CN105576488A - 一种基于板条增益介质的激光再生放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于板条增益介质的激光再生放大器，包括种子光源(1)、光束耦合模块(15)、光隔离模块、再生谐振腔、泵浦模块；所述再生谐振腔包括板条增益介质(11)。所述板条增益介质(11)的两个端面抛光，用以同时通过泵浦光和激光；上下两个大面连接冷却装置，进行有效的制冷。由于板条状的增益介质较大的泵浦体积和散热面积，热量可以分布到整个板条增益介质(11)上并且两个大面高效冷却，因此其整体热效应影响较小，并且其较大的横截面积能承受更高的激光脉冲峰值功率，因此本发明能够获得高平均功率、高光束质量的再生放大激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及全固态激光脉冲放大技术领域，更具体涉及一种基于板条增益介质的激光再生放大器。
背景技术
通过锁模技术可以获得脉冲宽度在飞秒至百皮秒量级的激光脉冲，但是其单脉冲能量往往在纳焦量级，限制了其在某些领域的应用。为了获得更高的单脉冲能量和激光峰值功率，往往需要对锁模振荡器输出的种子激光进行放大。通常采用的激光放大器有行波放大器、再生放大器。行波放大器是种子激光以单通或多通方式通过激光增益介质，其增益大小相对有限；而再生放大器中种子激光脉冲可以在再生谐振腔内往返数十次，增益系数达105～107，可将种子激光脉冲能量提升到毫焦量级。
目前常用的再生放大激光器有半导体端面泵浦棒状增益介质结构、半导体侧面泵浦棒状增益介质结构、盘片增益介质结构等，这些再生放大器的共同点是：注入的种子激光光斑形状是圆光斑，再生谐振腔是一个稳腔，其本身有一激光本征模，即如果把再生谐振腔作为一个激光谐振腔，输出激光时其腔内各处有确定的光斑大小，通过模式匹配透镜组将种子激光的光斑模式与再生谐振腔的本征模式匹配起来，这样就能实现注入再生谐振腔内被放大的激光脉冲往返数十次大小保持不变。然而，传统的棒状增益介质再生放大器在高功率下热效应非常严重，热焦距很小，很难实现高平均功率输出，且严重的热畸变影响激光光束质量；另一方面，相对较小的光斑模式使光学器件上的峰值功率密度较容易达到损伤阈值，这些都限制了高功率高光束质量再生放大激光输出。以5kHz掺钕离子皮秒再生放大激光器为例，目前文献报道的最高平均输出功率8.8W，采用传统棒状增益介质方案继续提升平均功率存在很大的困难。
部分泵浦板条增益介质行波放大激光器的概念最早由夫琅禾费实验室研究人员提出，如图1a、图1b所示，这种激光器的特点是：采用板条结构的增益介质，其厚度方向大小远小于宽度和长度，两个端面抛光，用以同时通过泵浦光和激光，泵浦光通过光束整形变成宽度(x方向)与板条结构的增益介质宽度相当，厚度(y方向)小于板条结构的增益介质厚度的光斑形状，以层状分布在板条增益介质中间；上下两个大面焊接在金属热沉上对晶体进行有效的制冷，这样增益介质中散热几乎只存在与大面与热沉之间，因此热梯度只存在在厚度方向上(y方向)而沿平行大面方向上的热梯度很小，增益介质中热分布可以用一维热传导近似；通过混合共振腔获得高效率的近衍射极限高功率输出，即振荡器采用两个柱面腔镜，沿厚度很小的垂直平面方向是稳腔，而沿大平面的水平方向是由凹凸镜构成的失调共焦非稳腔。不同于之字形光路Zigag板条激光器，这种混合共振腔中激光光束直接来回穿过板条增益介质的两个通光面，降低成本的同时也减少了寄生振荡。
后来，研究人员将这种概念用于激光行波放大器，实现高的提取效率并获得高输出功率；同时由于两个大面同时制冷的这种有效制冷方式，板条增益介质中的热退偏差效应得到了改善，放大后的激光具有很好的光束质量。使用这种技术，夫琅禾费研究所的研究人员常温水冷方式下实现了高效率高光束质量400W的近衍射极限掺镱钇铝石榴石Yb:YAG飞秒激光输出。进一步改善实验装置，获得了高效率高光束质量1.1kW的近衍射极限飞秒放大输出。上海光机所的林华等人使用掺钕钒酸钇Nd:YVO4板条结构晶体也获得了高功率高光束质量行波放大激光输出。
