一種環形光斑薄片放大器的製造方法

2023-05-16 21:12:41 1

一種環形光斑薄片放大器的製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種環形光斑薄片放大器的技術方案，該方案可以將便於利用非穩腔獲得的高光束質量、低功率環形雷射光束多次以不同的光束尺寸通過同一薄片增益介質或薄片增益介質序列的不同孔徑區域，實現高雷射功率密度的等光通量雷射提取，不但有效的抑制了ASE並實現較高的光光轉換效率，還可以避免薄片上徑向雷射不均勻引起的溫度梯度和溫度致光學畸變。
【專利說明】-種環形光斑薄片放大器

【技術領域】
[0001] 本發明涉及的是固體雷射器領域，尤其是一種環形光斑薄片放大器。

【背景技術】
[0002] 雷射技術自上世紀六十年代至今高速發展，同時，又與其他高新技術相互滲透，在 材料加工、醫療、軍事、測量及科學實驗研究等眾多領域有越來越廣泛的應用。其中ΜΟΡΑ結 構的雷射放大器通過採用高光束質量、低功率雷射輸出雷射經過雷射放大器一級或多級功 率放大容易實現高光束質量、高功率的雷射輸出。
[0003] 目前，在固體雷射領域，國內外已經對放大器進行了廣泛而深入的研究和開發。但 是目前該領域採用的放大器增益介質構型主要為棒狀、板條狀或光纖。
[0004] 薄片型增益介質因其特殊的幾何形狀具有傳統增益介質不可比擬的換熱效率，並 且在前表面泵浦、後表面冷卻時可以獲得均勻的徑向溫度分布，溫度梯度方向與雷射傳輸 方向一致從而大幅降低了熱透鏡效應。目前，這種類型的增益介質主要採用諧振腔結構直 接獲得雷射輸出。這種類型的雷射器使用穩定諧振腔結構實現了功率達到數千瓦，光束傳 輸參數20mm mrad左右的雷射輸出。要進一步提高光束質量，一種方式是採用腔參數接近臨 界的大基模體積穩腔並在腔內插入非球面像差補償元件抑制高階模產生，這種諧振腔非常 敏感，且尚無法實現較高輸出功率，僅在實驗室進行了實驗研究，難於推廣使用；另一種方 式是採用可以獲得便於卡塞格林系統發射的環形光斑輸出的非穩腔結構，在非穩腔內進行 多薄片串接並採用複雜的腔內光束質量控制手段實現更高光束質量的高功率雷射輸出。為 了直接在腔內獲得高功率輸出，非穩腔內的串接薄片數目較多，薄片靜態和動態像差疊加， 會嚴重影響非穩腔的運行。在校正腔內波前畸變過程中，如果簡單的將薄片、像差校正元件 串接，由於光束傳輸中的衍射效應以及非穩腔內雷射的往返振蕩傳輸，非共軛的像差校正 中存在非常複雜的像差演化問題。因此需要在腔內使用成像光學系統將各薄片和波前校正 器相互成像，實現共軛像差校正，這樣的諧振腔結構複雜、元件數目多，靈敏度高，調節維護 困難，即便如此，受限於測量方法、像差特徵計算方法、校正元件能力等因素這種腔內像差 校正技術尚不成熟。此外，由於非穩腔內光束在兩個傳輸方向上具有不同的光束尺寸，腔內 增益介質上的雷射光強不是均勻的，因此即使薄片增益介質被理想的均勻泵浦和冷卻，也 因為雷射光強的差異引起吸收率和生熱率的非均勻性，最終導致薄片產生徑向溫度梯度， 即溫度值的波前畸變，這種熱光相互影響的效應在雷射功率的提升過程中可能導致諧振腔 無法穩定運行。總而言之，薄片雷射器雖然相比傳統固體雷射器實現了更高的輸出功率和 光束質量。但要在保證高功率雷射輸出的前提下，進一步提升光束質量，不論使用穩腔還是 非穩腔都有較高的技術難度。
