專利名稱：激光放大器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光放大器系統(tǒng)，其包括諧振腔和至少一種激光活化介質(zhì)，所述諧振腔具有確定了沿著光軸傳播的諧振腔輻射場(chǎng)的路線的光學(xué)諧振腔元件。
背景技術(shù)：
此類型的激光放大器系統(tǒng)是傳統(tǒng)激光放大器系統(tǒng)，其中激光放大器系統(tǒng)的構(gòu)造方面的問題在于，對(duì)于諧振腔的構(gòu)造來說，必須考慮激光活化介質(zhì)的光學(xué)行為，因此，獲得的諧振腔輻射場(chǎng)始終依賴于激光活化介質(zhì)的光學(xué)行為。具體地講，當(dāng)激光活化介質(zhì)的光學(xué)行為變化時(shí)，獲得的諧振腔輻射場(chǎng)也將變化，因此諧振腔的構(gòu)造必須適應(yīng)激光活化介質(zhì)的變化的光學(xué)性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于改善開始所描述類型的激光放大器系統(tǒng)，使得能夠簡(jiǎn)化諧振腔的構(gòu)造。這一目的將根據(jù)本發(fā)明在開始所描述類型的激光放大器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，其中諧振腔被設(shè)計(jì)為開口諧振腔(split resonator)，并具有從第一虛擬分離面延伸的第一諧振腔部分和從第二虛擬分離面延伸的第二諧振腔部分，所述諧振腔部分的尺度被光學(xué)地設(shè)計(jì)為使得在虛擬分離面中的每一個(gè)中，所述諧振腔輻射場(chǎng)具有對(duì)應(yīng)于相同諧振腔模式的輻射場(chǎng)狀態(tài)，光學(xué)獨(dú)立于所述諧振腔的放大單元設(shè)置在第一和所述第二虛擬分離面之間，該放大單元包括至少一個(gè)激光活化介質(zhì)，并以相對(duì)于諧振腔模式的中立方式耦合對(duì)應(yīng)于相同諧振腔模式的輻射場(chǎng)狀態(tài)。可以看出，根據(jù)本發(fā)明的方案的優(yōu)點(diǎn)在于放大單元光學(xué)獨(dú)立于諧振腔，因此，諧振腔的尺度設(shè)計(jì)以及諧振腔模式的確定可獨(dú)立于放大單元的光學(xué)性質(zhì)。同時(shí)，可獨(dú)立于諧振腔構(gòu)造并操作放大單元，使得對(duì)于放大單元來說，可同樣地獨(dú)立于諧振腔來進(jìn)行尺度設(shè)計(jì)。一個(gè)尤其有利的方案使得所述放大單元包括至少一個(gè)放大器模塊，其中所述至少一個(gè)激光活化介質(zhì)設(shè)置在所述放大器模塊中。在這一方面，所述至少一個(gè)放大器模塊可以最多變化的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。其可被構(gòu)造為其與放大單元的所有剩余光學(xué)元件一起以相對(duì)于諧振腔模式的中立方式工作。尤其有利的是，所述至少一個(gè)放大器模塊以相對(duì)于諧振腔模式的光學(xué)中立方式作用，使得放大器模塊形成單元，該單元可優(yōu)選地以可擴(kuò)展(scalable)方式布置在放大單元中，即，在放大單元中布置多次。為了使放大單元一起以相對(duì)于諧振腔模式的中立方式作用，優(yōu)選的是，以相對(duì)于諧振腔模式的中立方式作用的至少一個(gè)放大器模塊以光學(xué)中立方式耦合到虛擬分離面。一個(gè)尤其有利的方案使得每一放大器模塊在第一虛擬模塊端面和第二虛擬模塊端面之間延伸，并且其尺度被光學(xué)地設(shè)計(jì)為在激光放大器系統(tǒng)以預(yù)定功率范圍內(nèi)的至少平均功率運(yùn)行期間，其在至少一個(gè)中心區(qū)域中以保持強(qiáng)度分布形狀的方式將表示一個(gè)模塊端面中放大器模塊輻射場(chǎng)的輻射場(chǎng)狀態(tài)的強(qiáng)度分布變換至另一模塊端面，并且第一個(gè)模塊端面耦合至第一分離面，第二個(gè)模塊端面耦合至第二分離面。因此，此方案確保放大器模塊執(zhí)行兩個(gè)模塊端面之間輻射場(chǎng)狀態(tài)的變換，而不會(huì)由于保持強(qiáng)度分布形狀的變換導(dǎo)致不利地影響諧振腔模式。另外，優(yōu)選的是，至少在所述中心區(qū)域中，在模塊端面的由于成像而分別彼此關(guān)聯(lián)的位置中，歸一化至其最大值的強(qiáng)度分布的強(qiáng)度值彼此偏離最大達(dá)所述最大值的20%，其中這些強(qiáng)度值表示單個(gè)輻射場(chǎng)狀態(tài)值。作為這一條件的結(jié)果，優(yōu)選確定強(qiáng)度分布的單個(gè)強(qiáng)度值彼此僅具有有限的變化， 因此諧振腔模式不會(huì)經(jīng)歷任何基礎(chǔ)的改變。優(yōu)選的是，至少在中心區(qū)域中，在模塊端面的由于成像而分別彼此關(guān)聯(lián)的位置中， 表示單個(gè)輻射場(chǎng)狀態(tài)值的強(qiáng)度分布的強(qiáng)度值彼此偏離最大達(dá)所述最大值的15%。更佳的是，至少在中心區(qū)域中，在模塊端面的由于成像而分別彼此關(guān)聯(lián)的位置中， 表示單個(gè)輻射場(chǎng)狀態(tài)值的強(qiáng)度分布的強(qiáng)度值彼此偏離最大達(dá)所述最大值的10%，甚至更有利的是，至少在中心區(qū)域中，在模塊端面的由于成像而分別彼此關(guān)聯(lián)的位置中，表示單個(gè)輻射場(chǎng)狀態(tài)值的強(qiáng)度分布的強(qiáng)度值彼此偏離最大達(dá)所述最大值的5%。單個(gè)位置由于成像而關(guān)聯(lián)的概念應(yīng)理解為在準(zhǔn)確成像的情況下，單個(gè)位置彼此清晰關(guān)聯(lián)，在失焦成像的情況下，關(guān)聯(lián)變?yōu)樵谝粋€(gè)模塊端面的位置的失焦圖像在另一模塊端面中的情況下，該位置的失焦圖像的中心點(diǎn)將被視為關(guān)聯(lián)的位置。尤其有利的是，所述至少一個(gè)放大器模塊本質(zhì)上以保持強(qiáng)度分布形狀的方式將一個(gè)虛擬模塊端面中的歸一化至其最大值的強(qiáng)度分布變換至另一虛擬模塊端面。另外，對(duì)于放大器模塊的行為而言額外的有利條件是，所述至少一個(gè)放大器模塊至少在中心區(qū)域中以保持相位分布形狀的方式將表示輻射場(chǎng)狀態(tài)的相位分布從一個(gè)模塊端面變換至另一模塊端面。該附加條件表示在對(duì)諧振腔模式影響很小的情況下，放大器模塊的最佳光學(xué)行為的附加澄清。在這一方面，尤其有利的是，模塊端面的由于成像而分別彼此關(guān)聯(lián)的位置中的相位分布的相位值的差在每一點(diǎn)處小于4拉德。更佳的是，模塊端面中的相位分布的差在每一點(diǎn)處小于3拉德。甚至更佳的是，模塊端面中的相位分布的差在每一點(diǎn)處小于2拉德，尤其有利的是，模塊端面中的相位分布的差在每一點(diǎn)處小于1拉德。沒有結(jié)合前面有關(guān)各個(gè)實(shí)施例的說明更詳細(xì)地定義中心區(qū)域。中心區(qū)域被便利地定義為使得中心區(qū)域?qū)?yīng)于包含了放大器模塊輻射場(chǎng)的總功率的80%的放大器模塊輻射場(chǎng)的最小橫截面積。結(jié)合在放大單元中放大器模塊的布置，迄今為止僅定義了其光學(xué)耦合。一個(gè)尤其有利的方案使得放大單元包括一個(gè)放大器模塊，所述模塊端面中的第一個(gè)與第一分離面以光學(xué)中立方式耦合，優(yōu)選地重合，并且模塊端面中的第二個(gè)與第二分離面以光學(xué)中立方式耦合，優(yōu)選地重合。另外，迄今為止僅結(jié)合放大單元描述了至少一個(gè)放大器模塊。