部分泵浦板条增益介质由于其高效率高光束质量已经成功地运用在激光谐振器和激光行波放大器，如果将其运用到激光再生放大器中，将有望获得高功率高光束质量再生放大激光输出。由于板条增益介质内两个方向热焦距具有巨大差异，因此不能采用目前现有的再生放大激光器自再现的光束匹配方法，必须提出一种新的光束匹配方法，实现板条增益介质激光再生放大器的光束匹配，实现再生放大激光脉冲输出。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何克服目前棒状增益介质激光再生放大器输出功率的限制及高功率下光束质量恶化的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于板条增益介质的激光再生放大器，包括：
种子光源以及光束耦合模块，所述光束耦合模块将所述种子光源发射的激光脉冲进行整形处理；
泵浦模块，用于产生泵浦光，为再生谐振腔内的激光脉冲提供能量；
再生谐振腔，用于将射入的激光脉冲进行多次振荡反射，以增加激光脉冲的能量，得到目的激光脉冲；
光隔离模块，将由所述光束耦合模块整形后的激光射入所述再生谐振腔，并且将由再生谐振腔射出的所述目的激光脉冲与由所述光束耦合模块整形后的激光脉冲进行分离；
所述再生谐振腔包括板条增益介质，所述板条增益介质位于所述再生谐振腔内的两个反射镜之间。
优选地，所述再生谐振腔内部还包括两块透镜或两块凹面反射镜；
两块所述透镜或两块所述凹面反射镜之间的位置关系为能在板条增益介质宽度方向上组成一个望远镜系统，用于实现再生谐振腔内激光整形，达到激光脉冲宽度方向大小在多次往返板条增益介质时保持不变的目的。
优选地，所述板条增益介质的厚度与其宽度的比为1:10～1:5；其中所述板条增益介质的长度方向上的两个端面进行抛光处理，用以同时通过泵浦光和激光，所述板条增益介质的长度和宽度形成的上下两个面连接冷却装置。
优选地，所述再生谐振腔还包括第二偏振器、调Q模块、四分之一波片、第一腔镜、第四腔镜；所述第一腔镜到第四腔镜之间的光路上依次设置四分之一波片、调Q模块、第二偏振器、板条增益介质；
所述光隔离模块射入的激光经所述第二偏振器反射或透射后，经过四分之一波片，然后由所述第一腔镜反射，并在所述第一腔镜、第四腔镜及之间的光路上进行多次反射；所述调Q模块在激光第二次经过所述四分之一波片之后、并且激光第三次经过所述四分之一波片之前由关闭状态改变为开启状态；
所述第一腔镜、第四腔镜均为对激光高反射率并且对泵浦光高透过率的平面镜；
所述第二偏振器对激光p偏振光高透过率，对激光s偏振光高反射率；
所述四分之一波片的光轴与水平方向呈45°角，使从一个方向的入射的线偏振激光的偏振态变为圆偏振光，或圆偏振光变为线偏振光；
所述调Q模块在开启状态为一四分之一波片，控制所述调Q模块开启状态的持续时间控制激光在再生谐振腔内往返通过所述板条增益介质提取能量的次数，待再生谐振腔内激光能量达到设定值时，将所述调Q模块由开启状态改为关闭状态，释放出激光脉冲。
优选地，所述调Q模块为偏硼酸钡晶体的普克尔盒，所述第二偏振器为薄膜偏振片。
优选地，所述泵浦模块包括泵浦源和泵浦光整形器，经过所述泵浦光整形器整形后的泵浦光射入所述再生谐振腔的板条增益介质。
优选地，所述泵浦光整形器将所述泵浦源发射的泵浦光整形为横截面长条形光斑，所述长条形光斑的宽度等于或小于所述板条增益介质的宽度，所述长条形光斑的厚度小于所述板条增益介质的厚度，所述长条形光斑的泵浦光以层状形式分布在所述板条增益介质中。
优选地，所述光束耦合模块将入射种子激光整形成为横截面长条形光斑；
所述长条形光斑的尺寸与经过所述泵浦光整形器整形得到的长条形光斑的尺寸相等。
优选地，所述光隔离模块包括第一偏振器、旋光器和半波片；所述光束耦合模块的输出光路上依次设置第一偏振器、旋光器和半波片；
所述第一偏振器对激光p偏振光高透过率，对激光s偏振光高反射率；
