CN115566526A - 一种激光多通放大器及激光器 - Google Patents

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CN115566526A CN202211407241.9A CN202211407241A CN115566526A CN 115566526 A CN115566526 A CN 115566526A CN 202211407241 A CN202211407241 A CN 202211407241A CN 115566526 A CN115566526 A CN 115566526A
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赵遵成
洪德昇
张颖力
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Abstract

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种激光多通放大器及激光器。方案包括受到泵浦源激励的增益介质、扩束系统和反射镜系统；种子光在反射镜系统的作用下多次穿过同一被激励的增益介质进行能量放大，输出预设能量的激光；种子光每若干次通过增益介质被放大后，经过扩束系统降低激光能量密度；种子光多次经过泵浦源激励区域抽运上能级反转粒子。该方案通过使种子光多次穿过同一个增益介质进行能量放大，期间为了避免高能量密度激光对反射镜系统造成损坏，根据实际情况穿插进行光斑扩束以调整种子光的能量密度，形成了一种新的激光放大方式；而且结构简单、布局紧凑，大幅度降低系统成本，提高放大效率。

Description

一种激光多通放大器及激光器
技术领域
本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种激光多通放大器及激光器。
背景技术
钛宝石多通放大器为百TW激光器的主要组成部分，其增益介质为掺钛蓝宝石(Ti:Sapphire)。典型的百TW钛宝石激光系统由振荡器、展宽器、放大器和压缩器构成。放大级又分为，再生放大器和多级多通放大器两大类。随着激光技术的发展，人们对激光输出能量和长期稳定性的要求越来越高，同时激光装置逐渐向结构简单，空间紧凑，性能稳定的方向发展。其中对于钛宝石多通放大器的结构复杂性与提升种子光能量的能力的矛盾亟待解决。
传统钛宝石多通放大器包括：种子光、增益介质和激励源。其中激励源又称泵浦源，对增益介质进行激励，当泵浦激光辐照到钛宝石晶体上，晶体内部发生粒子数反转，当种子光穿过被激励的钛宝石晶体后，反转粒子向下能级跃迁，发生受激辐射，种子光能量得到放大。种子光多次提取增益介质中的储能，得以放大足够倍率。种子光的抽运方式会极大影响到输出光的能量。
现有技术中，商业的百TW激光放大链由多个激光放大器组成。如图1所示的传统百太瓦钛宝石激光系统由钛宝石振荡器(Ti:Sa Oscillator)、Offner展宽器(OffnerStretcher)、再生放大器(Regenrative Amplifier)、钛宝石多通放大器和真空压缩器(Vacuum Compressor)构成。其中，钛宝石多通放大器是采用1台单脉冲能量为200mJ/10Hz泵浦源做为第一级多通放大器(Multi-pass Amplifier)、采用1台单脉冲能量为5J/10Hz泵浦源做为第二级功率放大器(Power Amplifier)和采用2台单脉冲能量为7J/10Hz的泵浦源的第三级终端放大器(Final Amplifier)组成的三级多通放大器。根据如图3所示的百太瓦钛宝石多通放大器结构示意图，百TW激光放大链依序为再生激光器产生1.5mJ做为种子源，进入第一级多通放大器后先扩束再进行四通放大，使激光能量提升至40mJ，然后进入第二级多通放大器前先扩束再进行六通放大，使激光能量提升至2J，同样的在进入第三级多通放大器前先扩束再进行四通放大，使激光能量提升至8J，最终进入脉冲压缩器产生200TW激光输出。其缺点是，每进入一级多通放大器放大之前先扩束，造成种子光的能量密度降低影响单通放大的有效增益，致使需要三级多通放大器，对种子光经过增益介质14次的能量放大，才能将能量提升近五千倍，达到8J激光输出；相较于该发明显然传统的的百TW激光器存在体积大，结构复杂，成本高昂，无法满足工业市场需求等问题。