CN103887701A - 一种采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置和方法。激光振荡器从长臂输出一束球差几乎为0的激光光束，光束通过带带正球差的第一激光增益介质实现一次放大，放大后光束带有强烈的正球差，光束质量恶化，光束功率提高。光束从第一激光增益介质出来后传播规律为先会聚后发散，所带的球差从正球差反转为负球差，在负球差最大值的地方通过第二激光增益介质，通过第二激光增益介质后光束所带的负球差被激光增益介质的正球差补偿为接近0，光束质量变好，功率进一步增加，从而实现了光束波前在腔外的自再现，在良好地控制了激光光束质量的同时有效地放大了激光功率，在工业加工领域有非常好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及固体激光技术，具体涉及一种采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置和方法。
技术背景
高光束质量高功率激光器无论是在科研、工业领域，还是在军事领域，都有极其广泛和重要的应用，比如非线性频率变换、激光高精度加工、激光遥感以及激光武器等。光束质量是激光的一个重要参数，在很大程度上决定激光器的性能。在大量的激光应用中，最关键的参数往往不是激光功率，而是激光亮度。对于一台输出功率一定的激光器，光束质量越好，激光亮度就越高。在高功率的情况下，激光二极管泵浦固体激光器中激光晶体的热效应十分严重。冷却晶体导致晶体内的温度梯度分布，进而导致晶体折射率梯度分布，形成热透镜效应、热致双折射效应以及热致畸变效应等热效应。在激光二极管泵浦激光振荡器中，随着泵浦功率增加，热致畸变效应随之增强，改变激光波前，对激光振荡器的输出功率、光束质量等性能产生影响。
激光振荡器输出激光功率一般较低，为同时获得高功率和高光束质量激光，通常采用主级振荡功率放大(MOPA)结构，主级振荡级(激光振荡器)输出高光束质量激光，功率放大级(激光放大器)实现激光功率放大。然而在激光放大器中，通常情况下，由于热致畸变效应的存在，放大过程中激光光束质量会持续恶化，放大后的激光光束质量远差于激光振荡器输出的激光光束质量，其中影响光束质量的主要因素是激光增益介质对光束球差的累积。为改善放大器中的激光光束质量，发展出了多种光束质量控制、改善技术，主要有：相位共轭镜技术和可变形镜技术等。相位共轭镜可以自动矫正波前畸变，改善激光光束质量。可变形镜技术中使用了一个反射镜面，在致动器作用下反射镜面发生形变，波前传感器检测激光波前，进而改变可变形镜镜面，就可以矫正激光波前畸变，提高激光光束质量。不管是相位共轭镜技术还是可变形镜技术，都可以改善激光放大器中的激光光束质量，但是这两项技术成本高、技术复杂，具有较大的局限性。
发明内容
本发明的目的针对上述方法中的不足，提供一种采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置和方法。本发明利用激光放大器本身的性质，通过对两个放大器中球差的精细控制，不需要采用相位共轭镜技术或者可变形镜技术，就可以保持激光在通过放大器后保持好的光束质量。
采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置包括第一泵浦源、第一光学耦合系统第一透镜、第一光学耦合系统第二透镜、第一双色镜、第一激光增益介质、谐振腔高反镜、谐振腔输出镜、第二泵浦源、第二光学耦合系统第一透镜、第二光学耦合系统第二透镜、第二双色镜、第三泵浦源、第三光学耦合系统第一透镜、第三光学耦合系统第二透镜、第三双色镜、第二激光增益介质、第四泵浦源、第四光学耦合系统第一透镜、第四光学耦合系统第二透镜、第四双色镜、第五泵浦源、第五光学耦合系统第一透镜、第五光学耦合系统第二透镜、第五双色镜、第三激光增益介质、第六泵浦源、第六光学耦合系统第一透镜、第六光学耦合系统第二透镜、第六双色镜；第一泵浦源、第一光学耦合系统第一透镜、第一光学耦合系统第二透镜、第一双色镜、第一激光增益介质、第二双色镜、第二光学耦合系统第二透镜、第二光学耦合系统第一透镜、第二泵浦源顺次相连，第三泵浦源、第三光学耦合系统第一透镜、第三光学耦合系统第二透镜、第三双色镜、第二激光增益介质、第四双色镜、第四光学耦合系统第二透镜、第四光学耦合系统第一透镜、第四泵浦源顺次相连，第五泵浦源、第五光学耦合系统第一透镜、第五光学耦合系统第二透镜、第五双色镜、第三激光增益介质、第六双色镜、第六光学耦合系统第二透镜、第六光学耦合系统第一透镜、第六泵浦源顺次相连，在第一双色镜与第三双色镜之间放置有谐振腔高反镜，第二双色镜与第四双色镜之间顺次放置有谐振腔输出镜。