所述旋光器内部晶体的口径大于或等于所述板条增益介质的宽度，其使所述第一偏振器射出的偏振光的偏振态旋转45°，并且与入射光方向无关；
所述半波片的快轴或慢轴与入射激光的偏振态呈22.5°夹角，使入射激光的偏振态以与快轴或慢轴轴对称方向旋转45°。
优选地，所述板条增益介质为掺杂钕离子Nd的晶体、玻璃、陶瓷，掺杂镱离子Yb的晶体、玻璃、陶瓷，掺杂铒离子er的晶体、玻璃、陶瓷，掺杂铥离子Tm的晶体、玻璃、陶瓷；所述泵浦光整形器为透镜组或光波导；所述泵浦源为半导体激光器、半导体激光器阵列或者光纤耦合输出半导体激光器；所述板条增益介质连接的冷却装置为传导冷却装置或直接水冷却装置。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于板条增益介质的激光再生放大器，本发明将激光再生放大器与板条增益介质结合，实现了比目前基于棒状增益介质的激光再生放大器更高的光束质量和功率输出，同时具有成本低的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为部分泵浦板条增益介质行波放大激光器的结构示意图；
图1b为图1a中部分泵浦板条增益介质行波放大激光器的增益介质的结构示意图；
图2为本发明的一个较佳实施例的一种基于板条增益介质的激光再生放大器的结构示意图；
图3为本发明的一个较佳实施例的一种基于板条增益介质的激光再生放大器的激光放大模拟图；
图4为本发明的另一个较佳实施例的一种基于板条增益介质的激光再生放大器的结构示意图。
图中，
1、种子光源；2、第一偏振器；3、旋光器；4、半波片；5、第二偏振器；6、调Q模块；7、四分之一波片；8、第一腔镜；9、第二腔镜；10、第三腔镜；11、板条增益介质；12、第四腔镜；13、泵浦光整形器；14、泵浦源；15、光束耦合模块；16、第一透镜；17、第二透镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
本发明公开了一种基于板条增益介质的激光再生放大器，包括
种子光源1以及光束耦合模块15，所述光束耦合模块15将所述种子光源1发射的激光脉冲进行整形处理；
泵浦模块，用于产生泵浦光，为再生谐振腔内的激光提供能量；
再生谐振腔，用于将射入的激光脉冲进行多次振荡反射，以增加激光脉冲的能量，得到目的激光脉冲；
光隔离模块，将由所述光束耦合模块15整形后的激光射入所述再生谐振腔，并且将由再生谐振腔射出的所述目的激光脉冲与由所述光束耦合模块15整形后的激光脉冲进行分离；
所述再生谐振腔还包括板条增益介质11；所述板条增益介质11位于所述再生谐振腔内的两个反射镜之间
所述泵浦模块包括泵浦光整形器13、泵浦源14，经过所述泵浦光整形器13整形后的泵浦光摄入所述再生谐振腔的板条增益介质11。
本发明将激光再生放大器与板条增益介质结合，实现了比目前基于棒状增益介质的激光再生放大器更高的光束质量和功率输出，同时具有成本低的优点。
优选地，所述板条增益介质11的厚度远小于其宽度以及长度，其厚度与其宽度的比优选为1:10～1:5；其中所述板条增益介质11的长度方向上的两个端面进行抛光处理，用以同时通过泵浦光和激光，所述板条增益介质11的长度和宽度形成的上下两个大面连接冷却装置。所述泵浦光整形器13将所述泵浦源14发射的泵浦光整形为长条形光斑，所述长条形光斑的宽度等于或小于所述板条增益介质11的宽度，所述长条形光斑的厚度小于所述板条增益介质11的厚度，所述长条形光斑以层状形式分布在所述板条增益介质11中。
优选地，所述再生谐振腔还包括透镜或凹面反射镜，具体为凹面反射镜、柱面反射镜、球面透镜、柱透镜等光学整形器件；所述透镜或凹面反射镜位于所述调Q模块6与板条增益介质11之间的光路上。所述透镜均镀有对激光高透过率的介质膜，所述反射镜均镀有对激光高反射率的介质膜，所述透镜或凹面反射镜之间的位置关系能在宽度方向上(x方向)组成一个望远镜系统，用于实现再生谐振腔内激光脉冲整形，达到激光宽度方向大小不变的目的。
