CN116529970A - 放大器装置 - Google Patents

Abstract

用于增加功率和能量的放大器装置包括多程池和至少一种放大介质，其中所述多程池具有凹曲面镜子，并且放大介质布置在多程池内，使得泵浦辐射多次穿过放大介质并且被放大介质吸收，以及其中待放大的激光束穿过放大介质。镜子被设计和布置为使得形成怀特多程池并且泵浦辐射和待放大的激光束在布置有镜子和放大介质的位置处具有大的横截面。还设置了一种装置，其中设置了高反射镜子和部分透射镜子，它们与多程池协作地形成激光振荡器形式的激光谐振器。

Description

放大器装置

背景技术

使用短脉冲激光器和超短脉冲激光器进行材料加工作为精确和灵活的生产方法变得越来越重要。高生产率需要高平均功率。所述平均功率是脉冲重复率和脉冲能量的乘积。根据应用和设施技术，仅当激光束在中等脉冲重复率的同时具有高脉冲能量时，才能实现高平均功率。

对于诸如Yb：YAG的放大介质而言，吸收横截面非常小，特别是当Yb：YAG被构造为盘时。为了保证泵浦辐射的有效吸收，需要泵浦辐射多次通过放大介质传播。

此外，高脉冲能量与短脉冲或超短脉冲持续时间相结合会导致高脉冲峰值功率密度或高脉冲能量密度。高脉冲峰值功率密度和高脉冲能量密度可能导致例如以下不利效果：

-涂层损坏和光学器件损坏，

-非线性效应，如：自相位调制、克尔透镜、自聚焦；这些导致激光束的时间和空间特性发生进一步变化或退化，并对光学器件造成损坏，

-受激拉曼散射、受激布里渊散射。

发明内容

本发明的任务是说明一种用于放大器的光学多程泵浦装置和一种多程放大器装置，它们被有效泵浦并具有大的模式横截面，其中可以有效地将泵浦辐射耦合到放大介质中，并且可以增加功率和能量，特别是来自脉冲式激光束的功率和能量而不会对光学组件造成损坏。

该任务通过权利要求1的特征解决。优选实施方式由从属权利要求得出。

此外，该任务还通过根据权利要求29的激光器装置和放大器装置解决。所述激光器装置和放大器装置的特征在于，设置了高反射镜子和部分透射镜子，它们与多程池一起形成激光谐振器，从而产生激光振荡器。这种激光器装置和放大器装置的优选实施方式在权利要求30至33中说明。

根据本发明的用于增加功率和能量的放大器装置包括多程池和至少一种放大介质。所述多程池具有凹曲面镜子，并且所述放大介质布置在所述多程池内。所述泵浦辐射多次穿过放大介质并由所述放大介质吸收，待放大的激光束穿过所述放大介质。这些镜子被设计和布置为使得形成怀特多程池，并且泵浦辐射和待放大的激光束在布置有镜子和放大介质的位置处具有大的横截面。

因此，所述泵浦辐射多次穿过放大介质，由此有效地实现高脉冲能量，从而避免或至少明显降低了上述效果。

本发明的一个主要思想是为了有效泵送放大介质，特别是低吸收的放大介质，例如薄盘形式的Yb：YAG，将简单、紧凑的多程池用于泵浦辐射的多次穿过放大介质并且用于放大介质对泵浦辐射的有效吸收。多程池通过使用镜子和必要时还有透镜来形成，所述镜子和必要时还有透镜优选地被确定尺寸和设计为，使得泵浦辐射在布置有透镜、镜子、放大介质和其他光学组件的位置处具有大的横截面。由此，在这些光学组件(如透镜、镜子和放大介质)位置处的泵浦功率密度和脉冲能量密度可以保持为低于破坏阈值或低于出现不期望的非线性效应的阈值。

多程池是怀特多程池。

多程池的凹面镜子可以由至少一个镜子和至少一个透镜的组合形成。当有效焦距应当可调时，这种组合是有利的。

在一种实施方式中，设置反射器，利用所述反射器将在第一次穿过所述多程池时未被吸收的泵浦辐射反射回来并在相反的方向上第二次穿过所述多程池。作为反射器，优选使用凹面镜子。

特别有利的是薄盘形式的放大介质，这意味着直径大约是盘厚度的十倍或更大的盘。盘的第一表面是凸的并且对于待放大的激光束和泵浦辐射具有高透射性(例如被对应地涂层)，并且盘的第二表面被涂层为对于待放大的激光束和泵浦辐射具有高反射性(具有近似100％的反射)，并且盘的焦距等于凹面镜子的曲率半径。

在替代于此的措施中，作为放大介质使用薄盘，其中所述盘的第一表面是凹的并且对于待放大的激光束和泵浦辐射具有高透射性，例如通过涂层，并且所述盘的第二表面是凸的并且对于待放大的激光束和泵浦辐射具有高反射性，例如通过涂层。在此情况下选择这些表面的曲率，使得所述盘的表面的曲率半径近似等于凹面镜子的曲率半径。

