CN104885314B - 具有改进的时间衬比的用于放大激光脉冲的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于放大多波长脉冲激光束(2)的设备，其包括：固体放大介质(1)，具有两个平面表面，正表面(12)和反射背表面(11)；用于通过其背表面(11)冷却所述放大介质(1)的设备。放大介质(1)的正表面(12)相对于其背表面(11)倾斜了第一非零角度，所述设备进一步包括梯形棱镜(4)，梯形棱镜(4)具有输入表面和输出表面，所述输入表面和所述输出表面共同形成第二非零角度，第一和第二角度使得每个波长的光束在离开棱镜(4)时彼此平行。

Description

具有改进的时间衬比的用于放大激光脉冲的设备

技术领域

本发明的领域为用于科学、工业、医学以及军事应用的固态激光源。更具体而言，其非常有利地用于放大这样的介质材料(比如晶体)：与沿着激光束的传播轴的孔径(ouverture)相比，其具有相对较小的厚度，通常小于1：3。

背景技术

近年来激励激光技术已取得了显著的进步，目前其能够具有产生大约一百左右瓦特的平均激励功率以及在相同数量级的晶体中的热沉积的脉冲激光源。

已经实施了各种技术方案来解决在晶体中提取热能的问题：

-或者晶体通过在其外围的水的循环以常规的方式来冷却，这是有效的解决方案但其不可能使系统在大约一百瓦特或以上运行，

-或者晶体通过使用增加晶体的热导率以增强其冷却并且降低由光激励引起的与晶体中的热负荷相关联的聚焦效应的低温系统来冷却。

这些构造显示出缺点，尤其在成本、封装和振动方面。

在高平均功率(>10瓦特)的激光中，这些解决方案是不符合要求的并且使用了背面冷却。

在图1a和1b中显示了通过背冷却(由箭头显示)实施冷却放大介质1的示例性多通道放大设备构造。待放大的光束2以根据正视图(图1a)的入射角和根据从上面的视图(图1b)的θ_i到达放大介质1上。该设备为由于光束2借助于镜面3若干次穿过放大介质1的事实而产生的多通道。放大介质的背面11是可反射的，以朝向放大介质反射光束。放大的光束6以方向Oy离开，并且仅在图1a中可见。在这些图中，光束通过单射线来表示。

通过流体、液体或气体，或者固体可以实现冷却。通过背面的这种冷却能够增加热交换表面面积。此外，其能够产生激光在晶体中传播的方向上的热梯度，并因此实现高的热提取。与在晶体中的温度变化相关联的指数变化是通常指向与激光束的传播方向相同的方向的梯度。然而，因此产生了时间衬比(contraste temporel)的问题，其在之前的解决方案中未曾遇到的。时间衬比是由主脉冲的强度(I’intensité)与脉冲和/或任意寄生脉冲的底部(pied)之间的比率限定的。

因此，在今天，始终存在着对于在冷却和时间衬比方面同时满足所有上述要求的放大设备的需要。

发明内容

更具体的说，本发明的主题是用于放大多波长脉冲激光束的设备，其包括：

-折射率为n₁的固体放大介质，具有两个平面，旨在接收所谓的待放大的入射光束的正面和反射背面，以及

-用于通过所述背面冷却所述放大介质的设备。

其主要特征在于，所述介质的正面相对于其背面倾斜第一非零倾斜角(inclinaison)，以及在于其进一步包括折射率为n₂的梯形棱镜，所述梯形棱镜具有输入面和输出面，所述输入面和所述输出面在它们之间形成第二非零倾斜角，所述棱镜位于这样的位置上：该位置旨在处于由背面反射并且由放大介质的正面折射的光束的路径上(即是指在已经穿过放大介质之后在放大介质的输出处的光束，也被称为放大的光束)，所述第一和第二倾斜角使得每个波长的光束在所述棱镜的输出处彼此平行。

