TW200952298A - Multi-pass optical power amplifier - Google Patents

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xiao-yuan Peng
Wensheng Ren
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Electro Scient Ind Inc
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200952298 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於用在高功率應用中的固態雷射放大器。 【先前技術】 光纖與半導體雷射以及輸出功率範圍落在數瓦至數十 瓦中的二極體激昇固態（DPSS)脈衝雷射主要係應用在電子 裝置製造領域中的雷射微加工。微加工應用需要用到高脈 衝重複頻率（PRF)，其對應於範圍從數奈秒至數微微秒，甚 至數飛秒的雷射脈衝時間持續長度。典型的雷射輸出波長 的範圍是從紅外光至紫外光。依賴於簡易主振盈器的傳統 固態雷射的效能越來越無法趕上雷射系統技術開發的整體 步伐，其主要係因為單一振盪器有限的脈衝重複率和功率 放大作用。 熟練的人士便會熟知，TEM⑽雷射模式的功率放大作用 @ 會因主動雷射激發介質裡面形成有像差的熱透鏡而受到限 市·！。熱透鏡主要係由雷射晶體中的溫度梯度所造成並且會 讓該晶體的的折射率響應於不均勻的激昇功率而產生變 形。Peng，Xu 和 Asundi 在 2002 年的 IEEE-Quantun Electronics’第38冊，第9號中發表的「二極體激昇Nd:YV04 雷射的功率放大」便證實最大激昇功率會隨著摻雜濃度反 向改變；並且證實，利用808奈米激昇波長和〇8公釐直徑 激昇光點大小，0.3%的摻雜釩酸鹽晶體僅會讓激昇功率提 升至40瓦。圖1為8〇8奈米激昇雷射的最大激昇功率與摻 5 200952298 雜濃度的函數關係圖。除了熱透鏡成形之外，最大的入射 激昇功率還會受到雷射晶體的熱斷裂限制。目前為止，端 末激昇飢酸鹽雷射所產生的TEM。。模式窄頻寬與線性偏振 射束可達到的最高輸出功率小於30瓦，而所希的功率位準 則約100瓦。目前，因為受激布里淵散射（stimuiated Brillouin scattering，SBS)及破壞問題的關係，奈秒脈衝光 纖雷射並無法利用ΤΕΜ〇〇模式產生超過1千瓦的尖峰功率。 達成高功率雷射源需求的其中一種方式便係使用雷射 功率放大器。雷射功率放大器的優點係最終的功率輸出可 輕易地被放大，以便符合每一個不同應用的特殊需求。雷 射功率放大器可能還會與不同的晶種雷射（seed laser)配 對’用以讓晶種雷射設計與製造具有彈性。不過，在雷射 功率放大器中保持高品質射束與穩定輸出則仍是一項技術 上的挑戰。 典型的雷射功率放大器係使用單程組態，其意謂著晶 種雷射射束會通過增益介質一次。Maik Frede等人在2007 年的Optics Express，第15冊’第2號中所發表的「用於 重力波偵測器的基態單頻雷射」便提出過其中一範例。在 Maik Frede等人論文中所述且在圖2中所描繪的單程四級 放大器僅會從具有1瓦晶種雷射與45瓦激昇功率的放大器 中抽出3W，其產生的光學至光學效率為6.7%。即使最新的 單程功率放大器，通常會呈現源自二極體雷射激昇光源的 低抽出效率或高（40%至60%)光學轉換率《不過，典型的二 極體端末激昇釩酸鹽雷射振盪器則會有40%至60%的光學 200952298 至光學轉換效率。 ❹ ❹ 改良能量抽出效率的方法必須反向引導該雷射射束使 其多次通過增益材料，從而增加增益，直到達成所希的功 率放大為止。典型的多程放大器所產生的增益會遠大於單 程放大器所產生的増益。多程功率放大器的合宜應用包含 半導體裝置連結處理（IR、綠光及―特製脈衝），雷射微加 工（飛秒脈衝放大），以及通道鑽鑿（高功率ir、綠光及uV 雷射）。Palessmann等人的美國專利案第5,546,222號說明 多程光放大器的數個實施例，其中四個實施例出現在圖3 中。Palessmann等人的直去|安Α ，Λ < ^ ^ w
