一种用于高功率短脉冲或超短脉冲激光的高增益放大器的制作方法

1.本发明属于固体激光技术领域；具体是一种用于高功率短脉冲或超短脉冲激光的高增益放大器。


背景技术：

2.大功率短脉冲或超短脉冲激光器的峰值功率高，在先进精密加工、透明材料切割、生物医学等领域有着越来越广泛地应用，逐渐成为现代精密工业加工中日益重要的工具。然而，无论是光纤激光器、半导体激光器还是固体激光器，其直接产生超快脉冲激光的功率和脉冲能量都相对有限，针对很多应用需求，必须采用合适的激光放大器对脉冲种子源进行放大，以满足大功率或大脉冲能量要求。使用多个基于棒状激光晶体构建的侧泵浦激光功率放大模块，对脉冲种子源进行多级放大是一种产生大能量脉冲激光的经典构型。但棒状激光晶体的泵浦储能相对有限、热透镜效应较严重，多级放大时需要对激光束进行较复杂的光学整形。这使得基于棒状晶体的多级激光放大器结构复杂、体积较大、可靠性较低。
3.1998年德国夫琅禾费研究所的杜可明等人提出一种innoslab激光放大器结构。该放大器的入射种子激光整形为小口径光束，通过“之”字形光路沿多次往返直接通过板条介质，并且在放大过程中由于种子激光光束口径小、功率密度高且多程往返放大，因此使用一个板条增益模块就可实现高功率与高效率放大。innoslab放大器的一个缺陷是其需要使用一块凸面反射镜，使得放大器对激光光路非常敏感。此外，泵浦光与激光的交叠不够充分，这使得对横向放大的受激辐射(ase)的抑制有一定难度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种用于高功率短脉冲或超短脉冲激光的高增益放大器，该放大器通过一对屋脊棱镜实现光路折叠，进而实现通过晶体板条多程激光放大；通过尾纤耦合ld阵列为晶体板条提供与激光模式相匹配的泵浦激励。该放大器可以看作将多个基于棒状晶体的激光放大器集成到一个板条状激光晶体增益模块上。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种用于高功率短脉冲或超短脉冲激光的高增益放大器，包括尾纤耦合ld泵浦阵列、泵浦耦合模块、晶体板条、等腰屋脊棱镜、去角屋脊棱镜和种子激光；所述晶体板条位于等腰屋脊棱镜与去角屋脊棱镜之间，所述等腰屋脊棱镜与去角屋脊棱镜均设置在种子激光的行进方向上，所述泵浦耦合模块设置在尾纤耦合ld泵浦阵列的行进方向上，所述晶体板条用于为激光放大提供增益，所述尾纤耦合ld泵浦阵列用于为晶体板条提供激励。
7.进一步地，所述尾纤耦合ld泵浦阵列由多个光纤耦合输出的半导体激光器组成，光纤输出端平行排列，每根光纤带有输出端帽，并配置准直透镜。
8.进一步地，所述泵浦耦合模块由一组光轴平行的透镜组成，透镜阵列中的透镜数量与尾纤耦合ld泵浦阵列中泵浦光数量相同，透镜光轴与泵浦光光轴一致。
9.进一步地，所述尾纤耦合ld泵浦阵列和泵浦耦合模块在晶体板条的两端对称放
置，形成的泵浦光阵列从晶体板条的两个底面靠近端面处注入，并经两端的斜面反射后在晶体板条内形成多条增益区，从晶体板条两端耦合进晶体板条的泵浦光光轴一一对应并同光轴。
10.进一步地，去角屋脊棱镜的锥角为直角，经过等腰屋脊棱镜和去角屋脊棱镜约束反射后的激光在晶体板条中与泵浦光阵列中下一排双端耦合的泵浦光同光轴。
11.进一步地，注入晶体板条的种子激光在y
‑
方向的光束尺寸与对应的双端耦合泵浦光的光束尺寸相匹配。
12.进一步地，在晶体板条中相邻两排的激光或泵浦光的中心间距大于两束泵浦光的尺寸。
13.进一步地，所述种子激光为脉冲激光，其脉宽为1ps～100ns。
14.本发明的有益效果：
15.本发明提供的高集成度激光放大器可以等效为将多个基于棒状晶体的激光放大器集成到一个板条状激光晶体增益模块上，进而使用一个放大器就对短脉冲或超短脉冲激光实现数百倍乃至上千倍的功率放大；本发明首选使用尾纤耦合ld阵列作为泵浦源，可以发挥尾纤耦合ld泵浦源热管理简单的优势。
附图说明
16.为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明做进一步的说明。
