專利名稱：一種激光增益裝置及方法
一種激光增益裝置及方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于激光光強(qiáng)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種激光增益裝置及方法。
技術(shù)背景
激光由于其亮度高、單色性好、準(zhǔn)直和聚焦性能好，已在科學(xué)研究、軍事國(guó)防、工業(yè)加工、天文觀測(cè)和信息傳播等領(lǐng)域得到的廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，人們都希望獲得均勻光強(qiáng)分布或接近高斯形光強(qiáng)分布的激光光束。例如在激光刻蝕加工領(lǐng)域，就需要得到光強(qiáng)分布盡量均勻的平頂光束以達(dá)到最理想的刻蝕效果；而在需要激光聚焦的情況下(如激光焊接、激光打孔、激光的光纖耦合)，就希望得到光強(qiáng)分布盡量接近高斯型光束，從而提高激光聚焦后的光強(qiáng)并降低激光在焦點(diǎn)處的光斑大小。
現(xiàn)有的光強(qiáng)分布控制技術(shù)都是透射衰減式的，且在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到如激光光強(qiáng)、孔徑等因素的限制。申請(qǐng)?zhí)枮?2820338.0的中國(guó)專利申請(qǐng)公開了一種薄膜半導(dǎo)體器件及其制造方法，是直接利用具有一定光強(qiáng)透過率分布的掩膜改變光束的強(qiáng)度分布并用于半導(dǎo)體器件的光刻，該方法需要探測(cè)激光的強(qiáng)度分布后，設(shè)計(jì)、加工出對(duì)應(yīng)透過率分布的掩膜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光強(qiáng)度分布的控制，但由于需要曝光、顯影、定影等工藝，掩膜的制造時(shí)間較長(zhǎng)，使該方法對(duì)激光的光斑分布的控制的實(shí)時(shí)性收到影響；另一方面，該方法實(shí)際上是對(duì)光強(qiáng)衰減的，將會(huì)是激光的功率受到損失；此外這種透射式掩膜的損傷閾值比較低，也限制了其應(yīng)用于高功率激光。專利號(hào)為01256697. 7的中國(guó)專利公開了一種液晶光閥激光束空間整形裝置，提到利用液晶光閥對(duì)激光的光強(qiáng)分布進(jìn)行控制，但該方法同樣也是只能通過衰減實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光強(qiáng)分布的控制，無法解決激光損失和損傷問題。發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)獲得均勻光強(qiáng)分布或接近高斯形光強(qiáng)分布的激光光束只能通過衰減實(shí)現(xiàn)，無法解決激光損失和損傷問題。
( 二 )技術(shù)方案
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種激光增益裝置。
其中，所述裝置包括增益介質(zhì)、泵浦源、光學(xué)元件和控制器，所述增益介質(zhì)設(shè)置在激光的光路上，并接收由泵浦源發(fā)出的泵浦光，所述控制器與泵浦源相連接，用于控制泵浦源向增益介質(zhì)發(fā)出泵浦光，所述泵浦光經(jīng)由光學(xué)元件進(jìn)入增益介質(zhì)，所述控制器還與光學(xué)元件相連接，用于控制經(jīng)過光學(xué)元件的泵浦光的光強(qiáng)分布。
優(yōu)選地，所述光學(xué)元件包括液晶光閥、透鏡組和反射鏡，在泵浦源和增益介質(zhì)之間依次設(shè)有液晶光閥、透鏡組和反射鏡，所述控制器與液晶光閥相連接。
優(yōu)選地，所述光學(xué)元件包括變形鏡和傅里葉變換鏡，在泵浦源和增益介質(zhì)之間依次設(shè)有變形鏡和傅里葉變換鏡，所述控制器與變形鏡相連接。
優(yōu)選地，所述增益介質(zhì)為 :YV04。
本發(fā)明還提供了一種激光增益方法，在激光的光路上設(shè)有接收到泵浦光的增益介質(zhì)，所述泵浦光經(jīng)由與控制器相連接的光學(xué)元件進(jìn)入增益介質(zhì)，所述控制器控制經(jīng)過光學(xué)元件的泵浦光的光強(qiáng)分布，使得泵浦光入射進(jìn)增益介前的光強(qiáng)分布在預(yù)設(shè)值的容限范圍內(nèi)，以控制增益介質(zhì)內(nèi)的增益分布，從而實(shí)現(xiàn)將激光的光強(qiáng)分布調(diào)制為均勻分布或高斯分布。
