CN103972777B - 激光多通放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光多通放大器，用于对种子激光进行放大，包括：增益介质；泵浦激光器，用于提供对增益介质进行激励的泵浦激光；增益介质设置在泵浦激光所在的泵浦光路上；由多个反射镜构成的反射镜系统，用于接收种子激光，并对种子激光进行多次反射，以使得种子激光沿多个反射路径多次经过增益介质；激光多通放大器还包括在设置在泵浦光路上的二维衍射光学元件和聚焦透镜，用于对泵浦激光进行衍射和聚焦，以提供包括零级衍射光斑和一级衍射光斑在内的多级衍射光斑；其中，多级衍射光斑中至少一级衍射光斑被用于对增益介质进行激励。本发明有效地解决了现有技术中在长期使用后多通放大器输出的放大激光不均匀的问题。

Description

激光多通放大器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及激光多通放大器。

背景技术

钛宝石激光器是一种飞秒激光器，其工作物质是掺钛蓝宝石。这种激光器的典型结构是由振荡器，展宽器，放大器以及压缩器构成。振荡器产生能量较弱的激光，在放大器中进行能量放大。钛宝石激光放大器主要由三部分组成，泵浦激光器、钛宝石晶体以及种子激光源。泵浦激光器例如Nd:YAG激光器输出激光辐照到钛宝石晶体，晶体内部发生粒子数反转，当种子激光穿过钛宝石晶体，反转粒子向下能级跃迁，发生受激辐射，种子激光能量得到放大。

然而，泵浦激光器在长期使用后，其发出的泵浦激光强度不均匀，导致了放大器输出的放大激光光斑中出现能量强区，这样容易使光学元件的损坏，甚至激光器不能正常工作。由于放大激光光斑的光束强度分布依赖于泵浦激光的光斑分布，因此现有技术中通常通过提高泵浦激光光束质量来实现对放大激光光束质量的提升。可以理解，现有技术中对泵浦激光的光束质量的提升程度是有限的，而且通常需要复杂的手段和较高的成本。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种激光多通放大器，以提升放大激光的光束质量。

本发明提供了一种激光多通放大器，用于对种子激光进行放大，包括：增益介质；泵浦激光器，用于提供对增益介质进行激励的泵浦激光；增益介质设置在泵浦激光所在的泵浦光路上；由多个反射镜构成的反射镜系统，用于接收种子激光，并对种子激光进行多次反射，以使得种子激光沿多个反射路径多次经过增益介质；激光多通放大器还包括在设置在泵浦光路上的二维衍射光学元件和聚焦透镜，用于对泵浦激光进行衍射和聚焦，以提供包括零级衍射光斑和一级衍射光斑在内的多级衍射光斑；其中，多级衍射光斑中至少一级衍射光斑被用于对增益介质进行激励。

