專利名稱：用于強腔內光束的相干耦合的極化中央提取激光腔的制作方法
用于強腔內光束的相干耦合的極化中央提取激光腔本發明涉及通過極化進行中央提取的用于高強度激光束的無源相干耦合的模塊化激光腔。本發明還涉及包括此類激光腔的激光源。已知激光腔的目的是產生并提取激光輻射，為了這個目的激光腔特別包括-兩個鏡面，其彼此相對以便限定所述激光腔；以及-至少一個有源元件(或激光放大器)，其被布置在這兩個鏡面之間并能夠吸收泵浦光束以便放大沿著傳播軸線傳播的激光束。本發明可應用于激光放大器的無源相干耦合，目的是提高激光源的亮度。一般通過在腔內(也就是說在激光腔內)在給定點或在給定區域中完全或部分地重疊要被耦合的不同光束(所述不同光束來自不同放大裝置并被相互平行地布置)，無源地相位鎖定激光束。隨后，在重疊位置處，施加對光束公共的空間或頻譜約束。在激光發射之前的時刻，在一個或更多個泵浦源的作用下，不同的放大裝置在這些裝置的整個譜發射帶上發射白噪聲。作為在區域中施加的對光束公共的空間或譜約束的結果，白噪聲被濾出并然后在腔內的相繼反射期間被再次放大。激光系統通過僅再次放大具有最小的腔內損失的兼容的諧振頻率而自動組織其發射譜。因此，由于過濾后的損失的程度小于激光的有效增益，所以產生激光發射。有用的光線或光束總是根據輸出耦合器的耦合在下游提取。具有無源相位鎖定的激光系統通常包括-至少一個泵浦源，其 可基于單色光源，單色光源的發射譜匹配所考慮的有源裝置(激光二極管)的吸收譜，或基于寬帶光源(閃光燈，太陽等);-多個(N個)有源元件(摻雜晶體，摻雜光纖，氣室，半導體)，在公共激光腔內相互平行地布置；以及-或者是用于沿著公共軸線使N個光束重疊的合束光學元件或分束光學元件(串聯的分隔板，衍射元件)，或者是可以進行空間濾波的元件(光圈，線光柵，刻花模板等)并且在該元件上光束在公共平面(會聚透鏡或多面體棱鏡的焦平面)中重疊。存在各種無源相位鎖定配置-具有串聯的分隔板(或樹狀結構)。在該配置中，在分隔板處，激光系統強制基本光束在其相交處彼此干涉，以使得在可能的情況下僅得到單個光束，該單個光束具有與基本光束相同的空間特征并具有理論上為基本光束的強度之和的強度；-具有衍射耦合(“達曼光柵”)。在該配置中，基本光束在布置有充當多路分離器的衍射元件的平面內交叉。如在上一個配置中那樣，光束必須朝著單個公共路徑相長地干涉，從該公共路徑，應該出現的光束的強度接近基本光束的強度之和；-具有使用刻花鏡面或不透光的線光柵的空間濾光。在該配置中，不同的基本光束在布置有刻花模板或的不透明的線光柵的給定平面中交叉，并產生特定干涉(或衍射)圖案的強度最小值，該干涉圖案是不同光束在同相的情況下重疊時將會產生的模式。該圖案(其是通過導致不同光束的損失的蝕刻或布線產生的)因此強制所述光束相位鎖定以使在腔內的反射期間的這些損失最小化；以及
-具有使用在會聚透鏡的焦點處的光圈的空間濾波。在該配置中，不同的基本光束在被布置以產生傅里葉變換的會聚透鏡的焦點處重疊。在該透鏡的焦點處布置認真定義的直徑的光圈。當基本光束同相時，在透鏡的焦點處得到的衍射圖案包括主要的狹窄中央瓣和較小的旁瓣。光圈的直徑因此被調整為僅使預期的中央瓣的尺寸的光束通過，以便強制基本光束相位鎖定以使得損失最小化。在以上示例中，在腔內施加的約束使得能夠把基本光束相位鎖定并因此使它們相