还规定，所述放大介质是薄盘，其中所述盘的第一平坦表面被针对待放大光束和泵浦辐射高透射性地涂层，并且所述盘的第二表面被针对待放大的激光束和泵浦辐射高反射性地涂层，其中直接在盘之前使用正透镜并且该透镜被针对待放大的激光束和泵浦辐射高透射性地涂层。选择透镜的焦距并且将所述透镜相对于盘布置为，使得所述透镜和所述盘一起就像一个凹面镜子那样反射泵浦辐射和待放大的激光束。为了导出在盘中产生的损耗热，将所述盘安装在散热器上并与所述散热器热接触。

当所述盘安装在公共散热器上时，可以实现紧凑的结构。此外有利的是，将两个盘组合成一个大盘，该大盘也安装在散热器上并且与所述散热器热接触。

相应的透镜可以安装在移位单元上，以通过该移位单元改变透镜与盘之间的距离，由此改变模块的有效焦距，使得多程池中的热透镜可以得到补偿。

为了能够调整透镜的有效焦距，可以使用一对透镜而不是单个透镜。一种简单的实施方式是分别由凹透镜和凸透镜形成透镜，其中通过改变两个透镜之间的距离可以补充多程池中的热透镜，即多程池内组件的热透镜效应。

可以设置至少一个光学元件，所述至少一个光学元件由介质和加热辐射源和/或至少一个与所述介质热接触的加热元件组成。选择所述加热辐射源或所述加热元件，使得发射波长不同于泵浦辐射的波长和待放大激光束的波长的加热辐射。所述介质吸收所述加热辐射并对泵浦辐射和待放大光束具有高透射性。根据预给定来调整加热辐射的分布，使得通过加热辐射的吸收有针对性地在所述介质中生成温度分布和对应的折射率分布，以补偿多程池中诸如透镜作用和相位失真的光学效应。

优选地，待放大的激光束耦合输入到多程泵浦装置中以用于放大，使得待放大的激光束在怀特多程池内进行4N次通过，其中N是整数。在另一有利的实施方式中，在待放大的激光束耦合输入到多程放大器中之前布置整形光学器件，所述整形光学器件将待放大的激光束变换为象散光束。整形光学器件(261)被设计为使得变换后的激光束在一个平面中近似准直并在与该平面垂直的平面中会聚并且在中间平面处具有束腰。理想情况下，所述中间平面与镜子的焦平面重合。

这样的整形光学器件可以由柱形透镜形成。

为了提高光束质量，在多程池中使用至少一个光阑和/或光阑阵列，所述至少一个光阑和/或光阑阵列在光束通过部位处具有开口，所述开口的几何形状与相应光束通过部位的光束横截面适配。

优选地，这样的光阑阵列位于中间平面/焦平面中或其附近。由此获得最佳的光束质量以及低效率损失。相应开口的尺寸应当对应于对应高斯光束的光束横截面的1.2倍至2倍。

还设置一种装置，使得泵浦辐射由光束源发射并由光学器件成形，并经由二向色镜子耦合输入到所述多程泵浦装置中。在此情况下，该镜子对于待放大的激光束具有高透射性，并且待放大的激光束通过该镜子耦合输入到多程泵浦装置中。为了实现待放大光束和泵浦辐射的最优适配，二向色镜子将待放大光束与泵浦辐射同轴叠加。因此以简单的方式保证了泵浦辐射和待放大激光束的最大交叠。

此外，可以设置反射器，所述反射器是凹面镜子并且将在第一次穿过多程池时未被吸收的泵浦辐射反射回来并且对应地在第二次穿过时在相反的方向上穿过多程池。

反射器或镜子对经过放大的光束具有高反射性。经过放大的光束从所述镜子反射回来，在相反的方向上穿过多程池并且重新被放大。

为了将输入光束和经过放大的光束分开，使用λ/4延迟板和偏振器。

还规定，将经过p偏振或s偏振的激光束引导通过法拉第隔离器，所述法拉第隔离器在激光束通过后保持p偏振或在通过后变为经过s偏振的激光束。然后，经过偏振的激光束穿过偏振器和λ/4延迟板，然后经过圆偏振。经过放大的激光束由镜子反射回多程池并被进一步放大。然后，经过放大的激光束穿过λ/4延迟板并经过s偏振。经过s偏振的经过放大的激光束从偏振器被该镜子反射，并且被该镜子反射的经过s偏振的光束穿过多程池并被进一步放大。多程池的至少一个镜子是fs脉冲压缩GDD(群延迟色散)或GTI(Gires-Tournois干涉仪)镜子。

作为放大介质使用由染料制成的液体池、具有例如CO2的气体池、或诸如掺杂玻璃的固体、掺杂有Nd离子、Yb离子、Tm离子、Ho离子或Ti离子的晶体，或使用半导体。作为放大介质还可以使用半导体，并且可以通过电流以电方式产生放大。在特殊应用情况中，放大介质可以是气态的并且用于放大的反转通过放电生成。

