CN102882117B - 一种全固态皮秒激光多通放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全固态皮秒激光多通放大器，包括：半导体激光器，用于输出泵浦激光；激光晶体；聚焦系统，用于使泵浦激光聚焦到激光晶体上；平面反射镜；第一凹面反射镜（4）、第二凹面反射镜（5）、第三凹面反射镜（6）、第四凹面反射镜（7），其中第一凹面反射镜（4）和第三凹面反射镜（6）位于聚焦系统轴向的两侧，第一、第三凹面反射镜的凹面与第二、第四凹面反射镜的凹面相对，平面反射镜位于第二、第四凹面反射镜之间。

Description

一种全固态皮秒激光多通放大器
技术领域
本发明涉及一种激光多通放大器，尤其涉及一种全固态皮秒激光多通放大器。
背景技术
高能量、高光束质量的全固态皮秒激光器具有结构紧凑、效率高、成本低、稳定性好、使用寿命长等优点，是超精细激光加工、高精度卫星激光测距等领域的理想光源，在我国先进制造业技术改造与升级、国家卫星测距网组建方面起着越来越重要的作用。
但是一般全固态皮秒锁模激光器直接输出的功率在几百毫瓦至几瓦，重复频率在几十兆赫兹，因此单脉冲能量只有nJ量级。为了满足更广泛的使用需求，就需要对脉冲能量进行放大。由于热效应的限制，放大后激光脉冲的重复频率一般降至几Hz到几千Hz，单脉冲能量可以达到几百微焦、几个毫焦。主要的放大器类型有再生放大器和多通放大器。
再生放大器由一个稳定的谐振腔构成，放大效率较高、稳定性较好、输出光束质量较好。但再生放大器需控制种子光的偏振导入、导出，腔内所用的元件较多，且需要相应的电路控制种子光、泵浦光、选单元件之间的时间延迟，结构比较复杂，成本较高，更重要的是不适于毫焦耳量级以上更大能量的脉冲激光放大。
多通放大器是利用几面反射镜使种子光多次往返经过增益介质，吸收能量，达到放大的目的。多通放大器无需腔内开关元件，结构简单，调节方便，成本较低，可以将毫焦耳量级以上的激光进行放大。
在传统的全固态皮秒激光多通放大器中，通常采用半导体激光器作为泵浦源，但是半导体激光器发出的激光束的发散角较大，需要利用聚焦系统使激光束聚焦到激光晶体上，因为聚焦系统的体积通常较为庞大，其所占据的空间使得种子光与泵浦光之间的夹角较大，这样会降低种子光与泵浦光的耦合，影响放大效率，且对光束质量也有一定的影响。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种可降低种子光与泵浦光之间的夹角来提高放大效率的全固态皮秒激光多通放大器。
本发明提供一种全固态皮秒激光多通放大器，包括：
半导体激光器（1），用于输出泵浦激光；
激光晶体（8）；
聚焦系统（2），用于使泵浦激光聚焦到激光晶体（8）上；
平面反射镜（3），用于接收种子光；
多个凹面反射镜，包括第一凹面反射镜（4）、第二凹面反射镜（5）、第三凹面反射镜（6）、第四凹面反射镜（7），其中第一凹面反射镜（4）和第三凹面反射镜（6）位于聚焦系统（2）轴向的两侧，第一、第三凹面反射镜的凹面与第二、第四凹面反射镜的凹面相对，平面反射镜（3）位于第二、第四凹面反射镜之间，其中第一凹面反射镜（4）将被平面反射镜（3）反射的种子光反射到激光晶体（8），穿过激光晶体（8）后依次被第二凹面反射镜（5）、第三凹面反射镜（6）再次反射回到激光晶体（8），穿过激光晶体（8）后被第四凹面反射镜（7）反射输出。
根据本发明提供的多通放大器，其中第二凹面反射镜（5）、第四凹面反射镜（7）和平面反射镜（3）位于激光晶体（8）的与半导体激光器（1）相反的一侧。
根据本发明提供的多通放大器，其中第一凹面反射镜（4）和第二凹面反射镜（5）的焦点重合。
根据本发明提供的多通放大器，其中第三凹面反射镜（6）和第四凹面反射镜（7）的焦点重合。
根据本发明提供的多通放大器，其中激光晶体位于种子光经过第一、第二凹面反射镜之间的光路与第三、第四凹面反射镜之间的光路的交点处。
根据本发明提供的多通放大器，其中第一、第二凹面反射镜之间的光路与第三、第四凹面反射镜之间的光路的交点与第一、第二、第三、第四凹面反射镜的焦点均不重合。
根据本发明提供的多通放大器，其中第一、第二、第三、第四凹面反射镜的曲率半径为600mm。
根据本发明提供的多通放大器，其中种子光和泵浦光在激光晶体上夹角的夹角为6°。
本发明提供的多通放大器可使得种子光和泵浦光在激光晶体上夹角的极限角度可低达6°左右，使种子光和泵浦光的模式得到较好的匹配，从而可保证泵浦光和种子光的更佳有效的耦合，而且可使输出的放大激光具有较好的光束质量。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明的一个实施例提供的多通放大器的结构示意图；
图2根据本发明的一个实施例提供的多通放大器输出的放大激光能量与泵浦能量之间的关系曲线；
图3为根据本发明的一个实施例提供的多通放大器输出激光的远场光斑分布；
图4为根据本发明的一个实施例提供的多通放大器输出的激光的两个方向上的M2因子。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例提供一种全固态皮秒激光多通放大器，其结构如图1所示，包括：
