專利名稱：一種提高光束質(zhì)量的單程通過激光放大器及提高光束質(zhì)量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體激光技術(shù)，具體涉及ー種提高單程通過激光放大器光束質(zhì)量的裝置及其方法。
背景技術(shù)：
激光二極管泵浦的固體激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、器件結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高、結(jié)構(gòu)牢固、輸出能量大、峰值功率高等優(yōu)點，是當(dāng)前激光技術(shù)發(fā)展的主要方向?；谝陨蟽?yōu)點，固體激光器在軍事、加工、醫(yī)療和科學(xué)研究領(lǐng)域有著廣泛的用途。在某些激光應(yīng)用中，往往要求激光具有很高的功率，但僅靠激光器來獲取一般是很困難的。因為要保持激光束的優(yōu)良特性(如光束發(fā)散角、単色性等)，工作物質(zhì)的口徑和長度都不宣太大；再者，激光器內(nèi)光束往返通過工作物質(zhì)時，因為輸出功率很高，工作物質(zhì)就有被破壞的可能。為了獲得性能優(yōu)良的高功率激光輸出，應(yīng)用激光放大技術(shù)是ー種很好的方法。采用單次通過放大介質(zhì)的行波放大技術(shù)有很多優(yōu)點。ー是由于激光束單次通過放大介質(zhì)，其在相同的輸出功率密度下不易被破壞；ニ是采用振蕩級ー放大器系統(tǒng)，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(yōu)良的激光特性和較高的輸出功率。為了提高總的輸出功率，并使放大級工作在激光破壞閾值之下，現(xiàn)有的激光放大技術(shù)一般采用在振蕩級ー放大器之間加入擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)實現(xiàn)兩級間光束直徑匹配，如圖1所示，將振蕩級(包括全反鏡1、第一激光增益介質(zhì)2及輸出鏡3)發(fā)出的光束半徑較小的光束，經(jīng)過擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡4后再進(jìn)入放大級(第二激光增益介質(zhì)5)中進(jìn)行放大，這樣可以得到高的輸出功率。但是在高功率泵浦的情況下，由于放大器中增益介質(zhì)中存在熱效應(yīng)，增益介質(zhì)中會產(chǎn)生球差等高階像差。像差會導(dǎo)致通過增益介質(zhì)的光束產(chǎn)生畸變，而且隨著放大器泵浦功率的提高，熱畸變會更加嚴(yán)重，嚴(yán)重惡化了輸出激光的光束質(zhì)量。近來，我們發(fā)現(xiàn)在專利CN 100495836C所述的“一種雙棒串接的基模動態(tài)穩(wěn)定非對稱激光諧振腔的裝置”中，諧振腔兩端輸出光束的光束質(zhì)量差別較大。定義從激光晶體到諧振腔腔鏡的距離為諧振腔臂長，在基模動態(tài)穩(wěn)定非対稱激光諧振腔中，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(zhì)量很好，而從臂長較短的一端輸出光束的光束質(zhì)量較差。將這ー原理應(yīng)用到激光振蕩級ー放大器系統(tǒng)，可以在保證較大的輸出功率的同時，得到很好的光束質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有激光放大級中通過激光放大器的光束質(zhì)量較差的不足，本發(fā)明提供ー種提高光束質(zhì)量的激光放大器?！N提高光束質(zhì)量的激光放大器，包括振蕩級和放大級，所述振蕩級包括依次設(shè)置的全反鏡、第一激光增益介質(zhì)和輸出鏡，所述全反鏡與第一激光增益介質(zhì)之間的距離為LI,第一激光增益介質(zhì)與輸出鏡的距離為L2,且L2 > LI ；所述激光放大器中還設(shè)有光路耦合元件，該光路耦合元件與放大級依次布置在輸出鏡的出射光路中，光路耦合元件與輸出鏡的距離為L3，且L3: L2 = 0.5 2: I ；所述光路耦合元件的焦距與放大級的熱透鏡焦距相等，光路耦合元件和放大級之間的距離為放大級的熱透鏡焦距的兩倍。