所述光束耦合模块15将入射激光整形成为长条形光斑，所述光束耦合模块15射出长条形光斑的尺寸与经过所述泵浦光整形器13整形得到的长条形光斑的尺寸相等；通过设计合适的所述再生谐振腔的腔形可达到如下目的：一方面在厚度方向(y方向)由于存在热焦距，种子激光的长条形光斑y方向大小实现传统激光再生放大器上的自再现，保持y方向光斑大小不变；另一方面在种子激光的长条形光斑在宽度方向(x方向)经过准直，并且板条增益介质11在x方向热焦距可以忽略不计，在所述再生谐振腔腔内望远镜系统的作用下，激光脉冲在腔内往返时，种子激光的长条形光斑x方向大小在增益介质上保持不变，脉冲能量达到最大值时通过改变调Q模块6的开关状态将激光脉冲释放出来。
所述光隔离模块包括第一偏振器2、旋光器3和半波片4；所述光束耦合模块15的输出光路上依次设置第一偏振器2、旋光器3和半波片4；所述第一偏振器2对激光p偏振光高透过率，对激光s偏振光高反射率；所述旋光器3内部晶体的口径大于或等于所述板条增益介质11的宽度，其使所述第一偏振器2射出的偏振光的偏振态旋转45°，并且与入射光方向无关；所述半波片4的快轴或慢轴与入射激光的偏振态呈22.5°夹角，使入射激光的偏振态以与快轴或慢轴轴对称方向旋转45°，即从一个方向的入射的线偏振光的偏振态顺时针旋转45°，而从另一个方向入射的线偏振光的偏振态逆时针旋转45°。优选地，所述第一偏振器2为薄膜偏振片；所述旋光器3为法拉第旋光器。
所述再生谐振腔还包括第一腔镜8、第四腔镜12、第二偏振器5、调Q模块6、四分之一波片7；所述第一腔镜8到第四腔镜12之间的光路上依次设置四分之一波片7、调Q模块6、第二偏振器5、板条增益介质11；所述光隔离模块射出的激光经所述第二偏振器5反射或透射后，经过四分之一波片7，然后由所述第一腔镜8反射，并在所述第一腔镜8、第四腔镜12及之间的光路上进行多次反射；所述调Q模块6在激光第二次经过所述四分之一波片7之后、并且激光第三次经过所述四分之一波片7之前由关闭状态改变为开启状态。
所述第一腔镜8、第四腔镜12均为对激光高反射率并且对泵浦光高透过率的平面镜；所述第二偏振器5对激光p偏振光高透过率，对激光s偏振光高反射率；所述四分之一波片7的光轴与水平方向呈45°角，使从一个方向的入射的线偏振激光的偏振态变为圆偏振激光，或圆偏振激光变为线偏振激光；所述调Q模块6，在开启状态为一四分之一波片，改变所述调Q模块6的开关状态将激光锁定在再生谐振腔内，控制所述调Q模块6开启状态的持续时间控制激光在再生谐振腔内往返通过所述板条增益介质11提取能量的次数，待再生谐振腔内激光能量达到设定值时，将所述调Q模块6由开启状态改为关闭状态，释放放大后的激光脉冲。所述调Q模块6为偏硼酸钡晶体的普克尔盒，所述第二偏振器5为薄膜偏振片。
所述板条增益介质11为掺杂钕离子Nd的晶体、玻璃、陶瓷，掺杂镱离子Yb的晶体、玻璃、陶瓷，掺杂铒离子er的晶体、玻璃、陶瓷，掺杂铥离子Tm的晶体、玻璃、陶瓷；所述泵浦光整形器13为透镜组或光波导；所述泵浦源14为半导体激光器、半导体激光器阵列或者光纤耦合输出半导体激光器；所述板条增益介质11连接的冷却装置为传导冷却装置或直接水冷却装置。
所述调Q模块6可以是电光晶体的普克尔盒，如BBO、KD*P、RTP等电光晶体，其形状可以是横截面为正方形的棒状，也可以是厚度小于宽度和长度的板条状。
种子光源1提供的垂直偏振激光脉冲(s偏振)或水平偏振激光脉冲(p偏振)由第一偏振器2反射或透射，经过光隔离模块注入再生谐振腔。种子激光脉冲注入后通过改变调Q模块6的开关状态实现激光脉冲锁定在再生谐振腔内，控制调Q模块6开关状态的持续时间可控制注入的激光脉冲在再生谐振腔内往返通过板条增益介质11提取能量的次数，待再生谐振腔内激光脉冲能量达到设定值时再次改变调Q模块6开关状态即可实现放大后的激光脉冲的释放，在光隔离模块的作用下，返回到光隔离模块的激光脉冲偏振态变成和第一次通过光隔离模块前相垂直的偏振态，在第一偏振器2作用下将放大后的激光脉冲与注入的种子激光光路分开。
