CN103117503B - 一种提高光束质量的双程通过激光放大器及提高光束质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高光束质量的双程通过激光放大器，使得双程通过该激光放大器光束的质量能够显著提高。本发明还公开一种基于所述双程激光放大器提高激光束质量的方法，通过调整平面反射镜的位置调节二次进入放大级的光束的发散角和半径。利用这种设计方法设计的激光放大系统，在使用高功率激光二极管抽运的情况下，不仅可以获得高功率激光输出，而且通过调整放大级后部平面反射镜的位置和放大级的工作电流，可以有效的控制放大级输出的光束质量。

Description

一种提高光束质量的双程通过激光放大器及提高光束质量的方法

技术领域

本发明涉及固体激光技术，具体涉及一种提高双程通过激光放大器光束质量的装置及其方法。

背景技术

为了获得性能优良的高功率激光输出，应用振荡级—放大器组成的激光放大系统是一种很好的方法，这种方法中可由振荡级决定其光束特性，而由放大器决定其输出功率，因此可以兼顾优良的激光特性和较高的输出功率。在上述的激光放大系统中，为了从放大器中提取更多的功率，通常会将从振荡级输出的激光往返通过放大器，即为双程通过激光放大器。

相比单程通过激光放大器而言，双程通过激光放大器可以在相同的泵浦条件下获得更大的提取效率和更高的输出功率。但是在泵浦功率很高的情况下，激光放大器中增益介质的热效应会导致放大后的光束产生畸变。在双程通过激光放大器中，入射激光两次通过激光放大器，所以其光束质量的恶化相比单程通过激光放大器而言变得更为严重。

为了克服双程通过激光放大器的这一不足，可以在激光放大器中使用相位共轭技术，如图1所示，入射激光单程通过激光放大器(包括振荡级和放大级，其中振荡级包括全反镜1、第一激光增益介质2及输出镜3，放大级包括第二激光增益介质5)后照射在相位共轭镜6上，被相位共轭镜6反射的光束再次通过激光放大器后经隔离分光装置4反射输出，这样可以补偿热效应导致的畸变，从而使得双程通过激光放大器后的光束同时具有良好的光束质量和较高的输出功率。但是相位共轭镜所用的材料在脉冲重复频率和脉冲能量较高的情况下容易产生损伤，或者性能变得不稳定，所以限制了它的应用范围。此外，相位共轭镜通常只有50％左右的反射效率，对激光功率或能量引入的损耗很大，不利于激光功率的提高。

因此，亟需研制一种能够解决双程通过激光放大器后光束质量下降的问题，且对激光功率或能量引入损耗较小的激光放大装置。

发明内容

针对现有技术中，双程通过激光放大器后光束质量较差的现状，本发明提供一种双程通过激光放大器，能够适当补偿热效应导致的畸变，从而提高光束质量。

一种提高光束质量的双程通过激光放大器，包括振荡级和放大级，所述振荡级包括依次设置的全反镜、第一激光增益介质和输出镜，所述全反镜与第一激光增益介质之间的距离为L1，第一激光增益介质与输出镜的距离为L2，且L2>L1；

所述激光放大器中还设有隔离分光装置和平面反射镜，所述隔离分光装置、放大级及平面反射镜依次布置在输出镜的出射光路中，放大级与输出镜的距离为L3，且L3：L2＝0.5～2：1；

所述平面反射镜与放大级之间的距离等于放大级的热透镜焦距。

本发明将激光谐振腔设置为非对称方式，即第一激光增益介质与输出镜的距离大于全反镜与第一激光增益介质之间的距离，使得从输出镜输出的激光光束质量较好，通过在光路中恰当的位置布置平面反射镜，使振荡级发出的激光束先经放大级放大，再由平面反射镜反射后二次进入放大级，平面反射镜具有较高的反射率，使激光功率的损耗较小，保证了较高输出功率的同时，也提高了光束质量。

为保证输出光束的质量，作为优选，所述的全反镜对激光光束的反射率大于95％，所述的输出镜对激光光束的反射率为1％～98％。

为降低激光功率或能量引入的损耗，作为优选，所述的平面反射镜对激光光束的反射率大于95％。

经研究发现，第一激光增益介质与输出镜的距离大于全反镜与第一激光增益介质之间的距离(即L2＞L1)时，输出镜的出射光束具有较好的光束质量，作为优选，L2为L1的3～5倍。

作为优选，所述的第一激光增益介质为Nd:YAG晶体、Nd:YVO₄晶体或Yb:YAG晶体。

同理，所述的放大级包括第二激光增益介质，所述的第二激光增益介质为Nd:YAG晶体、Nd:YVO₄晶体或Yb:YAG晶体。该第二激光增益介质与第一激光增益介质可以相同，也可以不同。

作为优选，所述的第二激光增益介质的热透镜焦距为10mm-2000mm，根据该第二激光增益介质的热透镜焦距确定所述平面反射镜的位置，使得高阶模的功率可以更多地向低阶模耦合，利于获得高光束质量的激光输出。

本发明还提供一种基于上述激光放大器提高光束质量的方法，使得双程通过该激光放大器的光束具有较好的质量。

一种基于双程通过激光放大器的提高激光束质量的方法，所述激光放大器包括振荡级和放大级，所述振荡级包括依次设置的全反镜、第一激光增益介质和输出镜；所述振荡级中全反镜与第一激光增益介质之间的距离为L1，第一激光增益介质与输出镜之间的距离为L2，且L2>L1；

