CN116667120A - 紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器，包括：泵浦源，用于发射泵浦光；泵浦耦合模块，用于对泵浦光进行耦合，形成耦合光；一增益介质，设置在所述耦合光的光路上；调Q模块，用于对增益介质产生的种子光调制形成脉冲种子光；全反镜和输出镜，用于形成激光谐振腔；整形系统，用于种子光整形；相互配合的第一自注入反射镜和第二自注入反射镜，设置在整形系统和增益介质之间，用于实现种子光与一程放大的增益介质耦合；相互配合的第三自注入反射镜和第二自注入反射镜。本发明解决了MOPA放大器因放大级数多而导致的光路复杂、元器件多的问题，满足对激光器光路紧凑、体积小、质量轻、易集成的要求。
Description
技术领域
本发明涉及固体激光技术领域，尤其涉及紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器。
背景技术
紧凑型高功率脉冲激光放大器在激光雷达、激光成像、激光材料处理、激光加工、激光清洗等诸多领域都有相当重要的应用，成为目前固体激光器中研究最热门的激光器之一。
目前对脉冲全固态激光器的研究主要追求高峰值功率、大的脉冲能量和较高的光束质量以及激光器的小型化及工程化。传统的固体激光器的增益介质采用的是棒状或块状激光晶体，晶体在吸收泵浦光后产生的热通常是采用表面流过的冷却液或者热沉结构进行传导冷却，因此增益介质径向存在较大的温度梯度，径向温度梯度使棒呈现出热透镜效应、应力感生双轴聚焦效应和应力感生双折射效应，这样就会产生严重的热透镜效应以及应力双折射等热效应，使线偏振光束出现严重退偏，导致激光器的输出功率和光束质量下降，还会造成增益介质的变形扭曲甚至断裂。
为了抑制固体激光放大器的热效应，进一步提高输出功率和光束质量，科研人员对增益介质的几何结构进行了改进设计，例如采用截面纵横比较大的板条形状晶体作为放大器的增益介质，板条激光器通过增大增益介质的冷却面积来减小晶体的温度差，使激光在温度梯度方向上沿之字形(Zigzag)路径传播，可在一定程度上降低热效应对激光输出的影响，消除一阶热聚焦、应力双折射和退偏效应，从而得到比棒状工作物质激光器更好的光束质量和更高的平均输出功率。现有产生高功率脉冲激光放大器主要是主振荡功率放大器(MasterOscillator Power-Amplifier)和Innoslab板条放大器实现功率的放大。MOPA放大技术，通常在采用单级多通、多级单通、多级多通等多次通过的放大系统中，随着种子激光功率不断被放大，其光斑半径变化较小，导致峰值功率密度不断增加，过高的激光峰值功率密度容易造成光学元器件的损伤；Innoslab固体板条放大器的泵浦光和种子光空间重合度差，放大器输出需要做较复杂的整形。此类方案其结构相对复杂，且需要多种增益介质和元器件，不易集成化，成本也相对较高。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器，解决了MOPA放大器因放大级数多而导致的光路复杂、元器件多的问题，满足对激光器光路紧凑、体积小、质量轻、易集成的要求。
本发明提出的紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器，包括：
泵浦源，用于发射泵浦光；
泵浦耦合模块，用于对泵浦光进行耦合，形成耦合光；
一增益介质，设置在所述耦合光的光路上，用来实现粒子数反转并产生种子光，同时用于放大级放大耦合光；
调Q模块，用于对增益介质产生的种子光调制形成脉冲种子光；
全反镜和输出镜，分别位于增益介质的两侧，用于形成激光谐振腔，所述全反镜位于调Q模块的输出端；
整形系统，用于种子光整形，实现与放大级光斑尺寸模式匹配；
相互配合的第一自注入反射镜和第二自注入反射镜，设置在整形系统和增益介质之间，用于调节种子光入射周期角度，实现种子光与一程放大的增益介质耦合；
相互配合的第三自注入反射镜和第二自注入反射镜，设置在输出镜的一侧，用于调节一程放大激光入射周期角度，实现一程放大激光与二程放大的增益介质耦合。
优选地，所述增益介质和调Q模块之间还设置有光阑，所述光阑用于限制所述增益介质的振荡器谐振腔基模半径及所在增益介质的增益区间。
优选地，所述全反镜和整形系统之间还设置有第一反射镜和第二反射镜，用于构建光路改变种子光传播方向。
优选地，所述调Q模块为声光调Q模块、电光调Q模块和被动调Q模块中的一种。
优选地，所述增益介质包括振荡器增益区间、一程放大增益区间和二程放大增益区间。
优选地，所述振荡器增益区间位于所述一程放大增益区间和二程放大增益区间之间，种子光在振荡器增益区间的x-z平面内Zigzag传输，振荡器增益区间的x-y平面和y-z平面占增益介质中间区域；一程放大入射激光在一程放大增益区间的x-z平面内Zigzag传输，二程放大激光在二程放大增益区间的x-z平面内Zigzag传输。
优选地，所述整形系统包括依次设置的第一负透镜、第一正透镜、第二负透镜和第二正透镜，分别在x-y平面方向和x-z平面方向对种子光进行整形扩束，实现与放大级光斑模式匹配。
优选地，所述增益介质为长方形、平行四边形或梯形的板条模块；所述增益介质的材料为YAG或YVO4。
优选地，所述增益介质的非通光端面设置有热沉，所述热沉用于对所述增益介质进行冷却。
本发明的有益技术效果：
