[发明专利]用于强腔内光束的相干耦合的极化中央提取激光腔

说明书

本发明涉及通过极化进行中央提取的用于高强度激光束的无源相干耦合的模块化激光腔。本发明还涉及包括此类激光腔的激光源。

已知激光腔的目的是产生并提取激光辐射，为了这个目的激光腔特别包括：

-两个镜面，其彼此相对以便限定所述激光腔；以及

-至少一个有源元件（或激光放大器），其被布置在这两个镜面之间并能够吸收泵浦光束以便放大沿着传播轴线传播的激光束。

本发明可应用于激光放大器的无源相干耦合，目的是提高激光源的亮度。

一般通过在腔内（也就是说在激光腔内）在给定点或在给定区域中完全或部分地重叠要被耦合的不同光束（所述不同光束来自不同放大装置并被相互平行地布置），无源地相位锁定激光束。随后，在重叠位置处，施加对光束公共的空间或频谱约束。在激光发射之前的时刻，在一个或更多个泵浦源的作用下，不同的放大装置在这些装置的整个谱发射带上发射白噪声。作为在区域中施加的对光束公共的空间或谱约束的结果，白噪声被滤出并然后在腔内的相继反射期间被再次放大。激光系统通过仅再次放大具有最小的腔内损失的兼容的谐振频率而自动组织其发射谱。因此，由于过滤后的损失的程度小于激光的有效增益，所以产生激光发射。

有用的光线或光束总是根据输出耦合器的耦合在下游提取。

具有无源相位锁定的激光系统通常包括：

-至少一个泵浦源，其可基于单色光源，单色光源的发射谱匹配所考虑的有源装置（激光二极管）的吸收谱，或基于宽带光源（闪光灯，太阳等）；

-多个（N个）有源元件（掺杂晶体，掺杂光纤，气室，半导体），在公共激光腔内相互平行地布置；以及

-或者是用于沿着公共轴线使N个光束重叠的合束光学元件或分束光学元件（串联的分隔板，衍射元件），或者是可以进行空间滤波的元件（光圈，线光栅，刻花模板等）并且在该元件上光束在公共平面（会聚透镜或多面体棱镜的焦平面）中重叠。存在各种无源相位锁定配置：

-具有串联的分隔板（或树状结构）。在该配置中，在分隔板处，激光系统强制基本光束在其相交处彼此干涉，以使得在可能的情况下仅得到单个光束，该单个光束具有与基本光束相同的空间特征并具有理论上为基本光束的强度之和的强度；

-具有衍射耦合（“达曼光栅”）。在该配置中，基本光束在布置有充当多路分离器的衍射元件的平面内交叉。如在上一个配置中那样，光束必须朝着单个公共路径相长地干涉，从该公共路径，应该出现的光束的强度接近基本光束的强度之和；

-具有使用刻花镜面或不透光的线光栅的空间滤光。在该配置中，不同的基本光束在布置有刻花模板或的不透明的线光栅的给定平面中交叉，并产生特定干涉（或衍射）图案的强度最小值，该干涉图案是不同光束在同相的情况下重叠时将会产生的模式。该图案（其是通过导致不同光束的损失的蚀刻或布线产生的）因此强制所述光束相位锁定以使在腔内的反射期间的这些损失最小化；以及

-具有使用在会聚透镜的焦点处的光圈的空间滤波。在该配置中，不同的基本光束在被布置以产生傅里叶变换的会聚透镜的焦点处重叠。在该透镜的焦点处布置认真定义的直径的光圈。当基本光束同相时，在透镜的焦点处得到的衍射图案包括主要的狭窄中央瓣和较小的旁瓣。光圈的直径因此被调整为仅使预期的中央瓣的尺寸的光束通过，以便强制基本光束相位锁定以使得损失最小化。

在以上示例中，在腔内施加的约束使得能够把基本光束相位锁定并因此使它们相互相干。

相位锁定激光源之后隐藏的主要思路是要能够超过可由单个光源给出的激光功率或能量，同时保持高光束质量。事实上，当达到单个基本光源的能量限制时，该思路是要相干地耦合该类型的N个基本激光源，然后把N个发射的光束合路为强度大大提高的单个光束。

当前，为了在连续操作的情况下达到很高的功率（100kW范围内），需要对每个发射器的相位的持久分析和伺服的有源相位锁定系统是优选的，虽然这样的系统非常复杂、昂贵和庞大。在这些系统中，N个发射器分布在周期性的二维矩阵中并且在远场中实现组合。

然而，在脉冲操作（纳秒类型）的情况下，这些有源设备似乎不兼容，这是由于与有源公共相位的建立的极慢动态特性（该动态特性与数据的伺服和计算机处理电子设备有关）相比事件的快速性。当前，为了达到几千焦耳的最大能量，使用较小的脉冲式振荡器，后面跟随有一长串的多路放大器。