CN213484178U - 一种带相位共轭镜的多级激光放大系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带相位共轭镜的多级激光放大系统，包括：多个级别的放大光路；各级别的放大光路包括：放大组件以及相位共轭镜；放大组件对传播的种子光/激光进行增益放大处理；相位共轭镜用于对各级别光路中首次放大的激光进行波前相位畸变补偿，以使激光反射后沿原路返回，并在再次增益放大时得到波前相位修复。本实用新型结合相位共轭镜和多个级别的放大光路，通过改变激光偏振方向使激光无角度双通各级别的激光晶体，原路返回双通激光晶体，使激光的波前相位自洽，从而大大减少热透镜热致双折射而产生的相位畸变，获得光斑质量较好的放大激光。

Description

一种带相位共轭镜的多级激光放大系统

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，尤其涉及一种带相位共轭镜的多级激光放大系统。

背景技术

固体激光器中，激光晶体在吸收泵浦光的同时，产生大量的废热，尤其是在高功率激光器中，大量的热使激光晶体产生热透镜效应、热致双折射效应等，严重影响到增益过程中激光的光斑质量。传统的激光谐振腔或者激光放大(MOPA)系统中，平均功率和光束质量是互为矛盾的，提高激光功率或者说激光的亮度，则相应的光束质量(M2)就会下降。目前使用水冷热沉结构和LD泵浦源在一定程度上减少热对系统的影响，但是对于高功率超快激光器而言，系统仍然有严重的热沉积并且导致激光波前畸变。

实用新型内容

本申请实施例通过提供一种带相位共轭镜的多级激光放大系统，解决了现有技术中热透镜效应产生激光波前畸变的技术问题，实现了利用相位共轭镜修复激光波前畸变，提高放大的激光质量。

本申请实施例提供了一种带相位共轭镜的多级激光放大系统，包括：种子光、偏振分光棱镜、多个级别的放大光路；各级别的所述放大光路包括：偏振组件、放大组件以及相位共轭镜；

所述偏振分光棱镜用于分离种子光以及各偏振方向的激光，以及将入射的种子光或放大的激光注入到对应级别的所述放大光路中；

所述偏振组件用于对种子光/激光进行偏振旋转处理；

所述放大组件用于对传播的种子光/激光进行增益放大处理；

所述相位共轭镜用于对各级别光路中首次放大的激光进行波前相位畸变补偿，以使激光反射后沿原路返回，并在再次增益放大时得到波前相位修复。

进一步地，所述放大光路包括一级放大光路、二级放大光路，所述一级放大光路和所述二级放大光路分别与所述偏振分光棱镜相连；通过所述偏振分光棱镜使激光的传播光路依次经过所述一级放大光路、所述二级放大光路。

进一步地，所述放大组件沿首次光路依次包括第一聚焦透镜、激光晶体、二向色镜、第二聚焦透镜以及第二反射镜。

进一步地，各个级别的所述放大光路还包括增益组件，所述增益组件包括泵浦聚焦准直器、LD泵浦源，所述泵浦聚焦准直器将所述LD泵浦源发出的增益介质聚焦于对所述激光晶体，以使所述激光晶体中传播的激光增益放大。

进一步地，所述一级放大光路中的所述偏振组件包括一级法拉第旋转器、一级旋光片以及一级第一反射镜；所述一级法拉第旋转器接收种子光后，经所述一级旋光片旋转后，通过所述一级第一反射镜反射进入所述一级放大光路的所述放大组件。

进一步地，所述二级放大光路中的所述偏振组件包括二级法拉第旋转器、二级旋光片；所述二级法拉第旋转器接收激光后，经所述二级旋光片旋转后，进入所述二级放大光路的所述放大组件。

进一步地，所述激光晶体为Nd：YVO4晶体、Nd：YAG晶体、Nd：GdVO4晶体、Yb：YAG晶体。

进一步地，所述相位共轭镜为光纤SBS-PCM、熔石英PCM棒、液体池PCM。

进一步地，所述种子光采用皮秒种子激光、纳秒种子激光、连续激光、准连续激光。

本申请实施例中提供的带相位共轭镜的多级激光放大系统，至少具有如下技术效果：

1、由于在放大光路中采用了相位共轭镜，利用光程的往返，对激光进行增益放大时，对首次放大的激光进行波前相位畸变补偿，改善激光在增益时因热产生的相位畸变，并在再次增益放大时得到波前相位修复，使得不论光程多么复杂，在相位共轭镜的作用下，经过同样光程返回到初始位置的光波仍和之前相同，因此相位共轭镜可以激光放大系统中提高光束质量。