旳寻利案在10千赫茲處使用Nd:YLF 十一程放大器2.5微焦耳的能量會被放大至45微焦 耳’ 1.6瓦的激昇能量會聚集在放大器增益介質中。如同傳 統的多程組態’其達到極大的增益（此例中為十二倍），但卻 付出射束品質的代價。 有數件專利案說明過多程放大器；但是它們的共_ 題是會在增益介質内產生雷射射束移位，移位會有兩個固 有的嚴重缺點。第-個缺點係，被激昇的區域必須非常大， 以便涵蓋不同衝程中所有的雷射模式；否則，便會在雷射 與激昇之間產生低效率的模式匹配結果。第二個缺點係， 增益介質中不均句的激昇分佈(例如所謂的「超高斯」模々 會在每-次的衝程造成雷射射束功率分佈中的變形，最後 會導致雷射射束品質衰降。所以’與具有熱透鏡作用的雷 射腔相同之處在於需要用到補償光學元件方能最佳化 輸出使其具有較高的射束品質。此外，該些多程放大器通 7 200952298 =非常構’甚至可能需要特殊形狀的光 學：。更重要的疋’多程雷射射束通常會共用相同的兩 = — 學"°件’因而使其非常難以控制熱透鏡作用的 影響。明確地說，這會在高功率應用中造成問題，因為每 一個衝程均會修正雷射射束參數。
Mclntyre的美目專利案第5,268,787號說明—種多程雷 射放大器的方法與設備，但是並未解決熱去偏振⑽— — Nation)的問題以及放大器中不必要的雷射激發作用 缝d lasing)。其亦無法在受到高功率光源激昇時解決 增益材料（其為雷射功率放大器之關鍵組成）如何影響該雷 射放大器之效能的問題。於YAG固態雷射的情況中高功 率激昇含有嚴重的熱雙折射’從而會導致此架構中正交的 偏振方向會呈現不同的增益。在許多文章中已經觀察到， 描述過，且分析過在強烈光激昇作棒中的熱誘發 雙折射。Q. Lu等人在1996年的〇pticai加福以 Electronics，第28冊，第57至69頁中所發表的「用於圓 柱型Nd:YAG棒中雙折射補償的新穎方法」便顯示出經由 熱雙折射所造成的雷射射束去偏振作用會損耗25%的光學 功率Q· Lu等人描述到，經過謹慎設計的補償方法僅會降 低5%的功率損耗。因此，控制與補償雷射放大器中的熱雙 折射似乎為必要且重要。
Dymott的美國專利申請案第6,384,966號則解決此功 率損耗問題，其藉由重新排列先前雷射放大器設計的光學 器件用以補償熱雙折射，同時讓雷射射束多次通過該增益 200952298 介質。舉例來說’在Dym〇tt的專利案中，一四分之一波板 會被放置在該增益介質與第一反射鏡之間。該份Dym〇U專 利案詳細說明該四分之一波板係被定向成讓從一法拉第旋 轉器處發出的線性偏振射束會通過該四分之—波板，而不 會產生任何相位延遲。不過’因為熱誘發的雙折射的關係， 通過該增益材料一次的光通常會變成橢圓偏振。在兩次通 過該四分之一波板時，該橢圓偏振的旋轉方向會被反轉， 而且該增益材料中的熱誘發雙折射會被補償。 該份Dymott專利案說明在光功率放大器的設計中使用 額外的光學器件來解決其它問題。舉例來說，於此放大器 中需要用到—45。偏振旋轉器’或「法拉第旋轉器」來分離 被放大的光與入射晶種光d旦是，該等法拉第旋轉器（Dymott 專利的圖1至5中的元件符號2、4、23以及73)係被放置 在難以控制雷射射束光點大小的區域中，其可能會在高平 均功率應用與高尖峰功率應用的情況中造成破壞。另一範 _ ]為在母個雷射晶體的任一侧放置一對凹面鏡與凸面 鏡’以便建構_不穩定的腔體用以消坪非所希的雷射激 作動。 此外’高功率應用中強烈的熱透鏡還會在該放大器中 充田主要透鏡，從而造成該腔體的不穩定性。如眾所熟知 者’熱透鏡作用的程度會隨著PRF、冷卻溫度、以及激昇 率而改變。^ ,