一個(gè)尤其有利的方案使得放大單元包括若干放大器模塊。通過這一方案，一致的優(yōu)點(diǎn)在于放大器模塊本身以保持強(qiáng)度分布形狀的方式作用，并且在適合時(shí)，還有利地以保持相位分布形狀的方式作用，以使得在一個(gè)放大單元中可使用若干這樣的放大器模塊(需要時(shí)，其具有相同的構(gòu)造)。在這一方面，尤其有利的是，形成整體的若干放大器模塊一個(gè)接一個(gè)地設(shè)置在分離面之間，并且在連續(xù)的放大器模塊的情況下，第一模塊端面以光學(xué)中立方式耦合至第二模塊端面，并且在放大器模塊整體中，第一放大器模塊的第一模塊端面光學(xué)耦合至一個(gè)分離面，并且最后一個(gè)放大器模塊的第二模塊端面光學(xué)耦合至另一分離面。一個(gè)尤其有利的方案使得連續(xù)放大器模塊的第一模塊端面與第二模塊端面重合， 放大器模塊的整體中的第一放大器模塊的第一模塊端面與一個(gè)分離面以光學(xué)中立方式耦合(優(yōu)選重合)，最后一個(gè)放大器模塊的第二模塊端面與另一分離面以光學(xué)中立方式耦合 (優(yōu)選重合)。除了目前為止描述的方案之外或作為替代，根據(jù)本發(fā)明的激光系統(tǒng)的一個(gè)有利的實(shí)施例使得所述諧振腔被設(shè)計(jì)為開口諧振腔，并具有從第一虛擬分離面延伸的第一諧振腔部分和從第二虛擬分離面延伸的第二諧振腔部分，至少一個(gè)放大器模塊設(shè)置在第一和第二虛擬分離面之間，所述放大器模塊包括至少一個(gè)激光活化介質(zhì)，所述至少一個(gè)放大器模塊設(shè)置在分離面之間，使得至少一個(gè)放大器模塊的第一模塊端面以光學(xué)中立方式耦合至第一分離面，所述至少一個(gè)放大器模塊的第二模塊端面以光學(xué)中立方式耦合至第二分離面，在所述激光放大器系統(tǒng)以預(yù)定功率范圍內(nèi)的至少平均功率運(yùn)行期間，所述至少一個(gè)放大器模塊在所述模塊端面之間形成放大器模塊輻射場(chǎng)，所述輻射場(chǎng)至少在中心區(qū)域中將所述模塊端面中的輻射場(chǎng)狀態(tài)以光學(xué)準(zhǔn)中立方式彼此耦合。所述至少一個(gè)放大器模塊到第一分離面或第二分離面的光學(xué)準(zhǔn)中立(尤其是中立)耦合應(yīng)理解為該耦合導(dǎo)致各分離面中的輻射場(chǎng)狀態(tài)與對(duì)應(yīng)的耦合模塊端面中的輻射場(chǎng)狀態(tài)的基本上相同的變換。例如，分離面的光學(xué)準(zhǔn)中立耦合優(yōu)選以這樣的方式定義根據(jù)A. E. Siegmann的 "Lasers" (Univ. Science Books, Mill Valley, CA, USA，1986，581 頁及以下)定義的 ABCD 光束矩陣具有下列值0. 97 < IA| < 1. 03-0. Im < B < 0. Im-0. 1 Vm < C < 0. 1 Vm0. 97 < |D I < 1. 03。根據(jù)本發(fā)明的這樣的激光放大器系統(tǒng)原則上可僅具有一個(gè)這樣的放大器模塊。尤其有利的是，形成整體的若干放大器模塊一個(gè)接一個(gè)地設(shè)置在所述分離面之間，并且在連續(xù)的放大器模塊的情況下，相應(yīng)第一模塊端面以光學(xué)中立方式耦合至相應(yīng)第二模塊端面，并且在放大器模塊整體中，第一個(gè)放大器模塊的第一模塊端面以光學(xué)中立方式耦合至一個(gè)分離面，最后一個(gè)放大器模塊的第二模塊端面以光學(xué)中立方式耦合至另一分離面。此類光學(xué)中立耦合的最簡(jiǎn)單情況是相應(yīng)模塊端面或相應(yīng)分離面與模塊端面重合。根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的(尤其)準(zhǔn)中立放大器模塊的一個(gè)方案使其表示光學(xué)系統(tǒng)，其根據(jù) Α·Ε· Siegmann 的“Lasers” (Univ. Science Books, Mill Valley, CA, USA, 1986,581 頁及以下)定義的ABCD矩陣具有以下值0. 97 < IA| < 1. 03-0. 2m < B < 0. 2m-0. 2 Vm < C < 0. 2 7m0. 97 < D < 1. 03。關(guān)于激光活化介質(zhì)在放大單元或放大器模塊內(nèi)的設(shè)置方式，迄今為止還沒有給出進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。激光活化介質(zhì)可例如設(shè)置在作為載體的氣體或液體中。然而，根據(jù)本發(fā)明的激光系統(tǒng)尤其適合于激光活化介質(zhì)設(shè)置在至少一個(gè)固態(tài)體中的實(shí)施方式。關(guān)于所述至少一個(gè)固態(tài)體的形狀，原則上可想到任何光學(xué)設(shè)計(jì)。有利的是所述至少一個(gè)固態(tài)體相對(duì)于光軸橫向延伸。原則上，所述至少一個(gè)固態(tài)體可為在光軸方向上延伸的棒，或者在光軸方向上延伸的平行六面體，例如在板條激光器的情況下。一個(gè)尤其有利的方案使得所述至少一個(gè)固態(tài)體在每一方向上相對(duì)于光軸的橫向延伸大于在光軸方向上的延伸(尤其是其許多倍)。結(jié)果，這樣的固態(tài)體具有能夠限制激光活化介質(zhì)對(duì)放大單元或放大器模塊的影響 (如果需要，能夠減小影響)的優(yōu)點(diǎn)。這尤其適用于固態(tài)體中的所謂熱透鏡的設(shè)計(jì)。尤其有利的是所述至少一個(gè)固態(tài)體具有片狀設(shè)計(jì)。這樣具有片狀設(shè)計(jì)的固態(tài)體優(yōu)選使得其對(duì)放大單元或放大器模塊的影響盡可能小。然而，作為其替代，還可想到將所述至少一個(gè)固態(tài)體設(shè)計(jì)為其以聚焦或散焦方式工作，即，結(jié)合放大單元或放大器模塊具有限定的成像特性。原則上，當(dāng)固態(tài)體具有穿過其的放大器模塊輻射場(chǎng)，因此處于對(duì)其放大的位置時(shí)， 所述至少一個(gè)固態(tài)體可設(shè)置在模塊端面之間放大器模塊上的任何可選位置。原則上，光學(xué)放大處理的能量可以最多變化的方式供應(yīng)至激光活化介質(zhì)。在激光活化介質(zhì)的光學(xué)泵浦的情況下，在泵浦光斑的區(qū)域中供應(yīng)電磁輻射以便在激光活化介質(zhì)中引起激光活化激發(fā)態(tài)。在這種情況下，一個(gè)尤其有利的方案使得所述至少一個(gè)固態(tài)體設(shè)置在放大器模塊輻射場(chǎng)的其中放大器模塊輻射場(chǎng)的橫截面小于泵浦光斑的區(qū)域中。這一方案的優(yōu)點(diǎn)在于通過其可實(shí)現(xiàn)泵浦光的最佳利用。關(guān)于所述至少一個(gè)固態(tài)體相對(duì)于放大器模塊的光學(xué)元件的設(shè)置方式，可想到任何可選的設(shè)置方式。尤其優(yōu)選的是，所述至少一個(gè)固態(tài)體設(shè)置為與放大器模塊的光 學(xué)成像元件不相關(guān)，即，不需要將所述至少一個(gè)固態(tài)體布置為與放大器模塊的光學(xué)元件具有任何定義的光學(xué)相關(guān)性以便進(jìn)行操作。作為其替代，尤其是在固態(tài)體的區(qū)域中(因此在激光活化介質(zhì)的區(qū)域中)需要限定的比例時(shí)，使得所述至少一個(gè)固態(tài)體設(shè)置在放大器模塊的成像平面中。成像平面可根據(jù)放大器模塊的光學(xué)構(gòu)造設(shè)置在不同的位置。例如，可想到提供模塊端面作為成像平面。一個(gè)尤其有利的方案使得放大器模塊的成像平面設(shè)置在兩個(gè)適配分支 (adaptation branch) ^fs] 0一個(gè)方案，尤其是具有若干固態(tài)體的方案優(yōu)選使得若干成像平面設(shè)置在兩個(gè)或更多適配分支之間。所述適配分支優(yōu)選由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡形成，其中這些光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可設(shè)計(jì)為開普勒望遠(yuǎn)鏡、伽利略望遠(yuǎn)鏡或其它望遠(yuǎn)鏡，尤其是反射鏡望遠(yuǎn)鏡。在若干成像平面的情況下，便利的是中間成像分支設(shè)置在兩個(gè)成像平面之間，所述中間成像分支以定義的方式將一個(gè)成像面的輻射場(chǎng)狀態(tài)成像到另一成像面上。在這一方面，尤其有利的是所述中間成像分支被設(shè)計(jì)為光學(xué)中立的。為了能夠還提供相位比率的校正，以便實(shí)現(xiàn)放大器模塊的準(zhǔn)中立行為，改變光程長(zhǎng)度的相位校正元件優(yōu)選設(shè)置在放大器模塊的一個(gè)成像平面中。當(dāng)提供若干成像平面時(shí)，可在若干成像平面中設(shè)置相位校正元件，以便于尤其優(yōu)化相位校正。該相位校正元件可以最多變化的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，該相位校正元件可為自適應(yīng)反射鏡或具有各種光學(xué)延遲路徑的元件。關(guān)于諧振腔的設(shè)計(jì)，結(jié)合前面關(guān)于各個(gè)實(shí)施例的說明還未給出進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。例如，一個(gè)尤其有利的方案使得所述諧振腔為穩(wěn)定諧振腔。作為其替代，可想到的是，所述諧振腔為不穩(wěn)定諧振腔。在不穩(wěn)定諧振腔的情況下，優(yōu)選的是虛擬分離面位于所述不穩(wěn)定諧振腔的使得波前在相反方向上穿過其達(dá)至少70%的區(qū)域中。作為提供穩(wěn)定或不穩(wěn)定諧振腔的替代，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)附加方案使得所述諧振腔為環(huán)形諧振腔。另外，開始所描述的目的還通過根據(jù)方法權(quán)利要求的用于組建激光放大器系統(tǒng)的方法來實(shí)現(xiàn)。