互相干。相位鎖定激光源之后隱藏的主要思路是要能夠超過可由單個光源給出的激光功率或能量，同時保持高光束質量。事實上，當達到單個基本光源的能量限制時，該思路是要相干地耦合該類型的N個基本激光源，然后把N個發射的光束合路為強度大大提高的單個光束。當前，為了在連續操作的情況下達到很高的功率(IOOkW范圍內)，需要對每個發射器的相位的持久分析和伺服的有源相位鎖定系統是優選的，雖然這樣的系統非常復雜、昂貴和龐大。在這些系統中，N個發射器分布在周期性的二維矩陣中并且在遠場中實現組合。然而，在脈沖操作(納秒類型)的情況下，這些有源設備似乎不兼容，這是由于與有源公共相位的建立的極慢動態特性(該動態特性與數據的伺服和計算機處理電子設備有關)相比事件的快速性。當前，為了達到幾千焦耳的最大能量，使用較小的脈沖式振蕩器，后面跟隨有一長串的多路放大器。在具有很高增益和很高連續操作功率(幾千瓦)或具有較高脈沖式操作能量(幾焦耳)的常規激光源的情況下，功率 密度等級通常非常高，甚至接近于一些光學組件或處理的通量能力限制。此外，如果希望通過如現有的無源腔內相干耦合技術(這些技術需要把要被耦合的不同光束在一個或更多光學組件上局部重疊)來使這些激光源演化以便達到最大能量，則由于這些組件的通量能力會引起嚴重問題。為了解決這些問題，必須-或者是提供支持所需通量率的新的光學設備和處理；-或者是降低敏感重疊區域中的光束的通量率。然而-光學設備的通量能力或處理能力必須隨著要被耦合的激光器的數量增大而變得更大，這迅速成為限制；以及-對于降低光束的通量率，簡單可想到使其面積擴大，但是隨著要被耦合的激光器的數量增大，該擴大需要更大尺寸的光學組件。此外，該擴大還導致激光腔的穩定性問題，以及在固態激光器的情況下導致保持光束質量的問題。本發明涉及與無源相干耦合技術相關聯的新的激光腔結構，優選地使用針對高功率或能量的高增益放大裝置，其使得能夠把由光學元件的通量能力導致的對可被耦合的激光器的數量的限制大大地放寬(沒有附加元件的限制)。更具體地，本發明涉及這樣的激光腔，其使得能夠在所使用的相干耦合技術要求在一個或更多個通量率受限元件上組合不同的基本光束時把與光學元件的通量能力的問題相關的、對可被耦合的有源元件的數量的限制放寬。根據本發明，所述激光腔使得能夠產生至少一個激光輻射，并且該激光腔包括
一彼此相對以便限定所述激光腔的兩個鏡面；一多個有源元件，被相互平行地布置，這些有源元件的傳播軸線也是相互平行的，所述有源元件被布置在這兩個鏡面之間并能夠經受泵浦以便放大激光束；以及一提取單元，布置在所述激光腔中，并被形成為執行激光束的中央提取以獲得激光福射，所述激光腔是突出的是因為所述提取單元包括相對于所述傳播軸線而傾斜的至少一個極化器，并且包括縱向布置在所述極化器上游(或者在所述有源元件和所述極化器之間，或者在所述有源元件上游)的至少一個延遲元件，以及所述提取單元被布置在所述激光腔中以便把所述激光腔縱向地分為兩個功能部分，即包括放大所述激光束的所述有源元件的第一部分，以及相干地耦合所述激光束的第二部分。根據本發明的結構的設計因此提供把激光腔劃分為成一行的兩個功能部分(其中通過中央來提取激光束)的可能性，這兩個部分為具有并行放大不同激光束的功能的第一部分，和具有相干地耦合這些光束的主要功能的第二部分。根據本發明，激光腔被形成為在所述第二部分中通過重疊而相干地耦合激光束。
(也就是說來自激光腔的所述各個有源元件的)基本激光束的中央提取優選地在放大期間之后發生，以使得在到達其中光束要被相干地耦合的公共區域(第二部分)時其強度以所考慮的提取比率大大降低。因此，一旦每個基本光束的強度已大大降低，它們就可以在考慮通量率限制的情況下在公共區域中安全地重疊。如上所述，通過使極化器和相位延遲元件(優選地是λ /4或四分之一波長相位延遲片)相關聯來在中央提取光束，該延遲元件被放置在極化器和封閉放大區域的腔底部鏡面之間。因此，只要所用的放大裝置(有源元件)不是雙折射或輕微雙折射，旋轉相位延遲元件就可以使得能夠使激光腔的過電壓系數(也就是說，穿過極化器時保留在腔內的來自有源放大元件的通量的百分比)從0%到100%連續地演變。事實上，被極化器矩形極化的光束通過該相位延遲元件兩次，這樣的效果是使光束的極化狀態根據其中間軸線的選定取向而旋轉特定角度。在返回時，沿著與極化器的軸線相同的軸線極化的光束部分將因此繼續在腔內傳播。相反，垂直于極化器的軸線而被極化的光束部分將被所述極化器拒絕，從而使得能夠通過極化對光束進行中央提取。