CN112152061A - 一种激光放大器 - Google Patents

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刘可
王小军
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许祖彦
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Abstract

一种激光放大器，包括：泵浦模块(1)、增益介质(3)、光波导(2)和/或反射镜(4)；泵浦模块(1)提供泵浦光；光波导(2)设置在泵浦光的行进方向上，约束泵浦光进入光波导(2)内进行匀化；增益介质(3)设置在光波导(2)后泵浦光的行进方向上，泵浦光在增益介质(3)中形成均匀的泵浦区域；增益介质(3)位于两个光波导(2)之间、或位于光波导(2)和反射镜(4)之间，穿过增益介质(3)的激光(5)在两个光波导(2)之间、或光波导(2)和反射镜(4)之间进行多次反射。本发明结构紧凑且易于调节，无需额外的反射腔镜、放大程数多达二十多程，实现高增益放大。

Description

一种激光放大器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种激光放大器。
背景技术
皮秒脉冲激光在激光精密加工、生物医疗、激光频率变换、科学研究等领域均有重要的应用。尤其在激光精密加工领域，皮秒激光峰值功率高、与材料作用时间短，加工区域受热效应影响较小，因此加工边缘整齐、精度高，具备“冷加工”的特点。因此在智能制造、航空航天、汽车制造等高端制造中得到越来越多的应用。
然而，无论是采用半导体激光器、光纤激光器或者全固态激光器，直接产生的皮秒脉冲激光功率通常都很小，不能满足应用需求，因此必须采用合适的激光放大器对皮秒种子激光进行放大，使得平均功率增长1-3个量级来满足实际应用需求。
1998年德国夫琅禾费研究所的杜可明等人提出部分端泵多程直通板条放大器—Innoslab放大器。Innoslab放大器的一个特点是“部分端面泵浦”，所谓部分端面泵浦是指泵浦光被整形成一条光强分布均匀的横截面为长方形的细线，该细线入射至晶体端面,使得泵浦光不是充满整个晶体,而只是泵浦了晶体的一部分，在晶体中央构成了薄片状的增益层,并与激光模体积有较好的匹配，可提高光-光转换效率。同时，入射种子激光整形为小口径光束，通过“之”字形光路沿多次往返直接通过板条介质，由于种子激光光束口径小、功率密度高且多程往返放大，因此可实现高功率与高效率放大。在该设计中，由半导体激光阵列发出的泵浦光经过聚焦后注入平行波导，泵浦光在平行波导中多次内反射后在波导出口处得到匀化，形成均匀的线状泵浦光。
但是，波导出口处均匀的泵浦光分布只能保持较短的距离，传播距离超过10mm后均匀性将会被破坏，须通过成像系统将波导出口处均匀分布的泵浦光按比例成像至板条晶体处，导致泵浦耦合系统占据较大的体积，在实际的激光器结构中，往往还包括一对激光高反射镜用于多次反射种子激光。因此这种泵浦设计板条激光放大器体积较大，且不易调节，放大程数有限。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种激光放大器，通过各个装置之间的巧妙配合使得激光放大器体积较小、结构紧凑且易于调节，放大程数多。
(二)技术方案
为解决上述问题，根据本发明的一个方面,本发明提供了一种激光放大器，包括：至少一个泵浦模块、增益介质、至少一个光波导和/或反射镜；泵浦模块，用于提供泵浦光；光波导设置在泵浦光的行进方向上，约束泵浦光进入光波导内部进行匀化；增益介质设置在光波导后泵浦光的行进方向上，泵浦光在增益介质中形成均匀的泵浦区域；增益介质位于两个光波导之间、或位于一个光波导和反射镜之间，使得穿过增益介质的激光在两个光波导之间、或光波导和反射镜之间进行多次反射后射出。
进一步的，一个光波导设置在一个泵浦光的行进方向上；另一个光波导设置在另一个泵浦光的行进方向上；增益介质位于两个光波导之间，激光经过一个光波导的边缘以一定角度穿过增益介质，并在两个光波导之间进行多次反射后射出。
进一步的，光波导设置在泵浦光的行进方向上；增益介质位于光波导和反射镜之间；激光经过光波导的边缘以一定角度穿过增益介质，并在光波导和反射镜之间进行多次反射后射出。
