CN117673880B - 一种双路能量放大的纳秒脉冲激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双路能量放大的纳秒脉冲激光器,包括:振荡器,振荡器用以出射激光;分光元件,分光元件设于振荡器出光路的一侧,能够将激光分成双路脉冲光束;振荡器与分光元件之间依次排列设有第一隔离器,预放大器,第二隔离器;双路放大系统,双路放大系统对称排布,并对应设置于分光元件出射的双路脉冲光束一侧,能够将双路脉冲光束能量进行放大;放大系统包括依次排列设置一级放大器、二级放大器、第三隔离器、三级放大器、四级放大器、第四隔离器;合束偏振片,合束偏振片设于双路放大系统出光一侧,能够将放大后的双路脉冲光束进行合束,得到能量累加的合束激光束;光束整形器,设置在偏振片的出光路上,相比现有方案能够实现激光以更大能量输出。

Description

一种双路能量放大的纳秒脉冲激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域,尤其涉及一种双路能量放大的纳秒脉冲激光器。
背景技术
闪光灯泵浦的大能量固体激光器是一种广泛应用在科研、工业等的激光器。在现有技术中,其主要依靠泵浦源、激光晶体、聚光腔来实现输出的激光能量放大。由于脉冲氙灯具有发光能量高、发射光谱匹配激光晶体吸收谱的特点,是被广泛应用的大能量激光脉冲的泵浦源。常见的激光发射晶体,如Nd:YAG激光晶体等,该晶体可以受激发射1064nm波长的激光脉冲。利用聚光腔可以固定夹持氙灯和激光晶体实现激光产生和放大,然后再进行多级放大,从而实现大能量的输出。
发明内容
根据现有技术中存在的问题,本发明提供一种双路能量放大的纳秒脉冲激光器,通过偏振合束方式实现双路激光束经过放大。再合束在一起实现更大能量的输出。
本发明的技术方案如下:
一种双路能量放大的纳秒脉冲激光器,包括:
振荡器,振荡器用以出射激光;
分光元件,分光元件设于振荡器出光路的后端,能够将激光分成双路脉冲光束,延伸后可实现多路输出;
振荡器与分光元件之间依次排列设有第一隔离器,预放大器,第二隔离器;
双路放大系统,双路放大系统对称排布,并对应设置于分光元件出射的双路脉冲光束一侧,能够将双路脉冲光束能量进行放大;
放大系统包括依次排列设置一级放大器、二级放大器、第三隔离器、三级放大器、四级放大器、第四隔离器 ;
合束偏振片,合束偏振片设于双路放大系统出光一侧,能够将放大后的双路脉冲光束进行合束,得到能量累加的合束激光束;
光束整形器,设置在偏振片的出光路上。
作为优选的技术方案,振荡器内并排设置有氙灯和Nd:YAG激光晶体,Nd:YAG激光晶体外套设有玻璃管,振荡器的输出端设有高斯镜。
作为优选的技术方案,振荡器为陶瓷腔,陶瓷腔内壁涂覆有稀有金属层,玻璃管内掺杂有稀有金属。
作为优选的技术方案,还包括削波元件,削波元件设于振荡器和第一隔离器之间。
作为优选的技术方案,削波元件为削波电路板和电光Q开关。
作为优选的技术方案,第一隔离器、第二隔离器、第三隔离器、第三隔离器、第四隔离器均为法拉第隔离器。
作为优选的技术方案,预放大器为第一Nd:YAG激光晶体,第一Nd:YAG激光晶体的直径大于9mm。
作为优选的技术方案,一级放大器、二级放大器均为第二Nd:YAG激光晶体,第二Nd:YAG激光晶体的直径大于16mm。
作为优选的技术方案,三级放大器、四级放大器均为第三Nd:YAG激光晶体,第三Nd:YAG激光晶体的直径大于24mm。
作为优选的技术方案,分光元件为分光镜,或1/2波片与偏光片组合元件。
本发明采用的技术方案达到的有益效果:本发明通过偏振合束方式,实现将分束得到的双路激光束经过放大系统进行放大,经过放大激光再合束在一起,以实现相比现有技术更大的激光能量输出。本发明还可以根据选择设置削波元件,能够实现激光脉冲宽度可以在10ns-30ns范围内可调。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,构成本发明的一部分,本发明的示意性实施例及其说明解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明实施例1-2公开的双路能量放大的纳秒脉冲激光器结构示意图。
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,下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中,需要说明的是,术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的,除非内容另外明确指出外。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