本發(fā)明的另外的特征和優(yōu)點(diǎn)是以下描述以及示出若干實(shí)施例的附圖的主題。在附圖中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的激光放大器系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意圖，其具有穩(wěn)定諧振腔和放大單元；圖2示出在非開口(non-split)狀態(tài)下的根據(jù)圖1的穩(wěn)定諧振腔的構(gòu)造的示意圖，其中虛擬分離面重合； 圖3示出根據(jù)本發(fā)明的激光放大器系統(tǒng)的示意圖，其具有形成放大單元的若干放大器模塊；圖4示出根據(jù)本發(fā)明的放大器模塊的第一實(shí)施例的示意圖；圖5示出根據(jù)圖4的放大器模塊的模塊端面中分別歸一化至最大值的強(qiáng)度分布的示圖；圖6示出圖5中的強(qiáng)度分布的商的示
圖7示出在理想光學(xué)中立情況下，根據(jù)圖4的放大器模塊的模塊端面中的相位分布之間的相位差的示圖；圖8示出在非理想光學(xué)中立(S卩，準(zhǔn)中立)情況下，根據(jù)圖4的相位分布中的相位差的示圖；圖9示出根據(jù)本發(fā)明的放大器模塊的第二實(shí)施例與圖4類似的示圖；圖10示出根據(jù)本發(fā)明的放大器模塊的第三實(shí)施例的示圖；圖11示出根據(jù)本發(fā)明的放大器模塊的第四實(shí)施例與圖4類似的示圖；圖12示出根據(jù)本發(fā)明的放大器模塊的第五實(shí)施例與圖11類似的剖視圖；圖13示出根據(jù)本發(fā)明的放大器模塊的第六實(shí)施例的剖視圖，其具有相位校正元件；圖14示出根據(jù)本發(fā)明的放大器模塊的第七實(shí)施例與圖13類似的剖視圖；圖15示出根據(jù)本發(fā)明的放大器模塊的第八實(shí)施例與圖4類似的示圖；圖16示出根據(jù)本發(fā)明的放大器模塊的第九實(shí)施例的示圖；圖17示出根據(jù)本發(fā)明的放大器模塊的第十實(shí)施例的示圖；圖18示出根據(jù)本發(fā)明的諧振腔的第二實(shí)施例的示圖；圖19示出根據(jù)本發(fā)明的諧振腔的第三實(shí)施例的示圖，其被設(shè)計(jì)為不穩(wěn)定諧振腔；圖20示出根據(jù)本發(fā)明的諧振腔的第四實(shí)施例的示圖，其被示出為不穩(wěn)定諧振腔；圖21示出根據(jù)本發(fā)明的諧振腔的第五實(shí)施例的示圖，其被設(shè)計(jì)為環(huán)形諧振腔；以及圖22示出根據(jù)本發(fā)明的諧振腔的第六實(shí)施例的示圖，其被設(shè)計(jì)為混合諧振腔。
具體實(shí)施例方式如圖1中所示，沿著光軸OA設(shè)置的根據(jù)本發(fā)明的激光放大器系統(tǒng)10的第一實(shí)施例包括諧振腔12和放大器單元14，該放大器單元14被設(shè)計(jì)為光學(xué)獨(dú)立于諧振腔12，并且以與端面16和18直接光學(xué)耦合的方式與被設(shè)計(jì)為開口(split)的諧振腔的諧振腔截面鄰接。被設(shè)計(jì)為開口的諧振腔12應(yīng)這樣理解諧振腔部分20、30從兩個(gè)相應(yīng)的虛擬分離面22和32延伸，其中虛擬分離面22和32與放大器單元的端面16和18重合，并且其中諧振腔部分20、30具有假設(shè)光學(xué)上不存在放大器單元14并且虛擬分離面22和32重合的光學(xué)布局，如圖2所示，從而對(duì)于設(shè)置有諧振腔模式的諧振腔部分20和30的光學(xué)布局而言， 放大器單元14的光學(xué)行為與模式無關(guān)，即，預(yù)定的諧振腔模式將不會(huì)被放大器單元改變。諧振腔部分20、30優(yōu)選包括光學(xué)諧振腔元件24、34，其分別限定與各分離面22、32 鄰接的諧振腔輻射場(chǎng)部分26、36。由于諧振腔12的光學(xué)布局以分離面22和32重合為前提，因此在激光放大器系統(tǒng)的預(yù)定范圍的運(yùn)行狀態(tài)內(nèi)的至少一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)中，諧振腔輻射場(chǎng)部分26和36在分離面22 和32中的輻射場(chǎng)狀態(tài)導(dǎo)致諧振腔輻射場(chǎng)部分26、36中相同的模式比，即，諧振腔輻射場(chǎng)部分26和36中形成的輻射場(chǎng)模式對(duì)應(yīng)于圖2所示具有重合的分離面22、32的諧振腔12的輻射場(chǎng)模式。
因此，在根據(jù)本發(fā)明的激光放大器系統(tǒng)10的情況下，諧振腔輻射場(chǎng)部分26、36的形成受諧振腔部分20、30的光學(xué)設(shè)置限定，特別是受其光學(xué)諧振腔元件24、34限定，而不依賴于開口諧振腔12中插入分離面22、32之間的放大器單元14的任何光學(xué)行為。在圖1中所示的穩(wěn)定諧振腔12的簡(jiǎn)化例子中，例如，諧振腔輻射場(chǎng)部分26、36的光學(xué)諧振腔元件24和34為反射和另外的聚焦元件，其中光學(xué)諧振腔元件34沒有被設(shè)計(jì)為全反射，因此諧振腔輻射場(chǎng)部分36的一部分向外耦合到出射輻射場(chǎng)40中。例如，被設(shè)計(jì)為光學(xué)上獨(dú)立于諧振腔的放大器單元14如圖1中所示地包括放大器模塊50，或者如圖3中所示地包括若干放大器模塊50，這些放大器模塊50設(shè)置在分離面22 和32之間，并形成圖1的放大器單元14或圖3的放大器單元14'。在這一方面，每一放大器模塊50在第一模塊端面52和第二模塊端面54之間延伸，其中在如圖3所示地多個(gè)放大器模塊50 —個(gè)接一個(gè)地設(shè)置在放大器單元14 ‘中的情況下，對(duì)于連續(xù)的放大器模塊(例如放大器模塊50a和50b)，第二模塊端面54與隨后的下一第一模塊端面52重合(即，例如，模塊端面54a和52b重合)。另外，一行連續(xù)的放大器模塊50中的第一個(gè)放大器模塊50a的第一模塊端面52a 與端面16重合，而最后一個(gè)放大器模塊50η的第二模塊端面54η與第二端面18重合，從而在放大器單元14'的多個(gè)放大器模塊50的情況下，在其模塊端面52、54區(qū)域內(nèi)彼此直接合并的放大器模塊50作為整體一方面與諧振腔部分20鄰接，另一方面與諧振腔部分30鄰接。然而，還可將放大器單元14設(shè)計(jì)為使得1 1望遠(yuǎn)鏡設(shè)置在連續(xù)的放大器模塊50 的模塊端面52、54之間，或者最靠近端面16、18設(shè)置的放大器模塊50的模塊端面52、54之間，該端面16、18、該望遠(yuǎn)鏡帶來光學(xué)中立變換，S卩，換言之導(dǎo)致光學(xué)準(zhǔn)中立耦合。以 ABCD 矩陣的形式，如(例如)在 A. E. Siegmann 的 “Lasers” (Univ. Science Books,Mill Valley，CA，USA，1986，581 頁及以下)中或在 YARIV 的“ imaging of coherent fields through lenslike systems”(OPTICS LETTERS，1994 年 10 月 15 日，19 卷，20 期， 1607頁)所述的，這表示0. 97 < |A| < 1. 03-0. 2m < B < 0. 2m-0. 2 Vm < C < 0. 2 7m0. 97 < D < 1. 03，或更好0. 99 < A < 1. 01-0. Im < B < 0. Im-0. 1 Vm < C < 0. 1 7m0. 99 < D < 1. 01。在根據(jù)本發(fā)明的方案的情況下，放大器模塊50可以最多變化的方式光學(xué)地構(gòu)造。在第一實(shí)施例中，放大器模塊50包括限定放大器模塊輻射場(chǎng)60的光學(xué)成像元件 56和58，所述放大器模塊輻射場(chǎng)60在模塊端面52和54之間延伸，并穿過嵌入在(例如) 小型固態(tài)片狀構(gòu)件62和64中的光學(xué)泵浦的激光活化介質(zhì)LM，其中所述小型固態(tài)片狀構(gòu)件62和64表示薄盤，如根據(jù)歐洲專利申請(qǐng)O 632 551A中的激光系統(tǒng)中所使用的。在這一方面，在根據(jù)圖4的原理圖中省略了小型固態(tài)片狀構(gòu)件62和64的冷卻。