2、由于采用了多个级别的行波放大光路，通过法拉第磁旋和旋光片组合使激光往返于各个级别的放大光路，从而在得到放大功率的激光同时，得到高光束质量的激光。

附图说明

图1为本申请实施例的一种多级激光放大系统结构示意图；

图2为本申请实施例的一种带相位共轭镜的多级激光放大系统结构示意图；

图3为本申请实施例另一种带相位共轭镜的多级激光放大系统结构示意图；

图4为本申请实施例中的一种相位共轭的物理修复过程。

附图标号：

种子源100，偏振分光棱镜200，一级放大光路300，一级偏振组件310，一级法拉第旋转器311，一级旋光片312，一级第一反射镜313，一级放大组件320，一级第一聚焦透镜321，一级激光晶体322，一级二向色镜323，一级第二聚焦透镜324，一级第二反射镜325，一级相位共轭镜330，一级增益组件340，一级泵浦聚焦准直器341，一级LD泵浦源342，二级放大光路400，二级偏振组件410，二级法拉第旋转器411，二级旋光片412，二级放大组件420，二级第一聚焦透镜421，二级激光晶体422，二级二向色镜423，二级第二聚焦透镜424，二级第二反射镜425，二级相位共轭镜430，二级增益组件440，二级泵浦聚焦准直器441，二级LD泵浦源442。

具体实施方式

本申请提供了一种带相位共轭镜的多级激光放大系统，利用共轭相位镜的工作原理解决光束质量问题，并运用在多级放大系统中。本申请利用共轭相位镜解决光束质量的工作原理如下：

对于平面反射镜，入射光的波矢与反射光的波矢切线方向连续，法线方向反号。相位共轭镜(PCM)的入射光和反射光在切线和法线方向上波矢都反向，即，

可以看出，实现了波矢反转，使得任一方向的入射光波都能沿原光路返回。举例说明，设沿z轴传播的平面波为

经过激光晶体以及其他光器件后，波前产生相位差，变为畸变波

其相位面成无规则分布形式。由于相位共轭镜(PCM)作用可以使波矢反向，所以经过相位共轭镜(PCM)反射后，光的电场分布为：

当激光往返双通时，再次经过激光晶体以及相应光器件到达出发始点时，电场场分布为：

由于传播方向相反，所以电场分布为

可以看出，反射波实现了和入射波波前自洽，进而修复了因为热透镜效应、热致双折射效应等造成对激光波前相位的畸变，从而大大的提高了光束质量。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

参考图1-3所示，本申请实施例提供了一种带相位共轭镜的多级激光放大系统，其包括种子光、偏振分光棱镜200(PBS)、多个级别的放大光路。本实施例中多级激光放大系统的工作过程为：种子源100发出的种子光通过偏振分光棱镜200依次进入多个级别的放大光路，在各放大光路中往返光程，实现激光的双通增益放大处理。本实施例中的各级别的放大光路包括：偏振组件、放大组件以及相位共轭镜。进一步地，放大光路中沿各级别首次光路方向依次包括：偏振组件、放大组件以及相位共轭镜。本实施例结合相位共轭镜和多个级别的放大光路，通过改变激光偏振方向使激光无角度双通各级别的激光晶体，原路返回双通激光晶体，使激光的波前相位自洽，从而大大减少热透镜热致双折射而产生的相位畸变，获得光斑质量较好的放大激光。进一步说明如下：

本实施例中的偏振分光棱镜200用于分离种子光以及各偏振方向的激光，以及将入射的种子光或放大后的激光注入到对应级别的所述放大光路中。

本实施例中的偏振组件用于对种子光/激光进行偏振旋转处理。

本实施例中的放大组件用于对传播的种子光/激光进行增益放大处理。

本实施例中的相位共轭镜用于对各级别光路中首次放大的激光进行波前相位畸变补偿，以使激光反射后沿原路返回，并在再次增益放大时得到波前相位修复。

本实施例中的放大光路可以包括一级放大光路300、二级放大光路400，一级放大光路300和二级放大光路400分别与偏振分光棱镜200相连，通过偏振分光棱镜200使激光的传播光路依次经过一级放大光路300、二级放大光路400。当然，本实施例中的多级激光放大系统不局限于两种级别的放大光路，可以拓展所需的任意多个级别。为更清楚描述本实施例的技术方案，通过一级放大光路300、二级放大光路400进行详细的描述。

一级放大光路300沿首次光路方向可以依次包括：一级偏振组件310、一级放大组件320以及一级相位共轭镜330。二级放大光路400沿首次光路方向可以依次包括：二级偏振组件410、二级放大组件420以及二级相位共轭镜430。本实施例中首次光路方向表示为对应级别放大光路中第一次激光传播的路线。