至少一个另外的怀特多程池可以连接到所述怀特多程池的下游以形成具有大的模式横截面的另外的多程泵浦装置和多程放大器装置。

在特别优选的激光器装置和放大器装置中，设置高反射镜子和部分透射镜子，所述高反射镜子和部分透射镜子与上述多程池之一相互作用以产生激光振荡器的方式形成激光谐振器。这些镜子中的至少一个优选是柱形镜子。选择该镜子，使得在多程池内形成象散激光束，其中所述象散激光束在布置诸如透镜、镜子、特别是放大介质的光学组件的部位处具有尽可能大的横截面。为了产生脉冲式光束，在激光振荡器中布置了产生激光脉冲的光开关。

也可以在所述激光振荡器中布置至少一个频率转换单元，以例如将激光束的频率加倍。

附图说明

本发明的进一步细节和特征从以下基于附图对实施例的描述中得出。在附图中

图1示出了具有怀特多程池的多程泵装置，

图2示出了对应于图1的装置，具有另外的镜子，

图3a以俯视图和侧视图示出了具有矩形横截面的薄盘形式的放大介质，

图3b以俯视图和侧视图示出了平坦薄圆盘形式的放大介质，

图4a示出了对应于图3a的盘，该盘安装在散热器上以用于冷却，

图4b示出了安装在散热器上的正透镜和平盘组成的模块，

图5a示出了具有凸曲面入射面和平坦反射表面的盘，

图5b示出了图5a的盘，在其平坦反射表面上附加地安装了散热器，

图6a示出了以弯月透镜形式成形的盘的另一实施方式，

图6b示出了图6a的盘，其通过其凸曲面与散热器连接，

图7示出了另一多程泵装置，其结构基于图1所示的装置。

图8示出了另一多程泵装置，

图9示出了与图8相比有所修改的实施方式，

图9a示意性地示出了由凹透镜和凸透镜组成的一对透镜的装置，其中凸透镜安装在移位单元上，

图10示出了基于图9所示实施方式的实施方式，其中待放大光束不与多程装置中的泵浦辐射同轴地耦合。

图11示出了基于图10的装置的振荡器装置，

图12示出了具有模式适配的装置，

图13示出了具有用于产生激光脉冲的光开关的激光振荡器，

图14示出了对应于图13的具有频率转换单元的激光振荡器，

图15a示出了另一多程池，其中使用光学器件将待放大的激光束变换为定义的象散光束，

图15b、图15c和图15d示出了在与图15相关联的不同平面处的光束横截面，

图16a、图16b和图16c示出了在图15b、图15c和图15d中示出的位置处的光阑阵列，

图17示出了根据本发明的示例性放大器装置，

图18示出了对应于图17的另一放大器装置，其使用如图2所示的反射器镜子，

图19示出了另一放大器装置，其使用图18的装置，具有用于将输入光束和经过放大的光束分开的附加组件，

图20示出了对应于图18的具有附加法拉第隔离器的另一放大器装置，

图21 a、图21b示出了透镜组的实施方式，

图22和图22a示出了具有加热元件的光学元件，

图22b和图22c示出了在温度分布变化时与折射率的相关性，

图23a、图23b分别示出了具有两个级联的怀特多程池的多程池的俯视图和侧视图，以及

图24示意性地示出了单重象散光束的示例。

只要各个图中的部件用相同的附图标记表示或实现类似的功能，就可以将一个图的描述转用于另一个图，而无需明确提及。

具体实施方式

图1示意性地示出了具有怀特多程池的多程泵装置的实施例，其中附图标记301表示泵浦辐射，而附图标记171至175表示五种放大介质。使用直角xyz坐标系来简化描述。z轴平行于光束传播方向。多程在xz平面中，yz平面垂直于xz平面。怀特多程池包括三个球形凹面镜子736、737和738。在所示的实施例中，三个镜子736、737和738具有相同的曲率半径。镜子737和738在相同的Z位置上下堆叠地布置。镜子736相对于镜子737和738布置，使得距离等于镜子736、737和738的曲率半径。对应地，镜子736、737和738形成共焦阵列。泵浦辐射301耦合输入到多程池中，并且镜子736、737和738处的反射产生辐射通道321、322、323、324、325、326、327、328。通过适当地调整光束301和镜子736、737和738，在多程池中生成4xN个辐射通道，其中N是整数。为了放大光束，可以在多程池内布置一种放大介质或多种放大介质。在所示示例中，总共使用了五个放大介质171、172、173、174和175。放大介质171至175直接放置在相应镜子736、737和738的前面，因为在那里泵浦辐射具有最大的横截面。

