CN106384932B - 一种基于波前畸变校正的多程激光放大器及其使用方法 - Google Patents

一种基于波前畸变校正的多程激光放大器及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于波前畸变校正的多程激光放大器及其使用方法，属于高功率固体激光器技术领域，包括主光路和侧光路，沿着激光注入方向，所述主光路为直线式结构，其依次包括偏振分束镜、1/4波片、电光晶体、第一空间滤波器、第一旋光器、激光放大头、第二旋光器、第二空间滤波器、第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅和第一全反镜，所述第一体布拉格光栅和第二体布拉格光栅的栅线方向相互垂直，所述侧光路由第二全反镜构成，所述第二全反镜与主光路平行设置，本发明能够获得光束质量良好的光斑，控制方法简单，同时，本发明采用的波前校正方法不属于非线性效应，没有阈值特性，适用范围广，能够保证激光脉冲波形的保形放大。

Description

一种基于波前畸变校正的多程激光放大器及其使用方法
技术领域
本发明属于高功率固体激光器技术领域，具体地说涉及一种基于波前畸变校正的多程激光放大器及其使用方法。
背景技术
从激光放大器发明到现在，良好的激光光束质量和高平均功率一直是学者们追求的目标，尤其是激光光束质量，其优劣性直接决定了激光器的应用范围。激光的远场质量是衡量激光光束质量的重要指标，而远场质量可以通过近场的波前畸变量表征，因此，目前大部分提高激光远场质量的方法是通过控制激光波前畸变量实现。
到目前为止，控制波前畸变的方法可分为主动控制和被动控制，主动控制主要是利用有源器件，比如变形镜、液晶等，被动控制主要利用无源器件，比如受激布里渊散射、相位板等。主动控制的适用范围广，控制精度较高，但控制算法复杂。以基于变形镜的主动控制为例，通过给变形镜各个驱动器上加不同电压，使得变形镜表面呈现于波前畸变互补的面型，从而实现波前畸变校正，但是只要改变激光器的工作条件就需要对波前进行重新补偿，而且补偿算法比较复杂。被动控制简单，但适用范围受限。以基于受激布里渊散射的被动控制方法为例，其最大的优势在于不需要任何人为控制，具有波前畸变的激光经过受激布里渊散射器件后会自动完成波前校正，但受激布里渊散射器件利用材料的非线性效应，因此，具有一定的阈值，也就是对于能量较低的激光其波前补偿效果不好，而且也会对激光脉冲波形进行改变，而对于某些具体应用(比如激光惯性约束聚变)需要脉冲波形保持不变，这种方法的应用受到限制。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种基于波前畸变校正的多程激光放大器及其使用方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于波前畸变校正的多程激光放大器，包括主光路和侧光路，沿着激光注入方向，所述主光路为直线式结构，其依次包括偏振分束镜、1/4波片、电光晶体、第一空间滤波器、第一旋光器、激光放大头、第二旋光器、第二空间滤波器、第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅和第一全反镜，所述第一体布拉格光栅和第二体布拉格光栅均为一维结构，且两者栅线方向相互垂直，所述侧光路由第二全反镜构成，所述第二全反镜与主光路平行设置，由第二全反镜反射的激光经偏振分束镜再次注入主光路中。
进一步，所述第一空间滤波器包括第一透镜和第二透镜，且两个透镜的焦距比为2：1，所述第二全反镜与激光放大头中心通过第一空间滤波器相互成像。
进一步，所述第二空间滤波器包括第三透镜和第四透镜，且两个透镜的焦距比为1：1，所述第一全反镜与激光放大头中心通过第二空间滤波器相互成像。
进一步，所述第一旋光器、第二旋光器均为法拉第旋光器，且两者对激光偏振态进行同向旋转。
进一步，所述第一旋光器、第二旋光器均为法拉第旋光器，且两者对激光偏振态进行异向旋转。
进一步，所述第一旋光器、第二旋光器对激光偏振态的旋转角度均为45°。
进一步，所述电光晶体的光轴平行于激光注入方向，其工作电压为激光波长对应的1/4波电压。
进一步，所述1/4波片的光轴与激光注入方向的夹角为45°。
另，本发明还提供一种基于波前畸变校正的多程激光放大器的使用方法，包括如下步骤：
(1)在电光晶体未施加工作电压的前提下，激光沿着主光路完成双程放大后，激光经偏振分束镜注入侧光路；
(2)对电光晶体施加工作电压，经侧光路返回的激光经过偏振分束镜后再次注入主光路中，完成四程放大；
(3)重复步骤(2)，直至激光完成n-2程放大；
(4)取消电光晶体上施加的工作电压，经侧光路返回的激光经过偏振分束镜后再次注入主光路中，完成n程放大的激光透射过偏振分束镜并输出，在激光放大过程中，第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅对激光波前中的高频成分进行滤波，实现波前畸变校正。