Uymott專利案中所述的多程功率放大器係 Nd: YAG m ^ ,,分祕 ° 聚作’其係一種會受到去偏振效應影響的等向性 增益介質。^ ymott專利案指出，增益材料可能包含 9 200952298
Nd:YAG、Nd:YV04、Nd:YLF、或Ti:藍寶石，用以藉由設 計來補償熱誘發的雙折射》 【發明内容】
Dymott專利案無法瞭解各向異性增益材料（其包含
Nd:YV〇4與Nd:YLF)的固有優點在於它們本身本質上便有 雙折射’所以並不需要在所揭示的較佳實施例中加入用以 補償熱雙折射的器件。舉例來說，倘若沿著Nd: YV〇4之c 軸被偏振的晶種雷射射束通過一 Nd:YV〇4放大器晶體的 話，那麼，入射線性偏振光上的去偏振效應便可以忽略。 在高功率雷射放大器中加入一額外器件會提高成本並增加 光學破壞的風險，同時其會損及被放大射束的品質。再者，
Dymott專利案圖式中所示的組態並無法獲得各向異性增益 材料（例如Nd:YLF)的好處，因為所有方向中的發射波^並 不相同。沿著a轴的發射係在1〇47奈米，而沿著。軸的發 射係在1G53奈米。所以，雙程放A||與四程放大器的有效 放大功能分別等於單程放大器與雙程放大器的有效放大功 能。 和雷射功率放大器有關的上述專利案中沒有任一案探 时過各向異性增益介質的在過去數十年中，各向異 =曰^例如趾·Υν〇4、趾YLF、以及亂⑽〜已經 面許二雷射應用的較佳增益材料，因為它們具有高發射 :線二二Γ會有高受激發射率。該些材料還能夠產 偏振射束，並不需要採用分離的偏振補償。此外， 200952298 各向異性增益介質可能會配合合宜的光學元件來施行，用 以修正熱透鏡作用並且降低熱透鏡效應，不需要辅㈣ 償，以便確保在通過該增益介f時會有較少的雷射 降。 利用該些優點，併入各向異性增益介質的光功率放大 器的較佳實施例便能夠利用多程達到功率放大的目的，同 時還會在每-次的衝程期間於雷射和激昇之間保持良好的 ❹：式匹配。本發明強調放大器的效率和被放大射束的品 便匹配激昇光模式與晶種雷射模式。較佳實施例能 夠保持具有實質上零移位的射束，其會促成較大的效率， 並且提供達成高功率TEM〇。輸出之省錢、可靠的解決方案， 合微加工應用、通道_用、以及諸振轉換應用 的窩求。 當建構-包含Nd:YV〇"t其它各向異性增益材料的雷 大器時’不用補償熱雙折射亦不用補償非所希雷射激 _ 發作用倍主® ® . © 一 考置，如夕程放大器中光學器件的擺放與組 ::的：、:從包含各向異性雷射增益介質的放大器實驗中取 ^貝料進—步支持了此結論。Nd:YV04的資料建議可以 射軸來放大照射在各向異性Nd:YV〇4上的強烈晶種雷 太不過強度小於沿著c轴放大照射約3至4倍。 合昍1下面較佳實施例的詳細說明中’參考隨附圖式，便 會明白本發明的額外觀點與優點。 【實施方式】 200952298 一般適合在多程組態中作為各向異性增益介質的材料 為固態介質’例如’但是並不受限於：稀土族離子捧雜、结 晶固態材料，Nd:YV〇4、Nd:YLF、Nd:GdV04、Tm:YLF、
Tm:YV〇4 . Ho：Tm:YLF ^ Ho:Tm:YV〇4 ^ Ho:Tm：GdV〇4 >
