CN108736302A - 一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置及设计方法 - Google Patents

一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置及设计方法，涉及激光器技术领域。该装置由偏振分光棱镜、双折射晶体、45°法拉第旋光器、空间滤波器、激光放大头和反射镜组成。种子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、双折射晶体、45°法拉第旋光器和反射镜的控制下，以一定离轴角度、八次经过激光放大头实现种子激光的离轴八程放大。本发明能明显提高激光放大器的能量提取效率，能明显改善输出激光的光束质量和输出脉冲信噪比，代替传统的电光开关避免了激光离轴角度带来的损耗，提升激光放大器的能量稳定性，使得整个放大器系统的可靠性和性价比得到了较大提高，并获得良好的脉冲信噪比，在高功率激光器装置中具有重要应用。

Description

一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置及设计方法
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体而言，涉及一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置及设计方法。
背景技术
离轴的多程激光放大器因其能量提取效率高，脉冲信噪比高并能有效抑制自激现象等优点，在大功率固体激光器中具有广泛的应用。文献“M.L.Spaeth,K.R.Manes,D.H.Kalantar,P.E.Miller,et.al.,“Description of the NIF Laser”,(2016)”中第31页公开了一种离轴的四程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％。专利“一种离轴八程激光放大器(CN207234148U)”公开了一种利用电光开关实现离轴八程放大器的装置，该装置原理简单，容易实现，而且电光开关有助于抑制自激和提高脉冲信噪比，但由于离轴的原因，激光每次经过电光开关的角度不同，因此对激光偏振态的改变量达不到理想值，从而影响激光透过率，并且由于电光开关高压电源(二分之一波电压一般几千上万伏)的存在，使得激光放大器的性价比和可靠性下降。
因此有必要进一步研究一种能量提取效率高且可靠、廉价的离轴多程激光放大器。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置及设计方法，在保证输出激光的信噪比和光束质量的情况下，解决了传统离轴激光放大器能量提取效率较低的问题，装置可靠性和传输效率得到了较大提高。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置，其特征在于，沿着激光传播方向依次由第一偏振分光棱镜(1)、双折射晶体(2)、第二偏振分光棱镜(3)、第一空间滤波器(4)、激光放大头(5)、第一45°反射镜(6)、第二45°反射镜(7)、45°法拉第旋光器(8)、第二空间滤波器(9)、第一0°反射镜(10)、第二0°反射镜(11)和第三0°反射镜(12)组成；
种子激光经过第一偏振分光棱镜(1)和双折射晶体(2)后，注入到由第一0°反射镜(10)和第二0°反射镜(11)构成的放大器腔中，在45°法拉第旋光器(8)的控制下激光在放大器腔中放大四次；经过四程放大的激光从第二偏振分光棱镜(3)导出，经过双折射晶体后，从第一偏振分光棱镜(1)反射到第三0°反射镜(12)，经反射后原路返回，经过双折射晶体后再次注入到由第一0°反射镜(10)和第二0°反射镜(11)构成的放大器腔中，又一次完成四程放大；最后从第二偏振分光棱镜(3)导出，经过双折射晶体(2)和第一偏振分光棱镜(1)后输出，完成八程放大。
第一偏振分光棱镜(1)和第二偏振分光棱镜(3)的偏振方向平行，激光四次入射到双折射晶体(2)的角度、双折射晶体材料和几何长度需满足：激光第一次经过后偏振态不发生改变，第二次经过后偏振态旋转90°，第三次经过后偏振态旋转90°，第四次经过后偏振态不发生改变。
第一偏振分光棱镜(1)和第二偏振分光棱镜(3)的偏振方向垂直，激光四次入射到双折射晶体的角度、双折射晶体材料和几何长度需满足：激光第一次经过双折射晶体后偏振态旋转90°，第二次经过后双折射晶体偏振态不发生改变，第三次经过双折射晶体后偏振态不发生改变，第四次经过双折射晶体后偏振态旋转90°。
所述空间滤波器(4、9)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。
所述第一空间滤波器(4)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(9)中小孔板上的小孔数量为4，小孔大小相同。