实施例1
根据图1,本实施例提供一种双路能量放大的纳秒脉冲激光器,包括:
振荡器,振荡器用以出射激光;
分光元件,分光元件设于振荡器出光路的后端,能够将激光分成双路脉冲光束,延伸后可实现多路输出;
振荡器与分光元件之间依次排列设有第一隔离器,预放大器,第二隔离器;
双路放大系统,双路放大系统对称排布,并对应设置于分光元件出射的双路脉冲光束一侧,能够将双路脉冲光束能量进行放大;
放大系统包括依次排列设置一级放大器、二级放大器、第三隔离器、三级放大器、四级放大器、第四隔离器;
合束偏振片,合束偏振片设于双路放大系统出光一侧,能够将放大后的双路脉冲光束进行合束,得到能量累加的合束激光束;
光束整形器,设置在偏振片的出光路上。
针对于现有闪光灯泵浦的大能量固体激光器,其主要依靠泵浦源、激光晶体、聚光腔来实现输出的激光能量放大的方式,本实施例提出一种双路能量放大的纳秒脉冲激光器,主要包括振荡器、隔离器部分、放大器部分、分光部分、偏振合束以及光束整形部分,通过偏振合束方式,让双路激光脉冲能量放大后再合在一起,能够实现比现有方案具有更大能量输出。
优选地,振荡器内并排设置有氙灯和Nd:YAG激光晶体,Nd:YAG激光晶体套设有玻璃管,振荡器的输出端设有高斯镜。
优选地,振荡器为陶瓷腔,陶瓷腔内壁涂覆有稀有金属层,玻璃管内掺杂有稀有金属。
具体的,振荡器的输出端使用了变反射率镜,即高斯镜,有良好的模式区分能力和抗扰动性,以极大的模体积高效率输出近基模近平顶光采用了卡塞格林非稳振荡器技术。振荡器使用的陶瓷腔体是烧结陶瓷材料,腔体内部浸泡在冷却水中,腔体的作用是包裹氙灯和Nd:YAG激光晶体,形成封闭的泵浦光线反射空间,把氙灯发射的泵浦光反射到激光晶体上,照射激光晶体产生激光增益。陶瓷腔的内侧表面具有稀有金属涂层。氙灯是将电能转换成光能的发光灯管,通常是圆柱形的玻璃管,内部充有氙气。氙灯发射白光,泵浦照射激光晶体。激光棒套设于玻璃管内,玻璃管内掺杂稀有金属,其作用是吸收特定波段的光辐射,来抑制激光晶体的横向ASE(放大的自发辐射),减少晶体纵向光子的损耗,相当于增加了纵向能够提取的光子的数量,从而达到提升陶瓷腔电光效率的目的。此外放大部分采用的是同种聚光腔型设计。
优选地,还包括削波元件,削波元件设于振荡器和第一隔离器之间。
优选地,削波元件为削波电路板和电光Q开关。
具体的,削波元件采用高速削波电路和电光开关可实现激光脉宽在10ns-30ns范围内可调,需要说明的是,为保证最终激光最大能量输出,需要严格控制隔离比和发散角,其中隔离比要求至少为1500:1,也就是说,不放削波元件测的激光出射能量与放入削波元件测的激光出射能量之比为1500:1。当然,在本实施例中削波元件并不是主要的,可根据实际所需选择设置。
优选地,第一隔离器、第二隔离器、第三隔离器、第三隔离器、第四隔离器均为法拉第隔离器。
优选地,预放大器为第一Nd:YAG激光晶体,第一Nd:YAG激光晶体的直径大于9mm。
优选地,一级放大器、二级放大器均为第二Nd:YAG激光晶体,第二Nd:YAG激光晶体的直径大于16mm。
优选地,三级放大器、四级放大器均为第三Nd:YAG激光晶体,第三Nd:YAG激光晶体的直径大于24mm。
具体的,隔离器部份中每一个隔离器均包括第一检偏器、1/2波片、法拉第旋光器,第二检偏器。可防止有反射光回到振荡器或者前级激光器,有效的降低了器件损伤及激光自激等现象。不同在于,不同位置的隔离器的口径要根据激光口径选择合适尺寸。
双路放大系统相对于分光元件和合束偏振片是中心对称放置,同时在双路激光束传播方向上设置的器件均相同,相邻器件之间的物理距离也相同,个别位置设有光路补偿。
具体的,偏振合束部分,将前面双路放大后且不同偏振态的双路激光束通过合束偏振片进行合束,实现了单路输出的大能量激光输出。这样不仅有效的利用了激光器内部空间,也相对降低了激光器的成本。而且还能在一定的范围内有效的补偿最终激光光斑分布效果。
由于偏振合束部分影响到的是激光最终的输出状态和光斑效果,因此本实施例中每一个器件都要严格做到精确调节。比如,严格调整的输入和输出的光斑大小,输出的光斑大小应与对应的激光晶体直径的大小基本一致。
光束整形部分,采用光束整形器对合束后的对激光光束进行整形,用以满足各种实际应用需求。比如,将输出的圆形光斑,经光束整形器改变为矩形状的光斑。
实施例2
本实施例提供一种双路能量放大的纳秒脉冲激光器,具有双路放大系统,即第一放大系统和第二放大系统,分光元件采用为分光镜,或1/2波片与偏光片组合元件,合束部分采用的是合束偏振片。
