CN103117504B - 一种提高光束质量的单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激光放大器，使得单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激光放大器提高激光束质量的方法，通过调整耦合透镜的焦距和位置调节进入放大级的光束为会聚后再发散的光束，进而调节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，而且通过调整耦合透镜的焦距、距离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单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，具体涉及一种提高单程通过激光放大器光束质量的装置及其方法。

背景技术

激光二极管泵浦的固体激光器具有转换效率高、器件结构紧凑、体积小、可靠性高、结构牢固、输出能量大、峰值功率高等优点，是当前激光技术发展的主要方向。基于以上优点，固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有着广泛的用途。在某些激光应用中，往往要求激光具有很高的功率，但仅靠激光器来获取一般是很困难的。因为要保持激光束的优良特性(如光束发散角、单色性等)，工作物质的口径和长度都不宜太大；再者，激光器内光束往返通过工作物质时，因为输出功率很高，工作物质就有被破坏的可能。

为了获得性能优良的高功率激光输出，应用激光放大技术是一种很好的方法。采用单次通过放大介质的行波放大技术有很多优点。一是由于激光束单次通过放大介质，其在相同的输出功率密度下不易被破坏；二是采用振荡级—放大器系统，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。为了提高总的输出功率，并使放大级工作在激光破坏阈值之下，现有的激光放大技术一般采用在振荡级—放大器之间加入扩束望远镜系统实现两级间光束直径匹配，如图1所示，将振荡级(包括全反镜1、第一激光增益介质2及输出镜3)发出的光束半径较小的光束，经过扩束望远镜4后再进入放大级(第二激光增益介质5)中进行放大，这样可以得到高的输出功率。

但是在高功率泵浦的情况下，由于放大器中增益介质中存在热效应，增益介质中会产生球差等高阶像差。像差会导致通过增益介质的光束产生畸变，而且随着放大器泵浦功率的提高，热畸变会更加严重，严重恶化了输出激光的光束质量。

近来，我们发现在专利CN 100495836C所述的“一种双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔的装置”中，谐振腔两端输出光束的光束质量差别较大。定义从激光晶体到谐振腔腔镜的距离为谐振腔臂长，在基模动态稳定非对称激光谐振腔中，谐振腔的两个臂长差别较大，从臂长较长的一端输出光束的光束质量很好，而从臂长较短的一端输出光束的光束质量较差。将这一原理应用到激光振荡级—放大器系统，可以在保证较大的输出功率的同时，得到很好的光束质量。

发明内容

针对现有激光放大级中通过激光放大器的光束质量较差的不足，本发明提供一种提高光束质量的激光放大器。

一种提高光束质量的激光放大器，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光路耦合元件，该光路耦合元件与放大级依次布置在输出镜的出射光路中，光路耦合元件与输出镜的距离为L3，且L3∶L2＝0.5～2∶1；

所述光路耦合元件的焦距与放大级的热透镜焦距相等，光路耦合元件和放大级之间的距离为放大级的热透镜焦距的两倍。

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，通过选择具有特定焦距的光路耦合元件并布置在光路中恰当的位置，使激光束先会聚再发散进入放大级，可以使基模有较高的耦合系数，经过放大后的光束质量有明显提高。

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％。

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，输出镜的出射光线具有较好的质量，作为优选，L2为L1的3～5倍。

为将从输出镜输出的激光光束进行先会聚再发散后进入放大级，还需设置光路耦合元件，实现光束从激光振荡级向激光放大级中的耦合。作为优选，所述的光路耦合元件为耦合透镜或具有热透镜效应的激光增益介质，所述的激光增益介质为Nd:YAG晶体、Nd:YVO₄晶体或Yb:YAG晶体。

本发明中光路耦合元件的选择要依据放大级工作点处的热透镜焦距而定，要保证光路耦合元件的焦距与放大级的热透镜焦距相等，同时优选所述光路耦合元件的焦距为10mm-2000mm。且将光路耦合元件布置在与放大级的距离为放大级的热透镜焦距的两倍处，使经输出镜输出的光束在光路耦合元件与放大级之间的中间位置会聚，再发散进入放大级。

