專利名稱：一種提高光束質(zhì)量的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)，具體涉及一種提高通過激光放大器光束質(zhì)量的裝置及其方法。
背景技術(shù)：
為了獲得性能優(yōu)良的高功率激光輸出，應(yīng)用振蕩級-放大器組成的激光放大系統(tǒng)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(yōu)良的激光特性和較高的輸出功率?，F(xiàn)有的激光放大技術(shù)一般采用在振蕩級-放大器之間加入擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩級間光束直徑匹配，如圖1所示，將振蕩級發(fā)出的光束半徑較小的光束，經(jīng)過擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡后再進(jìn)入放大器中進(jìn)行放大，這樣可以得到高的輸出功率。這樣的結(jié)構(gòu)存在兩個不足之處，一是在振蕩級-放大器之間需要加入擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，增加了光路的長度，使得整個系統(tǒng)體積比較龐大；二是在高功率泵浦的情況下，由于放大器中增益介質(zhì)中存在的熱效應(yīng)會導(dǎo)致通過放大器增益介質(zhì)的光束產(chǎn)生畸變，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 100495836 C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)定非對稱激光諧振腔中，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。將這一原理應(yīng)用到激光振蕩級-放大器系統(tǒng)，使振蕩級從短臂輸出的光束質(zhì)量較差的光束，發(fā)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(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中由于光路較長或激光增益介質(zhì)的熱效應(yīng)使得通過激光放大器后光束質(zhì)量變差的現(xiàn)狀，本發(fā)明提供一種提高通過激光放大器光束質(zhì)量的裝置。一種提高光束質(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LI > L2 ；所述放大級與輸出鏡的距離為L3，L3等于放大級的熱透鏡焦距。本發(fā)明將激光諧振腔設(shè)置為非對稱方式，即第一激光增益介質(zhì)與全反鏡的距離大于第一激光增益介質(zhì)與輸出鏡之間的距離，使得從輸出鏡輸出的激光光束質(zhì)量較差，但通過調(diào)整放大級的位置，使得輸出鏡輸出的光束經(jīng)發(fā)散后再進(jìn)入放大級時，就會明顯提高光束質(zhì)量。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)，當(dāng)?shù)谝患す庠鲆娼橘|(zhì)與全反鏡的距離大于輸出鏡與第一激光增益介質(zhì)之間的距離(即LI > L2)時，輸出鏡的出射光束的質(zhì)量較差，但此光束進(jìn)入放大級進(jìn)行放大，從放大級輸出的光束質(zhì)量則變得較好，作為優(yōu)選，LI為L2的3 5倍。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。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、Nd = YVO4晶體或Yb = YAG晶體。該第二激光增益介質(zhì)與第一激光增益介質(zhì)可以相同，也可以不同。作為優(yōu)選，所述的第二激光增益介質(zhì)的熱透鏡焦距為10mm-2000mm，根據(jù)該第二激光增益介質(zhì)的熱透鏡焦距確定放大級與輸出鏡之間的距離，利于獲得高光束質(zhì)量的激光輸出。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光束質(zhì)量?！N基于激光放大器的提高光束質(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LI
>L2 ；所述方法包括:I)根據(jù)放大級的工作點(diǎn)確定放大級的熱透鏡焦距；2)調(diào)整放大級的位置，使放大級與輸出鏡的距離L3等于放大級的熱透鏡焦距；3)輸出鏡的出射光線通過放大級后作為激光束輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:(I)簡化了實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)激光功率的放大，還可以實(shí)現(xiàn)對光束質(zhì)量的改善，即從振蕩級輸出的光束質(zhì)量較差，通過放大級后光束質(zhì)量獲得了提高，從而使整個裝置獲得性能優(yōu)良的高功率激光輸出。