此外一在第一實施變型中，所述提取單元包括多個由極化器和延遲元件形成的組件，即針對所述有源元件(放大器)中的每一個的不同組件；以及一在第二實施變型中，所述提取單元包括由極化器和延遲元件形成的單個組件，該單個組件對激光腔的所有所述有源元件(放大器)是公共的。本發明在使用通過往返而允許強光束提取的縱向高增益放大裝置(有源元件)的情況下帶來重要優點。事實上，強中央提取使得能夠大大降低在提取下游的光束的強度。結果，增大了在達到損壞極限前可在激光腔中組合的光束的數量。舉例而言，考慮激光源(使用根據本發明的激光腔)包括相同的(相互平行地布置的)有源元件，并且所生成的光束具有處于其經過的光學組件的通量能力極限的通量率。如果在這種情況下，過電壓系數是20%，也就是說來自放大裝置的通量的20%在穿過極化器時保留在激光腔中，而該通量的80%被所述極化器從激光腔中提取出去，則在耦合區域(激光腔的第二部分)中可被組合或重疊的光束的最大數量是五，以便達到由激光源容忍的通量率等級。類似地，如果在與之前相同的通量率約束的情況下施加到激光腔上的過電壓系數是5%，則可被耦合的光束的數量是二十。根據本發明的中央提取技術與要求激光束的腔內重疊的所有已知相干耦合技術
相兼容。此外，在特定實施例中，根據本發明的激光腔還包括被布置在第二部分中的至少一個觸發元件，即，或者是在重疊之前的不同路徑中的每一個路徑上的觸發元件，或者是在激光束的重疊位置處的單個觸發元件。該特定實施例使得能夠提供可以發射同相的多個脈沖光束的Q開關激光系統。此外，有利地，根據本發明的激光腔還包括至少一個輔助有源元件，所述輔助有源元件被布置在所述第二部分中，從而使得能夠在極化器處增大光束提取比率。此外，在優選實施例中，所述激光腔還包括用于相互平行地布置激光束的裝置，所述裝置在所述提取單元上游，甚至經由提取單元，以使得所述激光束(在提取之后)在所述激光腔外部以更高效率組合。本發明還涉及一個激光源，所述激光源包括至少-激光腔，包括有源元件；-用于發射至少一個泵浦光束的泵浦系統；以及-用于把泵浦光束引向所述激光腔的所述有源元件的光學傳送系統。
根據本發明，該激光源的突出之處在于所述激光腔是前述類型的。附圖的圖示將提供對如何執行本發明的較好理解。在附圖中，相似的附圖標記表示相似的元件。
圖1至圖5示意性示出根據本發明的激光腔的特定實施例。在圖1至圖5中的不同實施例中示意地示出的根據本發明的激光腔I (或光學腔)用于激光源中。除了所述激光腔I之外，該類型的激光源(未示出)常規地特別包括-常規泵浦系統，其包括可以發射至少一個泵浦光束的裝置；以及-常規的光學傳輸系統，其用于把由泵浦系統發射的泵浦光束引導到所述激光腔I中，以便泵浦下面詳述的有源元件3。所述激光腔I常規地包括-限定該激光腔I的兩個相對的鏡面2A和2B；以及-多個有源元件3。有源元件3是放大元件。每個放大元件包括摻雜材料,摻雜材料可以吸收由泵浦系統發射的泵浦光束(未示出)以便放大沿著傳播軸線5傳播的相應激光束4。激光腔I提供激光輻射6，激光輻射6被如下詳述那樣提取出來，還詳述了其方向(箭頭10)和幾何特征。所述鏡面2A和2B是完全反射的，所述激光腔I還包括提取單元7，提取單元7被布置在所述激光腔I中并且被形成為提供激光束4的中央提取以便獲得所述激光輻射6。中央提取是指基本在激光腔I的中央進行的提取，并且不是經由端部鏡面(比如鏡面2B)在側部進行的提取。此外，所述提取單元7包括-至少一個極化器8，其相對于所述(相互平行的)傳播軸線5而傾斜；以及-至少一個相位延遲元件9，其被縱向布置在所述極化器8上游。所述元件9可以被布置在有源元件3上游。優選地，如圖中所示，元件9被縱向布置在所述有源元件3和所述極化器8之間并且被激光束4穿過。該延遲元件9優選地是四分之一波片。相位延遲元件9使得能夠在穿過該元件9的激光束4中產生相位移。