进一步，所述电光晶体的工作电压为激光波长对应的1/4波电压。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用第一旋光器和第二旋光器对热退偏进行补偿，采用第一体布拉格光栅和第二体布拉格光栅消除波前畸变中高频分量，进行波前畸变校正，同时，在1/4波片和电光晶体的控制下实现多程放大，可以获得光束质量良好的光斑。
2、采用两个体布拉格光栅对激光波前中的高频成分进行滤波，属于被动控制方法，控制方法简单，适用范围广。
3、本发明采用的波前校正方法不属于非线性效应，没有阈值特性，对于各种能量段的激光均适用，同时能保证激光脉冲波形的保形放大。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的第一体布拉格光栅和第二体布拉格光栅的结构示意图。
附图中：1—偏振分束镜、2—1/4波片、3—电光晶体、4—第一空间滤波器、5—第一旋光器、6—激光放大头、7—第二旋光器、8—第二空间滤波器、9—第一体布拉格光栅、10—第二体布拉格光栅、11—第一全反镜、12—第二全反镜。
图1中In端是激光注入端，Out端是激光输出端，图2中箭头表示激光注入方向。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例一：
如图1-2所示，一种基于波前畸变校正的多程激光放大器，包括主光路和侧光路，沿着激光注入方向，所述主光路包括直线式设置的偏振分束镜1、1/4波片2、电光晶体3、第一空间滤波器4、第一旋光器5、激光放大头6、第二旋光器7、第二空间滤波器8、第一体布拉格光栅9、第二体布拉格光栅10和第一全反镜11，其中，电光晶体3的光轴平行于激光注入方向，第二旋光器7用于补偿激光放大头6产生的热退偏，第一旋光器5用于补偿第二旋光器7对激光偏振态的改变，所述侧光路由第二全反镜12构成，所述第二全反镜12与主光路平行设置，由第二全反镜12反射的激光经偏振分束镜1再次注入主光路中。
由于重频工作下的激光放大头6会产生较多的废热，由于热的分布不均匀，使得激光产生波前畸变。第一体布拉格光栅9、第二体布拉格光栅10通过衍射效应，将波前畸变中的高频分量和低频分量分开，所述第一体布拉格光栅9和第二体布拉格光栅10均为一维结构，且两者栅线方向相互垂直，高频分量衍射角大，低频分量衍射角小，最终的效果是高频分量由于衍射角大，受放大器腔体中的光阑限制不能在放大器腔体中多次放大，而低频成分能不受光阑限制继续在放大器腔体中传输放大，实现波前畸变校正。
所述第一空间滤波器4包括第一透镜和第二透镜，且两个透镜的焦距比为2：1，所述第一透镜的焦距为2f，第二透镜的焦距为f，第一透镜和第二透镜的间距为3f，所述第二全反镜12与第一透镜的距离为2f，激光放大头6中心位置与第二透镜的距离为f，所述第二全反镜12与激光放大头6中心通过第一空间滤波器4相互成像，所述第二空间滤波器8包括第三透镜和第四透镜，且两个透镜的焦距比为1：1，所述第三透镜、第四透镜的焦距均为f，且两者间距为2f，所述第一全反镜12与第四透镜的距离为f，激光放大头6中心位置与第三透镜的距离为f，所述第一全反镜11与激光放大头6中心通过第二空间滤波器8相互成像，第一空间滤波器4和第二空间滤波器8满足成像共轭关系，即第二全反镜12、第一全反镜11和激光放大头6通过第一空间滤波器4和第二空间滤波器8相互成像，采用严格像传递的方法，使得激光放大头6的任意截面经过像传递、第一全反镜11、第二全反镜12回到原来的位置。
激光放大头6处于工作状态时，以钕玻璃作为增益介质为例，增益介质采用8mm×8mm、长度为15cm的方形棒，激光放大头6采用LD作为泵浦源，泵浦方式为四面对称泵浦，泵浦功率60kW，激光偏振态的变化、热退偏补偿以及波前畸变校正原理如下：
首先，激光经过偏振分束镜1后的偏振态为水平偏振光，由于1/4波片2的光轴与激光注入方向的夹角为45°，激光经过1/4波片2后变为圆偏振光，之后依次经过电光晶体3、第一空间滤波器4、第一旋光器5，激光的偏振态仍然为圆偏振，其表达式为：其中，Ep(x,y)和Es(x,y)分别表示增益介质截面不同位置处激光的水平分量和垂直分量，θ表示激光偏振方向与水平方向的夹角，由于增益介质的热致双折射，圆偏振光经过增益介质后变为椭圆偏振光，其水平分量和垂直分量表达式为：
其中，Ap(x,y)和As(x,y)分别表示不同位置激光的水平分量和垂直分量的振幅，δ(x,y)表示不同位置激光的水平偏振和垂直偏振光的相位延时量；
然后，热退偏的补偿实质上是指让增益介质截面上各点的水平分量、垂直分量均获得相等的相位延迟，因此，如能保证从增益介质截面出射的光线经过反射后，其偏振态旋转90°且反射后仍然经过出射点，即可实现热退偏的完全补偿。椭圆偏振光经过第二旋光器7、第二空间滤波器8、第一体布拉格光栅9、第二体布拉格光栅10、第一全反镜11，所述第一旋光器5、第二旋光器7均为法拉第旋光器，两者对激光偏振态进行同向旋转，且两者对激光偏振态的旋转角度均为45°，也就是说，椭圆偏振光每经过一次法拉第旋光器，其偏振态旋转45°，经激光放大头6出射的激光两次经过第二旋光器7，即激光的偏振态发生90°改变，对放大过程产生的热退偏进行了补偿，同时，第一体布拉格光栅9和第二体布拉格光栅10消除波前畸变中高频分量，实现波前畸变校正，椭圆偏振光经第一全反镜11反射后，在第二次经过激光放大头6前，其水平分量和垂直分量表达式为：
