專(zhuān)利名稱(chēng)：一種提高光束質(zhì)量的雙程通過(guò)激光放大器及提高光束質(zhì)量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體激光技術(shù)，具體涉及ー種提高雙程通過(guò)激光放大器光束質(zhì)量的裝置及其方法。
背景技術(shù)：
為了獲得性能優(yōu)良的高功率激光輸出，應(yīng)用振蕩級(jí)-放大器組成的激光放大系統(tǒng)是ー種很好的方法，這種方法中可由振蕩級(jí)決定其光束特性，而由放大器決定其輸出功率，因此可以兼顧優(yōu)良的激光特性和較高的輸出功率。在上述的激光放大系統(tǒng)中，為了從放大器中提取更多的功率，通常會(huì)將從振蕩級(jí)輸出的激光往返通過(guò)放大器，即為雙程通過(guò)激光放大器。相比單程通過(guò)激光放大器而言，雙程通過(guò)激光放大器可以在相同的泵浦條件下獲得更大的提取效率和更高的輸出功率。但是在泵浦功率很高的情況下，激光放大器中増益介質(zhì)的熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致放大后的光束產(chǎn)生畸變。在雙程通過(guò)激光放大器中，入射激光兩次通過(guò)激光放大器，所以其光束質(zhì)量的惡化相比單程通過(guò)激光放大器而言變得更為嚴(yán)重。為了克服雙程通過(guò)激光放大器的這ー不足，可以在激光放大器中使用相位共軛技術(shù)，如圖1所示，入射激光單程通過(guò)激光放大器(包括振蕩級(jí)和放大級(jí)，其中振蕩級(jí)包括全反鏡1、第一激光增益介質(zhì)2及輸出鏡3，放大級(jí)包括第二激光增益介質(zhì)5)后照射在相位共軛鏡6上，被相位共軛鏡6反射的光束再次通過(guò)激光放大器后經(jīng)隔離分光裝置4反射輸出，這樣可以補(bǔ)償熱效應(yīng)導(dǎo)致的畸變，從而使得雙程通過(guò)激光放大器后的光束同時(shí)具有良好的光束質(zhì)量和較高的輸出功率。但是相位共軛鏡所用的材料在脈沖重復(fù)頻率和脈沖能量較高的情況下容易產(chǎn)生損傷，或者性能變得不穩(wěn)定，所以限制了它的應(yīng)用范圍。此外，相位共軛鏡通常只有50%左右的反射效率，對(duì)激光功率或能量引入的損耗很大，不利于激光功率的提聞。因此，亟需研制一種能夠解決雙程通過(guò)激光放大器后光束質(zhì)量下降的問(wèn)題，且對(duì)激光功率或能量弓I入損耗較小的激光放大裝置。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中，雙程通過(guò)激光放大器后光束質(zhì)量較差的現(xiàn)狀，本發(fā)明提供ー種雙程通過(guò)激光放大器，能夠適當(dāng)補(bǔ)償熱效應(yīng)導(dǎo)致的畸變，從而提高光束質(zhì)量?！N提高光束質(zhì)量的雙程通過(guò)激光放大器，包括振蕩級(jí)和放大級(jí)，所述振蕩級(jí)包括依次設(shè)置的全反鏡、第一激光增益介質(zhì)和輸出鏡，所述全反鏡與第一激光增益介質(zhì)之間的距離為L(zhǎng)I，第一激光增益介質(zhì)與輸出鏡的距離為L(zhǎng)2，且L2 > LI ；所述激光放大器中還設(shè)有隔離分光裝置和平面全反鏡，所述隔離分光裝置、放大級(jí)及平面反射鏡依次布置在輸出鏡的出射光路中，放大級(jí)與輸出鏡的距離為L(zhǎng)3，且L3: L2=0.5 2: I ；
所述平面反射鏡與放大級(jí)之間的距離等于放大級(jí)的熱透鏡焦距。本發(fā)明將激光諧振腔設(shè)置為非対稱(chēng)方式，即第一激光增益介質(zhì)與輸出鏡的距離大于全反鏡與第一激光增益介質(zhì)之間的距離，使得從輸出鏡輸出的激光光束質(zhì)量較好，通過(guò)在光路中恰當(dāng)?shù)奈恢貌贾闷矫娣瓷溏R，使振蕩級(jí)發(fā)出的激光束先經(jīng)放大級(jí)放大，再由平面反射鏡反射后二次進(jìn)入放大級(jí)，平面反射鏡具有較高的反射率，使激光功率的損耗較小，保證了較高輸出功率的同時(shí)，也提高了光束質(zhì)量。為保證輸出光束的質(zhì)量，作為優(yōu)選，所述的全反鏡對(duì)激光光束的反射率大于95%，所述的輸出鏡對(duì)激光光束的反射率為為降低激光功率或能量引入的損耗，作為優(yōu)選，所述的平面全反鏡對(duì)激光光束的反射率大于95%。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，第一激光增益介質(zhì)與輸出鏡的距離大于全反鏡與第一激光增益介質(zhì)之間的距離(即L2 > LI)吋，輸出鏡的出射光束具有較好的光束質(zhì)量，作為優(yōu)選，L2為L(zhǎng)I的3 5倍。作為優(yōu)選，所述的第一激光增益介質(zhì)為Nd = YAG晶體、Nd = YVO4晶體或Yb = YAG晶體。同理，所述的放大級(jí)包括第二激光增益介質(zhì)，所述的第二激光增益介質(zhì)為Nd:YAG晶體、Nd = YVO4晶體或Yb = YAG晶體。