專利名稱：激光器的橫模選擇方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光器的橫模選擇方法及裝置。
在大多數(shù)的激光應(yīng)用場合，要求激光器具有良好的方向性，即所輸出的激光束應(yīng)具有盡可能小的發(fā)散度。而導致大的激光束發(fā)散度的主要原因是激光腔的多模振蕩。雖然，多橫模振蕩的激光器具有較大的輸出功率，但由于高階模場分布的多個π相位躍變的特點，就使得輸出光束的遠場分布分裂為多個具有一定夾角的主瓣，這不僅使遠場分布的中心強度減弱，而且也使激光束的發(fā)散角大大增加。
為了壓縮激光束的發(fā)散度，通常的方法是壓縮激光振蕩模式，即通過對橫模的選擇，實現(xiàn)激光器的單模振蕩和單模輸出，從而獲得良好的方向性。對于各種激光器，通常采用的橫模選擇方法是在諧振腔內(nèi)插入附加的選模元件(通常有孔徑光欄、“F-P”標準具、臨界角反射器、放電管或工作介質(zhì)本身等)，即通過控制選模元件的孔徑尺寸，抑制高階模振蕩。由此，長期來，人們所形成的傳統(tǒng)的橫模選擇概念就歸納為要獲得單橫模輸出，必須抑制高階模振蕩，即單模輸出對應(yīng)著單模振蕩。傳統(tǒng)的選模方法雖然簡單易行，但根本的缺點是以撇棄高階模能量為代價，由于振蕩模體積的壓縮，勢必使得單模輸出功率遠小于多模運轉(zhuǎn)的輸出功率。
本發(fā)明的目的是提供一種激光器的橫模選擇方法及裝置。
為了達到上述目的，本發(fā)明采取下列措施。它為多模振蕩單模高功率輸出的橫模選擇方法，該方法是基本波導模與自由空間模之間的展開與耦合原理，把增益介質(zhì)區(qū)和控模波導管作為二種不同元件置于同一激光腔內(nèi)，使參與在自由空間增益區(qū)振蕩和放大的各階自由空間模耦合成最低階波導模輸出。按照上述方法設(shè)計的裝置依次包括，全反射鏡，充有氣體介質(zhì)的大口徑放電管，或固體增益介質(zhì)，或液體增益介質(zhì)或半導體和中空介質(zhì)波導管，輸出反射鏡組成的“波導/自由空間”復合腔。
下面結(jié)合附圖進一步作詳細說明。
附圖是按照上述方法設(shè)計的“波導/自由空間”復合腔激光裝置示意圖。
本發(fā)明所給出的選模原理和方法是一支適當管徑和管長的中空介質(zhì)波導管置于激光腔內(nèi)，而構(gòu)成如

圖1所示的“波導/自由空間”復合腔激光器構(gòu)型。其組成主要包括激光腔的全反射鏡1(曲率半徑為R1)，大口徑放電管3(或其它大口徑增益介質(zhì))，中空介質(zhì)波導管4和激光腔的輸出反射鏡2(曲率半徑為∞)等部分。放電管內(nèi)充有工作氣體，是激光器的增益區(qū)，由于它的口徑足夠大，而使在其中參與振蕩的高階模具有很小的衍射損耗和包絡(luò)有大的激活模體積，所以，放電管也相當于自由空間增益區(qū)。中空介質(zhì)波導管是作為控模元件置于腔內(nèi)的，本身不具有增益放大作用?！安▽?自由空間”復合腔與普通波導腔的根本區(qū)別在于普通的波導腔中，波導管既是一個控模元件，同時又是增益介質(zhì)工作區(qū)。而對于本發(fā)明所提出的復合腔，其增益介質(zhì)區(qū)和控模波導管是作為二種不同元件置于腔內(nèi)，中空波導管的控模作用限定了激光器以低階波導模的輸出形式，但波導管本身不是增益區(qū)，因而復合腔中的整個激活模體積就不受波導管尺寸的限制。