本实施例中的放大组件沿首次光路依次包括第一聚焦透镜、激光晶体、二向色镜、第二聚焦透镜以及第二反射镜。进一步地，应用到一级放大光路300、二级放大光路400中。一级放大光路300的一级放大组件320沿首次光路依次包括一级第一聚焦透镜321、一级激光晶体322、一级二向色镜323、一级第二聚焦透镜324以及一级第二反射镜325。一级第一聚焦透镜321接收到注入的种子光，并聚焦于一级激光晶体322进行增益放大处理后输出，并在一级二向色镜323中反射，传输给一级第二聚焦透镜324，使得首次放大的激光聚焦于相位共轭镜内部，利用相位共轭镜对产生波前相位畸变的激光进行修复处理。

关于利用相位共轭镜进行修复的阐述，进一步可包括如下：

目前产生相位共轭的方法有三波混频、四波混频和受激布里渊散射(SBS)，本实施例中采用受激布里渊散射(SBS)。受激布里渊散射(SBS)过程中只需一束光，入射光本身可充当抽运激光，因此目前在激光行业中，大都使用SBS-PCM作为相位共轭镜来解决波前畸变光斑像差等问题。SBS-PCM产生相位共轭的物理机制为当受激布里渊散射(SBS)介质内激光强度超过受激布里渊散射(SBS)阈值时，将在受激布里渊散射(SBS)介质中产生与激光同向传播的声波，此声波可视为一个不断向前移动的反射镜，入射激光在反射镜的作用下将产生一个含多普勒频移的背向散射光，在最大的布里渊增益条件下，入射到介质的畸变波前产生一个相同畸变的声波波前，而这一反射镜反射激光的波前恰好与入射光波前相同，方向相反，所以作为入射光的共轭相位光。参考图4所示，(a)-(c)表示相位共轭的物理修复过程，其中，(a)表示初始波；(b)表示普通镜面反射后的波前；(c)表示相位共轭镜反射后双通激光晶体的光，其畸变的相位得到修复。

与一级放大光路300的组件相似，二级放大光路400的二级放大组件420沿首次光路依次包括二级第一聚焦透镜421、二级激光晶体422、二级二向色镜423、二级第二聚焦透镜424以及二级第二反射镜425。二级第一聚焦透镜421接收到注入的激光，并聚焦于二级激光晶体422进行增益放大处理后输出，并在二级二向色镜423中反射，传输给二级第二聚焦透镜424，使得该光路首次放大的激光聚焦于二级相位共轭镜430内部，利用二级相位共轭镜430对该光路产生的波前相位畸变的激光进行修复处理。

本实施例中的各级别放大光路还包括增益组件，增益组件包括泵浦聚焦准直器、LD泵浦源，泵浦聚焦准直器接收LD泵浦源发出的增益介质，对激光晶体进行增益。应用到一级放大光路300、二级放大光路400中。一级放大光路300中包括一级增益组件340、二级增益组件440，一级增益组件340包括一级泵浦聚焦准直器341、一级LD泵浦源342；一级泵浦聚焦准直器341接收一级LD泵浦源342发出的增益介质，对一级激光晶体322进行增益。二级增益组件440包括二级泵浦聚焦准直器441、二级LD泵浦源442，二级泵浦聚焦准直器441接收二级LD泵浦源442发出的增益介质，对二级激光晶体422进行增益。

本实施例中的一级放大光路300的偏振组件包括一级法拉第旋转器311、一级旋光片312以及一级第一反射镜313；一级法拉第旋转器311接收种子光后，经一级旋光片312后，通过一级第一反射镜313反射进入一级放大光路300的放大组件。二级放大光路400的偏振组件包括二级法拉第旋转器411、二级旋光片412；二级法拉第旋转器411接收激光后，经二级旋光片412后，进入二级放大光路400的放大组件。进一步地，一级旋光片312、二级旋光片412均逆时针旋转45°，一级二向色镜323、二级二向色镜423均采用透射泵浦光，反射激光。

在一种实施例中，激光晶体可以为Nd：YVO4晶体、Nd：YAG晶体、Nd：GdVO4晶体、Yb：YAG晶体。在一种实施例中，相位共轭镜可以为光纤SBS-PCM、熔石英PCM棒、液体池PCM(Freon113、CS2、FC-72、丙酮等)。在一种实施例中，种子光可以采用皮秒种子激光、纳秒种子激光、连续激光、准连续激光。