因此，在放大介质中传播之后，寄生反射在空间上与主脉冲分开并且时间衬比不再由于寄生反射而降低。

优选地，n₁>>(n₁-1)/ν₁，ν₁为所述放大介质的倒色散系数。其目的是为了在棱镜的输出处保持光束的多波长本质。

根据本发明的特征，放大介质的正面旨在接收入射光束并且反射所谓的寄生光束，棱镜位于该寄生光束的路径之外，即是说与放大介质有相当距离，在其处寄生光束与入射光束分离。

根据本发明的另一特征，放大介质的正面可以是上抗反射涂层的。可选地，滤光屏位于这样的位置处：该位置旨在处于寄生光束的路径上。

放大介质例如为晶体或玻璃或聚合物。

待放大的光束通常具有大于10W的平均功率。

附图说明

通过阅读以下以非限定示例并且参考所附附图给出的具体描述，本发明的其他特征和优点将变得明显，在所述附图中：

已示意性进行描述的图1a和图1b表示从前方看的(图1a)和从上方看的(图1b)根据现有技术的通过背面冷却的多通道放大设备，

图2a、图2b和图2c表示从前方看的(图2a)、从上方看的(图2b)和以透视方式看的(图2c)根据本发明的通过背面冷却的示例性放大设备。

具体实施方式

从一个附图到另一个，相同的要素通过相同的标记进行标识。

在前文中描述的两个放大解决方案中，待放大的激光束通过在一侧进入而在另一侧离开而穿过晶体，而寄生光束由于在空气/晶体界面处的寄生反射之后沿着较长的光路行进。预脉冲对比度因此没有降低，这是由于寄生脉冲(＝寄生光束)在主脉冲(放大的光束)之后到达。

通过背面冷却的激光放大设备由于背面的反射而需要光束的几何折叠，使得晶体的输出面与输入面相同，这意味着寄生脉冲(由于在正面的寄生反射)位于主脉冲之前，因此降低了脉冲的时间衬比。

为了避免这种降低，空气/晶体界面被修改为分离主脉冲和寄生脉冲：将微小的角度给到放大晶体的输入面，该输入面因此与背面形成倾斜角。因此，在传播之后，寄生脉冲与主脉冲在空间上分离。

如在对应于从图1b的上方看但其中镜面没有表示出来以避免使其杂乱的图2b中所示，在与Oz成直角的正面12上的平面xOz中，直径为Φ的待被放大的光束2(＝脉冲)以入射角θ_i到达放大介质1上。有用的光束被背面11反射，寄生光束5(虚线)被正面12反射：寄生光束(也被称为寄生脉冲)在该正面上偏离了角度2θ_i。在放大介质1中被放大的光束6(也被称为主脉冲)在输出处偏离了角度2β’₁n₁，其中n₁为放大介质1的折射率。

类似地，如在对应于从图1a上方看的图2a中所示的，在与Oz成直角的正面12上的平面yOz中，直径为Φ的待放大的光束2以入射角到达放大介质1上。有用的光束被背面11反射，寄生光束5(虚线)被正面12反射；寄生光束在正面上偏离了角度放大的光束6在输出处偏离了角度2β”₁n₁。在这些图中，β”₁＝β’₁并且β”₂＝β’₂。

图2c为图2a和图2b的设备的透视图，其中寄生光束没有显示出来。

由于其涉及多波长激光源，面12和11在平面xOz(相应地，在平面yOz)中所形成的角度β’₁(相应地，为β”₁)产生棱柱的效果，其在穿过放大介质1之后根据其波长中的每一个产生主脉冲6的方向夹角(séparation angulaire)。在图2a、2b和2c中，表示出了两种波长。之后补偿棱镜4在主脉冲6和寄生脉冲5分离之后增加至主脉冲6的路径上，以根据波长纠正该空间色散。

因此，在棱镜4的输出处，每个波长的光束彼此平行，存在着放大介质1的面的角度β’₁(相应地，为β”₁)和补偿棱镜4的面的角度β’₂(相应地，为β”₂)之间的消色差的如下条件：

(2β'₁Δn₁)＝(β'₂Δn₂)以及相应地(2β”₁Δn₁)＝(β”₂Δn₂)

其中以及

其中，ν_i为倒色散系数，λ_c为中心波长，λ_最小和λ_最大为入射光束2的光谱范围，并且n₂为棱镜4的折射率。

在这些公式中，假设光束在空气或真空中传播。

放大介质的正面12有利地是上抗反射涂层的。然而依然可以存在着残留。

优选地，棱镜4布置为与放大介质1距离L处，此处寄生光束5和入射光束2在空间中是分离的，即是说它们之间没有显示出任何重叠。更具体地说，L是投射在与棱镜1的面12成直角的轴Oz上的棱镜与放大介质之间的距离。

对于L所获得的该分离使得：

L>Φ/tan(2θ_i)以及

同样优选地，将L选择为使得放大的光束6和寄生光束5在空间上是分离的。之后平面xOz优先用于“驱逐”因此具有β”₁＝0的寄生脉冲。角度β₁在平面xOz中的投射β’₁等于β₁，而角度β₁在平面yOz中的投射β”₁为零。然后，如在下面的数值示例，可以选择为零的入射角(θ_i＝0)。

