一種提高光束質量的雷射放大器及提高光束質量的方法
2024-01-28 22:57:15 1
專利名稱：一種提高光束質量的雷射放大器及提高光束質量的方法
技術領域：
本發明涉及固體雷射技術，具體涉及一種提高通過雷射放大器光束質量的裝置及其方法。
背景技術：
為了獲得性能優良的高功率雷射輸出，應用振蕩級-放大器組成的雷射放大系統是一種很好的方法，這種方法中可由振蕩級決定其光束特性，而由放大器決定其輸出功率，因此可以兼顧優良的雷射特性和較高的輸出功率。現有的雷射放大技術一般採用在振蕩級-放大器之間加入擴束望遠鏡系統實現兩級間光束直徑匹配，如圖1所示，將振蕩級發出的光束半徑較小的光束，經過擴束望遠鏡後再進入放大器中進行放大，這樣可以得到高的輸出功率。這樣的結構存在兩個不足之處，一是在振蕩級-放大器之間需要加入擴束望遠鏡系統，增加了光路的長度，使得整個系統體積比較龐大；二是在高功率泵浦的情況下，由於放大器中增益介質中存在的熱效應會導致通過放大器增益介質的光束產生畸變，嚴重惡化了輸出雷射的光束質量。近來，我們發現在專利CN 100495836 C所述的「一種雙棒串接的基模動態穩定非對稱雷射諧振腔的裝置」中，諧振腔兩端輸出光束的光束質量差別較大。定義從雷射晶體到諧振腔腔鏡的距離為諧振腔臂長，在基模動態穩定非對稱雷射諧振腔中，諧振腔的兩個臂長差別較大，從臂長較長的一端輸出光束的光束質量很好，而從臂長較短的一端輸出光束的光束質量較差。將這一原理應用到雷射振蕩級-放大器系統，使振蕩級從短臂輸出的光束質量較差的光束，發散通過放大級，可以在保證較大的輸出功率的同時，得到很好的光束質量。
發明內容
針對現有技術中由於光路較長或雷射增益介質的熱效應使得通過雷射放大器後光束質量變差的現狀，本發明提供一種提高通過雷射放大器光束質量的裝置。一種提高光束質量的雷射放大器，包括振蕩級和放大級,所述振蕩級包括依次設置的全反鏡、第一雷射增益介質和輸出鏡，所述全反鏡與第一雷射增益介質之間的距離為LI,第一雷射增益介質與輸出鏡的距離為L2,且LI > L2 ；所述放大級與輸出鏡的距離為L3，L3等於放大級的熱透鏡焦距。本發明將雷射諧振腔設置為非對稱方式，即第一雷射增益介質與全反鏡的距離大於第一雷射增益介質與輸出鏡之間的距離，使得從輸出鏡輸出的雷射光束質量較差，但通過調整放大級的位置，使得輸出鏡輸出的光束經發散後再進入放大級時，就會明顯提高光束質量。為保證輸出光束的質量，作為優選，所述的全反鏡對雷射光束的反射率大於95%，所述的輸出鏡對雷射光束的反射率為
經研究發現，當第一雷射增益介質與全反鏡的距離大於輸出鏡與第一雷射增益介質之間的距離(即LI > L2)時，輸出鏡的出射光束的質量較差，但此光束進入放大級進行放大，從放大級輸出的光束質量則變得較好，作為優選，LI為L2的3 5倍。作為優選，所述的第一雷射增益介質為Nd = YAG晶體、Nd = YVO4晶體或Yb = YAG晶體。同理，所述的放大級包括第二雷射增益介質，所述的第二雷射增益介質為Nd: YAG晶體、Nd = YVO4晶體或Yb = YAG晶體。該第二雷射增益介質與第一雷射增益介質可以相同，也可以不同。作為優選，所述的第二雷射增益介質的熱透鏡焦距為10mm-2000mm，根據該第二雷射增益介質的熱透鏡焦距確定放大級與輸出鏡之間的距離，利於獲得高光束質量的雷射輸出。本發明還提供一種基於上述雷射放大器提高光束質量的方法，使得經放大級輸出的光束具有較好的光束質量。—種基於雷射放大器的提高光束質量的方法，所述雷射放大器包括振蕩級和放大級，所述振蕩級包括依次設置的全反鏡、第一雷射增益介質和輸出鏡；所述振蕩級中全反鏡與第一雷射增益介質之間的距離為LI，第一雷射增益介質與輸出鏡之間的距離為L2，且LI
>L2 ；所述方法包括:I)根據放大級的工作點確定放大級的熱透鏡焦距；2)調整放大級的位置，使放大級與輸出鏡的距離L3等於放大級的熱透鏡焦距；3)輸出鏡的出射光線通過放大級後作為雷射束輸出。與現有技術相比，本發明具有如下有益效果:(I)簡化了實驗裝置，大大縮短了光路長度，使整個裝置的體積大為減小。(2)不僅可以實現雷射功率的放大，還可以實現對光束質量的改善，即從振蕩級輸出的光束質量較差，通過放大級後光束質量獲得了提高，從而使整個裝置獲得性能優良的高功率雷射輸出。
圖1為現有技術中光束經過擴束望遠鏡系統後進入放大級中的光斑半徑分布圖；圖2為本發明中提高通過雷射放大器光束質量的裝置及其光路圖；圖3為實施例1中由振蕩級輸出光束的光強分布圖；圖4為實施例1中測量經過放大級後輸出光束的光束質量因子的曲線圖；圖5為實施例1中經過放大級後輸出光束的光強分布圖。