进一步的，光波导靠近增益介质的一端面镀有对激光的反射膜。
进一步的，光波导靠近增益介质的一端面和靠近泵浦模块的另一端面镀有对泵浦光的透过膜。
进一步的，光波导的一端面和增益介质的间距小于10mm。
进一步的，增益介质和反射镜的间距小于10mm。
进一步的，还包括：泵浦光整形模块，其设置在泵浦模块之后的泵浦光的行进方向上；泵浦光整形模块包括依次排列的微透镜和柱透镜，分别对泵浦光进行准直和聚焦。
进一步的，增益介质为宽度>长度>厚度的长方体；其材料为Nd:YAG、Nd:YVO4、Yb:YAG、Nd:GdVO4、Tm:YLF。
进一步的，光波导为石英材料制成，且光波导的表面经过抛光处理。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
泵浦光从光波导出口直接注入增益介质，同时将泵浦光整形光波导与反射镜合为一体，结构紧凑且易于调节；无需额外的反射腔镜、放大程数多达二十多程，实现高增益放大。
附图说明
图1是本发明提供的激光放大器的实施例一结构图；
图2是本发明提供的激光放大器的实施例二结构图；
图3是本发明提供的激光放大器的实施例三结构图。
附图标记：
1-泵浦模块；2-光波导；3-增益介质；4-反射镜；5-激光。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
图1是本发明提供的激光放大器的实施例一结构图。
在一实施例中，本发明提供了一种激光放大器，包括：至少一个泵浦模块1、增益介质3、至少一个光波导2和/或反射镜4；泵浦模块1，用于提供泵浦光；光波导2设置在泵浦光的行进方向上，约束泵浦光进入光波导2内部进行匀化；增益介质3设置在光波导2后泵浦光的行进方向上，泵浦光在增益介质3中形成均匀的泵浦区域；增益介质3位于两个光波导2之间、或位于一个光波导2和反射镜4之间，使得穿过增益介质3的激光5在两个光波导2之间、或光波导2和反射镜4之间进行多次反射后射出。
具体地，本发明的一种激光放大器通过将激光5在光波导2的反射面之间往复反射并多次穿过增益介质3，使得激光5在增益介质3中往返次数加倍，从而提供更大的增益，获得上百瓦激光输出。
其中激光5可以在两个光波导2的反射面之间来回多次反射，也可以在光波导2的反射面和反射镜4的反射面之间来回多次反射。
可选的，增益介质3为板条增益介质。
可选的，激光5为皮秒种子激光；皮秒种子激光由全固态皮秒锁模激光器产生。
可选的，泵浦模块1由半导体激光巴条阵列组成，其发出的泵浦光为线状。
在一实施例中，一个光波导2设置在一个泵浦光的行进方向上；另一个光波导2设置在另一个泵浦光的行进方向上；增益介质3位于两个光波导2之间，激光5经过一个光波导2的边缘以一定角度穿过增益介质3，并在两个光波导2之间进行多次反射后射出。
具体地，该实施例中采用双端泵浦的方式，两个相同的泵浦模块1分别相对设置，一个光波导2设置在一个泵浦模块1之后的泵浦光的行进方向上，另一个光波导2设置在另一个泵浦模块1之后的泵浦光的行进方向上，此时两个光波导2也是相对设置的，增益介质3放置于两个光波导2之间。上述两个泵浦光均投射入增益介质3，在增益介质3中形成均匀的薄层泵浦区域。
可选的，两个相同的泵浦模块1分别相对设置，但相互不平行，其中一个泵浦模块1相对于另外一个泵浦模块1放置的错位一些。而两个光波导2分别与两个泵浦模块1处于同一平面，此时两个光波导2相对设置而不位于同一直线，同时两个光波导2相对设置的两个端面相互错开一定距离。
激光5以一定的角度从其中一个光波导2的侧面边缘方向投射，将激光5投射至另外一个光波导2的端面上，该端面将激光5以相同的角度反射至一个光波导2的端面，以此往复反射，最终从另外一个光波导2的侧面边缘方向投射出。
可选的，两个相同的泵浦模块1分别相对设置，且平行，位于同一条直线上。而两个光波导2也位于该直线上，但此时两个光波导2相对设置的两个端面之间存在一定的夹角，因此激光5来回反射过程中与反射面法线的夹角会越来越小，当夹角小于等于0°时激光5将折回入射处，直至从其中一个光波导2的侧面边缘输出。
在一实施例中，光波导2设置在泵浦光的行进方向上；增益介质3位于光波导2和反射镜4之间；激光5经过光波导2的边缘以一定角度穿过增益介质3，并在光波导2和反射镜4之间进行多次反射后射出。