17.图1为本发明实施例一前视图；
18.图2为本发明实施例一俯视图；
19.图3为本发明实施例二前视图；
20.图4为本发明实施例二尾纤耦合ld泵浦阵列示意图；
21.图5为本发明实施例二俯视图。
22.图中：1、尾纤耦合ld泵浦阵列；2、泵浦耦合模块；3、晶体板条；4、等腰屋脊棱镜；401、去角屋脊棱镜；5、种子激光；6、金属热沉；7、镜片；8、输出端帽。
具体实施方式
23.下面将结合实施例对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
24.如图1
‑
5所示，一种用于高功率短脉冲或超短脉冲激光的高增益放大器，包括：尾纤耦合ld泵浦阵列1、泵浦耦合模块2、晶体板条3、等腰屋脊棱镜4、去角屋脊棱镜401和种子激光5；尾纤耦合ld泵浦阵列1由多个光纤耦合输出的半导体激光器组成，光纤输出端平行排列，每根光纤带有输出端帽8，并配置准直透镜，保证泵浦耦合模块2输出的各泵浦光束的光轴平行；泵浦耦合模块2设置在尾纤耦合ld泵浦阵列1的行进方向上，用于对泵浦光在晶体板条3内的分布进行整形；等腰屋脊棱镜4和去角屋脊棱镜401用于对激光光路进行折叠，使其按设计在晶体板条3的增益区内实现多程激光放大；去角屋脊棱镜401的底角切除，以让出种子激光5的注入光路，其底面镀有对激光波长高透射率的薄膜；等腰屋脊棱镜4切除
顶角后成为等腰梯形棱镜，其上下两个底面镀有对激光波长高透射率的薄膜；
25.激光束在等腰屋脊棱镜4和去角屋脊棱镜401的侧面均满足内全反射条件，以避免界面损耗；
26.晶体板条3应在两端无胶键合有无掺杂晶体，以避免板条端面热变形导致的光束质量恶化；
27.晶体板条3的两个大面焊接有金属热沉6，将激光工作时产生的废热实时排出；
28.晶体板条3的两个端面可以切45
°
角，激光束在晶体板条3中的x
‑
z平面上以“之”字光路行进，x
‑
z平面表示x轴和z轴组成的平面，补偿在高功率泵浦条件下，晶体板条3大面冷却在x
‑
方向形成的热透镜效应；x
‑
方向为x轴负方向；
29.激光束在晶体板条3的上下底面满足内全反射条件，以避免界面损耗；
30.注入种子光的瑞利距离应大于在激光束在晶体板条3中的总光程；
31.泵浦光可以从晶体板条3底面以垂直于激光的方向耦合进晶体板条3,在激光的入射/出射面内全反射后进入晶体板条3的增益区；
32.如果激光束在晶体板条3中没有以“之”字光路行进，为避免热透镜聚焦导致的晶体损伤，注入的种子激光5的在晶体板条3厚度方向的发散角应该设计为通过热透镜使得横模自再现；
33.晶体板条3的增益区为以无掺杂激光晶体为基质材料，中间掺杂区是在基质材料中掺杂钕、镱、铥中的一种元素；
34.晶体板条3的激光入射/出射面镀有对激光波长高透射率的薄膜，在泵浦光的入射区镀有对泵浦光波长高透射率薄的膜；
35.应通过光学设计使得晶体板条3内的每束激光与其相配的泵浦光尽量实现空间交叠；
36.注入晶体板条3的种子激光5在y
‑
方向的光束尺寸与对应的双端耦合泵浦光的光束尺寸应实现模式匹配，以达到较高的能量转换效率；y
‑
方向为y轴负方向；
37.在晶体板条3中相邻两排的激光或泵浦光的中心间距应大于两束泵浦光的尺寸，以抑制在高功率泵浦条件下板条中沿y
‑
方向的放大的自发辐射(ase)和寄生振荡效应。
38.在一实施例中，本发明提供了一种基于侧边键合梯形晶体的内部多程反射的激光放大器，包括：尾纤耦合ld泵浦阵列1、泵浦耦合模块2、晶体板条3、等腰屋脊棱镜4、去角屋脊棱镜401和种子激光5；尾纤耦合ld泵浦阵列1由多个光纤耦合输出的半导体激光器组成，光纤输出端平行排列，每根光纤带有输出端帽8，并配置准直透镜，保证泵浦耦合模块2输出的各泵浦光束的光轴平行；泵浦耦合模块2设置在尾纤耦合ld泵浦阵列1的行进方向上，用于对泵浦光在晶体板条3内的分布进行整形；等腰屋脊棱镜4和去角屋脊棱镜401用于对激光光路进行折叠，使其按设计在晶体板条3的增益区内实现多程激光放大；去角屋脊棱镜401的底角切除，以让出种子激光5的注入光路，其底面镀有对激光波长高透射率的薄膜；等腰屋脊棱镜4切除顶角后成为等腰梯形棱镜，其上下两个底面镀有对激光波长高透射率的薄膜；
