CN104022437A - 一种多程激光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多程激光放大器，包括：全反射镜(1)、两个以上的激光晶体、耦合透镜组(4)和光纤耦合模块(5)；所述激光晶体并列分布于同一平面上，并与全反射镜(1)的反射面相对；每个所述的激光晶体均能接受到相邻的激光晶体输出并通过全反射镜(1)反射的激光；所述光纤耦合模块(5)通过耦合透镜组(4)对激光晶体进行光泵浦；所述全反射镜(1)的反射面为凹面，该全反射镜(1)通过一端入射激光，并经过激光晶体的若干次放大及反射后从其另一端输出。该多程激光放大器具有结构简单，调节方便，放大程数可以灵活改变，提取效率高的优点。

Description

一种多程激光放大器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种多程激光放大器。

背景技术

通常情况下，对于高端场合下的激光应用，要求激光器在获得高功率的激光脉冲输出的同时，还要保障激光束拥有高光束质量。如此一来，采用单一的振荡级直接输出，常常由于激光器谐振腔内光学元件的损伤阈值特性或造价的成本考虑而几乎无法实现。而选用主振荡器加普通的多级功率放大器(MOPA)的方案，虽然可以通过选择合适的能流通量来规避光学元件损伤问题，但只有在放大器的增益较大或注入的信号光能量较大时才比较经济可用(参考文献：王之桐，提高主振-功率放大系统光束质量的实验研究，中国激光，Vol.31增刊，2004年)，必须保证每一级的放大器增益足够高，否则会使能量浪费严重和热负荷增大；且上述普通的多程放大器放大程数有限。而对于采用SBS相位共轭的放大器，不仅要求入射的信号光能量足够高和脉宽足够窄之外，还要求入射激光的线宽接近单频才能保证有相对较高的效率，否则插入损耗严重。对于皮秒或飞秒的种子放大，动辄要求实现10⁶以上的增益(参考文献：Martin D.Dawson，W.Andreas Schroeder，D.P.Norwood，and ArthurL.Smirl，Characterization of a high-gain picosecond flash-lamp-pumped Nd：YAGregenerative amplifier，OPTICS LETTERS/Vol.13，No.11/November1988)，此时采用普通的多程放大技术几乎无法实现，而选用再生放大，材料的色散所造成的光谱增益窄化直接导致放大脉宽的展宽，甚至带来波形的劣化和破坏(参考专利文献：魏志义，腾浩，吕铁铮，张杰，一种飞秒激光多通预放大器，申请号：01229194.3，公告号：CN2498770Y)。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有的激光放大器在激光放大过程中存在的光能量利用率低、放大程数少、光路复杂，且对激光的放大条件要求较高的技术问题，提出一种多程激光放大器，以最大程度的提高激光器的综合性能，并节约了成本和提高了激光的放大效率。

为实现上述目的，本发明提供一种多程激光放大器。包括：全反射镜、两个以上的激光晶体、耦合透镜组和光纤耦合模块；所述激光晶体并列分布于同一平面上，并与全反射镜的反射面相对；每个所述的激光晶体均能接受到相邻的激光晶体输出并通过全反射镜反射的激光；所述激光晶体在朝向全反射镜的一面镀有与放大器波长相对应的增透膜和泵浦光波长的增透膜，其背向全反射镜的一面镀有与放大器波长相对应的全反膜和泵浦光波长的增透膜；所述光纤耦合模块通过耦合透镜组对激光晶体进行光泵浦；所述全反射镜的反射面为凹面，该全反射镜通过一端入射激光，并经过激光晶体的若干次放大及反射后从其另一端输出。

作为上述技术方案的进一步改进，所述激光晶体在朝向全反射镜的一面为平面，其背向全反射镜的一面为凸面，该凸面的的曲率半径与激光晶体到全反射镜之间的距离相等。

作为上述技术方案的进一步改进，所述全反射镜的曲率半径与激光晶体到全反射镜之间的垂直距离相等。

作为上述技术方案的进一步改进，所述激光晶体在朝向及背向全反射镜的两个面均为平面。

作为上述技术方案的进一步改进，所述全反射镜的一端设有供激光入射的输入孔，其另一端设有直角棱镜，该直角棱镜用于反射输出经激光晶体进行若干次放大及反射后的激光。

作为上述技术方案的进一步改进，所述激光晶体在背向全反射镜的一面沿中心轴依次平行排列耦合透镜组和光纤耦合模块。

作为上述技术方案的进一步改进，在所述激光晶体朝向全反射镜的一面与耦合透镜组之间，设有两个平面反射镜，所述耦合透镜组通过平面反射镜将泵浦光反射至激光晶体朝向全反射镜的一面上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的全反射镜采用K9玻璃或熔石英材料制成，该全反射镜的反射面镀有反射率大于99.5％的介质膜。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的激光晶体采用钇铝石榴石晶体、掺钕钒酸钆单晶或掺钕钒酸钇晶体制成。本发明的一种多程激光放大器的优点在于：