本發(fā)明將激光諧振腔設(shè)置為非対稱方式，即第一激光增益介質(zhì)與輸出鏡的距離大于全反鏡與第一激光增益介質(zhì)之間的距離，使得從輸出鏡輸出的激光光束質(zhì)量較好，通過選擇具有特定焦距的光路耦合元件并布置在光路中恰當(dāng)?shù)奈恢茫辜す馐葧墼侔l(fā)散進(jìn)入放大級，可以使基模有較高的耦合系數(shù)，經(jīng)過放大后的光束質(zhì)量有明顯提高。為保證輸出光束的質(zhì)量，作為優(yōu)選，所述的全反鏡對激光光束的反射率大于95%，所述的輸出鏡對激光光束的反射率為經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，第一激光增益介質(zhì)與輸出鏡的距離大于全反鏡與第一激光增益介質(zhì)之間的距離(即L2 >L1)吋，輸出鏡的出射光線具有較好的質(zhì)量，作為優(yōu)選，L2為LI的3 5倍。為將從輸出鏡輸出的激光光束進(jìn)行先會聚再發(fā)散后進(jìn)入放大級，還需設(shè)置光路耦合元件，實現(xiàn)光束從激光振蕩級向激光放大級中的耦合。作為優(yōu)選，所述的光路耦合元件為耦合透鏡或具有熱透鏡效應(yīng)的激光增益介質(zhì)，所述的激光増益介質(zhì)為Nd = YAG晶體、Nd:YVO4晶體或Yb = YAG晶體。本發(fā)明中光路耦合元件的選擇要依據(jù)放大級工作點處的熱透鏡焦距而定，要保證光路耦合元件的焦距與放大級的熱透鏡焦距相等，同時優(yōu)選所述光路耦合元件的焦距為10mm-2000mm。且將光路耦合元件布置在與放大級的距離為放大級的熱透鏡焦距的兩倍處，使經(jīng)輸出鏡輸出的光束在光路耦合元件與放大級之間的中間位置會聚，再發(fā)散進(jìn)入放大級。進(jìn)ー步優(yōu)選，所述光路耦合元件的焦距為75mm-150mm，位置在距離放大級150mm-300mm處。此時進(jìn)入放大級的發(fā)散光束通過放大級熱透鏡后趨近于準(zhǔn)直，有利于獲得高光束質(zhì)量的激光輸出。作為優(yōu)選，所述的第一激光增益介質(zhì)為Nd = YAG晶體、Nd = YVO4晶體或Yb = YAG晶體，該第一激光增益介質(zhì)與作為光路I禹合兀件的激光增益介質(zhì)可以相同，也可以不同。同理，所述的放大級包括第二激光增益介質(zhì)，所述的第二激光增益介質(zhì)為Nd:YAG晶體、NdiYVO4晶體或Yb = YAG晶體。該第二激光增益介質(zhì)與作為光路耦合元件的激光增益介質(zhì)可以相同，也可以不同，但兩者的焦距必須相等。本發(fā)明還提供一種基于上述激光放大器提高光束質(zhì)量的方法，使得經(jīng)放大級輸出的光束具有較好的質(zhì)量?！N基于激光放大器的提高激光束質(zhì)量的方法，所述激光放大器包括振蕩級和放大級，所述振蕩級包括依次設(shè)置的全反鏡、第一激光增益介質(zhì)和輸出鏡；所述振蕩級中全反鏡與第一激光增益介質(zhì)之間的距離為LI，第一激光增益介質(zhì)與輸出鏡之間的距離為L2，且L2 > LI ；所述方法包括:I)根據(jù)放大級的工作點確定放大級的熱透鏡焦距；
2)選取光路耦合元件，該光路耦合元件的焦距與放大級的熱透鏡焦距相等；3)在振蕩級的輸出鏡和放大級之間布置所述光路耦合元件，且滿足:光路耦合元件與輸出鏡的距離為L3，且L3: L2 = 0.5 2: I ；光路耦合元件和放大級之間的距離為放大級的熱透鏡焦距的兩倍；4)輸出鏡的出射光線依次通過光路I禹合兀件和放大級后作為激光束輸出。本發(fā)明通過調(diào)整耦合透鏡的焦距和位置調(diào)節(jié)進(jìn)入放大級的光束為會聚以后再發(fā)散的光束，不同于現(xiàn)有技術(shù)中將光束經(jīng)擴(kuò)束后再準(zhǔn)直通過放大級。