一種偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔制造技術(shù)

本實(shí)用新型專利技術(shù)公開(kāi)了一種偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔，包括半導(dǎo)體激光器、增益單元、偏振衍射光柵、反射鏡、輸出鏡，耦合諧振腔里面有增益單元、偏振衍射光柵；反射鏡和輸出鏡分布在相干合束系統(tǒng)兩端；半導(dǎo)體激光為泵浦光，其中心波長(zhǎng)與諧振腔內(nèi)的增益單元吸收譜線相匹配；偏振衍射光柵為分束/合束器件，其理論分束/合束效率達(dá)99％。本實(shí)用新型專利技術(shù)可以克服傳統(tǒng)激光器系統(tǒng)隨輸出功率的增加而導(dǎo)致的熱效應(yīng)、非線性效應(yīng)等，且光柵器件的高效率可以降低相干合束系統(tǒng)的成本及體積，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高功率、高合束效率的激光輸出。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)屬于激光
涉及一種偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔，特別涉及一種高合束效率、高相干性的激光相干合束耦合諧振腔。
技術(shù)介紹
隨著工業(yè)和軍事技術(shù)的發(fā)展,對(duì)高能激光輸出能量和光束質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求。激光憑借其單色性、方向性和相干性的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療和科技創(chuàng)新等領(lǐng)域中都扮演著舉足輕重的角色，而這些應(yīng)用都需要激光器有高功率和高光束質(zhì)量。基于上述需求，提出一種偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔。目前激光相干合束耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)及主要問(wèn)題:1、傳統(tǒng)激光器系統(tǒng)隨著輸出功率的增加會(huì)遇到熱效應(yīng)、非線性效應(yīng)和物理?yè)p傷等物理瓶頸以至無(wú)法繼續(xù)提高輸出功率。通過(guò)采用新型腔形結(jié)構(gòu)的激光器，如碟片激光器、板條激光器和大模場(chǎng)面積光纖激光器可以的緩解上述問(wèn)題，但其輸出功率也會(huì)受到一定的限制。2、激光相干合束技術(shù)不著眼于提升單一激光器的物理極限，而是通過(guò)耦合諧振腔或者M(jìn)OPA結(jié)構(gòu)(MasterOscillatorPowerAmplifier)將一定數(shù)目的激光器單元的輸出進(jìn)行相干合成。傳統(tǒng)的激光合束系統(tǒng)的效率很難達(dá)到50％，且會(huì)隨著合束的激光單元增加而減小，而該技術(shù)是用偏振衍射光柵作用合束器件，其理論合束效率可達(dá)99％，而且在合束系統(tǒng)中，由于每個(gè)合束單元的運(yùn)行功率在其物理極限以內(nèi)，所以不會(huì)遇到上述瓶頸問(wèn)題，而所有合束單元的輸出之和則帶來(lái)了合束系統(tǒng)總輸出功率的巨大提升。合束單元光束的高相干性又保證了較高的光束質(zhì)量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷和改進(jìn)需求，本技術(shù)提供了一種高功率、高光束質(zhì)量的激光相干合束耦合諧振腔，目的在于解決合束系統(tǒng)中的輸出功率不高、轉(zhuǎn)化效率低等問(wèn)題。本技術(shù)提出一種包含偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔，包括上、中、下反射鏡，上、中、下增益單元，上、中、下半導(dǎo)體激光器，偏振衍射光柵和輸出鏡；所述上、中、下反射鏡從上至下對(duì)稱設(shè)置，其中，中反射鏡和輸出鏡共軸相對(duì)設(shè)置，兩者光軸中心線上設(shè)有偏振衍射光柵，各反射鏡的反射中心均與偏振衍射光柵的光軸中心等距；各反射鏡與偏振衍射光柵之間的光路上分別設(shè)有上、中、下增益單元；輸出鏡與上、中、下反射鏡共同組成諧振腔；所述上、中、下半導(dǎo)體激光器分別靠近上、中、下增益單元設(shè)置，各激光輸出窗口對(duì)準(zhǔn)各增益單元側(cè)面的各增益單元的正中部；所述半導(dǎo)體激光器用于產(chǎn)生泵浦光；所述增益單元設(shè)置在用于放大耦合腔內(nèi)傳輸?shù)募す猓凰銎裱苌涔鈻庞糜谇粌?nèi)激光分束/合束；所述輸出鏡位于諧振腔右端，用于激光束輸出；工作時(shí)，各半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生初始的泵浦光，經(jīng)過(guò)各增益單元放大后的三束泵浦光，經(jīng)各反射鏡反射后，到達(dá)偏振衍射光柵后合為一束，合束后的激光功率如果沒(méi)有達(dá)到諧振腔的閾值，合束光會(huì)經(jīng)過(guò)輸出鏡反射，由偏振衍射光柵分成三束，三光束再經(jīng)各增益單元放大，再次被反射和合束，直到達(dá)到諧振腔的閾值后，由輸出鏡輸出合束后的激光。