所述的谐振腔高反镜对激光的反射率大于99.5%，谐振腔输出镜对激光的反射率为10%~90%。
所述的第一激光增益介质和第二激光增益介质为掺杂型激光材料，掺杂型激光材料为Nd:YVO4晶体或Nd:YAG晶体。
所述的第一光学耦合系统第一透镜与第一光学耦合系统第二透镜、第二光学耦合系统第一透镜与第二光学耦合系统第二透镜、第三光学耦合系统第一透镜与第三光学耦合系统第二透镜、第四光学耦合系统第一透镜与第四光学耦合系统第二透镜、第五光学耦合系统第一透镜与第五光学耦合系统第二透镜以及第六光学耦合系统第一透镜与第六光学耦合系统第二透镜两透镜的焦距比例为1:1 ~ 1:3。
所述的第一双色镜和第二双色镜、第三双色镜和第四双色镜以及第五双色镜和第六双色镜与光路呈45°放置，第一双色镜和第二双色镜、第三双色镜和第四双色镜以及第五双色镜和第六双色镜对谐振激光的反射率大于99.5%，并且对泵浦激光的反射率小于5%。
实现激光光束波前球差动态补偿方法的步骤如下：
1)在激光振荡器内部的激光光束，其波前球差的强弱和正负在不同位置处具有不同的分布，通过调节谐振腔高反镜与第一激光增益介质的距离L1和第一激光增益介质与谐振腔输出镜的距离L2，满足L2为L1的2~5倍，此时，谐振腔内部的球差分布为：谐振腔高反镜处的球差系数为0，光束传播到第一激光增益介质的上端面出球差系数为-0.04~-0.03，第一激光增益介质带有的正球差为+0.04±0.005，光束通过第一激光增益介质后下端面处的球差系数为0~0.005，光束传播到谐振腔输出镜处的球差系数变为0，光束再次回到第一激光增益介质的下端面处时球差系数变为-0.005~0，通过第一激光增益介质后上端面的球差系数为+0.03~+0.04，回到谐振腔高反镜处的球差又变为0，如此往复；
2)激光振荡器输出的光束经过谐振腔高反镜与第二激光增益介质之间的距离L3之后进入第二激光增益介质，其中L3=L2，光束传播L3的距离之后到达激光放大器中第二激光增益介质的下端面处，此时光束波前球差的强弱和正负与第一激光增益介质的下端面处进入第一激光增益介质的光束的光强和相位完全一致，球差大小为-0.005~0；光束经过第二激光增益介质后，第二激光增益介质所带的球差大小为+0.04±0.005，光束波前的球差变为+0.03~+0.04，此时光束质量变差，激光功率增加；
3)从第二激光增益介质出射的光束传播与第二激光增益介质距离为L4之后光束到达焦点位置，其中L4=L1，球差变为0，此时光束的波前的性质与激光振荡器中谐振腔高反镜的性质完全相同，再传播焦点与第三激光增益之间的距离L5之后光束的球差反转为负球差，其中L5=L4，球差大小为-0.04~-0.03，此时通过第三激光增益介质；
4)第三激光增益介质所带的球差大小为+0.04±0.005，光束通过第三激光增益介质时光束所带的负球差被第三激光增益介质中热透镜效应的正球差所补偿，光束出射后球差系数变为0~+0.005，光束质量变好，激光功率进一步增加，此时光束波前的性质与激光振荡器出射的光束波前性质近似一样，整个放大系统中光束质量变坏—变好的过程和激光谐振腔中光束自再现的情况相似，实现了光束波前在腔外自再现，从而有效地保证了激光放大器中光束质量控制，而且放大了激光光束的功率。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、相位共轭镜技术和可变形镜技术成本高，造价昂贵，本发明采用激光放大晶体自身实现光束质量的控制，有效地节约了成本。
