一種環(huán)形光斑薄片放大器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及的是固體激光器領(lǐng)域，尤其是一種環(huán)形光斑薄片放大器。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光技術(shù)自上世紀(jì)六十年代至今高速發(fā)展，同時(shí)，又與其他高新技術(shù)相互滲透，在 材料加工、醫(yī)療、軍事、測量及科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究等眾多領(lǐng)域有越來越廣泛的應(yīng)用。其中MOPA結(jié) 構(gòu)的激光放大器通過采用高光束質(zhì)量、低功率激光輸出激光經(jīng)過激光放大器一級或多級功 率放大容易實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量、高功率的激光輸出。
[000引 目前，在固體激光領(lǐng)域，國內(nèi)外已經(jīng)對放大器進(jìn)行了廣泛而深入的研究和開發(fā)。但 是目前該領(lǐng)域采用的放大器增益介質(zhì)構(gòu)型主要為椿狀、板條狀或光纖。
[0004] 薄片型增益介質(zhì)因其特殊的幾何形狀具有傳統(tǒng)增益介質(zhì)不可比擬的換熱效率，并 且在前表面累浦、后表面冷卻時(shí)可W獲得均勻的徑向溫度分布，溫度梯度方向與激光傳輸 方向一致從而大幅降低了熱透鏡效應(yīng)。目前，該種類型的增益介質(zhì)主要采用諧振腔結(jié)構(gòu)直 接獲得激光輸出。該種類型的激光器使用穩(wěn)定諧振腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了功率達(dá)到數(shù)千瓦，光束傳 輸參數(shù)20mm mrad左右的激光輸出。要進(jìn)一步提高光束質(zhì)量，一種方式是采用腔參數(shù)接近臨 界的大基模體積穩(wěn)腔并在腔內(nèi)插入非球面像差補(bǔ)償元件抑制高階模產(chǎn)生，該種諧振腔非常 敏感，且尚無法實(shí)現(xiàn)較高輸出功率，僅在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，難于推廣使用；另一種方 式是采用可W獲得便于卡塞格林系統(tǒng)發(fā)射的環(huán)形光斑輸出的非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)，在非穩(wěn)腔內(nèi)進(jìn)行 多薄片串接并采用復(fù)雜的腔內(nèi)光束質(zhì)量控制手段實(shí)現(xiàn)更高光束質(zhì)量的高功率激光輸出。為 了直接在腔內(nèi)獲得高功率輸出，非穩(wěn)腔內(nèi)的串接薄片數(shù)目較多，薄片靜態(tài)和動態(tài)像差疊加， 會嚴(yán)重影響非穩(wěn)腔的運(yùn)行。在校正腔內(nèi)波前崎變過程中，如果簡單的將薄片、像差校正元件 串接，由于光束傳輸中的衍射效應(yīng)W及非穩(wěn)腔內(nèi)激光的往返振蕩傳輸，非共輛的像差校正 中存在非常復(fù)雜的像差演化問題。因此需要在腔內(nèi)使用成像光學(xué)系統(tǒng)將各薄片和波前校正 器相互成像，實(shí)現(xiàn)共輛像差校正，該樣的諧振腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、元件數(shù)目多，靈敏度高，調(diào)節(jié)維護(hù) 困難，即便如此，受限于測量方法、像差特征計(jì)算方法、校正元件能力等因素該種腔內(nèi)像差 校正技術(shù)尚不成熟。此外，由于非穩(wěn)腔內(nèi)光束在兩個傳輸方向上具有不同的光束尺寸，腔內(nèi) 增益介質(zhì)上的激光光強(qiáng)不是均勻的，因此即使薄片增益介質(zhì)被理想的均勻累浦和冷卻，也 因?yàn)榧す夤鈴?qiáng)的差異引起吸收率和生熱率的非均勻性，最終導(dǎo)致薄片產(chǎn)生徑向溫度梯度， 即溫度值的波前崎變，該種熱光相互影響的效應(yīng)在激光功率的提升過程中可能導(dǎo)致諧振腔 無法穩(wěn)定運(yùn)行?？偠灾?，薄片激光器雖然相比傳統(tǒng)固體激光器實(shí)現(xiàn)了更高的輸出功率和 光束質(zhì)量。但要在保證高功率激光輸出的前提下，進(jìn)一步提升光束質(zhì)量，不論使用穩(wěn)腔還是 非穩(wěn)腔都有較高的技術(shù)難度。
[0005] 使用薄片增益介質(zhì)的激光放大器研究較少，主要原因是受限于兩個方面，其一：薄 片狀增益介質(zhì)的特征是橫向尺寸即增益區(qū)尺寸遠(yuǎn)大于其厚度（直徑幾毫米至幾十毫米）。 當(dāng)功率較低的種子激光通過光束變換系統(tǒng)使其光束截面尺寸與薄片上增益區(qū)尺寸匹配時(shí)， 其光強(qiáng)較小。然而不論是為了最終獲得高功率激光輸出，還是充分利用薄片增益介質(zhì)可高 功率密度累浦的優(yōu)勢，薄片都應(yīng)工作于強(qiáng)累浦狀態(tài)。該種狀態(tài)下，因?yàn)楸∑鲆娼橘|(zhì)具有 較大的橫縱比，在強(qiáng)累浦條件下容易產(chǎn)生顯著的自發(fā)福射放大（AS巧效應(yīng)，較弱的激光無 法抑制ASE效應(yīng)。