小型固態(tài)片狀構(gòu)件62和64中的光學(xué)放大激光活化介質(zhì)LM的泵浦分別通過入射的泵浦光輻射66和68來進(jìn)行，這分別在小型固態(tài)片狀構(gòu)件62和64中產(chǎn)生泵浦光斑72和 74，光斑大小(例如)使得放大器模塊輻射場(chǎng)截面76和78分別位于小型固態(tài)片狀構(gòu)件62、 64中分別在泵浦光斑72和74內(nèi)，其中泵浦光斑72、74的尺度優(yōu)選設(shè)計(jì)為使其至少分別與放大器模塊輻射場(chǎng)橫截面76和78 —樣大，但將其完全包圍。成像元件56和58以及小型固態(tài)片狀構(gòu)件62和64 —起形成光學(xué)系統(tǒng)80，該光學(xué)系統(tǒng)80作為整體限定模塊端面52、54之間的放大器模塊輻射場(chǎng)60的路線。根據(jù)A. E. Siegmann 的 “Lasers” (Univ. Science Books, Mill Valley, CA, USA, 1986，581 頁及以下)中或 YARIV 的 “imaging of coherent fields through lenslike systems”(OPTICS LETTERS，1994 年 10 月 15 日，19 卷，20 期，1607 頁)中的理論方法，該光學(xué)系統(tǒng)80的尺度優(yōu)選設(shè)計(jì)為使得ABCD矩陣具有下列值0. 97 < A < 1. 03-0. 2m < B < 0. 2m-0· 2 7m < C < 0· 2 7m0. 97 < D < 1. 03，優(yōu)選為-0. 98 < A < 1. 02-0. 15m < B < 0. 15m-0. 15 Vm < C < 0. 15 7m-0. 98 < D < 1. 02， 甚至更好-0. 99 < A < 1. 01-0. Im < B < 0. Im-0. 1 Vm < C < 0. 1 7m-0. 99 < D < 1. 01。在本專利申請(qǐng)的架構(gòu)內(nèi)將具有這樣的值的光學(xué)系統(tǒng)80命名為光學(xué)準(zhǔn)中立系統(tǒng)。這樣的光學(xué)系統(tǒng)80對(duì)諧振腔12中形成的諧振腔輻射場(chǎng)的諧振腔模式?jīng)]有任何模式相關(guān)光學(xué)影響。在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)80中，小型固態(tài)片狀構(gòu)件62和64優(yōu)選被設(shè)計(jì)為其在光軸OA方向上的延伸表示小型固態(tài)片狀構(gòu)件62、64的厚度，在與光軸OA有關(guān)的每一方向上， 其在相對(duì)于光軸OA的橫向上的延伸比小型固態(tài)片狀構(gòu)件62、64的厚度大5倍以上，優(yōu)選大 10倍。結(jié)果，對(duì)于該布局而言，能夠?qū)⑿⌒凸虘B(tài)片狀構(gòu)件62、64的光學(xué)特性對(duì)光學(xué)系統(tǒng) 80的影響保持在限制內(nèi)。如圖4所示，放大器模塊50的第一實(shí)施例包括光學(xué)成像元件56和58，其設(shè)置在模塊端面52、54之間，并且與小型固態(tài)片狀構(gòu)件62、64的成像特性協(xié)調(diào)地關(guān)于其成像特性進(jìn)行尺度設(shè)計(jì)，使得如圖5所示，模塊端面52、54中的一個(gè)中的強(qiáng)度分布IP1(該分布表示一些輻射場(chǎng)狀態(tài)并歸一化至各模塊端面52、54中的最大強(qiáng)度)以保持強(qiáng)度分布形狀的方式變換至模塊端面54、52中的另一個(gè)中的強(qiáng)度分布IP2 (該分布被歸一化至各模塊端面52、54 中 的最大強(qiáng)度)，其中強(qiáng)度分布形狀的保持尤其導(dǎo)致中心區(qū)域Z，該中心區(qū)域Z表示包含總光功率的80% (甚至更好，總光功率的90%)的各強(qiáng)度分布HVIP2的最小截面積。圖6所示的強(qiáng)度分布IP1和IP2的商表明，歸一化至最大值的強(qiáng)度值的偏差在整個(gè)光束截面上優(yōu)選小于5%。然而，圖4中與小型固態(tài)片狀構(gòu)件62、64結(jié)合的光學(xué)成像元件56和58不僅將強(qiáng)度分布從一個(gè)模塊端面52、54變換至相應(yīng)的另一模塊端面54、52，而且還對(duì)表示輻射場(chǎng)狀態(tài)的相位分布PP1和PP2進(jìn)行變換，其中在以理想的光學(xué)中立方式工作的放大器模塊50的情況下，兩個(gè)相位分布PP1和PP2中的差導(dǎo)致如圖7所示，而針對(duì)沒有以理想的光學(xué)中立方式工作的放大器模塊50的情況，圖8所示的相對(duì)相位(對(duì)應(yīng)于相位分布PP1和PP2中的差) 導(dǎo)致小于4拉德(甚至更好，小于3拉德)的變化。如圖9所示，在根據(jù)本發(fā)明的放大器模塊50 ‘的第二實(shí)施例中，光學(xué)放大激光活化介質(zhì)LM集成到成像元件56' ,58'中，從而可省略作為激光活化介質(zhì)LM的載體的附加小型固態(tài)片狀構(gòu)件62、64。在這種情況下，固態(tài)片狀構(gòu)件對(duì)光學(xué)系統(tǒng)80'的效果不可用，因此能夠更容易設(shè)計(jì)尺度。在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)80和80'的第一和第二實(shí)施例中，激光活化介質(zhì)LM的布置不依賴于其在放大器模塊輻射場(chǎng)60中的位置；對(duì)于激光活化介質(zhì)LM的布置來說僅需要考慮各泵浦光斑72、74適配到放大器模塊輻射場(chǎng)截面76、78以便適當(dāng)?shù)倪m配到所選諧振腔模式有效泵浦激光活化介質(zhì)LM，并獲得放大器模塊輻射場(chǎng)60的有效放大。在第二實(shí)施例的情況下對(duì)于其他部件，全數(shù)參考前面關(guān)于剩余特征的描述說明， 尤其是放大器模塊的特征。如圖10所示，在放大器模塊50"的第三實(shí)施例中，光學(xué)系統(tǒng)80"的總體性質(zhì)與第一和第二實(shí)施例中相同，即，光學(xué)系統(tǒng)80"根據(jù)上面給出的定義準(zhǔn)中立地工作。與第一和第二實(shí)施例相比，根據(jù)本發(fā)明的放大器模塊50"的第三實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)80"被設(shè)計(jì)為使得小型固態(tài)片狀構(gòu)件62設(shè)置在光學(xué)系統(tǒng)80"的成像平面82中，并且光學(xué)系統(tǒng)80"具有兩個(gè)適配分支86、88，其基于具有(尤其是)反射鏡的開普勒望遠(yuǎn)鏡或其他望遠(yuǎn)鏡，具有等于或不等于1的倍率VG，并將成像平面82中存在的放大器模塊輻射場(chǎng)分別成像到模塊端面52和模塊端面54上。通過這樣的適配分支86和88可使放大器模塊輻射場(chǎng)截面76"適配到至所需比例。例如，作為適配分支86、88選擇的結(jié)果，可使放大器模塊輻射場(chǎng)截面76"適配到小型固態(tài)片狀構(gòu)件62上的泵浦光斑72。適配分支86、88被設(shè)計(jì)為使得光學(xué)系統(tǒng)80"作為整體以上述方式相對(duì)于其將一個(gè)模塊端面52、54中的輻射場(chǎng)狀態(tài)變換至相應(yīng)另一模塊端面54、52的行為準(zhǔn)中立地起作用，其中適配分支86、88之一具有(尤其是)等于或不等于1的倍率VG，適配分支88、86中的另一個(gè)具有反轉(zhuǎn)倍率1/VG。如圖11所示，在根據(jù)本發(fā)明的放大器模塊50"‘的第四實(shí)施例中，光學(xué)系統(tǒng) 80"‘的整體尺度以與上述相同的方式設(shè)計(jì)，因此在模塊端面52、54之間具有與前述放大器模塊相同的變換行為。