Yb:YLF > Yb:YV〇4 , Yb：GdV04 ； CrrLiSAF ； Cr:LiCAF ； Ti; 藍寶石，紫翠玉；其它Nd摻雜的材料；以及包括YU、 YV〇4、以及GdV〇4主晶體的其它材料。特定的半導體亦可 作為增益介質，並且可以運用光學或電性激昇。上面列出 的每一個材料均能夠在一或多個波長處支援光束放大倍❹ 數。可以選擇各種激昇雷射波長用以改良增益介質的轉換 效率舉例來說’波長在808奈米、819奈米、880奈米、 不米以及9 14.5奈米處的激昇波長。該雷射可能會被 端末激昇或是被旁側激昇。適用於固態放大器（例如，光纖 雷射、雷射二極體、固態雷射、鎖模雷射（m〇de 1〇ek laser)、 或是單雷射模式（SLM)雷射）的晶種雷射均可作為多程放大 器的雷射源。 圖4A、4B、以及4C所示的分別係雙程組態、三程組 〇 態、以及四程組態的多程光放大器的實施例。該些實施例 中的每—者皆可讓晶種雷射射束1 00沿著一共同的射束路 & 101多次通過一各向異性的增益介質1〇2，其實質上在每 個衝程期間與射束路徑1〇1會有零角度的射束移位 1〇4(圖4A-1”和圖3中所示且需要非鏡面反射的先前技術 、·且態不同的係，在圖4A、4B、以及4C的每一個多程組態 中B曰種雷射射束1〇〇入射在曲面hr面鏡106時會垂直於 12 200952298 該面鏡的凹表面107。參考圖4A-1，根據反射定律，一般 來說，以表面法線1 12為基準所測得的入射射束1丨〇的入 射角108會等於反射射束116的反射角114。反射射束116 與入射射束110之間的角度便定義角射束移位1〇4。對垂直 入射來說’其反射角108為0。’反射射束116會折返入射 射束110的射束路徑101，從而導致實質為零的角射束移位 104,或者等同於導致入射射束與反射射束之間的對齊。射 束110與射束116的對齊有助於控制增益介質丨〇2中的射 ® 束傳播並且確保雷射激發模式和激昇模式之間會有良好的 模式匹配效果。 圖4A、4B、以及4C的雙程組態、三程組態' 以及四 程組態運用各向異性的增益介質丨〇2分別圖解晶種雷射射 束1〇〇之射束路徑101相對於光軸118之實質為零的角射 束移位104。也就是，晶種雷射射束1〇〇會在相反的方向中 大體上沿著光轴118於其路徑中行進與折返，並且在垂直 於光軸118的方向中離開該光放大器系統，成為輸出雷射 射束119a、U9b、或119c。於每一種組態中，晶種雷射射 =1〇〇均會先通過法拉第隔絕器12〇並且入射在偏振射束 分光器122(圖4A與4C)或133(圖4B)之上，其會根據該射 束的偏振方向及該射束分光器裡面的光學元件的定向而讓 晶種雷射射束100通過偏振射束分光器122或133或是將 晶種雷射射束100偏折9〇。。被定位在增益介冑1〇2附近的 各種光學器件會在輸出雷射射束n9a、U9b、或Η%離開 該光放大器系統之前引導雷射射束1〇〇通過增益介質⑺2 13 200952298 必要的連續通過次數。 圖4Α中所示的雙程組態124包含一四分之一波板 126,其係被放置在增益介質ι〇2與曲面hr面鏡1〇6之間。 從法拉第隔絕器12〇處射出的晶種雷射射束丨00會先通過 偏振射束分光器122，通過增益介質丨〇2，並且接著通過四 分之一波板126。從曲面HR面鏡106處反射之目前已被放 大的雷射射束1〇〇會反向通過四分之一波板126。四分之一 波板126具有一被定向在和從增益介質1〇2處射出的線性 偏振光的偏振方向形成45。角度處的光轴。四分之一波板 126的用途係用以在兩個衝程中將被放大的晶種雷射射束 的偏振方向旋轉總共90。。該經旋轉的線性偏振光接著會第 一次通過增益介質1〇2並且會在離開該光學系統成為輸出 雷射射束119a之前被偏振射束分光器122分離。雙程組態 124並非利用一法拉第旋轉器來施行，所以，和意圖補償熱 誘發雙折射的先前技術設計不同。在雙程組態124中並不 要此補償’因為其係利用各向異性的增益介質1 〇 2所施 行的。 