2、相位共轭镜技术和可变形镜技术控制光束质量的技术复杂，需要针对特定的光束有特定的制作精度，具有较大的局限性，本发明利用激光放大晶体本身的特性实现了激光光束波前在腔外的自再现，有效地控制了激光放大器中的光束质量。可操作性强，效果很好。
3、本发明不但通过波前自再现的方法有效地控制了光束质量，而且通过放大器放大了光束功率，这对于工业加工有非常积极的意义。
4、采用本发明可以不局限于两级放大，通过类似的球差控制，可以在激光振荡器后加无限级的激光放大器，从而可以将光束做到非常高的功率，而且保持良好的光束质量。
附图说明
图1为本采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置的结构及光路示意图；
图中，第一泵浦源1、第一光学耦合系统第一透镜2、第一光学耦合系统第二透镜3、第一双色镜4、第一激光增益介质5、谐振腔高反镜6、谐振腔输出镜7、第二泵浦源8、第二光学耦合系统第一透镜9、第二光学耦合系统第二透镜10、第二双色镜11、第三泵浦源12、第三光学耦合系统第一透镜13、第三光学耦合系统第二透镜14、第三双色镜15、第二激光增益介质16、第四泵浦源17、第四光学耦合系统第一透镜18、第四光学耦合系统第二透镜19、第四双色镜20、第五泵浦源21、第五光学耦合系统第一透镜22、第五光学耦合系统第二透镜23、第五双色镜24、第三激光增益介质25、第六泵浦源26、第六光学耦合系统第一透镜27、第六光学耦合系统第二透镜28、第六双色镜29；
图 2 为光束经过第二级激光增益介质后输出光束的光束质量M2与第二激光增益介质泵浦电流的关系图；
图 3为第二激光增益介质输入泵浦功率最大时，光束经过第二激光增益介质后输出的光斑图像；
图 4为光束经过第三激光增益介质后输出光束的光束质量M2与第三激光增益介质泵浦电流的关系图；
图 5为第三激光增益介质输入泵浦功率最大时，光束经过第三激光增益介质后输出的光斑图像；
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置包括第一泵浦源、第一光学耦合系统第一透镜、第一光学耦合系统第二透镜、第一双色镜、第一激光增益介质、谐振腔高反镜、谐振腔输出镜、第二泵浦源、第二光学耦合系统第一透镜、第二光学耦合系统第二透镜、第二双色镜、第三泵浦源、第三光学耦合系统第一透镜、第三光学耦合系统第二透镜、第三双色镜、第二激光增益介质、第四泵浦源、第四光学耦合系统第一透镜、第四光学耦合系统第二透镜、第四双色镜、第五泵浦源、第五光学耦合系统第一透镜、第五光学耦合系统第二透镜、第五双色镜、第三激光增益介质、第六泵浦源、第六光学耦合系统第一透镜、第六光学耦合系统第二透镜、第六双色镜；第一泵浦源、第一光学耦合系统第一透镜、第一光学耦合系统第二透镜、第一双色镜、第一激光增益介质、第二双色镜、第二光学耦合系统第二透镜、第二光学耦合系统第一透镜、第二泵浦源顺次相连，第三泵浦源、第三光学耦合系统第一透镜、第三光学耦合系统第二透镜、第三双色镜、第二激光增益介质、第四双色镜、第四光学耦合系统第二透镜、第四光学耦合系统第一透镜、第四泵浦源顺次相连，第五泵浦源、第五光学耦合系统第一透镜、第五光学耦合系统第二透镜、第五双色镜、第三激光增益介质、第六双色镜、第六光学耦合系统第二透镜、第六光学耦合系统第一透镜、第六泵浦源顺次相连，在第一双色镜与第三双色镜之间放置有谐振腔高反镜，第二双色镜与第四双色镜之间顺次放置有谐振腔输出镜。
所述的谐振腔高反镜对激光的反射率大于99.5%，谐振腔输出镜对激光的反射率为10%~90%。
所述的第一激光增益介质和第二激光增益介质为掺杂型激光材料，掺杂型激光材料为Nd:YVO4晶体或Nd:YAG晶体。
所述的第一光学耦合系统第一透镜与第一光学耦合系统第二透镜、第二光学耦合系统第一透镜与第二光学耦合系统第二透镜、第三光学耦合系统第一透镜与第三光学耦合系统第二透镜、第四光学耦合系统第一透镜与第四光学耦合系统第二透镜、第五光学耦合系统第一透镜与第五光学耦合系统第二透镜以及第六光学耦合系统第一透镜与第六光学耦合系统第二透镜两透镜的焦距比例为1:1 ~ 1:3。
