CN105140773A - 外部扩散放大器 - Google Patents

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Abstract

外部扩散放大器。第一放大结构使用单程外部扩散放大器，其中，使皮秒光束横截面积与增益介质的横截面积匹配。介于增益介质与入射光束之间的半波片将光束直径的偏振优化为增益介质的偏振。第二放大结构使用双程外部扩散放大器，其中，使光束横截面积与增益介质的横截面积匹配并且两次穿过增益介质。半波片和旋转器创建穿过增益介质的右旋圆偏振光束，并且最大“R”涂敷的反射器位于外部扩散放大器的后面，并且将左旋圆偏振光束反射回以穿过增益介质、旋转器和半波片，在那里左旋圆偏振光束变为水平偏振，然后被偏振敏感分束器发射出放大结构。

Description

外部扩散放大器
技术领域
本发明在用于主振功率放大器(MOPA)配置的进一步放大的外部扩散放大器的领域。
背景技术
Peng等人的美国专利No.7,720,121在其摘要中提及：“高功率二极管泵浦固态(DPSS)脉冲激光器优选用于诸如微加工、集成电路的通孔钻孔和紫外线(UV)转换的应用。Nd:YVO4(钒酸盐)激光器是用于高功率应用的很好的候选，因为其具有在泵浦波长的宽带宽上的高能量吸收系数的特征。然而，钒酸盐具有较差的热机械性质，因为该材料坚硬，在受到热应力时容易破裂。通过优化激光参数并选择泵浦波长并且掺杂一定浓度的增益介质以控制吸收系数小于2cm-1(例如，介于约910nm到约920nm之间的泵浦波长)，掺杂的钒酸盐激光器可被增强以在不使晶体材料破裂的情况下生成100W那么多的输出功率，同时使得热透镜化降低40％。”
Butterworth的美国专利No.7,203,214A公开了“激光器包括：激光谐振器，该激光谐振器包括长度至少为5mm的Nd:YVO4的增益元件，所述增益元件被端面泵浦，并且其中，泵浦光的波长被选择为不同于增益元件的峰吸收波长并且落在约814纳米到825纳米之间，以便减小增益元件的热应力和断裂，使得泵浦源可被操作以向增益介质传送大于22瓦的功率。”
题为“PowerScalingofDiode-PumpedNd:YVO4Lasers”(IEEEJOURNALOFQUANTUMELECTRONICS，第38卷，第9册，2002年9月，XiaoyuanPeng、LeiXu和AnandAsundi)的出版物整体以引用方式并入本文。该文章包括关于Nd掺杂浓度的信息，并且还包括关于就其处理泵浦功率水平的能力而言，增益介质的横截面积的大小的信息。
有时利用扩散接合(diffusionbonded)技术来制作板材和棒材。钒酸盐的主要用途是将无掺杂端盖接合到高增益掺杂截面以减小热透镜效应并增大损伤阈值。参见www.ulticrystal.com以及1999年8月10日授予Meissner等人的美国专利No.5,936,984。钒酸盐仅可生长多达至约30mm的长度。大多数用作用于端面泵浦增益组件振荡器或放大器的单独的部件。这从根本上要求泵浦源与传播光束之间的模式匹配。
1999年8月10日授予Meissner等人的美国专利No.5,936,984提及：“通常激光器，尤其是固态激光器的常见问题是激光介质中的温度升高。该效应的原因在于仅一部分施加的泵浦能量被转换成可用激光辐射，而其余能量的至少一部分被转变成诸如无辐射跃迁以及通过基质晶格的吸收的竞争机制。为了对抗由泵浦辐射生成的热效应，通常必需冷却激光介质。
冷却固态激光器的整个激光介质存在困难的问题。首先，冷却夹具应该允许尽可能多的激光介质被冷却。通常，某一部分的激光介质必需处于冷却夹具之外以便在夹具与介质之间创建无泄漏接头。其次，冷却夹具应该不妨碍泵浦辐射向激光介质的传送。最后，即使激光介质的整个长度被冷却，未冷却端面上的光学涂层没有被冷却，因此由于温度影响而遭受降解，此效应由于高功率密度的入射泵浦辐射而加剧。
由于不均匀冷却导致的上述一些效应在端面泵浦激光系统中进一步加重。在这种类型的激光器中，优选使用透镜导管来将来自泵浦源的辐射匀化、聚焦并聚集到激光棒中。激光棒的与激光导管耦合的末端未被冷却。不幸的是，假定高强度泵浦辐射穿过激光棒的端面并且假设激光棒整个用激光发射(lasing)离子掺杂，则激光棒的末端在激光发射期间可经历温度的显著升高。这种温度的升高由于加速了光学涂层中的降解、增加了准三能级激光器中的基态再吸收损失并且最终由于热致应力破裂而导致激光器的灾难性故障而对激光器的性能带来负面影响。”
短增益介质棒上的无掺杂端盖可通过从掺杂部分的端面去除一些热并使之进入无掺杂端盖中来降低热效应。这降低了增益介质的温度，并且还减小了增益介质的热破裂的趋势。
皮秒激光器设计通常利用具有各种放大器策略的端面泵浦技术来开发所需的增益特性。模式匹配的问题是对涂层和本体棒材的潜在热损坏，特别是当你增加平均功率和脉冲能量时。关注区域永远是发生最大增益和脉冲能量的最后阶段。中继光束的典型要求是直径<0.5mm的光斑大小。这导致潜在的表面涂层和本体材料损坏。显然，通过增益区域的模式匹配光束的直径可增大，但是这是以性能为代价的。
通常，激光器损坏由材料或涂层中的点缺陷、夹杂物、差的表面处理或者只是缺乏清洁度组成。涂层或本体材料的其它损坏是由于超过激光器中的涂层或本体材料的热损坏阈值而引起的。
已利用各种技术开发了高功率超快技术(皮秒技术)。通常，通过多级来放大低功率的超快种子。例如，光纤和固态技术的组合被用于包括腔倒空和再生放大器的方法。市售可用产品通常限于200μJ的脉冲能量，其以200kHz的典型重复频率生成40W的平均最大功率。
通常，多级皮秒功率放大器的出口是薄弱环节。端面泵浦放大器通过该区域来模式匹配至最大效率。问题是对各种光学器件的表面上的涂层的潜在损坏，所述光学器件对直径在0.3mm至0.6mm直径范围内的光斑错乱(dement)进行中继。另外，该问题还损坏本体器件。
发明内容
公开了一种主振功率放大器(MOPA)激光器。
该放大器是具有种子激光形式的输入信号的光放大器，其生成具有更高光功率的输出信号。所述放大发生在增益介质中，从外部源向该增益介质提供能量。从外部能量源对增益介质进行“泵浦”或“激励”。通常，外部能量源是光。泵浦源可以是光学泵浦源或者其它合适的能量源。泵浦源可以是二极管泵浦的光源。
种子激光器可包括振荡器、一段光纤(或自由空间腔)、一个或两个反射镜、有和/或没有反射涂层的Q开关以及光学器件。种子激光器优选在1064nm(1064纳米)的波长下操作，但是具体地也可想到其它波长。Q开关可以是电光调制器或者声光调制器。两种类型的Q开关均由电子驱动器来控制和驱动。对于给出相当高的脉冲能量的具有高重复频率的锁模激光器，需要脉冲选择器以降低重复。如果使用电光脉冲选择器，则可采用普克尔盒(Pockelscell)和偏振光学器件。普克尔盒操纵偏振态，然后偏振器根据其偏振来发射或阻挡脉冲。
如果使用声光脉冲选择器，则将短RF脉冲应用于声光调制器，声光调制器使期望的脉冲在略微修改的方向上偏转以便于使用，而其它未偏转的脉冲被阻挡。声光调制器(AOM)可用于利用电驱动信号来控制激光束的功率、频率或空间方向。AOM基于声光效应，其通过施加声波的振荡机械压力来修改晶体的折射率。因为折射率被修改，期望的脉冲的方向改变，然后偏转的脉冲可用。
光纤的长度可变化，以改变有效腔尺寸。诸如锁模激光器的种子激光器生成脉冲输出，脉冲输出具有脉冲宽度为大约5-30皮秒的脉冲，重复频率介于10kHz到100MHz之间。具体地可以想到使用其它脉冲宽度。具体地讲，可以想到可如本文所公开生成一定范围的脉冲宽度，即，可创建介于15毫秒到15毫微微秒之间的脉冲宽度使其具有如本文所公开的期望特性。对于长的脉冲宽度(例如，15毫秒的脉冲宽度)，有必要适当降低重复频率并且这是可实现的。重复频率可小于10Hz多至100MHz。种子激光器包括第一偏振，该第一偏振随后被转换为与Nd:YVO4增益介质的偏振匹配的偏振。种子激光器的脉冲输出的脉冲被Nd:YVO4增益介质(其由光学泵浦源来光学泵浦)放大。使用高反射的反射镜来控制种子激光器的脉冲输出的脉冲通过横截面为大体矩形形状的Nd:YVO4增益介质的次数(行程)。Nd:YVO4增益介质可以是正方形横截面，或者可以是圆形横截面，或者可以是某些其它横截面形状。增益介质的第一端是按照楔角θ1取向的平坦楔面。
Nd:YVO4增益介质包括第一端和第二端。增益介质的长度可在5-30mm的范围内，并且横截面可介于1mm2到36mm2之间。5-30mm晶体足够长以利用足够且容许那么高的Nd掺杂浓度在808nm下吸收99％的40W泵浦功率。对于热去除而言，越长的晶体越优选。另选地，可使用具有矩形以外的横截面配置的Nd:YVO4增益介质。例如，可使用横截面为圆形的Nd:YVO4增益介质。直径较小并且长度较长的具有低吸收系数的圆形Nd:YVO4增益介质很好地消散热，并且保护晶体免于破裂。可使用棒形的Nd:YVO4增益介质。
各段的Nd浓度不限于靠近光学泵浦源浓度最低从低到高来布置。各段的长度决定吸收长度，其针对增益来协调Nd浓度。
可使用其它泵浦波长，例如，泵浦中心波长可在808nm、820nm、880nm、888nm或915nm(+/-10nm)处。泵浦源可以是端面泵浦源或者一个或更多个侧面泵浦源。如果使用不止一个侧面泵浦源，则侧面泵浦源可具有不同的功率输出水平。不同的功率输出水平可根据需要应用于分段的增益介质的各段，使得各段根据需要进行Nd掺杂。泵浦源可以是二极管泵浦光源或者其它合适的光源。如本文所公开的，可以想到使用光学泵浦源以外的泵浦源。
放大器的Nd:YVO4增益介质包括第二偏振。用于使种子激光器的第一偏振与放大器的Nd:YVO4增益介质的第二偏振匹配的偏振转换装置位于种子激光器的输出透镜与放大器的Nd:YVO4增益介质的第一端的输入楔面之间。
放大器的Nd:YVO4增益介质的第二端包括第二端面，该第二端面靠近在808nm下操作的二极管泵浦光源。更具体地讲，40瓦二极管泵浦光源(端面泵浦源)在808nm下操作并且靠近Nd:YVO4增益介质的第二端。可以想到介于30-60瓦之间的其它二极管泵浦瓦数。
Nd:YVO4增益介质的第一端包括用防反射涂层涂敷的楔面。种子激光器的脉冲输出的脉冲沿着第一外部路径以入射角θ2进入Nd:YVO4增益介质的楔面上的防反射涂层。入射角θ2相对于与Nd:YVO4增益介质的楔面垂直的线来测量。将注意到，楔面是平坦表面，并且它以楔角θ1形成。楔角θ1相对于穿过楔面的一点切割的垂直面来测量。还将注意到，输入种子激光相对于与增益介质的中心线平行的线以角度θ6进入楔面。θ6＝θ2-θ1。楔角θ1被设计为介于3-10°之间，并且优选在5-7°的范围内。种子激光的入射角θ2小于或等于15°。角度θ2也是四程示例(将在下面进一步描述)中的脉冲的第四行程的折射角。5-7°的楔角θ1得到大约0.78°的优选反射角θ3。
折射角θ2’是在第一行程上进入楔面的种子激光所进行的折射的角度。折射角θ2’相对于与楔面垂直的线来测量。
种子激光在Nd:YVO4增益介质以内反射角θ3被反射。内反射角θ3相对于Nd:YVO4增益介质的中心线来定义。如前所述，优选折射角θ3大约为0.78°。期望使种子激光在增益介质内的反射角θ3最小化，使得种子激光器的脉冲相对于穿过增益介质的轴线的中心线保持相对居中，以在激光穿过增益介质时有效地将尽可能多的能量传送给激光。来自种子激光器的脉冲的能量随着脉冲穿过增益介质而增加。另外，优选反射角θ3＝0.78°必须足够大以确保输入到增益介质的楔面中的种子激光与从增益介质输出的种子激光的分离。
对于长度为大约20mm的增益介质，内反射角θ3＝0.78°得到相对于增益介质的轴线的大约0.27mm的偏移。另外，如果增益介质的长度为大约10mm，则内反射角θ3＝0.78°得到相对于增益介质的轴线的大约0.135mm的偏移。
当朝着Nd:YVO4增益介质的第二端面传播时，种子激光在第一行程上沿着第一内部路径在Nd:YVO4增益介质内穿过Nd:YVO4增益介质以角度θ2’被折射。靠近泵浦源的Nd:YVO4增益介质的第二端面包括对1064nm波长的种子激光高度反射的第二涂层，该第二涂层对来自808nm波长的端面泵浦源的光高度透明。