根据实验经验得知，种子光能量密度大小会直接影响放大的效率，采用传统单级多通放大器的架构，只能使种子光能量提升数百倍，大幅度提升种子光能量的能力有限。因此，亟需提出一种能够使结构紧凑、体积小、商业价值高的多通放大器解決激光能量的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光多通放大器，用以解决现有技术中单级放大器提升种子光能量有限的问题；本发明还提供一种激光器，用以解决现有技术中的百太瓦激光器结构复杂、成本高以及体积大的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种激光多通放大器，包括受到泵浦源激励的增益介质、扩束系统和反射镜系统；种子光在所述反射镜系统的作用下多次穿过同一增益介质进行能量放大后输出预设能量的激光；所述扩束系统包括设置在种子光的光路上的扩束单元，所述种子光每若干次通过增益介质被放大后经过扩束单元降低能量密度；所述种子光多次经过泵浦源激励区域抽运上能级反转粒子。
其有益效果为：本发明的激光多通放大器，通过使种子光多次穿过同一个增益介质进行能量放大，过程中，为了避免高能量密度种子光对反射镜系统造成损坏，根据实际情况系统中穿插进行光斑扩束以调整种子光的能量密度，形成了一种新的汲取能量方式。不仅具有结构简单、布局紧凑的特点、大幅度降低系统成本，且提高了放大效率。
进一步地，所述种子光在最后一次经过扩束单元后，其光斑与泵浦源激励区域重合。
有益效果为：充分利用泵浦源的能量，提高能量转化效率。
进一步地，所述扩束单元由若干个主光轴均与所述种子光的光路重合的透镜组成。
进一步地，所述种子光两次通过增益介质放大后经过扩束单元，然后多次通过增益介质放大后经过扩束单元，再多次通过增益介质放大后输出。
有益效果：相比于传统的钛宝石多通放大器，减少了两级多通放大器，对种子光仅经过九次能量放大，就能实现种子光能量提升五千倍。
进一步地，所述反射镜系统包括一个由若干个第一换向镜组成的第一换向镜组和一个由若干个入射镜组成的入射镜组；所述第一换向镜用于将种子光朝向位于增益介质同一侧的入射镜反射；所述入射镜用于将种子光朝向增益介质反射。
进一步地，所述种子光首先经过两个入射镜和一个第一换向镜两次穿过增益介质后，通过一个第二换向镜使种子光偏离反射镜系统进入第一扩束单元，种子光在第一扩束单元中扩束后，通过一个第一换向镜返回反射镜系统；然后经过三个入射镜和两个第一换向镜三次穿过增益介质后，通过一个第二换向镜使种子光偏离反射镜系统进入第二扩束单元，种子光在第二扩束单元中扩束后，通过一个第一换向镜返回反射镜系统；再经过四个入射镜和三个第一换向镜四次穿过增益介质后，通过一个第一换向镜使种子光输出。
进一步地，所述种子光进入扩束单元后，首先通过两个第二换向镜改变种子光的传输方向，使其光路与透镜的主光轴重合，再通过两个第二换向镜使种子光的传输方向折返后输出扩束单元，通过一个第一换向镜返回反射镜系统。
进一步地，所述泵浦源布置在增益介质的两侧，且每两个位于增益介质不同侧的泵浦源输出的泵浦激光沿同一直线激励增益介质。
进一步地，所述增益介质由两台输出波长为532nm，单脉冲能量为10J/10Hz的泵浦源激励。
有益效果：泵浦源提供足够的能量，使种子光的能量得到大幅度地提升。
本发明还提供一种激光器，包括上述激光多通放大器。
附图说明
图1是现有技术的百太瓦钛宝石激光系统的原理示意图；
图2是本发明的百太瓦钛宝石激光系统原理示意图；
图3是现有技术的百太瓦钛宝石多通放大器结构示意图；
图4是本发明的百太瓦钛宝石激光多通放大器结构示意图；
图中包括：10-光源入射端；11-放大光出射端；12-光路；20-增益介质；31-第一换向镜组；32-入射镜组；33-扩束系统；41-第二换向镜组。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