圖4B中所示的三程組態130包含：一半波板132，用 '取代雙程組態124中所使用的四分之一波板126 ;—偏振 射束分光器133，用以取代偏振射束分光器122 •，以及第二 HR面鏡134、第二偏振射束分光器丨36、以及法拉第 旋轉器138等新增器件。從法拉第隔絕器12〇處射出的晶 種雷射射纟1〇〇會先通過偏振射束分光$ 133與增益介質 雷射射束100接著會通過法拉第旋轉器138、半波板 200952298 132、以及第二偏振射束分光器136，從曲面HR面鏡106 處反射’並且反向通過該系統中的每一個光學器件，直到 雷射射束100碰到第一偏振射束分光器133為止第一偏 振射束分光器133會將雷射射束100偏折90。，俾使其會反 射離開曲面HR面鏡134。雷射射束1〇〇接著會返回第一偏 振射束分光器133,其會將雷射射束100反射回到增益介質 102，並且雷射射束1〇〇接著會通過法拉第旋轉器138並且 第三次通過半波板132。雷射射束1〇〇接著會被第二偏振射 束分光器136偏折90。並且離開變成輸出雷射射束n9b。 圖4C中所示的四程組態14〇包含經過重新排列的三程 組態130中的器件，其加入四分之一波板126。從法拉第隔 絕器120處射出的晶種雷射射束1〇〇會先通過偏振射束分 光器122、法拉第旋轉器138、以及半波板132。在傳播通 過偏振射束分光器133之後，雷射射束1〇〇會在曲面服面 鏡106# 134之間來回前進，並且從而第四次通過增益介 ❿f u)2並通過四分之_;皮板12卜在第四次通過增益介質 之後，雷射射束1〇〇便會在以反向的方向通過偏振射束 分光器133，通過半波板132與法拉第旋轉器138，以及朝 偏振射束分光器122前進，並且離開變成輪出雷射 119c。 晶種雷射射束與激昇射束之間有良好模式匹配的好處 係可以達到具有高效率抽出之高品質射束的目^此外， 增益介質⑻可被配置成端末激昇或被配置成旁側激昇架 構。於單雷射模式（SLM)操作的情況中，可以 15 200952298 單元來取代曲面HR面鏡106與134以便不需要用到透鏡， 因為相位共軛會消除放大器中的變形。再者，在本文所揭 不的放大器中不會有任何非所希的雷射激發作動。取而代 之的係，曲面HR面鏡106與134會被設計成用以達到良好 的模式匹配並且用以改良放大射束的品質。 多程組態的較佳實施例類似於二極體激昇釩酸鹽 (Nd: YV〇4)功率放大器。雖然Nd: γν〇4有各向異性增益；不 過，其仍能用於此多程技術中，因為當雷射射束1〇〇的偏 振方向對齊a轴或c轴時’Nd:YV〇4晶體便能夠產生雷射激❹ 發作用。當雷射射束100的偏振方向對齊c轴時，增益會約 大於當雷射射束1〇〇的偏振方向對齊a軸時之增益的三倍 (這便係先前技術主要使用c軸來進行雷射激發的原因）。對 1%的Nd摻雜濃度而言，Nd:YV〇4沿著a轴與c轴的雷射相 關參數如下： 發射剖面，xlO-丨9平方公分 螢光壽命，微秒 已經有人設計且開發出用以在Nd: YV04中沿著a轴與 c軸中模擬其放大倍數的數值模型。圖5A肖5B中所示的 刀別係用以比較單程放大器沿著c軸與a軸之放大倍數的模 擬結果。4等兩個模擬及下面提出的實驗皆包含下面共同 的參數設定值：100千赫兹PRF，2G奈秒pw，以及3瓦吸 收激昇功率。尖峰功鱼&淮及# i > 刀年位準係落在千瓦範圍中，而平均功
率數值的大小等級則為1瓦至10瓦。圖5A所示的曲線15〇C 16 200952298 係'代表單種C轴功率輸出的時 則代表在50奈秒^ _係® ’而曲線152 線15〇c與152顧，φ ^ β 的晶種雷射功率。比較曲 對應於1.；1千¥ '程0軸尖峰功率輸出156 循㈣於Γ微Λ峰晶種雷射功率158。整個⑽千赫兹 瓦並且代表_H1MGG奈秒）中的平均功率經算出為 的單程…:=50奈秒時間區間154内所射出 量圖5B所示的曲線15〇a #裨矣置4 功率輸出的對應時間^心深15〇3係代表早程a軸 β 士 /負進關係圖’而曲線152則代砉名ςΛ 顯露出尖峰二:Γ::功率。