專利名稱：用于相干合并激光發射的方法和設備的制作方法
用于相干合并激光發射的方法和設備
本發明涉及激光，尤其是涉及用于相干合并激光發射(coherently combining laser emission)的方法和i殳備。
在將激光調節到較高功率中的關鍵問題是由泵浦源(pumping source) 沉積在激光材料中的熱。發熱是與激光作用過程所需的介質激勵(在本領 域中被稱為粒子數反轉)的產生一起產生的副作用。發熱導致在激光材料 中引起折射率局部變化的溫度分布和應力，該局部變化劣化(degrade) 了 激光輻射的光學質量。光學劣化往往導致降低的空間質量，并且還可能降 低激光的光譜質量和效率。對于一些應用，高度期望激光器以高空間質量 模(理想地，基本空間模)操作，對于其它應用也以窄光譜線寬(理想地， 單縱模)操作，且在一些情況下，希望高效地操作以最小化電輸入功率要 求以及成本。當激光器被調節到高功率時，增加的熱引起的光學畸變導致 應用高功率激光器的限制。在足夠高的泵浦功率處，熱效應產生造成對激 光放大器材料的損壞(例如，在固體激光器中的晶體斷裂)的應力。
在激光器性能中熱引起的劣化是相對于所有種類的激光器，特別是固 體激光器。在固體激光器中，幾種激光放大器結構被設計成減小熱畸變效 應，包括使用板、薄片和光纖幾何結構。雖然這些幾何結構可獲得與傳統 的棒(rod)幾何結構相比改進的熱管理和激光器性能，但是它們沒有消除熱 劣化和損壞問題，盡管在較高功率處，這些問題仍然再次變得難以解決。
可選的方法是使平行布置的多個激光放大器源多路復用，以通過匯總 每個放大器的光輸出來獲得較高功率的激光發射。該方法是有吸引力的， 因為它提供了幾乎無限的功率調節的可能性。每個放大器可在熱引起的畸 變不過量的功率水平處單獨地操作，且功率能夠被所使用的放大器單元的 數量所調節。然而，這種方法有相當多的困難。特別的問題是獨立的激光 腔往往對稍微不同的頻率和不同的相位或輸出光場的隨機時變相位操作。結果是，在正常情況下，將獨立的激光輸出場(例如，依靠光束耦合器或 衍射光學元件)以各個激光器功率之和合并到單個輸出場中是不可能的。 分立的激光的這種非最佳合并在本領域中稱為非相干疊加。額外的但相關 的問題是，激光輸出場的橫向空間分布也必須在振幅和相位上是相關的。 輸出的空間非相干疊加可增加輸出功率，但將導致空間質量的降低，其以 所謂的光束質量M2因子的增加為特征。可實現光譜合并，其中每個激光 具有離散地分立的波長，但以增加的光譜帶寬為代價，且受到具有適當寬 的或不同的激光躍遷的激光介質的可用性和光束合并元件的光譜帶寬限 制。為了獲得可保持高空間質量和光譜純度的最佳合并，要求相干疊加， 其中所有光場在空間和時間上的相位分布都完美地相關聯，以給出相長干
涉(constructive interference)，由此所有功率都正地(positively)添力口在因而形
相位(空間波前分布和絕對相位)的相關性和用于實現光束合并的適當方法。
圖1示出具有兩個激光副腔(sub-cavity)12和12a的相干合并激光輸出 的現有技術方法。激光副腔12包括增益介質10并具有高反射率端面反射 鏡(end mirror)16，而激光副腔12a具有分立的增益介質10a并具有高反射 率端面反射鏡16a。 一個激光腔由副腔12和反射鏡20以及通過光束分離 器/合并元件14進行中間透射而形成，而第二激光腔由副腔12a和反射鏡 20以及來自元件14的中間反射而形成。元件14 一般為對于激光輻射具有 50%反射率和50%透射率的部分反射鏡。激光增益元件10和10a由外部能 量源泵浦，以在激光材料中產生激勵，從而以已知方式的激光作用獲得光 放大。為了此例證的目的，假定元件10和10a為經歷相似泵浦的相似地構 成的增益材料。兩個激光副腔12和12a共享公共的部分透射輸出反射鏡 20。雖然此布置提供了合并輸出22，但困難在于，在光束分離器14處還 有可能的第二輸出23。如果來自兩個副腔的激光場是不相干的，則該輸出 可與輸出22 —樣強，因此沒有獲得輸出22的功率調節，且元件14可被 視為充當損耗元件。如果耦合激光腔系統可通過在光束分離器14處找到 相干疊加的能夠實質上消除輸出23的公共頻率、空間模和相對相位來獲 得鎖相，則可減小該困難。然而，該鎖相可能很難在實踐中很好地實現，
