端面反射镜1、2上的反射顺序限定了相对于作为转动轴线的谐振器轴线OA的转动方向。此时，全部的反射和位于其间的光程构成了具有规定转动方向的第一光路，其中，第一光路是在顺时针方向或逆时针方向上移动的。激光射束因此按照规定转动方向在谐振器内在第一和第二端面反射镜之间来回或者说往复运动。
与现有技术的常规Herriott单元或反射镜装置不同，如此构成谐振器，即，转动方向在反向点反向或者说掉转，并且激光射束在谐振器内至少部分地以与第一光路相反的转动方向经过，由此限定出第二光路。图6示出了这种情况，在此实施例中采用反转反射镜5来产生反向点，从而在经过第一光路后，它造成了触发转动方向或者说转向改变的回反射。在常见的Herriott单元中，激光射束在此位置从装置中被出射，如在图6中用虚线箭头所示。
现在，如图7所示，激光射束在转动方向改变或者说反转的第二光路中再次经过谐振器，其中第一和第二光路在空间上是彼此分开的。这样，第一和第二光路构成一条闭合的自身重复的共同光路，假如它回反射至第一光路的起点，那么它也将重新来过。此时，在端面反射镜1、2上，第一光路和第二光路具有同样多的反射点，尤其是三个、四个或五个反射点，这些反射点在所述两个端面反射镜1、2的每一个上均位于同一圆线上。此时，通过在反转反射镜5上的反射，第一光路和第二光路在第一和第二端面反射镜1、2上的反射点位置相对错开，或者说围绕谐振器轴线OA旋转。在此例子中，激光射束分别按照反射点1-8的顺序，经过在图5和图6中针对两个端面反射镜1、2和光路示出的反射点图案。此时，由于两个光路的不同方向造成了彼此相反的转动方向。
在经过第二光路后，激光射束最终作为输出激光射束AS又从谐振器中射出，如图7所示。此时如此设置聚焦反射镜3，它针对在经过第二光路后的输出激光射束AS造成平行于谐振器轴线OA的射束“错位”。此外，谐振器或反射镜装置可以具有如图8所示的将输入激光射束ES和输出激光射束AS分开的分隔反射镜6。
图9-图10示出本发明反射镜装置的第二实施例，它具有共同折射第一光路和第二光路的折射镜8。在这种针对图11所示的激光***而实现的布置结构中，采用了由三个反射镜7、8、9组成的Herriott单元，用于获得更紧凑的结构。输入激光射束ES又通过呈曲面反射镜形式的聚焦反射镜3被聚焦于入射反射镜4上，随后在顺时针方向上经过一次该反射镜装置的谐振器。在折射镜8上的最后反射后，射束照中反转反射镜5，现在射束沿逆时针方向被再次送过该谐振器。在第二光路和进而在第二转动的末端，激光射束再次照中入射反射镜4，但是以相反的角度。这在被聚焦反射镜3传播和反射后导致输入激光射束ES和输出激光射束AS的空间分离。位于下游的小型分隔反射镜6被用于使得输出激光射束AS可被简单地接近。
图11表示将本发明反射镜装置的第二实施例集成到一个示例性激光***中，用于产生或放大毫微微秒脉冲或者微微秒脉冲。该激光***构成为按照脉冲出射或腔倒空原理的模式耦合激光装置，利用Nd:YV04晶体作为激光器介质XTAL1和XTAL2。此时，采用了用于产生模式耦合的可饱和吸收反射镜SESAM、具有四分之一波长片λ/4和薄膜极化器TFP的Pockels盒PC作为脉冲出射件以及用于抽运激光器介质XTAL1、XTAL2的激光二极管源LD1和LD2。作为其它部件，采用了光电二极管PD、脉冲延迟发生器PDG和用于BBO-Pockels盒PC的高电压供电装置HVD以及反射镜元件M1至M13，其中，图9和10所示的Herriott单元HZ由反射镜元件M8至M13构成并且反射镜元件M3是激光***的出射反射镜。而对于Herriott单元，采用反射镜元件M9和M10作为入射反射镜和出射反射镜，在这里，反射镜元件M8作为聚焦反射镜。作为Herriott单元的第二端面反射镜的反射镜元件M11具有1600mm的曲率半径，而作为第一端面反射镜和折射镜的反射镜元件M12和M13为平面结构。反射镜元件M1和M4是二色反射镜，它们连同光纤耦合的激光二极管源LD1和LD2一起用作抽运装置。利用这种布置结构，获得了在7.8W（在500kHz的重复率时）和10W（在1MHz的重复率时）之间的功率。
但是，所示的激光***只是应用本发明反射镜装置的一个例子，因此其应用不局限于此。原则上，本发明反射镜装置或用于激光射束的本发明射束引导方法可以用在许多激光***中，如果在该激光***中需要在有限空间里实现紧凑和/或强健的谐振器或者集成大光程的话。

Claims (15)