比較曲線— a轴功率輪出為2 6 ¥率輸出為Κ3千瓦，而平均單程 的访士垃對應的抽出效率顯示出，c方向中 、 。數超過a方向中的放大倍數約三倍。 、 “目同的激昇功率值與晶種功率值來說，從單程功率 ^ 羊放大态，以及到四程功率放大器會需 要越來越局的抽出效傘 羊及對應的C軸輸出功率。從對應於 〇 單程放大器結果的c軸中的12·4%單程抽出效率處 :行外插，該模擬預測a_c雙程放大器m具有二； 效率及對應於1.45千瓦尖峰功率輸出164的3 ()瓦平均 輸出功率5C)’而e_a.e四程放大器刚則具有23〇% 的抽出效率及對應於L6千瓦尖峰功率輸出165的32瓦平 均輸出功率（圖5D)。 單程放大器的模擬結果和圖6A與6B中所示沿著c軸 的單程放大倍數的實驗結果非常吻合。冑6八與6B所示的 、J用20不私pw，在1〇〇千赫茲處被脈衝化之ίο"奈 17 200952298 米的2.5瓦平均功率晶種雷射所進行的功率放大器實驗的 、。果雷射射束光點大小為250微米，而在束腰處的激昇 射束光點大小為280微米。該808奈米激昇源係具有1〇〇 微米直徑且數值孔徑（NA)為〇.22的光纖耦合雷射二極體。 實驗結果為Nd:YV〇4晶體在808奈米處會吸收3瓦的激昇 功率。使用以此功率放大器實驗為基礎的單程放大器組 態，在對齊c軸的雷射偏振方向中會產生28瓦的平均輸出 功率，並且在對齊a軸的雷射偏振方向中會產生2.6瓦的平 均輸出功率。以本文所揭示的功率放大器模型為基礎，從 雙程組態中可預期會有3瓦的平均輸出功率。 本發明已經利用20奈秒PW，雷射射束光點直徑35〇 微米，以及激昇射束光點直徑380微米，在1〇〇千赫茲處 被脈衝化的0.7瓦晶種雷射，分別針對單程放大器與四程放 大器兩者進行過模擬，其分別顯示出輸出功率與增益和激 昇功率的函數。® 7巾所呈現的結果顯*出兩種組態約略 直線的關係166,以激昇功率為基礎，四程放大器的情況會 有較陡峭的遞增168。 圖4A、4B、以及4C實施例中所施行的多程功率放大 器設計亦適用於大小等級為數十瓦的高功率應用。在1〇〇 千赫茲PRF處有20瓦平均功率且具有4〇奈秒pw的晶種 雷射射束1〇〇會通過該增益介質，該增益介質會在8〇8奈 米激昇波長處吸收總共50瓦的激昇功率。該雷射射束光2 大小為550微米，而激昇射束光點大小& 58〇微米。圖8a、 8B、中便提出該高功率應用的模擬結果17〇。 200952298 單程組態沿著C轴的抽出效率為22.9%，其會產生3丨.4瓦 的平均功率輸出，利用和組態140相同的c_a_a_c四程放大 器則會提高至44.4%的效率，平均輸出功率為42 2瓦。圖 8A、8B、8C、以及8D的高功率放大器所產生的尖峰功率 位準176a、176b、176c、以及176(1會比晶種雷射尖峰功率 178大了約2至3倍（從4.5千瓦中產生約7千瓦至ι〇千瓦）。 ❹ ❹ 圖9中所示的係輸出功率和晶種功率的函數，圖中會 清楚看見a軸放大倍數182與c軸玫大倍數183之間的區 別。當晶種雷射功率152提高時，輸出功率16〇會急遽地 提高，尤其是在四程組態的情況中，1且尤其當晶種雷射 射束1 00沿著釩酸鹽晶體的C軸被引導時。 當需要補償熱誘發的雙折射時，例如在先前技術系統 中，多程放大器組態會侷限在偶數次 前進通過該增益介質的光束的偏振狀態必須為其正中交來因口 此，在第-個衝程中，倘若射束沿著c軸被偏振的話，那麼 在第二個衝程中其便必須沿著a軸被偏振。雙程放大器僅允 許有a-c組態或c-a、组態；而四程放大器則僅允許彳a_c c_a 組態或we組態。不過，利用各向異性的介質，例如鈒 酸鹽，便不需要對熱誘發的雙折射進行輔助性補償，從而 讓放大器设計有更大的自由度。 ^ 中所示 且利用各向異性的择怒公暂Μ & > , 扪增益介質所施行的多程放大器的替代實 施例的示意圖介妹尤 虹南 八允許在C軸與a軸中有不同的衝程次數。 該些實施例中的光學器件會祐由 甲裔仟f被排列成用以善用各向異性增 19 200952298 益介質的特性。明確地說，在第一對衝程中，晶種雷射射 束偏振方向在對齊&軸之前係對齊於該飢酸鹽增益介質中 會產生最大發射剖面的晶轴（C抽亦可能有額外的雙程組 態’例如a-a或C-C(圖10);以及四程組態，例如a_a_c_c或 c-c-a-a(圖11)。圖1〇所示的係和圖4 A中所示者雷同的雙 程組態，不過，在增益介質102的上游處於第一虛線方塊 184a裡面新增了一法拉第旋轉器138與一半波板132，並且 已經移除圖4A中曲面HR面鏡106旁邊的四分之一波板 126。對圖4C中所示之四程組態進行相同的兩個修正便形 0 成圖11中的組態。 圖12中所示的四程組態係以圖1 〇中的雙程組態為基 礎’其新増了第二虛線方塊1 84b中所示的光學器件。一第 二增益介質185會連同第二四分之一波板186被插入在偏 振射束分光器133與一第二曲面HR面鏡134之間。所以， 該射束會通過增益介質102與增益介質185中每一者兩 次，總共有四個衝程。 圖13所示的係一種更有效的六程放大器的組態，其和 〇 包含第二極體增益介質185的圖12的雙程組態相同，不 過’其具有由包圍在第三虛線方塊188中所示的三個光學 器件所組成的額外區塊。該等額外的光學器件包含被插入 在射束路徑中法拉第隔絕器12〇後面的一第二偏振射束分 光器122、一第二法拉第旋轉器！ 90、以及一第二半波板 192，第二四分之一波板丨86則已被移除。 熟習本技術的人士便會明白，可以對上面所述實施例 20 200952298 的細節進行許多變更，其並不會脫離本發明的基礎原理。 所以，本發明的範疇應該僅由下面的申請專利範圍來決定。 【圖式簡單説明】 圖1為用以比較在奈米處被激昇的先前技術鈒酸 鹽雷射的最大激昇功率和摻雜濃度函數的計算與測量數值 的關係圖。 圖2為Frede等人所述之先前技術四級放大器設計的圖 ❹式。 圖3為PlaeSsmann等人所述之先前技術多程放大器設 計的四個實施例的光線圖總成。 圖4A、4B、以及4C分別為雙程放大器、三程放大器、 以及四程放大器的施行方式《圖4 A-1所示的係和入射在一 彎曲反射表面上且被該彎曲反射表面反射的雷射射束有關 的反射定律。
圖5A、5B、5C、以及5D分別為單程放大器組態雙 程a-c組態、以及c-a-a-c四程組態之增益介質的c軸與阻 轴的受激晶種功率與輸出功率和時間的函數關係圖，晶種
雷射參數係被設在100千赫茲PR 聊從PRF、20奈秒脈衝寬度 (PW)、以及3瓦吸收激昇功率處。 圖6A與6B為利用具有外加激昇功率之實驗單程放大 器所達成之經測得晶種功率位準與輸出功率位準的關係 圖0 圖 7為參數和圖6中所使用 之參數相同的單程放大器 21 200952298 與四程放大器的受激輸出功率（遞增）和激昇功率的函數關 係圖。 囷8A、8B、8C、以及8D為一晶種雷射射束每一次連 績通過一四程功率放大器組態之後的受激功率輸出和時間 的函數關係圖，晶種雷射參數係被設在2〇瓦功率、4〇奈秒 脈衝寬度、以及50瓦之經測得的總吸收激昇功率處。 圖9為1〇〇千赫茲晶種雷射之經測得的功率放大關係 圖’圖中以在_奈米波長處被3G瓦激昇的㈣鹽晶體的 輸出功率和沿著c軸與a軸的晶種功率的函數來表示。 圖10為程功率放大器組態之較佳實 的示意圖。 圖11為a - a - c - c或 實施例的示意圖。 圖 12 為 c-c-c-a 或 a-a-a-c 實施例的示意圖。 圖 13 為 c-c-c-c-a-a 和 a-a- 之較佳實施例的示意圖。 