[0005] 使用薄片增益介質的雷射放大器研究較少，主要原因是受限於兩個方面，其一：薄 片狀增益介質的特徵是橫向尺寸即增益區尺寸遠大於其厚度（直徑幾毫米至幾十毫米）。 當功率較低的種子雷射通過光束變換系統使其光束截面尺寸與薄片上增益區尺寸匹配時， 其光強較小。然而不論是為了最終獲得高功率雷射輸出，還是充分利用薄片增益介質可高 功率密度泵浦的優勢，薄片都應工作於強泵浦狀態。這種狀態下，因為薄片增益介質具有 較大的橫縱比，在強泵浦條件下容易產生顯著的自發輻射放大（ASE)效應，較弱的雷射無 法抑制ASE效應。同時弱光強種子雷射注入雖然可以在弱雷射飽和效應下維持較高的增 益係數，但是其功率提取能力較低，無法實現較高提取效率，使薄片增益介質的光光效率較 低。其二：薄片增益介質縱向尺寸即增益長度小（幾百微米至幾毫米），使用簡單的放大鏈 路，雷射單次或往返通過薄片，增益長度非常有限，難於利用較少的薄片獲得較高的放大倍 率。為了解決上述問題，或者需要提高種子雷射功率，並依次通過徑向尺寸從小不斷增大的 大量薄片，在維持較高雷射光強的前提下，實現較高的增益長度；或者需要採用多通放大鏈 路，即使被放大雷射多次通過同一薄片增益介質，在增大增益長度的同時，使增益介質內各 次雷射光強迭加從而實現較高的雷射光強以獲得較高的雷射提取效率。顯然，第一種解決 方式因為要求高功率種子雷射，且需要不同規格的薄片構成放大鏈路過於複雜，不具有優 勢；而針對第二種解決方式，人們提出兩種具體解決方案：
[0006] 1、德國斯圖加特大學A. Giesen、T. Graf等人提出了一種基於反射鏡陣列的多通 薄片放大器，這種設計採用被多通泵浦的孔徑為1〇_左右的Yb:YAG薄片晶體作為增益介 質。一側以特定的空間位置關係放置著薄片、一片凹面鏡及一片凸面鏡；另一側為反射鏡陣 列，其有陣列排布的若干個平面反射鏡構成，且每個反射鏡均有其特定的角度要求。特定曲 率半徑的光束通過由凹面鏡-薄片-凸面鏡-薄片-凹面鏡構成了元件序列可以實現自再 現。因此現將種子光束變換為上述可自再現光束，以特定角度注入多次放大鏈路。光束傳 輸過程中，在凹面鏡和薄片間、在凸面鏡和薄片間，光束總是被反射鏡陣列上的某個平面鏡 反射，這些平面鏡控制了每次光束射向薄片的角度。即放大鏈路中，光束以不同的角度多次 被薄片以及凹面鏡、凸面鏡反射，實現了多通放大的目的。這種解決方案實現了多通放大， 可對連續雷射、脈衝雷射高效放大，德國通快公司採用類似的裝置實現了超短脈衝的再生 放大。但是為了在動態條件下維持放大過程中各次到達薄片上光斑尺寸的恆定，需要對自 再現元件序列、注入光束提出很高要求，此外，反射鏡陣列元件多，結構過於複雜。
[0007] 2、2011年，華中科技大學朱曉、尚建力等人提出一種利用共軛雙拋物面多次泵浦、 多次放大的Yb:YAG薄片雷射放大器方案。其利用共軛雙拋物面反射鏡的焦點可以彼此 成像特性，在一個焦點放置薄片增益介質，另一個焦點放置傾斜反射鏡實現對泵浦光、放大 雷射傳輸方向的偏移，從而實現多次泵浦和多次放大過程中在拋物面孔徑上的光斑位置搬 移。這種實現方案要求同時兼顧泵浦光和放大雷射多次到達薄片光路過程中的空間位置 和薄片上的光斑尺寸。這需要對拋物面參數、反射鏡角度和曲率以及薄片晶體光學參數提 出很高要求，此外，只有具有特定光束遠場發散角、特定束腰位置的種子雷射注入多次放大 光路才能實現上述多次放大，且這一參數窗口非常狹窄。並且，在多通放大過程中，雷射離 軸被拋物面反射，彗差會導致薄片上雷射光斑的變形已經最終輸出雷射光束質量的明顯劣 化。因此這一方案實現高光束質量雷射放大也是非常困難的。
[0008] 並且，上述兩個實現方案均是針對實心光斑放大設計的，如果將便於卡塞格林系 統發射的空心光斑注入上述兩個多次放大系統，或者因為無法在自再現光學元件序列中高 質量的依次成像；或者因為其被拋物面反射變換後無法在薄片上形成與增益區匹配的光 斑，均無法實現高效的多通放大。