种子激光以内反射角θ3被Nd:YVO4增益介质的第二表面上的高反射第二涂层反射，并且使得1064nm波长激光脉冲在第二行程上在Nd:YVO4增益介质内穿过Nd:YVO4增益介质朝着Nd:YVO4增益介质的楔面传播。种子激光的路径以入射角θ4接近楔面。激光脉冲沿着第二外部路径以折射角θ5从Nd:YVO4增益介质的楔面出射。衍射角θ5和入射角θ4相对于与所述Nd:YVO4增益介质的第一端垂直的线来测量。
本文公开了脉冲宽度为10皮秒(±5皮秒)、重复频率介于10kHz和100MHz之间的脉冲激光。100kHz以上的100mJ的脉冲能量生成10J/s或者10W以上的平均功率。输出功率还是输入种子激光平均功率的函数，输入种子激光平均功率可在mW以下(例如，小于一瓦)和多瓦之间的范围内。通过高输入种子激光平均功率，可生成远超10W的平均输出功率。
另一示例包括分段增益介质，其中，增益介质的各段包括不同的Nd掺杂物浓度。增益介质的段可根据需要关于掺杂浓度来布置。例如，具有最低Nd浓度的段可与泵浦光源相邻。接下来，具有次低Nd浓度的段可与具有最低Nd浓度的段相邻。最后，具有最高Nd浓度的第三段可位于一行的末尾。各段可按照Nd浓度的任何顺序来布置。一个或更多个段的Nd浓度可为零。
种子激光脉冲多次穿过端面泵浦增益介质实现了非常高的增益。公开并要求保护利用一个或更多个光学泵浦源对增益介质进行侧面泵浦。增益介质包括三个扩散接合段，这些段具有不同的长度和掺杂物浓度，导致不同的增益和分布。另选地，代替扩散接合，可利用段之间的防反射涂层来将段固定在一起。按照因子3缩放掺杂百分比得到α＝0.15，其中α是吸收系数。吸收效率为：
η＝(1-e-αL)。
因此，在没有Nd:YVO4晶体的任何进一步知识的情况下，看起来将利用更长的晶体和/或通过增加吸收系数来实现效率的增大。然而，吸收系数α没有(单独)指示存在热透镜化效应以及对系数α和施加的功率的物理限制。随着施加到Nd:YVO4晶体的功率增加，Nd掺杂浓度减小，于是晶体的横截面(无论矩形、圆形还是其它形状的横截面)减小。掺杂浓度越低允许使用越高的泵浦功率。题为“PowerScalingofDiode-PumpedNd:YVO4Lasers”(IEEEJOURNALOFQUANTUMELECTRONICS，第38卷，第9册，2002年9月，XiaoyuanPeng、LeiXu和AnandAsundi)的出版物整体以引用方式并入本文。该文章包括关于Nd掺杂浓度的信息，并且还包括关于就其处理功率水平的能力而言，横截面积的信息。
每段的Pabs由下式给出：
Pabs＝Pinput(1-e-αL)
可用于/传递给后续段的功率由下式给出。
Pinput＝Ppump-(ΣPabs)
应用这种通过分段吸收泵浦功率来缩放泵浦功率的系统允许使用更高的泵浦功率以及对Nd:YVO4晶体的更高的能量传送。对Nd:YVO4晶体的能量传送越高导致种子激光在增益介质内传播时的增益越高。
使用掺杂浓度逐渐增加的段防止了段的破裂。如果期望使用高功率光学端面泵浦，则段横截面积减小并且Nd掺杂物浓度减小。缩小横截面积并降低Nd掺杂物浓度使得能够使用高功率泵浦，继而使得大能量/功率能够被传送给Nd:YVO4晶体，继而允许能量被传送给种子激光器的脉冲输出的脉冲。如果施加到各段的功率被计算出并保持在其横截面积和掺杂物浓度的可接受极限内，则可防止晶体的破裂。
各段还可被当作具有特定增益的放大器的一级。通过多级放大来提供倍增的增益，因此可预期各段的增益的优化设计以从给定泵浦功率实现最高提取效率。
外部扩散放大器进一步放大主振功率放大器(MOPA)配置。主功率放大器(MOPA)包括种子激光器以及增加种子激光器的功率输出以进行有用的工作的放大器。外部扩散放大器给先前放大的脉冲的皮秒脉冲增加附加能量(放大能量和功率)。
在外部扩散放大器中，连续增益介质被扩散接合在一起成圆柱形棒，并且利用光学侧面泵浦生成激光。使已经放大的光束的直径与外部扩散放大器的棒直径匹配或近似匹配。例如，代替在端面泵浦策略中使用模式匹配的0.5mm光束，将光束大小增大至棒的横截面积。例如，棒的直径可在2-4mm的范围内(具有πmm2-4πmm2的横截面积)。外部扩散放大器的棒中的功率密度极其低，从而允许在不危及外部扩散放大器的任何涂层或任何本体材料的情况下利用短脉冲激光生成高功率和能量。
本发明公开了在外部扩散放大之前低至100kHz的重复频率和20W(200μJ脉冲)的激光器的操作。公开了在宽范围的重复频率下的激光器的操作。换言之，皮秒激光器在较低功率下操作，并且被端面泵浦的内部放大器的四程放大器的增益介质在较低功率水平下没有热应力，因此保护了增益介质以及激光放大器的其它光学组件上的涂层。由外部扩散放大器提供的保护保护了从种子激光器开始的所有上游组件。
通过对光束进行扩束(利用光束和/或透镜的定位/间距)并且利用半波片来将光束的偏振优化为外部放大器的圆棒的偏振，可从内部放大器(四程放大器)得到20W平均功率输出，并且在单程中，在外部扩散放大器中利用500μJ的脉冲能量生成100kHz的重复频率的50W平均功率。换言之，通过单程获得70W平均功率。
在不考虑过度运行种子激光器或者由于中继具有短脉冲的小光斑大小而损坏光学器件的情况下，获得500μJ的脉冲能量。本发明进一步提双程外部扩散放大，其生成重复频率为100kHz的100W平均功率。换言之，通过双程获得120W平均功率。
可以想到大于或等于1000uJ的脉冲能量。
使用具有激光二极管侧面泵浦的四级扩散接合棒。与大多数端面泵浦模式匹配策略不同，这允许我们通过外部扩散放大器来增加光束尺寸以生成更高的功率，特别是在低频率下。这允许比普通策略更高的脉冲能量，而不会危及涂层损坏阈值或本体材料阈值。
通过并入包括扩散接合钒酸盐棒的外部侧面泵浦放大器，可将传播光束的尺寸调节为棒横截面积。这显著降低了涂层上的功率密度并且允许更高的平均功率和脉冲能量能力。例如，低于100kHz的重复频率和大于或等于500μJ的脉冲能量生成50W的平均功率。
外部扩散放大器的圆柱形棒为单程或双程。外部扩散放大器的圆柱形棒可由各种尺寸和长度来构造，以获得最佳增益增加并且通过低频率下的高功率生成来使损坏最小化。棒可由各种增益介质Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:Al2O3或Yb:YAG的扩散接合和固体棒材二者来构造，以在低功率下获得非常高的能量和平均功率，而没有本体材料或涂层损坏的风险并且使脉冲特性最大化。
第一放大方法使用单程外部扩散放大器。外部扩散放大器被定位以使皮秒光束与选自增益介质Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:Al2O3之一的增益介质的尺寸匹配。除了定位增益介质以外，可使用透镜来调节传播光束以与增益介质的尺寸(横截面积)匹配。增益介质优选为圆柱形，例如圆柱形棒。也可使用其它增益介质形状。半波片被定位在外部扩散放大器的圆柱形棒增益介质与入射激光之间。入射激光来自内部放大器和其中的四程放大器。半波片旋转以将光束的偏振优化为棒的偏振。另外，单程外部扩散放大器可串联布置。换言之，第二单程外部扩散放大器与第一单程放大器串联定位。可选地，可在第二单程外部扩散放大器之前使用第二半波片。
第二放大方法使用双程外部扩散放大器。外部扩散放大器被定位以使皮秒光束与增益介质(为棒形式)的尺寸匹配。增益介质选自增益介质Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:Al2O3之一。光束两次穿过外部扩散放大器的增益介质。半波片(λ/2)被定位于旋转器(λ/4)与偏振敏感分束器之间。偏振敏感分束器被定位位于半波片(λ/2)与入射激光之间。半波片(λ/2)和旋转器(λ/4)创建穿过外部扩散放大器的右旋圆偏振光束。最大“R”涂敷反射器位于外部扩散放大器(即，激光头)的后面，并且反射穿过外部扩散放大器(即，激光头)、旋转器(λ/4)和半波片(λ/2)的左旋圆偏振光束(在那里该光束变为水平偏振)。偏振敏感分束器使水平偏振光束发射出装置。
第一放大结构使用单程外部扩散放大器，其中，使皮秒光束横截面积与增益介质的横截面积匹配。介于增益介质与入射光束之间的半波片优化穿过增益介质的增益。第二放大结构使用双程外部扩散放大器，其中，光束横截面积与增益介质的横截面积匹配并且两次穿过增益介质。半波片和旋转器创建穿过增益介质的右旋圆偏振光束，最大“R”涂敷反射器位于外部扩散放大器的后面并且将左旋圆偏振光束反射回以穿过增益介质、旋转器和半波片，在那里该光束变为水平偏振，然后通过偏振敏感分束器被发射出放大结构。
本发明的目的是提供一种具有高增益介质的激光器。
目的是提供一种向Nd:YVO4增益介质传送大量功率的激光器。
目的是提供一种具有高增益介质的激光器，所述增益介质由具有适当的Nd掺杂物浓度和适当的横截面积以使得Nd:YVO4增益介质能够吸收大量功率的多个段组成。
目的是提供一种即使在相当低(小)的种子信号的情况下也具有从泵浦源至激光的高提取效率的激光器。
目的是提供一种具有高增益介质的激光器，所述增益介质在其一端具有楔面以防止自发激光发射。
目的是提供一种具有高增益介质的激光器，所述增益介质在其一端具有楔面以提供入射脉冲和出射脉冲的充分分离。
目的是提供一种具有高增益介质的激光器，穿过所述增益介质具有多个行程，以增加种子激光器输出的增益。
目的是提供一种具有分段高增益介质的激光器，穿过所述增益介质具有多个行程，以增加种子激光器输出的增益。
目的是提供一种具有高增益介质的激光器，所述增益介质包括楔面，并且其中，种子激光器的脉冲输出的入射脉冲入射在楔面上的入射角使得它们在高增益介质内在第一内部路径上以一角度被折射，以在增益介质内传播时落在泵浦光斑大小内，从而使对脉冲的能量传送最大化。
目的是在增益介质中将种子激光维持在泵浦光斑大小内。
本发明的目的是提供一种具有连续固态增益介质的外部扩散放大器，所述增益介质被扩散接合在一起以形成棒，并且利用光学侧面泵浦来生成更强力的激光。
本发明的目的是提供一种具有圆柱形棒形式的固态增益介质的外部扩散放大器。
本发明的目的是提供一种利用外部扩散放大器中的光学侧面泵浦来生成的高功率皮秒激光。
本发明的目的是提供外部扩散放大器的侧面泵浦源，其中，所述侧面泵浦源是激光二极管或灯。
本发明的目的是提供一种外部扩散放大器，其中，传播光束大小横截面积与棒的横截面积匹配。
本发明的目的是提供一种外部放大器，其提供高增益，而不会对施加到外部扩散放大器棒的涂层造成损坏。
本发明的目的是提供一种外部扩散放大器，其提供高增益，而不会对外部扩散放大器的本体材料造成损坏。
本发明的目的是提供一种外部扩散放大器，其放大平均功率输出和低频率下的高脉冲能量，以用于改进激光输出的控制和分辨率。
本发明的目的是提供一种外部扩散放大器棒，其包括多个扩散接合段并且具有2mm-4mm的直径。
本发明的目的是提供一种外部扩散放大器棒，其包括多个扩散接合段并且具有3.14mm2-12.56mm2的横截面积。
本发明的目的是提供任何合适的横截面的任何合适的棒，以用作外部扩散放大器的增益介质。
本发明的目的是提供一种外部扩散放大器棒，其由以下增益介质中的任一种制成：Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:Al2O3或Yb:YAG。
当参照附图和以下描述时将更好地理解这些和其它目的。
附图说明
图1是包括种子激光器输入、偏振器、两个半波片、旋转器和四重行程(四程)Nd:YVO4增益介质的激光器的示意图，其中，第一放大器包括光学端面泵浦源、四重行程(四程)Nd:YVO4增益介质和高反射反射镜。
图1A是包括种子激光器输入、偏振器、两个半波片、旋转器和双重行程(双程)Nd:YVO4增益介质的激光器的示意图，其中，第二放大器包括光学端面泵浦源、双重行程(双程)Nd:YVO4增益介质和高反射反射镜。
图1B是图1的示意图的透视图。
