CN104485571A - 一种高光束质量紧凑型板条激光放大装置 - Google Patents

Abstract

一种高光束质量紧凑型板条激光放大装置，包括激光介质、第一腔镜、第二腔镜、泵浦源和种子激光源；所述激光介质为长≥宽＞高的板条状，第一腔镜和第二腔镜位于激光介质的两侧，在水平方向构成正支共焦非稳谐振腔；泵浦光透过第一腔镜照射至激光介质的长×高面；种子激光束经第二腔镜的斜侧面反射至激光介质并通过激光介质后，经第一腔镜反射准直，准直后的光束经过激光介质后经第二腔镜反射扩束，激光束来回多次反射且多次通过激光介质后，由第二腔镜的另一斜侧面耦合输出平行光束；该板条激光放大装置在克服传统Innoslab放大器的装置复杂、调节难度大的缺点的同时保证了放大激光的光束质量，实现高效率、高功率、高光束质量的激光放大。

Description

一种高光束质量紧凑型板条激光放大装置

技术领域

本发明属于激光放大技术领域，涉及固体激光放大器，特别是一种高光束质量紧凑型板条激光放大装置。

背景技术

板条放大器是常见的固体激光功率放大器之一，由于其板条状的几何结构可以消除应力感生双折射，同时可采用面抽运和冷却方式，对热效应进行自补偿，从而得到更好的光束质量和更高的输出功率，因此板条放大器成为激光放大技术研究的热点之一。

板条放大器目前主要有Z形板条放大器与部分端面泵浦板条放大器两种。其中，Z形板条放大器由美国通用电气公司的Martin和Chernoch于1972年的报道中提出，展示了其大幅度减小热感应光学畸变、改进激光性能的特点，其结构如图1所示。板条激光介质在均匀泵浦、大面冷却时，由于大面垂直方向存在温度梯度，为此通常把板条的两个端面切成布儒斯特角，并将上下两个大面抛光，入射种子激光整形为条形并与板条放大器的通光孔径相匹配，种子光入射板条后在两个大面上通过全内反射以Z形光路往复传输，则激光在Z向的温度梯度相互补偿，从而有效消除一阶热透镜效应，实现高功率激光放大。但是这种情况下，布儒斯特角带来的像差会降低激光的光束质量，激光介质上下两个大面由于高度平行形成平平谐振腔导致寄生振荡比较严重，从而降低了提取效率。此外，这种激光介质对加工的精度要求也很高。

另一种部分端面泵浦板条放大器由德国夫琅和费激光所的杜可明等人在1988年提出，被称为Innoslab放大器。这种激光器在紧凑的空间内实现了大功率、高光束质量的激光振荡输出，其结构如图2所示。部分端面泵浦是指泵浦光被整形成一条横截面为长方形的细线入射至晶体端面，与传统板条激光器相比，泵浦光只泵浦了晶体的一部分，在晶体中央构成了薄片状的增益层并与激光模体积匹配。同时，入射种子激光整形为小口径光束，通过Z形光路沿板条大面平行方向多次往返直接通过板条介质，种子激光光束口径小、功率密度高、且多程往返放大，因此可实现高功率激光放大。不过，该结构反射镜繁多，增加了该装置的调节难度且降低了装置的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服传统Innoslab放大器装置复杂性和调节难度的同时保证放大激光的光束质量，提供一种高效率、高功率、高光束质量的板条激光放大装置。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种高光束质量紧凑型板条激光放大装置，包括激光介质、泵浦源、输出泵浦光、种子激光源，输出种子激光束；第一腔镜和第二腔镜，二者分别位于所述激光介质的两侧构成混合腔；

其特征在于：

所述激光介质设置为长≥宽>高的板条状，以所述激光介质长×宽面为水平面；第一腔镜在平行水平面方向为平凹透镜；第二腔镜为平凸柱透镜，其柱面母线垂直于所述水平面，第二腔镜在平行水平面方向为平凸透镜；二腔镜各自的凹凸面均朝向所述激光介质；对第二腔镜凸面两端垂直于所述水平面的棱分别做倒角处理，形成两个斜侧柱面；

所述泵浦光透过第一腔镜照射至激光介质的长×高面；种子激光束经第二腔镜的斜侧面反射至激光介质并通过激光介质后，经第一腔镜反射准直，准直后的光束再次通过激光介质后经第二腔镜反射扩束，种子激光束在第一腔镜和第二腔镜之间多次反射并通过激光介质后，在第二腔镜的另一斜侧面耦合出射。以不同角度入射，种子激光束可在激光介质中通过不同的次数，从而可根据实际需求在激光介质的损伤阈值内得到不同功率的高光束质量的激光输出。

优选的，所述激光介质的长×宽面设有冷却装置。将冷却装置设置在激光介质大面上可提供更好的冷却效果，有效的降低热透镜和热致双折射效应；冷却装置采用紫铜或其他高导热系数材料制作，可以直接焊接在激光介质上，也可以通过插入导热片的方式固定在激光介质上；冷却装置中使用的冷却介质可以是水或混合液等液体，也可以是空气或氮气或混合气体等气体。