棱镜4必然不会遮盖入射光束2。同样优选地，将L选择为使得放大的光束6、入射光束2以及寄生光束5在空间上是分离的。对于L所获得的该分离使得：

L>φ/tan(2(θ_i+β’₁n₁))或者

在棱镜4上，入射光束6的光谱分量形成直径为Φ+ΔΦ的斑点。应当注意，ΔΦ包括由在穿过棱镜1的双通道中的光束的发散引入的，之后由在棱镜1的输出面12与棱镜4之间的路径上的光束的发散引起的直径的增加；在该校正棱镜4的输出处获得相同的直径Φ+ΔΦ。为了保持输出光束的多波长本质，需要放大的光束6的直径扩展Δφ与φ相比较小。

这样的情况是由于：

现在，下面仍然应用

因为n₁>>(n₁-1)/ν₁，这意味着Δφ<<φ。

例如，对于掺杂钛离子Ti3+的蓝宝石晶体的情况，下面应用：

λ_最小＝750nm

λ_最大＝850nm

ν₁＝244

n₁＝1.76

β₁＝β’₁＝β”₁＝1°

L_最小＝Φ/tan(2.(θ_i+β₁n₁))，L_最小为最小距离L。

在750nm到850nm波段上放大的光束的扩展Δφ具有如下值：

Δφ＝L_min.tan(2β₁Δn₁)≈L_min.10^-4，

与以下进行比较

φ＝L_min.tan(2.(θ_i+β₁n₁))≈L_min.6.10^-2。

然后所得到的如下：

Δφ/φ≈0,16.10^-2。

在校正棱镜4之后，不同的波长因此引起空间上的分离。考虑到光力学边际(marges optomécanques)，侧向位移Δφ相当于放大的光束的直径φ的大约十分之一。因为Δφ<<φ，该现象在任何情况下都可以忽略不计。

待放大的光束通常为IR光束，没有该限制。

如在示例中所示的，放大介质1可以是晶体，比如掺杂钛的蓝宝石，或者Yb:YAG、Yb:CaF2或聚合材料，或者玻璃或任何其他为固态的材料。棱镜4的材料可以与放大介质1的相同；在这种情况下n₁＝n₂。

根据本发明的放大设备优选为多通道设备，但并不是必须的。

Claims (9)

1.一种用于放大多波长脉冲激光束(2)的设备，其包括：

-折射率为n₁的固体放大介质(1)，具有两个平面，旨在接收所谓的待放大的入射光束(2)的正面(12)和反射背面(11)，所述正面(12)相对于其背面(11)倾斜第一非零倾斜角，

-用于通过背面(11)冷却所述放大介质(1)的设备，

其特征在于，进一步包括折射率为n₂的梯形棱镜(4)，所述梯形棱镜(4)具有输入面和输出面，所述输入面和所述输出面在它们之间形成第二非零倾斜角，棱镜位于这样的位置上：该位置旨在处于由背面(11)反射并且由放大介质(1)的正面(12)折射的光束(6)的路径上，所述第一非零倾斜角和第二非零倾斜角使得每个波长的光束在所述棱镜(4)的输出处彼此平行。

2.根据权利要求1所述的用于放大多波长脉冲激光束的设备，其特征在于，放大介质(12)的正面与轴Oz成直角，第一非零倾斜角在平面yOz上形成角度β’₁并且在平面xOz上形成β”₁，第二非零倾斜角在所述平面yOz上形成角度β’₂并且在所述平面xOz上形成β”₂，下面应用：

2β’₁·△n₁＝β’₂·△n₂和2β”₁·△n₁＝β”₂·△n₂，

其中，以及

其中，ν_i为倒色散系数，λ_c为中心波长，并且λ_最小和λ_最大为入射光束的光谱范围，其中，i＝1或i＝2。

3.根据权利要求1所述的用于放大多波长脉冲激光束的设备，其特征在于n₁>>(n₁-1)/ν₁，ν₁为所述放大介质的倒色散系数。

4.根据权利要求1所述的用于放大多波长脉冲激光束的设备，其特征在于，所述放大介质的正面(12)旨在接收所述入射光束(2)并且反射所谓的寄生光束(5)，所述棱镜(4)位于所述寄生光束的路径之外。

5.根据权利要求1所述的用于放大多波长脉冲激光束的设备，其特征在于所述放大介质的所述正面(12)是上抗反射涂层的。

6.根据权利要求1所述的用于放大多波长脉冲激光束的设备，其特征在于n₁＝n₂。

7.根据权利要求1所述的用于放大多波长脉冲激光束的设备，其特征在于包括滤光屏，所述滤光屏位于这样的位置上：该位置旨在处于由所述放大介质的正面(12)反射的光束(5)的路径上。

8.根据权利要求1所述的用于放大多波长脉冲激光束的设备，其特征在于所述放大介质(1)是晶体或玻璃或聚合物。

9.根据权利要求1所述的用于放大多波长脉冲激光束的设备，其特征在于，每个脉冲的能量大于1mJ，并且平均功率大于10W。