需要说明的是，本发明的具体实施方式中，可能出现的术语如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，可能出现的术语如“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，可能出现的语句“包括一个……”等限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
激光多通放大器实施例：
图4是本实施例的百太瓦钛宝石多通放大器结构示意图，该激光多通放大器是仅有终端放大器的单级多通放大器，由受到泵浦源照射的增益介质20、反射镜系统(包括第一换向镜组31、第二换向镜组41和入射镜组32以及扩束系统33组成。
泵浦激光器用于提供对增益介质20(Ti：sapphire)进行激励的泵浦激光(即泵浦源Pump)。泵浦激光照射在增益介质20的两个相对表面上，种子光从光源入射端10射入，沿光路12经过增益介质实现多次放大及扩束后到达放大光出射端11输出。
反射镜系统用于接收种子光，并在各个反射镜的作用下使光路12反复穿过增益介质20。本实施例中的反射镜及换向镜均是平面镜。第一换向镜组31由多个第一换向镜组成，包括第一换向镜S2、第一换向镜S8、第一换向镜S10、第一换向镜S12、第一换向镜S18、第一换向镜S20、第一换向镜S22、第一换向镜S24、第一换向镜S26；入射镜组32由多个入射镜组成，包括入射镜S1、入射镜S3、入射镜S9、入射镜S11、入射镜S13、入射镜S19、入射镜S21、入射镜S23、入射镜S25。入射镜组32中的每一个入射镜和第一换向镜组31中的一个第一换向镜组成一组反射镜(除入射镜S1和第一换向镜S26以外)。
种子光每次经过扩束系统扩束后，与扩束系统紧邻的反射镜组中的第一换向镜S8和入射镜S9(或者第一换向镜S18和入射镜S19)，与增益介质20的中心点构成一个三角形，并且第一换向镜S8(或S18)与增益介质20的中心点的连线对应的边长大于入射镜S9(或S19)与增益介质20的中心点的连线对应的边长。除上述在扩束系统之后且与扩束系统紧邻的反射镜组之外，每组反射镜与增益介质20的中心点构成的三角形是以增益介质20的中心点为顶点的三角形，且光束相对于增益介质的入射角小于10°；沿着光路12的方向，位于光路上游的反射镜组到增益介质的距离小于位于光路下游的反射镜组到增益介质的距离。
扩束系统33由两个扩束单元，以及由第二换向镜S4～S7和第二换向镜S14～S17组成的第二换向镜组41组成，一个扩束单元包含主光轴在同一直线上的两个透镜，其中，由透镜L1和透镜L2组成的扩束单元与第二换向镜S4～S7组合使用，由透镜L3和透镜L4组成的扩束单元与第二换向镜S14～S17组合使用。
具体的扩束过程为：沿着光路12的方向，当种子光照射在第二换向镜S4时，利用第二换向镜S4～S5使种子光沿与透镜L1的主光轴重合的方向穿过由透镜L1和L2组成的扩束单元，再利用第二换向镜S6～S7调整光束的方向，使其沿与增益介质20中轴线平行的方向照射到第一换向镜S8上，实现第一次扩束，种子光的光斑变大，能量密度降低；同样的，当种子光照射在第二换向镜S14时，利用第二换向镜S14～S15使种子光沿与凹透镜L4的主光轴重合的方向穿过由凹透镜L3和L4组成的扩束单元，再利用第二换向镜S6～S7调整光束的方向，使其沿与增益介质20中轴线平行的方向照射到第一换向镜S18上，实现第二次扩束，种子光的光斑进一步变大，能量密度降低。
两个泵浦源Pump分别经过平面镜P1和平面镜P2朝向增益介质20相对的两个表面发射泵浦激光。这里以两个泵浦源照射在平面镜P1和平面镜P2上的光斑作为泵浦激光的起点，两个泵浦激光的起点到增益介质的中心点的距离相等。
本实施例的钛宝石多通放大器，利用泵浦源Pump将再生激光器输出的种子光能量经过单级多通放大器，从1.5mJ能量提升至8J能量，即提升接近五千倍，进而注入压缩器，实现百TW激光输出。
种子光能量放大过程分为三个阶段，具体如下：
第一阶段：由再生放大器输出的1.5mJ/10Hz种子光经过反射镜系统射入由两个波长为532nm、单脉冲能量为10J/10Hz的泵浦源激励的增益介质，经历如下两次能量放大过程：
种子光从光源入射端10照射在入射镜S1上，经过入射镜S1反射，种子光通过增益介质20的一侧进入增益介质20放大后，从增益介质20的对侧照射在第一换向镜S2上，第一换向镜S2将种子光反射到同一侧的入射镜S3上，种子光经入射镜S3反射再次通过增益介质20放大后回到增益介质20的光源入射端10所在侧的换向镜S4。这里增益介质20的一侧与增益介质20的对侧，指的是增益介质20相对的两个表面。