进一步地，增益介质基本上位于聚焦透镜的焦平面处。

进一步地，泵浦激光器设置成使得泵浦激光的一级衍射光斑包括随机出现的散斑。

进一步地，泵浦激光器为Nd:YAG激光器。

进一步地，二维衍射光学元件构造成使得一级衍射光斑的能量为泵浦激光的总能量的至少70％，优选为至少80％。

进一步地，反射镜系统布置成使得：在增益介质处，种子激光的多个反射路径中至少一个反射路径与泵浦光路的夹角不小于10度，优选不小于13度，更优选不小于15度。

进一步地，反射镜系统布置成使得：在增益介质处，种子激光的多个反射路径中任一反射路径与泵浦光路的夹角不超过15度。

进一步地，激光多通放大器包括：两个泵浦激光器，分别用增益介质两侧提供泵浦激光；两组二维衍射光学元件和聚焦透镜，分别设置在增益介质两侧的泵浦光路上。

进一步地，还包括一阻挡件，用于阻挡泵浦激光的零级衍射光斑照射增益介质。

进一步地，增益介质为钛宝石晶体。

在本发明中，利用二维衍射光学元件对泵浦激光进行整形，整形后的泵浦光光斑中会出现随机分布的散斑，种子激光被这样的光斑放大后，不均匀的增益导致其内部也出现散斑，但是随着放大激光不断传输，衍射效应导致散斑扩散，最终获得均匀的放大激光光斑分布。并且，泵浦激光进行衍射和聚焦后形成的散斑对入射的泵浦激光的光斑分布不敏感，也就是说，泵浦激光的光束质量在被整形后形成的散斑基本没有影响或者影响很小。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的激光多通放大器的示意图。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的激光多通放大器的示意图。本实施例的激光多通放大器用于对种子激光50进行放大。该激光多通放大器可以包括由多个反射镜10构成的反射镜系统、增益介质60和泵浦激光器(未示出)。泵浦激光器用于提供对增益介质60进行激励的泵浦激光40，增益介质60设置在泵浦激光40所在的泵浦光路上。反射镜系统用于接收种子激光50，并对种子激光50进行多次反射，以使得种子激光50沿多个反射路径11多次经过增益介质60。种子激光50多次经过增益介质60并被其对应地多次放大后输出最终的放大激光70离开该放大器。泵浦激光40的光路以及种子激光50的反射光路如图1所示。当该激光多通放大器用作钛宝石激光器的放大器时，该增益介质60可以为钛宝石晶体，该泵浦激光器通常为Nd:YAG激光器。

激光多通放大器还可以包括在设置在泵浦激光40所在的泵浦光路上的二维衍射光学元件20和聚焦透镜30，用于对泵浦激光40进行衍射和聚焦。泵浦激光40经过二维衍射光学元件20和聚焦透镜30后，会形成由多级衍射光斑构成的衍射图案。该多级衍射光斑可以包括零级衍射光斑、一级衍射光斑、以及更多级的衍射光斑。下面将会看到，在该多级衍射光斑中，至少该一级衍射光斑被用于对增益介质60进行激励。

为了使泵浦激光40进行衍射和聚焦后形成的衍射光斑可以射入增益介质60进行激励，可以将增益介质60的位置设置为基本上位于聚焦透镜30的焦平面处。更具体地，可以将增益介质60的入射面61设置在聚焦透镜30的焦平面处。

在该泵浦激光器为Nd:YAG激光器时，由于Nd:YAG激光器极高的相干性，其提供的泵浦激光40在经过二维衍射光学元件20和聚焦透镜30后，其一级衍射光斑中会显出光强强度较大的散斑，而且这些散斑的位置是随机分布的。这种包括散斑的一级衍射光斑，在增益介质60上会产生不均匀的增益，而种子激光50被这样的一级衍射光斑放大后，会导致被放大的种子激光50的内部也出现相应的光强较大的散斑。

需要特别说明的是，对于激光多通放大器，如前文在背景技术部分所描述的那样，放大后的激光的光束强度分布依赖于泵浦激光的光斑分布，因此在现有技术中，通常是通过提高泵浦激光的光束质量来实现对放大激光的光束质量的提升。一般来说，入射到增益介质的泵浦激光的强度分布为均匀的，则输出的放大激光的强度分布也为均匀的；如果泵浦激光的强度分布不均匀，则输出的放大激光的强度分布也不是均匀的。因此，在现有技术中，技术人员通常是不希望看到入射到增益介质上的泵浦激光的强度分布是不均匀的。

本实施例中使泵浦激光40经过二维衍射光学元件20和聚焦透镜30后，在聚焦透镜30的焦平面上的一级衍射光斑中会出现随机分布的多个散斑，表现了一级衍射光斑的强度的不均匀性。诚然，种子激光50在特定的一次经过增益介质60时，会被泵浦激光的这些散斑产生不均匀的放大，从而在传播中的种子激光50的内部也产生散斑。然而，本申请的发明人发现，在本发明的激光多通放大器中，种子激光50会在放大器内部被多次反射而多次经过增益介质60进行放大后，其最终输出的放大激光70反而会表现出相对较好的强度均匀性。本申请的发明人发现，之所以会出现这样的情况，一方面的原因是种子激光50在较长光程的传播过程中会因衍射效应而使得其内部的散斑发生明显扩散。另一方面的原因是，由于泵浦激光的散斑的位置的随机性，尽管种子激光50在每次经过增益介质60时会因随机分布的散斑进行不均匀的放大，但是多次经过增益介质60后，散斑的这种随机性的平均效应会实现对种子激光50的较为均匀的放大。这明显不同于现有技术中由于泵浦激光的相对稳定的强度不均匀分布所造成的放大激光的强度不均匀。

