CN111193170B - 双脉冲双向环形激光放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双脉冲双向环形激光放大器，包括：第一光隔离器，用于在第一方向上透射第一偏振态的第一脉冲，将第二方向上的第一偏振态的第二脉冲转换为第二偏振态，并反射第二偏振态的第二脉冲，其中，第一方向与第二方向相反；第二光隔离器，用于在第二方向上透射第一偏振态的第二脉冲，将第一方向上的第一偏振态的第一脉冲转换为第二偏振态，并反射第二偏振态的第一脉冲；环形光路，设置在第一光隔离器与第二光隔离器之间，用于将第一光隔离器透射的第一偏振态的第一脉冲循环放大至预设环数后沿第一方向输出至第二光隔离器；将第二光隔离器透射的第一偏振态的第二脉冲循环放大至预设环数后沿第二方向输出至第一光隔离器。

Description

双脉冲双向环形激光放大器
技术领域
本发明涉及激光放大技术领域，具体涉及一种双脉冲双向环形激光放大器。
背景技术
当今激光放大器的构型通常是主控振荡器的功率放大器(MOPA)，或是多程放大器。MOPA是将一个脉冲逐次注入多个激光放大器，以获得较高的能量输出，同时激光放大器口径需要随着脉冲能量的增加而增加以保证系统增益。同时在有些情况下需要在各个激光放大器之间放置空间滤波器，保证像传递。MOPA通常系统庞大而冗余，储能提取效率极低。而多程放大器则是利用一束脉冲在同一个增益介质内多次传输以达到充分利用其储能的目的，然而这种构型结构复杂而冗长，造价昂贵，储能提取效率依旧受限。
如今工业激光市场对高峰值功率、高平均功率的需求越来越大，上述两种激光放大器构型显然已经无法兼顾工业领域对结构紧凑、成本低廉、可靠性高、储能提取效率高等需求，因此有必要提出一种新的激光放大器构型。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有激光放大器构型的不足，本发明实施例提供了一种双脉冲双向环形激光放大器。
本发明实施例提供了一种双脉冲双向环形激光放大器，包括：第一光隔离器，用于在第一方向上透射第一偏振态的第一脉冲，将第二方向上的第一偏振态的第二脉冲转换为第二偏振态，并反射第二偏振态的第二脉冲，其中，第一方向与第二方向相反；第二光隔离器，用于在第二方向上透射第一偏振态的第二脉冲，将第一方向上的第一偏振态的第一脉冲转换为第二偏振态，并反射第二偏振态的第一脉冲；环形光路，设置在第一光隔离器与第二光隔离器之间，用于将第一光隔离器透射的第一偏振态的第一脉冲循环放大至预设环数后沿第一方向输出至第二光隔离器；将第二光隔离器透射的第一偏振态的第二脉冲循环放大至预设环数后沿第二方向输出至第一光隔离器。
可选地，环形光路包括：第一偏振器，设置于第一光隔离器与第二光隔离器之间，用于透射第一偏振态的第一脉冲、第二脉冲，反射第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲；第二偏振器，设置于第一偏振器与第二光隔离器之间，用于透射第一偏振态的第一脉冲、第二脉冲，反射第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲；光电开关，设置在第一偏振器与第二偏振器之间，用于分别切换第一脉冲、第二脉冲的第一偏振态和第二偏振态；至少一个激光放大器，用于放大第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲；第一反射镜，用于反射第一偏振器或第二偏振器反射的第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲；第二反射镜，用于反射第一反射镜反射的第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲。
可选地，环形光路还包括：空间滤波器，用于对第一反射镜或第二反射镜反射的第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲进行滤波。