图1C是包括光学侧面泵浦的Nd:YVO4增益介质的激光器的示意图。
图1D是包括光学侧面泵浦的Nd:YVO4增益介质的激光器的另一示例的示意图。
图1E是包括光学侧面泵浦的Nd:YVO4增益介质的激光器的另一示例的示意图。
图2是示出具有四重行程(四程)Nd:YVO4增益介质的第一放大器与具有双重行程(双程)增益介质的第二放大器耦合的示意图，第一放大器包括光学端面泵浦源，第二放大器包括光学端面泵浦源，并且在图2的示例中采用了四个反射镜。
图3是指示针对图1的四程示意图的各种mW平均种子功率输入信号的功率放大的曲线图。
图4是指示针对图1A的双程示意图的各种mW平均种子功率输入信号的功率放大的曲线图。
图5是指示在增益介质的第一端处具有楔面并且在增益介质的第二端处具有第二端面的Nd:YVO4增益介质以及种子激光的第一外部路径、放大种子激光的第一内部路径、放大种子激光的第二内部路径和放大种子激光的第二外部路径的示意图。
图5A是沿着线5A-5A的图5的端视图。
图5B是横截面为圆形的Nd:YVO4增益介质的端视图。
图6是Nd:YVO4增益介质的楔角对种子激光的入射角、以及Nd:YVO4增益介质的楔角对种子激光在增益介质中的内反射角的曲线图。
图7是作为楔角的函数的在增益介质的第一端面处激光的输入路径与激光的输出路径的分离距离、以及反射镜M1与入射种子激光之间的距离的曲线图。
图8是包括增益介质、第一反射镜和第二反射镜的四程放大器的使用的示意图。
图8A是针对图8的示意图的作为传播距离的函数的光斑大小的曲线图，其指示第一行程、第二行程、第三行程、第四行程以及反射镜和第二反射镜的位置。
图9是波长为1064并且重复频率为100kHz的种子激光的示意性表示。
图9A是靠近增益介质的第二端的光学泵浦源和种子激光器脉冲输出的示意性表示。
图10是波长为1064nm、重复频率为100kHz的种子激光的示意性表示。
图10A是靠近增益介质的第二端的光学泵浦源和种子激光的示意性表示，其中，增益介质包括三个扩散接合段，所述三个扩散接合段具有不同的长度和掺杂物浓度，从而导致不同的增益和泵浦功率吸收。
图10B是掺杂物浓度(C％at.)、段长、α(缩放掺杂物浓度)和每段的Pabs(吸收功率)的图表。
图11是类似于图5的示意图，其中，Nd:YVO4增益介质包括三段，各段具有不同的掺杂浓度。
图12是示出内部放大器的示意图，其包括与具有四重行程(四程)Nd:YVO4增益介质的第二放大器耦合的具有四重行程(四程)Nd:YVO4增益介质的第一放大器，第一放大器包括光学端面泵浦源，第二放大器包括光学端面泵浦源、透镜以及多个反射镜M1和M22-M30。
图12A是示出外部扩散放大器和光学侧面泵浦源的单程示例的放大示意图。
图12B是示出外部扩散放大器和光学侧面泵浦源的双程示例的放大示意图。
图12C是示出外部扩散放大器的棒的扩散接合示例的放大示意图。
图12D是示出为圆柱体棒形状的增益介质的横截面的放大示意图，其以虚线指示皮秒激光在增益介质棒内的光斑大小。
图12E是示出一段棒(增益介质)的放大示意图。
图13是示出图12和图12A的示意图中所使用的组件(即，第一和第二四程增益放大器和外部扩散放大器)的示意性俯视图。
图13A是示出外部扩散放大器的单程配置的图13的放大部分。
图13B是类似于图13的示意性俯视图，示出两个串联的单程外部扩散放大器。
图13C是图13B的一部分的放大示意图。
图14是示出图12和图12B的示意图中所使用的双程外部扩散放大器的组件的示意性俯视图。
图14A是图14的示出双程外部扩散放大器的放大部分。
具体实施方式
图1是种子激光器111、种子透镜110、偏振器107、两个半波片106、112、旋转器105和四重行程(四程)Nd:YVO4增益介质103的示意图100，其中，放大器包括光学端面泵浦源101、增益介质103和高反射反射镜114。种子激光器光斑大小基本上通过透镜110的选择来确定。基于期望的增益确定增益介质中所需的激光光斑大小。Nd:YVO4增益介质103内的增益体积(gainvolume)取决于光学端面泵浦源的光斑大小和Nd的掺杂浓度。可取的是使用种子激光器的适当大小的光斑大小和光学端面泵浦源的适当大小的光斑大小。
光学端面泵浦源101优选是二极管端面泵浦源。增益介质103具有用防反射涂层涂敷的楔形端面103A。楔形端面103A在增益介质103的第一端。增益介质的第二端面101C是平坦的，并且用在808nm的波长下高度透明(透射)的涂层涂敷，该涂层在1064nm的波长下是高度反射的。
种子激光器111生成脉冲输出111A，该脉冲输出111A具有脉冲宽度为大约10皮秒(±5皮秒)的脉冲，重复频率介于10kHz到100MHz之间并且波长为1064nm。所述脉冲包括波长为1064nm的光。随着所述脉冲进入并穿过增益介质103，它们入射在第二端面101C上并被其上的高反射涂层反射。
参照图1，Nd:YVO4增益介质103由在808nm的波长下操作的激光二极管来端面泵浦。可使用其它泵浦波长，例如，泵浦中心波长可为808nm、820nm、880nm、888nm或915nm(+/-10nm)。泵浦源可以是端面泵浦源或者一个或更多个侧面泵浦源。参见图1C、图1D和图1E，泵浦源可以是二极管泵浦光源或其它合适的光源。箭头102指示向增益介质中的功率流。在楔形表面103A上针对1064nm的波长对增益介质103晶体进行AR涂敷(防反射涂敷)。在泵浦表面上针对1064nm的波长对增益介质103的第二端面101C进行HR涂敷(高反射涂敷)并且在808nm下进行HT涂敷(高透射)。高透射涂层用于在其它波长(即，820nm、880nm、888nm和915nm)下泵浦。这意味着表面101C将来自旋转器105的放大种子激光104反射。在1064nm的波长下的偏振种子激光穿过偏振器107、半λ波片106和旋转器105到达增益介质103。标号104/104A指示不同时间的脉冲/激光的双向流。
仍参照图1，种子激光在增益介质103内穿过四(4)次。放大的激光输出104A通过偏振器107来分离，该偏振器107使偏振相对于种子激光器的输出脉冲111A的偏振偏移90°。
增益介质103的横截面可以为圆形、矩形、正方形或其它形状。增益介质的横截面可以为任何形状。如果横截面形状为矩形，则矩形的边通常长度相等，使得该横截面变为正方形。矩形的各条边介于1-6mm之间，并且增益介质的长度介于5-30mm之间。通常，使用矩形形状的增益介质。可使用横截面为圆柱形形状的棒，并且从小直径的棒的传热很好。
仍参照图1，种子激光器111发射脉冲，所述脉冲沿着路径111A进入并穿过偏振器107、半波片106和旋转器105，其中将偏振转换为增益介质103的偏振。图1A是通过去除反射镜M1而创建的双程放大器的示例的示意图100A。图1B是图1的示意图的透视图100B，其示出被容纳于冷却室内的种子激光器111、透镜110、偏振器107、旋转器、增益介质103、以及光学泵浦源101。
图1C是包括光学侧面泵浦的Nd:YVO4增益介质103的激光器的示意图100C。侧面泵浦源199被示出为根据需要部分地或完整地围绕增益介质103。图1D是包括光学侧面泵浦的Nd:YVO4增益介质103的激光器的另一示例的示意图100D，其中，第一光学侧面泵浦源199A和第二光学侧面泵浦源199B根据需要部分地或完整地围绕增益介质103。图1E是包括光学侧面泵浦的Nd:YVO4增益介质103R的激光器的另一示例的示意图100E，其中，三个光学侧面泵浦源199C、199D和199E根据需要部分地或完整地围绕增益介质103R。
图2是示出具有四重行程(四程)Nd:YVO4增益介质103的第一放大器与具有双重行程(双程)增益介质203的第二放大器耦合的示意图200。第一放大器包括光学端面泵浦源101，第二放大器包括光学端面泵浦源201。在图2的示例中采用了反射镜M1(114)、M2(221)、M3(214)和M4(217)。在图2所阐述的示例中还采用了隔离器219。偏振器107具有高偏振消光比，并且提供四程放大器与种子激光器之间的自然隔离。旋转器105用于阻挡来自双程放大器的反馈功率。
图3是指示针对图1的四程302以及图1A和图2的双程301的各种mW平均种子功率脉冲的功率放大的曲线图300。如图4所示，四程302表现出比双程301更好的放大增益。可利用30W泵浦源将1-2mW的种子功率放大至1.5W左右。通过高达35W的更高泵浦功率并且通过20mW的种子激光平均功率，可利用单级四程放大器实现比5W更大的输出功率。
图4是指示针对图1A的双程示意图的各种mW平均种子功率输入信号的功率放大的曲线图400。
图5是指示在增益介质的第一端520F处具有楔面103A并且在增益介质的第二端530S处具有第二端面101C的Nd:YVO4增益介质103的示意图500。图5示出种子激光的第一外部路径111E、一次放大种子激光的第一内部路径111I、二次放大种子激光的第二内部路径115I和二次放大种子激光的第二外部路径115E。
在图1A的双程放大器中，入射激光两次通过增益介质。入射脉冲沿着第一外部路径111E以入射角θ2到达，在那里它们入射在楔面103A上，然后以折射角θ2’沿着第一内部路径111I被折射，直至它们入射在第二表面101C上。沿着第一内部路径111I，激光在本文中有时被称作一次放大激光。然后在第二行程上激光以反射角θ3沿着第二内部路径115I朝着楔面103A被反射。沿着第二内部路径115I，激光在本文中有时被称作二次放大激光。然后，激光以入射角θ4到达楔面103A处，在那里它以折射角θ5沿着第二外部路径115E被折射。在图1A所示的双程示例中，没有示出M1。
图4是指示针对图1A的双程示意图的各种mW平均种子功率输入信号的功率放大的曲线图。
参照图1和图5，在四程放大器中，使用反射镜114(M1)使激光返回到增益介质103。参照图5，在图1和图2所示的四程放大器的计划中，高反射反射镜114将激光以入射角θ5沿着第二外部路径115E反射向楔面103A的位置502，在那里激光以折射角θ4沿着第二内部路径115I被折射，成为三次放大激光。本文中有时将以折射角θ4沿着第二内部路径115I被折射时的激光称作三次放大激光。三次放大激光沿着第二内部路径115I前进并入射在高反射表面101C上，在那里它以内反射角θ3沿着第一内部路径111I被朝着楔面103A反射，成为四次放大激光。本文中有时将以入射角θ2’沿着第一内部路径111I行进时的激光称作四次放大激光。第一内部路径111I相对于与楔面103A垂直的线成入射角θ2’。一旦四次放大激光入射在楔面103A上，它就以折射角θ2沿着第一出射路径111E被折射，然后四次放大激光被朝着旋转器105引导并穿过旋转器105、半波片106、偏振器107和半波片112，然后四次放大激光在箭头113的方向上前进。
图1示出具有四级放大的四程放大器。每次激光通过增益介质时，激光被放大并拾取更多能量。图1A示出存在两级放大的双程放大器。图2示出允许六级放大的四程(四重放大，图1)和双程(双重放大，图1A)的组合。
图5A是图5沿着线5A-5A的端视图500A。图5A示出入射脉冲沿着第一外部路径111E在楔面103A上的入射位置501。图5A还示出出射脉冲沿着第二外部路径115E在楔面103A上的出射位置502。在增益介质用作四程放大器的示例中，位置502成为第三行程的入射位置，位置501成为第四行程的出射位置。