所述第一空间滤波器(4)中的4个小孔呈正方形排布，位于左上角、右下角、左下角和右上角4个小孔的编号分别为①、②、③、④，激光八程放大过程中经过第一空间滤波器(4)小孔的顺序为①、②、③、④、④、③、②、①。
所述第二空间滤波器(9)中的小孔与所述第一空间滤波器(4)中的小孔满足共轭成像关系。
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。
所述第一0°反射镜(10)、第二0°反射镜(11)、第三0°反射镜(12)与激光放大头(5)中心满足共轭成像关系。
另一方面，本发明还提供了一种用于前述任一离轴八程激光放大装置中的双折射晶体长度和激光入射到双折射晶体角度的设计方法，其特征在于，激光通过双折射晶体的模型为：z轴为双折射晶体的光轴，假设第一程激光与光轴的夹角为β，第四程激光与光轴夹角为α，A点为激光与双折射晶体的交点，A点在YOZ平面内的投影点为A’，θ和γ分别为激光的离轴角度，有θ＝γ，从几何关系上分别为第一程激光方向与垂直面OAA’的夹角为θ以及第四程激光传输方向在水平面内的投影角为γ；
第一程激光经过双折射晶体时，分成o光和e光，两种光的偏振态相互正交，由于o光和e光的折射率不同，经过双折射晶体后会产生相位差，第一程激光经过双折射晶体后，e光的折射率以及o光、e光的相位差δ1分别为：
其中，no和ne分别为双折射晶体的o光和e光的折射率，λ为激光波长，L为晶体长度；
同样，对于第四程激光经过双折射晶体时，e光折射率ne (2)为方程(3)所示，此时o光和e光的相位差δ2为方程(4)所示：
第一程和第四程激光经过双折射晶体后，o光和e光的相位差分别为π的偶数倍和奇数倍，代入方程(1-4)有
其m和n均为自然数；
第一程激光与双折射晶体的光轴夹角β、第四程激光与双折射晶体光轴夹角α、以及激光的离轴角度θ满足下面关系
cos(α)＝cos(θ)cos(β-θ) (7)，
只要小孔板上的小孔间距固定，激光的离轴角度θ为常数，在给定双折射材料条件下，结合方程(5-7)可求解出双折射晶体长度L、第一程激光经过双折射晶体的角度β和第四程激光经过双折射晶体的角度α的值。
本发明的有益效果如下：
1、相比于传统的四程激光放大器，本发明中公开了一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置，在同等情况下，激光经过该装置后的增益倍数和能量提取效率明显提高。
2、本发明采用双折射晶体来代替传统的电光开关，避免了激光离轴角度带来的损耗，提高了放大器的系统透过率，并且由于不需要高压源，使得整个放大器系统的可靠性和性价比得到了较大提高。
3、本发明中利用严格像传递技术和离轴放大技术，能明显改善输出激光的光束质量和输出脉冲信噪比。
附图说明
图1是第一实施例中所提供的装置示意图。
图2是第一实施例中空间滤波器小孔的排布，其中(a)为第一空间滤波器，(b)为第二空间滤波器。
图3是第二实施例中激光经过双折射晶体的几何图形。
图中：1—第一偏振分光棱镜，2—双折射晶体，3—第二偏振分光棱镜，4—第一空间滤波器，5—激光放大头、6—第一45°反射镜、7—第二45°反射镜、8—45°法拉第旋光器、9—第二空间滤波器、10—第一0°全反镜、11—第二0°反射镜、12—第三0°反射镜。
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，为一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置，所述装置沿着激光传播方向依次由第一偏振分光棱镜(1)、双折射晶体(2)、第二偏振分光棱镜(3)、第一空间滤波器(4)、激光放大头(5)、第一45°反射镜(6)、第二0°反射镜(7)、45°法拉第旋光器(8)、第二空间滤波器(9)、第一0°反射镜(10)、第二0°反射镜(11)和第三0°反射镜(12)组成。并且第一0°反射镜(10)、第二0°反射镜(11)、第三0°反射镜(12)和激光放大头(5)中心相互成像。
八程放大过程如下：种子激光从左侧注入，经过第一偏振分光棱镜(1)后，激光变成P偏振光，第一次经过双折射晶体(2)后偏振态不改变，完全透过第二偏振分光棱镜(3)，进入由第一0°反射镜(10)和第二0°反射镜(11)构成的四程放大器腔，通过45°法拉第旋光器(5)控制激光偏振态，激光在腔中完成一次四程放大(这里的四程放大原理可参考文献“Bruno M.Van Wonterghem,John R.Murray,et al.,“Performance of a prototype fora large-aperture multipass Nd:glass laser for inertial confinement fusion”,Applied Optics,36(21),4932-4953(1997)”)；经过四程放大后的激光以P偏振态从第二偏振分光棱镜(3)导出，然后第二次经过双折射晶体(2)，经过后激光偏振态由P偏振变成S偏振，从第一偏振分光棱镜(1)反射到第三0°反射镜(12)，经反射后原路返回，第三次经过双折射晶体(2)，经过后激光偏振态由S偏振变成P偏振，完全透过第二偏振分光棱镜(3)后再次进入四程放大器腔，又完成一次四程放大，总共完成八次放大，即八程放大。八程放大后的激光从第二偏振分光棱镜(3)导出，并第四次经过双折射晶体(2)，经过后激光偏振不发生改变，然后从第一偏振分光棱镜(1)输出。
