CN105514775B - 高能钛宝石多通放大器热透镜效应的抑制方法 - Google Patents

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Abstract

一种高能钛宝石多通放大器热透镜效应的抑制方法，通过计算确定钛宝石在具体泵浦条件下的热透镜焦距，再根据放大器的空间布局创建一相应的透镜阵列，在放大输出准直平面波的假设上，利用ABCD矩阵反向计算出信号光在扩束系统中凸透镜处的半径和此光束的会聚角，再根据实际入射信号光设计一相应扩束系统，使扩束后凸透镜处的信号光半径与上述计算值相等，并具有与上述会聚角相等的发散角，从而能够正好补偿热透镜对光束的聚焦作用。本发明在不引入任何额外的光学元件的基础上，对热透镜产生的光束聚焦做出了完全补偿，避免了热自聚焦现象所引起的激光工作物质损伤，并有效提升了放大器的能量提取效率。本发明具有简单高效，实用性强的特点。

Description

高能钛宝石多通放大器热透镜效应的抑制方法
技术领域
本发明涉及钛宝石激光放大器，特别是一种具有一定重复频率、大尺寸光束、长焦热透镜的高能钛宝石多通放大器热透镜效应的抑制方法。
背景技术
啁啾脉冲放大(CPA)技术的发明为超短超强激光开辟了新的道路；自1990s后，CPA技术得到了迅速的发展，迄今为止，世界上很多国家建立起了基于钛宝石晶体(Ti:Sapphire)的数百太瓦(TW)甚至数拍瓦(PW)量级激光装置。如此高的峰值功率的激光系统为人类提供了前所未有的全新实验手段与极端物理条件。在如此高峰值功率激光系统中，多通放大器一般采用高平均功率的激光脉冲来作为泵浦光。放大过程中，钛宝石吸收的泵浦能量除一部分转化为激光外，大多数能量都转化为热并积聚在钛宝石内使其升温。在热平衡状态下，钛宝石内的温度梯度使原本折射率完全均匀的工作物质变成类透镜介质，即“热透镜”。热透镜效应会导致光束波前畸变，严重影响其的聚焦性能，自适应光学一般被用于波前畸变的校正。然而，热透镜效应不仅仅会导致波前畸变，也会使光束聚焦，导致放大过程中信号光与泵浦光尺寸不匹配，从而降低放大器的能量提取效率，甚至会对光学元件产生损伤。因此，如何抑制高能钛宝石多通放大器热透镜效应一直是研究高性能的超强超短激光的关键。
目前，抑制热透镜的主要方法是
(1)利用热透镜设计出热本征模式多通放大器，此方法可有效地抑制热透镜效应，但仅适用于千赫兹小光斑多通放大器。因此，在高能钛宝石多通放大器中，该方法受到了限制。
(2)通过引入额外的光学元件或光学系统来补偿热透镜聚焦，例如在放大过程中引入负透镜或是扩束系统来补偿热透镜聚焦，从而提升信号光与泵浦光的尺寸匹配，但这必然会增加系统的复杂性。
(3)利用液氮低温冷却钛宝石晶体，此方法可有效去除热透镜效应，但液氮的使用经济花费较大且工艺较为复杂。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有抑制热透镜效应方法的局限性，提供一种利用具有特定发散角的扩束系统来补偿高能钛宝石多通放大器中热透镜的方法。该方法可以大大提高多通放大器的放大效率，且不需要引入额外光学元件，易于实现、方便调节，具有很大的推广价值。
本发明的技术方案如下：
①测量高能钛宝石多通放大器中钛宝石端面处的泵浦光尺寸和泵浦功率，然后确定在此泵浦条件下钛宝石的等效热透镜焦距；
②根据高能钛宝石多通放大器的空间布局创建一由多个互相平行的透镜组成的透镜阵列，其中，透镜对应钛宝石，各透镜的间距为相邻两次放大间信号光的传输距离；
③根据钛宝石端面处的泵浦光尺寸，拟定放大输出信号光尺寸，使之小于泵浦光尺寸，并假设放大输出信号光为准直平面波；
④设定凸透镜到钛宝石端面的距离，根据透镜阵列，利用ABCD矩阵反推出信号光在凸透镜端面处的尺寸及此光束的会聚角；
⑤测量扩束前高能钛宝石多通放大器的入射信号光的尺寸和发散角；
⑥根据所测扩束前入射信号光的尺寸和发散角，设计一由凹透镜和凸透镜组成的扩束系统，使扩束后的信号光在凸透镜端面处有与步骤④中的信号光在凸透镜端面处相同的尺寸，且扩束后的信号光具有与步骤④中会聚角相等的发散角；
⑦在高能钛宝石多通放大器之前放置所述的扩束系统，使扩束系统的中心与高能钛宝石多通放大器的光轴重合，且凸透镜与钛宝石端面的距离与步骤④中凸透镜到钛宝石端面的距离相等。
所述的钛宝石的等效热透镜焦距由下述公式计算获得：
其中fT为热透镜焦距，k为钛宝石晶体热导率，rP为钛宝石表面泵浦光半径，α为钛宝石对泵浦光能量的吸收效率，β为钛宝石晶体的量子效率，PP为泵浦功率，dn/dT为钛宝石的热梯度。
所述的热透镜(钛宝石)被认为是时间稳定的薄球面凸透镜，且透镜阵列中，每一个透镜的焦距都一样，为钛宝石的等效热透镜焦距。
所述的放大输出信号光尺寸的拟定需略小于泵浦光，这样是为了降低热导畸变。
所述的扩束系统，由一个凹透镜和一个凸透镜以一定的间距构成，此间距小于它们的焦距之和。扩束后的光束具有一定发散角，且正好可以补偿热透镜效应所导致的光束聚焦，从而实现放大光束的准直输出，并有效提升钛宝石多通放大器的能量提取效率。
所述的高能钛宝石多通放大器热透镜效应的抑制方法，只适用于一定重复频率、大尺寸光束、长焦热透镜的高能钛宝石多通放大器。
与先技术相比，本发明具有以下显著特点：
1.不需要额外的光学元件，结构简单、经济。
2.通过设计相应参数的扩束系统，可以对高能钛宝石多通放大器在任意泵浦功率下产生的热透镜效应所引起的光束聚焦做出完全补偿，从而实现放大信号光的准直输出。
3.通过对热聚焦的补偿，提高了信号光与泵浦光之间的尺寸匹配，尤其是在后面的放大过程中。能够有效提高放大器的能量提取效率。
附图说明
图1：本发明的实施例的结构示意图；
图2：本发明的实施例的相应透镜阵列示意图；
图3：本发明所设计的扩束系统的示意图。
具体实施方式
以图1所示的钛宝石四通放大器为实施实例，一种高能钛宝石四通放大器热透镜效应的抑制方法包括以下步骤：
①测量钛宝石多通放大器中钛宝石3端面处的泵浦光尺寸和泵浦功率，然后确定在此泵浦条件下钛宝石3的等效热透镜焦距。
②根据钛宝石多通放大器的空间布局(参阅图1),创建一由四个互相平行的透镜4组成的透镜阵列(参阅图2)，其中，透镜4对应钛宝石3，透镜4间的间距为相邻两次放大间信号光的传输距离。
③根据泵浦光在钛宝石3端面的尺寸，拟定放大输出信号光尺寸，使之与泵浦光尺寸匹配，并假设放大输出脉冲为准直平面波。
④设定凸透镜2到钛宝石3端面的距离，根据透镜阵列，利用ABCD传输矩阵反推出信号光在凸透镜2端面处的尺寸以及此光束的会聚角。
⑤测量扩束前入射光的尺寸和发散角。
⑥根据实际所测入射光参数，设计一由凹透镜1和凸透镜2按一定间距构成的扩束系统(参阅如图3)，使扩束后的信号光半径与计算值相等，并具有与上述会聚角相等的发散角。
⑦在多通放大器之前放置此扩束系统，使之中心与光轴重合，且凸透镜2与钛宝石3端面的距离不变。