該第二激光增益介質(zhì)與第一激光增益介質(zhì)可以相同，也可以不同。作為優(yōu)選，所述的第二激光增益介質(zhì)的熱透鏡焦距為10mm-2000mm，根據(jù)該第二激光増益介質(zhì)的熱透鏡焦距確定所述平面反射鏡的位置，使得高階模的功率可以更多地向低階模稱(chēng)合，利于獲得高光束質(zhì)量的激光輸出。本發(fā)明還提供一種基于上述激光放大器提高光束質(zhì)量的方法，使得雙程通過(guò)該激光放大器的光束具有較好的質(zhì)量。一種基于雙程通過(guò)激光放大器的提高激光束質(zhì)量的方法，所述激光放大器包括振蕩級(jí)和放大級(jí)，所述振蕩級(jí)包括依次設(shè)置的全反鏡、第一激光增益介質(zhì)和輸出鏡；所述振蕩級(jí)中全反鏡與第一激光增益介質(zhì)之間的距離為L(zhǎng)I，第一激光增益介質(zhì)與輸出鏡之間的距離為 L2，且 L2 > LI ；所述方法包括:I)根據(jù)放大級(jí)的工作點(diǎn)確定放大級(jí)的熱透鏡焦距；2)在輸出鏡的出射光路中依次布置所述隔離分光裝置、放大級(jí)及平面反射鏡，且滿(mǎn)足:放大級(jí)與輸出鏡的距離為L(zhǎng)3，且L3: L2 = 0.5 2: I ；平面反射鏡與放大級(jí)之間的距離等于放大級(jí)的熱透鏡焦距；3)輸出鏡的出射光線依次通過(guò)隔離分光裝置和放大級(jí)后再經(jīng)平面反射鏡反射，ニ次進(jìn)入放大級(jí)，最后經(jīng)隔離分光裝置反射輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:本發(fā)明將振蕩級(jí)發(fā)出的光束直接進(jìn)入放大級(jí)，通過(guò)調(diào)整放大級(jí)后部平面反射鏡的位置調(diào)節(jié)二次進(jìn)入放大級(jí)的光束的發(fā)散角和半徑。利用這種設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的激光放大系統(tǒng)，在使用高功率激光二極管抽運(yùn)的情況下，不僅可以獲得高功率激光輸出，而且通過(guò)調(diào)整放大級(jí)后部平面反射鏡的位置和放大級(jí)的工作電流，可以有效的控制放大級(jí)輸出的光束質(zhì) 量。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中采用相位共軛鏡的雙程通過(guò)激光放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提高雙程通過(guò)激光放大器光束質(zhì)量的裝置及其光路圖；圖3為實(shí)施例1中激光放大后功率為130W時(shí)光束質(zhì)量分析儀測(cè)量得的光束半徑及其擬合曲線；圖4為實(shí)施例1中激光放大后功率為130W時(shí)得到的光斑圖像。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1如圖2所示，沿光軸依次放置有全反鏡1、振蕩級(jí)增益介質(zhì)(第一激光增益介質(zhì))2、輸出鏡3、隔離分光裝置4、放大級(jí)增益介質(zhì)(第二激光增益介質(zhì))5、平面反射鏡7。振蕩級(jí)采用基模動(dòng)態(tài)穩(wěn)定非対稱(chēng)激光諧振腔。振蕩級(jí)增益介質(zhì)采用雙棒串接的NdiYAG晶體，中間加入90°石英旋光器和4f系統(tǒng)以補(bǔ)償其熱致雙折射效應(yīng)。單個(gè)Nd = YAG激光晶體的直徑為3mm，長(zhǎng)度為65mm。當(dāng)工作電流為18A時(shí)，輸出功率為55W，測(cè)量得到的光束質(zhì)量因子Mx2 = 1.44，My2 = 1.43，輸出光束接近于基模。輸出鏡上光束半徑為0.42mm,發(fā)散角為lmrad。全反鏡I與振蕩級(jí)增益介質(zhì)2之間的距離LI = 175mm，振蕩級(jí)增益介質(zhì)2與輸出鏡3的距離L2 = 780mm。放大級(jí)增益介質(zhì)也采用補(bǔ)償熱致雙折射效應(yīng)的雙棒串接NchYAG晶體。單個(gè)晶體的直徑為5mm，長(zhǎng)度為140mm。當(dāng)泵浦電流為23A時(shí)，測(cè)量雙棒的熱透鏡焦距為100mm。振蕩級(jí)的輸出鏡3到放大級(jí)的距離為1300mm。第一次進(jìn)入放大級(jí)增益介質(zhì)5的光束半徑為1.1mm。平面反射鏡7與放大級(jí)增益介質(zhì)5之間的距離等于熱透鏡的焦距100mm。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了經(jīng)過(guò)雙程放大后光束的功率和光束質(zhì)量。當(dāng)放大級(jí)工作電流為23A吋，測(cè)得輸出光束功率為130W，測(cè)量得到的光束質(zhì)量因子為Mx2 = 1.70，My2 = 1.85。測(cè)量結(jié)果如圖3所示。圖4為激光放大后功率為130W時(shí)得到的光強(qiáng)分布圖像。