可选地，空间滤波器包括：第一透镜，设置在激光放大器与第一反射镜之间，用于将第二偏振态的第一脉冲和第二脉冲进行聚焦或准直；滤波孔，设置在第一反射镜与第二反射镜之间，用于滤除第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲中的高频调制；第二透镜，设置在第二反射镜与第一偏振器之间，用于将第二偏振态的第一脉冲和第二脉冲进行聚焦或准直。
可选地，环形光路总长为第一透镜或第二透镜焦距的4倍。
可选地，光电开关为普克尔盒。
可选地，第一偏振器、第二偏振器为布儒斯特角偏振片或偏振分束立方体。
可选地，激光放大器包括：增益介质和泵浦源，泵浦源用于实现增益介质的粒子数反转；增益介质用于将第一脉冲和第二脉冲进行放大。
可选地，增益介质为片状放大器、棒状放大器或透射型激光增益介质；泵浦源为氙灯或半导体激光器。
本发明实施例提供的双脉冲双向环形激光放大器，可分别通过第一光隔离器和第二光隔离器输入第一脉冲和第二脉冲，在环形光路中同时对第一脉冲和第二脉冲进行循环放大至预设环数后，分别从第二隔离器和第一光隔离器输出，实现一个激光放大器同时对两束脉冲进行放大，储能提取效率更高，同时较高的储能提取效率也就意味着残余能量变为热量较少，降低了激光系统的热管理压力，提升了系统的稳定性，且利用双脉冲双向环形放大，激光放大器结构紧凑，在一个激光放大器上就可以实现过去两个激光放大器才能获得的能量输出，有极高的性价比，和极低的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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1示出了本发明实施例中双脉冲双向环形激光放大器的结构示意图；
图2示出了本发明实施例中另一种空间滤波器的结构示意图；
图3示出了本发明实施例采用双脉冲环形激光放大器放大后的第一脉冲和第二脉冲对各片状放大器储能提取效率分布示意图；
图4示出了本发明实施例采用双脉冲环形激光放大器放大后的第一脉冲和第二脉冲的注入能量与输出能量关系的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种双脉冲双向环形激光放大器，如图1所示，包括：第一光隔离器100，用于在第一方向上透射第一偏振态的第一脉冲，将第二方向上的第一偏振态的第二脉冲转换为第二偏振态，并反射第二偏振态的第二脉冲，其中，第一方向与第二方向相反；第二光隔离器200，用于在第二方向上透射第一偏振态的第二脉冲，将第一方向上的第一偏振态的第一脉冲转换为第二偏振态，并反射第二偏振态的第一脉冲；环形光路300，设置在第一光隔离100器与第二光隔离器200之间，用于将第一光隔离器100透射的第一偏振态的第一脉冲循环放大至预设环数后沿第一方向输出至第二光隔离器200；将第二光隔离器200透射的第一偏振态的第二脉冲循环放大至预设环数后沿第二方向输出至第一光隔离器100。
具体的，第一脉冲(如图1中实线所示)沿第一方向输入，透射经过第一光隔离器100，进入环形光路300进行循环多次放大后，沿第一方向出射，到达第二光隔离200，第二光隔离200将第一方向上的第一偏振态的第一脉冲转换成第二偏振态，并将第一脉冲输出。第二脉冲(如图1中虚线所示)沿第二方向输入，透射经过第二光隔离器200，进入环形光路300进行循环多次放大后，沿第二方向出射，到达第一光隔离100，第一光隔离器100将第二方向上的第一偏振态的第二脉冲转换成第二偏振态，并将第二脉冲输出。
本发明实施例提供的双脉冲双向环形激光放大器，可分别通过第一光隔离器和第二光隔离器输入第一脉冲和第二脉冲，在环形光路中同时对第一脉冲和第二脉冲进行循环放大至预设环数后，分别从第二隔离器和第一光隔离器输出，实现一个激光放大器同时对两束脉冲进行放大，储能提取效率更高，同时较高的储能提取效率也就意味着残余能量变为热量较少，降低了激光系统的热管理压力，提升了系统的稳定性，且利用双脉冲双向环形放大，激光放大器结构紧凑，在一个激光放大器上就可以实现过去两个激光放大器才能获得的能量输出，有极高的性价比，和极低的成本。