由于种子光是单脉冲能量密度较小的小光斑，不会对反射镜系统造成损坏，又由于种子光的能量密度大小会直接影响放大的效率，因此本阶段打破先扩束再放大的传统观念，未经扩束直接进行两次能量放大，使得种子光在放大过程中具备较高水平的有效增益，能够使种子光的单脉冲能量提升至20mJ/10Hz～30mJ/10Hz，相对于1.5mJ/10Hz的初始单脉冲能量度而言，单脉冲能量增大了十几倍，但是相对于最终要输出的单脉冲能量8J/10Hz的激光而言，前两次放大所消耗的泵浦源的能量又微乎其微，不影响后续放大过程所需的能量供给。
第二阶段：由于种子光经过两次能量放大之后的能量密度大幅度增大，因此，为了避免高能量密度的种子光对反射镜系统造成损坏，需要增大种子光的光斑直径，让种子光经过由透镜L1和透镜L2组成的扩束单元进行合理扩束后，再经过反射镜系统射入增益介质20，经历如下三次能量放大过程：
经过该侧的第二换向镜S4反射到第二换向镜S5，种子光依次穿过主光轴在同一直线上的透镜L1和透镜L2进行扩束后依次沿光路12经过第二换向镜S6、S7后照射在第一换向镜S8上，然后反射在入射镜S9上，再依次沿光路12经过第一换向镜S10、入射镜S11、第一换向镜S12、入射镜S13和第二换向镜S14实现三次放大。
本阶段通过对种子光进行合理扩束，避免了具有较高能量密度的种子光损坏反射镜系统，然后对种子光又进行了三次能量放大，使得种子光依然具有较高水平的有效增益。
第三阶段：同样地，为了避免经过多次能量放大后具有更高能量密度的种子光损坏镜片，需要进一步增大种子光的光斑直径，种子光经过由透镜L3和透镜L4组成的扩束单元进行扩束，使得扩束后的光斑和泵浦激光的光斑具有相同的直径，再经过反射镜系统射入增益介质20，直至种子光达到预设的能量后输出，该预设的能量指的是在两个泵浦激光所提供的总能量下，通过理论计算得到的最有益于系统输出的最高能量值。期间，又经历如下四次能量放大过程：
经过该侧的第二换向镜S14反射到第一换向镜S15，种子光依次穿过主光轴在同一直线上的透镜L4和透镜L3进行扩束后依次沿光路12经过第二换向镜S16、S17后照射在第一换向镜S18上，然后反射在入射镜S19上，再依次沿光路12经过第一换向镜S20、入射镜S21、第一换向镜S22、入射镜S23、第一换向镜S24、入射镜S25和第一换向镜S26实现四次放大，最后经过第一换向镜S26从放大光出射端11射出具有单脉冲能量为8J/10Hz的激光。
本阶段增益介质20释放的能量被充分利用，最终使种子光能量提升倍率接近五千倍。
综合上述三个阶段的效果，本实施例的百TW钛宝石多通放大器基于单级多通放大器，在种子光能量放大过程中，一方面，使用具有较小单脉冲能量的小光斑作为种子光，使得能量放大过程具有较高的增益水平，然后经过两次光斑扩束，以增大光斑直径，降低种子光的能量密度，有效地避免具有高能量密度的种子光对反射镜系统造成损坏；另一方面，相比于传统的钛宝石多通放大器，减少了两级多通放大器，对种子光仅经过九次能量放大，就能实现种子光能量提升五千倍，不仅具有结构简单、布局紧凑的特点，大幅度降低了系统成本，而且提高了放大效率。
本发明的核心在于提供了一种包括反射镜系统和扩束系统的布置在内的新的放大方式，能够实现利用单级多通放大器对种子光能量提升几千倍。
本实施例以掺钛蓝宝石(Ti:Sapphire)作为增益介质为例，对本发明的激光多通放大器的放大方式进行了介绍，但本发明并不限于此，本发明提出的放大方式也可用于采用其它增益介质的激光多通放大器，例如增益介质采用掺钕钇铝石榴石(Yb:YAG)、掺镱钨酸钆钾晶体(Yb:KGW)、掺镱钨酸钇钾晶体(Yb:KYW)或者其他增益介质的激光多通放大器。换句话说，本发明的采用了新式放大方式的激光放大器不限制增益介质的类型，本实施例以掺钛蓝宝石晶体作为增益介质为典型示例，作为其他实施方式，也可以将增益介质更换为诸如掺镱钨酸钆钾、掺镱钨酸钇钾之类的其他可用于激光放大器增益介质的晶体。