進(jìn)一步的，所述各反射鏡由大于3的奇數(shù)個(gè)鍍膜鏡組成，以獲得更高的激光功率。進(jìn)一步的，所述各反射鏡圓中心對(duì)稱偏振衍射光柵，以獲得更高的激光功率。進(jìn)一步的，所述偏振衍射光柵的基底是低膨脹系數(shù)的單晶硅﹐經(jīng)過(guò)曝光、顯影、刻蝕把光柵圖案刻在單晶硅上。進(jìn)一步的，所述各反射鏡為高反射鏡，是在光學(xué)玻璃的背面，通過(guò)真空鍍膜鍍一層金屬銀或鋁薄膜。進(jìn)一步的，所述各增益單元為Nd:YAG晶體或其它具有增益功能的晶體組成，通過(guò)高精度機(jī)械控制元件固定。進(jìn)一步的，所述偏振衍射光柵為亞波長(zhǎng)光柵，且把光柵分割成等高等寬的多個(gè)塊狀區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的光柵結(jié)構(gòu)為二元型。可通過(guò)控制各區(qū)域的結(jié)構(gòu)參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)等能量和任意數(shù)目的分束。進(jìn)一步的，所述偏振衍射光柵的每個(gè)區(qū)域的柵條結(jié)構(gòu)的周期、方向角、占空比不同，其安裝位置可通過(guò)高精度機(jī)械控制元件進(jìn)行微小移動(dòng)。進(jìn)一步的，所述偏振衍射光柵替換可為達(dá)曼光柵。進(jìn)一步的，所述偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔的偏振衍射光柵的基底是低膨脹系數(shù)的單晶硅﹐經(jīng)過(guò)硅片清洗、前烘和前處理、勻膠、掩模和對(duì)準(zhǔn)、曝光、曝光后烘、顯影、圖形檢查、刻蝕得到偏振衍射光柵。進(jìn)一步的，所述偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔的偏振衍射光柵的每個(gè)區(qū)域的柵條結(jié)構(gòu)的周期、方向角、占空比不同，其安裝位置可通過(guò)高精度機(jī)械控制元件進(jìn)行微小移動(dòng)。本技術(shù)所述偏振衍射光柵是指能夠?qū)θ肷涔獾钠穹较蜻M(jìn)行選擇的大量不等寬不等距的平行狹縫構(gòu)成的光學(xué)元件。本技術(shù)提出的激光相干合束耦合諧振腔，結(jié)合了偏振衍射光柵分/合束效率高的優(yōu)點(diǎn)，有效的解決了傳統(tǒng)激光器系統(tǒng)隨著輸出功率的增加會(huì)遇到的熱效應(yīng)、非線性效應(yīng)和物理?yè)p傷，可以實(shí)現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出。該耦合諧振腔可以有效的解決激光相干合束系統(tǒng)低轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題，使得減小冷卻設(shè)備的體積，對(duì)光纖激光器的相干合成具有重要的啟發(fā)作用，并有望將激光器功率提升到新的量級(jí)。其不同于傳統(tǒng)的激光相干合束系統(tǒng)，偏振衍射光柵作為分/合束器件，其效率遠(yuǎn)高于其它器件，而且本技術(shù)中的光柵器件經(jīng)過(guò)量化處理分為很多塊狀區(qū)域，且每個(gè)區(qū)域的方向、周期、占空比，這些參數(shù)的不同可以對(duì)入射光的偏振態(tài)進(jìn)行任意的調(diào)控，從而得到等能量和任意數(shù)目的子光束，再經(jīng)過(guò)增益單元放大進(jìn)行激光相干合成，從而實(shí)現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本光柵具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)加入了偏振衍射光柵做為分/合器件，能改變激光相干合束系統(tǒng)模式選擇、隨機(jī)相位波動(dòng)特性，可通過(guò)基于主動(dòng)偏振控制元件解決或緩解相干合束系統(tǒng)中隨機(jī)相位波動(dòng)的問(wèn)題。這樣可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)激光器的而采用選模(鎖相)機(jī)理，提高激光器的轉(zhuǎn)換效率，有利于高功率激光的輸出。(2)泵浦半導(dǎo)體激光由端面泵浦至增益單元內(nèi)，提高了其泵浦強(qiáng)度和效率，增加了其與增益單元粒子的碰撞面積，從而增加了兩者的碰撞概率，因此大大提高半導(dǎo)體激光的泵浦質(zhì)量和泵浦效率。(3)偏振衍射光柵激光相干合束系統(tǒng)由多個(gè)增益單元組成，增益單元的位置對(duì)稱排列，該種結(jié)構(gòu)是根據(jù)偏振衍射光柵的分束特性所決定，可以有效的進(jìn)行激光的傳輸和放大，以提高激光輸出的功率。附圖說(shuō)明圖1是本技術(shù)提供的偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔的端面示意圖；圖2是本技術(shù)提供的偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔的偏振衍射光柵的掩摸板示意圖；在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：11、12、13---反射鏡，21、22、23---增益單元，31、32、33---半導(dǎo)體激光器，4---偏振衍射光柵，5---輸出鏡。