CN210427999U - 一种固体激光装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固体激光装置，包括激光生成装置、透镜、偏振光分束器、旋光片、法拉第旋光器、扩束镜、激光放大装置，其中，激光束从所述激光生成装置输出后依次经所述透镜、偏振光分束器、旋光片、法拉第旋光器、扩束镜、激光放大装置后，在所述激光放大装置内完成多程功率放大后，再依次经所述扩束镜、法拉第旋光器、旋光片、偏振光分束器，最后由所述偏振光分束器折射输出。本实用新型可实现激光束的多程放大，可使小信号激光充分提取晶体内部的能量。

Description

一种固体激光装置

技术领域

本实用新型属于激光技术领域，特别涉及一种固体激光装置。

背景技术

因激光技术的兴起，工业加工方式也因此发生改变，从早期的激光打标，到成熟的红外热加工，再至频率转换的冷加工，激光应用方式不断改变，但对激光高峰值、高功率的需求却始终未变。

纳秒激光与皮秒激光是一种调制后产生的高峰值激光，但因器件性能限制，需要使用激光放大技术，才能适应加工需求。多年来，激光放大技术一直在不断创新，从初始的单程放大技术，到后续的多程放大技术，再至bounce 放大技术以及innoslab放大技术等等。

在激光放大技术中，为使小信号激光得到更大增益，通常使用小光斑耦合方式达到高增益的效果，但此方式对光束空间耦合效率较高，此外，过大的泵浦功率密度也导致了较为明显的热透镜及可能的光束畸变状态。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种固体激光多程放大装置。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种固体激光装置，包括激光生成装置、透镜、偏振光分束器、旋光片、法拉第旋光器、扩束镜、激光放大装置，其中，激光束从所述激光生成装置输出后依次经所述透镜、偏振光分束器、旋光片、法拉第旋光器、扩束镜、激光放大装置后，在所述激光放大装置内完成多程功率放大后，再依次经所述扩束镜、法拉第旋光器、旋光片、偏振光分束器，最后由所述偏振光分束器折射输出。

较佳地，所述激光放大装置包括偏振分光镜、二向色镜、激光晶体、第一全反镜、第二全反镜、偏振旋转器件、泵浦源，其中，激光束从所述扩束镜输出后，依次经所述偏振分光镜和二向色镜后进入所述激光晶体，在激光晶体中完成第一程功率放大；第一程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经第一全反镜、偏振旋转器件、第二全反镜后，由所述第二全反镜反射，依次经所述偏振旋转器件、第一全反镜，由所述第一全反镜反射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第二程功率放大；第二程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经所述二向色镜、偏振分光镜后，由所述偏振分光镜反射经二向色镜入射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第三程功率放大；第三程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经所述第一全反镜、偏振旋转器件、第二全反镜后，由所述第二全反镜反射，依次经所述偏振旋转器件、第一全反镜，由所述第一全反镜反射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第四程功率放大；第四程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经所述二向色镜、偏振分光镜、扩束镜、法拉第旋光器、旋光片、偏振光分束器，由所述偏振光分束器折射输出；所述泵浦源用于为所述激光晶体提供泵浦能量，所述泵浦源出射泵浦光束，经所述二向色镜折射至所述激光晶体。

较佳地，所述激光放大装置包括偏振分光镜、第一全反镜、激光晶体、二向色镜、偏振旋转器件、第二全反镜和泵浦源，其中，激光束从所述扩束镜输出后，经所述偏振分光镜后进入所述激光晶体，在激光晶体中完成第一程功率放大；第一程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经二向色镜、偏振旋转器件、第二全反镜后，由所述第二全反镜反射，依次经所述偏振旋转器件、二向色镜，由所述二向色镜反射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第二程功率放大；第二程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经所述偏振分光镜、第一全反镜后，由所述第一全反镜反射，经所述偏振分光镜入射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第三程功率放大；第三程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经二向色镜、偏振旋转器件、第二全反镜后，由所述第二全反镜反射，依次经所述偏振旋转器件、二向色镜，由所述二向色镜反射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第四程功率放大；第四程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经所述偏振分光镜、扩束镜、法拉第旋光器、旋光片、偏振光分束器，由所述偏振光分束器折射输出；所述泵浦源用于为所述激光晶体提供泵浦能量，所述泵浦源出射泵浦光束，经所述二向色镜折射至所述激光晶体。