由于第一空间滤波器4、第二空间滤波器8的存在，以增益介质上任意截面为物平面，经过第二空间滤波器8并反射回增益介质上的像仍然在原来的位置，即δ(x,y)＝δ′(x,y)，实现了热退偏的完全补偿，因此，激光第二次经过激光放大头6后，其水平分量和垂直分量表达式为：
即第二次经过激光放大头6后，激光偏振态又变回圆偏振，而对于第二旋光器7对激光偏振态的改变，经第一旋光器5进行了补偿，圆偏振光在第二次经过1/4波片2后变为垂直偏振光，从偏振分束镜1反射到侧光路上，完成双程放大；
最后，对电光晶体3施加工作电压，其工作电压为激光波长对应的1/4波电压，施加电压后的电光晶体3相当于1/4波片2的效果，经侧光路返回的激光经过偏振分束镜1反射后再次注入主光路中，垂直偏振光先经过1/4波片2变为圆偏振光，重复以上放大、补偿及校正过程，在第四次经过1/4波片2后变为垂直偏振光，从偏振分束镜1反射到侧光路上，完成四程放大，直至激光完成n-2程放大，取消电光晶体3上施加的工作电压，经侧光路返回的垂直偏振光先经过1/4波片2变为圆偏振光，激光在第n次经过1/4波片2后变为水平偏振光，完成n程放大的水平偏振光透射过偏振分束镜1并输出。
在其他一些实施例中，所述第一旋光器5、第二旋光器7均为法拉第旋光器，且两者对激光偏振态进行异向旋转。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种基于波前畸变校正的多程激光放大器的使用方法，其特征在于，多程激光放大器包括主光路和侧光路，沿着激光注入方向，所述主光路为直线式结构，其依次包括偏振分束镜、1/4波片、电光晶体、第一空间滤波器、第一旋光器、激光放大头、第二旋光器、第二空间滤波器、第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅和第一全反镜，所述第一体布拉格光栅和第二体布拉格光栅均为一维结构，且两者栅线方向相互垂直，所述侧光路由第二全反镜构成，所述第二全反镜与主光路平行设置，由第二全反镜反射的激光经偏振分束镜再次注入主光路中；
所述基于波前畸变校正的多程激光放大器的使用方法，包括如下步骤：
（1）在电光晶体未施加工作电压的前提下，激光沿着主光路完成双程放大后，激光经偏振分束镜注入侧光路；
（2）对电光晶体施加工作电压，经侧光路返回的激光经过偏振分束镜后再次注入主光路中，完成四程放大；
（3）重复步骤（2），直至激光完成n-2程放大；
（4）取消电光晶体上施加的工作电压，经侧光路返回的激光经过偏振分束镜后再次注入主光路中，完成n程放大的激光透射过偏振分束镜并输出，在激光放大过程中，第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅对激光波前中的高频成分进行滤波，实现波前畸变校正。
2.根据权利要求1所述的一种基于波前畸变校正的多程激光放大器的使用方法，其特征在于：所述第一空间滤波器包括第一透镜和第二透镜，且两个透镜的焦距比为2：1，所述第二全反镜与激光放大头中心通过第一空间滤波器相互成像。
3.根据权利要求1所述的一种基于波前畸变校正的多程激光放大器的使用方法，其特征在于：所述第二空间滤波器包括第三透镜和第四透镜，且两个透镜的焦距比为1：1，所述第一全反镜与激光放大头中心通过第二空间滤波器相互成像。
4.根据权利要求1所述的一种基于波前畸变校正的多程激光放大器的使用方法，其特征在于：所述第一旋光器、第二旋光器均为法拉第旋光器，且两者对激光偏振态进行同向旋转。
5.根据权利要求1所述的一种基于波前畸变校正的多程激光放大器的使用方法，其特征在于：所述第一旋光器、第二旋光器均为法拉第旋光器，且两者对激光偏振态进行异向旋转。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于波前畸变校正的多程激光放大器的使用方法，其特征在于：所述第一旋光器、第二旋光器对激光偏振态的旋转角度均为45°。
7.根据权利要求1所述的一种基于波前畸变校正的多程激光放大器的使用方法，其特征在于：所述电光晶体的光轴平行于激光注入方向，其工作电压为激光波长对应的1/4波电压。
8.根据权利要求1所述的一种基于波前畸变校正的多程激光放大器的使用方法，其特征在于：所述1/4波片的光轴与激光注入方向的夹角为45°。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种基于波前畸变校正的多程激光放大器的使用方法，其特征在于，所述电光晶体的工作电压为激光波长对应的1/4波电压。
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