二维衍射光学元件20通常可以由熔融石英材料制成，其表面有细微的凹凸结构，光束通过后相位发生改变，形成多级衍射子光束。这些子光束被透镜聚焦后，在焦平面上会得到一个特定的光斑分布，该光斑分布由二维衍射光学元件的表面结构决定。根据理想的或者说所需要的光斑分布可以通过程序计算得到所需衍射光学元件表面结构。重要的是，焦平面上的光斑分布对入射激光的光斑分布或者说强度分布不敏感，也就是说，泵浦激光的光束质量在被整形前无论是强度分布均匀还是光斑分布与正常分布有偏差，但是在被整形后形成的光斑还是包括了随机分布的散斑，对于散斑基本没有影响或者影响很小。因此，在本发明的激光多通放大器中，对泵浦激光器的输出激光的质量或者说其强度分布基本上没有高的要求，只要泵浦激光40在经过二维衍射光学元件40和聚焦透镜30后能在其泵浦光斑中形成随机分布的散斑即可。

如前所述，由于泵浦激光40的一级衍射光斑中随机出现的散斑有利于形成均匀的放大激光70，因此希望主要用一级衍射光斑作为用于放大的光斑，从而需要在一级衍射光斑中集中大部分泵浦激光能量。为此，二维衍射光学元件20可以构造成使得一级衍射光斑的能量为泵浦激光40的总能量的至少70％，优选为至少80％，在本实施例中，一级衍射光斑占据总能量的83％。本申请的发明人还发现，泵浦激光40在增益介质60处所形成的散斑越小越有利于放大激光的光斑的均匀性。散斑的大小与入射的泵浦激光40的直径成反比，与聚焦透镜30的焦距成正比。因此，在一个实施例中，作为泵浦激光器的Nd:YAG激光器的输出光束直径可以为10毫米，中心波长532纳米，对泵浦激光器的光斑分布没有要求；聚焦透镜30至增益介质60的入射面的距离为聚焦透镜30的焦距，该焦距的大小可以为1.2米。透镜焦距越短，越有利于放大激光的均匀性，但是最短要保证透镜及镜架不会遮挡种子激光50的光路。在该实施例中，在聚焦透镜30的焦平面上形成的一级衍射光斑的直径为9毫米。

众所周知，在多通放大器中，种子激光50穿过增益介质60的角度越大，放大器的放大效率越低。但是，本申请的发明人发现，种子激光50与泵浦激光40的倾斜相交会使得最终输出的放大激光70的光斑均匀性得到提高。因此，对于种子激光50的反射路径11与泵浦激光的泵浦光路之间的角度的选择既需要考虑提高放大激光的光斑均匀性，并且还需要考虑保持一定的放大效率。而且，如前文所述，在多通放大器中，种子激光50多次穿过增益介质60并有较长的传输距离有利于放大激光的光斑均匀性，一方面，因为传输距离的增加使得散斑扩散更加彻底；另一方面，种子激光多次穿过增益介质，种子激光中的光斑与泵浦激光强点重合的区域不同，也起到了平均光斑的效果。参见图1，本实施例的反射镜系统布置成使种子激光50以不同角度4次穿过增益介质60，并且，在增益介质60处，种子激光50的多个反射路径11中至少一个反射路径与泵浦激光40的夹角不小于10度，即反射路径11与泵浦激光40之间形成的最大角度的至少大于或者等于10度。在其他实施例中，该最大角度可以不小于13度或者不小于15度。在保证提高光斑均匀性的同时，还需要保证放大器的放大效率，所以，反射镜系统的激光反射镜布置使得：种子激光在增益介质60处，种子激光50的多个反射路径11中任一反射路径与泵浦激光40的泵浦光路的夹角不超过15度。也就是说，所有反射路径11与泵浦光路的夹角最大不会超过15度。

本申请的发明人发现，在同样的泵浦能量的情况下，泵浦激光数量越多，越有利于放大激光的光斑的均匀性。这是因为散斑位置是随机分布的，所以多个泵浦光束叠加后得到的光斑会更加均匀。基于上述考虑，参见图1，本实施例的激光多通放大器设置有两个泵浦激光器(未示出)，分别从增益介质60两侧提供泵浦激光40。两组二维衍射光学元件20和聚焦透镜30分别设置在增益介质60两侧的泵浦光路上。

