CN104242045B - 一种环形光斑薄片放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种环形光斑薄片放大器的技术方案，该方案可以将便于利用非稳腔获得的高光束质量、低功率环形激光光束多次以不同的光束尺寸通过同一薄片增益介质或薄片增益介质序列的不同孔径区域，实现高激光功率密度的等光通量激光提取，不但有效的抑制了ASE并实现较高的光光转换效率，还可以避免薄片上径向激光不均匀引起的温度梯度和温度致光学畸变。

Description

一种环形光斑薄片放大器

技术领域

本发明涉及的是固体激光器领域，尤其是一种环形光斑薄片放大器。

背景技术

激光技术自上世纪六十年代至今高速发展，同时，又与其他高新技术相互渗透，在材料加工、医疗、军事、测量及科学实验研究等众多领域有越来越广泛的应用。其中MOPA结构的激光放大器通过采用高光束质量、低功率激光输出激光经过激光放大器一级或多级功率放大容易实现高光束质量、高功率的激光输出。

目前，在固体激光领域，国内外已经对放大器进行了广泛而深入的研究和开发。但是目前该领域采用的放大器增益介质构型主要为棒状、板条状或光纤。

薄片型增益介质因其特殊的几何形状具有传统增益介质不可比拟的换热效率，并且在前表面泵浦、后表面冷却时可以获得均匀的径向温度分布，温度梯度方向与激光传输方向一致从而大幅降低了热透镜效应。目前，这种类型的增益介质主要采用谐振腔结构直接获得激光输出。这种类型的激光器使用稳定谐振腔结构实现了功率达到数千瓦，光束传输参数20mm mrad左右的激光输出。要进一步提高光束质量，一种方式是采用腔参数接近临界的大基模体积稳腔并在腔内插入非球面像差补偿元件抑制高阶模产生，这种谐振腔非常敏感，且尚无法实现较高输出功率，仅在实验室进行了实验研究，难于推广使用；另一种方式是采用可以获得便于卡塞格林系统发射的环形光斑输出的非稳腔结构，在非稳腔内进行多薄片串接并采用复杂的腔内光束质量控制手段实现更高光束质量的高功率激光输出。为了直接在腔内获得高功率输出，非稳腔内的串接薄片数目较多，薄片静态和动态像差叠加，会严重影响非稳腔的运行。在校正腔内波前畸变过程中，如果简单的将薄片、像差校正元件串接，由于光束传输中的衍射效应以及非稳腔内激光的往返振荡传输，非共轭的像差校正中存在非常复杂的像差演化问题。因此需要在腔内使用成像光学系统将各薄片和波前校正器相互成像，实现共轭像差校正，这样的谐振腔结构复杂、元件数目多，灵敏度高，调节维护困难，即便如此，受限于测量方法、像差特征计算方法、校正元件能力等因素这种腔内像差校正技术尚不成熟。此外，由于非稳腔内光束在两个传输方向上具有不同的光束尺寸，腔内增益介质上的激光光强不是均匀的，因此即使薄片增益介质被理想的均匀泵浦和冷却，也因为激光光强的差异引起吸收率和生热率的非均匀性，最终导致薄片产生径向温度梯度，即温度值的波前畸变，这种热光相互影响的效应在激光功率的提升过程中可能导致谐振腔无法稳定运行。总而言之，薄片激光器虽然相比传统固体激光器实现了更高的输出功率和光束质量。但要在保证高功率激光输出的前提下，进一步提升光束质量，不论使用稳腔还是非稳腔都有较高的技术难度。

使用薄片增益介质的激光放大器研究较少，主要原因是受限于两个方面，其一：薄片状增益介质的特征是横向尺寸即增益区尺寸远大于其厚度(直径几毫米至几十毫米)。当功率较低的种子激光通过光束变换系统使其光束截面尺寸与薄片上增益区尺寸匹配时，其光强较小。然而不论是为了最终获得高功率激光输出，还是充分利用薄片增益介质可高功率密度泵浦的优势，薄片都应工作于强泵浦状态。这种状态下，因为薄片增益介质具有较大的横纵比，在强泵浦条件下容易产生显著的自发辐射放大(ASE)效应，较弱的激光无法抑制ASE效应。同时弱光强种子激光注入虽然可以在弱激光饱和效应下维持较高的增益系数，但是其功率提取能力较低，无法实现较高提取效率，使薄片增益介质的光光效率较低。其二：薄片增益介质纵向尺寸即增益长度小(几百微米至几毫米)，使用简单的放大链路，激光单次或往返通过薄片，增益长度非常有限，难于利用较少的薄片获得较高的放大倍率。为了解决上述问题，或者需要提高种子激光功率，并依次通过径向尺寸从小不断增大的大量薄片，在维持较高激光光强的前提下，实现较高的增益长度；或者需要采用多通放大链路，即使被放大激光多次通过同一薄片增益介质，在增大增益长度的同时，使增益介质内各次激光光强迭加从而实现较高的激光光强以获得较高的激光提取效率。显然，第一种解决方式因为要求高功率种子激光，且需要不同规格的薄片构成放大链路过于复杂，不具有优势；而针对第二种解决方式，人们提出两种具体解决方案：