優(yōu)選地，所述控制器控制泵浦光在入射增益介質(zhì)前的光強(qiáng)在IpH(x，y)容限范圍內(nèi)，
其中，= CpΙηΛ-In(Z7^y))+hca
式中，AΛ 'A0為激光的光強(qiáng)振幅，IiU, y)為激光在增益介質(zhì)入, he射面的光強(qiáng)分布，——，X1為激光波長(zhǎng)，λ p為泵浦光的波長(zhǎng)，h為普朗克常量，C為光速，ο 21為增益介質(zhì)的受激發(fā)射截面，Tf為激活離子的上能級(jí)壽命，α為增益介質(zhì)對(duì)泵浦光的吸收系數(shù)，L為增益介質(zhì)的長(zhǎng)度，χ、y為空間坐標(biāo)，e為歐拉系數(shù)。
優(yōu)選地，所述控制器控制泵浦光在入射增益介質(zhì)前的光強(qiáng)在Ipe(X，y)容限范圍內(nèi)，其中，
Ipg (χ, y) = Cp J 1 2 ΛI(xiàn)nA-+y' , (l ( 、、丨 Ae 乂)ω1hcaApa21rf(eal-1)^
式中，I = . ^iZaL λ ^ A0為激光的光強(qiáng)振幅，Ii (χ, y)為激光在增益介質(zhì)入, he射面的光強(qiáng)分布，——，X1為激光波長(zhǎng)，λ p為泵浦光的波長(zhǎng)，h為普朗克常量，C為光速，ο 21為增益介質(zhì)的受激發(fā)射截面，Tf為激活離子的上能級(jí)壽命，α為增益介質(zhì)對(duì)泵浦光的吸收系數(shù)，L為增益介質(zhì)的長(zhǎng)度，x、y為空間坐標(biāo)，ω為高斯光束的束腰參數(shù)，e為歐拉系數(shù)。
優(yōu)選地，還包括記錄激光的入射光強(qiáng)步驟，在泵浦源關(guān)閉的情況下，開啟激光源， 記錄此時(shí)的增益介質(zhì)入射面處的光強(qiáng)分布IiU, y)，再計(jì)算出泵浦光在入射增益介質(zhì)前的光強(qiáng)Ip的值，由控制器控制經(jīng)由光學(xué)元件的泵浦光的光強(qiáng)，使得泵浦光在入射增益介質(zhì)前光強(qiáng)在Ip的容限范圍內(nèi)。
優(yōu)選地，所述光學(xué)元件包括液晶光閥、透鏡組和反射鏡，在泵浦源和增益介質(zhì)的出射面之間依次設(shè)有液晶光閥、透鏡組和反射鏡，所述控制器與液晶光閥相連接。
優(yōu)選地，所述光學(xué)元件包括變形鏡和傅里葉變換鏡，在泵浦源和增益介質(zhì)的出射面之間依次設(shè)有變形鏡和傅里葉變換鏡，所述控制器與變形鏡相連接。
(三)有益效果
上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明通過控制器來控制經(jīng)過光學(xué)元件的泵浦光的光強(qiáng)分布，從而對(duì)激光進(jìn)行增益，解決了激光損失和損傷問題，使得泵浦光在入射增益介質(zhì)前的光強(qiáng)在預(yù)設(shè)值的容限范圍內(nèi)，達(dá)到控制增益介質(zhì)內(nèi)的增益分布，以實(shí)現(xiàn)將激光的光強(qiáng)分布調(diào)制為均勻分布或高斯分布，由于改變激光光強(qiáng)分布的過程中不存在對(duì)激光的主動(dòng)衰減，因此很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)高功率激光光束的光強(qiáng)分布控制。


圖1是本發(fā)明的透射式激光增益裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的反射式激光增益裝置的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明的用于產(chǎn)生均勻光強(qiáng)激光光束的裝置實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明的用于產(chǎn)生高斯光強(qiáng)激光光束的裝置實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，1 增益介質(zhì)；2 泵浦源；3 泵浦光；如液晶光閥；4b 反射鏡；4c 透鏡組； 4a’ 變形鏡；4c’ 傅里葉變換鏡；5 增益介質(zhì)入射面；6 激光束；7 入射激光；8 控制器； 9:增益介質(zhì)出射面；10:電極線。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