輻射場(chǎng)塊53和55與放大器模塊50〃 ‘在兩側(cè)鄰接，這些塊屬于分別與模塊平面 52,54鄰接的諧振腔輻射場(chǎng)部分26和36，或者屬于與放大器模塊輻射場(chǎng)60相鄰的放大器模塊50，或者屬于附加中間成像系統(tǒng)的輻射場(chǎng)。 然而，與前述放大器模塊相比，光學(xué)系統(tǒng)80"‘在模塊端面52、54之間總共包括 (例如)其中設(shè)置小型固態(tài)片狀構(gòu)件62、64的兩個(gè)成像平面82和84。另外，光學(xué)系統(tǒng)80〃 ‘類似地包括基于開普勒望遠(yuǎn)鏡的兩個(gè)適配分支86、88，其中每一適配分支86、88都將模塊端面52和54中的輻射場(chǎng)狀態(tài)以特定成像比例分別成像到成像平面82、84上。中間成像分支90設(shè)置在成像平面82、84之間，其將成像平面82中的輻射場(chǎng)狀態(tài)變換至成像平面84，反之亦然，并且在這一方面，優(yōu)選在上面所給出的定義架構(gòu)內(nèi)準(zhǔn)中立地工作。在放大器模塊50〃 “的光學(xué)系統(tǒng)80〃 “的第五實(shí)施例中，適配分支86'、88'并未如第三和第四實(shí)施例中那樣基于開普勒望遠(yuǎn)鏡來構(gòu)造，而是(例如)基于具有準(zhǔn)直光學(xué)元件(可分別通過圖12中描述的焦距fal2和fa22來識(shí)別)以及散焦光學(xué)元件(可分別通過圖12中描述的焦距fall和fa21來識(shí)別)的伽利略望遠(yuǎn)鏡，或者(例如)還基于其他望遠(yuǎn)鏡以使得模塊端面52和54分別位于伽利略望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)元件(可通過圖12中描述的焦距fall和fal2或fa22和fa21來識(shí)別)之間。因此，散焦光學(xué)元件(可通過圖12中描述的焦距fall和fa21來識(shí)別)分別設(shè)置在輻射場(chǎng)塊53和55中，這些輻射場(chǎng)塊分別位于在模塊端面 52和54之間延伸的各放大器模塊輻射場(chǎng)60外側(cè)。當(dāng)分別位于放大器模塊輻射場(chǎng)60外側(cè)的輻射場(chǎng)塊53和55可分別屬于諧振腔輻射場(chǎng)部分26和36的一部分，或者屬于與放大器模塊輻射場(chǎng)60鄰接的放大器模塊50的一部分，或者屬于附加中間成像系統(tǒng)的輻射場(chǎng)的一部分，從而各散焦光學(xué)元件(可分別通過描述的焦距fall和fa21來識(shí)別)可無干擾地設(shè)置在這些輻射場(chǎng)塊53、55中時(shí)，這樣的構(gòu)造是可行的。因此，前提是輻射場(chǎng)塊53、55在光軸OA方向上的延伸(Ii必須分別大于模塊端面 52和54分別距散焦光學(xué)元件(可分別通過描述的焦距fall和fa21來識(shí)別)的距離dall和
da21 °另外，在基于伽利略望遠(yuǎn)鏡的適配分支86' ,88'的情況下的倍率VG不等于1，并且一個(gè)望遠(yuǎn)鏡具有倍率VG，而另一望遠(yuǎn)鏡具有倍率1/VG。對(duì)于其他部件，根據(jù)圖12的第五實(shí)施例的中間成像分支90也與第四實(shí)施例相同。如圖13所示，在光學(xué)系統(tǒng)80"“‘的第六實(shí)施例中，具有放大介質(zhì)V的小型固態(tài)片狀構(gòu)件62設(shè)置在一個(gè)成像平面(例如，成像平面82)中，而自適應(yīng)光學(xué)元件92設(shè)置在另一成像平面(在這種情況下，成像平面84)中。自適應(yīng)光學(xué)元件92用于校正(尤其是)小型固態(tài)片狀構(gòu)件82的相位誤差，例如，由設(shè)置在小型固態(tài)片狀構(gòu)件82中光學(xué)激光活化介質(zhì) LM產(chǎn)生的相位誤差，因此，中間成像分支90'與小型固態(tài)片狀構(gòu)件62和自適應(yīng)光學(xué)元件92 一起共同形成局部光學(xué)系統(tǒng)100，其在適配分支86和88 (在根據(jù)圖13的第五實(shí)施例中未示出)之間以上面給出的定義含義內(nèi)的準(zhǔn)中立方式光學(xué)地工作。在光學(xué)系統(tǒng)80〃 ‘‘‘的進(jìn)一步變型中，另一自適應(yīng)光學(xué)元件92設(shè)置在附加中間成像分支90'的附加成像平面84'中，因此可實(shí)現(xiàn)多重的優(yōu)化的相位校正。例如，一方面可以提供球形相位校正，另一方面可提供非球形相位校正。這樣的局部光學(xué)系統(tǒng)10可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。例如，在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng) 80〃 ““的第七實(shí)施例中，如圖14所示，成像平面82和84之間設(shè)置有附加成像平面85， 例如小型固態(tài)片狀構(gòu)件6 4可設(shè)置在該附加成像平面85中。在這種情況下，中間成像分支 90設(shè)置在成像平面82和85之間，中間成像分支90'設(shè)置在成像平面85和84之間，其與小型固態(tài)片狀構(gòu)件62和64以及自適應(yīng)光學(xué)元件92 —起形成局部光學(xué)系統(tǒng)100'，該局部光學(xué)系統(tǒng)100 ‘設(shè)置在適配分支86和88 (圖14同樣未示出)之間，并且共同以上面所描述的發(fā)明含義內(nèi)的準(zhǔn)中立方式工作。如圖15所示，在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)80"““‘的第八實(shí)施例中，被設(shè)計(jì)為成像元件的固態(tài)體63和65設(shè)置在成像平面82和84中(圖11所示第四實(shí)施例的修改)，作為光學(xué)放大介質(zhì)V的載體，代替小型固態(tài)片狀構(gòu)件62、64，由于其成像性質(zhì)，不僅是為了設(shè)計(jì)適配分支86和88尺度，也是為了設(shè)計(jì)中間成像分支90尺度而考慮這些固態(tài)體，因此根據(jù)第八實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)80"““‘共同以準(zhǔn)中立方式工作。通過將自適應(yīng)光學(xué)元件92插入成像平面82、84之一中，第八實(shí)施例可經(jīng)歷與第四實(shí)施例相同的修改，因此在這種情況下，參考有關(guān)根據(jù)圖13和圖14的第六和第七實(shí)施例的說明，不同之處在于設(shè)置光學(xué)元件63、65作為光學(xué)放大激光活化介質(zhì)LM的載體，代替小型固態(tài)片狀構(gòu)件62和/或64。在根據(jù)本發(fā)明的放大器模塊50〃 “““的第九實(shí)施例中，光學(xué)系統(tǒng)80〃 “““ 被設(shè)計(jì)為折疊型系統(tǒng)，從而(例如)光學(xué)成像元件56'和58'不是透射型成像元件，而是反射型成像元件。以與圖4所示第一實(shí)施例相同的方式，小型固態(tài)片狀構(gòu)件62、64設(shè)置在(例如) 光學(xué)成像元件56和58之間工作。類似地，光學(xué)系統(tǒng)80"“““的尺度被設(shè)計(jì)為使得在結(jié)合上述實(shí)施例給出的定義含義內(nèi)共同為準(zhǔn)中立的。在第九實(shí)施例的改型中，如圖17所示，第十實(shí)施例的光學(xué)放大激光活化介質(zhì)LM與第二實(shí)施例類似地設(shè)置在成像元件56'和58'中，從而可簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)80〃 ‘‘““‘的尺度設(shè)計(jì)。結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的激光放大器系統(tǒng)的第一實(shí)施例，共焦諧振腔被表示為諧振腔 12。然而原則上，諧振腔12可具有任何可選的設(shè)計(jì)，并且放大器單元14可設(shè)置在諧振腔的最多變化的位置處。在圖18中，類似地示出共焦穩(wěn)定諧振腔12'作為根據(jù)本發(fā)明的諧振腔的第二實(shí)施例，然而在這種情況下，分離面22和32位于光學(xué)諧振腔元件34的區(qū)域內(nèi)，即，位于諧振腔元件34a和諧振腔元件34b之間，其中諧振腔元件34a為成像諧振腔元件，諧振腔元件 34b為反射諧振腔元件。在根據(jù)本發(fā)明的諧振腔的此實(shí)施例中，諧振腔部分20 ‘從諧振腔元件24延伸直到分離面22，并包括諧振腔元件34a，而諧振腔部分30 ‘為無窮小，并且僅在分離面32與直接鄰接分離面32的反射諧振腔元件34b之間延伸?？梢耘c第一實(shí)施例相同的方式設(shè)計(jì)放大器單元14，且放大器單元14包括一個(gè)放大器模塊50或若干放大器模塊50。