5因為必須準確地控制每個腔中的腔反射鏡(即，16、 16a)的角度和線性位 置，或由于腔的環境擾動(例如振動、氣流和熱膨脹)的效應而導致很難 維持。
由于額外的限制和復雜性，找到可相干合并多于兩個副腔的共模的能 力甚至比對于兩個副腔更難獲得。實現所有光束的鎖相的現有技術解決方 案是在分立的光束被合并之前，將多個主動(active )相位控制元件合并到 分立的光束中，連同主動地最優化各個光束的相對相位的反饋控制系統一 起合并。不幸的是，主動相位控制可能復雜、麻煩，并給系統增加額外的 費用，且還必須能夠以比腔擾動更快的速率操作。進一步的困難是光束應 具有相同的空間分布，且這需要匹配的腔設計，包括合并熱引起的透鏡化 和畸變的步丈應。
現有技術在下列文獻中 一皮描述
MJ. Damzen, R.P.M. Green和K.S. Syed, Opt. Lett., 20, 1704-1706 (1995)
B. A. Thompson, A. Minassian和M丄Damzen,丄Opt. Soc.Am. B 20, 857-862 (2003)
國際專利申請W095/25367 在權利要求中陳述了本發明。
作為創造性特征的結果，本發明通過相干合并來自兩個或更多激光腔 的激光發射，允許激光發射的高功率調節。在本發明中，形成體增益光柵 (volume gain grating)以充當適應性衍射元件，作為來自每個腔的發射穿過 其它每個腔并反饋到光柵而形成的結果，其可允許具有分立的激光放大器 元件的該系統的每個腔會聚在公共相位上。這種相位相等允許輸出光束在 適當的光束合并元件處相長干涉，以產生具有合并的輸出功率、高空間質 量激光發射的主要的(predominantly)單一光束。與現有技術解決方案不同， 相千合并是通過非線性增益光柵形成而自動實現的，且不需要復雜的主動 控制的相位匹配設備。
現在參考下列附圖，作為例子來描述本發明的實施方式，其中圖1是體現現有技術激光系統的示意圖； 圖2是根據本發明的激光系統的示意圖； 圖3是自相交環放大器副腔元件的示意圖4是非互易透射元件的示意圖，其為自相交環放大器元件的子部件；
圖5a是由于一組光束的干涉通過增益飽和形成的增益光柵形成以及 其作為衍射光學元件的操作的示意圖5b是可通過另一組光束的干涉由于增益飽和而可形成的第二增益 光柵的示意圖6是根據本發明的第二實施方式的激光系統的示意圖；以及
圖7是^^艮據本發明的第三實施方式的激光系統的示意圖。
圖2示出本發明的第一實施方式。激光系統通常被指定為21，并包含 第一和第二激光副腔Sl和S2。系統10具有提供輸出光束22的公共半透 明的輸出耦合反射鏡20以及中間的光束分離器13,該光束分離器13透射 從反射鏡20返回的輻射的 一部分以形成指向副腔S1的光束25,并且剩余 部分從13反射以形成指向副腔S2的光束25a。每個副腔Sl、 S2包括被適 當布置的多個元件。在下文中詳細描述本發明的操作的結構和原理。由本 發明獲得的優點是來自元件Sl、 S2的返回光束30、 30a的產生，這些光 束在光束分離器13處自動實現相干合并以獲得單一的合并輸出22,并實 質上消除了次級輸出(secondary output) 23 。