如圖1所示，為本發(fā)明的透射式激光增益裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該激光增益裝置包括增益介質(zhì)1、泵浦源2、光學(xué)元件和控制器8，所述增益介質(zhì)1設(shè)置在激光的光路上，接收激光和泵浦源2發(fā)出的泵浦光，所述控制器與泵浦源2相連接，用于控制泵浦源2向增益介質(zhì)1發(fā)出泵浦光，并可以調(diào)節(jié)泵浦光3的強(qiáng)弱，所述泵浦光3經(jīng)由光學(xué)元件進(jìn)入增益介質(zhì)1， 所述控制器8還與光學(xué)元件相連接，用于控制經(jīng)過光學(xué)元件的泵浦光3的光強(qiáng)分布。該實(shí)施例的增益介質(zhì)1的入射面用于接收激光束6，該增益介質(zhì)用于吸收泵浦源發(fā)出的泵浦光使自身的激活離子躍遷到激發(fā)態(tài)。進(jìn)入增益介質(zhì)1的激光可以是連續(xù)激光也可以是脈沖激光，激光光束可以是一次進(jìn)入增益介質(zhì)也可以是多次進(jìn)入增益介質(zhì)，形成入射激光，進(jìn)入增益介質(zhì)的方式可以是直通透過也可以是進(jìn)入介質(zhì)后經(jīng)過反射后從介質(zhì)出射。該增益介質(zhì)1 朝向激光束的面為入射面5，朝向泵浦源2的面為出射面。該增益介質(zhì)1可以為固體、液體或者氣體增益介質(zhì)。本發(fā)明的控制器可以為各種適合的控制部件，例如單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)器。本發(fā)明通過控制器來控制經(jīng)過光學(xué)元件的泵浦光的光強(qiáng)大小，從而對(duì)激光束進(jìn)行增益，解決了激光損失和損傷問題，使得激光束能夠成為預(yù)設(shè)的形狀，可以是均勻分布或者高斯型的分布。
如圖2所示，是本發(fā)明的反射式激光增益裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該實(shí)施例的增益介質(zhì)1為反射式，入射激光從增益介質(zhì)1的入射面5進(jìn)入并反射出，該實(shí)施例中的入射面和出射面都位于激光源的一側(cè)。增益介質(zhì)1的另一面鍍有雙色膜層，使得泵浦光能夠透射進(jìn)入增益介質(zhì)1，而激光則被反射回入射面。該實(shí)施例為了提高反射鏡4b的反射率，在反射鏡 4b的表面鍍有膜層。
本發(fā)明的控制器可以為各種適合的控制元件，例如驅(qū)動(dòng)器、單片機(jī)等。本發(fā)明的光學(xué)元件也可以為各種適合的光學(xué)部件，只要能實(shí)現(xiàn)控制泵浦光的光強(qiáng)分布即可。如圖3所示，是本發(fā)明用于產(chǎn)生均勻光強(qiáng)激光光束的結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置包括增益介質(zhì)1、泵浦源2、 光學(xué)器件和控制器8，所述光學(xué)器件包括液晶光閥如、透鏡組如和反射鏡4b，在泵浦源2和增益介質(zhì)出射面9之間依次設(shè)有液晶光閥如、透鏡組如和反射鏡4b，所述控制器8為驅(qū)動(dòng)器，與液晶光閥如相連接。該實(shí)施例的增益介質(zhì)1為 :YV04(摻釹釩酸釔)，為四能級(jí)系統(tǒng)，可以忽略其受激吸收效應(yīng)，并有增益介質(zhì)入射面5和增益介質(zhì)出射面9 ；激光束6進(jìn)入增益介質(zhì)入射面5形成入射激光7，該入射激光為激光振蕩器發(fā)射出的波長(zhǎng)為1064nm的激光光束，到達(dá)增益介質(zhì)表面的入射激光光束橫截面的光強(qiáng)分布為Ii(^y)；泵浦源2為經(jīng)過準(zhǔn)直的半導(dǎo)體激光器，輸出光的波長(zhǎng)為808nm;液晶光閥如可以通過控制其液晶陣列的偏置電壓分布u(x，y)改變其透過率分布；反射鏡4b的鏡面鍍有對(duì)808nm泵浦光高反射率、 對(duì)1064nm激光高透過率的膜層；透鏡組如為多個(gè)透鏡，其作用是對(duì)泵浦光3擴(kuò)束或縮束， 使其與入射激光7的孔徑相匹配；驅(qū)動(dòng)器通過電極線10與液晶光閥如相連接，用于通過連接液晶光閥如的電極線10對(duì)液晶光閥施加電壓，以達(dá)到控制穿過液晶光閥如的泵浦光3 的光強(qiáng)分布。在驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下，連接液晶光閥陣列如的電極線10上得到一定的電壓，使由泵浦源2發(fā)射出的泵浦光3經(jīng)過液晶光閥如、透鏡組如并經(jīng)反射鏡4b后到達(dá)增益介質(zhì)出射面9，再經(jīng)過增益介質(zhì)出射面9垂直入射進(jìn)增益介質(zhì)1并產(chǎn)生增益分布g(x，y，ζ)。作為特例，如果增益介質(zhì)1是平板型，由于經(jīng)過準(zhǔn)直，增益介質(zhì)1內(nèi)的增益分布可以近似視為泵浦光光強(qiáng)分布的指數(shù)衰減。如圖4所示，是本發(fā)明用于產(chǎn)生均勻光強(qiáng)激光光束的結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置與圖3所示的裝置相同，只是激光束的形狀不同，通過驅(qū)動(dòng)器來控制穿過液晶光閥如的泵浦光3的光強(qiáng)分布，以形成如圖4所示的高斯型光束。
如圖5所示，為本發(fā)明的另一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，與圖3和圖4實(shí)施例不同的是，該實(shí)施例的光學(xué)元件包括變形鏡如’、傅里葉變換鏡4c’和反射鏡4b，在泵浦源2和增益介質(zhì)出射面9之間依次設(shè)有變形鏡4a’和傅里葉變換鏡4c’，驅(qū)動(dòng)器與變形鏡4a’相連接。該實(shí)施例的裝置是通過驅(qū)動(dòng)器來控制變形鏡4a’，從而改變泵浦光3的位相分布，并通過傅里葉變換鏡4c’將泵浦光位相分布的變化投影到光強(qiáng)分布，同樣實(shí)現(xiàn)了控制泵浦光的光強(qiáng)分布和孔徑大小，從而對(duì)激光束進(jìn)行增益，解決了激光損失和損傷問題，使得泵浦光在增益介質(zhì)的出射面的光強(qiáng)在預(yù)定值的容限范圍內(nèi)，達(dá)到控制增益介質(zhì)內(nèi)的增益分布，以實(shí)現(xiàn)將激光束的光強(qiáng)分布調(diào)制為均勻分布或高斯分布。
本發(fā)明還提供了一種激光增益方法，在激光的光路上設(shè)有接收到泵浦光的增益介質(zhì)，所述泵浦光經(jīng)由與控制器相連接的光學(xué)元件進(jìn)入增益介質(zhì)，所述控制器控制經(jīng)過光學(xué)元件的泵浦光的光強(qiáng)分布，使得泵浦光入射進(jìn)增益介前的光強(qiáng)分布在預(yù)設(shè)值的容限范圍內(nèi)，以控制增益介質(zhì)內(nèi)的增益分布，從而實(shí)現(xiàn)將激光的光強(qiáng)分布調(diào)制為均勻分布或高斯分布。該方法利用控制器來控制經(jīng)過光學(xué)元件的泵浦光的光強(qiáng)大小，從而對(duì)激光束進(jìn)行增益， 解決了激光損失和損傷問題，使得激光束能夠成為預(yù)設(shè)的形狀，可以是常用的均勻分布或者高斯型的分布。
本發(fā)明的激光增益方法在激光的光路上設(shè)有接收到泵浦光的增益介質(zhì)，泵浦光經(jīng)由驅(qū)動(dòng)器控制的液晶光閥進(jìn)入增益介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的增益分布為g(x，y，z)，所述驅(qū)動(dòng)器控制穿過液晶光閥的泵浦光的光強(qiáng)分布，從而改變?cè)鲆娼橘|(zhì)，泵浦光的光強(qiáng)分布于增益分布的關(guān)系可以表示為
g{x,y,z) = ^^Ip{x,y)e-a{'^( 1 )he
本發(fā)明的方法可以控制泵浦光的光強(qiáng)分布為任意形狀。優(yōu)選地，使得增益介質(zhì)的7出射面的泵浦光的光強(qiáng)在IpH(x，y)或者Ipe(x，y)的容限范圍內(nèi)，即增益介質(zhì)的出射面的光強(qiáng)在IpH(x，y)或者Ipe(χ，y)的上限和下限范圍內(nèi)，特例情況下兩者相等。
其中
權(quán)利要求
1.一種激光增益裝置，其特征在于，包括增益介質(zhì)、泵浦源、光學(xué)元件和控制器，所述增益介質(zhì)設(shè)置在激光的光路上，并接收由泵浦源發(fā)出的泵浦光，所述控制器與泵浦源相連接， 用于控制泵浦源向增益介質(zhì)發(fā)出泵浦光，所述泵浦光經(jīng)由光學(xué)元件進(jìn)入增益介質(zhì)，所述控制器還與光學(xué)元件相連接，用于控制經(jīng)過光學(xué)元件的泵浦光的光強(qiáng)分布。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光學(xué)元件包括液晶光閥、透鏡組和反射鏡，在泵浦源和增益介質(zhì)之間依次設(shè)有液晶光閥、透鏡組和反射鏡，所述控制器與液晶光閥相連接。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光學(xué)元件包括變形鏡和傅里葉變換鏡， 在泵浦源和增益介質(zhì)之間依次設(shè)有變形鏡和傅里葉變換鏡，所述控制器與變形鏡相連接。