出于热光原因，有利的是，所述放大介质被构造为盘形。盘形放大介质可以是例如掺杂有Nd离子或Yb离子的晶体。掺杂有Yb离子的晶体具有较小的吸收截面。为了有效吸收泵浦辐射，有利的是使得泵浦辐射尽可能多地穿过放大介质的盘。如图2所示，这可以例如通过使用另外的镜子21来实现。镜子21被针对泵浦辐射301高反射性地涂层。优选地，镜子21具有与镜子776相同的曲率半径。将镜子21定向为使得泵浦辐射301的未被吸收的辐射309被反射回来并在相反的方向上第二次穿过多程池，由此增加了泵浦辐射301的吸收。

有利的是，放大介质由薄盘形成。图3a示出了具有矩形横截面、长边a、短边b和厚度d的平坦薄盘962。对于这样的薄盘962，短边b与厚度d的比例应大于10。

图3b作为替代方案示出了具有直径D和厚度d的平坦圆盘961。D/d＞10也适用于这样的薄盘。在放大介质是固体的情况下，泵浦可以通过光学方式进行。有利的是将二极管激光器用于泵浦，因为以这种方式可以用高光束质量实现最大效率。此外，对于盘形放大介质有利的是将泵浦辐射垂直或以小角度耦合输入到盘中，因为以这种方式热透镜最小。在这种情况下，盘962或961的入射面953和971被针对待放大光束和泵浦辐射高透射性地涂层，而圆盘962或961的出射面954和972被高反射性地涂层，使得出射面充当平坦的镜面。

如图4a所示，盘961安装在散热器931上以用于有效冷却并且与散热器931热连接。因此，在盘中产生的损耗热通过所述散热器导出并且因此使得盘冷却。在这种情况下，热传导一维地并且平行于经过放大的光束进行，从而没有热透镜从放大介质发出，并且光束传播仅由所使用的无源光学器件(如镜子和透镜)确定。

为了在需要凹面镜子的多程池中使用这种具有平坦反射面的平坦盘作为放大介质，可以在盘之前布置正透镜。

在图4b中示出了安装在散热器931上的由正透镜983和平坦盘961构成的模块。

为了减少光学组件的数量，可以如图5a所示的盘963可以被设计为，使得该盘具有凸弯曲的入射面977和平坦的出射面978。在此，凸弯曲的入射面977就像具有以下焦距的透镜那样，所述焦距对应于怀特多程池的对应镜子的曲率半径。凸曲面977被针对泵浦辐射和待放大光束高透射性地涂层，而平坦面978被高反射性地涂层。

图5b示出了盘963如何在其平坦面978处与用于冷却的散热器921连接。

图6a示出了盘966的另一种实施方式，盘966像弯月形透镜那样成形，具有凹弯曲的入射面974和凸弯曲的出射面976。由于盘966非常薄，两个面974、976的曲率半径可以选择得相同。在这种情况下，凸曲面976的曲率半径对应于怀特多程池的镜子的曲率半径。凹曲面974被针对泵浦辐射和待放大光束高透射性地涂层，而凸曲面976被高反射性地涂层。

如图6b所示，使用具有凹弯曲接触面的散热器933来使得盘冷却。理想情况下，该接触面具有与盘966的凸曲面976相同的曲率半径，并经由其凸曲面976连接至散热器933并因此被冷却。

图7示出了多程泵装置的示例，该多程泵装置的基本结构基于图1所示的装置。该多程泵装置包括具有透镜983、盘形放大介质961和用在怀特多程池中的散热器931的模块。该模块满足图1中放大介质171和镜子737的功能。在每次反射时，光束两次穿过透镜983和盘369。假设盘369没有热透镜效应。在这种情况下，选择透镜983的焦距，使得该焦距等于多程池的对应镜子，例如镜子737(参见图1)的曲率半径。

图8示出了根据本发明的多程泵装置的另一示例。该多程泵装置的基本结构基于图1和图7中所示的多程泵装置。相对于图7的实施方式，添加了具有透镜987、盘形放大介质962和散热器932的另外的模块并且将该另外的模块用在怀特多程池中。该模块取代了图1中放大介质172和镜子738的组合。在每次反射时光束都会穿过透镜和盘两次。假设盘没有热透镜效应，其中将透镜987的焦距选择为使得该焦距等于来自多程池的对应镜子738的曲率半径。

图9示出了将两个盘961和962组合成一个更大的盘96。盘961分别与散热器931连接(参见图8)或组合成单个盘96地与散热器93(参见图9)连接。

如图9和图9a中的双箭头831和832所示，相应的透镜983、987可以布置在移位单元上，借助于所述移位单元可以改变透镜983、987与圆盘961、962之间的距离，以由此改变这些模块的有效焦距，使得多程池中的热透镜得到补偿。图9a还示出了可以将一对透镜用作正透镜983，所述一对透镜在一种简单的实施方式中由负透镜或正透镜组成。

图10示出了根据本发明的放大器装置的另一实施方式。将待放大光束1耦合输入到例如图9中所示的多程泵装置中。在此，待放大光束1按照以下方式耦合输入，即待放大光束1四次穿过怀特多程池并被放大。通过改变光束1的耦合输入角度和耦合输入位置，可以在怀特多程池内实现光束1的4N次通过，其中N是整数，以实现非常高的放大。如果盘96具有热透镜效应，则选择盘96的有效焦距，使得该有效焦距等于对应镜子的曲率半径。