进一步优选，所述光路耦合元件的焦距为75mm-150mm，位置在距离放大级150mm-300mm处。此时进入放大级的发散光束通过放大级热透镜后趋近于准直，有利于获得高光束质量的激光输出。

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，该第一激光增益介质与作为光路耦合元件的激光增益介质可以相同，也可以不同。

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作为光路耦合元件的激光增益介质可以相同，也可以不同，但两者的焦距必须相等。

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，使得经放大级输出的光束具有较好的质量。

一种基于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)选取光路耦合元件，该光路耦合元件的焦距与放大级的热透镜焦距相等；

3)在振荡级的输出镜和放大级之间布置所述光路耦合元件，且满足：

光路耦合元件与输出镜的距离为L3，且L3∶L2＝0.5～2∶1；

光路耦合元件和放大级之间的距离为放大级的热透镜焦距的两倍；

4)输出镜的出射光线依次通过光路耦合元件和放大级后作为激光束输出。

本发明通过调整耦合透镜的焦距和位置调节进入放大级的光束为会聚以后再发散的光束，不同于现有技术中将光束经扩束后再准直通过放大级。在物理原理上，这种方法利用了放大过程中的模式耦合来实现光束质量的控制。基模高斯光束通过放大级后，可以通过计算其向高阶模式耦合的多少来判断光束质量的变化情况。如果耦合之后基模占得比重大，说明经过放大后的光束质量较好，反之则较差。将光束经扩束后再准直通过放大级的方法，放大后得到的基模耦合系数较低，高阶模耦合系数高，因此得到的光束质量较差。本发明采用将会聚以后再发散的光束通过放大级，可以使基模有较高的耦合系数，经过放大后的光束质量明显好于前者。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

采用振荡级—放大器系统来获得高功率的激光输出。本发明在振荡级和放大器之间不使用扩束望远镜系统，而是使用耦合透镜将振荡级发出的光束耦合进入放大器。利用这种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，而且可以有效地控制放大级输出的光束质量。

附图说明

图1为现有技术中光束经过扩束望远镜系统后进入放大级中的光斑半径分布图；

图2为本发明实施例1中提高通过激光放大器光束质量的装置及其光路图；

图3为本发明实施例2中提高通过激光放大器光束质量的装置及其光路图；

图4为实施例1中激光放大后功率为102W时光束质量分析仪测量得的光束半径及其拟合曲线；

图5为实施例1中激光放大后功率为102W时得到的光斑图像；

图6为实施例2中激光放大后功率为155W时得到的光斑图像。

具体实施方式

如图2或图3所示为本发明提高光束质量的激光放大器，包括振荡级和放大级，振荡级和放大级之间的距离为1000-1500mm。振荡级包括依次设置的全反镜1、第一激光增益介质2和输出镜3，全反镜1与第一激光增益介质2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；

该激光放大器中还设有光路耦合元件，该光路耦合元件与放大级依次布置在输出镜3的出射光路中，光路耦合元件与输出镜的距离为L3，且L3∶L2＝0.5～2∶1；

光路耦合元件的焦距与放大级的热透镜焦距相等，光路耦合元件和放大级之间的距离为放大级的热透镜焦距的两倍。

利用上述激光放大器提高光束质量的方法包括如下步骤：

1)根据放大级的工作点确定放大级的热透镜焦距；

2)选取光路耦合元件，该光路耦合元件的焦距与放大级的热透镜焦距相等；

3)在振荡级的输出镜和放大级之间布置所述光路耦合元件，且满足：

光路耦合元件与输出镜的距离为L3，且L3∶L2＝0.5～2∶1；

光路耦合元件和放大级之间的距离为放大级的热透镜焦距的两倍；

4)输出镜的出射光线依次通过光路耦合元件和放大级后作为激光束输出。

下面结合具体实施例介绍本发明提高通过激光放大器光束质量的装置及其方法，适用于不仅要求有高的输出功率，而且要求有较好光束质量的固体激光系统。

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2(第一激光增益介质)、输出镜3、耦合透镜6、放大级增益介质5(第二激光增益介质)。