优选的，所述激光介质的长×高面镀有对所述种子激光束和所述泵浦光均高透射的膜。也可在两个宽×高端面做粗糙化处理以抑制寄生振荡。

优选的，所述激光介质材料为红宝石、钛宝石或掺杂钕(Nd)或镱(Yb)离子的晶体、陶瓷或玻璃。

进一步优选的，所述掺杂钕(Nd)离子的晶体为掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、掺钕钒酸钇(Nd:YVO₄)、掺钕钆鎵石榴石(Nd:GGG)、掺钕氟化钇锂(Nd:YLF)、掺钕铝酸钇(Nd:YAP)或掺钕氟磷酸锶(Nd:S-FAP)；所述掺杂镱(Yb)离子的晶体为掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)、掺镱钒酸钇(Yb:YVO₄)、掺镱钆鎵石榴石(Yb:GGG)、掺镱氟化钇锂(Yb:YLF)、掺镱铝酸钇(Yb:YAP)或掺镱氟磷酸锶(Yb:S-FAP)。

优选的，所述泵浦源包括激光二极管列阵和光束整形器件，泵浦光截面近似矩形，与所述激光介质的长×高面相适配。

优选的，所述第一腔镜的凹面镀有对种子激光束高反射、对泵浦光高透射的膜，其平面镀有对泵浦光高透射的膜。

优选的，所述第二腔镜的凸面镀有对种子激光束高反射、对泵浦光高透射的膜，其两个所述斜侧柱面均镀有对种子激光束高反射的膜。

优选的，所述混合腔在平行所述水平面方向为正支共焦非稳腔，所述第一腔镜的焦点和第二腔镜的焦点重合，第一腔镜的焦距等于第二腔镜的焦距与正支共焦非稳腔的腔长之和。

所述混合腔在平行所述激光介质宽×高面方向为平凹稳定腔或平平腔，对应的第一腔镜分别采用平凹圆透镜和平凹柱透镜，所述平凹柱透镜柱面母线垂直于所述水平面。

本发明技术方案具有以下有益效果：

1.本发明中，对腔镜进行倒角处理，减少了反射镜的使用数量，使得结构简单紧凑，降低了装置的复杂性和调节难度，并且提高了稳定性；

2.本发明中，在减少反射镜使用量的同时采用正支共焦非稳腔的设计，使得单端耦合输出平行光束，减少准直透镜的同时保证了输出激光的光束质量；

3.本发明中，入射出射光与泵浦光大致垂直，保证结构简单紧凑的同时使得器件布局更加合理。

附图说明

图1为现有技术Z形板条放大器装置的典型结构示意图；

图2为现有技术Innoslab板条放大器装置的典型结构示意图；

图3为本发明实施例板条激光放大装置结构示意图；

其中：

1.激光介质；2.第一腔镜；3.第二腔镜；4.泵浦源；5.泵浦光；6.冷却装置；7.种子激光源；8.种子激光束；9.反射镜。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明做进一步说明，以便更好地理解本发明。

如图3所示为本发明的一种高光束质量紧凑型板条激光放大装置，包括：

激光介质1选用Nd离子掺杂浓度为0.3at.％、尺寸为14mm×10mm×1mm的Nd:YVO₄板条晶体，因钒酸钇是自然双折射晶体，输出激光为线编振光，偏振输出可以避免热致双折射的产生，从而减少热对功率及光束质量的影响。两个10mm×1mm端面做粗糙化处理从而抑制寄生振荡；两个14mm×1mm端面经光学抛光后镀上泵浦光波长和种子光波长的增透膜，以实现对种子激光束8和泵浦光5良好的透射效果；两个14mm×10mm的大面做粗糙化处理后安装冷却装置6；冷却装置6采用紫铜制作，将其焊接在激光介质1上，使用水冷机对紫铜进行水冷降温。定义激光介质1的14mm×10mm大面为水平面。

第一腔镜2为平凹圆透镜，焦距为200mm，其凹面镀有对种子激光束8高反射、对泵浦光5高透射的膜，其平面镀有对泵浦光5高透射的膜。

第二腔镜3为平凸柱透镜，焦距为103.36mm，其凸面镀有对种子激光束8高反射的膜，对其凸面垂直于激光介质1的水平面的两条棱做倒角处理，其两个斜侧面镀有对种子激光束8高反射的膜。

第一腔镜2和第二腔镜3位于激光介质1的两侧构成混合腔结构，且各自的凹凸面朝向激光介质，平凸柱透镜柱面母线与激光介质1的水平面垂直。混合谐振腔在水平方向为正支共焦非稳腔，所述第一腔镜2的焦点和第二腔镜3的焦点重合，第一腔镜2的焦距等于第二腔镜3的焦距与正支共焦非稳腔的腔长之和，混合谐振腔在垂直方向则为平凹稳定腔。

