專利名稱：一種對中大口徑激光進行放大的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種對中大口徑激光進行放大的裝置。
背景技術(shù)：
激光系統(tǒng)中，有時需要獲得高的激光能量或功率而又保持激光的質(zhì)量(包括脈寬、線寬等特性)。對于中大口徑(例如IOmm以上)的激光束，現(xiàn)有技術(shù)中一般使用激光晶體口徑較大的燈泵激光放大器進行放大。這種激光放大方案能夠提供較大的增益并基本保持光束質(zhì)量，然而，由于激光晶體的尺寸大，其散熱較差，尤其是對于熱導(dǎo)率較小的激光工作介質(zhì)(例如Nchglass)而言，上述問題更為突出。這導(dǎo)致此類激光放大裝置的重復(fù)頻率特別低，通常為20分鐘一次。 因此，當(dāng)前迫切需要一種易于冷卻，重復(fù)頻率較高的對中大口徑激光進行放大的
>J-U ρ α裝直。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種易于冷卻，重復(fù)頻率較高對中大口徑激光進行放大的裝置。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種對中大口徑激光進行放大的裝置，包括縮束單元和設(shè)置在所述縮束單元輸出端的LD側(cè)面泵浦激光放大器。其中，所述縮束單元包括依次設(shè)置的縮束透鏡和準直透鏡。其中，所述對中大口徑激光進行放大的裝置還包括偏振片、四分之一玻片和全反鏡，所述偏振片、縮束透鏡、準直透鏡、LD側(cè)面泵浦激光放大器、四分之一玻片和全反鏡沿光路依次設(shè)置，所述偏振片不與主光路的光軸垂直。其中，所述縮束透鏡和準直透鏡之間還設(shè)置有第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器。其中，所述第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器設(shè)置在所述縮束透鏡的焦點附近，使光束在穿過所述第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器時，在其放大介質(zhì)兩側(cè)的光斑口徑小于放大介質(zhì)口徑，且使投射到其放大介質(zhì)的光斑的能流密度小于其損傷閾值。其中，所述第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器設(shè)置在所述縮束透鏡的焦點附近，使光束在穿過所述第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器時，在其放大介質(zhì)兩側(cè)的光斑口徑小于放大介質(zhì)口徑的80%，且使投射到其放大介質(zhì)的光斑的能流密度小于其損傷閾值。其中，所述第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器設(shè)置在所述縮束透鏡和所述縮束透鏡的焦點之間。其中，所述第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器設(shè)置在所述縮束透鏡的焦點和所述準直透鏡之間。其中，所述縮束透鏡和準直透鏡之間還設(shè)置有第三LD側(cè)面泵浦激光放大器，所述第二、第三LD側(cè)面泵浦激光放大器分別設(shè)置在所述縮束透鏡的焦點兩側(cè)，并均滿足以下條件光束在穿過側(cè)面泵浦激光放大器的放大介質(zhì)時，在放大介質(zhì)兩側(cè)的光斑口徑小于放大介質(zhì)口徑的80%，且使投射到放大介質(zhì)的光斑的能量密度小于其損傷閾值。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果I、本發(fā)明在為中大口徑激光提供較大增益且保持激光質(zhì)量的前提下，大大提高了
重復(fù)頻率。2、本發(fā)明縮小了對中大口徑激光進行放大的裝置的體積。3、本發(fā)明特別適用于激光放大器的工作介質(zhì)的熱導(dǎo)率較小(例如Nchglass)的情況。4、本發(fā)明特別適合對線偏振光進行放大。


圖I示出了本發(fā)明一個實施例的對中大口徑激光進行放大的裝置的光路示意圖；圖2示出了本發(fā)明另一個實施例的對中大口徑激光進行放大的裝置的光路示意圖；圖3示出了縮束透鏡焦距過短的情況下的示意圖；圖4示出了本發(fā)明一個實施例中光束從縮束透鏡通過第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器的激光工作介質(zhì)到達焦點的示意圖。