仍参照图5和图5A，二极管泵浦源101被示出为靠近第二端面101C，该第二端面101C在808nm的波长下高度透明(透射)，在1064nm的波长下高度反射。如果使用其它泵浦波长(820nm、880nm、888nm和915nm)，则表面101C在这些波长下高度透射。表面101C被涂敷，涂层在各个波长下具有上述特性。标号103B、103C、103D和103E示出Nd:YVO4增益介质103的区域。区域103B靠近传送相对高的能量/功率的端面101C。点画(点)/体积的浓度指示传送给增益介质的能量/功率的相对量。还将从图5注意到，能量被传送给增益介质的圆柱芯，能量传送通过进入增益介质的泵浦能量的光斑大小限定。区域103C具有较少的点/体积，这指示传送给增益介质的能量/功率的相对量少于区域103B。类似地，区域103D和103E的点/体积逐渐减少，这指示传送给增益介质的能量/功率的相对量作为距808nm泵浦源的距离的函数而降低。标号599示意性地表示在808nm的波长下辐射功率的二极管端面泵浦源的辐射范围(radialextent)。可使用其它泵浦波长，例如，泵浦中心波长可在808nm、820nm、880nm、888nm或915nm(+/-10nm)。泵浦源可以是端面泵浦源或者一个或更多个侧面泵浦源。泵浦源可以是二极管泵浦光源或者其它合适的光源。可使用其它类型的泵浦源。
仍参照图5和图5A，四程和双程放大器结构的重要部分是增益介质103，其包括增益材料、掺杂浓度、横截面积、长度、结构和涂层。Nd:YVO4是增益介质的材料。Nd:YVO4具有高发射截面和足够的带宽以允许10皮秒的脉冲宽度。Nd:YVO4是天然偏振晶体并且被a切割。生成的激光的偏振沿着晶体的c轴。如图5所示的Nd:YVO4增益介质103被均匀地掺杂。均匀掺杂有时被称作匀质掺杂。在天然偏振Nd:YVO4晶体中使用介于0.05-3.0％at.(原子重量百分比)之间的掺杂浓度。Nd:YVO4增益介质的示例以0.05–3.0％at.范围内的浓度均匀掺杂。Nd:YVO4代表并且意指掺钕的钒酸钇。
设计适当的掺杂浓度取决于许多因素。除了增益和热透镜化效应以外，一个重要因素是施加的最大泵浦功率(通常为30-60W)以及Nd:YVO4晶体的横截面的尺寸。最佳泵浦光斑大小通常在0.3mm至2mm直径的范围内。随着泵浦功率增加，预期掺杂物浓度将降低。掺杂浓度越低允许使用的泵浦功率越高。由端面泵浦源施加给Nd:YVO4晶体的功率受到晶体本身的结构的限制。如果太多功率被施加给给定掺杂物浓度的晶体，则它将由于热致张应力而破裂。与具有大横截面(例如，36mm2)的增益介质相比，相对更多的功率可被施加给具有小横截面(例如，1mm2)的Nd:YVO4晶体增益介质。另外，相对更多的泵浦功率可被施加给具有低Nd浓度(例如，0.05％)的Nd:YVO4晶体。另外，可利用较大泵浦光斑半径来施加相对更多的泵浦功率。因此，确定均匀掺杂的晶体的尺寸必须考虑所有上述考虑因素。图10-11示出并公开了分段增益介质。泵浦光斑大小必须足够大以在种子激光通过增益介质时完全包封种子激光。因此，确定分段掺杂的晶体的尺寸也必须考虑所有上述考虑因素。
Nd:YVO4是天然偏振晶体，长度优选为5mm至30mm，其在适当的掺杂浓度下在808nm和3nm带宽(FWHM)下可吸收超过99％的泵浦功率。另外，晶体越长，提供的用于去除热的表面积越多。泵浦光斑大小的直径通常为0.3mm至2mm。当晶体中的种子激光光斑大小为0.4-0.6mm直径左右时，晶体的横截面可像4mm2一样小。因此，晶体的优选尺寸具有4mm2的横截面，其为激光提供足够的孔径。
Nd:YVO4的横截面尺寸可介于1mm2至36mm2之间。范围介于0.05％at.至3.00％at.之间的掺杂浓度可通过施加的最大泵浦功率(通常为30-50W)和泵浦光束光斑大小来确定。
如前所述，Nd:YVO4增益介质103的第一端面103A如图5所示为平坦楔面。增益介质103的楔面设计是放大器的重要方面。楔面消除了由两个平行表面引起的标准具(Etalon)效应。增益介质的两个平行表面实际上形成光腔。标准具效应使脉冲宽度变宽，并且在被泵浦的增益介质内形成自发激光发射(self-lasing)。自发激光发射是不希望的，因为它破坏了对激光输出的控制。楔面103A消除了增益介质103的表面103A、101C之间的自发激光发射。即使AR(防反射)涂层被施加在晶体的两侧，在增益介质的平行第一表面与第二表面之间也可发生潜在激光发射。使用楔面还有助于降低增益介质的表面与放大器中所使用的其它光学表面之间的自发激光发射效应。
仍参照图5，增益介质103的楔面103A提供沿着第一外部路径111E的脉冲输出的入射脉冲与沿着第二外部路径115E的出射脉冲之间的更宽的分离角度。楔面103A垂直于Nd:YVO4的a-c平面，其中放大激光的偏振在该a-c平面内。楔面103A在1064nm的波长下被AR涂敷，第二表面101C在808nm的波长下被HT涂敷并且在1064nm的波长下被HR涂敷。结合操作波长使用适当的涂层。
仍参照图5，大体矩形形状的Nd:YVO4增益介质的第一端包括涂敷有防反射涂层的楔面103A。种子激光以入射角θ2进入Nd:YVO4增益介质的楔面103A上的防反射涂层。入射角θ2相对于与Nd:YVO4增益介质103的楔面103A垂直的线505P来测量。将注意到，楔面是平坦表面并且形成楔角θ1。楔角θ1相对于穿过楔面的一点切割的垂直面来测量。还将注意到，输入种子激光沿着线111E以相对于与增益介质的中心线平行的线的角度θ6进入楔面。参照图5，可以看出θ6＝θ2-θ1。当期望并优选维持种子激光的入射角θ2小于或等于15°时，楔角θ1可在5°-7°之间变化。5°-7°的楔角得到大约0.78°的优选内反射角θ3。
目的是提供一种具有包括楔面的高增益介质的激光器。将从图5注意到，激光到达未与增益介质的中心线505C对准的路径111E。入射角θ2被选择为使得入射在楔面上的种子激光在高增益介质内以角度θ2’在第一内部路径111I上被折射，以随着其在增益介质内传播而驻留在泵浦光斑大小内，从而使对激光的能量传送最大化。标号599表示泵浦光斑大小的辐射范围。期望使激光在增益介质中匹配在泵浦光斑大小内。大多数泵浦能量趋于沿着增益介质的中心线505C聚集。
种子激光以其入射在楔面103A上的角度θ2’被折射。种子激光在Nd:YVO4增益介质103内从表面101C以内反射角θ3沿着第二路径115I被反射。内反射角θ3相对于Nd:YVO4增益介质的中心线505C来定义。另外，优选内反射角θ3为大约0.78°。期望使种子激光在增益介质103内的反射角θ3最小化，使得它相对于穿过增益介质的轴的中心线保持相对居中，因此种子激光在通过增益介质时可有效地提取泵浦能量。泵浦到增益介质中的能量聚集在端面泵浦源的光斑大小内。如果种子激光的入射脉冲在Nd:YVO4增益介质内匹配于泵浦光斑大小内，则在激光的第一内部路径111I和第二内部路径115I上泵浦光斑大小与种子激光交叠，能量被有效地传送给激光。
另外，优选内反射角θ3＝0.78°必须足够大以确保进入形成Nd:YVO4增益介质的楔面的平坦表面的种子激光与从增益介质的该平坦表面出射的放大激光的分离。
对于长度为大约20mm的增益介质，内反射角θ3＝0.78°得到相对于增益介质的轴线的大约0.27mm的偏移。另外，如果增益介质的长度为大约10mm，则优选折射角θ3＝0.78°得到相对于增益介质的轴线的大约0.135mm的偏移。
当朝着Nd:YVO4增益介质的第二端面101C传播时，种子激光在第一行程上沿着第一内部路径111I在Nd:YVO4增益介质内穿过Nd:YVO4增益介质被折射(一次放大)。Nd:YVO4增益介质的靠近泵浦源的第二端面101C包括对1064nm波长的种子激光高度反射的第二涂层，该第二涂层对来自808nm波长的端面泵浦源的光是高度透明的。
种子激光以内反射角θ3被Nd:YVO4增益介质的第二端面101C上的高反射第二涂层反射，并且使得1064nm波长激光在第二行程上沿着第二内部路径115I在Nd:YVO4增益介质内穿过Nd:YVO4增益介质朝着Nd:YVO4增益介质的楔面103A传播(二次放大)。激光脉冲以折射角θ5从Nd:YVO4增益介质的楔面出射。衍射角θ5相对于与Nd:YVO4增益介质的第一端(垂直)的法线来测量。
图5A是图5沿着线5A-5A的端视图500A，其示出正方形横截面的增益介质。标号599是增益介质中的泵浦光斑大小的辐射范围。标号501、502分别指示激光的入射和出射位置。图5B是圆形横截面的Nd:YVO4增益介质的端视图500B。
图6是Nd:YVO4增益介质的楔角θ1对种子激光器的脉冲输出的脉冲的入射角θ2(601)、Nd:YVO4增益介质的楔角θ1对增益介质中的内反射角θ3(602)、以及Nd:YVO4增益介质的楔角θ1对法向入射涂层极限(603)的曲线图600。因此，基于法向入射AR涂层，5-7°的楔角对应于约15°的入射角，内反射角为大约0.78°。
图7是作为楔角θ1的函数的在第一端面103A上入射激光的输入路径111E与出射脉冲的输出路径115E的分离距离的曲线图701以及作为楔角θ1的函数的入射种子激光111E的曲线图702。
图8是包括Nd:YVO4增益介质805、第一反射镜806和第二反射镜807的四程放大器的示意图800。图8A是针对图8的示意图的作为传播距离的函数的种子激光的光斑大小的曲线图800A，其指示第一行程801、第二行程802、第三行程803、第四行程804以及平坦反射镜806和第二弯曲反射镜807的位置。第一行程801的长度为大约64mm，第二行程802的长度为大约161mm，第三行程803的长度为大约161mm，第四行程804的长度为大约64mm。标号810表示增益介质810中的第一行程801的起点。标号811是种子束腰，在图8中可取的是将种子激光束腰定位成与光学泵浦源(未示出)的束腰一致。种子激光束腰位于增益介质内部距泵浦表面大约2mm处(图8中未示出)。
在四程放大器中，激光与泵浦源模式的模式匹配对于各个行程非常关键。通常，激光与泵浦源光斑之间的模式匹配比(激光的光斑直径)/泵浦源的光斑直径)为0.6-1.2。图8A示出四程放大器的激光束传播。考虑到高功率泵浦中的增益介质的热透镜化效应，图8A所示的M1和M2的恰当设计控制第二行程、第三行程和第四行程的激光模式的光斑大小与泵浦源模式匹配。
图9是波长为1064nm、重复频率为100kHz并且脉冲宽度为10皮秒的种子激光的示意性表示900。对于图9所示的脉冲流没有指定平均功率。图9A是靠近Nd:YVO4增益介质903的第二端904的光学泵浦源902和种子激光901的示意图900A。在此示例中，种子输入901与泵浦源902一致，并且种子输入进入增益介质903的第二端930S的第二端面904。第二端面904允许808nm的二极管泵浦辐射和1064nm的种子激光901透射。如箭头930所指示，放大激光从增益介质的第二端920F的第二端面905出射。
仍参照图9A，箭头930S指示增益介质903的第二端，箭头920F表示增益介质903的第一端。标号903B、903C、903D和903E示出Nd:YVO4增益介质903的区域。区域903B靠近吸收相对高的能量/功率的端面904。点画(点)/体积的浓度指示增益介质中吸收的能量/功率的相对量。还将从图9A注意到，在增益介质903中吸收能量。提取效率与种子激光功率和增益有关。从区域903B至903E，各段中吸收的功率沿着泵浦轴线成指数衰减。
图10是波长为1064nm、重复频率为100kHz、脉冲宽度为10皮秒并且平均功率为1mW左右的种子激光器的脉冲输出1001的脉冲的示意性表示1000。
图10A是在808nm的波长下操作的光学泵浦源1002以及靠近增益介质的第二端的种子激光1001的示意图1000A，其中，增益介质包括三个扩散接合段1010、1011、1012，其具有不同的长度和掺杂物浓度，从而导致各段中的增益分布不同。更具体地讲，图10A是端面泵浦分段介质的示意图1000A，其示出包括三段1010、1011、1012的扩散接合增益介质Nd:YVO4，以及各段的Nd掺杂物浓度(原子量百分比％at.)、各段的吸收功率Pabs、各段的传递功率PT、各段的光学增益G以及各段的吸收系数α。图10B是掺杂物浓度(C％at.)、段长(mm)、α(缩放掺杂物浓度)和每段的Pabs(吸收功率)的图表100B。另选地，代替扩散接合，可通过在段之间使用防反射涂层来将段1010、1011和1012固定在一起。
参照图10A和图10B，第一段1010具有最低Nd掺杂浓度0.05％并且为2mm长。按照因子3缩放掺杂百分比得到α＝0.15，其中α是吸收系数。吸收效率为
η＝(1-e-αL)。