如通過圖19中的例子所示，在根據(jù)本發(fā)明的諧振腔12"的第三實(shí)施例中，諧振腔作為不穩(wěn)定諧振腔12"運(yùn)行，其中在圖19所示具有“正分支”的實(shí)施例中，光學(xué)諧振腔元件 24"為準(zhǔn)直諧振腔元件，而諧振腔元件34"為去準(zhǔn)直諧振腔元件。如圖20所示，在根據(jù)本發(fā)明的諧振腔12"‘的第四實(shí)施例中，在具有“負(fù)分支”的不穩(wěn)定諧振腔的情況下，諧振腔元件34"類似地被設(shè)計(jì)為準(zhǔn)直。然而，在穩(wěn)定諧振腔的情況下，可在諧振腔12"‘內(nèi)任選分離面22、32的位置，在不穩(wěn)定諧振腔12"‘的情況下，分離面22、32的位置必須(例如)被選擇為其盡可能接近準(zhǔn)直光學(xué)諧振腔元件24"‘，以 便確保由諧振腔輻射場(chǎng)部分26和36分別在分離面22和 32中產(chǎn)生的輻射場(chǎng)狀態(tài)為準(zhǔn)相同的，因?yàn)橹挥性谶@種情況下，才能從一個(gè)或若干個(gè)根據(jù)本發(fā)明的放大器模塊50構(gòu)造位于分離面22和32之間的準(zhǔn)中立放大器單元14。對(duì)于其他部件，全數(shù)參考前面關(guān)于剩余特征的描述說明，尤其是放大器模塊的特征。如圖21所示，在根據(jù)本發(fā)明的諧振腔12"“的第五實(shí)施例中，其被設(shè)計(jì)為環(huán)形諧振腔，并類似地在分離面22、32區(qū)域中開口(split)，從而放大器單元14以與前述實(shí)施例相同的方式設(shè)置在分離面22、32之間，全數(shù)參考前述實(shí)施例關(guān)于該放大器單元的特征的論述。如圖22所示，在根據(jù)本發(fā)明的激光放大器系統(tǒng)的第六實(shí)施例中，諧振腔12"“‘ 被設(shè)計(jì)為混合諧振腔，其在附圖平面內(nèi)不穩(wěn)定，其中與不穩(wěn)定諧振腔類似，分離面22、32盡可能靠近準(zhǔn)直光學(xué)諧振腔元件24"。
權(quán)利要求
1.激光放大器系統(tǒng)，包括諧振腔(12)，其具有光學(xué)諧振腔元件(M，34)和至少一個(gè)激光活化介質(zhì)(LM)，所述光學(xué)諧振腔元件確定了沿著光軸(OA)傳播的諧振腔輻射場(chǎng)06，36)的路線，其特征在于，所述諧振腔(12)被設(shè)計(jì)為開口諧振腔(12)，并具有從第一虛擬分離面02)延伸的第一諧振腔部分00)和從第二虛擬分離面(3 延伸的第二諧振腔部分(30)，所述諧振腔部分00， 30)的尺度被光學(xué)地設(shè)計(jì)為使得在每一虛擬分離面(22,3 中，所述諧振腔輻射場(chǎng)(沈，36) 具有對(duì)應(yīng)于相同諧振腔模式的輻射場(chǎng)狀態(tài)，光學(xué)獨(dú)立于所述諧振腔(1 的放大單元(14) 設(shè)置在所述第一和所述第二虛擬分離面(22,3 之間，所述放大單元包括所述至少一個(gè)激光活化介質(zhì)(LM)，并以相對(duì)于所述諧振腔模式的中立方式耦合對(duì)應(yīng)于相同諧振腔模式的所述輻射場(chǎng)狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述放大單元(14)包括具有所述至少一個(gè)激光活化介質(zhì)(LM)的至少一個(gè)放大器模塊(50)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)放大器模塊 (50)以相對(duì)于所述諧振腔模式的光學(xué)中立方式工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)放大器模塊 (50)以光學(xué)中立方式耦合到所述虛擬分離面(16，18)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，每一放大器模塊(50)在第一虛擬模塊端面(5 和第二虛擬模塊端面(54)之間延伸，并且其尺度被光學(xué)地設(shè)計(jì)為使得在所述激光放大器系統(tǒng)以預(yù)定功率范圍內(nèi)的至少平均功率運(yùn)行期間，其在至少一個(gè)中心區(qū)域(Z)中以保持強(qiáng)度分布形狀的方式將表示一個(gè)模塊端面(5 中放大器模塊輻射場(chǎng)(60)的輻射場(chǎng)狀態(tài)的強(qiáng)度分布變換至另一模塊端面64)，并且第一個(gè)模塊端面 (52)耦合至第一分離面(22)，而第二個(gè)模塊端面(54)耦合至第二分離面(32)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，至少在所述中心區(qū)域(Z)處， 在模塊端面(52，M)的由于成像而分別彼此關(guān)聯(lián)的位置中，歸一化至其最大值的強(qiáng)度分布 (IP)的強(qiáng)度值彼此偏離最大達(dá)所述最大值的20%，其中所述強(qiáng)度值表示單個(gè)輻射場(chǎng)狀態(tài)值。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)放大器模塊 (50)本質(zhì)上以保持強(qiáng)度分布形狀的方式將一個(gè)虛擬模塊端面(52，M)中的、歸一化至其最大值的強(qiáng)度分布(IP)變換至另一虛擬模塊端面(54，52)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)放大器模塊(50)至少在中心區(qū)域(Z)中以保持相位分布形狀的方式將表示輻射場(chǎng)狀態(tài)的相位分布(PP)從一個(gè)模塊端面(52，54)變換至另一模塊端面(54，52)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，模塊端面(52，54)的由于成像而分別彼此關(guān)聯(lián)的位置中的相位分布(PP)的相位值的差在每一點(diǎn)處小于4拉德。
10.根據(jù)權(quán)利要求5至9中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述中心區(qū)域 (Z)對(duì)應(yīng)于包含了放大器模塊輻射場(chǎng)(60)總功率的80%的所述放大器模塊輻射場(chǎng)(60)的最小截面積。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述放大單元 (14)包括一個(gè)放大器模塊(50)，所述模塊中，所述模塊端面中的第一個(gè)(5 與第一分離面(22)重合，而所述模塊端面中的第二個(gè)(54)與第二分離面(3 重合。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述放大單元 (14)包括若干放大器模塊(50)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，形成整體的若干放大器模塊(50) —個(gè)接一個(gè)地設(shè)置在所述分離面(22,3 之間，并且在連續(xù)的放大器模塊(50)的情況下，各第一模塊端面(5 以光學(xué)中立方式耦合至各第二模塊端面64)，并且在放大器模塊(50)整體中，第一個(gè)放大器模塊(50a)的第一模塊端面(5 光學(xué)耦合至一個(gè)分離面 (22)，最后一個(gè)放大器模塊(50η)的第二模塊端面(Mn)光學(xué)耦合至另一分離面(32)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，在連續(xù)的放大器模塊(50) 的情況下，各第一模塊端面(5 與各第二模塊端面(54)重合，并且在放大器模塊(50)整體中，第一個(gè)放大器模塊(50a)的第一模塊端面(5 以光學(xué)中立方式耦合至一個(gè)分離面 (22)，最后一個(gè)放大器模塊(50η)的模塊端面(5 )以光學(xué)中立方式耦合至另一分離面 (32)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1前序部分中所述或根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述諧振腔(12)被設(shè)計(jì)為開口諧振腔(12)，并具有從第一虛擬分離面 (22)延伸的第一諧振腔部分00)和從第二虛擬分離面(3 延伸的第二諧振腔部分(30)， 至少一個(gè)放大器模塊(50)設(shè)置在所述第一和所述第二虛擬分離面(22,3 之間，所述放大器模塊包括所述至少一個(gè)激光活化介質(zhì)(LM)，所述至少一個(gè)放大器模塊(50)設(shè)置在所述分離面(22,3 之間，使得所述至少一個(gè)放大器模塊(50)的第一模塊端面(5 以光學(xué)中立方式耦合至第一分離面(22)，所述至少一個(gè)放大器模塊(50)的第二模塊端面(54)以光學(xué)中立方式耦合至第二分離面(32)，在所述激光放大器系統(tǒng)以預(yù)定功率范圍內(nèi)的至少平均功率運(yùn)行期間，所述至少一個(gè)放大器模塊(50)在所述模塊端面(52，54)之間形成放大器模塊輻射場(chǎng)(60)，所述輻射場(chǎng)至少在中心區(qū)域(Z)中以光學(xué)準(zhǔn)中立方式將所述模塊端面(52， 54)中的輻射場(chǎng)狀態(tài)彼此耦合。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，形成整體的若干放大器模塊(50) —個(gè)接一個(gè)地設(shè)置在所述分離面(22,3 之間，并且在連續(xù)的放大器模塊(50)的情況下，各第一模塊端面(5 以光學(xué)中立方式耦合至各第二模塊端面64)，并且在放大器模塊(50)整體中，第一個(gè)放大器模塊(50a)的第一模塊端面(5 以光學(xué)中立方式耦合至一個(gè)分離面(22)，而最后的放大器模塊(50η)的第二模塊端面(54)以光學(xué)中立方式耦合至另一分離面(32)。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述放大器模塊 (50)表示光學(xué)系統(tǒng)(80)，其ABCD矩陣具有以下值0. 97 < A < 1. 03-0. 2m < B < 0. 2m-0· 2 Vm < C < 0. 2 Vm0. 97 < D < 1. 03。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述激光活化介質(zhì)(LM)設(shè)置在至少一個(gè)固態(tài)體(62，64，56'，58')中。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)固態(tài)體(62，·64,56'，58')相對(duì)于光軸(OA)橫向延伸。