实际上，盘具有依赖于功率的透镜效应。此外，多程池中的其他光学组件，如二向色镜子61(例如图17)，由于高功率负荷可能导致热光效应。在这种情况下，热透镜效应可以根据功率而变化。由此，诸如功率/能量的运行参数受到显著限制。为了解决该问题，例如可以将透镜983和987安装在移位单元上，如图9、图9a中通过双箭头831所示。通过改变透镜与盘之间的距离，可以改变由透镜和盘构成的模块的有效焦距，以由此补偿热透镜。

代替单个透镜，也可以使用透镜组来补偿热透镜，所述透镜组的焦距可以变化。在此，将至少一个透镜安装在移位单元上。通过移位，透镜组的有效焦距可以根据预给定而变化。

如图21a和图21b所示，透镜组988的最简单实施方式由凹透镜986和凸透镜987组成。两个透镜986和987具有类似的绝对焦距值。可以通过调整两个透镜986和987之间的距离来改变这对透镜的有效焦距，从而补偿多程池内组件的热透镜效应。

为了补偿多程池内的热透镜和相前失真，也可以使用光学元件，该光学元件的光学特性(例如焦距)可以有针对性地变化。

光学元件的示例是使用针对泵浦辐射和待放大的激光束透射的介质989(参见图22a)。图22b示出了介质中的折射率例如可以有针对性地受到温度分布T(y)的影响。在吸收具有定义波长的辐射的介质中——该波长不同于泵浦辐射和待放大光束的波长，例如可以通过介质中的定义的辐射场生成所述温度分布。因此，可以通过调整该辐射场在介质中产生期望的折射率分布n(y)，以补偿多程池中的热光效应，如热透镜和由热和/或热机械引起的相前失真。这也由图22c以图形方式示出。

此外，至少一个热元件990可以布置在介质周围(参见图22)。热元件990可以是例如加热元件或冷却元件。通过热元件990有针对性地在介质中生成温度分布并且因此有针对性地影响泵浦辐射和待放大光束的相位。

图11示出了基于图10中所示的放大器装置的振荡器装置，其中使用了高反射镜子81和部分透射镜子83。两个镜子81和83与多程池协作地形成激光谐振器，并且与位于多程池中的放大介质一起形成生成激光束89的激光振荡器。平面镜子或曲面镜子可以用作镜子81和83。有利的是，两个镜子81和83中的至少一个是柱形的。

图12示出了将球形或柱形透镜82用于模式适配的实施方式。选择镜子和/或透镜的目标是在多程池内形成象散激光束。还有利的是，象散光束在诸如透镜、镜子、特别是放大介质的光学组件所在的部位处具有尽可能大的模式横截面。

图13示出了包括用于产生激光脉冲的光开关84的激光振荡器。光开关的示例是声光开关或电光开关。

图14示出了其中存在频率转换单元86的激光振荡器。频率转换单元86的示例尤其是倍频器、和频发生器、光学参数发生器等。

待放大光束1可以是消象散光束或象散光束。为了最小化多程池内的最大强度，有利的是将待放大光束1成形为具有定义特性的象散光束，然后将其耦合到多程池中。

通过使用尤其是柱形光学器件，例如柱形透镜、柱形镜子或棱镜等，可以将消象散光束转形为单重象散光束。图24示出了单重象散光束的示例。单重象散光束在z方向传播。在xz平面中，光束的束腰dσx0位于Z0x。在yz平面，束腰为dσy0并且位于部位Z0y处。在单重象散光束的情况下，光学器件可以被定位成显著降低所述光学器件上和焦点中的功率密度。

为了进一步缩放功率和脉冲能量，有利的是将待放大光束在耦合输入到多程池中之前被变换为象散光束。

这种实施方式在图15a中示出。多程池由球形凹面镜子736和两个模块组成，其中一个模块由透镜983、盘96和散热器93组成，而另一个模块由透镜987、盘96和散热器93组成。这两个模块分别用作具有曲率半径的凹面镜子，如镜子736。镜子736和这两个模块相对于彼此布置，使得距离等于镜子的曲率半径。从而形成怀特多程池。点划线表示该多程池的中间平面611。在这种特殊情况下，所述中间平面同时是怀特多程池的焦平面。光学器件261用于耦合输入待放大光束1。光学器件261将待放大光束1变换为耦合输入到多程池中的象散光束11。在所示示例中，在多程池内产生了四个光束路径121、122、123和124。原则上光束1具有任意横截面，例如椭圆形横截面。为了简化表示，假设光束1具有圆形横截面。整形光学器件261被设计和布置为使得成形后的光束11在yz平面中近似得到准直并且xz平面中输入光束的束腰位于中间平面611上。光束121穿过放大介质96并且在此过程中被放大。在通过盘96反射并两次穿过透镜983后，光束在xz平面中得到准直，而光束在yz平面中被聚焦，使得反射后的光束122为象散光束，其在xz平面中近似平行并且在yz平面中具有在中间平面611中的束腰，所述束腰的横截面在传播期间从圆形变为椭圆形并且再次变为圆形。在此，光束第二次穿过放大介质并被进一步放大。