具体地，该实施例只有一个泵浦模块1，光波导2设置在泵浦模块1之后的泵浦光的行进方向上，反射镜4与光波导2相对设置，此时增益介质3位于光波导2和反射镜4之间。
在一实施例中，光波导2靠近增益介质3的一端面镀有反射率膜。
在一实施例中，光波导2靠近增益介质3的一端面和靠近泵浦模块1的另一端面镀有对泵浦光的透过膜。
具体地，光波导2包括两个端面，一端面靠近增益介质3，另一端面靠近泵浦模块1。泵浦光进入光波导2的另一端面，在光波导2进行匀化；匀化后的泵浦光从光波导2的一端面导出，再进入增益介质3中。而激光5经过光波导2的边缘以一定角度穿过增益介质3，穿过增益介质3后又被另一光波导2的一端面反射，或被反射镜4反射回增益介质3，如此往复。
可选的，光波导2的一端面镀有对激光5的反射率大于90％的介质膜；反射镜4对激光5的反射率大于90％。
可选的，光波导2的两个端面镀有对泵浦光的透过率大于90％的介质膜。
在一实施例中，光波导2的一端面和增益介质3的间距小于10mm。
在一实施例中，增益介质3和反射镜4的间距小于10mm。
具体地，间距小于10mm有利于泵浦光的输送，使得实现高增益放大的技术特征更加明显。
在一实施例中，增益介质3的宽度大于光波导2的高度和反射镜4的宽度。
具体地，由于增益介质3宽度比光波导2的宽度和反射镜4的宽度大，因此增益介质3端面边缘有一定距离的区域未被光波导2或反射镜4遮挡，有利于激光5的注入和输出。
在一实施例中，还包括：泵浦光整形模块，其设置在泵浦模块1之后的泵浦光的行进方向上；泵浦光整形模块包括依次排列的微透镜和柱透镜，分别对泵浦光进行准直和聚焦。
具体地，泵浦光整形模块能够使得泵浦模块1产生的所有泵浦光均进入光波导2中。微透镜使得发散的泵浦光准直，柱透镜使得发散的泵浦光聚焦。
在一实施例中，增益介质3为宽度>长度>厚度的长方体；其材料为Nd:YAG、Nd:YVO4、Yb:YAG、Nd:GdVO4、Tm:YLF。
在一实施例中，光波导2为石英材料制成，且光波导2的表面经过抛光处理。
具体地，光波导2是形状为长方体的石英材料，其中包括两个宽×厚的两个端面、宽×长的两个侧面；侧面以及端面均经过抛光处理。
实施例1：
如图1所示，该激光放大器为双端泵浦结构。
两个泵浦模块1均为808nm半导体激光巴条排列组成，单个半导体激光巴条的最高平均功率为100W，则双端泵浦的总功率为200W。
光波导2均采用石英材料制成，具体尺寸为：厚5mm、宽10mm、长80mm。其中厚5mm×宽10mm的两个端面、厚5mm×长80mm的侧面均经过抛光处理，且厚5mm×宽10mm的两个端面均镀有对于808nm泵浦光透过率为90％的介质膜。
光波导2的一端面靠近增益介质3，该端面与增益介质3的距离小于5mm，其表面还镀有对1064nm激光反射率为90％的介质膜。
增益介质3的尺寸为厚1.2mm、宽12mm、长12mm的Nd:YAG，掺杂浓度为0.9％。
由于增益介质3的宽度比光波导2大，因此增益介质3端面边缘有2mm的区域未被光波导2遮挡，有利于激光5的注入和输出。
泵浦模块1通过半导体激光巴条发出的泵浦光为线状，其快轴方向经过微透镜准直，发散角小于2°，光斑尺寸约为1mm，因此泵浦光注入光波导2后，其快轴方向基本保持尺寸不变；而其慢轴方向发散角较大，约为10°，慢轴方向发散的光被光波导2的侧面多次全内反射约束到波导内部并得到匀化。因此在光波导2靠近增益介质3的出口处形成快轴方向尺寸约为1mm、慢轴方向尺寸为10mm的均匀线状泵浦光斑。
可选的，当泵浦模块1为半导体激光巴条排列组成时，需要微透镜和柱透镜进行准直和聚焦；当泵浦模块1其他泵源时，本领域技术人员可选择其他类型的整形透镜。
由于光波导2的泵浦光出口端面距离增益介质3小于5mm，因此从光波导2输出的线状均匀泵浦光直接注入增益介质3，在其内部形成均匀的薄层泵浦区域，该薄层泵浦区域形成的增益区可以和放大的激光5进行良好的模式匹配并有利于提高激光的提取效率。
激光5由光纤激光器产生，平均功率为100mW，波长为1064nm、脉宽为10ps、脉冲重复频率为500kHz，光斑尺寸约为1mm。其经过一个光波导2的边缘以一定的角度注入到增益介质3中，之后穿过增益介质3到达另一光波导2的一端面，被另一光波导2的一端面反射，再次穿过增益介质3到达一个光波导2的一端面，以此类推，在；两个光波导2的一端面和之间以特定的角度来回反射并得到放大，直至从其中一个光波导2的边缘输出，其平均功率可被放大至数十W。