20.根據(jù)權(quán)利要求18至19中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)固態(tài)體(62，64，56' ,58')沿每一方向相對(duì)于光軸(OA)的橫向延伸大于沿光軸(OA)方向的延伸。
21.根據(jù)權(quán)利要求17至19中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)固態(tài)體(62，64)具有片狀設(shè)計(jì)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20至21中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)固態(tài)體(56' ,58')具有聚焦或散焦設(shè)計(jì)。
23.根據(jù)權(quán)利要求18至22中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)固態(tài)體(62，64，56' ,58')設(shè)置在所述放大器模塊(50)中所述模塊端面(52，54)之間。
24.根據(jù)權(quán)利要求18至23中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)固態(tài)體(62，64，56' ,58')設(shè)置在所述放大器模塊輻射場(chǎng)(60)的、其放大器模塊輻射場(chǎng)截面(76，78)小于泵浦光斑(72，74)的區(qū)域中。
25.根據(jù)權(quán)利要求18至M中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)固態(tài)體(62，64)設(shè)置為與所述放大器模塊(50)的光學(xué)成像元件(56，58)不相關(guān)。
26.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)固態(tài)體(62，64，56'，58')設(shè)置在所述放大器模塊(50)的成像平面(82，84，85)中。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述放大器模塊(50)的所述成像平面(82，84，8 設(shè)置在兩個(gè)適配分支(86，88)之間。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，若干成像平面(82，84，85) 設(shè)置在所述適配分支(86，88)之間。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，中間成像分支(90)設(shè)置在兩個(gè)成像平面(82，84，85)之間。
30.根據(jù)權(quán)利要求四所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述中間成像分支(90)為光學(xué)中立的。
31.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，改變光程長(zhǎng)度的相位校正元件(9 設(shè)置在所述放大器模塊(50)的一個(gè)成像平面(84)中。
32.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述諧振腔為穩(wěn)定諧振腔(12)。
33.根據(jù)權(quán)利要求1至31中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述諧振腔為不穩(wěn)定諧振腔(12")。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述虛擬分離面(22，32) 位于所述不穩(wěn)定諧振腔(12")的使得波前沿相反方向穿過其達(dá)總直徑的至少70%的區(qū)域中。
35.根據(jù)權(quán)利要求1至31中任一項(xiàng)所述的激光放大器系統(tǒng)，其特征在于，所述諧振腔 (12"‘)為環(huán)形諧振腔。
36.一種組建激光放大器系統(tǒng)的方法，所述激光放大器系統(tǒng)包括諧振腔(12)，其具有光學(xué)諧振腔元件( ，34)和至少一個(gè)激光活化介質(zhì)(LM)，所述光學(xué)諧振腔元件確定了沿著光軸(OA)傳播的諧振腔輻射場(chǎng)06，36)的路線，其特征在于，所述諧振腔(12)被設(shè)計(jì)為開口諧振腔(12)，并具有從第一虛擬分離面0 延伸的第一諧振腔部分OO)和從第二虛擬分離面(3 延伸的第二諧振腔部分(30)，所述諧振腔部分(20，30)的尺度被光學(xué)地設(shè)計(jì)為在每一虛擬分離面02，32)中，所述諧振腔輻射場(chǎng)(沈，36)具有對(duì)應(yīng)于相同諧振腔模式的輻射場(chǎng)狀態(tài)，光學(xué)獨(dú)立于所述諧振腔(1 的放大單元(14)設(shè)置在所述第一和所述第二虛擬分離面(22，32)之間，所述放大單元包括所述至少一個(gè)激光活化介質(zhì)(LM)，并以相對(duì)于所述諧振腔模式的中立方式耦合對(duì)應(yīng)于相同諧振腔模式的所述輻射場(chǎng)狀態(tài)。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述放大單元(14)包括具有所述至少一個(gè)激光活化介質(zhì)(LM)的至少一個(gè)放大器模塊(50)。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)放大器模塊(50)以相對(duì)于所述諧振腔模式的光學(xué)中立方式工作。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)放大器模塊(50)以光學(xué)中立方式耦合到所述虛擬分離面(16，18)。
40.根據(jù)權(quán)利要求36至39中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，每一放大器模塊(50) 在第一虛擬模塊端面(5 和第二虛擬模塊端面(54)之間延伸，并且其尺度被光學(xué)地設(shè)計(jì)為使得在所述激光放大器系統(tǒng)以預(yù)定功率范圍內(nèi)的至少平均功率運(yùn)行期間，其在至少一個(gè)中心區(qū)域(Z)中以保持強(qiáng)度分布形狀的方式將表示一個(gè)模塊端面(5 中放大器模塊輻射場(chǎng)(60)的輻射場(chǎng)狀態(tài)的強(qiáng)度分布變換至另一模塊端面(M)，并且所述模塊端面中的第一個(gè)(5 耦合至第一分離面(22)，而所述模塊端面中的第二個(gè)(54)耦合至第二分離面 (32)。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，至少在所述中心區(qū)域(Z)中，在模塊端面(52，54)的由于成像而分別彼此關(guān)聯(lián)的位置中，歸一化至其最大值的強(qiáng)度分布(IP)的強(qiáng)度值彼此偏離最大達(dá)所述最大值的20%，其中所述強(qiáng)度值表示單個(gè)輻射場(chǎng)狀態(tài)值。
42.根據(jù)權(quán)利要求40或41所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)放大器模塊(50)本質(zhì)上以保持強(qiáng)度分布形狀的方式將一個(gè)虛擬模塊端面(52，M)中的歸一化至其最大值的強(qiáng)度分布(IP)變換至另一虛擬模塊端面(54，52)。
43.根據(jù)權(quán)利要求40至42中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)放大器模塊(50)至少在中心區(qū)域(Z)中以保持相位分布形狀的方式將表示輻射場(chǎng)狀態(tài)的相位分布 (PP)從一個(gè)模塊端面(52，54)變換至另一模塊端面(54，52)。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，模塊端面(52，54)的由于成像而分別彼此關(guān)聯(lián)的位置中的相位分布(PP)的相位值的差在每一點(diǎn)處小于4拉德。