4.如權(quán)利要求1-3中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述增益介質(zhì)為Nd:YV04。
5.一種激光增益方法，其特征在于，在激光的光路上設(shè)有接收到泵浦光的增益介質(zhì)，所述泵浦光經(jīng)由與控制器相連接的光學(xué)元件進(jìn)入增益介質(zhì)，所述控制器控制經(jīng)過光學(xué)元件的泵浦光的光強(qiáng)分布，使得泵浦光入射進(jìn)增益介前的光強(qiáng)分布在預(yù)設(shè)值的容限范圍內(nèi)，以控制增益介質(zhì)內(nèi)的增益分布，從而實(shí)現(xiàn)將激光的光強(qiáng)分布調(diào)制為均勻分布或高斯分布。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制器控制泵浦光在入射增益介質(zhì)前的光強(qiáng)在IpH(x，y)容限范圍內(nèi)，其中，
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制器控制泵浦光在入射增益介質(zhì)前的光強(qiáng)在Ipe(χ，y)容限范圍內(nèi)，其中，
8.如權(quán)利要求5-7中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括記錄激光的入射光強(qiáng)步驟，在泵浦源關(guān)閉的情況下，開啟激光源，記錄此時(shí)的增益介質(zhì)入射面處的光強(qiáng)分布Ii (x, y)，再計(jì)算出泵浦光在入射增益介質(zhì)前的光強(qiáng)Ip的值，由控制器控制經(jīng)由光學(xué)元件的泵浦光的光強(qiáng)，使得泵浦光在入射增益介質(zhì)前光強(qiáng)在Ip的容限范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求5-7中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述光學(xué)元件包括液晶光閥、 透鏡組和反射鏡，在泵浦源和增益介質(zhì)的出射面之間依次設(shè)有液晶光閥、透鏡組和反射鏡， 所述控制器與液晶光閥相連接。
10.如權(quán)利要求5-7中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述光學(xué)元件包括變形鏡和傅里葉變換鏡，在泵浦源和增益介質(zhì)的出射面之間依次設(shè)有變形鏡和傅里葉變換鏡，所述控制器與變形鏡相連接。
全文摘要
一種激光增益裝置及方法，所述裝置包括增益介質(zhì)、泵浦源、光學(xué)元件和控制器，所述增益介質(zhì)設(shè)置在激光的光路上，并接收由泵浦源發(fā)出的泵浦光，所述控制器與泵浦源相連接，用于控制泵浦源向增益介質(zhì)發(fā)出泵浦光，所述泵浦光經(jīng)由光學(xué)元件進(jìn)入增益介質(zhì)，所述控制器還與光學(xué)元件相連接，用于控制經(jīng)過光學(xué)元件的泵浦光的光強(qiáng)分布。所述方法通過控制器來控制泵浦光的光強(qiáng)分布，達(dá)到控制增益介質(zhì)內(nèi)的增益分布。本發(fā)明通過控制器來控制經(jīng)過光學(xué)元件的泵浦光的光強(qiáng)分布，從而改變?cè)鲆娼橘|(zhì)內(nèi)的增益分布，以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束的光強(qiáng)進(jìn)行空間調(diào)制，解決了激光損失和損傷問題，使得激光束能夠成為均勻分布或者高斯型的分布。
文檔編號(hào)H01S3/102GK102545013SQ20121003553
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月16日
發(fā)明者劉歡, 鞏馬理, 張海濤, 柳強(qiáng), 邱運(yùn)濤, 閆平, 黃磊 申請(qǐng)人:清華大學(xué)