圖3示出副腔Sl的布置。有激光介質11、 一組反射鏡17、 18以及非 互易(non-reciprocal)透射元件27 (其在圖4中簡要示出并在以后描述)。 在輻射25穿過增益介質11之后，該組反射鏡使輻射25改變方向，以便形 成與激光介質11內部的光束25自相交的返回光束26。此幾何結構;故稱為 自相交環(self-intersecting lo叩)。通過使增益介質lla、非互易透射元件 27a以及反射鏡17a、 18a這樣布置成類似地形成自相交環幾何結構，從而 與副腔Sl類似地配置副腔S2。激光介質11、 lla由泵浦源激勵，以用本 領域中已知的激光放大器的方式提供光輻射的放大。在本領域[1,2]中已知，自相交環幾何結構Sl能夠在增益介質11中形
成體增益光柵，并能夠形成返回光束30，返回光束30是光束25的波前反 轉并在相反的方向上傳播。在激光放大器Sl中的自相交環幾何結構和輸 出耦合器20之間的反饋，導致激光腔輻射25、 30的同時增大，從而產生 激光輸出22。此相互作用對有技能的讀者是已知的，并在這里被描述以提 供一些關鍵原理。然而為了完整性,因此參考國際專利申請W095/25367 以及參考資料1和2，這些資料的內容在這里通過引用被并入，如同在本 文進行了充分闡述。
下面，為了理解自相交環幾何結構在本發明中的操作，而描述自相交 環幾何結構的一些關鍵元件。圖5a簡要示出體增益光柵的形成。在本領域 中已知，在激光放大器介質中的自相交環幾何結構可通過增益飽和過程而 導致體增益光柵的形成[1,2]。特別是，在穩態相互作用的假設下，在增益 介質中的增益分布通過下列等式(1 )物理地變化
其中"乙)是介質的局部增益系數，《。是當沒有激光輻射出現時的不飽和增 益系數，/(^是介質中的局部強度，以及/,是增益介質的飽和強度。因此， 自相交環的輸入光束25和返回光束26的強度干涉圖樣，可產生在相交光 束的半角處形成體增益光柵41的增益系數的局部調制。在圖5a中簡要示 出的該增益光柵形成過程表明，光柵平面41的方向沿著干涉光束25、 26 在增益介質11中相交的等分線。在本領域中有技能的讀者應理解，增益光 柵可充當衍射元件。特別是，如果光束42入射在增益光柵上，則除了放 大的透射光束30以外，還可產生衍射光束43。在正常情況下，當光束42 與入射光束25同頻并反向時，強衍射條件將出現，在這種情況下，衍射 光束43與光束26反向。因此應理解，光束43將在與入射環路徑25、 26 相反的方向上折回自相交環路徑。此外，可以看到來自增益光柵41的衍 射連同環路徑一起，使光束42、 43完成環形腔。相反的光束42、 43的源 可來自外部光束的注入。如果沒有使用注入光束，則相反的光束42、 43 的源將來自起源于激光介質11中的放大的自發輻射。如果增益光柵41的 衍射效率和自相交環透射率的和大于單位1,則獲得激光振蕩的條件，且低水平輻射42能夠以激光的方式增長到高功率水平，從而產生高功率返
回光束30。
關于本發明，體增益光柵的關鍵特征不僅僅是其形成反向振蕩
(backward oscillation )的能力，還是其具有相對于輸入光束25、 26的反 轉波前(reversed wavefront)的能力。這是因為由光束25和環形光束26 的干涉圖形成的增益光柵41對光束的相對波前的空間信息進行編碼。反 向自相交環的最低級自再現空間模具有入射光束的反轉波前。此特性產生 返回光束30,該返回光束30是與入射光束25反轉的波前，因此是針對放 大器11中例如可出現在高泵浦功率處的任何像差進行校正的畸變。
除了入射光束25、 26，光束42、 43的存在可導致其它增益光柵的形 成。值得注意的是，光束26和光束42可產生強度干涉圖樣，其將導致如 圖5b所示的另 一增益光柵44的形成。增益光柵44具有在光束26、 42的 等分線處的平面。增益光柵44的形成導致光束25衍射進入光束43的路 徑中。在適當的條件下，這將相長地增強由增益光柵41產生的返回光束 30的強度。