本多程激光放大器具有结构简单，调节方便，放大程数可以灵活改变，提取效率高的优点。本发明可在各种激光放大器中使用，通过调整全反射镜和激光晶体的方位，可以实现放大次数的灵活可调。

附图说明

图1为本发明实施例1中全反射镜上的光斑竖列A对应的光线图。

图2为本发明实施例1中全反射镜上的光斑竖列B对应的光线图。

图3为本发明实施例1中全反射镜上的光线投影示意图。

图4为本发明实施例1中的光路行进示意图。

图5为本发明实施例2中全反射镜上的光斑竖列A对应的光线图。

图6为本发明实施例2中全反射镜上的光斑竖列B对应的光线图。

图7为本发明实施例3中全反射镜上的光斑竖列A对应的光线图。

图8为本发明实施例4中的光路行进示意图。

图9为本发明实施例4中全反射镜上的光线投影示意图。

图10为本发明实施例5中的光路行进示意图。

附图说明

1、全反射镜         2、第一激光晶体        3、第二激光晶体

4、耦合透镜组       5、光纤耦合模块        6、直角棱镜

7、平面反射镜       8、第三激光晶体        9、第四激光晶体

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种多程激光放大器进行详细说明。

本发明的一种多程激光放大器，包括：全反射镜、两个以上的激光晶体、耦合透镜组和光纤耦合模块；所述激光晶体并列分布于同一平面上，并与全反射镜的反射面相对；每个所述的激光晶体均能接受到相邻的激光晶体输出并通过全反射镜反射的激光；所述激光晶体在朝向全反射镜的一面镀有与放大器波长相对应的增透膜和泵浦光波长的增透膜，其背向全反射镜的一面镀有与放大器波长相对应的全反膜和泵浦光波长的增透膜；所述光纤耦合模块通过耦合透镜组对激光晶体进行光泵浦；所述全反射镜的反射面为凹面，该全反射镜通过一端入射激光，并经过激光晶体的若干次放大及反射后从其另一端输出。

现有的激光放大器通常在放大次数、光学元件排布上均已固定。一方面，而如果激光晶体在所配置的泵浦条件下增益不够，此时想要增加放大程数以提高能量利用率，就需要增加光学元件来改善，否则就无法实现激光的放大功能。而通过增加光学元件，不仅会带来机械排布和光学调试的难度，而且会增加成本，增大整个结构尺寸。利用本发明的激光放大器只需要在激光晶体与全反射镜之间调节放大的程数，即可实现激光在放大后的参数要求。

另一方面，如果激光晶体在所配置的泵浦条件下增益过度时，即会带来背景荧光ASE的放大，进而在影响信噪比的同时也会导致放大效率的下降，因为此时ASE把储能浪费了；而减少放大程数势必造成光学结构全部重新排布，费时费力。利用本发明的激光放大器也只需减少放大程数，即可方便有效的实现激光在放大后的参数要求。

实施例1：

基于上述多程激光放大器的结构，如图1、2所示，在本实施例中的激光放大器包括：平凹全反射镜1、第一激光晶体2、第二激光晶体3、耦合透镜组4和光纤耦合模块5，所述第一激光晶体2和第二激光晶体3并列分布于同一平面上，并与全反射镜1的反射面相对；这两个激光晶体均能接受到彼此输出并通过全反射镜1反射的激光；所述激光晶体在背向全反射镜1的一面沿其中心轴依次平行排列耦合透镜组4和光纤耦合模块5。所述的第一激光晶体2和第二激光晶体3在朝向平凹全反射镜的一面镀有与放大器波长相对应的增透膜和泵浦光波长的增透膜，所述的第一激光晶体2和第二激光晶体3的另一面均为凸面，并镀有与放大器波长相对应的全反膜和泵浦光波长的增透膜，该凸面的的曲率半径与激光晶体到全反射镜1之间的垂直距离相等，此时的曲率半径可为2000mm；两个光纤耦合模块5分别通过两个耦合透镜组4对第一激光晶体2和第二激光晶体3进行光泵浦；同时要保证第一晶体2和第二晶体3对全反射镜1共轭，则全发射镜1的曲率半径也要与激光晶体到全反射镜1之间的距离相等。如图3所示，所述全反射镜1的一端设有供激光入射的输入孔，该输入位于光斑竖列A中01位置，其另一端设有图2中所示的直角棱镜6，该直角棱镜6用于反射输出经激光晶体进行若干次放大及反射后的激光，其位于图3的光斑竖列B中06位置。

本实施例中激光放大器的工作原理如图4所示，首先将待放大的信号光调整到全反射镜1的光斑竖列A中01位置处入射，经过第一激光晶体2放大并反射后到达全反射镜1的光斑竖列B中01位置处，之后再反射到第二激光晶体3上，经其放大并反射后到达全反射镜1的光斑竖列A中02位置处，然后，经全反射镜1反射到第一激光晶体2上，经其放大并反射后到达全反射镜1的光斑竖列B中02位置处，然后按此规律往返放大和反射，最后经全反射镜1的光斑竖列B中06位置处的直角棱镜6反射输出。

