CN114024199A - 一种激光放大器光路 - Google Patents
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Abstract
一种激光放大器光路。包括:振荡级(11)、扩束镜(22)、第一放大级(33)、第二放大级(44);振荡级(11)输出的激光经扩束镜(22)后进入第一放大级(33),然后进入第二放大级(44),经过两级放大后输出激光;扩束镜(22)用于对激光光斑进行扩束处理,从扩束镜(22)输出的激光以布儒斯特角入射到第一放大级(33);从第一放大级(33)输出的激光以布儒斯特角入射到第二放大级(44)。本发明克服了端面泵浦带来的功率限制、应力分布以及温度波动等问题,提供了一种紧凑型的激光放大器,可在‑45℃~70℃的温度范围内稳定工作。
Description
技术领域
本发明属于固体激光器技术领域,特别是一种激光放大器光路。
背景技术
纳秒脉宽、高单脉冲能量的固体激光系统广泛应用于工业、科研、医疗以及军事国防等领域,如材料加工、激光测距、激光雷达等。其中,使用激光二极管(Laser Diode)泵浦的固体激光器,不仅减小了激光介质的热效应,而且提高了增益介质对泵浦光的吸收效率,使得激光器的结构更加小型化、轻量化。同时,由于一些特殊领域的应用,不仅对激光系统结构有小型化的要求,更要求其有较高的输出能量、光束质量和温度稳定性,以满足复杂的环境要求。一般情况下,输出激光在满足高的光束质量时无法兼顾高的输出功率或能量,因此为了同时满足能量和光斑质量的要求,需要使用激光放大器。
目前的激光放大系统中,一般采用LD泵浦源,通过端泵方式产生种子光源并对其能量进行放大。使用端面泵浦时,半导体激光模式和固体工作物质的激光震荡模式在空间上可以很好的进行匹配,所以LD泵浦源和激光器之间的耦合效率高。同时,使用TEC制冷的方式以保证泵浦源的温度稳定性。但采用端面泵浦时输出功率受单个二极管输出功率的限制,增加的TEC制冷装置会加大结构的复杂性,不利于小型化和集成化。而利用半导体激光阵列侧面泵浦固体工作物质,虽然效率低但在脉冲或连续工作时,都能获得较高的输出功率或能量。由于材料自身因素,在高功率固体激光器中,工作物质会产生明显的热效应。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服端面泵浦带来的功率限制和应力分布以及温度波动等问题,提供一种紧凑型的激光放大器,可在-45°~70°的温度范围内稳定工作。
本发明的技术解决方案是:
一种激光放大器光路,包括:振荡级、扩束镜、第一放大级、第二放大级;
振荡级输出的激光经扩束镜后进入第一放大级,然后进入第二放大级,经过两级放大后输出激光;
扩束镜用于对激光光斑进行扩束处理;从扩束镜输出的激光以布儒斯特角入射到第一放大级;从第一放大级输出的激光以布儒斯特角入射到第二放大级。
可选地,所述的扩束镜的放大倍数取值范围为1~3倍。
可选地,振荡级包括:LD泵浦源阵列、热沉、全反腔镜、楔形镜组、振荡级激光晶体、屋脊棱镜、偏振片、1/4波片、Q开关、输出镜;
LD泵浦源阵列放置在热沉上,LD泵浦源阵列发出泵浦光后经准直聚焦,入射到板条状的振荡级激光晶体中,振荡级激光晶体的出射光入射到屋脊棱镜,光路经折转180°后再经屋脊棱镜出射,然后依次经过偏振片、1/4波片、Q开关和输出镜,楔形镜组位于振荡级激光晶体之前,楔形镜组用于调整激光的光束指向;全反腔镜位于楔形镜组之前,全反腔镜用于实现激光的全反射,全反腔镜和输出镜共同构成谐振腔,经多次增益后输出激光。
可选地,所述Q开关8的调Q方式包括主动调Q和被动调Q。
可选地,所述主动调Q包括电光调Q和声光调Q。
可选地,所述Q开关8中的调Q晶体为RTP晶体、KDP晶体、KTP晶体中的任意一个。
可选地,第一放大级包括:放大级泵浦模块和放大级激光晶体;
振荡级输出的激光经扩束镜后进入放大级激光晶体,放大级泵浦模块中的泵浦光经准直聚焦后入射到放大级激光晶体,输出经过放大的激光给第二放大级。
可选地,放大级泵浦模块用于向放大级激光晶体提供808nm的泵浦源。
可选地,第二放大级与第一放大级的结构相同,第二放大级对经第一放大级放大的激光束能量进行放大,最后输出满足能量要求和光斑质量要求的激光。