在可选的实施例中，环形光路300包括：第一偏振器4，设置于第一光隔离器100与第二光隔离器200之间，用于透射第一偏振态的第一脉冲、第二脉冲，反射第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲；第二偏振器6，设置于第一偏振4器与第二光隔离器200之间，用于透射第一偏振态的第一脉冲、第二脉冲，反射第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲；光电开关5，设置在第一偏振器4与第二偏振器6之间，用于分别切换第一脉冲、第二脉冲的第一偏振态和第二偏振态；至少一个激光放大器7，用于放大第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲；第一反射镜11或9，用于反射第一偏振器4或第二偏振器6反射的第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲；第二反射镜9或11，用于反射第一反射镜11反射的第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲。
具体的，如图1所示，当对第一脉冲进程循环放大时，第一反射镜为9，第二反射镜为11。当对第二脉冲进行循环放大时，第一反射镜为11，第二反射镜为9。激光放大器7可以放置在环形光路300中的任意地方，仅需要保证，在整个传输过程中，两束脉冲不会在激光放大器的增益介质内交叠，以确保增益倍数与增益介质本身的安全性。激光放大器7可以根据实际需求调整相关参数，例如，长度，尺寸，增益强度，或是数量。同时，若存在多个激光放大器时，可以在激光放大器之间插入90°石英转子或是主轴有一定旋转角度的波片以消除放大过程中热致退偏效应带来的影响，保证第一脉冲和第二脉冲的偏振态与近场均匀性。
第一脉冲在双脉冲双向环形激光放大器内的循环方式如下：第一偏振态的第一脉冲(如图1实线所示)从第一方向输入，通过第一光隔离器100，偏振态不发生改变，以第一偏振态穿过第一偏振器4，再穿过光电开关5，此时光电开关5工作，将第一脉冲变为第二偏振态。随后脉冲在第二偏振器6处发生反射，穿过激光放大器7，对第一脉冲进行放大。放大后的第一脉冲再通过第一反射镜和第二反射镜对光路进行偏折。随后，第一脉冲经过第一偏振器4反射，形成环形光路。当光电开关5断电，处于非工作状态时，第一脉冲将被约束在该双脉冲双向环形激光放大器内重复循环进行多次的放大，当在双脉冲双向环形激光放大器内经过一定环数后，将光电开关5重新上电，使其处于工作状态，第一脉冲经过光电开关5后将从第二偏振态转变为第一偏振态，并透射穿过第二偏振器6，从环行光路内导出。第一脉冲经过第二光隔离器200，由于第一脉冲是沿第一方向传输，第一脉冲经过第二光隔离器200时，第一偏振态再次变为第二偏振态，并从第二光隔离器200反射输出。
第二脉冲在双脉冲双向环形激光放大器内的循环方式如下：第一偏振态的第二脉冲(如图1虚线所示)从第二方向输入，通过第二光隔离器200，偏振态不发生改变，以第一偏振态穿过第二偏振器6，再穿过光电开关5，此时光电开关5工作，将第二脉冲变为第二偏振态。随后脉冲在第一偏振器4处发生反射，通过第一反射镜和第二反射镜对光路进行偏折之后，穿过激光放大器7，对第二脉冲进行放大。放大后的第二脉冲再经过第二偏振器6反射，形成环形光路。当光电开关5断电，处于非工作状态时，第二脉冲将被约束在该双脉冲双向环形激光放大器内重复循环进行多次的放大，当在双脉冲双向环形激光放大器内经过一定环数后，将光电开关5重新上电，使其处于工作状态，第二脉冲经过光电开关5后将从第二偏振态转变为第一偏振态，并透射穿过第一偏振器4，从环行光路内导出。第二脉冲经过第一光隔离器100，由于第二脉冲是沿第二方向传输，第二脉冲经过第一光隔离器100时，第一偏振态再次变为第二偏振态，并从第一光隔离器100反射输出。