在物理原理上，這種方法利用了放大過程中的模式耦合來實現(xiàn)光束質(zhì)量的控制?；８咚构馐ㄟ^放大級后，可以通過計算其向高階模式耦合的多少來判斷光束質(zhì)量的變化情況。如果耦合之后基模占得比重大，說明經(jīng)過放大后的光束質(zhì)量較好，反之則較差。將光束經(jīng)擴(kuò)束后再準(zhǔn)直通過放大級的方法，放大后得到的基模耦合系數(shù)較低，高階模耦合系數(shù)高，因此得到的光束質(zhì)量較差。本發(fā)明采用將會聚以后再發(fā)散的光束通過放大級，可以使基模有較高的耦合系數(shù)，經(jīng)過放大后的光束質(zhì)量明顯好于前者。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是:采用振蕩級ー放大器系統(tǒng)來獲得高功率的激光輸出。本發(fā)明在振蕩級和放大器之間不使用擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，而是使用耦合透鏡將振蕩級發(fā)出的光束耦合進(jìn)入放大器。利用這種方法設(shè)計的激光放大系統(tǒng)，在使用高功率激光二極管抽運的情況下，不僅可以獲得高功率激光輸出，而且可以有效地控制放大級輸出的光束質(zhì)量。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中光束經(jīng)過擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后進(jìn)入放大級中的光斑半徑分布圖；圖2為本發(fā)明實施例1中提高通過激光放大器光束質(zhì)量的裝置及其光路圖；圖3為本發(fā)明實施例2中提高通過激光放大器光束質(zhì)量的裝置及其光路圖；圖4為實施例1中激光放大后功率為102W時光束質(zhì)量分析儀測量得的光束半徑及其擬合曲線；圖5為實施例1中激光放大后功率為102W時得到的光斑圖像；圖6為實施例2中激光放大后功率為155W時得到的光斑圖像。
具體實施例方式如圖2或圖3所示為本發(fā)明提高光束質(zhì)量的激光放大器，包括振蕩級和放大級，振蕩級和放大級之間的距離為1000-1500mm。振蕩級包括依次設(shè)置的全反鏡1、第一激光增益介質(zhì)2和輸出鏡3，全反鏡I與第一激光增益介質(zhì)2之間的距離為LI，第一激光增益介質(zhì)與輸出鏡的距離為L2，且L2 > LI ;該激光放大器中還設(shè)有光路耦合元件，該光路耦合元件與放大級依次布置在輸出鏡3的出射光路中，光路耦合元件與輸出鏡的距離為L3，且L3: L2 = 0.5 2: I ；光路耦合元件的焦距與放大級的熱透鏡焦距相等，光路耦合元件和放大級之間的距離為放大級的熱透鏡焦距的兩倍。利用上述激光放大器提高光束質(zhì)量的方法包括如下步驟:I)根據(jù)放大級的工作點確定放大級的熱透鏡焦距；
2)選取光路耦合元件，該光路耦合元件的焦距與放大級的熱透鏡焦距相等；3)在振蕩級的輸出鏡和放大級之間布置所述光路耦合元件，且滿足:光路耦合元件與輸出鏡的距離為L3，且L3: L2 = 0.5 2: I ；光路耦合元件和放大級之間的距離為放大級的熱透鏡焦距的兩倍；4)輸出鏡的出射光線依次通過光路I禹合兀件和放大級后作為激光束輸出。下面結(jié)合具體實施例介紹本發(fā)明提高通過激光放大器光束質(zhì)量的裝置及其方法，適用于不僅要求有高的輸出功率，而且要求有較好光束質(zhì)量的固體激光系統(tǒng)。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(zhì)2(第一激光增益介質(zhì))、輸出鏡3、稱合透鏡6、放大級增益介質(zhì)5 (第二激光增益介質(zhì))。振蕩級采用基模動態(tài)穩(wěn)定非對稱激光諧振腔。振蕩級增益介質(zhì)采用雙棒串接的NdiYAG晶體，中間加入90°石英旋光器和4f系統(tǒng)以補償其熱致雙折射效應(yīng)。單個Nd = YAG激光晶體的直徑為3mm，長度為65mm。