具體實施例方式圖I示出了本發(fā)明一個實施例中的對中大口徑激光進行放大的裝置，如圖I所示，該裝置沿著光路依次包括偏振片I、縮束透鏡2、準直透鏡3、LD側(cè)面泵浦激光放大器4 (LD的全稱為laser diode)、四分之一玻片5和全反鏡6。為方便描述,下文中多處將LD側(cè)面泵浦激光放大器簡稱為LD放大器。本實施例的裝置適于對線偏振激光進行放大。工作狀態(tài)下，待放大線偏振激光透過偏振片1，再通過縮束透鏡2將大口徑光斑縮束，再由準直透鏡3準直，形成小口徑的平行光束(其口徑小于LD側(cè)面泵浦激光放大器4的激光工作介質(zhì)的口徑)，該小口徑的平行光束通過LD側(cè)面泵浦激光放大器4放大，再通過四分之一玻片5、經(jīng)全反鏡6反射、再第二次通過四分之一玻片5，得到旋轉(zhuǎn)90度的偏振光，然后再經(jīng)LD側(cè)面泵浦激光放大器4的放大，得到放大后的小口徑的平行光束，再通過準直透鏡3和縮束透鏡2，由偏振片I反射，輸出與待放大激光口徑一致的中大口徑激光。其中，在設(shè)置偏振片I時，該偏振片I不與主光路的光軸垂直，這樣便于輸出放大后的中大口徑激光。如圖I所不，以待放大激光為水平線偏振光為例，水平線偏振光從A進入，經(jīng)過所述對中大口徑激光進行放大的裝置后，水平偏振光變成垂直偏振光，以原口徑從B出射。LD側(cè)面泵浦的激光放大器中的激光工作介質(zhì)，口徑通常較小(一般在幾_以下，最常見的為圓柱體結(jié)構(gòu)，口徑為Φ2πιπΓΦ3πιπι)，通常不用于中大口徑的激光放大，但是LD側(cè)面泵浦激光放大器的重復(fù)頻率往往遠大于使用相同激光工作介質(zhì)的燈泵激光器。例如，LD側(cè)面泵浦Nchglass激光放大器的工作頻率可以做到IHz (即I秒一次)。上述實施例正是利用了 LD側(cè)面泵浦激光放大器的這一特點，提供了一種雙程放大的對中大口徑激光進行放大的裝置，該裝置可以提供較大增益，并且能夠保持激光質(zhì)量，又能極大地提高工作頻率，同時還具有占用空間小的效果。圖2示出了本發(fā)明另一個實施例的對中大口徑激光進行放大的裝置，該裝置是在實施例I的基礎(chǔ)上增加一個第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器7，第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器7設(shè)置于縮束透鏡2和準直透鏡3之間。并且，所述第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器7設(shè)置于縮束透鏡2的焦點附近，以使錐形光束在穿過LD放大器的放大介質(zhì)時，在放大介質(zhì)兩側(cè)的光斑口徑小于介質(zhì)口徑，且使投射到放大介質(zhì)的光斑的能量密度小于其損傷閾值。在一個優(yōu)選實施例中，采用焦距較長的縮束透鏡2，第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器7設(shè)置于縮束透鏡2的焦點附近，以使光束(從縮束透鏡入射和從準直透鏡返回的錐形光束)在穿過LD放大器的放大介質(zhì)時，在放大介質(zhì)兩側(cè)的光斑口徑小于放大介質(zhì)口徑的80%，且使投射到放大介質(zhì)的光斑的能量密度小于其損傷閾值。如果縮束透鏡2的焦距過短，可能出現(xiàn)光斑口徑大于介質(zhì)口徑的情況，如圖3所示，這種情況可能導(dǎo)致整個激光放大裝置無法正常工作。如果光斑口徑略小于介質(zhì)口徑，則可能出現(xiàn)衍射效應(yīng)，從而導(dǎo)致光束質(zhì)量下降。經(jīng)發(fā)明人深入研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)放大介質(zhì)兩側(cè)的光斑口徑小于介質(zhì)口徑的80%時，能夠很好地避免出現(xiàn)衍射效應(yīng)，使光束質(zhì)量保持在較高的水平。
·
在一個優(yōu)選實施例中，LD放大器設(shè)置位置的具體范圍按下述方法確定在焦點附近，由于光斑的口徑小，能流密度高。因此，第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器7的放置位置需要根據(jù)光斑的能量和第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器中激光工作介質(zhì)的損傷閾值進行計算得出。例如，縮束透鏡2前入射光斑的能量是a (J), 口徑是b (cm)Xb (cm),LD放大器中激光工作介質(zhì)的損傷閾值為kj/cm2。圖4示出了光束從縮束透鏡通過第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器的激光工作介質(zhì)到達焦點的示意圖，其中，F(xiàn)表示透鏡的焦距，a是縮束透鏡2前入射的平行光斑的能量，b是縮束透鏡2前入射的平行光斑的光束口徑(邊長)，c是縮束光束入射到激光工作介質(zhì)上光斑的光束口徑，L為LD放大器右側(cè)距縮束透鏡2的焦點的距離。由圖4中相似三角形關(guān)系，可得I = +，從而有