所述的第一双色镜和第二双色镜、第三双色镜和第四双色镜以及第五双色镜和第六双色镜与光路呈45°放置，第一双色镜和第二双色镜、第三双色镜和第四双色镜以及第五双色镜和第六双色镜对谐振激光的反射率大于99.5%，并且对泵浦激光的反射率小于5%。
实现激光光束波前球差动态补偿方法的步骤如下：
1)在激光振荡器内部的激光光束，其波前球差的强弱和正负在不同位置处具有不同的分布，通过调节谐振腔高反镜与第一激光增益介质的距离L1和第一激光增益介质与谐振腔输出镜的距离L2，满足L2为L1的2~5倍，此时，谐振腔内部的球差分布为：谐振腔高反镜处的球差系数为0，光束传播到第一激光增益介质的上端面出球差系数为-0.04~-0.03，第一激光增益介质带有的正球差为+0.04±0.005，光束通过第一激光增益介质后下端面处的球差系数为0~0.005，光束传播到谐振腔输出镜处的球差系数变为0，光束再次回到第一激光增益介质的下端面处时球差系数变为-0.005~0，通过第一激光增益介质后上端面的球差系数为+0.03~+0.04，回到谐振腔高反镜处的球差又变为0，如此往复；
2)激光振荡器输出的光束经过谐振腔高反镜与第二激光增益介质之间的距离L3之后进入第二激光增益介质，其中L3=L2，光束传播L3的距离之后到达激光放大器中第二激光增益介质的下端面处，此时光束波前球差的强弱和正负与第一激光增益介质的下端面处进入第一激光增益介质的光束的光强和相位完全一致，球差大小为-0.005~0；光束经过第二激光增益介质后，第二激光增益介质所带的球差大小为+0.04±0.005，光束波前的球差变为+0.03~+0.04，此时光束质量变差，激光功率增加；
3)从第二激光增益介质出射的光束传播与第二激光增益介质距离为L4之后光束到达焦点位置，其中L4=L1，球差变为0，此时光束的波前的性质与激光振荡器中谐振腔高反镜的性质完全相同，再传播焦点与第三激光增益之间的距离L5之后光束的球差反转为负球差，其中L5=L4，球差大小为-0.04~-0.03，此时通过第三激光增益介质；
4)第三激光增益介质所带的球差大小为+0.04±0.005，光束通过第三激光增益介质时光束所带的负球差被第三激光增益介质中热透镜效应的正球差所补偿，光束出射后球差系数变为0~+0.005，光束质量变好，激光功率进一步增加，此时光束波前的性质与激光振荡器出射的光束波前性质近似一样，整个放大系统中光束质量变坏—变好的过程和激光谐振腔中光束自再现的情况相似，实现了光束波前在腔外自再现，从而有效地保证了激光放大器中光束质量控制，而且放大了激光光束的功率。
实施例
所述的第一泵浦源和第二泵浦源是输出波长为808nm的InGaAs的半导体激光二极管。所述的第一光学耦合系统和第二光学耦合系统由两块焦距为20mm和40mm的透镜组成。所述激光谐振腔由高反镜、输出镜、第一双色镜和第二双色镜组成，高反镜对激光的反射率为99.9%，高反镜与第一激光增益介质的距离为L1=120mm，输出镜对激光的反射率为20%，第一激光增益介质与输出镜的距离为L2=300mm，第一双色镜和第二双色镜与光路呈45°放置，对谐振激光的反射率为99.9%，并且对泵浦激光的反射率为0.5%；所述的第一激光增益介质位于谐振腔中，第一激光增益介质为Nd:YVO4晶体，晶体钕掺杂浓度为0.3at.%，Nd:YVO4晶体为长方体，尺寸规格为3*3*16mm，输出镜与第二激光增益介质的距离为L3=L2=300mm。
所述的第三泵浦源和第四泵浦源是输出波长为808nm的InGaAs的半导体激光二极管。所述的光学耦合系统由两块焦距为20mm和40mm的透镜组成。所述第三双色镜和第四双色镜与光路呈45°放置，对谐振激光的反射率为99.9%，并且对泵浦激光的反射率为0.5%；所述的固体激光介质是Nd:YVO4晶体，晶体钕掺杂浓度为0.3at.%，Nd:YVO4晶体为长方体，规格为3*3*16mm。第二激光增益介质和第三激光增益介质的距离为L4+L5=240mm，其中L4=L5=L1=120mm。
所述的第五泵浦源和第六泵浦源是输出波长为808nm的InGaAs的半导体激光二极管。所述的光学耦合系统由两块焦距为20mm和40mm的透镜组成。所述第五双色镜和第六双色镜与光路呈45°放置，对谐振激光的反射率为99.9%，并且对泵浦激光的反射率为0.5%；所述的固体激光介质是Nd:YVO4晶体，晶体钕掺杂浓度为0.3at.%，Nd:YVO4晶体为长方体，规格为3*3*16mm。