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，光束质量因子为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。全反镜与第一激光增益介质之间的距离L1＝175mm，第一激光增益介质与输出镜的距离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。

选择耦合透镜的焦距为100mm。振荡级输出镜到耦合透镜的距离为1170mm。耦合透镜到放大级第一Nd:YAG激光晶体端面的距离为200mm。振荡级发出的光束经过耦合透镜进入放大级。进入放大级的光束的发散角为12mrad。放大级第一Nd:YAG激光晶体的端面处光束半径为1mm。

实验测量了经过单程放大后的光束功率和光束质量。当放大级工作电流为23A时，测得输出光束功率为102W，光束质量M_x ²＝1.63，M_y ²＝1.55。光束质量因子测量结果如图4所示。图5为激光放大后功率为102W时得到的光斑图像。实验表明，提高单程通过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。

实施例2

如图3所示，沿光轴依次放置有全反镜1、振荡级增益介质2、输出镜3、光路耦合元件、放大级增益介质5。

同实施例1中相同，振荡级依然采用双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔。当工作电流为18A时，输出功率为55W，光束质量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。全反镜与第一激光增益介质之间的距离L1＝175mm，第一激光增益介质与输出镜的距离L2＝780mm。

实验中的光路耦合元件为具有热透镜效应的激光增益介质7，光路耦合元件和放大级增益介质都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。

振荡级输出镜到光路耦合元件中Nd:YAG激光晶体热透镜前主面的距离为1200mm，光路耦合元件中Nd:YAG激光晶体的前主面处光束半径为1mm。光路耦合元件中Nd:YAG激光晶体的后主面到放大级Nd:YAG激光晶体热透镜前主面的距离为200mm。光束通过光路耦合元件会聚后，发散进入放大级，进入放大级光束的发散角为12mrad。

实验测量了放大后的光束功率和光束质量。当放大级工作电流为23A时，测得输出光束功率为155W，光束质量因子M_x ²＝1.62，M_y ²＝1.70。图6为激光放大后功率为155W时得到的光斑图像。实验表明，提高单程通过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单程通过激光放大器，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为L1的3～5倍；

所述激光放大器中还设有光路耦合元件，该光路耦合元件与放大级依次布置在输出镜的出射光路中，光路耦合元件与输出镜的距离为L3，且L3：L2＝0.5～2：1；

所述光路耦合元件的焦距与放大级的热透镜焦距相等，光路耦合元件和放大级之间的距离为放大级的热透镜焦距的两倍。

2.根据权利要求1所述的提高光束质量的单程通过激光放大器，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单程通过激光放大器，其特征在于，所述的光路耦合元件为耦合透镜或具有热透镜效应的激光增益介质，所述的激光增益介质为Nd:YAG晶体、Nd:YVO₄晶体或Yb:YAG晶体。

4.根据权利要求1或3所述的提高光束质量的单程通过激光放大器，其特征在于，所述光路耦合元件的焦距为10mm-2000mm。

5.根据权利要求4所述的提高光束质量的单程通过激光放大器，其特征在于，所述光路耦合元件的焦距为75-150mm，位置在距离放大级150-300mm处。

6.根据权利要求1所述的提高光束质量的单程通过激光放大器，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。

7.根据权利要求1所述的提高光束质量的单程通过激光放大器，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。

8.一种基于单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为L1的3～5倍；

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)选取光路耦合元件，该光路耦合元件的焦距与放大级的热透镜焦距相等；

3)在振荡级的输出镜和放大级之间布置所述光路耦合元件，且满足：

光路耦合元件与输出镜的距离为L3，且L3：L2＝0.5～2：1；

光路耦合元件和放大级之间的距离为放大级的热透镜焦距的两倍；

4)输出镜的出射光线依次通过光路耦合元件和放大级后作为激光束输出。