因此，在没有Nd:YVO4晶体的任何进一步知识的情况下，看起来将利用较长的晶体和/或通过增加吸收系数来实现效率的增大。然而，吸收系数没有指示对系数α和施加的功率存在物理限制。随着施加到Nd:YVO4晶体的功率增加，Nd掺杂浓度减小，并且晶体的横截面减小。掺杂浓度越低允许使用越高的泵浦功率。
再参照图10A和图10B，在mW范围内的种子激光被施加到横截面积为4mm2的分段介质。在此示例中，泵浦功率为40W，并且泵浦光斑大小为0.5mm直径。每段的Pabs由下式给出：
Pabs＝Pinput(1-e-αL)
由于40W的端面泵浦功率被施加到第一段，所以Pabs＝40(1-e(-(0.15)(2))W＝10.3620瓦，留下29.64W可用于第二段1011。可用于/传递给后续段的功率由下式给出。
Pinput＝Ppump-(ΣPabs)
段1011的Pinput＝40W–(10.36W)＝29.64W。
因此，29.64W可用于/传递给第二段1011。需要注意的是，40W可被安全地施加到第一段1010，而不会有破裂的风险，因为Nd的掺杂浓度较小(即，0.05％at.)。
接下来，其余未吸收的29.64W被施加到Nd浓度为0.13％at.并且长度为1mm的段1011，得到Pabs＝29.64(1-e(-(0.39)(1))W＝9.57W。可用于/传递给第三段1012的功率为：
段1012的Pinput＝40W–(10.36+9.57)W＝20.07W。
现在，可用于或传递给第三扩散接合段1012的功率为20.07W。由于第三段被0.25％at.Nd掺杂并且为12mm长，所以
Pabs＝20.07(1-e(-(0.75)(12))W＝20.07W。
应用这种通过分段吸收泵浦功率来缩放泵浦功率的系统允许使用更高的泵浦功率以及对Nd:YVO4晶体的更高的能量传送。对Nd:YVO4晶体的能量传送越高导致种子激光在增益介质内传播时的增益越高。
各段可被当作放大器的一个级。给出一个示例以阐明概念。对于输入小信号种子激光(例如，1mW左右)以及吸收大约10W泵浦功率，段1010生成10.9dB的增益，从第一段放大的平均功率为12.5mW。增益计算如下：
Gain = 10 ( log 10 Pout Pin ) dB
对于12.5mW的平均功率种子输入以及吸收的10W泵浦功率，段1011生成8.2dB的增益，从第二段1011出射的放大平均功率为83mW。类似地，对于83mW的功率种子输入以及吸收的大约20W泵浦功率，段1012生成10.8dB的增益，从第三段出射的放大平均功率为1W。3段的整合增益(总增益)为30dB。
如果是单晶设计，则对于1mW种子激光和40W泵浦功率，增益将为28.7dB。输出功率为743mW。显然，多段增益改进超过34％，因为1000mW/743mW＝1.34。
使用掺杂浓度逐渐增加的段防止在输入到各段的功率处于可接受水平时段破裂，晶体可在没有破裂的情况下吸收。
使用具有不同掺杂浓度的段，可优化增益分布以获得高提取效率。
题为“PowerScalingofDiode-PumpedNd:YVO4Lasers”(IEEJOURNALOFQUANTUMELECTRONICS，第38卷，第9册，2002年9月，XiaoyuanPeng、LeiXu和AnandAsundi)的出版物整体以引用方式并入本文。
图11是类似于图5的示意图1100，其中，Nd:YVO4增益介质包括三段1110、1011、1012，各段具有不同的掺杂浓度。图11是与图10A的示例类似的示例，不同的是图11描绘了双程放大器。种子激光在第一内部路径111I和第二外部路径115I二者上传播时被放大。因此在双程配置中增益较大，在四程配置中增益仍较大。
图12是示出内部放大器的示意图1200，其包括与具有四重行程(四程)Nd:YVO4增益介质1203的第二放大器耦合的具有四重行程(四程)Nd:YVO4增益介质103的第一放大器。第一放大器103包括光学端面泵浦源101，第二放大器1203包括第三光学端面泵浦源1201以及多个反射镜M1和21-M30。图12所示的反射镜M26-M30和反射镜M31定位一次放大输出激光1217以便于由外部扩散放大器1270或1271进一步放大。图12的上部所示的第一四程放大器具有相同的结构并且如上面结合图1、图1C、图1D、图1E和图2所讨论那样操作。图12示出两个四程放大级的组合以用于总共八级放大。第一四程放大器的输出被供应给第二四程放大器。一次放大输出激光1217被供应给外部扩散放大器。
如上面基本上陈述的，本文中为了清晰不再重复，以下结合图12来陈述。图1是种子激光器111、种子透镜110、偏振器107、两个半波片106、112、旋转器105和四重行程(四程)Nd:YVO4增益介质103的示意图100，其中，放大器包括光学端面泵浦源101、增益介质103和高反射反射镜114。种子激光器光斑大小基本上通过透镜110的选择来确定。基于期望的增益确定增益介质中所需的激光光斑大小。Nd:YVO4增益介质103内的增益体积取决于光学端面泵浦源的光斑大小和Nd的掺杂浓度。可取的是使用种子激光器的适当大小的光斑大小和光学端面泵浦源的适当大小的光斑大小。
光学端面泵浦源101优选是二极管端面泵浦源。增益介质103具有用防反射涂层涂敷的楔形端面103A。楔形端面103A在增益介质103的第一端。增益介质的第二端面101C是平坦的，并且用在808nm的波长下高度透明(透射)的涂层涂敷，该涂层在1064nm的波长下是高度反射的。
种子激光器111生成脉冲输出111A，该脉冲输出111A具有脉冲宽度为大约10皮秒(±5皮秒)的脉冲，重复频率介于10kHz到100MHz之间并且波长为1064nm。所述脉冲包括波长为1064nm的光。随着所述脉冲进入并穿过增益介质103，它们入射在第二端面101C上并被其上的高反射涂层反射。
参照图12，Nd:YVO4增益介质103、1203由在808nm的波长下操作的激光二极管来端面泵浦101、1203。可使用其它泵浦波长，例如，泵浦中心波长可为808nm、820nm、880nm、888nm或915nm(+/-10nm)。泵浦源可以是端面泵浦源或者一个或更多个侧面泵浦源。参见图1C、图1D和图1E，泵浦源可以是二极管泵浦光源或其它合适的光源。箭头102、1202指示向各个增益介质103、1203中的功率流。在楔形表面103A、1203A上针对1064nm的波长对增益介质103、1203进行AR涂敷(防反射涂敷)。在泵浦表面上，增益介质103、1203的第二端面101C、1201C针对1064nm的波长进行HR涂敷(高反射涂敷)并且在808nm下进行HT涂敷(高透射)。高透射涂层用于在其它波长(即，820nm、880nm、888nm和915nm)下泵浦。这意味着表面101C、1201C将来自旋转器105、1214的放大激光104、1204反射。在1064nm的波长下的偏振种子激光穿过偏振器107、半λ波片106和旋转器105到达增益介质103。标号104/104A指示不同时间的脉冲/激光的双向流。以类似方式，在1064nm的波长下的激光穿过偏振器1213、半λ波片1211和旋转器1214到达增益介质1203。标号1204/1204A指示不同时间的脉冲/激光的双向流。
仍参照图12，标号1210是隔离器，它可在光学上用作提供高消光比的偏振器107，其有效地隔离并保护种子激光器111。类似地，偏振器1213提供高消光比，其有效地将第一四程放大器相对于由第二四程放大器生成的较高功率激光隔离并加以保护。
仍参照图12，种子激光(传播光束)在增益介质103内传播四(4)次。放大激光输出104A通过偏振器107来分离，该偏振器107使偏振相对于种子激光器的输出脉冲111A的偏振偏移。传播光束在增益介质2103内传播四(4)次。放大激光输出1204A通过偏振器1203来分离，该偏振器1203使偏振相对于第一四程放大器的输出脉冲的偏振偏移。
仍参照图12，反射镜M22、M23和M24引导传播光束穿过半波片1211，然后穿过偏振器1213。随后，传播光束穿过旋转器1214，因此传播光束被第二四程放大器进一步放大。仍参照图12，传播光束在增益介质2103内传播四(4)次，因此反射镜M25用作反射镜M1，与第一四程放大器结合使用。放大激光输出1204A通过偏振器1213来分离，该偏振器1203使偏振相对于第一四程放大器的输出的偏振偏移。第二四程放大器的放大激光输出从偏振器1213出射，并且通过反射镜M26、M27、28、M29、M30被引导并如标号1217所指示从内部放大器出射成为一次放大输出激光。反射镜的间距和定位调节激光1217的光束尺寸。另选地和/或另外地，可使用透镜1215来调节光束1217的横截面积和形状。
内部放大器意指由于安装在主壳体内的第一和第二四重行程(四程)放大器103、1203而发生的放大，如图13和图14中由标号1301所示。
外部扩散放大器进一步放大主振功率放大器(MOPA)配置。主功率放大器(MOPA)包括种子激光器以及增加种子激光(传播光束)的功率输出以进行有用的工作的放大级。外部扩散放大器进一步放大激光。
参照图12C，放大示意图示出外部扩散放大器1270、1271的棒1218的扩散接合示例。在外部扩散放大器1270中，连续的增益介质1218A、1218B、1218C、1218D被扩散接合在一起成为棒1218，并且利用三个光学侧面泵浦源1299和传播光束1217生成放大激光输出1220、1221。还参照图12A，图12A是示出如图12和图13所示的外部扩散放大器1270的单程示例以及光学侧面泵浦源1299的放大示意图1200A。图12A和图12B示出扩散接合圆柱形增益介质1218。
使由内部四程放大器103、1203放大的光束的直径与外部扩散放大器1270、1271的棒直径1218匹配或近似匹配，如图13和图14以及其它图中所示。图12D是棒1218的横截面的放大示意图1200D，其以虚线1217指示棒1218的增益介质内的皮秒激光束的光斑大小。
在本发明中，可利用扩束装置1215将一次放大输出激光束1217直径增大至近似棒1218的横截面积。参见图12和图12D，扩束装置可包括透镜1215。透镜1215可调节地放大内部放大器的第二四程放大器的输出光束。另选地，可通过相对于从偏振器1213至波片1216的距离适当地定位光束来扩展一次放大输出激光束。例如，增益介质棒1218的直径可在2-4mm的范围内，其具有πmm2-4πmm2的横截面积。包括Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:Al2O3或Yb:YAG的各种材料可用于外部扩散放大器1270、1271中的增益介质1218。标号1270指示单程外部扩散放大器，标号1271指示双程(双重行程)外部扩散放大器。
外部扩散放大器的增益介质棒1218的功率密度极其低，从而允许在不危及外部扩散放大器的任何涂层或本体材料的情况下利用短脉冲激光生成高功率和能量。另外，由于增益介质棒1218的增益为高，所以内部放大器中的功率水平可保持在内部放大器中使用的涂层和本体材料的阈值损坏极限以下。例如，通过在阈值损坏极限以下操作内部放大器来保护增益介质103、1203上使用的涂层。
本发明允许在外部扩散放大之前激光器在内部放大器中最低至100kHz的重复频率和20W(200μJ脉冲)来操作。换言之，皮秒激光器在较低功率下操作，并且被端面泵浦101、1201的增益介质103、1203在较低功率水平下没有热应力，因此保护了增益介质以及内部激光放大器的四程放大器的其它光学组件上的涂层。由外部扩散放大器1270、1271提供的保护保护了从种子激光器111开始的所有上游组件。
如图12所示采用装置1215进行扩束1215，并且适当地定位扩束装置，并且利用半波片(λ/2)1216来将光束的偏振优化为外部扩散放大器的增益介质1218的偏振，对皮秒脉冲的功率传送被最大化。例如，可从内部放大器取得来自一次放大输出激光1217的20W平均功率输出，并且在外部扩散放大器中的单程中，在外部扩散放大器中利用500μJ的脉冲能量生成重复频率为100kHz的50W附加平均功率。换言之，利用穿过外部扩散放大器的单个行程，获得70W平均功率并且输出作为二次放大输出激光1220。