滿足“波導/自由空間”復合腔自洽條件的振蕩模必須是能以低損耗傳輸于波導管的低階波導本征模，同時又必須是具有在自由空間增益區(qū)中的拉蓋爾-高斯分布，以便能被反射鏡所高效耦合。因此，在本發(fā)明所提出的復合腔中，中空介質(zhì)波導管首先形成波導本征模EH11，當波導管的直徑取成2a時，波導本征模EH11的場分布是E11=J0( (u11)/(a) r)式中，u11是零階貝塞爾函數(shù)的第一個根，r是傳輸系數(shù)，而在波導管與反射鏡的空間中，即在大口徑放電管內(nèi)波導本征模EH11被展開成多階拉蓋爾-高斯自由空間模的線性組合，這些模在這自由空間傳輸中是滿足傳輸規(guī)律，因而其傳輸損耗是很小的。當它們由波導管的管口傳到全反射鏡，將被反射鏡反射，然后，再經(jīng)由這傳輸空間，返回到波導管的管口，并重新耦合成原來的波導本征模EH11分布，而后經(jīng)由波導管的傳輸，再由輸出反射鏡反射，再到波導管，如此，完成復合腔的自洽振蕩。
在上述的復合腔內(nèi)振蕩模的形成過程中，一個關(guān)鍵所在是在波導管口與全反射鏡之間放置了大口徑放電管，這大口徑放電管是整個激光器的增益放大區(qū)，也就是說，在波導管與反射鏡之間是一個自由空間增益區(qū)。據(jù)此，本發(fā)明所提出的復合腔的特點是顯而易見的，即，由波導管所限定的波導模，在波導管的管口展開為多階自由空間模的線性組合，這些模在自由空間增益區(qū)傳輸過程中，都得到放大，并形成大的多模激活模體積，因此，反饋回波導管，并重新耦合成波導模的能量必定大于單個高斯基模振蕩時所能獲得的能量。復合腔腔模自洽振蕩過程中呈現(xiàn)的波導模與自由空間模之間的展開、放大、耦合過程，構(gòu)成了本發(fā)明所提出的“多模振蕩單模輸出”的選模新概念和新方法。
“波導/自由空間”復合腔的結(jié)構(gòu)參量的選取應(yīng)基于如下的原則作為控模元件的中空介質(zhì)波導管的管徑a的選取是基于使最低階波導模在波導管中的傳輸損耗足夠小的考慮，應(yīng)使腔的菲涅爾數(shù)N取在N＝ (G)/(Lλ) ＝0.5～1之間，式中，L是總腔長(全反射鏡與輸出反射鏡的間距)，λ是波長。波導管的管長1的選取是基于波導管所能形成波導模的能力，我們的研究表明，當1/a比值取成15～25的范圍時，是合宜的。
全反射鏡的曲率半徑R1，以及反射鏡到波導管的間距z的選取是基于共焦參量f，一種適當?shù)倪x擇是z＝f，R1＝2f，共焦參數(shù)f = (πW02)/(λ) ，其中，WO是基模光斑的尺寸，WO與a之間應(yīng)有如下合適的關(guān)系W0/a＝0.6435，或W0/a＝0.53大口徑放電管的管徑DT的取值是基于在其中振蕩的最大的光束直徑Dj，它們之間的合宜的關(guān)系是DT＝e2Dj式中，e＝2.73。
本發(fā)明所提出的方法的一個實施實例之一是一臺“波導/自由空間復合腔CO2激光器?；谏鲜龅脑O(shè)計原則，這臺激光器的各參量分別是中空介質(zhì)波導管的管長1為100mm、管半徑a為3.5mm;大口徑放電管的管徑DT＝28mm、管長L1＝900mm、全反射鏡的曲率半徑R1＝3000mm、到波導管的間距z＝15000mm，輸出反射鏡為平面鏡。在通常典型的放電條件下，復合腔激光器獲得了100w/cm2的輸出功率密度為同等增益長度的普通CO2激光器的二倍，同時，具有遠場的TEMOO模的分布形狀，即具有良好的單橫模輸出的光束發(fā)散度。
本發(fā)明所提出的選橫模新方法和諧振腔新構(gòu)型適用于各類已有的激光器，象氣體類激光器中的CO2激光器、CO激光器、He-Ne激光器、Cu激光器等等;固體類激光器中的紅寶石激光器、YAG激光器、釹玻璃激光器等等;液體類激光器中的染料激光器等，以及半導體激光器等。