本发明提出了一种紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器，基于增益介质角度复用双程放大技术，增益介质即用来实现振荡器种子光的粒子数反转产生光的受激辐射放大，又用于激光放大器放大耦合光。将激光增益介质区域化，分为振荡器增益区间，一程放大增益区间和二程放大增益区间。利用光阑限制振荡器增益区间，自注入反射镜调节双程放大增益区间。需放大的种子光经过整形系统扩束，再通过自注入反射镜实现种子光与一程放大增益区间耦合，以及一程放大激光与二程放大增益区间耦合，提高增益介质的利用率，充分利用增益介质反转离子数、提高能量提取效率；解决了MOPA放大器因放大级数多而导致的光路复杂、元器件多的问题；满足对激光器光路紧凑、体积小、质量轻、易集成的要求。
附图说明
图1为本发明提出的紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器的结构示意图；
图2为本发明提出的增益介质振荡器增益区间和放大器增益区间示意图；
图3为本发明提出的振荡器的结构示意图；
图4为本发明提出的整形系统基本原理示意图；
图5为本发明提出的双程脉冲激光放大器结构示意图。
图中：1-增益介质、2-输出镜、3-全反镜、4-泵浦源、5-泵浦耦合、6-热沉、7-调Q模块、8-光阑、9-种子光、10-第一反射镜、11-第二反射镜、12-整形系统、121-第一负透镜、122-第一正透镜、123-第二负透镜、124-第二正透镜、13-一程放大入射激光、14-第一自注入镜、15-第二自注入镜、16-一程放大激光、17-第三自注入镜、18-第四自注入镜、19-二程放大激光、20-第三反射镜、21-振荡器增益区间、22-一程放大增益区间、23-二程放大增益区间。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
参照图1，本发明提出的紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器，包括：泵浦源4，用于发射泵浦光；泵浦耦合模块5，用于对泵浦光进行耦合，形成耦合光；一增益介质1，设置在耦合光的光路上，用来实现粒子数反转并产生种子光，同时用于放大级放大耦合光；调Q模块7，用于对增益介质1产生的种子光调制形成脉冲种子光；全反镜3和输出镜2，分别位于增益介质1的两侧，用于形成激光谐振腔，全反镜3位于调Q模块7的输出端；整形系统12，用于种子光整形，实现与放大级光斑尺寸模式匹配；相互配合的第一自注入反射镜14和第二自注入反射镜15，设置在整形系统12和增益介质1之间，用于实现种子光与一程放大的增益介质耦合；相互配合的第三自注入反射镜17和第二自注入反射镜18，设置在输出镜2的一侧，用于实现一程放大激光与二程放大的增益介质耦合。
参照图1和图3，振荡器包括泵浦光由泵浦源4发出后经泵浦耦合模块5整形经过泵浦波段增透膜注入增益介质1，输出镜3和全反镜2形成谐振腔，与调Q模块7组成激光振荡器，输出种子光9。种子光9通过整形系统12，实现与放大级光斑模式匹配。通过自注入镜调节双程放大光路，利用一个增益介质即实现振荡器和放大器的激光输出，获得紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器。
图3中显示的泵浦源4从增益介质1的侧面泵浦。泵浦耦合模块5由透镜组或波导组成，用于对泵浦光进行整形，其中泵浦源4和泵浦耦合模块5也可位于增益介质1的另一侧或者两侧形成双端泵浦，图中不详细画出。光阑8为圆形光阑，用于限制种子光的基模半径，与调Q模块7通光孔径相匹配。光阑8也用于限制振荡器增益区间21位置，实现高光束质量脉冲种子光。种子光在振荡器增益区间21的x-z平面内Zigzag传输。调Q模块7用来实现脉冲激光输出，按照预先设计的激光光路，在泵浦开始时使谐振腔内的损耗增大，即提高振荡阈值，振荡不能形成，使激光工作物质上能级的粒子数大量积累。当积累到最大值(饱和值时)，突然使腔内损耗变小，Q值突增。这时，腔内会像雪崩一样以飞快的速度建立起极强的振荡，在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量，并在输出镜3输出一个极强的激光脉冲，也就是种子光9。
此外，增益介质1和调Q模块7之间还设置有光阑8，光阑8用于限制增益介质1的振荡器谐振腔基模半径及所在增益介质的增益区间，光阑8孔径尺寸与调Q模块7通光孔径相匹配，实现高光束质量激光输出。
为了实现种子光从全反镜3进入整形系统12，全反镜3和整形系统12之间还设置有第一反射镜10和第二反射镜11，用于构建光路改变种子光传播方向。
对于调Q模块7来说，为声光调Q模块、电光调Q模块和被动调Q模块中的一种，可根据设计需求和特点进行选择。
参照图2，增益介质1包括振荡器增益区间21、一程放大增益区间22和二程放大增益区间23。y-z平面是振荡器和双程放大器增益区间入射端面和出射端面示意图，在x-y平面可以看处，振荡器增益区间21占增益介质的中间区域1/5位置；一程放大增益区间22占增益介质中间偏上区域2/5位置；二程放大增益区间23占增益介质中间偏下区域2/5位置；在x-z平面，种子光和放大激光都在增益介质1Zigzag传输。