作为示例而非限制，在不考虑过度运行种子激光器111或者由于中继具有短脉冲的小光斑大小而损坏光学器件的情况下，获得500μJ的脉冲能量。本发明进一步提供如图12B、图14和图14A所示的双程外部扩散放大1271，其生成重复频率为100kHz的100W附加平均功率。换言之，利用双程外部扩散放大器1271，获得120W平均功率。可实现大于或等于1000uJ的脉冲能量。
参照图12A和图12B，具有激光二极管1299侧面泵浦的四级1218A、1218B、1218C、1218D扩散接合增益介质棒1218用在单程外部扩散放大器1270和双程外部扩散放大器1271二者中。与现有技术中使用的大多数端面泵浦模式匹配策略不同，本发明通过外部扩散放大器1270、1271的增益介质来增加光束尺寸，以生成更高的功率，特别是在低频率(低重复频率)下。这允许比现有技术策略更高的脉冲能量，而不会危及涂层损坏阈值或本体材料阈值。
通过并入包括扩散接合增益介质棒的外部侧面泵浦放大器，可将传播光束的横截面尺寸调节为棒横截面积。传播光束1217(一次放大输出激光)的调节通过使用透镜1215和/或通过传播光束1217相对于增益介质1218的定位来进行。如图12D所示对传播光束1217进行扩束显著减小内部四程放大器103、1203和外部扩散放大器1270、1271中的涂层上的功率密度。对传播光束进行扩束允许更高的平均功率和脉冲能量能力。例如，如上所述，低于100kHz的重复频率和大于或等于500μJ的脉冲能量生成50W的平均功率。
外部扩散放大器的棒1218为单程1270或双程1271。外部扩散放大器1270、1271的棒可由各种尺寸和长度来构造，以获得最佳增益增加并且通过低频率下的高功率生成来使损坏最小化。棒1218可由各种增益介质Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:Al2O3或Yb:YAG的扩散接合1218A、1218B、1218C、1218D或单件式固体棒材1218P来构造，以在低功率下获得非常高的脉冲能量和平均功率，而没有本体材料或涂层损坏的风险并且使贯穿包括内部四程放大器103、1203和外部扩散放大器1270、1271的整个系统的脉冲特性最大化。
第一放大方法使用如图12A所示的单程外部扩散放大器1270。图13是示出图12和图12A的示意图中的组件，即，放大的第一和第二四程增益介质103、1203和单程外部扩散放大器1270的示意性俯视图1300。图13A是示出单程外部扩散放大器的图13的放大部分1300A。传播光束1217(一次放大输出激光)通过反射镜M31被引导至半波片1216中，并且偏振被优化为Nd:YAG增益介质1218。随着传播光束穿过增益介质1218，从外部放大器传递的光束的皮秒脉冲增益能量和平均功率增加。二次放大激光输出光束1220通过透镜1219出射。
外部扩散放大器1270(及其组件)通过使用反射镜M26-M31来定位以使皮秒光束与选自增益介质Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:Al2O3之一的增益介质的横截面积匹配。仅作为示例，采用具有以下参数的Nd:YAG作为增益介质：尺寸为2mm直径和65mm长度；Nd浓度为.6-.7％at；具有防反射涂层AR1064(可得自诺斯洛普·格鲁门公司(NorthrupGrumman))。本领域技术人员应将防反射涂层理解为覆盖图12C和图12E所示的增益介质1218、1218P。防反射涂层允许脉冲宽度为10皮秒(±5皮秒)并且波长为1064nm的皮秒脉冲穿过圆柱形棒1218的末端。另选地和/或另外地，可使用透镜1215来使皮秒光束与增益介质的横截面积匹配。参见图12。增益介质优选为圆柱棒1218、1218P的形状。图12E是示出单件式圆柱形棒(增益介质1218P)的放大示意图1200E。单件式增益介质1218P由于制造限制而比扩散接合增益介质1218短。可使用圆柱棒以外的形状，但是效率降低，因为入射传播光束的横截面通常为圆形。半波片1216位于外部扩散放大器1270的圆柱形增益介质1218与来自内部四程放大器103、1203的入射激光(一次放大输出激光)1217之间。入射激光1217来自第二四程放大器1203。半波片1216旋转以将光束的偏振优化为扩散接合增益介质1218的偏振以使输出最大化。只要可能，就使光束的偏振与增益介质1218的偏振匹配。扩散接合增益介质1218的一个示例是尺寸为2mm直径×65mm长度、Nd浓度为.6-.7％at.并且具有防反射涂层AR1064的圆柱形棒(可得自诺斯洛普·格鲁门公司)。可以具体想到其它棒直径、长度和形状。
另外，如图13B和图13C所示，单程外部扩散放大器1270、1270可串联布置。图13B是与图13类似的示意性俯视图1300B，示出了串联布置的两个单程外部扩散放大器1270。图13C是图13B的一部分的放大示意图1300C，示出了串联的第一第二外部扩散放大器。二次放大输出激光束1220从第一单程外部扩散放大器1270发射出以到达第二单程外部扩散放大器的反射镜M35。利用反射镜M35将第一单程外部扩散放大器1270的输出光束1220引导至第二单程外部扩散放大器1270以进一步功率放大，如图13B所示。图13B中示出第二半波片1216，其用于第二单程外部扩散放大器1270的第二增益介质1218内的偏振优化。随着传播光束1220穿过第二增益介质1218，其能量进一步增加并且发射出，成为三次放大输出激光束1227。更具体地讲，传播光束的皮秒脉冲的能量进一步增加。
第二放大方法使用双程外部扩散放大器1271。外部扩散放大器1271通过使用反射镜M26-M31来定位，以使皮秒光束横截面积与增益介质(为棒形式的圆柱形)的横截面积匹配。另选地和/或另外地，可使用透镜1215来使皮秒光束与增益介质的横截面积匹配。增益介质1218选自增益介质Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:Al2O3之一。光束两次穿过外部扩散放大器的增益介质，如图12B中指向相反方向的未编号箭头所指示。
图14是双程外部扩散放大器1271的示意性俯视图1400，示出了图12和图12B的示意图中所使用的组件。图14A是示出双程外部扩散放大器1271的图14的放大部分1400A。
偏振敏感分束器1222位于半波片(λ/2)1232与入射激光1217(一次放大输出激光)之间。半波片(λ/2)1232位于旋转器(λ/4)1231与入射传播光束/激光1217(一次放大输出激光)之间。旋转器(λ/4)1231使偏振光的输入传播光束在向前方向上旋转45°并且在维持传播光束的偏振同时在相反方向上非互反的旋转另外45°。半波片(λ/2)1232和旋转器(λ/4)1231创建穿过外部扩散放大器的增益介质1218的右旋圆偏振光束。最大“R”涂敷反射器M34位于扩散放大器1271的增益介质1218(即，激光头)后面，并且反射穿过外部扩散放大器的增益介质1218(即，激光头)、旋转器(λ/4)1231和半波片(λ/2)1232的左旋圆偏振光束(在那里该光束变为水平偏振)。偏振敏感分束器1222使水平偏振光束1221发射出外部扩散放大器之外。参见图12B。
第一放大结构使用单程外部扩散放大器1270，其中，使皮秒光束横截面积1217与增益介质1218的横截面积匹配或基本匹配。外部扩散放大器1271通过使用反射镜M26-M31来定位以使皮秒光束横截面积与增益介质(为棒形式的圆柱形)的横截面积匹配。另选地和/或另外地，可使用透镜1215来使皮秒光束的横截面积与增益介质的横截面积匹配。虚线1217指示基本上填充圆柱棒1218的横截面积的放大光束的边界，如图12D所示。介于增益介质1218与入射光束1217之间的半波片1216将光束1217的偏振优化为增益介质的偏振以便于穿过增益介质1218。
在外部扩散放大器1270、1271中使用了三个光学侧面泵浦源1299，它们优选为激光二极管。可使用任何类型的光学侧面泵浦源，包括灯。侧面泵浦中心波长可为808nm、820nm、880nm、888nm或915nm(+/-10nm)，光学侧面泵浦源可为3条阵列的配置。可由外部扩散放大器所需的泵浦源供应不同的功率水平。本文所公开的发明可以想到使用光学泵浦源以外的泵浦源。
第二放大结构使用双程外部扩散放大器1271，其中，光束1271横截面积与增益介质的横截面积匹配并且两次穿过增益介质，如图12B所示。图12B是示出外部扩散放大器1271的双程示例和光学侧面泵浦1299的放大示意图1200B。半波片1232和旋转器(λ/4)1231在穿过其的第一行程期间创建穿过增益介质的右旋圆偏振光束，最大“R”涂敷的反射器M34位于外部扩散放大器1271的增益介质1218的另一边(beyond)并且在穿过其的第二行程上将左旋圆偏振光束反射回以穿过增益介质1218。左旋圆偏振光束穿过旋转器(λ/4)1231和半波片1232，在那里该光束变为水平偏振，然后通过偏振敏感分束器1222来发射出放大结构，成为三次放大输出激光1221。
增益介质1218可以是通过扩散接合在一起的段形成的扩散接合增益介质。例如Nd:YAG或Nd:YVO4的扩散接合增益介质段为圆柱棒的形式，这使得能够从侧面泵浦源将功率传送给段1218A、1218B、1218C、1218D中的每一个。扩散接合增益段的长度比单件式棒1218P更长，因此更多的能量被传送给脉冲，导致高增益和高平均功率输出。换言之，在皮秒脉冲逐段通过时，在各段中将能量传递给皮秒脉冲，这允许对脉冲的高效且显著的能量传送，继而提升了皮秒脉冲的平均功率。当脉冲传播通过扩散接合增益介质段时，实现显著的增益。
标号
100-四通放大器的示意图
100A-双程放大器的示意图
100B-图1的示例的示意性透视图
100C-光学侧面泵浦布置方式的示意性透视图
100D-包括光学侧面泵浦Nd:YVO4增益介质的激光器的另一示例的示意图。
100E-包括光学侧面泵浦Nd:YVO4增益介质的激光器的另一示例的示意图。
101、1201-808nm、820nm、880nm、888nm、915nm(+/-10nm)端面泵浦
101C、1201C-晶体的涂敷的端面，涂层对来自端面泵浦源101的808nm泵浦高度透明，涂层在嵌入皮秒脉冲内的1064nm入射种子信号下为高度反射。
102、1202-指示808nm、820nm、880nm、888nm、915nm端面泵浦的方向的箭头
103、1203-Nd:YVO4晶体，增益介质
103A、1203A-晶体的平坦楔面，涂敷有防反射涂层
103B、103C、103D、103E-增益介质内的泵浦的强度变化
103R-Nd:YVO4晶体，增益介质
104-指示种子激光输入的方向的箭头
104A-指示从晶体103进入旋转器105的放大输出信号的方向的箭头
105、1214、1231(λ/4)-旋转器
106、112、1211、1216、1232-λ/2波片
107、1213、1222-具有高消光比的偏振器
108-在λ/2波片112的方向上的偏振器的输出
109-指示种子激光的方向的箭头
110、1215、1219-透镜
111-种子激光器
111A-透镜输出
111B-关于对晶体103的种子激光输入111A的旋转器105之后的位置、从四通放大器关于放大输出信号的旋转器105之前的位置
111E-激光的第一外部路径
111I-激光在增益介质103内的第一内部路径
111B-激光的第一外部路径
113-指示放大激光信号的输出的箭头
114-将放大信号反射回四程放大器以进行放大的反射镜
115E-激光的第二外部路径
115I-激光在增益介质103内的第二内部路径
199-光学侧面泵浦源，808nm、820nm、880nm、888nm、915nm(+/-10nm)
199A-光学侧面泵浦源，808nm、820nm、880nm、888nm、915nm(+/-10nm)