應該很清楚，在激光放大器S1中自相交環幾何結構中的入射光束25 可導致反轉光束30的形成。元件Sl的效率或反射率可^fe定義為反轉光束 30的功率與入射光束25的功率之比。反射率的最大化可通過增益光柵形 成過程的最優化來獲得，且這可通過使用插在如[l, 2, 3]中詳細解釋的環路 徑中的非互易透射元件27來獲得。圖4a示出元件27的操作原理，元件 27與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(U)。通常， 在正向方向上設置低透射(t+),確保光束26具有與入射光束25相似的強度， 以最優化增益光柵的調制深度和衍射效率。反向透射因子(t—)被維持盡可能 高，以最優化反向環輻射42、 43的增長，因此最優化輸出光束30的增長。 可提高返回光束30的強度的元件27的第二特征是在正向和反向環路徑之 間引入180度的差分相移。通過補償可能出現在來自增益光柵的衍射上的 180度相移，這可以實現光束42、 43的諧振條件，以便在與入射光束25、 26相同的波長處，在反向環形腔中操作。180度光柵相移可通過下列事實 理解增益光柵與來自記錄光束25 、 26的強度千涉圖樣反相(180度偏移)，因為根據等式l，增益飽和過程在最大強度處引起最小局部增益。圖4b示
出由具有平行透射軸的兩個偏振器31和32組成的非互易透射元件的實 現，且在這兩個偏振器31和32之間放置半波延遲波片34和具有45度旋 轉角的法拉第旋轉器33。在一個方向上，波片34和法拉第旋轉器33的偏 振旋轉疊加，而在另一傳播方向上它們相減。這導致通過偏振器的透射在 一個方向上與另一方向相比不同。在一個極端處，當波片34具有45度的 旋轉時，總正向旋轉可為90度且正向透射為零，而反向總旋轉為零且正 向透射為單位1。正向透射可設置成低但非零，以確保光束25和26之間 的最佳光柵記錄過程。應注意，對90+5和90-5的正向旋轉的兩個值，可 獲得相同量值的正向透射，其中5為角。然而，在這兩種情況下，在輸出 場之間存在180度的相差。這允許非互易透射元件27通過選擇S的符號， 在環中的正向和反向透射之間引入180度相移，S的符號可由波片34的旋 轉角選擇。在正向和反向環路徑之間的180度的非互易相移，連同180度 (反相)增益光柵衍射一起，確保可在與光束25的輸入頻率相同的頻率 處獲得諧振環形腔振蕩42、 43。這也通過圖5b所示的第二增益光柵來產 生對返回光束30的相長貢獻的條件。
在自相交環Sl和來自輸出耦合反射鏡20之間的反饋可導致激光振蕩 的形成。獲得激光振蕩閾值的要求是在激光放大器11中具有足夠高的增 益，連同所產生的增益光柵具有適當的衍射效率。作為輸入輻射25和25a 與環返回光束26和26a之間相互作用的結果，分別在增益介質11和lla 中形成的體增益衍射光柵，對關于每個腔中光束25和25a的相位分布的真 實信息進行編碼。返回光束30、 30a被發現分別具有與入射波前25、 25a 相反轉的波前。在激光放大器11、 lla中引入的相位畸變被抵消。返回光 束30、 30a也處在與入射光束25、 25a相同的頻率處。
輸出反射鏡20和任一自相交環S1 (或S2)的合并提供了 "自調節" 激光腔，其中腔會聚在單空間和單頻率模上，在激光放大器中具有畸變的 校正。這是將被選擇的優選的且增長最高的解決方案，因為它產生最有效 的增益光柵，因此產生最強的反饋30(或30a)。因為腔通過增益光柵的自 形成而閉合，而不是具有固定的腔長度，所以腔自由地選^^任何頻率連續體(continuum),而不是與非自調節的激光腔相關的離散頻率組，并往往 操作在具有最高增長率的頻率中央處，例如由增益介質11中激光躍遷的峰 光譜增益所確定的頻率。