本發(fā)明的優(yōu)點是1.完全更新了傳統(tǒng)的選橫模概念和方法，實現(xiàn)了“多模振蕩單模輸出”，即，不是如傳統(tǒng)方法那樣以抑制掉高階模振蕩來獲得單模輸出，而是把參與振蕩的高階模能量耦合成低階模輸出。
2.較之同樣增益長度的普通激光器，本發(fā)明的方法和裝置的輸出功率密度提高了二倍。
3.本發(fā)明的輸出激光束具有極小的發(fā)散度，即，具有良好的方向性，并且具有遠場的單橫模光場分布。
4.本發(fā)明提供的方法和裝置，簡便易行，僅在原有的激光器中添加適當尺寸的控模波導管和設(shè)定腔體的幾何結(jié)構(gòu)尺寸。
5.本發(fā)明提供的方法和裝置適用于包括氣體、固體、液體和半導體介質(zhì)的各類激光器。
權(quán)利要求
1.一種激光器的橫模選擇方法，其特征在于它為多模振蕩單模高功率輸出的橫模選擇方法，該方法是基于波導模與自由空間模之間的展開和耦合原理，把增益介質(zhì)區(qū)和控模波導管作為二種不同元件置于同一激光腔內(nèi)，使參與在自由空間增益區(qū)振蕩和放大的各階自由空間模耦合成最低階波導模輸出。
2.一種按照上述方法設(shè)計的“波導/自由空間”組合腔激光裝置，其特征在于它依次包括全反射鏡〔1〕，充有氣體介質(zhì)的大口徑放電管，或固體增益介質(zhì)，或液體增益介質(zhì)，或半導體〔3〕，中空介質(zhì)波導管〔4〕，和輸出反射鏡〔2〕組成的“波導/自由空間”復合腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種按照上述方法設(shè)計的“波導/自由空間”復合腔，激光裝置，其特征在于所說的輸出反射鏡為平面鏡，輸出反射鏡到中空介質(zhì)波導管的間距不大于1cm，所說的氣體介質(zhì)為CO2，CO，He-Ne，Cu蒸汽，所說的固體增益介質(zhì)為紅寶石，YAG，銨玻璃，液體增益介質(zhì)為染料，以及半導體增益介質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種按照上述方法設(shè)計的“波導/自由空間”復合腔激光裝置，其特征在于，所說中空介質(zhì)波導管的管徑a的尺寸滿足腔菲激數(shù)N＝0.5～1，波導管長1為管徑a的15～20倍，自由空間增益介質(zhì)的橫向尺寸為最大振蕩光束尺寸的e2倍(e＝2.731，當全反射鏡曲率半徑R1和全反射鏡到中空介質(zhì)波導管的間距為z時，則R1＝2f，z＝f，其中f為激光腔的其焦參數(shù)f = (πW02)/(λ) 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光器的橫模選擇方法及裝置，它為多模振蕩單模高功率輸出的橫模選擇方法。該方法是基于波導模與自由空間模之間展開與耦合原理，把增益介質(zhì)區(qū)和控模波導管作為二種不同元件置于同一激光腔內(nèi)，使參與在自由空間增益區(qū)振蕩和放大的各階自由空間模耦合成最低階波導模輸出。其激光裝置依次包括全反射鏡，充有氣體介質(zhì)的大口徑放電管，或固體增益介質(zhì)，或液體增益介質(zhì)，或半導體，和中空介質(zhì)波導管組成的“波導/自由空間”復合腔，輸出反射鏡。
文檔編號H01S3/082GK1083627SQ9210970
公開日1994年3月9日 申請日期1992年8月22日 優(yōu)先權(quán)日1992年8月22日
發(fā)明者馬養(yǎng)武 申請人:浙江大學