a-a四程功率放大器組態之較佳 四程功率放大器組態之較佳 六程功率放大器組態 〇 【主要元件符號說明】 100 101 102 104 晶種雷射射束 共同射束路徑 各向異性的射束路徑/增益介質 角射束移位 1 06 曲面HR面鏡 22 200952298 ❹ 107 凹表面 108 入射角 110 入射射束 112 表面法線 114 反射角 116 反射射束 118 光轴 119a-l19c 輸出雷射射束 120 法拉第隔絕器 122 偏振射束分光器 124 雙程組態 126 四分之一波板 130 三程組態 132 半波板 133 偏振射束分光器 134 曲面HR面鏡 136 第二偏振射束分光器 138 法拉第旋轉器 140 c-a-a-c四程放大器 150c 50奈秒時間區間154 曲線 152 晶種雷射功率 154 50奈秒時間區間 156 1.4千瓦單程c軸功率 23 200952298 158 1.1千瓦尖峰晶種雷射功率 160 功率輸出 162 單程a軸尖峰功率輸出 164 1.45千瓦尖峰輸出功率 165 1.6千瓦尖峰輸出功率 166 約略直線的關係曲線 170 高功率應用的模擬結果 176a-176d 尖峰功率位準 178 晶種雷射尖峰功率 182 a軸放大倍數 183 c轴放大倍數 184a 第一虛線方塊 184b 第二虛線方塊 185 增益介質 186 第二四分之一波板 188 第三虛線方塊 192 第二半波板 a 轴 c 轴
24

Claims (1)

  1. 200952298 七、申請專利範圍·· 1·-種配置多程光功率放大器用以實施雷射能量之偏 振相依放大的方法，丨、,μ立A a & 乂便產生具有小射束變形的雷射輪 出，該方法包括： 射輸 、、提供一具有第-與第二正交相關之增益軸的各向異性 增益介質，其特徵在於固有不同的軸增益及相關聯的固有 差異熱雙折射； 引導一經偏振的晶種雷射射束多次通過該各向異性增 ❹，介質’該等多次衝程中每一次衝程的晶種雷射射束會： 著一共同射束路徑傳播而且實質上與該共同射束路徑沒有 任何移位，且該晶種雷射射束具有橫越該共同射束路徑的 偏振方向；以及 調整該經偏振的晶種雷射射束的偏振方向讓它們對齊 增益介質的第-增益軸與第二增益轴，用以建立通過該增 益介質的多錢程中的數次衝程並且產纟雷射冑出射束； 藉此，該晶種雷射射束實質上與該射束路徑沒有任何 移位會減少雷射輸出射束變形，而固有的差異熱雙折射則 會增強雷射輸出能量抽出效率。 2·如申請專利範圍第1項之方法，其中，該各向異性增 益介質包括稀土族離子摻雜結晶固態材料。 3.如申請專利範圍第2項之方法，其中，該稀土族離子 摻雜結晶固態材料包含Nd:YV〇4、Nd:YLF、Nd:Gdv〇4、 Tm. YLF、Tm: YV〇4、Ho:Tm: YLF、Ho:Tm: YV04、 Ho:Tm:GdV04、Yb:YLF、Yb:YV04 或是 Yb:GdV04。 25 200952298 該各向異性增 4·如申請專利範圍第 益介質包括：Cr:LiSAF ; 玉° 1項之方法，其中 CriLiCAF ; Ti:藍寶石 或是紫翠 該各向異性增 固態材料。 該各向異性增 晶固態材料。 該柱狀棒的多 5·如申請專利範圍第1項之方法，其中！ 益介質為具有圓形剖面之柱狀棒形狀的結晶 、6.如申請專利範圍第1項之方法，其中， 益介質為具有多邊形剖面之柱狀棒形狀的結 如申明專利範圍第6項之方法，其中， 邊形剖面為正方形。 〇 如中請專利範圍第6項之 邊形剖面“㈣。 Μ該柱狀棒的多 9·如申請專利範圍第1 振的晶種雷射射击Μ 法，其中，該調整該經偏 的晶種雷射方向之對齊作用包含讓該經偏振 束離開#- 人通過—射束分光器並且讓雷射輸出射 Ί这射束分光器。
    八、圖式： (如次頁） 26
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