参照图4，整形系统包括依次设置的第一负透镜121、第一正透镜122、第二负透镜123和第二正透镜124，分别在x-y平面方向和x-z平面方向对种子光9进行整形扩束，实现与放大级光斑模式匹配。整形系统由两组伽利略扩束器组成，分别在x-y平面和x-z平面对种子激光进行整形扩束。扩束倍数可根据设计需求任意选取。
图5分别从x-y平面和x-z平面展示了双程脉冲放大器的结构。一程放大入射激光13通过调节第一自注入镜14和第二自注入镜15，入射到增益介质1中一程放大增益区间22通光端面，在一程放大增益区间22内x-z平面内Zigzag传输，在右侧出射端面出射一程放大激光16。一程放大激光16通过调节第三自注入镜17和第四自注入镜18，入射到增益介质1中二程放大增益区间23通光端面，在二程放大增益区间23的x-z平面内Zigzag传输，在二程放大增益区间23左侧端面出射二程放大激光19，二程放大激光19再经第三反射镜20进行反射。本发明充分利用了增益介质1的增益空间，实现更高的放大器提取效率，可获得高峰值功率脉冲激光。
对于本申请的增益介质来说，增益介质1为长方形、平行四边形或梯形的板条模块；增益介质1的材料为YAG或YVO4。增益介质的尺寸和材料可以根据设计需求和特点进行选取。
参照图1，增益介质1的非通光端面设置有热沉6，热沉6用于对增益介质1进行冷却。
Claims (9)
1.紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器，其特征在于，包括：
泵浦源(4)，用于发射泵浦光；
泵浦耦合模块(5)，用于对泵浦光进行耦合，形成耦合光；
一增益介质(1)，设置在所述耦合光的光路上，用来实现粒子数反转并产生种子光，同时用于放大级放大耦合光；
调Q模块(7)，用于对增益介质(1)产生的种子光调制形成脉冲种子光；
全反镜(3)和输出镜(2)，分别位于增益介质(1)的两侧，用于形成激光谐振腔，所述全反镜(3)位于调Q模块(7)的输出端；
整形系统(12)，用于种子光整形，实现与放大级光斑尺寸模式匹配；
相互配合的第一自注入反射镜(14)和第二自注入反射镜(15)，设置在整形系统(12)和增益介质(1)之间，用于调节种子光入射周期角度，实现种子光与一程放大的增益介质耦合；
相互配合的第三自注入反射镜(17)和第二自注入反射镜(18)，设置在输出镜(2)的一侧，用于调节一程放大激光入射周期角度，实现一程放大激光与二程放大的增益介质耦合。
2.根据权利要求1所述的紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器，其特征在于，所述增益介质(1)和调Q模块(7)之间还设置有光阑(8)，所述光阑(8)用于限制所述增益介质(1)的振荡器谐振腔基模半径及所在增益介质的增益区间。
3.根据权利要求1所述的紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器，其特征在于，所述全反镜(3)和整形系统(12)之间还设置有第一反射镜(10)和第二反射镜(11)，用于构建光路改变种子光传播方向。
4.根据权利要求1所述的紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器，其特征在于，所述调Q模块(7)为声光调Q模块、电光调Q模块和被动调Q模块中的一种。
5.根据权利要求1所述的紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器，其特征在于，所述增益介质(1)包括振荡器增益区间(21)、一程放大增益区间(22)和二程放大增益区间(23)。
6.根据权利要求5所述的紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器，其特征在于，所述振荡器增益区间(21)位于所述一程放大增益区间(22)和二程放大增益区间(23)之间，种子光在振荡器增益区间(21)的x-z平面内Zigzag传输，振荡器增益区间(21)的x-y平面和y-z平面占增益介质(1)中间区域；一程放大入射激光在一程放大增益区间(22)的x-z平面内Zigzag传输，二程放大激光在二程放大增益区间(23)的x-z平面内Zigzag传输。
7.根据权利要求1所述的紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器，其特征在于，所述整形系统包括依次设置的第一负透镜(121)、第一正透镜(122)、第二负透镜(123)和第二正透镜(124)，分别在x-y平面方向和x-z平面方向对种子光(9)进行整形扩束，实现与放大级光斑模式匹配。
8.根据权利要求1所述的紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器，其特征在于，所述增益介质(1)为长方形、平行四边形或梯形的板条模块；所述增益介质(1)的材料为YAG或YVO4。
9.根据权利要求1所述的紧凑型自注入式双程脉冲激光放大器，其特征在于，所述增益介质1的非通光端面设置有热沉(6)，所述热沉(6)用于对所述增益介质(1)进行冷却。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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