实施例2：

如图5、6所示，本实施例与上述实施例1不同之处仅在于：本实施例中的第一激光晶体2和第二激光晶体3在朝向及背向全反射镜1的两个面都加工成平面结构。

实施例3：

如图7所示，本实施例与上述实施例1不同之处仅在于：将实施例1中的耦合透镜组4和光纤耦合模块5移到激光晶体的一侧，在所述第一激光晶体2和第二激光晶体3朝向全反射镜1的一面与耦合透镜组4之间，均设有两个反射面相互垂直的平面反射镜7，所述耦合透镜组4通过平面反射镜7将泵浦光反射至激光晶体朝向全反射镜1的一面上。

实施例4：

如图8所示，本实施例与上述实施例1不同之处仅在于：在本实施例中的激光放大器采用三个激光晶体及其配合的耦合透镜组4和光纤耦合模块5。本实施例中激光放大器的工作原理如图8所示，首先将待放大的信号光调整到全反射镜1的光斑竖列A中01位置处入射，经过第一激光晶体2放大并反射后到达全反射镜1的光斑竖列B中01位置处，之后再反射到第二激光晶体3上，经其放大并反射后到达全反射镜1的光斑竖列C中01位置处，然后，经全反射镜1反射到第三激光晶体8，经其放大并反射后到达全反射镜1的光斑竖列A中02位置处，再经全反射镜1反射到第一激光晶体2上，再次放大并反射后到达全反射镜1的光斑竖列B中02位置处，再经全反射镜1反射到第二激光晶体3上，经其放大并反射后到达全反射镜1的光斑竖列C中02位置处，按此规律往返放大及反射，最后经全反射镜1的光斑竖列C中06位置处的直角棱镜6反射输出。

实施例5：

如图10所示，本实施例与上述实施例2不同之处仅在于：在本实施例中的激光放大器采用四个激光晶体及其配合的耦合透镜组4和光纤耦合模块5，即为4个增益模块时的放大模型。从实施例2与本实施例的比较可以看出，本发明可实现多个增益模块进行泵浦的放大，增益模块的数量可根据实际进行扩展。

以上的实施例1-5中，全反射镜可采用K9玻璃或熔石英材料制成，该全反射镜可镀有反射率大于99.5％的介质膜。所用的激光晶体的材料可以是钇铝石榴石晶体(Nd：YAG)，也可以选用其他的工作物质材料，如掺钕钒酸钆单晶(Nd：GdV04)或掺钕钒酸钇晶体(Nd：YV04)。

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 (8)

1.一种多程激光放大器，其特征在于，包括：全反射镜(1)、两个以上的激光晶体、耦合透镜组(4)和光纤耦合模块(5)；所述激光晶体并列分布于同一平面上，并与全反射镜(1)的反射面相对；每个所述的激光晶体均能接受到相邻的激光晶体输出并通过全反射镜(1)反射的激光；所述激光晶体在朝向全反射镜(1)的一面镀有与放大器波长相对应的增透膜和泵浦光波长的增透膜，其背向全反射镜(1)的一面镀有与放大器波长相对应的全反膜和泵浦光波长的增透膜；所述光纤耦合模块(5)通过耦合透镜组(4)对激光晶体进行光泵浦；所述全反射镜(1)的反射面为凹面，该全反射镜(1)通过一端入射激光，并经过激光晶体的若干次放大及反射后从其另一端输出。

2.根据权利要求1所述的多程激光放大器，其特征在于，所述激光晶体在朝向全反射镜(1)的一面为平面，其背向全反射镜(1)的一面为凸面，该凸面的的曲率半径与激光晶体到全反射镜(1)之间的垂直距离相等。

3.根据权利要求2所述的多程激光放大器，其特征在于，所述全反射镜(1)的曲率半径与激光晶体到全反射镜(1)之间的距离相等。

4.根据权利要求1所述的多程激光放大器，其特征在于，所述全反射镜(1)的一端设有供激光入射的输入孔，其另一端设有直角棱镜(6)，该直角棱镜(6)用于反射输出经激光晶体进行若干次放大及反射后的激光。

5.根据权利要求1所述的多程激光放大器，其特征在于，所述激光晶体在背向全反射镜(1)的一面沿中心轴依次平行排列耦合透镜组(4)和光纤耦合模块(5)。

6.根据权利要求1所述的多程激光放大器，其特征在于，在所述激光晶体朝向全反射镜(1)的一面与耦合透镜组(4)之间，设有两个平面反射镜(7)，所述耦合透镜组(4)通过平面反射镜(7)将泵浦光反射至激光晶体朝向全反射镜(1)的一面上。

7.根据权利要求1所述的多程激光放大器，其特征在于，所述的全反射镜(1)采用K9玻璃或熔石英材料制成，该全反射镜(1)的反射面镀有反射率大于99.5％的介质膜。

8.根据权利要求1所述的多程激光放大器，其特征在于，所述的激光晶体采用钇铝石榴石晶体、掺钕钒酸钆单晶或掺钕钒酸钇晶体制成。