這里描述的本發明提供了兩個相似的和耦合的自調節激光器。兩個腔 可單獨地自調節。然而，如光束分離器13所提供的并具有公共輸出反射 鏡20的兩個副腔Sl和S2的耦合，導致了公共自調節超腔(super-cavity) 操作。光束分離器13的存在確保兩個副腔在操作上不獨立。分別來自兩 個副腔Sl和S2的返回輻射30和30a,從公共輸出耦合器20反射，并接 著被光束分離器13分離。因此，進入副腔Sl的輸入25、 25a由來自Sl 和S2的返回組成。因為具有兩個不同頻率和/或兩個不同空間模的輸入， 將導致每個自相交環Sl和S2中增益光柵的有損形成以及在光束分離器13 處的損耗23，所以耦合腔將支持單一的同頻和空間^t,從而最優化Sl、 S2的返回30、 30a,并最小化13處的損耗23。在13處來自Sl和S2的返 回之間的最小化損耗輸出23的最佳相差，可通過找到實現這種條件的同 頻的腔來找到，因為它最大化了合并超腔的增長率。結杲是來自輸出耦合 器20的相干合并的公共輸出22，連同最小化的損耗輸出23，該公共輸出 22由于元件Sl和S2提供的腔內畸變校正而具有高質量空間模和單頻。本 發明優于例如圖1所示的現有技術解決方案的優點是，獲得了高空間質量 的窄帶寬激光輻射的相干合并，而無需精確的腔長度調節或長度穩定性或 準確的腔空間模設計，且即使在存在腔內像差(intracavity aberration)時， 包括可能出現在放大器元件11和lla中的熱引起的畸變。
應認識到，該方法可擴展到激光腔的其它適當結構和具有自相交環部 分的任何數量的這種副腔，只要在每個腔的發射之間存在相互作用。
例如，第二實施方式在圖6中示出。除了在光束分離器13a處合并的 副腔Sl和S2以外(如前面利用圖3中所描繪的子元件描述的)，還有在 光束分離器13b處合并的兩個另外的副腔S3和S4。副腔對S1和S2本身 通過光束分離器13與副腔對S3和S4合并，以形成來自公共輸出耦合器 20的合并輸出22。應認識到，因為每對副腔可通過形成最小化輸出23a 和23b的返回光束來自優化其增長率，且類似地，這樣布置的副腔整體形
ii成超腔，超腔也將通過最小化來自光束分離器13的輸出23來獲得最大增 長率。超腔因此通過所有副腔Sl、 S2、 S3、 S4的相干合并，而找到最大 化來自公共輸出耦合器20的輸出22的同頻和空間形式。
應認識到，適當地使用另外的光束分離器可合并額外的腔。例如，通 過以下布置可合并8個副腔將類似地布置的4個新副腔S5、 S6、 S7、 S8
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S4，且在一個分支(arm)Sl、 S2、 S3、 S4中和另一分支S5、 S6、 S7、 S8
中具有的輸出耦合器20之前插入另外的光束分離器。對16個副腔、32個 副腔的進一步調節，以及對2個副腔的較高功率的進一步調節，可通過進 一步套用本原理來獲得。
上面提到的實施方式使用來自具有單一反射和單一透射的光束分離器 的耦合，來獲得嵌套式副腔對的相干合并。在圖7中示出可選的實施方式， 其中多個副腔Sl、 S2、 S3…Sn設置成與光束分離器51和輸出反射鏡20 結合。在這種情況下，光束分離器元件5l可以是將單光束46分成多個衍 射級的衍射光學元件。如果元件51設計成形成相等地分離到每個副腔中 的衍射級，則每個衍射級將通過來自公共輸出耦合器20的反饋相互作用 以形成超腔，在超腔中來自副腔的返回將在元件51處相干地匯總，以形 成單一的合并返回47，因此形成單一的合并輸出光束22。如以前，每個 副腔利用非互易透射元件在激光放大器中設置自相交環幾何結構，如參考 圖3所述的。