较佳地，所述激光放大装置包括偏振分光镜、第一全反镜、偏振旋转器件、激光晶体、二向色镜和泵浦源，其中，激光束从所述扩束镜输出后，依次经所述偏振分光镜和偏振旋转器件后进入所述激光晶体，在激光晶体中完成第一程功率放大；第一程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，经所述二向色镜反射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第二程功率放大；第二程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经所述偏振旋转器件、偏振分光镜、第一全反镜后，由所述第一全反镜反射，经所述偏振分光镜、偏振旋转器件入射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第三程功率放大；第三程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，经所述二向色镜反射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第四程功率放大；第四程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经所述偏振旋转器件、偏振分光镜、扩束镜、法拉第旋光器、旋光片、偏振光分束器，由所述偏振光分束器折射输出；所述泵浦源用于为所述激光晶体提供泵浦能量，所述泵浦源出射泵浦光束，经所述二向色镜折射至所述激光晶体。

较佳地，还包括1/2波片，若所述激光束偏振方向不能通过所述偏振光分束器，所述1/2波片(5)对所述激光束的偏振方向进行调整。

较佳地，所述激光生成装置包括光纤激光器、第三全反镜、第四全反镜，所述光纤激光器输出激光束，并经所述第三全反镜和第四全反镜进行空间位置校正。

较佳地，所述激光生成装置为固体激光器。

较佳地，所述偏振旋转器件为1/2波长的电光器件。

较佳地，所述偏振光分束器为偏振分光棱镜。

较佳地，所述旋光片为左旋45度旋光片，所述法拉第旋光器为右旋45 度法拉第旋光器。

与现有技术相比，本实用新型存在以下技术效果：

1、本实用新型实施例固体激光装置可实现激光束的多程放大，可使小信号激光充分提取晶体内部的能量。

2、本实用新型实施例固体激光装置可以增加泵浦光斑面积，降低晶体的热透镜效应，同时也可以降低光路中的ASE。

3、本实用新型实施例固体激光装置采用1/2波长的电光器件时，可实现激光束的多程放大，增加了其使用的广泛性和实用性。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1为本实用新型实施例采用光纤激光器和激光放大装置结构一的固体激光装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例采用固体激光器和激光放大装置结构一的固体激光装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例四程激光放大部分的偏振态变化示意图；

图4为本实用新型实施例多程激光放大部分的偏振态变化示意图；

图5为本实用新型实施例激光放大装置结构二的结构示意图；

图6为本实用新型实施例激光放大装置结构三的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型提供的一种固体激光装置进行详细的描述，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本实用新型精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

实施例1

请参考图1，一种固体激光装置，包括激光生成装置、透镜2、偏振光分束器4、旋光片5、法拉第旋光器6、扩束镜7、激光放大装置。

其中，请参考图,2，激光生成装置可为固体激光器；或请参考图1，激光生成装置可为包括光纤激光器13、第三全反镜12、第四全反镜11，所述光纤激光器13输出激光束，并经所述第三全反镜12和第四全反镜11进行空间位置校正。

以下，本实施例以激光生成装置产生水平线偏振激光为例对固体激光装置的工作原理进行说明。

请继续参考图1，校正后的水平线偏振激光从所述激光生成装置输出后，依次经所述透镜2、1/2波片3、偏振光分束器4、旋光片5、法拉第旋光器6、扩束镜7、激光放大装置，在所述激光放大装置内完成四程功率放大后，再依次经所述扩束镜7、法拉第旋光器6、旋光片5、偏振光分束器4，最后由所述偏振光分束器4折射输出。

这里，透镜2用于对激光束进行准直处理，准直后的激光因具有较大的横截面，即使进行功率放大后也不会造成器件的光学损伤，有利于系统的长期稳定性；1/2波片3为可选元件，当激光束偏振方向不能通过偏振光分束器 4时，可使用1/2波片3进行偏振方向调整，即调节进入激光放大装置的激光功率；偏振光分束器4选用偏振分光棱镜，其可以通过水平偏振方向的激光，折射垂直偏振方向的激光；旋光片5及法拉第旋光器6均可改变线偏振光方向，其中，旋光片5是以光轴方向为基准地旋转电场方向，法拉第旋光器6 则是固定方向地旋转电场方向，即线偏振的方向。本实施例中，选用的旋光片5为左旋45度旋光片(@1064nm)，法拉第旋光器6为右旋45度(@1064nm)，两者皆有高透激光波长的镀膜。

