固体脉冲激光放大装置及其放大方法与流程

1.本发明涉及一种固体脉冲激光放大装置及其放大方法。


背景技术：

2.目前，脉冲激光器中的放大器技术主要分为四种：第一种是基于光纤放大技术，比如国外的ipg、nkt公司；第二种是基于碟片放大的固体放大器技术，比如国外的trumpf公司；第三种是基于innoslab固体板条放大器技术，采用细长形泵浦光斑，如edgewave公司；第四种是采用圆形泵浦光斑的端面泵浦放大器技术，如coherent公司。光纤放大技术的优点是输出功率高，缺陷是受光纤非线性影响，无法获得高单脉冲能量输出。碟片放大器技术的优点是实现高功率输出的同时兼具高单脉冲能量，但是碟片放大器泵浦结构复杂，同时需要采用再生放大技术实现多程放大来提高增益，整个系统结果过于复杂，目前全球极少数公司能把这种放大器技术应用好。innoslab固体板条放大器优点是，放大增益高，结构简单，支持高功率及高单脉冲能量输出，缺点是泵浦光和种子光空间重合度差，放大器输出需要做较复杂的整形，同时巴条结构泵浦源寿命短，当泵浦功率有衰减会引起光束质量恶化。圆形泵浦光斑的端面泵浦放大器优点是泵浦光和种子光重合较好，光束质量好，缺点是圆形泵浦光在很小区域内造成晶体热效应严重，功率高之后容易出现光束质量恶化，严重的导致晶体开裂，一般输出功率<100w。