在可选的实施例中，环形光路300还包括：空间滤波器，用于对第一反射镜或第二反射镜反射的第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲进行滤波。示例性的，本发明实施例中示出的空间滤波器为针孔型空间滤波器，在其他实施例中，如图2所示，空间滤波器301也可以为四镜狭缝空间滤波器。四镜狭缝空间滤波器将传统小孔空间滤波器中的点聚焦变为两个正交的线聚焦，这极大地增加了聚焦后的焦斑面积，降低了焦斑处的峰值功率密度与滤波孔阑边缘处的峰值功率密度。这有利于抑制甚至避免等离子体堵孔的发生，并可以降低某些情况下空间滤波器对真空度的要求。
在可选的实施例中，空间滤波器包括：第一透镜8，设置在激光放大器7与第一反射镜之间，用于将第二偏振态的第一脉冲和第二脉冲进行聚焦或准直；滤波孔10，设置在第一反射镜与第二反射镜之间，用于滤除第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲中的高频调制；第二透镜12，设置在第二反射镜与第一偏振器4之间，用于将第二偏振态的第一脉冲和第二脉冲进行聚焦或准直。具体的，空间滤波器中滤波孔10是为了滤除第一脉冲和第二脉冲中的高频调制，避免非线性效应带来的小尺度自聚焦现象，以保证第一脉冲和第二脉冲近场分布的均匀性。在某些应用场合下，滤波孔10是可以去除的。
在可选的实施例中，环形光路300总长为第一透镜8或第二透镜12焦距的4倍。将环形光路300总长设置为透镜焦距的四倍，可以保证环形光路内各个器件像传递面处处重合，减少第一脉冲和第二脉冲传输过程中因为衍射带来的影响。
在可选的实施例中，第一光隔离器11包括：第三偏振器1；第一半波片2，及第一法拉第旋光器3。具体的，在第一光隔离器100中设置第一法拉第旋光器3，使得第一偏振态的第一脉冲沿第一方向经过第一光隔离器100时，透射，且保持第一脉冲的第一偏振态，而使得第一偏振态的第二脉冲沿第二方向经过第一光隔离器100时，第一法拉第旋光器3将第二脉冲的第一偏振态转变为第二偏振态，并经过第三偏振器反射输出，从而第一光隔离可以在第一方向上透射第一偏振态的第一脉冲，使第一脉冲到达环形光路时状态不发生改变，并可以将环形光路在第二方向上出射的第一偏振态的第二脉冲转变为第二偏振态的第二脉冲，并将第二偏振态的第二脉冲输出，从而可以简化输入和输出光路。
在可选的实施例中，第二光隔离器200包括：第四偏振器15；第二半波片14；及第二法拉第旋光器13。具体的，在第二光隔离器200中设置第二法拉第旋光器13，使得第一偏振态的第二脉冲沿第二方向经过第二光隔离器200时，透射，且保持第二脉冲的第一偏振态，而使得第一偏振态的第一脉冲沿第一方向经过第二光隔离器200时，第二法拉第旋光器13将第一脉冲的第一偏振态转变为第二偏振态，并经过第四偏振器15反射输出，从而第二光隔离可以在第二方向上透射第一偏振态的第二脉冲，使第二脉冲到达环形光路时状态不发生改变，并可以将环形光路在第一方向上出射的第一偏振态的第一脉冲转变为第二偏振态的第一脉冲，并将第二偏振态的第一脉冲输出，从而可以简化输入和输出光路。
在可选的实施例中，光电开关为普克尔盒。
在可选的实施例中，第一偏振器、第二偏振器可以为布儒斯特角偏振片或偏振分束立方体。
在可选的实施例中，激光放大器7包括：增益介质和泵浦源，泵浦源用于实现增益介质的粒子数反转；增益介质用于将第一脉冲和第二脉冲进行放大。
在可选的实施例中，增益介质可以为片状放大器，棒状放大器或其他固体、气体、或是液体的透射型激光增益介质。泵浦源可以为氙灯、半导体激光器或是其他泵浦类型。泵浦源的泵浦方式可以是侧面泵浦或是端面泵浦。例如，以增益介质为八片掺镱的钇铝石榴石(Yb：YAG)片状放大器为例，如图3－4所示，双脉冲环形激光放大器可以实现两束口径100mm＊100mm、每束能量约为100J的激光输出。