可选地,LD泵浦源阵列和放大级泵浦模块中采用多色LD宽光谱抽运。
本发明与现有技术相比的优点在于:
1)本发明的激光器振荡级和放大级均采用侧面泵浦的方式,能够获得较高的输出功率,同时,板条形状的介质可实现均匀泵浦,折射率梯度不明显,锯齿形光路可补偿晶体的热透镜效应,结构对称和正确的线偏振选择可消除热双折射效应。
2)本发明振荡级和放大级中采用多色LD宽光谱抽运,这种无温控的设计能够保证在一定温度变化范围内,泵浦光与激光晶体的模式匹配,同时减少了温控器件的使用,有利于系统结构的紧凑性。
3)本发明放大级中采用振荡级后加扩束镜的设计,能够将光束进行准直,降低输入功率密度,提高放大级的抗激光损伤性能。
4)本发明放大级激光晶体端面设计为一定斜角,使晶体内的激光束按布儒斯特角进行内反射,有利于防止寄生振荡;同时还能保持出射激光的偏振状态;倾斜的入射端面也能在一定程度上增大入射激光光斑尺寸,提高激光晶体的抗损伤性能。
5)本发明采用屋脊棱镜的结构设计对光路进行折转,能够是激光系统更加紧凑,同时有利于结构的稳定性。
6)本发明采用连续两级放大的设计,能够对振荡级的种子光源进行充分的放大,以满足实际需求。
附图说明
图1为本发明的整体光路示意图;
图2为本发明振荡级11内部光路示意图。
具体实施方式
如图1所示,本发明一种激光放大器光路,包括:振荡级11、扩束镜22、第一放大级33、第二放大级44。
振荡级11输出的激光经扩束镜22后进入第一放大级33,然后进入第二放大级44,经过两级放大后输出激光;
扩束镜22用于对激光光斑进行扩束处理;从扩束镜22输出的激光以布儒斯特角入射到第一放大级33;从第一放大级33输出的激光以布儒斯特角入射到第二放大级44。所述的扩束镜22的放大倍数取值范围为1~3倍。
振荡级11包括:LD泵浦源阵列4、热沉、全反腔镜1、楔形镜组2、振荡级激光晶体3、屋脊棱镜5、偏振片6、1/4波片7、Q开关8、输出镜9;
LD泵浦源阵列4放置在热沉上,侧面泵浦的LD泵浦源阵列4发出泵浦光后经准直聚焦,入射到板条状的振荡级激光晶体3中,振荡级激光晶体3的出射光入射到屋脊棱镜5,光路经折转180°后再经屋脊棱镜5出射,然后依次经过偏振片6、1/4波片7、Q开关8和输出镜9,楔形镜组2位于振荡级激光晶体3之前,楔形镜组2用于调整激光的光束指向;全反腔镜1位于楔形镜组2之前,全反腔镜1用于实现激光的全反射,全反腔镜1和输出镜9共同构成谐振腔,经多次增益后输出激光。
偏振片6用于产生线偏振光。振荡级激光晶体3和放大级激光晶体作为激光器的工作物质,用于吸收泵浦光并输出激光,常用的材料是钇铝石榴石晶体YAG氟化钇锂和玻璃等,由于其具有阈值低和优良的热学性质等优点,还需在其中掺杂Nd+3、Yb+3等作为激活离子用于产生激光。振荡级激光晶体3端面设计为具有一定斜角,用于产生锯齿形光路补偿热透镜效应,放大级激光晶体入射端面和出射端面倾斜角度为布儒斯特角。屋脊棱镜5为道威棱镜,用于光束转向,能够减少系统的总体长度使结构更紧凑,同时能提高激光系统稳定性。楔形镜组2由两个相对放置的光楔组成,用于谐振腔内光路的微调。
所述Q开关8的调Q方式包括主动调Q和被动调Q。
所述主动调Q包括电光调Q和声光调Q。
所述Q开关8中的调Q晶体为RTP晶体、KDP晶体、KTP晶体中的任意一个。
第一放大级33包括:放大级泵浦模块和放大级激光晶体;
振荡级11输出的激光经扩束镜22后进入放大级激光晶体,放大级泵浦模块中的泵浦光经准直聚焦后入射到放大级激光晶体,输出经过放大的激光给第二放大级44。
放大级泵浦模块用于向放大级激光晶体提供808nm的泵浦源。
第二放大级2与第一放大级1的结构相同,第二放大级2对经第一放大级1放大的激光束能量进行放大,最后输出满足能量要求和光斑质量要求的激光。
LD泵浦源阵列4和放大级泵浦模块中采用多色LD宽光谱抽运,能够在比较宽的温度范围内保证泵浦光的稳定输出,泵浦方式为侧面泵浦,泵浦光经透镜组准直聚焦后耦合进入激光晶体。
实施例
