CN107196182A - 一种离轴八程激光放大装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离轴八程激光放大装置，由偏振分光棱镜、二分之一波片、45°法拉第旋光器、电光开关、空间滤波器、激光放大头、0°反射镜和45°反射镜组成。待放大的脉冲激光注入到所述的离轴八程激光放大器装置，在所述的偏振分光棱镜、二分之一波片、45°法拉第旋光器、电光开关和反射镜的控制下，八次经过激光放大器实现八程放大，同时在空间滤波器和反射器件的控制下实现激光的离轴放大。本发明在不影响输出脉冲信噪比的条件下，明显提高激光放大器的能量提取效率，提升激光放大器的能量稳定性，在高功率激光器装置中具有重要应用。

Description

一种离轴八程激光放大装置
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体而言，涉及一种离轴八程激光放大装置。
背景技术
大功率固体激光器在材料加工、粒子加速、强X射线产生和激光惯性约束聚变等领域具有非常广泛的应用，激光放大器作为其中的重要组成部分备受关注。由于激光材料本身特性，激光单次通过具有增益的激光材料时，大部分能量都以热和自发辐射方式损耗掉了，能量提取效率很低，严重影响整个装置的能量效率。为此，学者们研究让激光多次通过激光材料，即多程放大，来实现能量的充分提取。目前的多程激光放大方法主要可以分为两类，第一类是通过偏振态的控制和谐振器反馈实现多程放大，第二类是通过几何光学方法，使得放大后的激光经过反射或散射元件等多次经过放大器。第二类方法简单、能量利用率高，但多次放大后激光光束质量不好，难以满足要求。因此如果对光束质量有非常高要求的激光器装置，一般都采用第一类方法。专利CN201010152454.2中公开了一种基于第一类方法实现的放大程数可控的激光多程放大装置，能量提取效率可以做到很高，理论可以达到100％，但由于是同轴放大，加上偏振元件的消光比极限限制，当一个单脉冲激光经过多程放大后，输出激光脉冲时间波形会出现多个脉冲尖峰，影响激光脉冲的信噪比，若要不影响使用则需要加一个电光开关进行削波，增加了整个系统的复杂度和可靠性；文献“MLSpaeth,KR Manes and et.al.Description of the NIF Laser，Fusion Science andTechnology,2016”中第31页公开了一种基于第一类方法实现的四程离轴激光放大器装置和方法，通过该方法，激光放大器的能量利用率得到了提高，输出激光信噪比高，但效率仍然<50％。
因此有必要研究如何进一步提高激光放大器的能量利用率，同时输出激光脉冲信噪比高的激光放大器。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种离轴八程激光放大装置，在保证输出激光的信噪比情况下，解决了传统激光放大器能量利用率较低的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明公开了一种离轴八程激光放大装置，沿着激光传播方向依次由第一偏振分光棱镜(1)、二分之一波片(2)、第一45°法拉第旋光器(3)、第二偏振分光棱镜(4)、电光开关(5)、第三偏振分光棱镜(6)、第一空间滤波器(7)、激光放大头(8)、第二45°法拉第旋光器(9)、第二空间滤波器(10)、第一0°反射镜(11)、第一45°反射镜(12)、第二0°反射镜(13)、第三0°反射镜(14)、第二45°反射镜(15)和第三空间滤波器(16)组成。所述偏振分光棱镜、二分之一波片、45°法拉第旋光器、偏振分光棱镜、电光开关控制激光的偏振态，所述反射镜控制激光传播方向，所述空间滤波器控制激光的离轴量、改善激光光束质量并抑制自激。
进一步，所述电光开关5的工作电压为激光波长对应的二分之一波电压。
进一步，所述二分之一波片(2)和第一45°法拉第旋光器(3)的组合使沿正向传播的水平/垂直偏振光经过所述组合后偏振态不改变，但反射回来的反向激光经过所述组合后偏振态旋转90°。
进一步，所述二分之一波片(2)和第一45°法拉第旋光器(3)的组合使正向传播的水平/垂直偏振光经过所述组合后偏振态旋转90°，但反射回来的反向激光经过所述组合后偏振态不改变。
进一步，所述空间滤波器由两块透镜、密封管、小孔板组成。两块透镜是共焦的，且分别位于密封管的两端，小孔板位于两块透镜共焦的焦平面上。