具體實施例方式實施例1如圖2所示，沿光軸依次放置有全反鏡1、振蕩級增益介質(第一雷射增益介質)2、輸出鏡3、放大級增益介質(第二雷射增益介質)5。振蕩級增益介質採用雙端泵浦的Nd = YVO4晶體，晶體為a-cut切割，摻雜濃度為
0.3%, Nd = YVO4雷射晶體的尺寸為3mmX3mmX 11mm，其中兩端鍵合了 2mm厚的未摻雜YVO4晶體，主要為了減小因熱效應而引起的晶體端面形變。利用透鏡耦合系統將808nm的泵浦光耦合後，從晶體兩端面入射，泵浦光在Nd: YVO4雷射晶體端面的光束直徑為0.8mm,泵浦光的中心波長可以通過調節溫度控制設備，以達到與晶體吸收峰的有效匹配。振蕩級採用基模動態穩定非對稱雷射諧振腔。全反鏡I與第一雷射增益介質2之間的距離為LI = 310mm，第一雷射增益介質2與輸出鏡3的距離L2 = 85mm。全反鏡I鍍有1064nm高反膜，對1064nm雷射的反射率大於99.5%，輸出鏡3在1064nm處的反射率為60%。當泵浦功率為80W時，輸出雷射功率為33W，在輸出鏡3後測量得到的光束質量為Mx2=2.8，My2 = 2.7。圖3為振蕩級輸出光束的遠場光強分布圖。放大級增益介質也採用雙端泵浦的Nd = YVO4晶體，晶體為a-cut切割，摻雜濃度為
0.3%, Nd = YVO4雷射晶體的尺寸為3mmX3mmX 11mm，其中兩端鍵合了 2mm厚的未摻雜YVO4晶體。泵浦光在Nd = YVO4雷射晶體端面的光束直徑為0.8mm。測量放大級增益介質的熱透鏡焦距為75mm，調整放大級增益介質到輸出鏡的距離，使L3 = 75mm。實驗測量了經過放大級後光束的功率和光束質量。當放大級泵浦功率為85W時，最終得到放大後光束的功率輸出為65W，光束質量因子為Mx2 = 1.7，My2 = 1.6，測量光束質量因子的曲線如圖4。圖5為經過放大級後輸出光束的遠場光強分布圖。實驗表明，提高通過雷射放大器光束質量的裝置可以在輸出光束有較高功率的情況下，得到很好的光束質量，克服了以往雷射放大系統光束質量會隨著輸出功率的增加而嚴重惡化的現象。上述實施例用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明做出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種提高光束質量的雷射放大器，包括振蕩級和放大級，所述振蕩級包括依次設置的全反鏡、第一雷射增益介質和輸出鏡，其特徵在於，所述全反鏡與第一雷射增益介質之間的距離為LI，第一雷射增益介質與輸出鏡的距離為L2，且LI > L2 ； 所述放大級與輸出鏡的距離為L3，L3等於放大級的熱透鏡焦距。
2.根據權利要求1所述的提高光束質量的雷射放大器，其特徵在於，所述的全反鏡對雷射光束的反射率大於95%，所述的輸出鏡對雷射光束的反射率為
3.根據權利要求1所述的提高光束質量的雷射放大器，其特徵在於，LI為L2的3 5倍。
4.根據權利要求1所述的提高光束質量的雷射放大器，其特徵在於，所述的第一雷射增益介質為Nd = YAG晶體、Nd = YVO4晶體或Yb = YAG晶體。
5.根據權利要求1所述的提高光束質量的雷射放大器，其特徵在於，所述的放大級包括第二雷射增益介質，所述的第二雷射增益介質為Nd = YAG晶體、NdiYVO4晶體或Yb = YAG晶體。
6.根據權利要求5所述的提高光束質量的雷射放大器，其特徵在於，所述的第二雷射增益介質的熱透鏡焦距為10mm-2000mm。
7.一種基於雷射放大器的提高光束質量的方法，所述雷射放大器包括振蕩級和放大級，所述振蕩級包括依次設置的全反鏡、第一雷射增益介質和輸出鏡；所述振蕩級中全反鏡與第一雷射增益介質之間的距離為LI，第一雷射增益介質與輸出鏡之間的距離為L2，且LI>L2 ； 其特徵在於，所述方法包括: 1)根據放大級的工作點確定放大級的熱透鏡焦距； 2)調整放大級的位置，使放大級與輸出鏡的距離L3等於放大級的熱透鏡焦距； 3)輸出鏡的出射光線通過放大級後作為雷射束輸出。
全文摘要
本發明公開了一種提高光束質量的雷射放大器，使得通過該雷射放大器光束的質量能夠顯著提高。本發明還公開一種基於所述雷射放大器提高雷射束質量的方法，通過調整放大級的位置可以有效控制放大級輸出的光束質量。不僅簡化了實驗裝置，大大縮短了光路長度，還可以在保證雷射功率放大的同時，實現對光束質量的改善，即從振蕩級輸出的光束質量較差，通過放大級後光束質量獲得了提高，從而使整個裝置獲得性能優良的高功率雷射輸出。
文檔編號H01S3/08GK103117505SQ20131002630
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月23日 優先權日2013年1月23日
發明者劉崇, 葉志斌, 趙智剛 申請人:浙江大學