以激光进入透镜2的方向为基准，假设旋光片5至法拉第旋光器6的光路方向为正，当激光正向传播时，首先，通过旋光片5，激光偏振方向逆时针旋转45度，然后，经过法拉第旋光器6后，偏振方向顺时针旋转45度，继而，激光仍以初始偏振态进入扩束镜7；扩束镜7用于控制激光直径，以满足后端激光放大的模式匹配要求及前端降低功率密度的要求，激光经扩束镜7 收缩光斑直径后进入激光放大装置。

根据实际应用需要，激光放大装置可采用多种结构形式实现激光束的四程功率放大，以下以3种具体的激光放大装置结构为例对其工作原理进行说明。

激光放大装置结构一：

请参考图1-图3，所述激光放大装置包括偏振分光镜81、二向色镜82、激光晶体83、第一全反镜84、第二全反镜86、偏振旋转器件85、泵浦源87，其中，偏振分光镜81对水平偏振的激光高透，对垂直偏振的激光高反；二向色镜82与泵浦源87配合对激光晶体83进行泵浦，激光晶体83为Nd:YAG，偏振旋转器件85为45度法拉第旋光器。

激光束从所述扩束镜7输出后，依次经所述偏振分光镜81和二向色镜 82后进入所述激光晶体83，在激光晶体中完成第一程功率放大；

第一程功率放大后的激光束从所述激光晶体83输出，依次经第一全反镜 84、偏振旋转器件85、第二全反镜86后，由所述第二全反镜86反射，依次经所述偏振旋转器件85、第一全反镜84，由所述第一全反镜84反射至所述激光晶体83，在激光晶体中完成第二程功率放大；此时，由于激光束2次经过偏振旋转器件85，激光束由最初的水平偏振方向变为垂直偏振方向；

第二程功率放大后的激光束从所述激光晶体83输出，依次经所述二向色镜82、偏振分光镜81后，因偏振分光镜81对垂直偏振的激光为高反状态，因此，激光进而由所述偏振分光镜81反射经二向色镜82入射至所述激光晶体83，在激光晶体中完成第三程功率放大；

第三程功率放大后的激光束从所述激光晶体83输出，依次经所述第一全反镜84、偏振旋转器件85、第二全反镜86后，由所述第二全反镜86反射，依次经所述偏振旋转器件85、第一全反镜84，由所述第一全反镜84反射至所述激光晶体83，在激光晶体中完成第四程功率放大；此时，由于激光束4 次经过偏振旋转器件85，激光束变为水平偏振方向；

第四程功率放大后的激光束从所述激光晶体83输出，依次经所述二向色镜82、偏振分光镜81、扩束镜7、法拉第旋光器6、旋光片5、偏振光分束器 4，由所述偏振光分束器4折射输出；该过程中，由于偏振分光镜81对水平偏振的激光高透，因此，激光束通过偏振分光镜81后沿原路返回；当激光经过法拉第旋光器6时，法拉第旋光器6以光路正方向为基准使激光偏振方向顺时针偏转45度，经过旋光片5时，因光路方向变化，以光路正方向为基准时，旋光片5也使激光的偏振方向顺时针偏转45度，因此，激光由水平偏振转变为垂直偏振，并在偏振光分束器4处被折射出去。

所述泵浦源87用于为所述激光晶体83提供泵浦能量，所述泵浦源87出射泵浦光束，经所述二向色镜82折射至所述激光晶体83。

激光放大装置结构二：

请结合图1-图2，参考图5，所述激光放大装置包括偏振分光镜81、第一全反镜84、激光晶体83、二向色镜82、偏振旋转器件85、第二全反镜86 和泵浦源87，其中，

激光束从所述扩束镜7输出后，经所述偏振分光镜81后进入所述激光晶体83，在激光晶体83中完成第一程功率放大；

第一程功率放大后的激光束从所述激光晶体83输出，依次经二向色镜82、偏振旋转器件85、第二全反镜86后，由所述第二全反镜86反射，依次经所述偏振旋转器件85、二向色镜82，由所述二向色镜82反射至所述激光晶体 83，在激光晶体83中完成第二程功率放大；