具體實(shí)施方式為了使本技術(shù)的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本技術(shù)，并不用于限定本技術(shù)。此外，下面所描述的本技術(shù)各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。在本技術(shù)的實(shí)施例中，采用本技術(shù)提供的偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔的工作方式，具體如下：請(qǐng)參閱圖1、圖2所示，由圖可見(jiàn)，本實(shí)施例中，偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔包括反射鏡(11、12、13)，增益單元(21、22、23)，半導(dǎo)體激光器(31、32、33)，偏振衍射光柵，輸出鏡。其中反射鏡(11、12、13)通過(guò)鍍膜技術(shù)使其保證經(jīng)增益單元(21、22、23)放大的光束具有高反射特本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔，包括上、中、下反射鏡(11、12、13)，上、中、下增益單元(21、22、23)，上、中、下半導(dǎo)體激光器(31、32、33)，偏振衍射光柵(4)和輸出鏡(5)，其特征在于：上、中、下反射鏡(11、12、13)從上至下對(duì)稱設(shè)置，其中，中反射鏡(12)和輸出鏡(5)共軸相對(duì)設(shè)置，兩者光軸中心線上設(shè)有偏振衍射光柵(4)，各反射鏡的反射中心均與偏振衍射光柵(4)的光軸中心等距；各反射鏡與偏振衍射光柵(4)之間的光路上分別設(shè)有上、中、下增益單元(21、22、23)；輸出鏡(5)與上、中、下反射鏡(11、12、13)共同組成諧振腔；上、中、下半導(dǎo)體激光器(31、32、33)分別靠近上、中、下增益單元(21、22、23)設(shè)置，各激光輸出窗口對(duì)準(zhǔn)各增益單元側(cè)面的各增益單元的正中部；所述半導(dǎo)體激光器(31、32、33)用于產(chǎn)生泵浦光；所述增益單元(21、22、23)設(shè)置在用于放大耦合腔內(nèi)傳輸?shù)募す猓凰銎裱苌涔鈻?4)用于腔內(nèi)激光分束/合束；所述輸出鏡(5)位于諧振腔右端，用于激光束輸出；工作時(shí)，各半導(dǎo)體激光器(31、32、33)產(chǎn)生初始的泵浦光，經(jīng)過(guò)各增益單元(21、22、23)放大后的三束泵浦光，經(jīng)各反射鏡(11、12、13)反射后，到達(dá)偏振衍射光柵(4)后合為一束，合束后的激光功率如果沒(méi)有達(dá)到諧振腔的閾值，合束光會(huì)經(jīng)過(guò)輸出鏡(5)反射,由偏振衍射光柵(4)分成三束，三光束再經(jīng)各增益單元放大，再次被反射和合束，直到達(dá)到諧振腔的閾值后，由輸出鏡(5)輸出合束后的激光。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔，包括上、中、下反射鏡(11、12、13)，上、中、下增益單元(21、22、23)，上、中、下半導(dǎo)體激光器(31、32、33)，偏振衍射光柵(4)和輸出鏡(5)，其特征在于：上、中、下反射鏡(11、12、13)從上至下對(duì)稱設(shè)置，其中，中反射鏡(12)和輸出鏡(5)共軸相對(duì)設(shè)置，兩者光軸中心線上設(shè)有偏振衍射光柵(4)，各反射鏡的反射中心均與偏振衍射光柵(4)的光軸中心等距；各反射鏡與偏振衍射光柵(4)之間的光路上分別設(shè)有上、中、下增益單元(21、22、23)；輸出鏡(5)與上、中、下反射鏡(11、12、13)共同組成諧振腔；上、中、下半導(dǎo)體激光器(31、32、33)分別靠近上、中、下增益單元(21、22、23)設(shè)置，各激光輸出窗口對(duì)準(zhǔn)各增益單元側(cè)面的各增益單元的正中部；所述半導(dǎo)體激光器(31、32、33)用于產(chǎn)生泵浦光；所述增益單元(21、22、23)設(shè)置在用于放大耦合腔內(nèi)傳輸?shù)募す猓凰銎裱苌涔鈻?4)用于腔內(nèi)激光分束/合束；所述輸出鏡(5)位于諧振腔右端，用于激光束輸出；工作時(shí)，各半導(dǎo)體激光器(31、32、33)產(chǎn)生初始的泵浦光，經(jīng)過(guò)各增益單元(21、22、23)放大后的三束泵浦光，經(jīng)各反射鏡(11、12、13)反射后，到達(dá)偏振衍射光柵(4)后合為一束，合束后的激光功率如果沒(méi)有達(dá)到諧振腔的閾值，合束光會(huì)經(jīng)過(guò)輸出鏡(5)反射,由偏振衍射光柵(4)分成三束，三光束再經(jīng)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：萬(wàn)辰皓，肖建高，郭海平，陳念，唐霞輝，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：華中科技大學(xué)，
類型：新型
國(guó)別省市：湖北;42