技术实现要素：

3.本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种固体脉冲激光放大装置及其放大方法。
4.本发明的目的通过以下技术方案来实现：
5.固体脉冲激光放大装置，特点是：包含种子激光器、泵浦源、偏振立方体、旋光器、激光晶体以及耦合镜，所述种子激光器的输出光路上布置有偏振立方体，偏振立方体的透射方向依次设置有旋光器、1/2波片和扩束镜，扩束镜衔接柱面镜一，柱面镜一衔接激光晶体；
6.所述泵浦源的输出光路上布置有凸透镜和柱面镜二，柱面镜二衔接耦合镜，耦合镜衔接激光晶体。
7.进一步地，上述的固体脉冲激光放大装置，其中，所述种子激光器为波长1030nm、1064nm、1342nm波段，种子脉冲宽度100fs～100ns的种子激光器。
8.进一步地，上述的固体脉冲激光放大装置，其中，所述泵浦源为波长808nm、878nm、888nm、940nm、970nm、980nm波段，泵浦芯片为多单管芯片，光纤纤芯100um～400um的泵浦源。
9.进一步地，上述的固体脉冲激光放大装置，其中，所述激光晶体为nd:yag、nd:yvo4、yb:yag、yb:kgw或yb:kyw激光晶体。
10.进一步地，上述的固体脉冲激光放大装置，其中，所述激光晶体呈扁状板条结构。
11.进一步地，上述的固体脉冲激光放大装置，其中，所述偏振立方体为高损伤阈值光胶合偏振立方体，偏振消光比>500:1。
12.本发明固体脉冲激光放大方法，其特征在于：种子激光器输出的水平方向偏振的种子光脉冲经过偏振立方体及旋光器，偏振态旋转45
°
，再通过1/2波片将偏振态调到水平方向偏振，随后经过扩束镜及柱面镜一，将种子光脉冲光斑整形成细长条状入射到激光晶体内部；
13.泵浦源输出泵浦光经过凸透镜和柱面镜二整形成细条状，再经耦合镜入射到激光晶体内部，在激光晶体内部，细条状种子光斑和泵浦光斑重叠实现种子光第一次放大；
14.放大后的种子光，经过耦合镜反射回激光晶体内部，实现二次放大，放大后的脉冲再依次经过柱面镜一、扩束镜、1/2波片、旋光器，偏振态变为垂直偏振，最后经过偏振立方体反射，实现二次放大输出。
15.更进一步地，上述的固体脉冲激光放大方法，其中，种子激光器输出波长为1030nm、1064nm、1342nm波段，种子脉冲宽度为100fs～100ns的种子光。
16.更进一步地，上述的固体脉冲激光放大方法，其中，泵浦源输出波长为808nm、878nm、888nm、940nm、970nm、980nm波段的泵浦光。
17.本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
18.①
本发明将种子光与泵浦光整形成细长状光斑，在长度方向上散热有显著改善，因此相对于普通端面圆形光斑泵浦激光晶体，晶体承受热的能力有大幅度提升，可实现更高输出功率及脉冲能量；
19.②
泵浦光与种子光重合度高，因此放大器输出光斑优异，光转换效率高；
20.③
采用双程放大技术，种子及放大后脉冲2次经过柱面镜一，因此输出激光无需复杂整形光学系统，即可获得圆形光斑；
21.④
采用基于单管芯片技术的泵浦源，使用寿命较巴条泵浦源有显著提升，放大器使用寿命长，且不存在innoslab板条放大器技术因泵浦衰减导致的光斑质量问题；
22.⑤
本发明技术方案可应用在其他固体激光器中，解决输出激光功率及单脉冲能量低，系统复杂不稳定，光束质量不好控制等难题。
23.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
25.图1：本发明光路结构的主视示意图；
26.图2：本发明光路结构的俯视示意图；
27.图3：泵浦光与种子光重叠区域示意图。
28.图中各附图标记的含义见下表：
29.具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.如图1、图2所示，固体脉冲激光放大装置，包含种子激光器1、泵浦源11、偏振立方体2、旋光器3、激光晶体7以及耦合镜8，种子激光器1的输出光路上布置有偏振立方体2，偏振立方体2的透射方向依次设置有旋光器3、1/2波片4和扩束镜5，扩束镜5衔接柱面镜一6，柱面镜一6衔接激光晶体7；
33.泵浦源11的输出光路上布置有凸透镜10和柱面镜二9，柱面镜二9衔接耦合镜8，耦合镜8衔接激光晶体7。
34.其中，种子激光器1为波长1030nm、1064nm、1342nm波段，种子脉冲宽度100fs～100ns的种子激光器。
35.泵浦源11为波长808nm、878nm、888nm、940nm、970nm、980nm波段，泵浦芯片为多单管芯片，光纤纤芯100um～400um的泵浦源。
36.激光晶体7为nd:yag、nd:yvo4、yb:yag、yb:kgw或yb:kyw激光晶体，激光晶体7呈扁状板条结构。
37.偏振立方体2为高损伤阈值光胶合偏振立方体，偏振消光比>500:1。
38.本发明采用端面泵浦技术，晶体采用扁状板条结构，泵浦光斑由主流的圆形光斑改为细长形的泵浦光斑，晶体的散热得到大大改善，同时，种子光与泵浦光重合度好，因此输出功率有较大提升兼具优异的光束质量。
39.由于圆形光斑端面泵浦技术存在的晶体热效应问题，热效应限制放大器输出功率，本发明技术方案改善晶体散热，可以实现输出功率>300w。
40.由于innoslab板条放大器技术存在的光束质量控制问题，本发明技术方案实现输
出光斑优异，无需复杂整形。
41.由于光纤放大器存在的单脉冲能量问题，本发明技术方案实现毫焦量级皮秒或者飞秒脉冲输出。
42.因碟片放大器稳定性控制及成本问题，本发明技术方案结构较innoslab及碟片简化很多，稳定性及成本可以得到有效控制。
43.具体应用时，种子激光器1输出波长为1030nm、1064nm、1342nm波段，种子脉冲宽度为100fs～100ns的种子光，种子激光器1输出的水平方向偏振的种子光脉冲经过偏振立方体2及旋光器3，偏振态旋转45
°
，再通过1/2波片4将偏振态调到水平方向偏振，随后经过扩束镜5及柱面镜一6，将种子光脉冲光斑整形成细长条状入射到激光晶体7内部；
44.泵浦源11输出波长为808nm、878nm、888nm、940nm、970nm、980nm波段的泵浦光，泵浦源11输出泵浦光经过凸透镜10和柱面镜二9整形成细条状，再经耦合镜8入射到激光晶体7内部，在激光晶体7内部，细条状种子光斑和泵浦光斑重叠实现种子光第一次放大；泵浦光与种子光重叠区域如图3所示；
45.放大后的种子光，经过耦合镜8反射回激光晶体7内部，实现二次放大，放大后的脉冲再依次经过柱面镜一6、扩束镜5、1/2波片4、旋光器3，偏振态变为垂直偏振，最后经过偏振立方体2反射，实现二次放大输出。
46.本发明将种子光与泵浦光整形成细长状光斑，在长度方向上散热有显著改善，因此相对于普通端面圆形光斑泵浦激光晶体，晶体承受热的能力有大幅度提升，可实现更高输出功率及脉冲能量。
47.泵浦光与种子光重合度高，因此放大器输出光斑优异，光转换效率高。
48.采用双程放大技术，种子及放大后脉冲2次经过柱面镜一，因此输出激光无需复杂整形光学系统，即可获得圆形光斑。
49.采用基于单管芯片技术的泵浦源，使用寿命较巴条泵浦源有显著提升，放大器使用寿命长，且不存在innoslab板条放大器技术因泵浦衰减导致的光斑质量问题。
50.本发明技术方案可应用在其他固体激光器中，解决输出激光功率及单脉冲能量低，系统复杂不稳定，光束质量不好控制等难题。
51.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
52.上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
53.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备
所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。