实施例2：
如图2所示，与实施例1相比，将双端泵浦结构改为单端泵浦结构，将实施例1中的另一个泵浦模块1和另一个光波导2替换为：能够对1064nm激光5反射率高达90％的反射镜4。
泵浦模块1由两个880nm半导体激光巴条水平排列组成，单个巴条最高平均功率100W，总泵浦功率200W。
光波导2是厚5mm、宽20mm、长100mm的石英材料，其中厚5mm×宽20mm两个端面和厚5mm×长100mm的两个侧面均经过抛光处理，且两个端面均镀有对880nm泵浦光透过率为90％的介质膜。
此外，光波导2靠近增益介质3的一端面距增益介质3距离小于5mm，表面还镀有对1064nm激光反射率为90％的介质膜。
增益介质3的尺寸为厚1.2mm、宽22mm、长12mm的Nd:YVO4，掺杂浓度为0.4％。由于增益介质3的高度比光波导2大，因此增益介质3端面边缘有2mm的区域未被光波导2遮挡，有利于激光5的注入和输出。
因为泵浦模块1中由半导体激光巴条阵列发出的泵浦光为线状，其快轴方向经过了微透镜准直，发散角小于2°，光斑尺寸约为0.5mm，而其慢轴方向发散角较大，约为10°，因此泵浦光注入光波导2后，其快轴方向基本保持尺寸不变，而沿其慢轴方向发散的光被光波导2侧面多次全内反射约束的到光波导2内部并得到匀化。
因此在光波导2出口处形成快轴方向尺寸约为0.5mm、慢轴方向尺寸为20mm的均匀线状泵浦光斑。由于光波导2的泵浦光出口端面距离增益介质小于5mm，因此从光波导2输出的线状均匀泵浦光直接注入增益介质3在其内部形成均匀的薄层泵浦区域。
在增益介质3相对于光波导2的一侧放置一个对1064nm激光反射率为90％的反射镜4，距离增益介质距离小于10mm。
激光5由全固态皮秒锁模激光器产生，波长为1064nm、脉宽为10ps、重复频率为10MHz、平均功率为5W，光斑尺寸约为0.5mm，经过光波导2的边缘以一定的角度注入到增益介质3中，后穿过增益介质3，被反射镜4反射回增益介质3，又投射至光波导2的一端面，以此类推，在光波导2的一端面和反射镜4之间以特定的角度来回反射并得到放大，直至从反射镜4的边缘输出，平均功率可被放大至数十W。
实施例3：
如图3所示，该激光放大器为双端泵浦结构。两个泵浦模块1分别由3个940nm半导体激光巴条水平排列组成，单个巴条最高平均功率100W，双端泵浦总功率600W。
光波导2采用石英材料制成，尺寸为厚5mm、宽25mm，长100mm；其中厚5mm×宽25mm的两个端面和厚5mm×长100mm的两个侧面均经过抛光处理，且厚5mm×宽25mm的两个端面均镀有对940nm泵浦光透过率为90％的介质膜。
光波导2的一端面靠近增益介质3，该端面与增益介质3的距离小于5mm，表面还镀有对1030nm激光反射率为90％的介质膜。
增益介质3的尺寸为厚1mm、宽30mm、长12mm的Yb:YAG，掺杂浓度为1％。由于增益介质3的高度比光波导2大，因此增益介质3的端面边缘有5mm的区域未被光波导2遮挡，有利于激光5的注入和输出。
泵浦模块1通过半导体激光巴条发出的泵浦光为线状。其快轴方向(垂直纸面)经过了微透镜准直，发散角小于2°，再经焦距为100mm的柱透镜压缩将快轴光斑尺寸聚焦为约0.3mm；而其慢轴方向发散角较大，约为10°，因此泵浦光注入光波导2后，其快轴方向基本保持尺寸不变，而沿其慢轴方向发散的光被光波导2的侧面多次全内反射约束到光波导2内部并得到匀化。
因此在光波导2的出口处形成快轴方向尺寸约为1mm、慢轴方向尺寸为25mm的均匀线状泵浦光斑。由于光波导2的泵浦光出口端面距离增益介质小于5mm，因此从光波导2输出的线状均匀泵浦光直接注入增益介质3，在其内部形成均匀的薄层泵浦区域。
激光5由光纤激光器产生，平均功率为5W，波长为1030nm、脉宽为10ps、脉冲重复频率为100MHz，光斑尺寸约为水平方向1mm，垂直方向0.3mm，经过一个光波导2的边缘以一定的角度注入到增益介质3，然后被另一光波导2的一端面反射回增益介质3中，又再次穿过增益介质3，投射至一个光波导2的一端面，以此类推，在两个光波导2的一端面之间以特定的角度来回反射并得到放大。
由于两个光波导2的一端面之间存在2°的夹角，因此激光5来回反射过程中与反射面法线的夹角会越来越小，当夹角小于等于0°时光线将折回入射处，直至从光波导2的边缘输出。