【發明內容】

[0009] 本發明的目的，就是針對現有技術所存在的不足，而提供一種環形光斑薄片放大 器的技術方案，該方案可以將便於利用非穩腔獲得的高光束質量、低功率環形雷射光束多 次以不同的光束尺寸通過同一薄片增益介質或薄片增益介質序列的不同孔徑區域，實現高 雷射功率密度的等光通量雷射提取，不但有效的抑制了 ASE並實現較高的光光轉換效率， 還可以避免薄片上徑向雷射不均勻引起的溫度梯度和溫度致光學畸變。
[0010] 本方案是通過如下技術措施來實現的：一種環形光斑薄片放大器，包括有種子激 光器、光束導入裝置、光束尺寸變換器、由薄片增益介質和折鏡構成的放大鏈路、光束導出 裝置；種子雷射器輸出波長與薄片增益介質受激發射峰相匹配的高光束質量的雷射光束； 雷射光束的截面為環形光斑；雷射光束通過光束導入裝置導入放大鏈路；雷射光束進入放 大鏈路後依次通過多個薄片增益介質和折鏡後進入光束尺寸變換器；光束尺寸變換器將激 光光束尺寸放大；雷射光束穿過光束尺寸變換器後一部分通過光束導出裝置導出、另一部 分繼續在放大鏈路中傳播；雷射光束通過多個薄片增益介質和折鏡後的傳播方向與雷射光 束被導入放大鏈路時的傳播方向一致。
[0011] 作為本方案的優選：環形光斑的外輪廓與內輪廓形狀相同
[0012] 作為本方案的優選：光束導入裝置為反射鏡，其反射區域尺寸等於略大於注入放 大鏈路的雷射光束的截面尺寸，鏡面尺寸等於或大於反射區域尺寸。
[0013] 作為本方案的優選：光束導出裝置設置於光束尺寸變換器和光束導入裝置之間； 光束導出裝置中心設置有通孔或透鏡；通孔或透鏡的尺寸大於導入放大鏈路時的雷射光束 的截面尺寸，小於通過光束放大裝置後的雷射光束的截面尺寸。
[0014] 作為本方案的優選：光束尺寸變換器為伽利略望遠鏡或克卜勒望遠鏡。
[0015] 作為本方案的優選：薄片增益介質被泵浦機構均勻泵浦；所述薄片增益介質的泵 浦方式為前表面泵浦或後表面泵浦或側面泵浦；所述薄片增益介質可以直接或間接被冷卻 或不冷卻；所述雷射光束可以被薄片增益介質反射或透射通過薄片增益介質。
[0016] 作為本方案的優選：雷射光束為振腔直接輸出或米用ΜΟΡΑ結構放大輸出。
[0017] 本方案的有益效果可根據對上述方案的敘述得知，由於在該方案中雷射經過一個 放大周期後，功率增大，再經過光束尺寸變換器增大其光斑尺寸，因為變換後光束內輪廓等 於或略大於導入裝置的反射區域尺寸，因此不會被其遮攔，而繼續在環路中傳輸。並且因為 每個放大周期光束尺寸依次增大，薄片增益介質上各次光斑的孔徑區域不同。通過合理的 設計放大環路中的薄片增益介質個數、薄片參數以及泵浦強度，使一個放大周期雷射功率 增大約Μ 2倍，每個放大周期內，雷射在薄片上的功率密度相等且不相互交疊，因此具有相同 的增益係數，每個周期便能維持相同的放大倍率Μ 2。
[0018] 在經過若干個放大周期，環形光斑尺寸增大若干次後，其尺寸超出了薄片的增益 區尺寸，雷射將不再被放大，而在光束尺寸變換器與放大周期內第一個薄片增益介質間放 置光束導出裝置。光束由光束導出裝置導出放大鏈路外實現雷射輸出。
[0019] 由此可見，本發明與現有技術相比，具有實質性特點和進步，其實施的有益效果也 是顯而易見的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明薄片增益介質作為折鏡使用的環形光斑薄片雷射放大器示意圖。
[0021] 圖2為本發明薄片增益介質作為透鏡使用的環形光斑薄片雷射放大器示意圖。
[0022] 圖3為本發明薄片增益介質另一種作折鏡使用的環形光斑薄片雷射放大器示意 圖。
[0023] 圖中，1為種子雷射器，2為雷射光束，3為光束導入裝置，4為放大後的雷射光束，5 為薄片增益介質，6為光束尺寸變換器,7為光束導出裝置,8為泵浦系統,9為折鏡。