进一步，所述第一空间滤波器中小孔板上的小孔数量为4，小孔大小相同；所述第二空间滤波器中小孔板上的小孔数量为4，小孔大小相同；所述第三空间滤波器中小孔板上的小孔数量为1。
进一步，所述第一空间滤波器中的4个小孔与所述第二空间滤波器中的4个小孔满足共轭成像关系，所述第三空间滤波器中小孔与激光第一次经过第一空间滤波器的小孔满足共轭成像关系。
进一步，所述空间滤波器中的小孔尺寸和小孔之间的间隔是根据实际情况进行合理设计。
进一步，所述第一0°反射镜、第二0°反射镜、第三0°反射镜与激光放大头中心满足共轭成像关系。
本发明的有益效果如下：
1、本发明中公开了一种八程激光放大器装置，激光经过该装置后实现八次能量提取，可以极大提高激光放大器装置的能量利用率。
2、本发明采用离轴放大和小孔像共轭技术，确保输出脉冲的信噪比不受影响。
3、本发明中利用严格像传递技术，能明显改善输出激光的光束质量。
附图说明
图1为第一实施例中所提供的装置示意图；
图2为第一实施例中八程放大过程的偏振态变化。
图3为第一实施例中空间滤波器小孔板示意图，(a)第一空间滤波器，(b)第二空间滤波器，(c)第三空间滤波器。
图4为第一实施例中八程放大中依次经过的空间滤波器小孔序号。
图5为第一实施例中传统技术与本发明的能量提取效率对比，(a)传统离轴四程放大，(b)本发明公开的离轴八程放大。
图中：1—偏振分光棱镜，2—二分之一波片，3—第一45°法拉第旋光器，4—偏振分光棱镜，5—电光开关、6—偏振分光棱镜、7—第一空间滤波器、8—激光放大头、9—第二45°法拉第旋光器、10—第二空间滤波器、11—第一0°全反镜、12—第一45°反射镜、13—第二0°反射镜、14—第三0°反射镜、15—第二45°反射镜、16—第三空间滤波器、701—第一空间滤波器的前透镜、702—第一空间滤波器密封管、703—第一空间滤波器小孔板、704—第一空间滤波器后透镜、1001—第二空间滤波器的前透镜、1002—第二空间滤波器密封管、1003—第二空间滤波器小孔板、1004—第二空间滤波器后透镜、1601—第三空间滤波器的前透镜、1602—第三空间滤波器密封管、1603—第三空间滤波器小孔板、1604—第三空间滤波器后透镜。
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1
本实施例如图1所示，注入激光从左端注入，经过第一偏振分光棱镜(1)后，偏振态变为P偏振，经过二分之波片(2)和第一45°法拉第旋光器(3)后，偏振态仍然为P偏振，然后通过第二偏振分光棱镜(4)进入由第一0°反射镜(11)、第二0°反射镜(13)、第三0°反射镜以及之间的光学元件组成的八程放大腔体中，经过八次放大后以P偏振光从第二分光棱镜(4)中输出，再次经过二分之波片(2)和第一45°法拉第旋光器(3)后，偏振态变为S偏振，从第一偏振分光棱镜(1)反射，随后通过第二45°反射镜(15)和第三空间滤波器(16)并输出。
激光在八程放大腔体中的偏振态变化以及放大过程如图2所示，第一程放大时，电光开关(5)没加电压，从第二偏振分光镜(4)注入的P偏振激光经过电光开关(5)后还是P偏振。(i)经第三偏振分光棱镜(6)、第一空间滤波器(7)后，第一次经过激光放大头(8)，完成一程放大；(ii)再经过第二45°法拉第旋光器(9)、第二空间滤波器(10)和第一0°反射镜后返回第二次经过激光放大头(8)，完成二程放大，此时偏振态为S偏振；(iii)该S偏振激光返回到第三偏振分光棱镜(6)后反射到第一45°反射镜(12)后射到第二0°反射镜，再次反射并返回，第三次经过激光放大头(8)，完成三程放大；(iv)再经过第一0°全反镜后返回，第四次经过激光放大头(8)，完成四程放大，此时激光偏振态为P偏振。从第三偏振分光棱镜(6)输出，此时电光开关(5)已加二分之一波电压，P偏振激光经过加电的电光开关后变为S偏振，从第二偏振分光棱镜(4)反射到第三0°反射镜(14)，反射回电光开关，此时电光开关仍处于二分之一波电压，经过后S偏振变为P偏振，再次重复过程(i)、(ii)、(iii)和(iv)，再次完成四程放大，最后注入激光总共经过八程放大后输出。