对于消象散光束1，有利的是将柱形透镜用于光学器件261，所述柱形透镜的焦距等于镜子的焦距并且所述柱形透镜的焦点位于焦平面611中。光束122被镜子736反射成光束123。在此，光束在xz平面中聚焦并在yz平面中得到准直。在xz平面中，光束123在焦平面或中间平面611中具有焦点并且因此在中间平面611中具有椭圆形光束横截面。光束123的椭圆形横截面垂直于光束122的横截面。光束123被盘96反射并两次穿过透镜987，产生光束124。在此，光束在xz平面中得到准直并在yz平面中聚焦。通过这种方式，光束来回反射并多次穿过放大介质。光束横截面从椭圆形变为圆形，并从圆形再次变为椭圆形。图15b示出了镜子736处的光束横截面。图15c示出了中间平面611中的光束横截面。图15d示出了盘96处的光束横截面。展示出镜子和盘处的光束具有大的近似圆形的横截面。

对于fs激光器，有利的是至少镜子736是GDD镜子(群延迟色散镜)或GTI镜子(Gires-Tournois干涉仪镜)。选择镜子的色散，使得由介质和空气导致的色散得到平衡，并由于在每次通过后光束频谱的加宽都增加而缩短了脉冲长度。

为了提高光束质量，可以在多程池中使用一个或多个光阑和/或光阑阵列。有利的是，光阑阵列位于焦平面611中或焦平面611附近。光阑阵列具有开口，这些开口的几何形状适配于相应光束通过部位的光束横截面。

图16a、图16b和图16c示出了用于图15a中所示的怀特多程池的光阑阵列的示例。

图16a示出了位于镜子736的平面中的光阑阵列的示例。该光阑22具有三个光束通道201、203、205并且相应地具有三个开口221、223、225。通常，这些开口的尺寸应为对应高斯光束的光束横截面的1.2倍至2倍。图16b和图16c分别示例性地示出了将开口定位在焦平面611的光阑阵列前面和定位在盘96上。

图17示出了根据本发明的另一放大器装置。使用光束源78来进行泵浦。从光束源78发射的辐射77通过光学器件76成形为泵浦辐射73，使得盘上的泵浦辐射具有与待放大光束类似或相同的尺寸。镜子61是二向色镜子。待放大光束11利用该二向色镜子与泵浦辐射73同轴叠加。盘96的出射面和镜子736被涂层为，使得它们对于待放大的激光束11和泵浦辐射73都是高反射性的。此外，盘96的入射面以及透镜983和987被针对待放大的激光束11和泵浦辐射73都高透射性地涂层。在该实施方式中，泵浦辐射73与待放大的激光束11同轴延伸。因此泵浦辐射和待放大的激光束的最大交叠以简单的方式得到保证，从而保证了最大程度地利用放大。

也可以基于上述具有多程池的放大器装置通过添加谐振器镜子(如图14中的镜子81和83)来形成激光振荡器。

例如，盘形放大介质可以是掺杂有Nd离子或Yb离子的晶体。掺杂有Yb离子的晶体具有小的吸收横截面和小的受激发射横截面。为了实现泵浦辐射的有效吸收和高放大，有利的是实现具有尽可能多的穿过盘的通道的放大器装置。

图18示出了使用另外的镜子21的对应实施方式。镜子21被针对泵浦辐射73和激光束11高反射性地涂层。优选地，镜子21具有与镜子736相同的曲率半径。将镜子21定向为使得来自泵浦辐射73的未被吸收的辐射和经过放大的光束被反射回来并在相反的方向上第二次穿过多程池。由此增加了泵浦辐射的吸收和激光束的放大。

假设输入光束1具有线性偏振，则如图19所示使用λ/4延迟板23和偏振器22将输入光束1和经过放大的光束99分开。输入光束1具有p偏振并穿过偏振器22。在λ/4延迟板23之后，待放大光束11具有圆偏振。在两次穿过多程池之后，经过放大的光束99穿过λ/4延迟板。此后，经过放大的光束99具有垂直于输入光束1的偏振的线性s偏振。由此将经过放大的光束99被偏振器反射，由此与输入光束分开。