本发明中，增益介质为板条形状，两个端面抛光，用以同时通过泵浦光和激光，上下两个大面连接在金属热沉等冷却装置上对增益介质进行有效的制冷，这样增益介质中的热梯度在厚度方向上(y方向)，沿大面方向上的热梯度很小，增益介质中热分布可以用一维热传导近似，由于板条状的增益介质较大的泵浦体积，热量可以分担到整个增益介质，因此其整体热效应较小，泵浦光功率可以加到很高水平而不至于使再生谐振腔离开稳区，并且热畸变也较小，因此本发明能够获得高平均功率高光束质量激光输出；另外本发明可经过快轴准直的LD单bar或阵列输出的激光作为泵浦光，其成本小于端面泵浦棒状增益介质常用的光纤耦合半导体激光器，整个装置成本更低。
图2为本发明的一个较佳实施例的一种基于板条增益介质的激光再生放大器的结构示意图；本实施中板条增益介质11为Nd:YAG晶体，掺杂浓度为1％，尺寸为1mm×12mm×25mm，两个端面(1mm×12mm)抛光，用以同时通过泵浦光和激光，上下两个大面(12mm×25mm)焊接在金属热沉上对板条增益介质进行有效的制冷，这样板条增益介质中的热梯度几乎只存在厚度方向上(y方向)，沿上下两个大面方向上的热梯度很小，板条增益介质中热分布可以用一维热传导近似；
本实施例中，泵浦源14为快轴准直的半导体激光器LD单巴，总的输出功率100W，波长885nm；泵浦源14发射的泵浦光由泵浦光整形器13整形为横截面为10mm×0.6mm口径的光束从板条增益介质11的一侧端面进入板条状激光介质11。
本实施例中，所述种子光源1，提供脉宽为约30皮秒、波长1064nm脉冲重复频率85MHz的s偏振态的种子光，且经过光束耦合模块15后，种子激光整形为长条形光斑，所述长条形光斑y方向大小与再生谐振腔的y方向本征模光斑大小相当，能在再生谐振腔内实现自再现；而长条形光斑x方向被准直，其大小与泵浦源14发射的泵浦光由泵浦光整形器13整形后的大小相等，即种子激光光斑整形为10mm×0.6mm的光斑注入到再生谐振腔。
本实施例中，所述光隔离模块包括：包括第一偏振器2、旋光器3和半波片4；第一偏振器2为薄膜偏振片，其对种子激光波长1064nm的p偏振光高透过率，对s偏振光高反射率；旋光器3为法拉第旋光器，可使偏振光的偏振态旋转45°，并且与入射光方向无关，其内部晶体的口径大于或等于板条增益介质11的宽度12mm；半波片4可使从一个方向的入射的线偏振光的偏振态顺时针或逆时针旋转45°，而从另一个方向入射的线偏振光的偏振态逆时针或顺时针旋转45°；所述光隔离模块可实现光隔离的效果，即从光隔离模块一侧入射的线偏振光再次返回到光隔离模块后其偏振态变为与最初偏振态相垂直的线偏振光。
本实施例中，所述再生谐振腔为四腔镜谐振腔，包括第一腔镜8、第四腔镜12、第二腔镜9、第三腔镜10；所述第一腔镜8、第四腔镜12均为平面镜，所述第二腔镜9、第三腔镜10为球面反射镜并且它们之间的距离等于它们焦距之和，从而组成一个望远镜系统，所述四个腔镜均镀有对激光波长1064nm高反射率且对885nm高透过率的介质膜。
所述再生谐振腔还包括第二偏振器5、调Q模块6、四分之一拨片7；所述第二偏振器5为薄膜偏振片；所述调Q模块6为偏硼酸钡晶体BBO的普克尔盒，其横截面为3mm×12mm。所述四分之一波片7的光轴，即快轴或慢轴与水平方向呈45°角，可使从一个方向的入射的1064nm线偏振光的偏振态变为圆偏振光，或圆偏振光变为线偏振光。
本实施例中，所述第一偏器2、第二偏振器5均为对激光波长1064nm的p偏振光高透过率，对s偏振光高反射率的平面镜。