同時(shí)弱光強(qiáng)種子激光注入雖然可W在弱激光飽和效應(yīng)下維持較高的增 益系數(shù)，但是其功率提取能力較低，無法實(shí)現(xiàn)較高提取效率，使薄片增益介質(zhì)的光光效率較 低。其二：薄片增益介質(zhì)縱向尺寸即增益長度?。◣装傥⒚字翈缀撩祝褂煤唵蔚姆糯箧?路，激光單次或往返通過薄片，增益長度非常有限，難于利用較少的薄片獲得較高的放大倍 率。為了解決上述問題，或者需要提高種子激光功率，并依次通過徑向尺寸從小不斷增大的 大量薄片，在維持較高激光光強(qiáng)的前提下，實(shí)現(xiàn)較高的增益長度；或者需要采用多通放大鏈 路，即使被放大激光多次通過同一薄片增益介質(zhì)，在增大增益長度的同時(shí)，使增益介質(zhì)內(nèi)各 次激光光強(qiáng)迭加從而實(shí)現(xiàn)較高的激光光強(qiáng)W獲得較高的激光提取效率。顯然，第一種解決 方式因?yàn)橐蟾吖β史N子激光，且需要不同規(guī)格的薄片構(gòu)成放大鏈路過于復(fù)雜，不具有優(yōu) 勢；而針對第二種解決方式，人們提出兩種具體解決方案：
[0006] 1、德國斯圖加特大學(xué)A. Giesen、T. Graf等人提出了一種基于反射鏡陣列的多通 薄片放大器，該種設(shè)計(jì)采用被多通累浦的孔徑為10mm左右的孔:YAG薄片晶體作為增益介 質(zhì)。一側(cè)W特定的空間位置關(guān)系放置著薄片、一片凹面鏡及一片凸面鏡；另一側(cè)為反射鏡陣 列，其有陣列排布的若干個平面反射鏡構(gòu)成，且每個反射鏡均有其特定的角度要求。特定曲 率半徑的光束通過由凹面鏡-薄片-凸面鏡-薄片-凹面鏡構(gòu)成了元件序列可W實(shí)現(xiàn)自再 現(xiàn)。因此現(xiàn)將種子光束變換為上述可自再現(xiàn)光束，W特定角度注入多次放大鏈路。光束傳 輸過程中，在凹面鏡和薄片間、在凸面鏡和薄片間，光束總是被反射鏡陣列上的某個平面鏡 反射，該些平面鏡控制了每次光束射向薄片的角度。即放大鏈路中，光束W不同的角度多次 被薄片W及凹面鏡、凸面鏡反射，實(shí)現(xiàn)了多通放大的目的。該種解決方案實(shí)現(xiàn)了多通放大， 可對連續(xù)激光、脈沖激光高效放大，德國通快公司采用類似的裝置實(shí)現(xiàn)了超短脈沖的再生 放大。但是為了在動態(tài)條件下維持放大過程中各次到達(dá)薄片上光斑尺寸的恒定，需要對自 再現(xiàn)元件序列、注入光束提出很高要求，此外，反射鏡陣列元件多，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。
[0007] 2、2011年，華中科技大學(xué)朱曉、尚建力等人提出一種利用共輛雙拋物面多次累浦、 多次放大的Yb:YAG薄片激光放大器方案。其利用共輛雙拋物面反射鏡的焦點(diǎn)可W彼此 成像特性，在一個焦點(diǎn)放置薄片增益介質(zhì)，另一個焦點(diǎn)放置傾斜反射鏡實(shí)現(xiàn)對累浦光、放大 激光傳輸方向的偏移，從而實(shí)現(xiàn)多次累浦和多次放大過程中在拋物面孔徑上的光斑位置搬 移。該種實(shí)現(xiàn)方案要求同時(shí)兼顧累浦光和放大激光多次到達(dá)薄片光路過程中的空間位置 和薄片上的光斑尺寸。該需要對拋物面參數(shù)、反射鏡角度和曲率W及薄片晶體光學(xué)參數(shù)提 出很高要求，此外，只有具有特定光束遠(yuǎn)場發(fā)散角、特定束腰位置的種子激光注入多次放大 光路才能實(shí)現(xiàn)上述多次放大，且該一參數(shù)窗口非常狹窄。并且，在多通放大過程中，激光離 軸被拋物面反射，曽差會導(dǎo)致薄片上激光光斑的變形已經(jīng)最終輸出激光光束質(zhì)量的明顯劣 化。因此該一方案實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量激光放大也是非常困難的。
[000引并且，上述兩個實(shí)現(xiàn)方案均是針對實(shí)屯、光斑放大設(shè)計(jì)的，如果將便于卡塞格林系 統(tǒng)發(fā)射的空屯、光斑注入上述兩個多次放大系統(tǒng)，或者因?yàn)闊o法在自再現(xiàn)光學(xué)元件序列中高 質(zhì)量的依次成像；或者因?yàn)槠浔粧佄锩娣瓷渥儞Q后無法在薄片上形成與增益區(qū)匹配的光 斑，均無法實(shí)現(xiàn)高效的多通放大。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009] 本實(shí)用新型的目的，就是針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，而提供一種環(huán)形光斑薄片 放大器的技術(shù)方案，該方案可W將便于利用非穩(wěn)腔獲得的高光束質(zhì)量、低功率環(huán)形激光光 束多次W不同的光束尺寸通過同一薄片增益介質(zhì)或薄片增益介質(zhì)序列的不同孔徑區(qū)域，實(shí) 現(xiàn)高激光功率密度的等光通量激光提取，不但有效的抑制了 ASE并實(shí)現(xiàn)較高的光光轉(zhuǎn)換效 率，還可W避免薄片上徑向激光不均勻引起的溫度梯度和溫度致光學(xué)崎變。
[0010] 本方案是通過如下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)的；一種環(huán)形光斑薄片放大器，包括有種子激 光器、光束導(dǎo)入裝置、光束尺寸變換器、由