I' I.c = bL/F (I)另外，焦點附近放置的LD放大器中激光工作介質(zhì)最右側(cè)(即光斑較小的一側(cè))的能流密度不小于LD放大器中激光工作介質(zhì)的損傷閾值，能流密度=能量/面積。即4< I,將(I)代入得< k，又有i
C2(bLVh V k也就是說，第二 LD放大器右側(cè)距縮束透鏡2的焦點的距離L滿足。而另
b
一方面，第二 LD放大器的放置位置還需要保證其激光工作介質(zhì)的最左側(cè)的光斑口徑小于激光工作介質(zhì)的口徑的80%。下面介紹一個對IOmmXlOmm的方光斑進行1000倍放大的實例。該實例中，IOmmX IOmm的方光斑平行光注入,注入能量O. llmj。激光工作介質(zhì)為nd glass,折射率為I. 53。采用LD側(cè)泵放大器進行放大，其工作頻率10Hz，工作介質(zhì)口徑為(p3mm，長度為70mm，泵浦光能量3. 6J，雙程增益100倍(增益倍數(shù)可用通過控制LD放大器的泵浦電流改變，此處是指最高雙程增益為100倍)?？s束透鏡的曲率半徑為545. 5mm，焦距為1078mm，厚度為8mm,準直透鏡的曲率半徑為70. 55mm,焦距為139mm,厚度為3mm?？趶綖镮OmmXlOmm的入射光在通過縮束透鏡和準直透鏡后變?yōu)榭趶綖镮. 3mmX I. 3mm的平行光。LD放大器中的工作介質(zhì)的折射率為I. 53，準直透鏡到全反鏡的距離為163mm。LD放大器設(shè)置在準直透鏡與全反鏡之間即可。第二 LD放大器設(shè)置于縮束透鏡的焦點附近，具體位置為距縮束透鏡
焦點398mm處，該位置滿足前文公式Z > =,并且能夠保證第二 LD放大器的激光工作介
b V k
質(zhì)的最左側(cè)的光斑口徑小于激光工作介質(zhì)口徑((p3mm )的80%。適當(dāng)調(diào)節(jié)兩個LD放大器的泵浦電流，配合使用偏振片，即可輸出能量IlOmJ的IOmmX IOmm的方光斑。作為對比,若直接由燈泵側(cè)泵放大器對IOmmX IOmm的方光斑進行1000倍放大。則其工作頻率20min，工作介質(zhì)口徑為φ30ιτ η ，長度為340mm，泵浦光能量高達800J。上述實施例使用兩個LD放大器對激光進行放大，相對于只使用一個LD放大器的 實施例，能夠為中大口徑激光提供更大的增益，并且也基本能夠保持較好的光束質(zhì)量。另夕卜，需要說明的是，第二 LD放大器既可放置于焦點左側(cè)(縮束透鏡和縮束透鏡焦點之間)，也可放置于焦點右側(cè)(縮束透鏡焦點和準直透鏡之間)。當(dāng)然，在其它實施例中，還可以再增加一個第三LD放大器，第三LD放大器與第二 LD放大器分別設(shè)置在縮束透鏡焦點的兩側(cè)(縮束透鏡和縮束透鏡焦點之間、縮束透鏡焦點和準直透鏡之間各設(shè)置一個LD放大器)，且均滿足以下條件光束在穿過LD放大器的放大介質(zhì)時，在放大介質(zhì)兩側(cè)的光斑口徑小于放大介質(zhì)口徑的80%，且使投射到放大介質(zhì)的光斑的能量密度小于其損傷閾值。這種方案能進一步提高整個放大裝置的增益。另外，本發(fā)明的其它實施例中，對中大口徑激光進行放大的裝置也可以由縮束單元和LD放大器組成，縮束單元用于將中大口徑激光縮束為小口徑激光，然后由LD放大器進行放大。縮束單元可以由依次放置的縮束透鏡和準直透鏡構(gòu)成。該方案中，LD放大器后沒有反射鏡，光束在通過LD放大器放大后直接輸出。相對于傳統(tǒng)的燈泵放大器方案，這種基于LD放大器的單程放大的方案同樣能夠提供相對較大的增益，并且能夠達到提高工作頻率的效果。放大器的小信號單程增益為G0=exp (g0l) =exp (KPpump)式中g(shù)(l為小信號增益系數(shù)；Pp_S激光二極管陣列的抽運功率；1(為由放大器抽運結(jié)構(gòu)、增益介質(zhì)吸收特性、抽運光與主激光波長比等確定的效率參量，該效率參量K與激光放大介質(zhì)的橫截面積A呈反比，也就是說，增益和泵浦截面積有關(guān)，和泵浦長度無關(guān)。因此，激光放大介質(zhì)(如釹玻璃棒)的橫截面積越小就越能得到更高的單程增益。綜上所述，如果直接由燈泵側(cè)泵放大器進行大口徑的光束能量放大，燈泵放大器必然要選用大口徑的激光介質(zhì)。而如果將光線縮束后，再由LD側(cè)泵放大器進行小口徑的光束能量放大，LD放大器可選用小口徑的激光放大介質(zhì)。對比之下，擁有小口徑激光放大介質(zhì)的激光放大器增益較高。另一方面，如果注入能量和輸出能量一致，燈泵側(cè)泵放大器的泵浦功率就要比LD側(cè)泵放大器高很多。泵浦功率高，熱效應(yīng)就會很嚴重，對晶體的散熱能力(熱擴散系數(shù))，輔助晶體散熱的冷卻裝置要求就很高。對熱擴散系數(shù)本來就很低的釹玻璃而言，散熱問題解決不好，就只能降低燈泵側(cè)泵放大器的工作頻率，所以其重頻為20分鐘。若采用了小口徑的LD側(cè)泵放大器，一方面由于增益高，泵浦功率本身就??；另一方面，由于工作介質(zhì)的口徑小，散熱也容易得多，其重頻一般為l 3Hz，即一秒1 3次。