泵浦源4包括激光二极管列阵和光束整形器件，输出近矩形泵浦光5的尺寸为12mm×0.7mm，与激光介质1的14mm×1mm面相适配，泵浦源4所产生的泵浦光5波长为808nm，垂直入射至第一腔镜2并透过后，照射至激光介质1的14mm×1mm面，对其进行单边泵浦。

种子激光源7发出低功率高光束质量的种子激光束8，种子光波长为1064nm，水平方向光束质量因子(M²值)为1.30，垂直方向M²值为1.26，种子光整形之后的尺寸为水平方向1.08mm、垂直方向0.42mm的光斑。该种子激光束8以一定角度经第二腔镜3的斜侧面反射至激光介质1并通过激光介质1后，经第一腔镜2反射准直，准直后的光束经过激光介质1后经第二腔镜反射扩束，由于谐振腔搭建为正支共焦非稳腔，如此种子激光束8在第一腔镜2和第二腔镜3之间来回反射共四次通过激光介质1后，由第二腔镜3的另一斜侧面耦合输出平行光束，得到放大后的激光束，经检测最终的输出光在水平和垂直方向M²值都小于1.5。

应理解，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于供本领域技术人员了解本发明的内容并据以实施，并非具体实施方式的穷举，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种高光束质量紧凑型板条激光放大装置，包括激光介质(1)、输出泵浦光(5)的泵浦源(4)、输出种子激光束(8)的种子激光源(7)、第一腔镜(2)和第二腔镜(3)，其中二腔镜分别位于所述激光介质(1)的两侧构成混合腔；

其特征在于：

所述激光介质(1)设置为长≥宽>高的板条状，以所述激光介质(1)长×宽面为水平面；第一腔镜(2)在平行水平面方向为平凹透镜；第二腔镜(3)为平凸柱透镜，其柱面母线垂直于所述水平面；二腔镜各自的凹凸面均朝向所述激光介质(1)；对第二腔镜(3)凸面两端垂直于所述水平面的棱分别做倒角处理，形成两个斜侧柱面；

所述泵浦光(5)透过第一腔镜(2)照射至激光介质(1)的长×高面；种子激光束(8)经第二腔镜(3)的斜侧柱面反射至激光介质(1)并通过激光介质(1)后，经第一腔镜(2)反射准直，准直后的光束再次通过激光介质(1)后经第二腔镜(3)反射扩束，种子激光束(8)在第一腔镜(2)和第二腔镜(3)之间多次反射并通过激光介质(1)后，在第二腔镜(3)的另一斜侧柱面耦合出射。

2.根据权利要求1所述的高光束质量紧凑型板条激光放大装置，其特征在于：所述激光介质(1)的长×宽面设有冷却装置(6)。

3.根据权利要求1所述的高光束质量紧凑型板条激光放大装置，其特征在于，所述激光介质(1)的长×高面镀有对所述种子激光束(8)和所述泵浦光(5)均高透射的膜。

4.根据权利要求1所述的高光束质量紧凑型板条激光放大装置，其特征在于：所述激光介质(1)材料为红宝石、钛宝石或掺杂Nd或Yb离子的晶体、陶瓷或玻璃。

5.根据权利要求4所述的高光束质量紧凑型板条激光放大装置，其特征在于：所述掺杂Nd离子的晶体为Nd:YAG、Nd:YVO₄、Nd:GGG、Nd:YLF、Nd:YAP或Nd:S-FAP；所述掺杂Yb离子的晶体为Yb:YAG、Yb:YVO₄、Yb:GGG、Yb:YLF、Yb:YAP或Yb:S-FAP。

6.根据权利要求1所述的高光束质量紧凑型板条激光放大装置，其特征在于，所述泵浦源(4)包括激光二极管列阵和光束整形器件，泵浦光(5)截面近似矩形，与所述激光介质(1)的长×高面相适配。

7.根据权利要求1所述的高光束质量紧凑型板条激光放大装置，其特征在于：所述第一腔镜(2)的凹面镀有对种子激光束(8)高反射、对泵浦光(5)高透射的膜，其平面镀有对泵浦光(5)高透射的膜。

8.根据权利要求1所述的高光束质量紧凑型板条激光放大装置，其特征在于：所述第二腔镜(3)的凸面镀有对种子激光束(8)高反射、对泵浦光(5)高透射的膜，其两个所述斜侧柱面均镀有对种子激光束(8)高反射的膜。

9.根据权利要求1至8任一项所述的高光束质量紧凑型板条激光放大装置，其特征在于：所述混合腔，在平行所述水平面方向为正支共焦非稳腔，所述第一腔镜(2)的焦点和第二腔镜(3)的焦点重合，第一腔镜(2)的焦距等于第二腔镜(3)的焦距与正支共焦非稳腔的腔长之和。

10.根据权利要求1至8任一项所述的高光束质量紧凑型板条激光放大装置，其特征在于：所述混合腔在平行所述激光介质(1)宽×高面方向为平凹稳定腔或平平腔，对应的第一腔镜(2)分别采用平凹圆透镜和平凹柱透镜，所述平凹柱透镜柱面母线垂直于所述水平面。