45.根據(jù)權(quán)利要求40至41中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述中心區(qū)域(Z)對(duì)應(yīng)于包含了放大器模塊輻射場(chǎng)(60)總功率的80%的所述放大器模塊輻射場(chǎng)(60)的最小截面積。
46.根據(jù)權(quán)利要求36至45中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述放大單元(14)包括一個(gè)放大器模塊(50)，所述模塊中，所述模塊端面中的第一個(gè)(5 與第一分離面02)重合，而所述模塊端面中的第二個(gè)(54)與第二分離面(3 重合。
47.根據(jù)權(quán)利要求36至45中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述放大單元(14)包括若干放大器模塊(50)。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其特征在于，形成整體的若干放大器模塊(50)—個(gè)接一個(gè)地設(shè)置在所述分離面(22,3 之間，并且在連續(xù)的放大器模塊(50)的情況下，各第一模塊端面(5 以光學(xué)中立方式耦合至各第二模塊端面(M)，并且在放大器模塊(50)整體中，第一個(gè)放大器模塊(50a)的第一模塊端面(5 光學(xué)耦合至一個(gè)分離面(22)，而最后的放大器模塊(50η)的第二模塊端面(Mn)光學(xué)耦合至另一分離面(32)。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的方法，其特征在于，在連續(xù)的放大器模塊(50)的情況下，各第一模塊端面(5 與各第二模塊端面(54)重合，并且在放大器模塊(50)整體中，第一個(gè)放大器模塊(50a)的第一模塊端面(5 以光學(xué)中立方式耦合至一個(gè)分離面(22)，而最后的放大器模塊(50η)的模塊端面(5 )以光學(xué)中立方式耦合至另一分離面(32)。
50.根據(jù)權(quán)利要求36前序部分中所述或根據(jù)前述權(quán)利要求36至49中任一項(xiàng)所述的用于組件激光放大器系統(tǒng)的方法，其特征在于，所述諧振腔(12)被設(shè)計(jì)為開口諧振腔(12)， 并具有從第一虛擬分離面02)延伸的第一諧振腔部分00)和從第二虛擬分離面(32)延伸的第二諧振腔部分(30)，至少一個(gè)放大器模塊(50)設(shè)置在所述第一和所述第二虛擬分離面(22,3 之間，所述放大器模塊包括所述至少一個(gè)激光活化介質(zhì)(LM)，所述至少一個(gè)放大器模塊(50)設(shè)置在所述分離面(22,3 之間，使得所述至少一個(gè)放大器模塊(50)的第一模塊端面(5 以光學(xué)中立方式耦合至第一分離面(22)，而所述至少一個(gè)放大器模塊 (50)的第二模塊端面(54)以光學(xué)中立方式耦合至第二分離面(32)，在所述激光放大器系統(tǒng)以預(yù)定功率范圍內(nèi)的至少平均功率運(yùn)行期間，所述至少一個(gè)放大器模塊(50)在所述模塊端面(52，54)之間形成放大器模塊輻射場(chǎng)(60)，所述輻射場(chǎng)至少在中心區(qū)域(Z)中以光學(xué)準(zhǔn)中立方式將所述模塊端面(52，中的輻射場(chǎng)狀態(tài)彼此耦合。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，其特征在于，形成整體的若干放大器模塊(50)—個(gè)接一個(gè)地設(shè)置在所述分離面(22,3 之間，并且在連續(xù)的放大器模塊(50)的情況下，各第一模塊端面(5 以光學(xué)中立方式耦合至各第二模塊端面(M)，并且在放大器模塊(50)整體中，第一個(gè)放大器模塊(50a)的第一模塊端面(5 以光學(xué)中立方式耦合至一個(gè)分離面 (22)，最后的放大器模塊(50η)的第二模塊端面(54)以光學(xué)中立方式耦合至另一分離面 (32)。
52.根據(jù)權(quán)利要求36至51中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述放大器模塊(50)表示光學(xué)系統(tǒng)(80)，其ABCD矩陣具有以下值0. 97 < A < 1. 03-0. 2m < B < 0. 2m-0· 2 Vm < C < 0. 2 Vm0. 97 < D < 1. 03。
53.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述激光活化介質(zhì)(LM)設(shè)置在至少一個(gè)固態(tài)體(62，64，56'，58')中。
54.根據(jù)權(quán)利要求53所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)固態(tài)體(62，64，56'， 58')設(shè)置在所述放大器模塊(50)中所述模塊端面(52，54)之間。
55.根據(jù)權(quán)利要53至M中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)固態(tài)體(62， 64,56' ,58')設(shè)置在所述放大器模塊輻射場(chǎng)(60)的其放大器模塊輻射場(chǎng)截面(76，78) 小于泵浦光斑(72，74)的區(qū)域中。
56.根據(jù)權(quán)利要求53至55中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)固態(tài)體(62，64)設(shè)置為與所述放大器模塊(50)的光學(xué)成像元件(56，58)不相關(guān)。
57.根據(jù)權(quán)利要求53至56中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)固態(tài)體 (62,64,56'，58')設(shè)置在所述放大器模塊(50)的成像平面(82，84，85)中。
58.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于，所述放大器模塊(50)的所述成像平面 (82，84，85)設(shè)置在兩個(gè)適配分支(86，88)之間。
59.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，若干成像平面(82，84，邪)設(shè)置在所述適配分支(86，88)之間。
60.根據(jù)權(quán)利要求59所述的方法，其特征在于，中間成像分支(90)設(shè)置在兩個(gè)成像平面(82，84，85)之間。
61.根據(jù)權(quán)利要求60所述的方法，其特征在于，所述中間成像分支(90)被選擇為光學(xué)中立的。
62.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，改變光程長(zhǎng)度的相位校正元件(9 設(shè)置在所述放大器模塊(50)的一個(gè)成像平面(84)中。
全文摘要
為了以可簡(jiǎn)化諧振腔構(gòu)造的方式改善激光放大器系統(tǒng)(10)，其中激光放大器系統(tǒng)包括諧振腔(12)，其具有光學(xué)諧振腔元件(24，34)和至少一個(gè)激光活化介質(zhì)(LM)，光學(xué)諧振腔元件確定了沿著光軸傳播的諧振腔輻射場(chǎng)的路線，本發(fā)明提出諧振腔設(shè)計(jì)為開口諧振腔，并具有從第一虛擬分離面(22，52)延伸的第一諧振腔部分和從第二虛擬分離面(32，54)延伸的第二諧振腔部分，諧振腔部分的尺度被光學(xué)地設(shè)計(jì)為在每一虛擬分離面中，諧振腔輻射場(chǎng)具有對(duì)應(yīng)于相同諧振腔模式的輻射場(chǎng)狀態(tài)，光學(xué)獨(dú)立于諧振腔的放大單元(14，50)設(shè)置在第一和所述第二虛擬分離面之間，該放大單元包括至少一個(gè)激光活化介質(zhì)，并以相對(duì)于諧振腔模式的中立方式耦合對(duì)應(yīng)于相同諧振腔模式的輻射場(chǎng)狀態(tài)。在一個(gè)實(shí)施例中，放大單元(50)形成1∶1望遠(yuǎn)鏡。
文檔編號(hào)H01S3/081GK102414940SQ201080018735
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者延斯·門德, 格哈德·斯平德勒, 約亨·施派澤, 阿道夫·吉森 申請(qǐng)人:德國航空航天中心