由于偏振分光棱镜对P偏振和S偏振光的消光比限制，第二、四、六和八程放大后的激光经过第三偏振分光棱镜(6)和第二偏振分光棱镜(4)后均会有一部分光从输出第一偏振分光棱镜(1)反射输出，从而导致输出脉冲的时间波形中出现多个尖峰，影响输出脉冲信噪比。为了克服该问题，本实施例中采用空间滤波器小孔像共轭技术，三个空间滤波器的小孔板示意图如图3所示。第一空间滤波器(7)和第二空间滤波器(10)的小孔板上有四个小孔，第三空间滤波器(16)小孔板有一个小孔。小孔共轭成像关系为：第一空间滤波器小孔板(703)的1、2、3和4号孔，通过第一空间滤波器后透镜(704)和第二空间滤波器前透镜(1001)，分别与第二空间滤波器小孔板(1003)的1、2、3和4号孔成像；第一空间滤波器小孔板(703)的1号孔，通过第一空间滤波器前透镜(701)和第三空间滤波器前透镜(1601)，与第三空间滤波器小孔板(1603)的14号孔成像。通过严格成像关系后，经过第一空间滤波器小孔板(703)1号孔的光必然经过第二空间滤波器小孔板(1003)小孔板的1号孔，以此类推。
假设激光第一次从第一空间滤波器小孔板的1号孔通过，那么整个八程放大过程中，第一空间滤波器(7)小孔序号和第二空间滤波器(10)小孔序号如图4所示。从图中可以看出，从第二、四、六、八程输出的激光经过第一空间滤波(7)小孔的序号分别为2、4、3、1，输出脉冲波形中会出现四个尖峰，但由于第三空间滤波器(16)只有一个小孔，且该小孔至于第一空间滤波器(7)的1号孔共轭，也就是只有从第一空间滤波器(7)1号孔输出的激光(第八程放大激光)才能通过第三空间滤波器(16)，因此第二、四、六程的激光会被第三空间滤波器小孔板(1603)遮挡掉，不会传输到输出端，从而保证输出脉冲的信噪比。
传统离轴四程和本发明离轴八程放大的能量提取效率如图5所示，(a)为传统离轴四程放大的能量提取效率与输入能量的关系，(b)为本实施例所公开的离轴八程放大中能量提取效率与输入能量的关系，从图中可以明显看出，离轴八程放大的效率明显高于离轴四程放大的效率。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种离轴八程激光放大装置，沿着激光传播方向依次由第一偏振分光棱镜(1)、二分之一波片(2)、第一45°法拉第旋光器(3)、第二偏振分光棱镜(4)、电光开关(5)、第三偏振分光棱镜(6)、第一空间滤波器(7)、激光放大头(8)、第二45°法拉第旋光器(9)、第二空间滤波器(10)、第一0°反射镜(11)、第一45°反射镜(12)、第二0°反射镜(13)、第三0°反射镜(14)、第二45°反射镜(15)和第三空间滤波器(16)组成，所述偏振分光棱镜、二分之一波片、45°法拉第旋光器、偏振分光棱镜、电光开关控制激光的偏振态，所述反射镜控制激光传播方向，所述空间滤波器控制激光的离轴量、改善激光光束质量并抑制自激。
2.根据权利要求1所述的一种离轴八程激光放大装置，其特征在于，所述电光开关(5)的工作电压为激光波长对应的二分之一波电压。
3.根据权利要求1所述的一种离轴八程激光放大装置，其特征在于，所述二分之一波片(2)和第一45°法拉第旋光器(3)的组合使沿正向传播的水平/垂直偏振光经过所述组合后偏振态不改变，但反射回来的反向激光经过所述组合后偏振态旋转90°。
4.根据权利要求1所述的一种离轴八程激光放大装置，其特征在于，所述二分之一波片(2)和第一45°法拉第旋光器(3)的组合使正向传播的水平/垂直偏振光经过所述组合后偏振态旋转90°，但反射回来的反向激光经过所述组合后偏振态不改变。
5.根据权利要求1所述的一种离轴八程激光放大装置，其特征在于，所述空间滤波器由两块透镜、密封管、小孔板组成，两块透镜是共焦的，且分别位于密封管的两端，小孔板位于两块透镜共焦的焦平面上。
6.根据权利要求1所述的一种离轴八程激光放大装置，其特征在于，所述第一空间滤波器中小孔板上的小孔数量为4，小孔大小相同；所述第二空间滤波器中小孔板上的小孔数量为4，小孔大小相同；所述第三空间滤波器中小孔板上的小孔数量为1。
7.根据权利要求1所述的一种离轴八程激光放大装置，其特征在于，所述第一空间滤波器中的4个小孔与所述第二空间滤波器中的4个小孔满足共轭成像关系，所述第三空间滤波器中小孔与激光第一次经过第一空间滤波器的小孔满足共轭成像关系。
8.根据权利要求1所述的一种离轴八程激光放大装置，其特征在于，所述空间滤波器中的小孔尺寸和小孔之间的间隔是根据实际情况进行合理设计。
9.根据权利要求1所述的一种离轴八程激光放大装置，其特征在于，所述第一0°反射镜、第二0°反射镜、第三0°反射镜与激光放大头中心满足共轭成像关系。
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