作為上面描述的布置的結果，激光系統設置成包括多個腔，其中可獲 得共縱模(共時間模)和共空間模，以及當在輸出處以良好光束質量重新 合并光束時允許相長千涉的鎖相。
雖然在附圖中示出的本發明實施方式描繪了元件的特定布置，但是應 認識到，這些是為了例證的目的，而且能夠使用其它變形，而不影響成為 這些發明的基礎的關鍵原理。例如，在圖3中，示出自相交環由兩個反射 鏡l7、 18形成，但是它可由使光束25形成環的任何數量的反射鏡或者折 射或衍射元件形成，光束25所形成的環使環光束26與輸入光束25在增 益介質ll中自相交。例如，環光束26被示為從增益介質的相對側與入射光束25相交。環光束也可布置成形成環(lo叩)，并從與光束25相同的一 側或從增益介質11的任何其它側入射在增益介質11上，只要光束25和 26在元件11的增益區域中自相交。
可包含額外的光學部件以提高性能，例如允許頻率調節的Fabry-Perot 元件，其以另外的方式通過依賴于激光放大器增益分布的超腔而會聚。任 何適當的設備都能夠用于耦合多個腔，例如適當的反射光束分離器或衍射 光學元件。
形成激光反射鏡、光束分離器和輸出耦合器的各種材料，對有技能的 讀者是公知，且不在這里描述。例如，反射鏡可為具有介電涂層的玻璃基 底(substrate)，這在本領域是公知的。
增益介質可以是大量材料中的任何一種，包括固態、光纖、半導體、 氣體、液體，用適當的泵浦以激光器的方式提供激勵和光學增益。在固態
激光材料例如Nd:YAG的情況下，泵浦可來自放電燈，且增益介質可以具 有棒或板的形式。可選地，增益介質可以是通過半導體二極管激光器泵浦 的Nd:YAG或Nd:YV04。
權利要求
1.一種激光系統，其用于相干合并來自兩個或更多激光腔的發射，所述激光系統包括兩個或更多激光腔，其共享公共發射輸出，每個腔包括布置成產生體增益光柵的增益元件；以及光束合并器，其布置成合并來自每個腔的發射，并將來自每個腔的所述發射的一部分返回到每個其它腔中。
2. 如權利要求1所述的激光系統，其中每個所述腔包括自相交環路徑。
3. 如權利要求2所述的激光系統，其中所述環路徑由多個反射鏡形成。
4. 如權利要求2或3所述的激光系統，其中每個增益元件設置在所 述環路徑的相交點處，以在操作中提供體增益光柵的形成。
5. 如任何前述權利要求所述的激光系統，進一步包括在每個環路徑 中的非互易透射元件。
6. 如權利要求5所述的激光系統，其中所述非互易透射元件由中間 放置有45度法拉第旋轉器和半波延遲波片的一對偏振器組成。
7. 如權利要求5或6所述的激光系統，其中所述非互易透射元件在 所述環3各徑中的一個方向上的光學輻射通路到所述環路徑的另 一方向之 間，引入180度的非互易相移。
8. 如任何前述權利要求所述的激光系統，包括布置成合并來自第一 腔和第二腔的發射的光束合并器、布置成合并來自第三腔和第四腔的發射 的第二光束合并器、以及合并第一腔、第二腔、第三腔和第四腔的發射的 第三光束合并器。
9. 如任何前述權利要求所述的激光系統，其中所述光束合并器包括 光束分離器。
10. 如權利要求1到8中任一項所述的激光系統，其中來自兩個或更
11. 如任何前述權利要求所述的且實質上如這里參考圖2到7所描述的激光系統。
全文摘要
激光系統(21)包括第一和第二激光副腔(S1、S2)，每個副腔包括布置成產生體增益光柵(41、44)的增益介質(11、11a)。激光系統(21)進一步包括光束合并器(13、20)，光束合并器(13、20)布置成合并來自每個腔的發射并將發射從一個腔引導到另一腔。作為結果，提供了穩定的鎖相相干合并發射系統。
文檔編號H01S3/07GK101496235SQ200780028069
公開日2009年7月29日 申請日期2007年6月7日 優先權日2006年6月21日
發明者M·J·達米澤 申請人:帝國創新有限公司