如图2所示,振荡级11的LD泵浦源阵列4采用多色LD宽光谱抽运,中心波长为808nm,将LD泵浦源阵列4固定在热沉上。LD泵浦源阵列4的泵浦光经透镜聚焦准直后从侧面耦合进入振荡级激光晶体3。振荡级激光晶体3采用掺杂1%-2%的Nd:YAG晶体,长度50mm,宽度3mm,斜角30°,产生的1064nm激光经屋脊棱镜5后光路折转180°,经偏振片6后获得偏振光,再经过1/4波片7和调Q开关8后通过后腔镜9输出1064nm的种子光源。调Q开关8采用KTP主动调Q器件,具有优良的脉冲上降沿,抗损伤能力较强,方便光路布置。振荡级11采用稳腔设计,全反腔镜1反射率100%,输出镜9采用高斯镜设计。热沉采用刚度、强度高的铜合金材料。1064nm的种子光源输出后经扩束镜进入第一放大级33,扩束镜放大倍数为2倍,入射角度为布儒斯特角,放大级中的激光晶体尺寸与振荡级激光晶体3的尺寸相当。经第一放大级33放大后的激光继续进入第二放大级44,最后输出经两级放大的激光。第二放大级44与第一放大级33结构相同。
值得特别说明的一点是,在本实例中使用的振荡级激光晶体3和放大级激光晶体结构为其中的一种结构设计,调Q方式也可以根据实际应用进行选择,用于光路折转的屋脊棱镜5可用其他反射棱镜替换,只要能实现光路折转即可,放大级的数量也可根据实际需求进行增减,本实例不应成为限制本专利权利的因素。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改,因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰,均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种激光放大器光路,其特征在于,包括:振荡级(11)、扩束镜(22)、第一放大级(33)、第二放大级(44);
振荡级(11)输出的激光经扩束镜(22)后进入第一放大级(33),然后进入第二放大级(44),经过两级放大后输出激光;
扩束镜(22)用于对激光光斑进行扩束处理;从扩束镜(22)输出的激光以布儒斯特角入射到第一放大级(33);从第一放大级(33)输出的激光以布儒斯特角入射到第二放大级(44)。
2.根据权利要求1所述的一种激光放大器光路,其特征在于:所述的扩束镜(22)的放大倍数取值范围为1~3倍。
3.根据权利要求(1)所述的一种激光放大器光路,其特征在于,振荡级(11)包括:LD泵浦源阵列(4)、热沉、全反腔镜(1)、楔形镜组(2)、振荡级激光晶体(3)、屋脊棱镜(5)、偏振片(6)、1/4波片(7)、Q开关(8)、输出镜(9);
LD泵浦源阵列(4)放置在热沉上,LD泵浦源阵列(4)发出泵浦光后经准直聚焦,入射到板条状的振荡级激光晶体(3)中,振荡级激光晶体(3)的出射光入射到屋脊棱镜(5),光路经折转180°后再经屋脊棱镜(5)出射,然后依次经过偏振片(6)、1/4波片(7)、Q开关(8)和输出镜(9),楔形镜组(2)位于振荡级激光晶体(3)之前,楔形镜组(2)用于调整激光的光束指向;全反腔镜(1)位于楔形镜组(2)之前,全反腔镜(1)用于实现激光的全反射,全反腔镜(1)和输出镜(9)共同构成谐振腔,经多次增益后输出激光。
4.根据权利要求3所述的一种激光放大器光路,其特征在于:所述Q开关8的调Q方式包括主动调Q和被动调Q。
5.根据权利要求4所述的一种激光放大器光路,其特征在于:所述主动调Q包括电光调Q和声光调Q。
6.根据权利要求1所述的一种激光放大器光路,其特征在于:所述Q开关8中的调Q晶体为RTP晶体、KDP晶体、KTP晶体中的任意一个。
7.根据权利要求3~6任意一项所述的一种激光放大器光路,其特征在于,第一放大级(33)包括:放大级泵浦模块和放大级激光晶体;
振荡级(11)输出的激光经扩束镜(22)后进入放大级激光晶体,放大级泵浦模块中的泵浦光经准直聚焦后入射到放大级激光晶体,输出经过放大的激光给第二放大级(44)。
8.根据权利要求7所述的一种激光放大器光路,其特征在于,放大级泵浦模块用于向放大级激光晶体提供808nm的泵浦源。
9.根据权利要求7所述的一种激光放大器光路,其特征在于,第二放大级(2)与第一放大级(1)的结构相同,第二放大级(2)对经第一放大级(1)放大的激光束能量进行放大,最后输出满足能量要求和光斑质量要求的激光。
10.根据权利要求7所述的一种激光放大器光路,其特征在于:LD泵浦源阵列(4)和放大级泵浦模块中采用多色LD宽光谱抽运。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220208 |