本实施例在第一阶段、第二阶段和第三阶段分别对种子光进行了两次、三次和四次放大处理，只要是在不损坏反射镜的情况下，各个阶段的放大次数可以灵活调整，凡是基于本发明实施例中的激光多通放大器结构，为了实现种子光能量提升几千倍，而作出的在每个阶段中的放大次数的组合，都在本发明的保护范围之内。
凡是基于本实施例对泵浦源的参数和数量根据实际需要进行的调整，均在本发明的保护范围之内。
凡是基于本实施例对放大器的参数(重复频率，单脉冲能量等)根据实际需要进行的调整，均在本发明的保护范围之内。
激光器实施例：
图2是本实施例的百太瓦钛宝石激光器示意图，包括钛宝石振荡器、Offner展宽器、再生放大器、钛宝石多通放大器和真空压缩器，其中，钛宝石多通放大器是在激光多通放大器实施例中介绍清楚中的激光多通放大器。用于对单脉冲能量为1.5mJ/10Hz的种子光(seed)进行放大，经过单级放大实现单脉冲能量为8J/10Hz的能量输出。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本结构和功能在于上述基本方案，对本领域技术人员而言，根据本发明的教导，采用其他模块、装置、结构、安装方式不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光多通放大器，其特征在于，包括受到泵浦源激励的增益介质、扩束系统和反射镜系统；种子光在所述反射镜系统的作用下多次穿过同一增益介质进行能量放大后输出预设能量的激光；所述扩束系统包括设置在种子光的光路上的扩束单元，所述种子光每若干次通过增益介质被放大后经过扩束单元降低能量密度；所述种子光多次经过泵浦源激励区域抽运上能级反转粒子。
2.根据权利要求1所述的激光多通放大器，其特征在于，所述种子光在最后一次经过扩束单元后，其光斑与泵浦源激励区域重合。
3.根据权利要求2所述的激光多通放大器，其特征在于，所述扩束单元由若干个主光轴均与所述种子光的光路重合的透镜组成。
4.根据权利要求3所述的激光多通放大器，其特征在于，所述种子光多次通过增益介质放大后经过扩束单元，然后多次通过增益介质放大后经过扩束单元，再多次通过增益介质放大后输出。
5.根据权利要求4所述的激光多通放大器，其特征在于，所述反射镜系统包括一个由若干个第一换向镜组成的第一换向镜组和一个由若干个入射镜组成的入射镜组；所述第一换向镜用于将种子光朝向位于增益介质同一侧的入射镜反射；所述入射镜用于将种子光朝向增益介质反射。
6.根据权利要求5所述的激光多通放大器，其特征在于，所述种子光首先经过两个入射镜和一个第一换向镜两次穿过增益介质后，通过一个第二换向镜使种子光偏离反射镜系统进入第一扩束单元，种子光在第一扩束单元中扩束后，通过一个第一换向镜返回反射镜系统；然后经过三个入射镜和两个第一换向镜三次穿过增益介质后，通过一个第二换向镜使种子光偏离反射镜系统进入第二扩束单元，种子光在第二扩束单元中扩束后，通过一个第一换向镜返回反射镜系统；再经过四个入射镜和三个第一换向镜四次穿过增益介质后，通过一个第一换向镜使种子光输出。
7.根据权利要求6所述的激光多通放大器，其特征在于，所述种子光进入扩束单元后，首先通过两个第二换向镜改变种子光的传输方向，使其光路与透镜的主光轴重合，再通过两个第二换向镜使种子光的传输方向折返后输出扩束单元，通过一个第一换向镜返回反射镜系统。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的激光多通放大器，其特征在于，所述泵浦源布置在增益介质的两侧，且每两个位于增益介质不同侧的泵浦源输出的泵浦激光沿同一直线激励增益介质。
9.根据权利要求8所述的激光多通放大器，其特征在于，所述增益介质由两台输出波长为532nm，单脉冲能量为10J/10Hz的泵浦源激励。
10.一种激光器，其特征在于，包括如权利要求1～9任意一项所述的激光多通放大器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116667120A (zh) * 2023-05-16 2023-08-29 齐鲁中科光物理与工程技术研究院 紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器

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