当s偏振态的种子激光经过光隔离模块时偏振态变成p偏振，从而经第二偏振器5透射进再生谐振腔内，然后往返通过四分之一波片7两次使p偏振态变成s偏振态(垂直偏振)，从而使种子激光被第二偏振器5反射到再谐振腔的另一部分，此时打开普克尔盒高压，使普克尔盒作用相当于一个四分之一波片，与四分之一波片7配合起到一个二分之一波片的作用。等种子激光脉冲再次返回到普克尔盒以及四分之一波片时，往返通过两次其偏振态仍然为s偏振，因此种子激光脉冲能在再生谐振腔内多次往返通过板条增益介质11。在板条增益介质11的y方向由于存在热焦距，并且种子激光光斑y方向大小与再生谐振腔y方向本征模是匹配的，因此可以实现传统激光再生放大器上的自再现，保持光斑y方向大小不变；另一方面在x方向种子激光光斑是准直的，并且板条增益介质11在x方向热焦距可以忽略不计，种子激光脉冲在腔内往返时，第二腔镜9和第三腔镜10组成的望远镜系统对x方向光斑大小进行扩束或缩束，再次返回时进行逆向缩束或扩束从而恢复之前的x方向光斑大小，因此光斑x方向大小在板条增益介质11上也可以保持不变，脉冲能量达到最大值时去掉普克尔盒上的高压就能将激光脉冲释放出来。设定普克尔盒上高压开启的重复频率为5kHz，这样最后该激光再生放大器能输出重复频率为5kHz的皮秒激光脉冲。
图3为本发明的一个较佳实施例的一种基于板条增益介质的激光再生放大器的激光放大模拟图，是种子激光脉冲在再生谐振腔内放大的过程，当脉冲在腔内往返38次时，输出激光脉冲的单脉冲能量最大能达到4mJ，对应输出功率20W。此时普克尔盒高压开启时间为475ns，当继续增加高压开启时间时由于腔内的损耗大于增益脉冲能量会逐渐减小，所以在此时关闭普克尔盒高压能输出最大能量的脉冲。如果继续增加泵浦源14的功率，该激光再生放大器能输出更高的脉冲能量。泵浦源14功率达到160W时单脉冲能量达到9.4mJ，对应平均功率为47W，远远超过目前棒状增益介质激光再生放大器的水平。
图4为本发明的另一个较佳实施例的一种基于板条增益介质的激光再生放大器的结构示意图；本实施例的中，板条增益介质11为Nd:YVO4晶体，掺杂浓度为0.5％，尺寸为1.2mm×12mm×12mm，两个端面(1.2mm×12mm)抛光，用以同时通过泵浦光和激光，上下两个大面(12mm×12mm)焊接在金属热沉上对板条增益介质11进行有效的制冷，这样板条增益介质中的热梯度几乎只存在在厚度方向上(y方向)而沿大面方向上的热梯度很小，板条增益介质11中热分布可以用一维热传导近似；
本实施例中，泵浦源14为快轴准直的半导体激光器LD阵列，总的输出功率100W，波长880nm；泵浦源14发射的泵浦光由泵浦光整形器3整形为横截面为10mm×0.6mm口径的光束从板条增益介质11的一侧端面进入板条状激光介质11。
本实施例中，所述种子光源1，提供脉宽为约30皮秒、波长1064nm脉冲重复频率85MHz的s偏振态的种子激光，且经过光束耦合模块15后，种子激光整形为长条形光斑，y方向光斑大小与再生谐振腔的y方向本征模光斑大小相当，能在再生谐振腔内实现自再现；而x方向光斑被准直，其大小与泵浦源14发射的泵浦光由泵浦光整形器13整形后的大小相等，即种子激光光斑整形为10mm×0.6mm的光斑注入到再生谐振腔。
本实施例中，所述光隔离模块包括：包括第一偏振器2、旋光器3和半波片4；所述第一偏振器2为薄膜偏振片，其对种子激光波长1064nm的p偏振光高透过率，对s偏振光高反射率；所述旋光器3为法拉第旋光器3，可使偏振光的偏振态旋转45°，并且与入射激光方向无关，其内部晶体的口径大于或等于板条增益介质11的宽度12mm相当；半波片4可使从一个方向的入射的线偏振光的偏振态顺时针或逆时针旋转45°，而从另一个方向入射的线偏振光的偏振态逆时针或顺时针旋转45°；所述光隔离模块可实现光隔离的效果，即从光隔离模块一侧入射的线偏振光再次返回到光隔离模块后其偏振态变为与最初偏振态相垂直的线偏振光。
本实施例中，所述再生谐振腔为两镜腔，包括第一腔镜8和第四腔镜12，均为平面镜，并且均镀有对激光波长1064nm高反射率且对880nm高透过率的介质膜；再生谐振腔内还包括两个透镜，第一透镜16和第二透镜17，并且它们之间的距离等于它们焦距之和，从而组成一个望远镜系统，两个透镜均镀有对激光波长1064nm高透过率的介质膜。