極化器8是光束分離極化器，其把入射光束分為具有不同極化的兩個光束。在本發明的上下文中，如圖1至圖5所示，所述激光腔I包括多個有源元件3，這些有源元件3被相互平行地布置并且其激光束4的相應傳播軸線5互相平行。此外，根據本發明，提取單元7被布置在所述激光腔I中以便把激光腔I縱向劃分為兩個功能部分Pl和P2，即包括放大所述激光束4的所述有源元件3的部分Pl (圖左側)，和相干地耦合所述激光束4的部分P2 (圖右側)，如下面詳細描述那樣。前述結構的設計因此提供了把激光腔I劃分為成一行的兩個功能部分Pl和P2，其中激光束4經由中央提取，第一部分Pl具有并行放大不同激光束4的功能，第二部分P2具有相干地耦合這些光束4的基本功能。根據本發明，激光腔I被形成為在所述第二部分P2中通過重疊來相干地耦合激光束4，如同通過圖1至圖5中的公共區域11所示的那樣。基本激光束4 (也就是說來自所述單個有源元件3的那些光束)的中央提取優選地是在放大期間之后實現的，以使得在達到要對光束4進行相干耦合的公共區域11中時其強度大大減小。因此，一旦每個基本光束4的強度已經大大減小時，考慮到在光束4的組合中涉及到的光學元件的通量率限制，基本光束4就可以在公共區域11中安全地重疊。如上所述，通過使極化器8和放置在極化器8和封閉放大區域的腔底部鏡面2A之間的相位延遲元件9 (優選地是λ/4或四分之一波長相位延遲片)相關聯來實現光束4的中央提取。因此，只要所使用的放大裝置(有源元件3)不是雙折射或僅輕微雙折射，相位延遲元件9的旋轉可允許使激光腔I的過電壓系數(也就是說，在穿過極化器8時保留在腔I中的來自有源放大元件3的通量的百分比)從0%到100%連續演變。事實上，被極化器8矩形極化的光束通過該相位延遲元件9兩次，這樣的效果是使光束的極化狀態根據其中間軸線的選定取向而旋轉特定角度。在返回時，沿著與極化器8的軸線相同的軸線極化的光束部分將被極化器8透射并因此繼續在腔I內傳播。相反，垂直于極化器8的軸線而被極化的光束部分將被所述極化器拒絕，從而使得能夠通過極化對光束進行中央提取。此外，在第一實施變型(未示出)中，所述提取單元包括多個由極化器和延遲元件形成的組件，即針對所述有源元件(放大器)中的每一個的不同組件。此外，在第二實施變型(圖1至圖5示出)中，所述提取單元7包括由極化器8和延遲元件9形成的單個組件，該單個組件被所述激光腔I的全部所述有源元件3 (放大器)共用。應注意根據本發明的中央提取技術與要求激光束4的腔內重疊的所有已知相干率禹合技術相兼容。此外，如圖2和圖3所示， 根據本發明的激光腔I還包括至少一個觸發單元12，該觸發單元12被布置在部分P2中并使得能夠發射同相的多個脈沖光束。該特別實施例使得能夠提供Q開關激光器系統。在這種情況下一在圖2所示的第一實施變型中，激光腔I包括多個觸發器12，每個觸發器12安裝在激光腔I的路徑(具有軸線5)之一上。路徑是指與有源元件3相關聯并且與該有源元件3相關的激光束4被發射的傳播方向；以及一在圖3所示的第二實施變型中，所示激光腔I包括單個觸發器12，該觸發器12為所有有源元件共用并且被設置在激光束4被在部分P2中組合的路徑13上。此外，在特別的實施例中，所述激光腔I可以包括被布置在激光腔I的所述第二部分P2中的附加有源元件(放大器)14，如圖4和圖5中所示。在圖4所示的第一實施變型中，激光腔I包括多個輔助有源元件14，每個有源元件14與激光腔I的路徑之一相關聯。相反，在圖5所示的第二實施變型中，激光腔I包括被布置在組合各個光束4的路徑13上的單個輔助有源元件14。該特別的實施例使得可以在極化器8處提高光束4的提取比率。附加的放大(由于輔助有源元件14而得)必須使得組合后的光束在激光腔I中的一次往返之后的強度與在不改變提取比率并且不增加附加放大的情況下應該達到的強度相同。因此，通過附加放大人為地保持過電壓水平，同時使得可以從激光源提取更多能量。