1、德国斯图加特大学A.Giesen、T.Graf等人提出了一种基于反射镜阵列的多通薄片放大器，这种设计采用被多通泵浦的孔径为10mm左右的Yb:YAG薄片晶体作为增益介质。一侧以特定的空间位置关系放置着薄片、一片凹面镜及一片凸面镜；另一侧为反射镜阵列，其有阵列排布的若干个平面反射镜构成，且每个反射镜均有其特定的角度要求。特定曲率半径的光束通过由凹面镜-薄片-凸面镜-薄片-凹面镜构成了元件序列可以实现自再现。因此现将种子光束变换为上述可自再现光束，以特定角度注入多次放大链路。光束传输过程中，在凹面镜和薄片间、在凸面镜和薄片间，光束总是被反射镜阵列上的某个平面镜反射，这些平面镜控制了每次光束射向薄片的角度。即放大链路中，光束以不同的角度多次被薄片以及凹面镜、凸面镜反射，实现了多通放大的目的。这种解决方案实现了多通放大，可对连续激光、脉冲激光高效放大，德国通快公司采用类似的装置实现了超短脉冲的再生放大。但是为了在动态条件下维持放大过程中各次到达薄片上光斑尺寸的恒定，需要对自再现元件序列、注入光束提出很高要求，此外，反射镜阵列元件多，结构过于复杂。

2、2011年，华中科技大学朱晓、尚建力等人提出一种利用共轭双抛物面多次泵浦、多次放大的Yb:YAG薄片激光放大器方案。其利用共轭双抛物面反射镜的焦点可以彼此成像特性，在一个焦点放置薄片增益介质，另一个焦点放置倾斜反射镜实现对泵浦光、放大激光传输方向的偏移，从而实现多次泵浦和多次放大过程中在抛物面孔径上的光斑位置搬移。这种实现方案要求同时兼顾泵浦光和放大激光多次到达薄片光路过程中的空间位置和薄片上的光斑尺寸。这需要对抛物面参数、反射镜角度和曲率以及薄片晶体光学参数提出很高要求，此外，只有具有特定光束远场发散角、特定束腰位置的种子激光注入多次放大光路才能实现上述多次放大，且这一参数窗口非常狭窄。并且，在多通放大过程中，激光离轴被抛物面反射，彗差会导致薄片上激光光斑的变形已经最终输出激光光束质量的明显劣化。因此这一方案实现高光束质量激光放大也是非常困难的。

并且，上述两个实现方案均是针对实心光斑放大设计的，如果将便于卡塞格林系统发射的空心光斑注入上述两个多次放大系统，或者因为无法在自再现光学元件序列中高质量的依次成像；或者因为其被抛物面反射变换后无法在薄片上形成与增益区匹配的光斑，均无法实现高效的多通放大。

发明内容

本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种环形光斑薄片放大器的技术方案，该方案可以将便于利用非稳腔获得的高光束质量、低功率环形激光光束多次以不同的光束尺寸通过同一薄片增益介质或薄片增益介质序列的不同孔径区域，实现高激光功率密度的等光通量激光提取，不但有效的抑制了ASE并实现较高的光光转换效率，还可以避免薄片上径向激光不均匀引起的温度梯度和温度致光学畸变。

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种环形光斑薄片放大器，包括有种子激光器、光束导入装置、光束尺寸变换器、由薄片增益介质和折镜构成的放大链路、光束导出装置；种子激光器输出波长与薄片增益介质受激发射峰相匹配的高光束质量的激光光束；激光光束的截面为环形光斑；激光光束通过光束导入装置导入放大链路；激光光束进入放大链路后依次通过多个薄片增益介质和折镜后进入光束尺寸变换器；光束尺寸变换器将激光光束尺寸放大；激光光束穿过光束尺寸变换器后一部分通过光束导出装置导出、另一部分继续在放大链路中传播；激光光束通过多个薄片增益介质和折镜后的传播方向与激光光束被导入放大链路时的传播方向一致。