第二程功率放大后的激光束从所述激光晶体83输出，依次经所述偏振分光镜81、第一全反镜84后，由所述第一全反镜84反射，经所述偏振分光镜 81入射至所述激光晶体83，在激光晶体83中完成第三程功率放大；

第三程功率放大后的激光束从所述激光晶体83输出，依次经二向色镜82、偏振旋转器件85、第二全反镜86后，由所述第二全反镜86反射，依次经所述偏振旋转器件85、二向色镜82，由所述二向色镜82反射至所述激光晶体，在激光晶体83中完成第四程功率放大；

第四程功率放大后的激光束从所述激光晶体83输出，依次经所述偏振分光镜81、扩束镜7、法拉第旋光器6、旋光片5、偏振光分束器4，由所述偏振光分束器4折射输出；

所述泵浦源87用于为所述激光晶体83提供泵浦能量，所述泵浦源87出射泵浦光束，经所述二向色镜82折射至所述激光晶体。

激光放大装置结构三：

请结合图1-图2，参考图6，所述激光放大装置包括偏振分光镜81、第一全反镜84、偏振旋转器件85、激光晶体83、二向色镜82和泵浦源87，其中，

激光束从所述扩束镜7输出后，依次经所述偏振分光镜81和偏振旋转器件85后进入所述激光晶体83，在激光晶体83中完成第一程功率放大；

第一程功率放大后的激光束从所述激光晶体83输出，经所述二向色镜82 反射至所述激光晶体83，在激光晶体83中完成第二程功率放大；

第二程功率放大后的激光束从所述激光晶体83输出，依次经所述偏振旋转器件85、偏振分光镜81、第一全反镜84后，由所述第一全反镜84反射，经所述偏振分光镜81、偏振旋转器件85入射至所述激光晶体83，在激光晶体83中完成第三程功率放大；

第三程功率放大后的激光束从所述激光晶体83输出，经所述二向色镜82 反射至所述激光晶体83，在激光晶体83中完成第四程功率放大；

第四程功率放大后的激光束从所述激光晶体83输出，依次经所述偏振旋转器件85、偏振分光镜81、扩束镜7、法拉第旋光器6、旋光片5、偏振光分束器4，由所述偏振光分束器4折射输出；

所述泵浦源87用于为所述激光晶体83提供泵浦能量，所述泵浦源87出射泵浦光束，经所述二向色镜82折射至所述激光晶体83。

实施例2

基于实施例1，若偏振旋转器件85为1/2波长的电光器件，当一个脉冲来临时，可通过延时装置控制，使电光器件升压，以改变激光束的偏振方向。

具体地，根据实际应用的需要，通过延时装置进行适当的延时设置，使激光束在由偏振分光镜81和第二全反镜86内实现多程功率放大，即使激光束困在由偏振分光镜(10)和全反镜(15)组成的腔中振荡增益，实现功率放大。请参考图4，为采用1/2波长的电光器件时的一种激光束偏振态变化情况示意图。

对于Nd:YAG类晶体，因其各向同性的特点，对不同的偏振态均有明显的增益，因此，在本实施例多程放大结构下，小信号激光可以充分提取晶体内部的能量，此外，因为效率足够高，因此，可以增加泵浦光斑面积，降低晶体的热透镜效应，同时也可以降低光路中的ASE。

以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种固体激光装置，其特征在于，包括激光生成装置、透镜、偏振光分束器、旋光片、法拉第旋光器、扩束镜、激光放大装置，其中，

激光束从所述激光生成装置输出后依次经所述透镜、偏振光分束器、旋光片、法拉第旋光器、扩束镜、激光放大装置后，在所述激光放大装置内完成多程功率放大后，再依次经所述扩束镜、法拉第旋光器、旋光片、偏振光分束器，最后由所述偏振光分束器折射输出。

2.根据权利要求1所述的固体激光装置，其特征在于，所述激光放大装置包括偏振分光镜、二向色镜、激光晶体、第一全反镜、第二全反镜、偏振旋转器件、泵浦源，其中，

激光束从所述扩束镜输出后，依次经所述偏振分光镜和二向色镜后进入所述激光晶体，在激光晶体中完成第一程功率放大；

第一程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经第一全反镜、偏振旋转器件、第二全反镜后，由所述第二全反镜反射，依次经所述偏振旋转器件、第一全反镜，由所述第一全反镜反射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第二程功率放大；