199B-光学侧面泵浦源，808nm、820nm、880nm、888nm、915nm(+/-10nm)
199C-光学侧面泵浦源，808nm、820nm、880nm、888nm、915nm(+/-10nm)
199C-光学侧面泵浦源，808nm、820nm、880nm、888nm、915nm(+/-10nm)
199D-光学侧面泵浦源，808nm、820nm、880nm、888nm、915nm(+/-10nm)
199E-199C-光学侧面泵浦源，808nm、820nm、880nm、888nm、915nm(+/-10nm)
200-与双程功率放大器组合的四程预放大器
201-用于激励第二Nd:YVO4晶体(增益介质)的第二808nm泵浦源
203-第二Nd:YVO4晶体，增益介质
214-反射镜M3
215-从增益介质203至反射镜M3(标号214)的信号
216-反射镜214与反射镜217之间的信号
217-反射镜M4
218-朝着隔离器219的激光信号的路径
219、1210、1212-隔离器
221-将光引导向双程放大器的第二反射镜
222-透镜
223-放大激光信号通向双程放大器的路径
224-指示激光信号通向双程放大器的方向的箭头
300-低种子功率(1-25mW)和放大功率(瓦)的曲线图
301-双程放大功率
302-四程放大功率
400-针对图1A的双程示意图指示各种mW平均种子功率输入信号的功率放大的曲线图400
500-增益介质103的示意图
500A-增益介质103的端视图
500B-圆形横截面的增益介质的端视图
501-入射脉冲在增益介质上的入射位置
502-脉冲从增益介质的出射位置
503-圆形横截面的增益介质
505C-增益介质103的中心线
505P、505X-相对于楔面103A的垂直线
520F-指示增益介质103的第一端的箭头
530S-指示增益介质103的第二端的箭头
599-增益介质中的泵浦光斑大小的辐射范围
600-楔角θ1对入射角θ2的曲线以及楔角θ1对反射角θ3的曲线
601-楔角θ1对入射角θ2的曲线图
602-楔角θ1对反射角θ3的曲线图
700-作为楔角θ1的函数的反射镜M1与中心线之间的距离的曲线(702)；作为楔角θ1的函数的输入光束与输出光束的分离距离的曲线(701)；作为楔角θ1的函数的入射角θ2减去折射角θ5的分离的曲线(703)；
701-作为楔角θ1的函数的在第一端面103A上输入光束与输出光束的分离距离的曲线
702-作为楔角θ1的函数的反射镜M1与种子激光入射111E之间的距离的曲线
800-使用M1反射镜806和M2反射镜807以及增益介质805的四程放大器设计
801-第一行程，长度为大约64mm
802-第二行程，长度为大约161mm
803-第三行程，长度为大约161mm
804-第四行程，长度为大约64mm
805-增益介质，Nd:YVO4
806-反射镜M1
807-反射镜M2
810-增益介质中的第一行程的起点
900-波长为1064nm、脉冲宽度为10ps、重复频率为100kHz、平均功率为1mW左右的种子输入的脉冲列/信号
900A-端面泵浦增益介质903的示意图
901-种子输入
902-808nm泵浦源
903-增益介质Nd:YVO4
903B、903C、903D、903E-增益介质内的泵浦强度变化
904-涂敷有在808nm和1064nm二者下均高度透明的涂层的第二端面
920F-增益介质的第一端
930-指示激光输出的箭头
930S-增益介质的第二端
1000-波长为1064nm、脉冲宽度为10ps、重复频率为100kHz、平均功率为1mW左右的种子输入的示意图
1000A-端面泵浦分段介质的示意图，示出包括三段的扩散接合增益介质Nd:YVO4，以及各段的Nd掺杂物浓度(原子量百分比at.)、各段的吸收功率Pabs、各段的传递功率PT、段增益G以及各段的吸收系数α
1000B-三段增益介质Nd:YVO4的表，示出掺杂物浓度、长度、吸收系数、α和吸收功率Pabs以及吸收功率的式
1001-波长为1064nm、脉冲宽度为10ps、重复频率为100kHz、平均功率为1mW左右的种子输入
1002-808nm泵浦源
1003-增益介质Nd:YVO4
1004-指示增益介质1003的激光输出的箭头
1005-具有对808nm和1064nm波长高度透明(透射)的涂层的增益介质1003的第二端的第二端面
1006-具有对808nm和1064nm波长高度透明(透射)的防反射涂层的增益介质1003的第一端面
1010-长度为2mm、Nd浓度为0.05％at.、Pabs＝10.4W、增益＝10.9dB、Pt＝29.6W、α＝0.15的第一段
1011-长度为1mm、Nd浓度为0.13％at、Pabs＝9.6W、增益＝8.2、Pt＝20.1W、α＝0.30的第二段
1012-长度为12mm、Nd浓度为0.25％at.、Pabs＝20.1W、增益＝10.8、Pt＝0.1W、α＝0.75的第三段
1020F-指示增益介质1003的第一端的箭头
1030S-指示增益介质1003的第二端的箭头
1100-与种子输入信号结合使用的分段增益介质的示意图
1110-长度为2mm、Nd浓度为0.05％at.、Pabs＝10.4W、增益＝10.9dB、Pt＝29.6W、α＝0.15的第一段
1111-长度为1mm、Nd浓度为0.13％at、Pabs＝9.6W、增益＝8.2、Pt＝20.1W、α＝0.30的第二段
1112-长度为12mm、Nd浓度为0.25％at.、Pabs＝20.1W、增益＝10.8、Pt＝0W、α＝0.75的第三段
1200-示出与具有四重行程(四程)Nd:YVO4增益介质的第二放大器耦合的具有四重行程(四程)Nd:YVO4增益介质的第一放大器的示意图，第一放大器包括光学端面泵浦源，第二放大器包括光学端面泵浦源以及用于调节一次放大输出激光的横截面积的多个反射镜和/或透镜
1200A-是示出外部扩散放大器和光学侧面泵浦源的单程示例的放大示意图
1200B-是示出外部扩散放大器和光学侧面泵浦源的双程示例的放大示意图
1200C-是示出外部扩散放大器的棒的扩散接合示例的放大示意图。
1200D-是示出棒的横截面的放大示意图，其以虚线指示皮秒激光在增益介质棒内的光斑大小
1200E-是示出一段钒酸盐棒(增益介质)的放大示意图
1217-一次放大输出激光，箭头指示进入外部扩散放大器的皮秒激光器输出
1218-圆形棒接合增益介质或圆棒形式的单段增益介质，由Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:Al2O3或Yb:YAG制成
1218A、1218B、1218C、1218D-扩散接合Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:Al2O3或Yb:YAG段
1218P-由Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:Al2O3或Yb:YAG制成的单个棒
1220-从外部扩散放大器的单程配置输出的二次放大输出激光
1221-从外部扩散放大器的双程配置输出的三次放大输出激光
1222-分束器
1227-串联的第二外部扩散放大器的输出
1230-光纤口
1270-单程外部扩散放大器
1271-双程外部扩散放大器
1299-侧面泵浦、激光二极管泵浦或灯泵浦
1300-是示出图12和图12A的示意图中所使用的器件，即，第一和第二四程增益级和外部扩散放大器的示意性俯视图
1300A-是示出外部扩散放大器的单程配置的图13的放大部分。
1300B-是类似于图13的示意性俯视图，示出两个单程外部扩散放大器。
1300C-是图13B的一部分的放大示意图
1400A-是示出图12和图12B的示意图中所使用的器件的示意性俯视图
1400B-是示出外部扩散放大器的双程配置的图14的放大部分
M1-M4、M21-M36-反射镜
21-楔角
22-种子激光沿着路径111E的第一行程的入射角(高至15°)；种子激光沿着路径111E的第四行程的折射角；
22’-种子激光沿着路径111I的第一行程的折射角；四程示例中的种子激光沿着路径111I的第四行程的入射角
23-入射在对1064nm高度反射的表面101C上的内反射角(.78°)；
24-种子激光沿着路径115I的第二行程的入射角；四程示例中的沿着路径115I的第三行程的折射角
25-种子激光沿着路径115E的第二行程的折射角；四程中的种子激光沿着路径115E的第三行程的入射角
Pabs＝Pinput(1-e-αL)
Pinput＝Ppump-(ΣPabs)
Gain = 10 ( log 10 Pout Pin ) dB
通过示例阐述了本发明。本领域技术人员将认识到，在不脱离所附权利要求书的精神和范围的情况下可对这些示例进行改变。

Claims (48)

1.一种激光放大器，该激光放大器包括：
内部放大器，包括一次放大输出激光，所述一次放大输出激光包括具有横截面积的光束；
半波片，与所述一次放大输出激光的所述光束对准；
外部扩散放大器，所述外部扩散放大器包括扩散接合增益介质，所述扩散接合增益介质具有偏振，并且所述扩散接合增益介质具有横截面积；
所述外部扩散放大器与所述半波片对准，所述一次放大输出激光的所述光束与所述外部扩散放大器的所述扩散接合增益介质对准；
所述外部扩散放大器的所述扩散接合增益介质被侧面泵浦；
可调透镜，用于对所述一次放大输出激光的所述光束进行扩束；
所述一次放大输出激光的所述光束进入并穿过对所述光束进行扩束的所述透镜，所述一次放大输出激光的所述扩束的光束进入并穿过所述半波片；
所述可调透镜使所述一次放大输出激光的所述光束的所述横截面积与所述扩散接合增益介质的所述横截面积匹配；并且
所述半波片将所述光束的偏振优化至所述扩散接合增益介质的所述偏振；并且
所述一次放大输出激光被所述外部扩散放大器进一步放大并作为二次放大激光输出出射。
2.根据权利要求1所述的激光放大器，其中，所述扩散接合增益介质是扩散接合Nd:YVO4。
3.根据权利要求1所述的激光放大器，其中，所述扩散接合增益介质是扩散接合Nd:YAG。
4.根据权利要求1所述的激光放大器，其中，所述扩散接合增益介质是扩散接合Nd:Al2O3。
5.根据权利要求1所述的激光放大器，其中，所述侧面泵浦是激光二极管。
6.根据权利要求1所述的激光放大器，其中，所述侧面泵浦是灯。
7.一种激光放大器，该激光放大器包括：
内部放大器，包括一次放大输出激光，所述一次放大输出激光包括具有横截面积的光束；
半波片，与所述一次放大输出激光的所述光束对准；
外部扩散放大器，所述外部扩散放大器包括增益介质，所述增益介质具有偏振，并且所述增益介质具有横截面积；
所述外部扩散放大器与所述半波片对准，所述一次放大输出激光的所述光束与所述外部扩散放大器的所述增益介质对准；
所述外部扩散放大器的所述增益介质被侧面泵浦；
可调透镜，用于对所述一次放大输出激光的所述光束进行扩束；
所述一次放大输出激光的所述光束进入并穿过对所述光束进行扩束的所述透镜，所述一次放大输出激光的所述扩束的光束进入并穿过所述半波片；
所述可调透镜使所述一次放大输出激光的所述光束的所述横截面积与所述增益介质的所述横截面积匹配；并且
所述半波片将所述光束的偏振优化至所述增益介质的所述偏振；并且
所述一次放大输出激光被所述外部扩散放大器进一步放大并作为二次放大激光输出出射。
8.根据权利要求7所述的激光放大器，其中，所述增益介质是Nd:YVO4。
9.根据权利要求7所述的激光放大器，其中，所述增益介质是Nd:YAG。
10.根据权利要求7所述的激光放大器，其中，所述增益介质是Nd:Al2O3。
11.根据权利要求7所述的激光放大器，其中，所述侧面泵浦是激光二极管。
12.根据权利要求7所述的激光，其中，所述侧面泵浦是灯。
13.一种激光放大器，该激光放大器包括：
内部放大器，包括一次放大输出激光，所述一次放大输出激光包括具有横截面积的光束；
可调透镜，用于对所述一次放大输出激光的所述光束进行扩束；