在本实施例中，上述的增益介质60为钛宝石晶体，直径为10mm。泵浦激光40穿过二维衍射光学元件20以及聚焦透镜30后，在透镜焦平面形成衍射图样。肉眼可以观察到零级衍射光斑及一级衍射光斑，两者中心间距12毫米。零级光斑被聚焦透镜汇聚成为很小的光斑，其可以不用来对种子激光50进行放大，因此可以被挡住。因此，本实施例的激光多通放大器还设置有一个阻挡件(未示出)，用于阻挡泵浦激光40的零级衍射光斑照射增益介质60。这个阻挡件可以是用来保持作为增益介质60的夹子，也可以是其它吸收体。增益介质60的直径可以略大于泵浦激光40及种子激光50的光斑大小，并使得种子激光50以一定角度入射时，不会被阻挡件遮挡。

尽管在上文中的实施例以钛宝石晶体作为增益介质60且Nd:YAG激光器作为泵浦激光器来描述了按照本发明的激光多通放大器的示例，但是可以理解，本发明的激光多通放大器也可以采用其它合适的增益介质和泵浦激光器，以作为相应类型激光器的放大器，只要该泵浦激光器所提供的泵浦激光通过二维衍射光学元件在增益介质处产生的一级衍射光斑具有随机出现的散斑即可。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (12)

1.一种激光多通放大器，用于对种子激光(50)进行放大，包括：

增益介质(60)；

泵浦激光器，用于提供对所述增益介质(60)进行激励的泵浦激光(40)；所述增益介质(60)设置在所述泵浦激光(40)所在的泵浦光路上；

由多个反射镜(10)构成的反射镜系统，用于接收所述种子激光(50)，并对所述种子激光(50)进行多次反射，以使得所述种子激光(50)沿多个反射路径多次经过所述增益介质(60)；

其特征在于，所述激光多通放大器还包括设置在所述泵浦光路上的二维衍射光学元件(20)和设置在所述泵浦光路上的聚焦透镜(30)，用于对所述泵浦激光(40)进行衍射和聚焦，以提供包括零级衍射光斑和一级衍射光斑在内的多级衍射光斑；其中，所述多级衍射光斑中至少所述一级衍射光斑被用于对所述增益介质(60)进行激励，

所述泵浦激光(40)的所述一级衍射光斑包括随机分布的散斑，以在所述增益介质(60)上产生不均匀的增益，从而使得种子激光(50)在每次经过增益介质(60)时会因随机分布的散斑进行不均匀的放大。

2.根据权利要求1所述的激光多通放大器，其特征在于，所述增益介质(60)基本上位于所述聚焦透镜(30)的焦平面处。

3.根据权利要求1所述的激光多通放大器，其特征在于，所述泵浦激光器为Nd:YAG激光器。

4.根据权利要求1所述的激光多通放大器，其特征在于，所述二维衍射光学元件(20)构造成使得所述一级衍射光斑的能量为所述泵浦激光(40)的总能量的至少70％。

5.根据权利要求4所述的激光多通放大器，其特征在于，所述二维衍射光学元件(20)构造成使得所述一级衍射光斑的能量为所述泵浦激光(40)的总能量的至少80％。

6.根据权利要求1所述的激光多通放大器，其特征在于，所述反射镜系统布置成使得：在所述增益介质(60)处，所述种子激光(50)的所述多个反射路径中至少一个反射路径与所述泵浦光路的夹角不小于10度。

7.根据权利要求6所述的激光多通放大器，其特征在于，所述种子激光(50)的所述多个反射路径中至少一个反射路径与所述泵浦光路的夹角不小于13度。

8.根据权利要求7所述的激光多通放大器，其特征在于，所述种子激光(50)的所述多个反射路径中至少一个反射路径与所述泵浦光路的夹角不小于15度。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的激光多通放大器，其特征在于，所述反射镜系统布置成使得：在所述增益介质(60)处，所述种子激光(50)的所述多个反射路径中任一反射路径与所述泵浦光路的夹角不超过15度。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的激光多通放大器，其特征在于，包括：

两个所述泵浦激光器，分别用所述增益介质(60)两侧提供所述泵浦激光(40)；

两组所述二维衍射光学元件(20)和所述聚焦透镜(30)，分别设置在所述增益介质(60)两侧的泵浦光路上。

11.根据权利要求1-8中任一项所述的激光多通放大器，其特征在于，还包括一阻挡件，用于阻挡所述泵浦激光(40)的所述零级衍射光斑照射所述增益介质(60)。

12.根据权利要求1-8中任一项所述的激光多通放大器，其特征在于，所述增益介质(60)为钛宝石晶体。