为了将经过放大的光束99与输入光束1分开，也可以使用法拉第隔离器。

法拉第隔离器可以用于进一步增加通过或穿过的次数，从而提高放大。图20示出对应的实施例。经过p偏振的光束1穿过法拉第隔离器26，在此过程中偏振不发生变化。然后光束1继续穿过偏振器22和λ/4延迟板23并且变为圆偏振。光束通过光学器件261成形并耦合到多程池中并在那里放大。在多程池之后，经过放大的光束被镜子21反射回多程池中并进一步放大。经过放大的光束穿过λ/4延迟板23并且变为线性和s偏振。该光束被偏振器反射为光束99。使用镜子24，经过s偏振的光束99被镜子24反射回来，穿过λ/4延迟板23并且借助于光学器件261耦合输入到多程池中。在另外两次穿过多程池之后，光束被进一步放大。在这个示例中，λ/4延迟板23后面经过放大的光束具有线性p偏振。该光束穿过偏振器22并从图中左侧进入法拉第隔离器26。由此光束99被s偏振并与输入光束1分开。

放大介质可以例如是由染料制成的液体池，带有例如CO2的气体池，诸如掺杂玻璃的固体，例如掺杂有Nd离子、Yb离子、Tm离子、Ho离子或Ti离子的晶体、或半导体等。

在激光振荡器装置中，放大介质可以是通过电流电激发的半导体。

此外，在气态放大介质的情况下，可以通过放电产生用于放大的反转。

图23a和图23b示出了根据本发明的另一实施例。图23a示出了多程池的俯视图，而图23b示出了多程池的侧视图。该多程池由两个级联的怀特多程池组成。第一怀特多程池由三个具有相同曲率半径的凹面镜子781、782和783组成。第二怀特多程池由三个具有相同曲率半径的凹面镜子785、786和787组成。镜子784被设置用于将未被吸收的泵浦辐射从第一怀特多程池耦合输入到第二怀特多程池中。优选地，镜子784具有与其他凹面镜子相同的曲率。虚线表示凹面镜子的焦平面。

镜子782、784和786可以有利地组合成镜子阵列77，并且镜子781、783、785和787可以有利地组合成镜子阵列78。

Claims (33)

1.一种用于增加功率和能量的放大器装置，包括多程池和至少一种放大介质，其中所述多程池具有凹曲面镜子(736、737、738)，并且所述放大介质(171-175)布置在所述多程池内，使得泵浦辐射(301、73)多次穿过所述放大介质(171-175)并由所述放大介质(171-175)吸收，以及其中待放大的激光束穿过所述放大介质(171-175)，其特征在于，所述镜子(736、737、738)被设计和布置为使得形成怀特多程池，并且所述泵浦辐射(301、73)和待放大的激光束在布置有镜子、放大介质以及其他光学组件的位置处具有大的横截面。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多程池的凹面镜子(736、737、738)由至少一个镜子和至少一个透镜的组合形成。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，设置反射器(21)，利用所述反射器将在第一次穿过时未被吸收的泵浦辐射(309、19)反射回来并在相反的方向上第二次穿过所述多程池。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述放大介质是薄盘(963)，其中所述盘(963)的第一表面(977)是凸的并且对于待放大的激光束和所述泵浦辐射具有高透射性，并且所述盘(963)的第二表面(978)被针对待放大的激光束和所述泵浦辐射高反射性地涂层，以及所述盘(963)的焦距等于凹面镜子(736、737、738)的曲率半径。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述放大介质是薄盘(966)，其中所述盘(966)的第一表面(974)是凹的并且被针对待放大的激光束和所述泵浦辐射(301)高透射性地涂层，并且所述盘(966)的第二表面(976)是凸的并且针对待放大的激光束和所述泵浦辐射高反射性地涂层，其中选择所述表面(974、976)的曲率，使得所述盘(966)的表面(974、976)的曲率半径近似等于所述凹面镜子(736、737、738)的曲率半径。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述放大介质是薄盘(961；962)，其中所述盘(961、962)的第一平坦表面(953、971)被针对待放大光束和所述泵浦辐射(301)高透射性地涂层，并且所述盘(961、962)的第二表面(954、972)被针对待放大的激光束和所述泵浦辐射(301)高反射性地涂层，其中直接在所述盘(961)之前使用正透镜(983、987)并且该透镜(983、987)被针对待放大的激光束和所述泵浦辐射(301)高透射性地涂层，选择所述透镜(983、987)的焦距并且将所述透镜(983、987)相对于所述盘(962、961)布置为，使得所述透镜(983、987)和所述盘(962、961)一起就像一个凹面镜子(737；738)那样反射所述泵浦辐射(301)和待放大的激光束，以及其中所述盘(962、961)安装在散热器(931、932)上并与所述散热器热接触。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，两个盘(961、962)都安装在散热器(93)上并且与所述散热器热接触。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的装置，其特征在于，相应的透镜(983、987)安装在移位单元(831)上。