经测量，振荡级长臂的光束质量为M2=1.35，振荡级短臂的光束质量为M2=3.5，长臂输出功率为28W，由此可知振荡级长臂输出的光束球差很小，接近为0。根据所述的方法可知，光束从长臂输出后通过第二激光增益介质后变为带有强烈的正球差，通过增加激光放大级的泵浦电流，激光放大器中的增益介质的球差随之增加，光束质量逐渐变差，光束质量M2与第二激光增益介质的输入泵浦功率关系图如图2所示，泵浦电流最大处输出的光斑图如图3所示，此时光束质量为M2=3.7，同时光束的功率也随着放大级泵浦功率的增加而增加，输出功率为58W。光束通过第二激光增益介质后传播L4=120mm后汇聚，再通过L5=120mm后通过第三激光增益介质，此时光束所带的球差实现了反转，变为强烈的负球差。通过第三激光增益介质后通过增加激光放大级的泵浦电流，光束所带的负球差渐渐被激光放大级中的正球差补偿，光束逐渐变好，输出的光束质量M2与第三激光增益的输入泵浦功率关系图如图4所示，泵浦电流最大处输出的光斑图如图5所示，此时光束质量回到M2=1.4，球差变为接近0，实现了光束波前在腔外的自再现，有效地控制了光束在放大级中光束质量，同时输出功率提高到86W。
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 (6)
1. 一种采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置，其特征在于包括第一泵浦源（1）、第一光学耦合系统第一透镜（2）、第一光学耦合系统第二透镜（3）、第一双色镜（4）、第一激光增益介质（5）、谐振腔高反镜（6）、谐振腔输出镜（7）、第二泵浦源（8）、第二光学耦合系统第一透镜（9）、第二光学耦合系统第二透镜（10）、第二双色镜（11）、第三泵浦源（12）、第三光学耦合系统第一透镜（13）、第三光学耦合系统第二透镜（14）、第三双色镜（15）、第二激光增益介质（16）、第四泵浦源（17）、第四光学耦合系统第一透镜（18）、第四光学耦合系统第二透镜（19）、第四双色镜（20）、第五泵浦源（21）、第五光学耦合系统第一透镜（22）、第五光学耦合系统第二透镜（23）、第五双色镜（24）、第三激光增益介质（25）、第六泵浦源（26）、第六光学耦合系统第一透镜（27）、第六光学耦合系统第二透镜（28）、第六双色镜（29）；第一泵浦源（1）、第一光学耦合系统第一透镜（2）、第一光学耦合系统第二透镜（3）、第一双色镜（4）、第一激光增益介质（5）、第二双色镜（11）、第二光学耦合系统第二透镜（10）、第二光学耦合系统第一透镜（9）、第二泵浦源（8）顺次相连，第三泵浦源（12）、第三光学耦合系统第一透镜（13）、第三光学耦合系统第二透镜（14）、第三双色镜（15）、第二激光增益介质（16）、第四双色镜（20）、第四光学耦合系统第二透镜（19）、第四光学耦合系统第一透镜（18）、第四泵浦源（17）顺次相连，第五泵浦源（21）、第五光学耦合系统第一透镜（22）、第五光学耦合系统第二透镜（23）、第五双色镜（24）、第三激光增益介质（25）、第六双色镜（29）、第六光学耦合系统第二透镜（28）、第六光学耦合系统第一透镜（27）、第六泵浦源（26）顺次相连，在第一双色镜（4）与第三双色镜（15）之间的光路上垂直放置有谐振腔高反镜（6），第二双色镜（11）与第四双色镜（20）之间的光路上垂直放置有谐振腔输出镜（7）。
2. 根据权利要求1所述的一种采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置，其特征在于所述的谐振腔高反镜（6）对激光的反射率大于99.5%，谐振腔输出镜（7）对激光的反射率为10%~90%。
3. 根据权利要求1所述的一种采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置，其特征在于所述的第一激光增益介质（5）和第二激光增益介质（16）为掺杂型激光材料，掺杂型激光材料为Nd:YVO4晶体或Nd:YAG晶体。