作为本方案的优选：环形光斑的外轮廓与内轮廓形状相同

作为本方案的优选：光束导入装置为反射镜，其反射区域尺寸等于略大于注入放大链路的激光光束的截面尺寸，镜面尺寸等于或大于反射区域尺寸。

作为本方案的优选：光束导出装置设置于光束尺寸变换器和光束导入装置之间；光束导出装置中心设置有通孔或透镜；通孔或透镜的尺寸大于导入放大链路时的激光光束的截面尺寸，小于通过光束放大装置后的激光光束的截面尺寸。

作为本方案的优选：光束尺寸变换器为伽利略望远镜或开普勒望远镜。

作为本方案的优选：薄片增益介质被泵浦机构均匀泵浦；所述薄片增益介质的泵浦方式为前表面泵浦或后表面泵浦或侧面泵浦；所述薄片增益介质可以直接或间接被冷却或不冷却；所述激光光束可以被薄片增益介质反射或透射通过薄片增益介质。

作为本方案的优选：激光光束为振腔直接输出或采用MOPA结构放大输出。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中激光经过一个放大周期后，功率增大，再经过光束尺寸变换器增大其光斑尺寸，因为变换后光束内轮廓等于或略大于导入装置的反射区域尺寸，因此不会被其遮拦，而继续在环路中传输。并且因为每个放大周期光束尺寸依次增大，薄片增益介质上各次光斑的孔径区域不同。通过合理的设计放大环路中的薄片增益介质个数、薄片参数以及泵浦强度，使一个放大周期激光功率增大约M²倍，每个放大周期内，激光在薄片上的功率密度相等且不相互交叠，因此具有相同的增益系数，每个周期便能维持相同的放大倍率M²。

在经过若干个放大周期，环形光斑尺寸增大若干次后，其尺寸超出了薄片的增益区尺寸，激光将不再被放大，而在光束尺寸变换器与放大周期内第一个薄片增益介质间放置光束导出装置。光束由光束导出装置导出放大链路外实现激光输出。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明薄片增益介质作为折镜使用的环形光斑薄片激光放大器示意图。

图2为本发明薄片增益介质作为透镜使用的环形光斑薄片激光放大器示意图。

图3为本发明薄片增益介质另一种作折镜使用的环形光斑薄片激光放大器示意图。

图中，1为种子激光器，2为激光光束，3为光束导入装置，4为放大后的激光光束，5为薄片增益介质，6为光束尺寸变换器，7为光束导出装置，8为泵浦系统，9为折镜。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

通过附图可以看出，本方案的第一种实现方式如图1所示，包括种子激光光器、光束导入装置、薄片增益介质或薄片增益介质序列(包含其泵浦系统)、光束尺寸变换器、光束导出装置。其中，种子激光器可以输出具有较高光束质量(20倍衍射极限内)的环形激光光束，这一激光功率I⁽⁰⁾可以为几十瓦到几百瓦，其环形光斑的内外轮廓均为椭圆形，内外圆长轴和分别为3.5mm和7mm，而短轴均为长轴的倍。激光光束被45度放置的光束导入装置反射，光束导入装置为一个圆形反射镜，其直径稍大于7mm，因此激光光束会全部被光束导入装置反射作为被放大的激光光束进入放大链路。激光光束依次经过被泵浦系统泵浦的薄片增益介质(本实例中薄片数目为N)后再次射向导入装置及第一个薄片增益介质。在本实例中，薄片增益介质口径为圆形，其直径约为30mm，厚度为1～2mm，其被均匀冷却和满口径均匀泵浦。于此同时，激光光束的功率在通过薄片增益介质后，功率被放大。其放大倍率约为：其中g_i为该次放大周期中第i个薄片增益介质上的饱和增益系数：

l为薄片增益介质的厚度，I₀为饱和光强，g₀为小信号激光增益系数，其数值根据薄片增益介质参数、泵浦强度可以利用激光速率方程求解。在被最后一个薄片增益介质反射后，激光通过光束尺寸变换器，光束尺寸变换器可以为一个望远镜系统，构成这一望远镜系统的元件不局限于球面光学元件，还可以是非球面甚至是自由曲面光学元件。光束尺寸变换器扩束比例M略大于2，因此激光经过光束尺寸变换器后成为被放大的激光，其光斑仍然为环形，其内外圆长轴和分别略大于7mm和14mm，即光斑面积增大了M²倍，由此即完成了一个放大周期。放大后的激光继续传输不会被光束导入装置反射，而继续依次通过各薄片增益介质继续放大。如果合理的确定薄片增益介质参数和泵浦强度，使这个放大周期内激光放大倍率G＝M²，则在下一个放大周期中，薄片增益介质上激光功率功率密度与第一个放大周期相比维持不变，因此下一个周期激光获得的放大倍率仍然为G。依此往复，当激光经过m个放大周期后(本实例中m＝3)，这时的激光的功率较放大前的激光提升了M^2m(64)倍，激光在多次经过光束尺寸变换器放大后，此时激光光束的截面形状与入射激光相同，但其内外圆长轴和分别增大为和这一尺寸已经超出薄片增益介质孔径尺寸，无法继续放大，其被位于光束尺寸变换器和第一片薄片增益介质之间的光束导出装置反射，导出放大环路作为输出激光。其中光束导出装置为一环形反射镜，其中心开孔尺寸为28mm左右。在实际使用中，也可以将光束导出装置7置于最后一片薄片薄片增益介质与光束尺寸变换器6之间，这种布局光束导出装置反射区与内轮廓直径应为14mm左右。