【具體實施方式】
[0024] 為能清楚說明本方案的技術特點，下面通過一個【具體實施方式】，並結合其附圖，對 本方案進行闡述。
[0025] 通過附圖可以看出，本方案的第一種實現方式如圖1所示，包括種子雷射光器、光 束導入裝置、薄片增益介質或薄片增益介質序列（包含其泵浦系統）、光束尺寸變換器、光 束導出裝置。其中，種子雷射器可以輸出具有較高光束質量（20倍衍射極限內）的環形激 光光束，這一雷射功率I?可以為幾十瓦到幾百瓦，其環形光斑的內外輪廓均為橢圓形，內 外圓長軸r/和4分別為3. 5_和7_，而短軸均為長軸的.

【權利要求】
1. 一種環形光斑薄片放大器，其特徵是：包括有種子雷射器、光束導入裝置、光束尺寸 變換器、由薄片增益介質和折鏡構成的放大鏈路、光束導出裝置；所述種子雷射器輸出波長 與薄片增益介質受激發射峰相匹配的高光束質量的雷射光束；所述雷射光束的截面為環形 光斑；所述雷射光束通過光束導入裝置導入放大鏈路；所述雷射光束進入放大鏈路後依次 通過多個薄片增益介質和折鏡後進入光束尺寸變換器；所述光束尺寸變換器將雷射光束尺 寸放大；所述雷射光束穿過光束尺寸變換器後一部分通過光束導出裝置導出、另一部分繼 續在放大鏈路中傳播；所述雷射光束通過多個薄片增益介質和折鏡後的傳播方向與雷射光 束被導入放大鏈路時的傳播方向一致。
2. 根據權利要求1所述的一種環形光斑薄片放大器，其特徵是：所述環形光斑的外輪 廓與內輪廓形狀相同。
3. 根據權利要求1所述的一種環形光斑薄片放大器，其特徵是：所述光束導入裝置為 反射鏡，其反射區域尺寸等於略大於注入放大鏈路的雷射光束的截面尺寸，鏡面尺寸等於 或大於反射區域尺寸。
4. 根據權利要求1所述的一種環形光斑薄片放大器，其特徵是：所述光束導出裝置設 置於光束尺寸變換器和光束導入裝置之間；所述光束導出裝置中心設置有通孔或透鏡；所 述通孔或透鏡的尺寸大於導入放大鏈路時的雷射光束的截面尺寸，小於通過光束放大裝置 後的雷射光束的截面尺寸。
5. 根據權利要求1所述的一種環形光斑薄片放大器，其特徵是：所述光束尺寸變換器 為伽利略望遠鏡或克卜勒望遠鏡。
6. 根據權利要求1所述的一種環形光斑薄片放大器，其特徵是：所述薄片增益介質被 泵浦機構均勻泵浦；所述薄片增益介質的泵浦方式為前表面泵浦或後表面泵浦或側面泵 浦；所述薄片增益介質可以直接或間接被冷卻或不冷卻；所述雷射光束可以被薄片增益介 質反射或透射通過薄片增益介質。
7. 根據權利要求1所述的一種環形光斑薄片放大器，其特徵是：所述雷射光束為振腔 直接輸出或採用ΜΟΡΑ結構放大輸出。
【文檔編號】H01S3/10GK104242045SQ201410520691
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月30日 優先權日:2014年9月30日
【發明者】範國濱, 張衛, 尚建力, 於藍, 安向超, 唐淳, 萬敏, 高清松 申請人:中國工程物理研究院應用電子學研究所