當(dāng)工作電流為18A時，輸出功率為55W，光束質(zhì)量因子為Mx2= 1.44，My2= 1.43，輸出光束接近于基模。輸出鏡上光束半徑為0.42mm，發(fā)散角為lmrad。全反鏡與第一激光增益介質(zhì)之間的距離LI = 175mm,第一激光增益介質(zhì)與輸出鏡的距離L2 = 780mm。放大級增益介質(zhì)也采用補償熱致雙折射效應(yīng)的雙棒串接NchYAG晶體。單個晶體的直徑為5mm，長度為140mm。當(dāng)泵浦電流為23A時，測量雙棒的熱透鏡焦距為100mm。選擇耦合透鏡的焦距為100mm。振蕩級輸出鏡到耦合透鏡的距離為1170mm。耦合透鏡到放大級第一Nd:YAG激光晶體端面的距離為200mm。振蕩級發(fā)出的光束經(jīng)過耦合透鏡進(jìn)入放大級。進(jìn)入放大級的光束的發(fā)散角為12mrad。放大級第一 Nd: YAG激光晶體的端面處光束半徑為1mm。實驗測量了經(jīng)過單程放大后的光束功率和光束質(zhì)量。當(dāng)放大級工作電流為23A時，測得輸出光束功率為102W，光束質(zhì)量凡2 = 1.63，My2 = 1.55。光束質(zhì)量因子測量結(jié)果如圖4所示。圖5為激光放大后功率為102W時得到的光斑圖像。實驗表明，提高單程通過激光放大器光束質(zhì)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(zhì)量，克服了以往激光放大系統(tǒng)光束質(zhì)量會隨著輸出功率的增加而嚴(yán)重惡化的現(xiàn)象。實施例2如圖3所示，沿光軸依次放置有全反鏡1、振蕩級增益介質(zhì)2、輸出鏡3、光路耦合元件、放大級增益介質(zhì)5。同實施例1中相同，振蕩級依然采用雙棒串接的基模動態(tài)穩(wěn)定非對稱激光諧振腔。當(dāng)工作電流為18A時，輸出功率為55W，光束質(zhì)量凡2 = 1.44，My2 = 1.43，輸出光束接近于基模。輸出鏡上光束半徑為0.42mm,發(fā)散角為lmrad。全反鏡與第一激光增益介質(zhì)之間的距離LI = 175mm,第一激光增益介質(zhì)與輸出鏡的距離L2 = 780mm。實驗中的光路耦合元件為具有熱透鏡效應(yīng)的激光增益介質(zhì)7，光路耦合元件和放大級增益介質(zhì)都采用補償熱致雙折射效應(yīng)的雙棒串接Nd:YAG晶體。單個晶體的直徑為5mm，長度為140臟。當(dāng)泵浦電流為23A時，測量雙棒的熱透鏡焦距為100mm。振蕩級輸出鏡到光路耦合元件中Nd: YAG激光晶體熱透鏡前主面的距離為1200mm，光路耦合元件中Nd = YAG激光晶體的前主面處光束半徑為1mm。光路耦合元件中NdiYAG激光晶體的后主面到放大級Nd = YAG激光晶體熱透鏡前主面的距離為200mm。光束通過光路耦合元件會聚后，發(fā)散進(jìn)入放大級，進(jìn)入放大級光束的發(fā)散角為12mrad。實驗測量了放大后的光束功率和光束質(zhì)量。當(dāng)放大級工作電流為23A時，測得輸出光束功率為155W，光束質(zhì)量因子Mx2 = 1.62,My2 = 1.70。圖6為激光放大后功率為155W時得到的光斑圖像。實驗表明，提高單程通過激光放大器光束質(zhì)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(zhì)量，克服了以往激光放大系統(tǒng)光束質(zhì)量會隨著輸出功率的增加而嚴(yán)重惡化的現(xiàn)象。