1.一种用于在激光***中引导激光射束的反射镜装置，所述激光***尤其是用于产生毫微微秒脉冲或微微秒脉冲的激光***，所述反射镜装置至少包括：
●第一端面反射镜(1、7)，
●具有凹面的第二端面反射镜(2、9)，
其中，
-该第一和第二端面反射镜(1、2、7、9)构成谐振器，所述谐振器具有连接这些端面反射镜(1、2、7、9)的光学谐振器轴线(OA)，
-激光射束作为输入激光射束(ES)被引入该谐振器并且分别在该第一和第二端面反射镜(1、2、7、9)上多次反射后作为输出激光射束(AS)又从该谐振器被引出，并且
-在该第一和第二端面反射镜(1、2、7、9)上的反射顺序确定了相对于作为转动轴线的谐振器轴线(OA)所限定的、在该谐振器内在该第一和第二端面反射镜之间的转动方向，由此限定出第一光路，
其特征在于，
如此构成该谐振器，即，该转动方向在反向点处掉转，并且该激光射束至少部分以与该第一光路相反的转动方向经过该谐振器，由此限定出第二光路。
2.根据权利要求1所述的反射镜装置，其特征在于，该谐振器以Herriott单元的形式构成。
3.根据权利要求1或2所述的反射镜装置，其特征在于，该第一和第二光路在空间上是分开的。
4.根据前述权利要求之一所述的反射镜装置，其特征在于，该第一和第二光路构成闭合的、自身重复的共同光路。
5.根据前述权利要求之一所述的反射镜装置，其特征在于入射反射镜(4)，该入射反射镜(4)设置在该第一和/或第二端面反射镜(1、2、7、9)的上游。
6.根据前述权利要求之一所述的反射镜装置，其特征在于，设有用于产生所述反向点的反转反射镜(5)，其中在经过该第一光路后，在该反转反射镜上实现改变转动方向的反射。
7.根据前述权利要求之一所述的反射镜装置，其特征在于，该第一和第二光路分别在该第一和第二端面反射镜(1、2、7、9)上具有数量相同的反射点，尤其是3、4或5个反射点。
8.根据权利要求6和7所述的反射镜装置，其特征在于，通过在反转反射镜(5)上的反射，该第一和第二光路的在该第一和第二端面反射镜(1、2、7、9)上的反射点的位置是相互错开的，尤其是围绕谐振器轴线(OA)旋转的。
9.根据前述权利要求之一所述的反射镜装置，其特征在于聚焦反射镜(3)，所述聚焦反射镜(3)用于输入激光射束(ES)和/或输出激光射束(AS)，尤其是在这里，该聚焦反射镜(3)的光轴位于包含光学谐振器轴线(OA)的平面内。
10.根据权利要求9所述的反射镜装置，其特征在于，如此设置该聚焦反射镜(3)，即，针对该输出激光射束(AS)，在经过第二光路后，该聚焦反射镜造成与该谐振器轴线(OA)平行的射束错移。
11.根据前述权利要求之一所述的反射镜装置，其特征在于，该谐振器具有至少一个折射镜(8)，该折射镜(8)共同地折射该第一和第二光路。
12.根据前述权利要求之一所述的反射镜装置，其特征在于，该谐振器具有至少一个分隔反射镜(6)，所述分隔反射镜(6)用于分开输入激光射束(ES)和输出激光射束(AS)。
13.一种用于产生或放大毫微微秒脉冲或者微微秒脉冲的激光***，其具有根据前述权利要求之一所述的反射镜装置。
14.根据权利要求13所述的激光***，其特征在于：
-用于产生模式耦合的可饱和的吸收反射镜，
-脉冲出射部件，尤其是电光调制器，
-激光器介质，尤其是由Nd:YVC>4制成，
-用于抽运激光器介质的激光二极管源。
15.一种在激光***内用于激光射束的射束引导方法，所述激光***尤其是用于产生毫微微秒脉冲或微微秒脉冲的激光***，所述激光***至少包括：
●第一端面反射镜(1、7)，
●具有凹面的第二端面反射镜(2、9)，
其中，
-该第一和第二端面反射镜(1、2、7、9)形成了具有连接所述端面反射镜(1、2、7、9)的光学谐振器轴线(OA)的谐振器，
所述射束引导方法包括：
-引导作为输入激光射束(ES)的激光射束进入该谐振器，
-分别在该第一和第二端面反射镜(1、2、7、9)上经多次反射后，使该激光射束作为输出激光射束(AS)出射，
其中，在该第一和第二端面反射镜(1、2、7、9)上的反射顺序确定了相对于作为转动轴线的该谐振器轴线(OA)所限定的、在该谐振器内在该第一和第二端面反射镜之间的转动方向，由此限定出第一光路，从而射束按照相对于作为转动轴线的谐振器轴线(OA)所限定的转动方向在该谐振器内在第一和第二端面反射镜之间往复运动，
其特征在于，
该转动方向在反向点掉转并且该激光射束至少部分以与该第一光路相反的转动方向经过该谐振器，由此限定出第二光路。
CN201080053618.4A 2009-11-26 2010-11-19 在激光***中引导激光射束的反射镜装置和激光射束的射束引导方法 Active CN102668276B (zh)

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