4. 根据权利要求1所述的一种采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置，其特征在于所述的第一光学耦合系统第一透镜（2）与第一光学耦合系统第二透镜（3），第二光学耦合系统第一透镜（9）与第二光学耦合系统第二透镜（10），第三光学耦合系统第一透镜（13）与第三光学耦合系统第二透镜（14），第四光学耦合系统第一透镜（18）与第四光学耦合系统第二透镜（19），第五光学耦合系统第一透镜（22）与第五光学耦合系统第二透镜（23）以及第六光学耦合系统第一透镜（27）与第六光学耦合系统第二透镜（28）两透镜的焦距比例为1:1 ~ 1:3。
5. 根据权利要求1所述的一种采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置，其特征在于所述的第一双色镜（4）、第二双色镜（11）、第三双色镜（15）和第四双色镜（20）、第五双色镜（24）或第六双色镜（29）与光路呈45°放置，第一双色镜（4）、第二双色镜（11）、第三双色镜（15）、第四双色镜（20）、第五双色镜（24）或第六双色镜（29）对谐振激光的反射率大于99.5%，并且对泵浦激光的反射率小于5%。
6. 一种采用如权利要求1所述装置的一种采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的方法，其特征在于它的步骤如下：
1)在激光振荡器内部的激光光束，其波前球差的强弱和正负在不同位置处具有不同的分布，通过调节谐振腔高反镜（6）与第一激光增益介质（5）的距离L1和第一激光增益介质（5）与谐振腔输出镜（7）的距离L2，满足L2为L1的2~5倍，此时，谐振腔内部的球差分布为：谐振腔高反镜（6）处的球差系数为0，光束传播到第一激光增益介质（5）的上端面出球差系数为-0.04~-0.03，第一激光增益介质（5）带有的正球差为+0.04±0.005，光束通过第一激光增益介质（5）后下端面处的球差系数为0~0.005，光束传播到谐振腔输出镜（7）处的球差系数变为0，光束再次回到第一激光增益介质（5）的下端面处时球差系数变为-0.005~0，通过第一激光增益介质（5）后上端面的球差系数为+0.03~+0.04，回到谐振腔高反镜（6）处的球差又变为0，如此往复；
2)激光振荡器输出的光束经过谐振腔高反镜（6）与第二激光增益介质（16）之间的距离L3之后进入第二激光增益介质（16），其中L3=L2，光束传播L3的距离之后到达激光放大器中第二激光增益介质（16）的下端面处，此时光束波前球差的强弱和正负与第一激光增益介质（5）的下端面处进入第一激光增益介质（5）的光束的光强和相位完全一致，球差大小为-0.005~0；光束经过第二激光增益介质（16）后，第二激光增益介质（16）所带的球差大小为+0.04±0.005，光束波前的球差变为+0.03~+0.04，此时光束质量变差，激光功率增加；
3)从第二激光增益介质（16）出射的光束传播与第二激光增益介质（16）距离为L4之后光束到达焦点位置，其中L4=L1，球差变为0，此时光束的波前的性质与激光振荡器中谐振腔高反镜（6）的性质完全相同，再传播焦点与第三激光增益之间的距离L5之后光束的球差反转为负球差，其中L5=L4，球差大小为-0.04~-0.03，此时通过第三激光增益介质（25）；
4)第三激光增益介质（25）所带的球差大小为+0.04±0.005，光束通过第三激光增益介质时光束所带的负球差被第三激光增益介质（25）中热透镜效应的正球差所补偿，光束出射后球差系数变为0~+0.005，光束质量变好，激光功率进一步增加，此时光束波前的性质与激光振荡器出射的光束波前性质近似一样，整个放大系统中光束质量变坏—变好的过程和激光谐振腔中光束自再现的情况相似，实现了光束波前在腔外自再现，从而有效地保证了激光放大器中光束质量控制，而且放大了激光光束的功率。
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