利用本实施例的带相位共轭镜的多级激光放大系统进行放大的处理过程如下：

假设种子源100发出的种子光为P偏振光，其依次经过偏振分光棱镜200、一级法拉第旋转器311、一级旋光片312，此时，种子光仍然为P光；再经过一级第一反射镜313，通过一级第一聚焦透镜321聚焦在一级激光晶体322上，在一级二向色镜323处反射，经过一级第二聚焦透镜324聚焦在一级相位共轭镜330内部，首次放大的激光从一级相位共轭镜330反射沿原路返回，经过一级第二反射镜325、一级第二聚焦透镜324、一级二向色镜323双通一级激光晶体322，双通一级激光晶体322后，使得热透镜效应而畸变的波前相位得到修复，优选的相位共轭镜的反射率在94％以上。激光继续经过一级第一聚焦透镜321，在一级第一反射镜313上反射后，依次经过一级旋光片312和一级法拉第旋转器311，此时激光的偏正方向旋转90°变为s光。S光在偏振分光棱镜200上反射进入第二放大光路，依次经过二级法拉第旋转器411和二级旋光片412，此时激光偏振方向仍为竖直偏振，经过二级第一聚焦透镜421进入二级激光晶体422，在二级二向色镜423表面反射，经过二级第二聚焦透镜424聚焦进入二级相位共轭镜430内部，激光在二级相位共轭镜430内部反射沿原路返回再次双通二级激光晶体422，激光波前的畸变在二级相位共轭镜430的作用下得到修复。激光再依次经过二级旋光片412和二级法拉第旋转器411后，偏振方向旋转90°变为水平偏振p光，从偏振分光棱镜200射出，利用偏振分光棱镜200和光的偏振特性可以使激光原路无角度的通过二级激光晶体422，并且可以分离入射种子光和放大后的激光。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种带相位共轭镜的多级激光放大系统，其特征在于，包括：种子光、偏振分光棱镜、多个级别的放大光路；各级别的所述放大光路包括：偏振组件、放大组件以及相位共轭镜；

所述偏振分光棱镜用于分离种子光以及各偏振方向的激光，以及将种子光或放大的激光注入到对应级别的所述放大光路中；

所述偏振组件用于对种子光/激光进行偏振旋转处理；

所述放大组件用于对传播的种子光/激光进行增益放大处理；

所述相位共轭镜用于对各级别光路中首次放大的激光进行波前相位畸变补偿，以使激光反射后沿原路返回，并在再次增益放大时得到波前相位修复。

2.如权利要求1所述的带相位共轭镜的多级激光放大系统，其特征在于，所述放大光路包括一级放大光路、二级放大光路，所述一级放大光路和所述二级放大光路分别与所述偏振分光棱镜相连；通过所述偏振分光棱镜使激光的传播光路依次经过所述一级放大光路、所述二级放大光路。

3.如权利要求1所述的带相位共轭镜的多级激光放大系统，其特征在于，所述放大组件沿首次光路依次包括第一聚焦透镜、激光晶体、二向色镜、第二聚焦透镜以及第二反射镜。

4.如权利要求3所述的带相位共轭镜的多级激光放大系统，其特征在于，各个级别的所述放大光路还包括增益组件，所述增益组件包括泵浦聚焦准直器、LD泵浦源，所述泵浦聚焦准直器将所述LD泵浦源发出的增益介质聚焦于对所述激光晶体，以使所述激光晶体中传播的激光增益放大。

5.如权利要求2所述的带相位共轭镜的多级激光放大系统，其特征在于，所述一级放大光路中的所述偏振组件包括一级法拉第旋转器、一级旋光片以及一级第一反射镜；所述一级法拉第旋转器接收种子光后，经所述一级旋光片旋转后，通过所述一级第一反射镜反射进入所述一级放大光路的所述放大组件。

6.如权利要求2所述的带相位共轭镜的多级激光放大系统，其特征在于，所述二级放大光路中的所述偏振组件包括二级法拉第旋转器、二级旋光片；所述二级法拉第旋转器接收激光后，经所述二级旋光片旋转后，进入所述二级放大光路的所述放大组件。

7.如权利要求3所述的带相位共轭镜的多级激光放大系统，其特征在于，所述激光晶体为Nd：YVO4晶体、Nd：YAG晶体、Nd：GdVO4晶体、Yb：YAG晶体。

8.如权利要求1所述的带相位共轭镜的多级激光放大系统，其特征在于，所述相位共轭镜为光纤SBS-PCM、熔石英PCM棒、液体池PCM。

9.如权利要求1所述的带相位共轭镜的多级激光放大系统，其特征在于，所述种子光采用皮秒种子激光、纳秒种子激光、连续激光、准连续激光。

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