第二程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经所述二向色镜、偏振分光镜后，由所述偏振分光镜反射经二向色镜入射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第三程功率放大；

第三程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经所述第一全反镜、偏振旋转器件、第二全反镜后，由所述第二全反镜反射，依次经所述偏振旋转器件、第一全反镜，由所述第一全反镜反射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第四程功率放大；

第四程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经所述二向色镜、偏振分光镜、扩束镜、法拉第旋光器、旋光片、偏振光分束器，由所述偏振光分束器折射输出；

所述泵浦源用于为所述激光晶体提供泵浦能量，所述泵浦源出射泵浦光束，经所述二向色镜折射至所述激光晶体。

3.根据权利要求1所述的固体激光装置，其特征在于，所述激光放大装置包括偏振分光镜、第一全反镜、激光晶体、二向色镜、偏振旋转器件、第二全反镜和泵浦源，其中，

激光束从所述扩束镜输出后，经所述偏振分光镜后进入所述激光晶体，在激光晶体中完成第一程功率放大；

第一程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经二向色镜、偏振旋转器件、第二全反镜后，由所述第二全反镜反射，依次经所述偏振旋转器件、二向色镜，由所述二向色镜反射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第二程功率放大；

第二程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经所述偏振分光镜、第一全反镜后，由所述第一全反镜反射，经所述偏振分光镜入射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第三程功率放大；

第三程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经二向色镜、偏振旋转器件、第二全反镜后，由所述第二全反镜反射，依次经所述偏振旋转器件、二向色镜，由所述二向色镜反射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第四程功率放大；

第四程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经所述偏振分光镜、扩束镜、法拉第旋光器、旋光片、偏振光分束器，由所述偏振光分束器折射输出；

所述泵浦源用于为所述激光晶体提供泵浦能量，所述泵浦源出射泵浦光束，经所述二向色镜折射至所述激光晶体。

4.根据权利要求1所述的固体激光装置，其特征在于，所述激光放大装置包括偏振分光镜、第一全反镜、偏振旋转器件、激光晶体、二向色镜和泵浦源，其中，

激光束从所述扩束镜输出后，依次经所述偏振分光镜和偏振旋转器件后进入所述激光晶体，在激光晶体中完成第一程功率放大；

第一程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，经所述二向色镜反射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第二程功率放大；

第二程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经所述偏振旋转器件、偏振分光镜、第一全反镜后，由所述第一全反镜反射，经所述偏振分光镜、偏振旋转器件入射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第三程功率放大；

第三程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，经所述二向色镜反射至所述激光晶体，在激光晶体中完成第四程功率放大；

第四程功率放大后的激光束从所述激光晶体输出，依次经所述偏振旋转器件、偏振分光镜、扩束镜、法拉第旋光器、旋光片、偏振光分束器，由所述偏振光分束器折射输出；

所述泵浦源用于为所述激光晶体提供泵浦能量，所述泵浦源出射泵浦光束，经所述二向色镜折射至所述激光晶体。

5.根据权利要求1-4任一所述的固体激光装置，其特征在于，还包括1/2波片，若所述激光束偏振方向不能通过所述偏振光分束器，所述1/2波片(5)对所述激光束的偏振方向进行调整。

6.根据权利要求1-4任一所述的固体激光装置，其特征在于，所述激光生成装置包括光纤激光器、第三全反镜、第四全反镜，所述光纤激光器输出激光束，并经所述第三全反镜和第四全反镜进行空间位置校正。

7.根据权利要求1-4任一所述的固体激光装置，其特征在于，所述激光生成装置为固体激光器。

8.根据权利要求2-4任一所述的固体激光装置，其特征在于，所述偏振旋转器件为1/2波长的电光器件。

9.根据权利要求1-4任一所述的固体激光装置，其特征在于，所述偏振光分束器为偏振分光棱镜。

10.根据权利要求1-4任一所述的固体激光装置，其特征在于，所述旋光片为左旋45度旋光片，所述法拉第旋光器为右旋45度法拉第旋光器。

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