[发明专利]用于相干合并激光发射的方法和设备

说明书

技术领域

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。 

背景技术

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。如果耦合激光腔系统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。