上述各實施例的對中大口徑激光進行放大的裝置還可以通過級聯(lián)構(gòu)成對中大口徑激光進行多程放大的激光放大系統(tǒng)，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解的。最后，上述的實施例僅用來說明本發(fā)明，它不應(yīng)該理解為是對本發(fā)明的保護范圍進行任何限制。而且，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以明白，在不脫離上述實施例精神和原理下，對 上述實施例所進行的各種等效變化、變型以及在文中沒有描述的各種改進均在本專利的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種對中大口徑激光進行放大的裝置，包括縮束單元和設(shè)置在所述縮束單元輸出端的LD側(cè)面泵浦激光放大器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的對中大口徑激光進行放大的裝置，其特征在于，所述縮束單元包括縮束透鏡和準直透鏡，所述準直透鏡位于所述縮束透鏡和所述LD側(cè)面泵浦激光放大< 器之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的對中大口徑激光進行放大的裝置，其特征在于，還包括偏振片、四分之一玻片和全反鏡，所述偏振片、縮束透鏡、準直透鏡、LD側(cè)面泵浦激光放大器、四分之一玻片和全反鏡沿光路依次設(shè)置，所述偏振片不與主光路的光軸垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的對中大口徑激光進行放大的裝置，其特征在于，所述縮束透鏡和準直透鏡之間還設(shè)置有第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的對中大口徑激光進行放大的裝置，其特征在于，所述第二LD側(cè)面泵浦激光放大器設(shè)置在所述縮束透鏡的焦點附近，使光束在穿過所述第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器時，在其放大介質(zhì)兩側(cè)的光斑口徑小于放大介質(zhì)口徑，且使投射到其放大介質(zhì)的光斑的能流密度小于其損傷閾值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的對中大口徑激光進行放大的裝置，其特征在于，所述第二LD側(cè)面泵浦激光放大器設(shè)置在所述縮束透鏡的焦點附近，使光束在穿過所述第二 LD側(cè)面泵浦激光放大器時，在其放大介質(zhì)兩側(cè)的光斑口徑小于放大介質(zhì)口徑的80%，且使投射到其放大介質(zhì)的光斑的能流密度小于其損傷閾值。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的對中大口徑激光進行放大的裝置，其特征在于，所述第二LD側(cè)面泵浦激光放大器設(shè)置在所述縮束透鏡和所述縮束透鏡的焦點之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的對中大口徑激光進行放大的裝置，其特征在于，所述第二LD側(cè)面泵浦激光放大器設(shè)置在所述縮束透鏡的焦點和所述準直透鏡之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的對中大口徑激光進行放大的裝置，其特征在于，所述縮束透鏡和準直透鏡之間還設(shè)置有第三LD側(cè)面泵浦激光放大器，所述第二、第三LD側(cè)面泵浦激光放大器分別設(shè)置在所述縮束透鏡的焦點兩側(cè)，并均滿足以下條件光束在穿過側(cè)面泵浦激光放大器的放大介質(zhì)時，在放大介質(zhì)兩側(cè)的光斑口徑小于放大介質(zhì)口徑的80%,且使投射到放大介質(zhì)的光斑的能量密度小于其損傷閾值。
全文摘要
本發(fā)明提供一種對中大口徑激光進行放大的裝置，包括縮束單元和設(shè)置在所述縮束單元輸出端的LD側(cè)面泵浦激光放大器。本發(fā)明在為中大口徑激光提供較大增益且保持激光質(zhì)量的前提下，大大提高了重復(fù)頻率，縮小了對中大口徑激光進行放大的裝置的體積。本發(fā)明特別適用于激光放大器的工作介質(zhì)的熱導(dǎo)率較小的情況。本發(fā)明還特別適合對線偏振光進行放大。
文檔編號H01S3/00GK102882110SQ20121034016
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者邱基斯, 樊仲維, 唐熊忻 申請人:北京國科世紀激光技術(shù)有限公司