空间滤波器设计：离轴的八程激光放大器包括两个空间滤波器(4、9)，每个空间滤波器由两块透镜、一根真空管和一块小孔板构成，透镜位于真空管两侧且共焦，小孔板位于两透镜的焦平面上。每个小孔板上有4个小孔，沿激光方向观察小孔的排布以及小孔编号如图2所示，小孔呈正方形排布，每个小孔板上的4个小孔尺寸相同，且第一空间滤波器(4)的小孔与第二空间滤波器(9)的小孔相互成像。八程放大中，激光经过第一空间滤波器(4)和第二空间滤波器(9)的顺序如表1所示，均为①、②、③、④、④、③、②、①，即第一程和第八程激光方向平行，第二程和第七程激光方向平行，第三程和第六程激光方向平行，第四程和第五程激光方向平行。
表1八程放大过程中激光经过空间滤波器小孔的顺序
双折射晶体改变激光偏振态的原理：激光经过双折射晶体分解为o光和e光，由于o光和e光的折射率不同，从双折射晶体出射时，o光和e光的相位延迟量不同，产生一定的相位差，从而使得出射激光的偏振态发生改变。对于给定的双折射晶体，o光e光的相位差与双折射晶体长度和激光入射到双折射晶体的角度相关。根据前面的介绍，在离轴的八程放大器中，激光四次经过双折射晶体(2)，第一次和第四次经过双折射晶体(2)的激光方向是相同的，第二次和第三次经过双折射晶体(2)的激光方向是相同的，因此通过合理设计双折射晶体(2)长度和激光入射到双折射晶体(2)的角度，激光第一次和第四次经过双折射晶体(2)时，o光和e光相位差为π的偶数倍，而第二次和第三次经过双折射晶体(2)时，o光和e光相位差为π的奇数倍，即激光第一次和第四次经过后激光偏振态不改变，第二次和第三次经过后激光偏振态旋转90°。
实施例2
本实施例公开了一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置中双折射晶体长度和激光入射到双折射晶体角度的设计方法。
根据实施例1中的介绍，本发明中公开的离轴八程激光放大中，第一次和第四次经过双折射晶体(2)的激光方向是相同的，第二次和第三次经过双折射晶体(2)的激光方向是相同的，因此激光通过双折射晶体的模型可简化为如图3所示，z轴为双折射晶体的光轴，假设第一程激光与光轴的夹角为β，第四程激光与光轴夹角为α，A点为激光与双折射晶体的交点，A点在YOZ平面内的投影点为A’，θ和γ分别为激光的离轴角度，有θ＝γ，从几何关系上分别为第一程激光方向与垂直面OAA’的夹角为θ以及第四程激光传输方向在水平面内的投影角为γ。
第一程激光经过双折射晶体时，分成o光和e光，两种光的偏振态相互正交。由于o光和e光的折射率不同，经过双折射晶体后会产生相位差。第一程激光经过双折射晶体后，e光的折射率以及o光、e光的相位差δ1分别为：
其中，no和ne分别为双折射晶体的o光和e光的折射率，λ为激光波长，L为晶体长度。
同样，对于第四程激光经过双折射晶体时，e光折射率ne (2)为方程(3)所示，此时o光和e光的相位差δ2为方程(4)所示：
根据实施例1中的介绍，第一程和第四程激光经过双折射晶体后，o光和e光的相位差分别为π的偶数倍和奇数倍，代入方程(1-4)有
其m和n均为自然数。
根据图3的立体几何关系，第一程激光与双折射晶体的光轴夹角β、第四程激光与双折射晶体光轴夹角α、以及激光的离轴角度θ满足下面关系。
cos(α)＝cos(θ)cos(β-θ) (7)
只要小孔板上的小孔间距固定，激光的离轴角度θ为常数，在给定双折射材料条件下，结合方程(5-7)可以求解出双折射晶体长度L、第一程激光经过双折射晶体的角度β和第四程激光经过双折射晶体的角度α的值。
以常用的KD*P双折射晶体为例，其o光和e光折射率分别为1.4951和1.4574，假设激光离轴角度θ或γ为0.432°，计算在不同m值条件下，双折射晶体长度L和第一程激光经过双折射晶体的角度β，如表2所示，任意选择其中一组值，即可实现激光第一次和第四次经过后激光偏振态不改变，第二次和第三次经过后激光偏振态旋转90°。
表2求解出的4个(m，β，L)组合解
m β(°) L(mm)
0 0 255
1 1.4 45
2 2.66 25
3 3.64 20
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 (10)

1.一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置，其特征在于，沿着激光传播方向依次由第一偏振分光棱镜(1)、双折射晶体(2)、第二偏振分光棱镜(3)、第一空间滤波器(4)、激光放大头(5)、第一45°反射镜(6)、第二45°反射镜(7)、45°法拉第旋光器(8)、第二空间滤波器(9)、第一0°反射镜(10)、第二0°反射镜(11)和第三0°反射镜(12)组成；