所述再生谐振腔还包括第二偏振器5、调Q模块6、四分之一拨片7；所述第二偏振器5为薄膜偏振片；所述调Q模块6为KD*P晶体的普克尔盒，其横截面为3mm×12mm。所述四分之一波片7的光轴，即快轴或慢轴与水平方向呈45°角，可使从一个方向的入射的1064nm线偏振光的偏振态变为圆偏振光，或圆偏振光变为线偏振光。
本实施例中，所述第一偏器2、第二偏振器5均为对激光波长1064nm的p偏振光高透过率，对s偏振光高反射率的平面镜。
当p偏振态的种子激光经过光隔离模块时偏振态变成s偏振，从而经第二偏振器5反射进再生谐振腔内，然后往返通过四分之一波片7两次使s偏振态变成p偏振态(垂直偏振)，从而使种子激光被第二偏振器5透射到再生谐振腔的另一部分，此时打开普克尔盒高压，使普克尔盒作用相当于一个四分之一波片，与四分之一波片7配合起到一个二分之一波片的作用。等种子激光脉冲再次返回到普克尔盒以及四分之一波片时，往返通过两次其偏振态仍然为p偏振，因此种子激光脉冲能在再生谐振腔内多次往返通过板条增益介质11。在板条增益介质11的y方向由于存在热焦距，并且种子激光光斑y方向大小与再生谐振腔y方向本征模是匹配的，因此可以实现传统激光再生放大器上的自再现，保持y方向光斑大小不变；在x方向种子激光光斑是准直的，并且板条增益介质11在x方向热焦距可以忽略不计，种子激光脉冲在腔内往返时，第一透镜16和第二透镜17组成的望远镜系统对x方向光斑大小进行扩束或缩束，再次返回时进行逆向缩束或扩束从而恢复之前的x方向光斑大小，因此光斑x方向大小在板条增益介质11上也可以保持不变，脉冲能量达到最大值时去掉普克尔盒上的高压将激光脉冲释放出来。设定普克尔盒上高压开启的重复频率为1kHz，这样最后该再生放大器能输出重复频率为1kHz的皮秒激光脉冲。
本发明的一种基于板条增益介质的激光再生放大器，其结合了板条增益介质激光器及再生放大激光器的优点，可实现高光束质量高功率再生放大激光输出。传统的棒状增益介质激光再生放大器，其泵浦区域横截面是圆斑，高功率下受热效应影响严重，热畸变引起激光光束质量恶化，热透镜效应导致激光器输出功率饱和；并且因为较小的光斑大小容易损伤增益介质，因此很难实现高功率高光束质量输出。板条增益介质用于激光再生放大器，它具有横截面为长条形的泵浦区域，面积较大，泵浦光在单位面积上产生的热效应相应变少，从而使其在高功率下受到热效应影响小；另一方面，较大的光斑面积可承受更高的脉冲能量，配合采用我们提出的适合板条增益介质激光再生放大器的光束匹配方法可实现高功率高光束质量再生放大激光脉冲输出。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于板条增益介质的激光再生放大器，包括：
种子光源(1)以及光束耦合模块(15)，所述光束耦合模块(15)将所述种子光源(1)发射的激光脉冲进行整形处理；
泵浦模块，用于产生泵浦光，为再生谐振腔内的激光脉冲提供能量；
再生谐振腔，用于将射入的激光脉冲进行多次振荡反射，以增加激光脉冲的能量，得到目的激光脉冲；
光隔离模块，将由所述光束耦合模块(15)整形后的激光射入所述再生谐振腔，并且将由再生谐振腔射出的所述目的激光脉冲与由所述光束耦合模块(15)整形后的激光脉冲进行分离；
其特征在于，所述再生谐振腔包括板条增益介质(11)，所述板条增益介质(11)位于所述再生谐振腔内的两个反射镜之间。
2.根据权利要求1所述的一种基于板条增益介质的激光再生放大器，其特征在于，所述再生谐振腔内部还包括两块透镜或两块凹面反射镜；
两块所述透镜或两块所述凹面反射镜之间的位置关系为能在板条增益介质宽度方向上组成一个望远镜系统，用于实现再生谐振腔内激光整形，达到激光光束宽度方向大小在多次往返板条增益介质时保持不变的目的。
3.根据权利要求1所述的一种基于板条增益介质的激光再生放大器，其特征在于，所述板条增益介质(11)的厚度与其宽度的比为1:10～1:5；其中所述板条增益介质(11)的长度方向上的两个端面进行抛光处理，用以同时通过泵浦光和激光，所述板条增益介质(11)的长度和宽度形成的上下两个面连接冷却装置。