實(shí)驗(yàn)表明，提高雙程激光放大器光束質(zhì)量的裝置可以在輸出光束有較高功率的情況下，得到很好的光束質(zhì)量，克服了以往激光放大系統(tǒng)光束質(zhì)量會(huì)隨著輸出功率的增加而嚴(yán)重惡化的現(xiàn)象。上述實(shí)施例用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種提高光束質(zhì)量的雙程通過(guò)激光放大器，包括振蕩級(jí)和放大級(jí)，所述振蕩級(jí)包括依次設(shè)置的全反鏡、第一激光增益介質(zhì)和輸出鏡，其特征在于，所述全反鏡與第一激光增益介質(zhì)之間的距離為L(zhǎng)I，第一激光增益介質(zhì)與輸出鏡的距離為L(zhǎng)2，且L2 > LI ； 所述激光放大器中還設(shè)有隔離分光裝置和平面全反鏡，所述隔離分光裝置、放大級(jí)及平面反射鏡依次布置在輸出鏡的出射光路中，放大級(jí)與輸出鏡的距離為L(zhǎng)3，且L3: L2 =0.5 2: I ； 所述平面反射鏡與放大級(jí)之間的距離等于放大級(jí)的熱透鏡焦距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光束質(zhì)量的雙程通過(guò)激光放大器，其特征在于，所述的全反鏡對(duì)激光光束的反射率大于95%，所述的輸出鏡對(duì)激光光束的反射率為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光束質(zhì)量的雙程通過(guò)激光放大器，其特征在于，所述的平面全反鏡對(duì)激光光束的反射率大于95%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光束質(zhì)量的雙程通過(guò)激光放大器，其特征在干，L2為L(zhǎng)I的3 5倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光束質(zhì)量的雙程通過(guò)激光放大器，其特征在于，所述的第一激光增益介質(zhì)為Nd = YAG晶體、Nd = YVO4晶體或Yb = YAG晶體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光束質(zhì)量的雙程通過(guò)激光放大器，其特征在于，所述的放大級(jí)包括第二激光增益介質(zhì)，所述的第二激光增益介質(zhì)為Nd = YAG晶體、NdiYVO4晶體或Yb:YAG 晶體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的提高光束質(zhì)量的雙程通過(guò)激光放大器，其特征在于，所述的第二激光增益介質(zhì)的熱透鏡焦距為10mm-2000mm。
8.一種基于雙程通過(guò)激光放大器的提高光束質(zhì)量的方法，所述激光放大器包括振蕩級(jí)和放大級(jí)，所述振蕩級(jí)包括依次設(shè)置的全反鏡、第一激光增益介質(zhì)和輸出鏡；所述振蕩級(jí)中全反鏡與第一激光增益介質(zhì)之間的距離為L(zhǎng)I，第一激光增益介質(zhì)與輸出鏡之間的距離為L(zhǎng)2，且 L2 > LI ； 其特征在于，所述方法包括: 1)根據(jù)放大級(jí)的工作點(diǎn)確定放大級(jí)的熱透鏡焦距； 2)在輸出鏡的出射光路中依次布置所述隔離分光裝置、放大級(jí)及平面反射鏡，且滿(mǎn)足: 放大級(jí)與輸出鏡的距離為L(zhǎng)3，且L3: L2 = 0.5 2: I ； 平面反射鏡與放大級(jí)之間的距離等于放大級(jí)的熱透鏡焦距； 3)輸出鏡的出射光線依次通過(guò)隔離分光裝置和放大級(jí)后再經(jīng)平面反射鏡反射，二次進(jìn)入放大級(jí)，最后經(jīng)隔離分光裝置反射輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種提高光束質(zhì)量的雙程通過(guò)激光放大器，使得雙程通過(guò)該激光放大器光束的質(zhì)量能夠顯著提高。本發(fā)明還公開(kāi)一種基于所述雙程激光放大器提高激光束質(zhì)量的方法，通過(guò)調(diào)整平面反射鏡的位置調(diào)節(jié)二次進(jìn)入放大級(jí)的光束的發(fā)散角和半徑。利用這種設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的激光放大系統(tǒng)，在使用高功率激光二極管抽運(yùn)的情況下，不僅可以獲得高功率激光輸出，而且通過(guò)調(diào)整放大級(jí)后部平面反射鏡的位置和放大級(jí)的工作電流，可以有效的控制放大級(jí)輸出的光束質(zhì)量。
文檔編號(hào)H01S3/08GK103117503SQ201310026100
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者劉崇, 亓云軒, 趙智剛 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)