偏振敏感分束器，所述偏振分束器与所述一次放大输出激光的所述扩束的光束对准；
半波片，位于所述偏振敏感分束器之后并且与所述一次放大输出激光的所述扩束的光束对准；
旋转器，所述旋转器位于所述半波片之后，并且所述旋转器与所述一次放大输出激光的所述扩束的光束并且与所述半波片对准；
外部双程扩散放大器，所述外部双程扩散放大器包括扩散接合增益介质，并且所述扩散接合增益介质具有横截面积；
所述外部扩散放大器的所述扩散接合增益介质与所述半波片和所述旋转器对准；
所述双程外部扩散放大器的所述扩散接合增益介质与所述一次放大输出激光的所述扩束的光束对准；
所述可调透镜使所述一次放大输出激光的所述光束的所述横截面积与所述扩散接合增益介质的所述横截面积匹配；
反射镜，在所述双程外部扩散放大器之后，所述反射镜与所述双程外部扩散放大器对准；
所述外部扩散放大器的所述扩散接合增益介质被侧面泵浦；
所述半波片和所述旋转器生成右旋圆偏振光束输出，所述右旋圆偏振光束输出穿过所述双程外部扩散放大器的所述扩散接合增益介质并从所述扩散接合增益介质出射成为二次放大输出激光；
所述右旋圆偏振光束被所述反射镜反射成为左旋圆偏振光束，然后所述左旋圆偏振光束第二次穿过所述双程外部扩散放大器的所述扩散接合增益介质，在所述扩散接合增益介质中所述左旋圆偏振光束被再次放大，并且通过穿过所述旋转器和所述半波片而变为水平偏振并从所述旋转器和所述半波片出射成为三次放大输出激光；并且
所述偏振敏感分束器将所述水平偏振的三次放大输出激光束发射出所述激光放大器。
14.根据权利要求13所述的激光放大器，其中，所述扩散接合增益介质是Nd:YVO4。
15.根据权利要求13所述的激光放大器，其中，所述扩散接合增益介质是Nd:YAG。
16.根据权利要求13所述的激光放大器，其中，所述扩散接合增益介质是Nd:Al2O3。
17.根据权利要求13所述的激光放大器，其中，所述侧面泵浦是激光二极管。
18.根据权利要求13所述的激光放大器，其中，所述侧面泵浦是灯。
19.一种激光放大器，该激光放大器包括：
内部放大器，包括一次放大输出激光，所述一次放大输出激光包括具有横截面积的光束；
可调透镜，用于对所述一次放大输出激光的所述光束进行扩束；
偏振敏感分束器，所述偏振分束器与所述一次放大输出激光的所述扩束的光束对准；
半波片，位于所述偏振敏感分束器之后；
所述半波片与所述一次放大输出激光的所述扩束的光束对准，并且所述半波片与所述偏振敏感分束器对准；
旋转器，所述旋转器位于所述半波片之后，并且所述旋转器与所述半波片和所述一次放大输出激光的所述扩束的光束对准；
外部双程扩散放大器，所述外部双程扩散放大器包括增益介质，并且所述增益介质具有横截面积；
所述外部扩散放大器的所述增益介质与所述旋转器和所述波片对准；
所述双程外部扩散放大器的所述增益介质与所述一次放大输出激光的所述扩束的光束对准；
所述可调透镜使所述一次放大输出激光的所述扩束的光束的所述横截面积与所述增益介质的所述横截面积匹配；
反射镜，在所述双程外部扩散放大器之后，所述反射镜与所述双程外部扩散放大器对准；
所述外部扩散放大器的所述增益介质被侧面泵浦；
所述旋转器和所述半波片生成右旋圆偏振光束输出，所述右旋圆偏振光束输出穿过所述双程外部扩散放大器的所述增益介质并从所述双程外部扩散放大器的所述增益介质出射成为二次放大输出激光；
所述右旋圆偏振光束被所述反射镜反射成为左旋圆偏振光束，然后所述左旋圆偏振光束第二次穿过所述双程外部扩散放大器的所述增益介质，在所述所述增益介质中所述左旋圆偏振光束被再次放大，并且通过穿过所述旋转器和所述半波片而变为水平偏振并从所述旋转器和所述半波片出射成为三次放大输出激光；并且
所述偏振敏感分束器将所述水平偏振的三次放大输出激光束发射出所述激光放大器。
20.根据权利要求19所述的激光放大器，其中，所述增益介质是Nd:YVO4。
21.根据权利要求19所述的激光放大器，其中，所述增益介质是Nd:YAG。
22.根据权利要求19所述的激光放大器，其中，所述增益介质是Nd:Al2O3。
23.根据权利要求19所述的激光放大器，其中，所述侧面泵浦是激光二极管。
24.根据权利要求19所述的激光放大器，其中，所述侧面泵浦是灯。
25.一种激光放大器，该激光放大器包括：
用于生成一次放大输出激光的装置，所述一次放大输出激光包括具有横截面积的光束；
用于对所述光束进行扩束的可调装置；
半波片，与所述一次放大输出激光的所述扩束的光束对准；
外部扩散放大器，所述外部扩散放大器包括增益介质，所述增益介质具有横截面积；
所述外部扩散放大器与所述半波片对准，所述一次放大输出激光的所述扩束的光束与所述外部扩散放大器的所述增益介质对准；
所述外部扩散放大器的所述增益介质被侧面泵浦；
所述一次放大输出激光的所述扩束的光束进入并穿过所述半波片；
所述可调装置对所述光束进行扩束以使所述一次放大输出激光的所述光束的所述横截面积与所述增益介质的所述横截面积匹配；并且
所述一次放大输出激光被所述外部扩散放大器进一步放大并且出射成为二次放大激光输出。
26.一种放大激光的方法，所述激光包括光束，所述方法包括以下步骤：
可调地对所述激光的所述光束进行扩束，所述激光的所述光束包括横截面积；
将第一单程外部扩散放大器定位成与所述激光的所述光束对准，所述第一单程外部扩散放大器包括第一扩散接合增益介质，所述第一扩散接合增益介质包括第一偏振，并且所述第一扩散接合增益介质具有横截面积；
将半波片定位在所述第一单程外部扩散放大器与所述激光之间，使得所述激光进入并穿过所述半波片并且进入并穿过所述第一单程外部扩散放大器的所述第一扩散接合增益介质；
可调地对所述激光的所述光束进行扩束，将所述激光的所述光束的所述横截面积扩大以匹配所述第一扩散接合增益介质的所述横截面积；
调节所述半波片以将所述激光的所述光束的偏振优化为所述扩散接合增益介质的所述第一偏振；
对所述第一单程外部扩散放大器的所述第一扩散接合增益介质进行光学侧面泵浦；以及
利用所述第一单程外部扩散放大器生成放大的激光输出。
27.根据权利要求26所述的放大激光的方法，所述激光包括光束，所述方法还包括以下步骤：
将第二单程外部扩散放大器定位成与所述激光的所述光束对准，所述第二单程外部扩散放大器包括第二扩散接合增益介质，所述第二扩散接合增益介质包括第二偏振，并且所述第二扩散接合增益介质具有横截面积；
将半波片定位在所述第二单程外部扩散放大器与所述激光之间，使得所述激光进入并穿过所述半波片并且进入并穿过所述第二单程外部扩散放大器的所述第二扩散接合增益介质；
调节所述半波片以将所述激光的所述光束的偏振优化为所述第二扩散接合增益介质的所述第二偏振；
对所述第一单程外部扩散放大器的所述第一扩散接合增益介质进行光学侧面泵浦；以及
利用所述第二单程外部扩散放大器生成二次放大激光输出。
28.根据权利要求26所述的放大激光的方法，所述激光包括光束，其中，所述扩散接合增益介质是Nd:YVO4。
29.根据权利要求26所述的放大激光的方法，所述激光包括光束，其中，所述扩散接合增益介质是Nd:YAG。
30.根据权利要求27所述的放大激光的方法，所述激光包括光束，其中，所述扩散接合增益介质是Nd:YVO4。
31.根据权利要求27所述的放大激光的方法，所述激光包括光束，其中，所述扩散接合增益介质是Nd:YAG。
32.根据权利要求26所述的放大激光的方法，所述激光包括光束，其中，所述扩散接合增益介质是Nd:Al2O3。
33.根据权利要求27所述的放大激光的方法，所述激光包括光束，其中，所述扩散接合增益介质是Nd:Al2O3。
34.根据权利要求26所述的放大激光的方法，所述激光包括光束，其中，所述侧面泵浦利用激光二极管来执行。
35.根据权利要求26所述的放大激光的方法，所述激光包括光束，其中，所述侧面泵浦利用灯来执行。
36.根据权利要求27所述的放大激光的方法，所述激光包括光束，其中，所述侧面泵浦利用激光二极管来执行。
37.根据权利要求27所述的放大激光的方法，所述激光包括光束，其中，所述侧面泵浦利用灯来执行。
38.一种放大激光的方法，所述激光包括光束，所述方法包括以下步骤：
将偏振敏感分束器定位成与所述激光的所述光束对准；
将半波片定位在所述偏振敏感分束器之后与所述激光的所述光束对准；
将旋转器定位在所述半波片之后与所述激光的所述光束对准；
将双程外部扩散放大器定位成与激光的所述光束对准，所述双程外部扩散放大器包括扩散接合增益介质，所述扩散接合增益介质具有横截面积；
将反射镜定位在所述双程外部扩散放大器之后与所述激光的所述光束对准，所述反射镜涂敷有最大反射涂层R；
对所述双程外部扩散放大器的所述增益介质进行光学侧面泵浦；以及
对所述激光的所述光束进行可调地扩束，将所述激光的所述光束的所述横截面积扩大以匹配所述扩散接合增益介质的所述横截面积；
利用所述双程外部扩散放大器从所述半波片和所述旋转器生成右旋圆偏振激光束，该右旋圆偏振激光束穿过所述外部扩散放大器的所述增益介质并且被所述反射镜反射成为左旋圆偏振激光束，该左旋圆偏振激光束第二次穿过所述增益介质并进入所述半波片，通过所述半波片将所述激光束转换为水平偏振激光束，所述偏振敏感分束器将所述水平偏振激光束发射出所述外部扩散放大器成为三次放大输出激光。
39.根据权利要求38所述的放大激光的方法，其中，所述扩散接合增益介质是Nd:YVO4。
40.根据权利要求38所述的放大激光的方法，其中，所述扩散接合增益介质是Nd:YAG。
41.根据权利要求38所述的放大激光的方法，其中，所述扩散接合增益介质是Nd:Al2O3。
42.根据权利要求38所述的放大激光的方法，其中，所述侧面泵浦利用激光二极管来执行。
43.根据权利要求38所述的放大激光的方法，其中，所述侧面泵浦利用灯来执行。
44.根据权利要求25所述的激光放大器，其中，用于对所述光束进行扩束的所述可调装置是反射镜，以使皮秒光束横截面积与为棒形式的圆柱形的增益介质的横截面积匹配。
45.根据权利要求25所述的激光放大器，其中，所述可调装置是透镜。
46.一种激光放大器，该激光放大器包括：
内部放大器，包括一次放大输出激光，所述一次放大输出激光包括具有横截面积的光束；
外部双程扩散放大器,所述外部双程扩散放大器包括增益介质，并且所述增益介质具有横截面积；
可调透镜，扩束并且基本上使所述光束的所述横截面积与所述增益介质的所述横截面积匹配，所述增益介质的所述横截面积基本上为圆形；
偏振敏感分束器，所述偏振分束器与所述一次放大输出激光的所述扩束的光束对准；
半波片，位于所述偏振敏感分束器之后；
所述半波片与所述一次放大输出激光的所述扩束的光束对准，并且所述半波片与所述偏振敏感分束器对准；
旋转器，所述旋转器位于所述半波片之后，并且所述旋转器与所述半波片和所述一次放大输出激光的所述扩束的光束对准；
所述外部扩散放大器的所述增益介质与所述旋转器和所述波片对准；
所述双程外部扩散放大器的所述增益介质与所述一次放大输出激光的所述扩束的光束对准；
反射镜，在所述双程外部扩散放大器之后，所述反射镜与所述双程外部扩散放大器的所述增益介质对准；
所述外部扩散放大器的所述增益介质被侧面泵浦；
所述旋转器和所述半波片生成右旋圆偏振光束输出，所述右旋圆偏振光束输出穿过所述双程外部扩散放大器的所述增益介质并从所述双程外部扩散放大器的所述增益介质出射成为二次放大输出激光；
所述右旋圆偏振光束被所述反射镜反射成为左旋圆偏振光束，然后所述左旋圆偏振光束第二次穿过所述双程外部扩散放大器的所述增益介质，在所述双程外部扩散放大器的所述增益介质中所述左旋圆偏振光束被再次放大并且通过穿过所述旋转器和所述半波片而变为水平偏振并从所述旋转器和所述半波片出射成为三次放大输出激光；并且
所述偏振敏感分束器将所述水平偏振的三次放大输出激光束发射出所述激光放大器。
47.根据权利要求46所述的激光放大器，其中，用于对所述光束进行扩束的所述可调装置包括反射镜，以使皮秒光束横截面积与为棒形式的圆柱形的增益介质的横截面积匹配。
48.根据权利要求46所述的激光放大器，其中，所述可调装置是透镜。
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