4.根据权利要求3所述的一种基于板条增益介质的激光再生放大器，其特征在于，所述再生谐振腔还包括第二偏振器(5)、调Q模块(6)、四分之一波片(7)、第一腔镜(8)、第四腔镜(12)；所述第一腔镜(8)到第四腔镜(12)之间的光路上依次设置四分之一波片(7)、调Q模块(6)、第二偏振器(5)、板条增益介质(11)；
所述光隔离模块射入的激光经所述第二偏振器(5)反射或透射后，经过四分之一波片(7)，然后由所述第一腔镜(8)反射，并在所述第一腔镜(8)、第四腔镜(12)及之间的光路上进行多次反射；所述调Q模块(6)在激光第二次经过所述四分之一波片(7)之后、并且激光第三次经过所述四分之一波片(7)之前由关闭状态改变为开启状态；
所述第一腔镜(8)、第四腔镜(12)均为对激光高反射率并且对泵浦光高透过率的平面镜；
所述第二偏振器(5)对激光p偏振光高透过率，对激光s偏振光高反射率；
所述四分之一波片(7)的光轴与水平方向呈45°角，使从一个方向的入射的线偏振激光的偏振态变为圆偏振光，或圆偏振光变为线偏振光；
所述调Q模块(6)在开启状态为一四分之一波片，控制所述调Q模块(6)开启状态的持续时间控制激光在再生谐振腔内往返通过所述板条增益介质(11)提取能量的次数，待再生谐振腔内激光能量达到设定值时，将所述调Q模块(6)由开启状态改为关闭状态，释放出激光脉冲。
5.根据权利要求4所述的一种基于板条增益介质的激光再生放大器，其特征在于，所述调Q模块(6)为偏硼酸钡晶体的普克尔盒，所述第二偏振器(5)为薄膜偏振片。
6.根据权利要求1所述的一种基于板条增益介质的激光再生放大器，其特征在于，所述泵浦模块包括泵浦源(14)和泵浦光整形器(13)，经过所述泵浦光整形器(13)整形后的泵浦光射入所述再生谐振腔的板条增益介质(11)。
7.根据权利要求6所述的一种基于板条增益介质的激光再生放大器，其特征在于，所述泵浦光整形器(13)将所述泵浦源(14)发射的泵浦光整形为横截面长条形光斑，所述长条形光斑的宽度等于或小于所述板条增益介质(11)的宽度，所述长条形光斑的厚度小于所述板条增益介质(11)的厚度，所述长条形光斑的泵浦光以层状形式分布在所述板条增益介质(11)中。
8.根据权利要求1所述的一种基于板条增益介质的激光再生放大器，其特征在于，所述光束耦合模块(15)将入射种子激光整形成为横截面长条形光斑；
所述长条形光斑的尺寸与经过所述泵浦光整形器(13)整形得到的长条形光斑的尺寸相等。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于板条增益介质的激光再生放大器，其特征在于，所述光隔离模块包括第一偏振器(2)、旋光器(3)和半波片(4)；所述光束耦合模块(15)的输出光路上依次设置第一偏振器(2)、旋光器(3)和半波片(4)；
所述第一偏振器(2)对激光p偏振光高透过率，对激光s偏振光高反射率；
所述旋光器(3)内部晶体的口径大于或等于所述板条增益介质(11)的宽度，其使所述第一偏振器(2)射出的偏振光的偏振态旋转45°，并且与入射光方向无关；
所述半波片(4)的快轴或慢轴与入射激光的偏振态呈22.5°夹角，使入射激光的偏振态以与快轴或慢轴轴对称方向旋转45°。
10.根据权利要求1所述的一种基于板条增益介质的激光再生放大器，其特征在于，所述板条增益介质(11)为掺杂钕离子Nd的晶体、玻璃、陶瓷，掺杂镱离子Yb的晶体、玻璃、陶瓷，掺杂铒离子er的晶体、玻璃、陶瓷，掺杂铥离子Tm的晶体、玻璃、陶瓷；所述泵浦光整形器(13)为透镜组或光波导；所述泵浦源(14)为半导体激光器、半导体激光器阵列或者光纤耦合输出半导体激光器；所述板条增益介质(11)连接的冷却装置为传导冷却装置或直接水冷却装置。
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