上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種提高光束質(zhì)量的單程通過激光放大器，包括振蕩級和放大級，所述振蕩級包括依次設(shè)置的全反鏡、第一激光增益介質(zhì)和輸出鏡，其特征在于，所述全反鏡與第一激光增益介質(zhì)之間的距離為LI，第一激光增益介質(zhì)與輸出鏡的距離為L2，且L2 > LI ； 所述激光放大器中還設(shè)有光路耦合元件，該光路耦合元件與放大級依次布置在輸出鏡的出射光路中，光路耦合元件與輸出鏡的距離為L3，且L3: L2 = 0.5 2: I ； 所述光路耦合元件的焦距與放大級的熱透鏡焦距相等，光路耦合元件和放大級之間的距離為放大級的熱透鏡焦距的兩倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光束質(zhì)量的單程通過激光放大器，其特征在于，所述的全反鏡對激光光束的反射率大于95%，所述的輸出鏡對激光光束的反射率為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光束質(zhì)量的單程通過激光放大器，其特征在干，L2為LI的3 5倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光束質(zhì)量的單程通過激光放大器，其特征在干，所述的光路耦合元件為耦合透鏡或具有熱透鏡效應(yīng)的激光增益介質(zhì)，所述的激光増益介質(zhì)為Nd: YAG晶體、Nd: YVO4晶體或Yb: YAG晶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的提高光束質(zhì)量的單程通過激光放大器，其特征在于，所述光路耦合元件的焦距為10mm-2000mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高光束質(zhì)量的單程通過激光放大器，其特征在于，所述光路耦合元件的焦距為75-150mm，位置在距離放大級150-300mm處。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光束質(zhì)量的單程通過激光放大器，其特征在于，所述的第一激光增益介質(zhì)為Nd = YAG晶體、NdiYVO4晶體或Yb = YAG晶體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光束質(zhì)量的單程通過激光放大器，其特征在于，所述的放大級包括第二激光增益介質(zhì)，所述的第二激光增益介質(zhì)為Nd = YAG晶體、NdiYVO4晶體或Yb:YAG 晶體。
9.一種基于單程通過激光放大器的提高激光束質(zhì)量的方法，所述激光放大器包括振蕩級和放大級，所述振蕩級包括依次設(shè)置的全反鏡、第一激光增益介質(zhì)和輸出鏡；所述振蕩級中全反鏡與第一激光增益介質(zhì)之間的距離為LI，第一激光增益介質(zhì)與輸出鏡之間的距離為L2，且 L2 > LI ； 其特征在于，所述方法包括: 1)根據(jù)放大級的工作點確定放大級的熱透鏡焦距； 2)選取光路耦合元件，該光路耦合元件的焦距與放大級的熱透鏡焦距相等； 3)在振蕩級的輸出鏡和放大級之間布置所述光路耦合元件，且滿足: 光路耦合元件與輸出鏡的距離為L3，且L3: L2 = 0.5 2: I ； 光路耦合元件和放大級之間的距離為放大級的熱透鏡焦距的兩倍； 4)輸出鏡的出射光線依次通過光路耦合元件和放大級后作為激光束輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高光束質(zhì)量的激光放大器，使得單程通過該激光放大器光束的質(zhì)量能夠顯著提高。本發(fā)明還公開一種基于所述激光放大器提高激光束質(zhì)量的方法，通過調(diào)整耦合透鏡的焦距和位置調(diào)節(jié)進(jìn)入放大級的光束為會聚后再發(fā)散的光束，進(jìn)而調(diào)節(jié)進(jìn)入放大級的光束的發(fā)散角和半徑，利用這種設(shè)計方法設(shè)計的激光放大系統(tǒng)，在使用高功率激光二極管抽運的情況下，不僅可以獲得高功率激光輸出，而且通過調(diào)整耦合透鏡的焦距、距離和放大級的工作電流，可以有效的控制放大級輸出的光束質(zhì)量。
文檔編號H01S3/106GK103117504SQ20131002611
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者劉崇, 亓云軒, 趙智剛 申請人:浙江大學(xué)