9.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述透镜(983、987)由一对透镜(986、987)形成，其中至少一个所述透镜安装在移位单元上，其中通过使所述透镜移位来调整所述一对透镜的有效焦距，使得热透镜在所述多程池中得到补偿。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，设置至少一个光学元件(989)，所述至少一个光学元件由介质(989)和加热辐射源或至少一个与所述介质(989)热接触的加热元件(990)组成，其中所述加热辐射源或所述加热元件(990)发射波长不同于所述泵浦辐射的波长和所述待放大的激光束的波长的加热辐射，其中所述介质(989)吸收所述加热辐射并对所述泵浦辐射和待放大光束具有高透射性，以及根据预给定来调整所述加热辐射的分布。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其特征在于，待放大的激光束(1)耦合输入到多程泵浦装置中以用于放大，其中所述耦合输入按照以下方式进行，即所述待放大的激光束在所述怀特多程池内进行4N次通过，其中N是整数。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，在所述待放大的激光束(1)耦合输入到所述多程泵浦装置中之前布置整形光学器件(261)，所述整形光学器件将所述待放大的激光束(1)变换为象散光束(11)。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述象散光束(11)在一个平面中近似准直并在与该平面垂直的平面中会聚并且在中间平面(611)处具有束腰，其中所述中间平面(611)与所述镜子(736)的焦平面重合。

14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述整形光学器件(261)包括至少一个柱形透镜或包括镜子。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置，其特征在于，在所述多程池中使用至少一个光阑和/或光阑阵列，所述至少一个光阑和/或光阑阵列在光束通过部位处具有开口，所述开口的几何形状与相应光束通过部位的光束横截面适配。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，至少一个光阑阵列位于所述中间平面/焦平面(611)中或其附近。

17.根据权利要求15或16所述的装置，其特征在于，相应开口的尺寸对应于对应高斯光束的光束横截面的1.2倍至2倍。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的仪器，其特征在于，所述泵浦辐射由光束源(78)发射并由光学器件(76)成形，并经由二向色镜子(61)耦合输入到所述多程泵浦装置中，其中所述镜子(61)对于待放大的激光束(1、11)具有高透射性，并且待放大的激光束(1、11)通过所述镜子(61)耦合输入到所述多程泵浦装置中。

19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述二向色镜子(61)将待放大光束(1、11)与所述泵浦辐射(73)同轴叠加。

20.根据权利要求18或19所述的装置，其特征在于，设置反射器(21)，所述反射器是凹面镜子并且将在第一次穿过所述多程池时未被吸收的泵浦辐射(73)反射回来并且对应地在第二次穿过时在相反的方向上穿过所述多程池。

21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述反射器(21)对经过放大的光束(11)具有高反射性，并且所述经过放大的光束从所述反射器(21)反射回来，在相反的方向上穿过所述多程池并且重新被放大为光束(99)。

22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，为了将输入激光束(1)和经过放大的激光束(99)分开，使用λ/4延迟板(23)和偏振器(22)。

23.根据权利要求21或22所述的装置，其特征在于，将经过p偏振或s偏振的激光束(1)引导通过法拉第隔离器(26)，所述法拉第隔离器在激光束(1)通过后保持p偏振或在通过后变为经过s偏振的激光束，然后经过偏振的激光束穿过所述偏振器(22)和所述λ/4延迟板(23)，然后经过圆偏振，其中经过放大的激光束(99)由所述镜子(21)反射回所述多程池并被进一步放大，然后所述经过放大的激光束(99)穿过所述λ/4延迟板(23)并经过s偏振，其中经过s偏振的经过放大的激光束(99)从所述偏振器(22)反射为激光束(99)，其中使用镜子(24)，经过s偏振的光束(99)被该镜子反射回所述多程池并被进一步放大。

24.根据权利要求1至23中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个所述镜子(736、737)是脉冲压缩GDD或GTI镜子。

25.根据权利要求1至24中任一项所述的装置，其特征在于，作为放大介质使用由染料制成的液体池、具有例如CO2的气体池、或诸如掺杂玻璃的固体、掺杂有Nd离子、Yb离子、Tm离子、Ho离子或Ti离子的晶体，或使用半导体。

26.根据权利要求25所述的装置，其特征在于，作为放大介质使用半导体，并且通过电流以电方式产生放大。

27.根据权利要求25所述的装置，其特征在于，所述放大介质是气态的并且用于放大的反转通过放电生成。

28.根据权利要求1至27中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个另外的怀特多程池连接到所述怀特多程池的下游以形成具有大的模式横截面的另外的多程泵浦装置和多程放大器装置。

29.根据权利要求1至28中任一项所述的激光器装置和放大器装置中，其特征在于，设置高反射镜子(81)和部分透射镜子(83)，其中这两种镜子(81、83)与所述多程池相互作用以形成激光振荡器的方式形成激光谐振器。

30.根据权利要求29所述的装置，其特征在于，至少一个所述镜子(81、83)是柱形镜子。

31.根据权利要求29或30所述的装置，其特征在于，选择所述镜子(81、83)，使得在所述多程池内形成象散激光束，其中所述象散激光束在布置诸如透镜、镜子、特别是放大介质的光学组件的部位处具有尽可能大的横截面。

32.根据权利要求29至31中任一项所述的装置，其特征在于，在所述激光振荡器中布置产生激光脉冲的光开关(84)。

33.根据权利要求29至32中任一项所述的装置，其特征在于，在所述激光振荡器中布置至少一个频率转换单元(86)。