光纤输出的半导体激光器1，用于输出808nm的脉冲泵浦激光；
激光晶体8，为掺杂浓度为0.9at%的Nd：YAG，其双面镀有对808nm、1064nm的增透膜；
1:2的透镜耦合系统2，用于使半导体激光器1发出的泵浦激光聚焦到激光晶体8上；
平面反射镜3，镀有对1064nm反射率大于99.8%介质膜；
凹面反射镜4、5、6、7，曲率半径R=600mm，凹面反射镜的凹面镀有对1064nm激光的反射率大于99.8%的介质膜，其中以半导体激光器1所发出的激光的传播方向为轴向，则凹面反射镜4和6轴向对称地分别位于透镜耦合系统2的两侧，而凹面镜5、7以及平面反射镜3位于激光晶体8的与半导体激光器1相反的一侧，且平面反射镜3位于凹面反射镜5和7之间，即凹面反射镜4、6与凹面反射镜5、7凹面相对地放置。
其中半导体激光器1输出的泵浦激光经过一个1:2的透镜耦合系统2，先准直再聚焦到激光晶体上，泵浦光的光斑大小为800μm。待放大的1064nm的种子光L入射到平面反射镜3，然后依次被平面反射镜3、凹面反射镜4反射到激光晶体8，穿过激光晶体8后依次被凹面反射镜5、凹面反射镜6再次反射回到激光晶体8，穿过激光晶体8后被凹面反射镜7反射输出。其中凹面反射镜4与5之间的距离为600mm，凹面反射镜6与7之间的距离为600mm，共焦放置，即凹面反射镜4与5的焦点重合，凹面反射镜6与7的焦点重合，种子激光经过共焦放置的反射镜后，其在晶体上的光斑会和未放大的种子激光光斑大小接近一致，这样有利于种子激光和泵浦激光的模式匹配，获得高效率大能量高光束质量的放大激光。种子光经过4、5和6、7的交点偏离凹面反射镜4和5的焦点，也偏离凹面反射镜6和7的焦点，激光晶体8置于上述交点处，但优选为偏离凹面反射镜4、5、6、7的焦点，可有效避免直接置于凹面反射镜焦点导致的晶体损伤。种子光和泵浦光在激光晶体上夹角应尽可能的小，但由于透镜耦合系统2具有一定的体积，且置于凹面反射镜4和6之间，使得种子光和泵浦光在激光晶体上夹角不可能无限的小，使凹面反射镜3、4以及凹面反射镜5、6的位置在保证各自共焦的情况下尽量靠近激光晶体8，根据本发明提供的多通放大器，种子光和泵浦光在激光晶体上夹角的极限角度可低达6°左右，使种子光和泵浦光的模式得到较好的匹配，从而可保证泵浦光和种子光的更佳有效的耦合，而且可使输出的放大激光具有较好的光束质量。
本实施例提供的多通放大器输出的放大脉冲能量与抽运能量之间的关系曲线如图2所示。其中本实施例中种子光的注入能量为1.48mJ，在最大16.2mJ泵浦能量下，输出的放大能量为5.05mJ，光光转换效率达到31.2%。本实施例提供的多通放大器输出激光的远场光斑分布如图3所示。附图4是用商用的光束质量分析仪测量本实施例提供的多通放大器输出的激光得到的M2因子，MX=1.345、MY=1.019，光束质量较好。
其中上述半导体激光器输出的激光的波长、激光晶体的材料并非限定性的，也可以采用其他波长的半导体激光器和其他材料的激光晶体。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种全固态皮秒激光多通放大器，包括：
半导体激光器(1)，用于输出泵浦激光；
激光晶体(8)；
聚焦系统(2)，用于使泵浦激光聚焦到激光晶体(8)上；
平面反射镜(3)，用于接收种子光；
多个凹面反射镜，包括第一凹面反射镜(4)、第二凹面反射镜(5)、第三凹面反射镜(6)、第四凹面反射镜(7)，其中第一凹面反射镜(4)和第三凹面反射镜(6)位于聚焦系统(2)轴向的两侧，第一、第三凹面反射镜的凹面与第二、第四凹面反射镜的凹面相对，平面反射镜(3)位于第二、第四凹面反射镜之间，其中第一凹面反射镜(4)将被平面反射镜(3)反射的种子光反射到激光晶体(8)，穿过激光晶体(8)后依次被第二凹面反射镜(5)、第三凹面反射镜(6)再次反射回到激光晶体(8)，穿过激光晶体(8)后被第四凹面反射镜(7)反射输出，
其中第一、第二凹面反射镜之间的光路与第三、第四凹面反射镜之间的光路的交点与第一、第二、第三、第四凹面反射镜的焦点均不重合，所述激光晶体位于第一、第二凹面反射镜之间的光路与第三、第四凹面反射镜之间的光路的交点处。
2.根据权利要求1所述的多通放大器，其中第二凹面反射镜(5)、第四凹面反射镜(7)和平面反射镜(3)位于激光晶体(8)的一侧、半导体激光器(1)位于激光晶体(8)的另一侧。
3.根据权利要求1所述的多通放大器，其中第一凹面反射镜(4)和第二凹面反射镜(5)的焦点重合。
4.根据权利要求1所述的多通放大器，其中第三凹面反射镜(6)和第四凹面反射镜(7)的焦点重合。
5.根据权利要求1所述的多通放大器，其中第一、第二、第三、第四凹面反射镜的曲率半径为600mm。
6.根据权利要求1所述的多通放大器，其中种子光和泵浦光在激光晶体处的夹角为6°。
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