这种设计可以使激光5在增益介质3中往返次数加倍，从而提供更大的增益，获得上百瓦皮秒激光输出。
本发明旨在保护一种激光放大器，包括：至少一个泵浦模块1、增益介质3、至少一个光波导2和/或反射镜4；泵浦模块1，用于提供泵浦光；光波导2设置在泵浦光的行进方向上，约束泵浦光进入光波导2内部进行匀化；增益介质3设置在光波导2后泵浦光的行进方向上，泵浦光在增益介质3中形成均匀的泵浦区域；增益介质3位于两个光波导2之间、或位于一个光波导2和反射镜4之间，使得穿过增益介质3的激光5在两个光波导2之间、或光波导2和反射镜4之间进行多次反射后射出。泵浦光从光波导出口直接注入增益介质，同时将泵浦光整形光波导与反射镜合为一体，结构紧凑且易于调节；无需额外的反射腔镜、放大程数多达二十多程，实现高增益放大。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种激光放大器，其特征在于，包括：至少一个泵浦模块(1)、增益介质(3)、至少一个光波导(2)和/或反射镜(4)；
所述泵浦模块(1)，用于提供泵浦光；
所述光波导(2)设置在所述泵浦光的行进方向上，约束所述泵浦光进入所述光波导(2)内部进行匀化；
所述增益介质(3)设置在所述光波导(2)后所述泵浦光的行进方向上，所述泵浦光在所述增益介质(3)中形成均匀的泵浦区域；
所述增益介质(3)位于两个所述光波导(2)之间、或位于一个所述光波导(2)和所述反射镜(4)之间，使得穿过所述增益介质(3)的激光(5)在两个所述光波导(2)之间、或所述光波导(2)和所述反射镜(4)之间进行多次反射后射出。
2.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，
一个所述光波导(2)设置在一个所述泵浦光的行进方向上；
另一个所述光波导(2)设置在另一个所述泵浦光的行进方向上；
所述增益介质(3)位于两个所述光波导(2)之间，所述激光(5)经过一个所述光波导(2)的边缘以一定角度穿过所述增益介质(3)，并在两个所述光波导(2)之间进行多次反射后射出。
3.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，
所述光波导(2)设置在所述泵浦光的行进方向上；
所述增益介质(3)位于所述光波导(2)和所述反射镜(4)之间；
所述激光(5)经过所述光波导(2)的边缘以一定角度穿过所述增益介质(3)，并在所述光波导(2)和所述反射镜(4)之间进行多次反射后射出。
4.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，
所述光波导(2)靠近所述增益介质(3)的一端面镀有对所述激光(5)的反射膜。
5.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，
所述光波导(2)靠近所述增益介质(3)的一端面和靠近所述泵浦模块(1)的另一端面镀有对所述泵浦光的透过膜。
6.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，
所述光波导(2)的一端面和所述增益介质(3)的间距小于10mm。
7.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，
所述增益介质(3)和所述反射镜(4)的间距小于10mm。
8.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，还包括：泵浦光整形模块，其设置在所述泵浦模块(1)之后的所述泵浦光的行进方向上；
所述泵浦光整形模块包括依次排列的微透镜和柱透镜，分别对所述泵浦光进行准直和聚焦。
9.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，
所述增益介质(3)为宽度>长度>厚度的长方体；
其材料为Nd:YAG、Nd:YVO4、Yb:YAG、Nd:GdVO4、Tm:YLF。
10.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，
所述光波导(2)为石英材料制成，且所述光波导(2)的表面经过抛光处理。
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