應注意一旦在激光腔I內相干地耦合之后，經由激光腔I的中央而被提取的不同光束可以組合。這些相干激光束4此后可以在遠場在自由空間中組合，而無需必需穿過附加元件。為此，激光腔I被形成為使得以周期方式(優選地根據二維矩陣)布置恰好在提取之前的光束。以此方式，根 據在離開激光腔I時基本光束的空間分布和指向的質量，輻射6可在遠場中干涉，以便形成包含伴有低強度旁瓣的強中央峰的衍射圖案。本發明因此在使用允許通過往返而實現強光束提取的具有高縱向增益的放大器裝置(有源元件3)的情況下帶來重要優點。事實上，強中央提取使得能夠在提取的下游大大降低光束4的強度。結果，在達到損壞限制之前在激光腔I中可被組合的光束4的數量增加。
權利要求
1.一種激光腔，使得能夠產生至少一個激光輻射(6)，該激光腔包括 -至少兩個鏡面(2A，2B); -具有傳播軸線(5)的多個有源元件(3)，所述有源元件(3)被布置在這兩個鏡面(2A, 2B)之間并能夠經受泵浦以便放大激光束(4);以及 -提取單元(7)，布置在所述激光腔(I)中，包括相對于所述傳播軸線(5)而傾斜的至少一個極化器(8)，并被形成為執行激光束(4)的中央提取以獲得激光輻射，所述提取單元(7)被布置在所述激光腔(I)中以便把所述激光腔(I)縱向地分為兩個功能部分(P1，P2)，其中包括所述有源元件的第一部分(Pl)放大所述激光束(4)， 其特征在于，所述提取單元(7)包括縱向布置在所述極化器(8)上游的至少一個延遲元件(9 )，所述提取單元(7 )對所述激光腔(I)進行縱向劃分以便形成通過重疊來相干耦合所述激光束(4)的第二部分(P2)。
2.根據權利要求1所述的激光腔，其特征在于，所述提取單元(7)包括多個由極化器和延遲元件形成的組件，即針對所述有源元件中的每一個的不同組件。
3.根據權利要求1所述的激光腔，其特征在于，所述提取單元(7)包括由極化器(8)和延遲元件(9)形成的單個組件,該單個組件對所有所述有源元件(3)是公共的。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的激光腔，其特征在于還包括被布置在第二部分(P2)中的至少一個觸發元件(12)，以用于發射同相的脈沖光束。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的激光腔，其特征在于還包括被布置在所述第二部分(P2)中的至少一個輔助有源元件(14)。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的激光腔，其特征在于包括用于在提取單元上游使激光束(4)成形的裝置，以使得所述激光束(4)在被提取之后在所述激光腔(I)外部組合。
7.一種激光源，包括 -激光腔(1)，包括有源元件(3); -用于發射至少一個泵浦光束的泵浦系統；以及 -用于把所述泵浦光束引向所述激光腔(I)的所述有源元件(3)的光學傳送系統， 其特征在于所述激光腔(I)是在權利要求1-6中任一項所指定的類型的激光腔。
全文摘要
本發明涉及用于強腔內光束的相干耦合的具有通過極化而進行的中央提取的激光腔。根據本發明的激光腔(1)包括具有中央提取的提取單元(1)，該提取單元(1)把所述激光腔(1)縱向劃分為兩個功能部分(P1,P2)，即包括放大激光束(4)的有源元件(3)的第一部分(P1)，和執行激光束(4)的相干耦合的第二部分(P2)。
文檔編號H01S3/106GK103069668SQ201180022662
公開日2013年4月24日 申請日期2011年5月4日 優先權日2010年5月7日
發明者D·薩布爾迪, J-E·蒙塔納, A·巴泰勒米, A·德法爾熱-貝泰勒莫特, V·凱爾梅納, S·奧魯, J·吉約, B·塞羅爾特, B·埃斯米勒 申請人:工業激光西拉斯公司, 阿斯特瑞姆簡易股份公司