Claims (4)

1.一种高能钛宝石多通放大器热透镜效应的抑制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
①测量高能钛宝石多通放大器中钛宝石(3)端面处的泵浦光尺寸和泵浦功率，然后确定在此泵浦条件下钛宝石(3)的等效热透镜焦距；
②根据高能钛宝石多通放大器的空间布局创建一由多个互相平行的透镜(4)组成的透镜阵列，其中，透镜(4)对应钛宝石(3)，各透镜(4)的间距为相邻两次放大间信号光的传输距离；
③根据钛宝石(3)端面处的泵浦光尺寸，拟定放大输出信号光尺寸，使之小于泵浦光尺寸，并假设放大输出信号光为准直平面波；
④设定凸透镜(2)到钛宝石(3)端面的距离，根据透镜阵列，利用ABCD矩阵反推出信号光在凸透镜(2)端面处的尺寸及此光束的会聚角；
⑤测量入射到凹透镜(1)的信号光的尺寸和发散角；
⑥根据所测信号光的尺寸和发散角，设计一由凹透镜(1)和凸透镜(2)组成的扩束系统，使扩束后的信号光在凸透镜(2)端面处有与步骤④中的信号光在凸透镜(2)端面处相同的尺寸，且扩束后的信号光具有与步骤④中会聚角相等的发散角；
⑦在高能钛宝石多通放大器之前放置所述的扩束系统，使扩束系统的中心与高能钛宝石多通放大器的光轴重合，且凸透镜(2)与钛宝石(3)端面的距离与步骤④中凸透镜(2)到钛宝石(3)端面的距离相等。
2.根据权利要求1所述的抑制方法，其特征在于，所述的钛宝石(3)是时间稳定的薄球面凸透镜，所述的透镜阵列中每一个透镜(4)的焦距都一样，为钛宝石(3)的等效热透镜焦距。
3.根据权利要求1所述的抑制方法，其特征在于所述的扩束系统由一个凹透镜(1)和一个凸透镜(2)以一定的间距放置构成，此间距小于它们的焦距之和；扩束后的光束具有一定发散角，且正好可以补偿热透镜效应所导致的光束聚焦，从而实现放大光束的准直输出，并有效提升钛宝石多通放大器的能量提取效率。
4.根据权利要求1所述的抑制方法，其特征在于，所述的高能钛宝石多通放大器具有一定的工作重复频率，信号光为大尺寸光束，且热透镜为长焦透镜。
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