在可选的实施例中，环形激光放大器7的输入端和输出端可以包含缩束或扩束系统，以传递初始像面至增益介质的正中间。同样，输出端也可以插入非线性晶体，以实现输出脉冲的倍频或是三倍频。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种双脉冲双向环形激光放大器，其特征在于，包括：
第一光隔离器，用于在第一方向上透射第一偏振态的第一脉冲，将第二方向上的第一偏振态的第二脉冲转换为第二偏振态，并反射所述第二偏振态的第二脉冲，其中，所述第一方向与所述第二方向相反；
第二光隔离器，用于在第二方向上透射所述第一偏振态的第二脉冲，将第一方向上的第一偏振态的第一脉冲转换为第二偏振态，并反射所述第二偏振态的第一脉冲；
环形光路，设置在所述第一光隔离器与所述第二光隔离器之间，用于将所述第一光隔离器透射的所述第一偏振态的第一脉冲循环放大至预设环数后沿第一方向输出至所述第二光隔离器；将所述第二光隔离器透射的所述第一偏振态的第二脉冲循环放大至预设环数后沿第二方向输出至所述第一光隔离器。
2.根据权利要求1所述的双脉冲双向环形激光放大器，其特征在于，所述环形光路包括：
第一偏振器，设置于所述第一光隔离器与第二光隔离器之间，用于透射所述第一偏振态的第一脉冲、第二脉冲，反射所述第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲；
第二偏振器，设置于所述第一偏振器与第二光隔离器之间，用于透射所述第一偏振态的第一脉冲、第二脉冲，反射所述第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲；
光电开关，设置在所述第一偏振器与所述第二偏振器之间，用于分别切换所述第一脉冲、第二脉冲的第一偏振态和第二偏振态；
至少一个激光放大器，用于放大所述第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲；
第一反射镜，用于反射所述第一偏振器或第二偏振器反射的第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲；
第二反射镜，用于反射所述第一反射镜反射的所述第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲。
3.根据权利要求2所述的双脉冲双向环形激光放大器，其特征在于，所述环形光路还包括：
空间滤波器，用于对所述第一反射镜或第二反射镜反射的所述第二偏振态的第一脉冲、第二脉冲进行滤波。
4.根据权利要求3所述的双脉冲双向环形激光放大器，其特征在于，所述空间滤波器包括：
第一透镜，设置在所述激光放大器与所述第一反射镜之间，用于将所述第二偏振态的第一脉冲和第二脉冲进行聚焦或准直；
滤波孔，设置在所述第一反射镜与所述第二反射镜之间，用于滤除第二偏振态的所述第一脉冲、第二脉冲中的高频调制；
第二透镜，设置在所述第二反射镜与所述第一偏振器之间，用于将所述第二偏振态的第一脉冲和第二脉冲进行聚焦或准直。
5.根据权利要求4所述的双脉冲双向环形激光放大器，其特征在于，
所述环形光路总长为所述第一透镜或第二透镜焦距的4倍。
6.根据权利要求2所述的双脉冲双向环形激光放大器，其特征在于，所述光电开关为普克尔盒。
7.根据权利要求2所述的双脉冲双向环形激光放大器，其特征在于，所述第一偏振器、第二偏振器为布儒斯特角偏振片或偏振分束立方体。
8.根据权利要求2所述的双脉冲双向环形激光放大器，其特征在于，所述激光放大器包括：增益介质和泵浦源，
泵浦源用于实现所述的增益介质粒子数反转；
增益介质用于将所述第一脉冲和第二脉冲进行放大。
9.根据权利要求8所述的双脉冲双向环形激光放大器，其特征在于，
所述增益介质为固体、气体、或是液体的透射型激光增益介质；
所述泵浦源为氙灯或半导体激光器。
10.根据权利要求8所述的双脉冲双向环形激光放大器，其特征在于，
所述增益介质为片状放大器或棒状放大器；
所述泵浦源为氙灯或半导体激光器。
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