在实际使用中，薄片增益介质可能存在静态或动态的离焦，导入放大链路的激光也可能具有一定的发散角，可以通过改变光束尺寸调整器，使其具有一定的屈光度，对放大后的激光的发散或会聚进行补偿。

第二种实现方式如附图2所示，与第一种实现方式不同的是，这一实现方式中，折镜多次反射激光构成了放大环路，而薄片增益介质作为插入元件在放大环路中透射使用。

第三种实现方式如附图3所示，与第一种实现方式不同的是，这一实现方式中，若干片薄片增益介质和折镜多次反射激光构成了放大环路。这种结构更容易在放大环路中放置数目更多的薄片增益介质，且容易实现薄片增益介质小角度反射使用。在获得高功率输出的同时，避免倾斜入射引起的各种像差。

本发明的具体实施方案中，可以在放大环路中放置主动像差补偿元件，也可以使用4f光学系统在薄片增益介质直接实现像传递，还可以在此基础上进行空间滤波控制放大链路中的激光光束质量。

本发明的具体实施方案中，种子激光器输出的激光光束2的截面不局限为椭圆环形光斑，可以为圆形环、方形环等任意环形光斑，仅要求其外轮廓与内轮廓仅尺寸不同而形状相同。

在实际使用中，可以使用线偏偏振或特其他定偏振态的激光光束2输入，可在本发明第一、第二、第三种具体实施方案和基于这三种实例简单变化的实施方案基础上，将波片、偏振分光镜、电光晶体等偏振器件插入放大环路中，以实现基于偏振的多通放大。还可以在此基础上，将超短脉冲种子激光2输入放大环路，并通过上述元件实现再生放大。这些变化的设计都落入本发明保护的范围。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可采用其他具体的实施方式实施本发明已达到本发明的实现目的。因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，进行一点或若干点简单的变换、更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种环形光斑薄片放大器，其特征是：包括有种子激光器、光束导入装置、光束尺寸变换器、由薄片增益介质和折镜构成的放大链路、光束导出装置；所述种子激光器输出波长与薄片增益介质受激发射峰相匹配的高光束质量的激光光束；所述激光光束的截面为环形光斑；所述激光光束通过光束导入装置导入放大链路；所述激光光束进入放大链路后依次通过多个薄片增益介质和折镜后进入光束尺寸变换器；所述光束尺寸变换器将激光光束尺寸放大；所述激光光束穿过光束尺寸变换器后一部分通过光束导出装置导出、另一部分继续在放大链路中传播；所述激光光束通过多个薄片增益介质和折镜后的传播方向与激光光束被导入放大链路时的传播方向一致；所述光束导入装置为反射镜，其反射区域尺寸等于或大于注入放大链路的激光光束的截面尺寸，镜面尺寸等于或大于反射区域尺寸；所述光束导出装置设置于光束尺寸变换器和光束导入装置之间；所述光束导出装置中心设置有通孔或透镜；所述通孔或透镜的尺寸大于导入放大链路时的激光光束的截面尺寸，小于通过光束放大装置后的激光光束的截面尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种环形光斑薄片放大器，其特征是：所述环形光斑的外轮廓与内轮廓形状相同。

3.根据权利要求1所述的一种环形光斑薄片放大器，其特征是：所述光束尺寸变换器为伽利略望远镜或开普勒望远镜。

4.根据权利要求1所述的一种环形光斑薄片放大器，其特征是：所述薄片增益介质被泵浦机构均匀泵浦；所述薄片增益介质的泵浦方式为前表面泵浦或后表面泵浦或侧面泵浦；所述薄片增益介质能够直接或间接被冷却或不冷却；所述激光光束能够被薄片增益介质反射或透射通过薄片增益介质。

5.根据权利要求1所述的一种环形光斑薄片放大器，其特征是：所述激光光束为谐振腔直接输出或采用MOPA结构放大输出。