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為實(shí)施例1中由振蕩級輸出光束的光強(qiáng)分布圖；圖4為實(shí)施例1中測量經(jīng)過放大級后輸出光束的光束質(zhì)量因子的曲線圖；圖5為實(shí)施例1中經(jīng)過放大級后輸出光束的光強(qiáng)分布圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)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)(第一激光增益介質(zhì))2、輸出鏡3、放大級增益介質(zhì)(第二激光增益介質(zhì))5。振蕩級增益介質(zhì)采用雙端泵浦的Nd = YVO4晶體，晶體為a-cut切割，摻雜濃度為
0.3%, Nd = YVO4激光晶體的尺寸為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(yīng)而引起的晶體端面形變。利用透鏡耦合系統(tǒng)將808nm的泵浦光耦合后，從晶體兩端面入射，泵浦光在Nd: YVO4激光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(diào)節(jié)溫度控制設(shè)備，以達(dá)到與晶體吸收峰的有效匹配。振蕩級采用基模動態(tài)穩(wěn)定非對稱激光諧振腔。全反鏡I與第一激光增益介質(zhì)2之間的距離為LI = 310mm，第一激光增益介質(zhì)2與輸出鏡3的距離L2 = 85mm。全反鏡I鍍有1064nm高反膜，對1064nm激光的反射率大于99.5%，輸出鏡3在1064nm處的反射率為60%。當(dāng)泵浦功率為80W時，輸出激光功率為33W，在輸出鏡3后測量得到的光束質(zhì)量為Mx2=2.8，My2 = 2.7。圖3為振蕩級輸出光束的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布圖。放大級增益介質(zhì)也采用雙端泵浦的Nd = YVO4晶體，晶體為a-cut切割，摻雜濃度為
0.3%, Nd = YVO4激光晶體的尺寸為3mmX3mmX 11mm，其中兩端鍵合了 2mm厚的未摻雜YVO4晶體。泵浦光在Nd = YVO4激光晶體端面的光束直徑為0.8mm。測量放大級增益介質(zhì)的熱透鏡焦距為75mm，調(diào)整放大級增益介質(zhì)到輸出鏡的距離，使L3 = 75mm。實(shí)驗(yàn)測量了經(jīng)過放大級后光束的功率和光束質(zhì)量。當(dāng)放大級泵浦功率為85W時，最終得到放大后光束的功率輸出為65W，光束質(zhì)量因子為Mx2 = 1.7，My2 = 1.6，測量光束質(zhì)量因子的曲線如圖4。圖5為經(jīng)過放大級后輸出光束的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布圖。實(shí)驗(yàn)表明，提高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(shí)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LI > L2 ； 所述放大級與輸出鏡的距離為L3，L3等于放大級的熱透鏡焦距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光束質(zhì)量的激光放大器，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)量的激光放大器，其特征在于，LI為L2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、Nd = YVO4晶體或Yb = YAG晶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光束質(zhì)量的激光放大器，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。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高光束質(zhì)量的激光放大器，其特征在于，所述的第二激光增益介質(zhì)的熱透鏡焦距為10mm-2000mm。
7.一種基于激光放大器的提高光束質(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LI>L2 ； 其特征在于，所述方法包括: 1)根據(jù)放大級的工作點(diǎn)確定放大級的熱透鏡焦距； 2)調(diào)整放大級的位置，使放大級與輸出鏡的距離L3等于放大級的熱透鏡焦距； 3)輸出鏡的出射光線通過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)整放大級的位置可以有效控制放大級輸出的光束質(zhì)量。不僅簡化了實(shí)驗(yàn)裝置，大大縮短了光路長度，還可以在保證激光功率放大的同時，實(shí)現(xiàn)對光束質(zhì)量的改善，即從振蕩級輸出的光束質(zhì)量較差，通過放大級后光束質(zhì)量獲得了提高，從而使整個裝置獲得性能優(yōu)良的高功率激光輸出。
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(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者劉崇, 葉志斌, 趙智剛 申請人:浙江大學(xué)