根据图1,振荡器内输出的激光束,依次通过削波元件、第一隔离器以及预放大器后输出的激光脉冲的能量约为2J,再通过第二隔离器后进入分光元件,将激光脉冲分成两路,即第一激光束和第二激光束,第一放大系统用以将第一激光束进行能量放大,第二放大系统用以将第二激光束进行能量放大。
第一放大系统和第二放大系统均为一级放大器、二级放大器、第三隔离器、三级放大器、四级放大器、第四隔离器,当第一激光束和第二激光束分别依次通过一级放大器、二级放大器进行一级放大后,输出的第一激光束和第二激光束的能量均约为5-7J。
经一级放大后输出的第一激光束和第二激光束再依次通过第三隔离器、三级放大器、四级放大器进行二级放大后,输出的第一激光束和第二激光束的能量均约为15-25J。
最后,经二级放大后输出的第一激光束和第二激光束通过第四隔离器后经合束偏振片进行合束,获得双路累加后激光脉冲能量为30-50J。根据实际所需,将最终输出的激光脉冲通过光束整形器,用以对激光光束进行整形,以满足各种实际应用所需。
以上的所有隔离器均用以防止有反射光回到振荡器或者前级激光器,有效的降低了器件损伤及激光自激等现象,
在一种优选的实施方式中,还可以通过调节削波元件,以实现激光脉冲宽度可以在10ns-30ns范围内可调。
在一种优选的实施方式中,第一激光束和第二激光束是对称设置,在两路激光束传播方向设置的器件相同,相邻器件之间的物理距离相同,以保证两路的激光脉冲能够达到同等级的能量放大时,不会出现能量损失。
在一种优选的实施方式中,当使用分光镜时,需要将分光镜的入光侧贴附有50%反射膜,出光侧贴附有增透膜,以便达到更好的分光效果。必要时需要使用两片互补的楔形的镜片来防止激光产生干涉现象。
本实施例中双路放大系统将对应的分束成的两路激光脉冲分别放大,再通过合束的方式进行合束,最终激光可以实现大于40J,甚至能到50J的激光输出,具有更广阔的应用场景。
以上对本申请实施例一种双路能量放大的纳秒脉冲激光器进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本申请的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (8)

1.一种双路能量放大的纳秒脉冲激光器,其特征在于,包括:
振荡器,所述振荡器用以出射激光;
分光元件,所述分光元件设于振荡器出光路的后端,能够将所述激光分成双路脉冲光束,延伸后可实现多路输出;
所述振荡器与所述分光元件之间依次排列设有第一隔离器,预放大器,第二隔离器;
双路放大系统,双路所述放大系统对称排布,并对应设置于所述分光元件出射的所述双路脉冲光束一侧,能够将双路所述脉冲光束能量进行放大;
所述放大系统包括依次排列设置一级放大器、二级放大器、第三隔离器、三级放大器、四级放大器、第四隔离器;
合束偏振片,所述合束偏振片设于所述双路放大系统出光一侧,能够将放大后的双路所述脉冲光束进行合束,得到能量累加的合束激光束;
光束整形器,设置在所述偏振片的出光路上;
所述振荡器内并排设置有氙灯和Nd:YAG激光晶体,所述Nd:YAG激光晶体外套设有玻璃管,所述振荡器的输出端设有高斯镜;
所述振荡器为陶瓷腔,所述陶瓷腔内壁涂覆有稀有金属层,所述玻璃管内掺杂有稀有金属。
2.根据权利要求1所述的双路能量放大的纳秒脉冲激光器,其特征在于,还包括削波元件,所述削波元件设于所述振荡器和所述第一隔离器之间。
3.根据权利要求2所述的双路能量放大的纳秒脉冲激光器,其特征在于,所述削波元件为削波电路板和电光Q开关。
4.根据权利要求1-3任一项所述的双路能量放大的纳秒脉冲激光器,其特征在于,所述第一隔离器、所述第二隔离器、所述第三隔离器、所述第四隔离器均为法拉第隔离器。
5.根据权利要求1-3任一项所述的双路能量放大的纳秒脉冲激光器,其特征在于,所述预放大器为第一Nd:YAG激光晶体,所述第一Nd:YAG激光晶体的直径大于9mm。
6.根据权利要求1-3任一项所述的双路能量放大的纳秒脉冲激光器,其特征在于,所述一级放大器、所述二级放大器均为第二Nd:YAG激光晶体,所述第二Nd:YAG激光晶体的直径大于16mm。
7.根据权利要求1-3任一项所述的双路能量放大的纳秒脉冲激光器,其特征在于,所述三级放大器、所述四级放大器均为第三Nd:YAG激光晶体,所述第三Nd:YAG激光晶体的直径大于24mm。
8.根据权利要求1-3任一项所述的双路能量放大的纳秒脉冲激光器,其特征在于,所述分光元件为分光镜,或1/2波片与偏光片组合元件。
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