所述方法包括：

1)根据放大级的工作点确定放大级的热透镜焦距；

2)在输出镜的出射光路中依次布置所述隔离分光装置、放大级及平面反射镜，且满足：

放大级与输出镜的距离为L3，且L3：L2＝0.5～2：1；

平面反射镜与放大级之间的距离等于放大级的热透镜焦距；

3)输出镜的出射光线依次通过隔离分光装置和放大级后再经平面反射镜反射，二次进入放大级，最后经隔离分光装置反射输出。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明将振荡级发出的光束直接进入放大级，通过调整放大级后部平面反射镜的位置调节二次进入放大级的光束的发散角和半径。利用这种设计方法设计的激光放大系统，在使用高功率激光二极管抽运的情况下，不仅可以获得高功率激光输出，而且通过调整放大级后部平面反射镜的位置和放大级的工作电流，可以有效的控制放大级输出的光束质量。

附图说明

图1为现有技术中采用相位共轭镜的双程通过激光放大器系统结构示意图；

图2为本发明提高双程通过激光放大器光束质量的装置及其光路图；

图3为实施例1中激光放大后功率为130W时光束质量分析仪测量得的光束半径及其拟合曲线；

图4为实施例1中激光放大后功率为130W时得到的光斑图像。

具体实施方式

实施例1

如图2所示，沿光轴依次放置有全反镜1、振荡级增益介质(第一激光增益介质)2、输出镜3、隔离分光装置4、放大级增益介质(第二激光增益介质)5、平面反射镜7。

振荡级采用基模动态稳定非对称激光谐振腔。振荡级增益介质采用双棒串接的Nd:YAG晶体，中间加入90°石英旋光器和4f系统以补偿其热致双折射效应。单个Nd:YAG激光晶体的直径为3mm，长度为65mm。当工作电流为18A时，输出功率为55W，测量得到的光束质量因子M_x ²＝1.44，M_y ²＝1.43，输出光束接近于基模。输出镜上光束半径为0.42mm，发散角为1mrad。全反镜1与振荡级增益介质2之间的距离L1＝175mm，振荡级增益介质2与输出镜3的距离L2＝780mm。

放大级增益介质也采用补偿热致双折射效应的双棒串接Nd:YAG晶体。单个晶体的直径为5mm，长度为140mm。当泵浦电流为23A时，测量双棒的热透镜焦距为100mm。

振荡级的输出镜3到放大级的距离为1300mm。第一次进入放大级增益介质5的光束半径为1.1mm。平面反射镜7与放大级增益介质5之间的距离等于热透镜的焦距100mm。

实验测量了经过双程放大后光束的功率和光束质量。当放大级工作电流为23A时，测得输出光束功率为130W，测量得到的光束质量因子为M_x ²＝1.70，M_y ²＝1.85。测量结果如图3所示。图4为激光放大后功率为130W时得到的光强分布图像。实验表明，提高双程激光放大器光束质量的装置可以在输出光束有较高功率的情况下，得到很好的光束质量，克服了以往激光放大系统光束质量会随着输出功率的增加而严重恶化的现象。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种提高光束质量的双程通过激光放大器，包括振荡级和放大级，所述振荡级包括依次设置的全反镜、第一激光增益介质和输出镜，其特征在于，所述全反镜与第一激光增益介质之间的距离为L1，第一激光增益介质与输出镜的距离为L2，且L2>L1；

所述激光放大器中还设有隔离分光装置和平面反射镜，所述隔离分光装置、放大级及平面反射镜依次布置在输出镜的出射光路中，放大级与输出镜的距离为L3，且L3：L2＝0.5～2：1；

所述平面反射镜与放大级之间的距离等于放大级的热透镜焦距。

2.根据权利要求1所述的提高光束质量的双程通过激光放大器，其特征在于，所述的全反镜对激光光束的反射率大于95％，所述的输出镜对激光光束的反射率为1％～98％。

3.根据权利要求1所述的提高光束质量的双程通过激光放大器，其特征在于，所述的平面反射镜对激光光束的反射率大于95％。

4.根据权利要求1所述的提高光束质量的双程通过激光放大器，其特征在于，L2为L1的3～5倍。

5.根据权利要求1所述的提高光束质量的双程通过激光放大器，其特征在于，所述的第一激光增益介质为Nd:YAG晶体、Nd:YVO₄晶体或Yb:YAG晶体。

6.根据权利要求1所述的提高光束质量的双程通过激光放大器，其特征在于，所述的放大级包括第二激光增益介质，所述的第二激光增益介质为Nd:YAG晶体、Nd:YVO₄晶体或Yb:YAG晶体。

7.根据权利要求6所述的提高光束质量的双程通过激光放大器，其特征在于，所述的第二激光增益介质的热透镜焦距为10mm-2000mm。

8.一种基于双程通过激光放大器的提高光束质量的方法，所述激光放大器包括振荡级和放大级，所述振荡级包括依次设置的全反镜、第一激光增益介质和输出镜；所述振荡级中全反镜与第一激光增益介质之间的距离为L1，第一激光增益介质与输出镜之间的距离为L2，且L2>L1；

其特征在于，所述方法包括：

1)根据放大级的工作点确定放大级的热透镜焦距；

2)在输出镜的出射光路中依次布置隔离分光装置、放大级及平面反射镜，且满足：

放大级与输出镜的距离为L3，且L3：L2＝0.5～2：1；

平面反射镜与放大级之间的距离等于放大级的热透镜焦距；

3)输出镜的出射光线依次通过隔离分光装置和放大级后再经平面反射镜反射，二次进入放大级，最后经隔离分光装置反射输出。