种子激光经过第一偏振分光棱镜(1)和双折射晶体(2)后，注入到由第一0°反射镜(10)和第二0°反射镜(11)构成的放大器腔中，在45°法拉第旋光器(8)的控制下激光在放大器腔中放大四次；经过四程放大的激光从第二偏振分光棱镜(3)导出，经过双折射晶体后，从第一偏振分光棱镜(1)反射到第三0°反射镜(12)，经反射后原路返回，经过双折射晶体后再次注入到由第一0°反射镜(10)和第二0°反射镜(11)构成的放大器腔中，又一次完成四程放大；最后从第二偏振分光棱镜(3)导出，经过双折射晶体(2)和第一偏振分光棱镜(1)后输出，完成八程放大。
2.根据权利要求1所述的一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置，其特征在于，第一偏振分光棱镜(1)和第二偏振分光棱镜(3)的偏振方向平行，激光四次入射到双折射晶体(2)的角度、双折射晶体材料和几何长度需满足：激光第一次经过后偏振态不发生改变，第二次经过后偏振态旋转90°，第三次经过后偏振态旋转90°，第四次经过后偏振态不发生改变。
3.根据权利要求1所述的一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置，其特征在于，第一偏振分光棱镜(1)和第二偏振分光棱镜(3)的偏振方向垂直，激光四次入射到双折射晶体的角度、双折射晶体材料和几何长度需满足：激光第一次经过双折射晶体后偏振态旋转90°，第二次经过后双折射晶体偏振态不发生改变，第三次经过双折射晶体后偏振态不发生改变，第四次经过双折射晶体后偏振态旋转90°。
4.根据权利要求1所述的一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置，其特征在于，所述空间滤波器(4、9)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。
5.根据权利要求4所述的一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置，其特征在于，所述第一空间滤波器(4)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(9)中小孔板上的小孔数量为4，小孔大小相同。
6.根据权利要求5所述的一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置，其特征在于，所述第一空间滤波器(4)中的4个小孔呈正方形排布，位于左上角、右下角、左下角和右上角4个小孔的编号分别为①、②、③、④，激光八程放大过程中经过第一空间滤波器(4)小孔的顺序为①、②、③、④、④、③、②、①。
7.根据权利要求6所述的一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置，其特征在于，所述第二空间滤波器(9)中的小孔与所述第一空间滤波器(4)中的小孔满足共轭成像关系。
8.根据权利要求1所述的一种基于双折射晶体的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所述的一种基于双折射晶体的离轴八程激光放大装置，其特征在于，所述第一0°反射镜(10)、第二0°反射镜(11)、第三0°反射镜(12)与激光放大头(5)中心满足共轭成像关系。
10.一种用于权利要求1-9中任一离轴八程激光放大装置中的双折射晶体长度和激光入射到双折射晶体角度的设计方法，其特征在于，激光通过双折射晶体的模型为：z轴为双折射晶体的光轴，假设第一程激光与光轴的夹角为β，第四程激光与光轴夹角为α，A点为激光与双折射晶体的交点，A点在YOZ平面内的投影点为A’，θ和γ分别为激光的离轴角度，有θ＝γ，从几何关系上分别为第一程激光方向与垂直面OAA’的夹角为θ以及第四程激光传输方向在水平面内的投影角为γ；
第一程激光经过双折射晶体时，分成o光和e光，两种光的偏振态相互正交，由于o光和e光的折射率不同，经过双折射晶体后会产生相位差，第一程激光经过双折射晶体后，e光的折射率以及o光、e光的相位差δ1分别为：
其中，no和ne分别为双折射晶体的o光和e光的折射率，λ为激光波长，L为晶体长度；
同样，对于第四程激光经过双折射晶体时，e光折射率ne (2)为方程(3)所示，此时o光和e光的相位差δ2为方程(4)所示：
第一程和第四程激光经过双折射晶体后，o光和e光的相位差分别为π的偶数倍和奇数倍，代入方程(1-4)有
其m和n均为自然数；
第一程激光与双折射晶体的光轴夹角β、第四程激光与双折射晶体光轴夹角α、以及激光的离轴角度θ满足下面关系
cos(α)＝cos(θ)cos(β-θ) (7)，
只要小孔板上的小孔间距固定，激光的离轴角度θ为常数，在给定双折射材料条件下，结合方程(5-7)可求解出双折射晶体长度L、第一程激光经过双折射晶体的角度β和第四程激光经过双折射晶体的角度α的值。
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