39.具体地，本发明所使用的等腰屋脊棱镜4与去角屋脊棱镜401将激光束来回反射，使其多次穿过晶体板条3的增益区，从而提供更大的增益，获得高功率激光输出；在晶体板条3的两个大面焊接有金属热沉6，对激光工作时的产生废热进行实时处理；
40.可选的，种子激光5可以连续波激光、亦可是高重频皮秒激光或纳秒激光；
41.可选的，晶体板条3的两个端面可以切45
°
角；
42.可选的，晶体板条3可以是无掺杂yvo4和nd:yvo4相键合的，种子激光5可以是线偏振的，以获得纯净的线偏振激光输出；
43.在一实施例中，晶体板条3的两个端面垂直于底面，分别在等腰屋脊棱镜4与去角屋脊棱镜401和相邻的晶体端面间插入一块45
°
双色镜片7，该镜片镀有对泵浦光波长高反射率、对激光波长高透过率的薄膜；在晶体两侧各放置3个尾纤ld泵浦源，每束泵浦光均经相对应的准直镜片准直后被45
°
镜片7反射后从晶体板条3端面耦合进入晶体板条3，其后被晶体板条3掺杂区吸收；种子激光5在两侧的等腰屋脊棱镜4各反射两次，共3次通过晶体板条3内的增益区，得到高倍率放大后出射；晶体板条3的两个端面镀有对激光波长和泵浦波长均有高透过率的薄膜；
44.具体地，该实施例中采用双端泵浦的方式，6个泵浦源俩俩对向泵浦，两束泵浦光在增益区内实现有效交叠；注入种子激光5的横模尺寸与泵浦光横向形成高效率交叠；注入种子激光5的发散角使得激光束通过晶体板条3一次后焦点处的横模尺寸不变；
45.在一实施例中，晶体板条3的两端切45
°
斜角，晶体板条3斜面镀有对激光波长高透过率的薄膜；在晶体板条3两侧各放置3个尾纤ld泵浦源，每束泵浦光经相对应的准直镜片准直后均从晶体板条3底面以垂直于激光的方向耦合进晶体板条3,在激光的入射/出射面内全反射后进入晶体板条3掺杂区，其后被晶体板条3掺杂区吸收；种子激光5在两侧的屋脊棱镜各反射两次，在板条内以“之”字光路行进，共3次通过晶体板条3内的增益区，得到高倍率放大后出射；种子激光5在晶体板条3斜面的入射角使得激光束在晶体板条3上下底面满足内全反射条件；
46.在一实施例中，将上述双端泵浦结构改变为单端泵浦结构：在晶体板条3右侧放置2个尾纤ld泵浦源，在左侧放置1个，每束泵浦光均经相对应的准直镜片准直后被45
°
镜片7反射后从晶体板条3端面耦合进入晶体板条3，其后被晶体板条3掺杂区吸收；每束泵浦光的行进方向均与激光行进方向相反，以使激光获得更大的增益；
47.在一实施例中，晶体板条3的两端切45
°
斜角，晶体板条3斜面镀有对激光波长高透过率的薄膜；在晶体板条3两侧各放置5个尾纤ld泵浦源，输出光纤连接到一组5
×
1紧密排布的端帽8上，泵浦耦合模块2由数个5
×
1的透镜阵列组合而成；每束泵浦光均从晶体板条3底面以垂直于激光的方向耦合进晶体板条3,在激光的入射/出射面内全反射后进入晶体板条3掺杂区，其后被晶体板条3掺杂区吸收；种子激光5在两侧的屋脊棱镜各反射两次，在晶体板条3内以“之”字光路行进，共5次通过晶体板条3内的增益区，得到高倍率放大后出射；种子激光5在晶体板条3斜面的入射角使得激光束在晶体板条3上下底面满足内全反射条件。
48.实施例1：
49.如图1
‑
2所示，该激光放大器为双端泵浦结构；
50.晶体板条3由1块厚2mm、宽35mm、长20mm的nd:yvo4晶体和2块厚2mm、宽35mm、长5mm的无掺杂yvo4晶体沿宽度方向键合而成，nd:yvo4掺杂浓度为0.3at％；晶体两个35
×
2mm2的表面镀808nm和1064nm均为增透的薄膜；在晶体板条3的两个大面焊接有金属热沉6，对激光工作时的产生废热进行实时处理；
51.6个尾纤耦合ld泵浦阵列1的波长均为808nm，最高输出功率均为50w，则双端泵浦的总功率为300w，激光器采用连续波泵浦模式；尾纤芯径200μm，数值孔径0.22；
52.每个尾纤耦合ld泵浦阵列1匹配的泵浦耦合模块2由3个透镜阵列组成，每个阵列均由2个焦距为f50mm、一个焦距为f75mm的球透镜组成，该球透镜均镀有对808nm高反的薄膜，镜片横向尺寸为12.7mm；相邻两个泵浦耦合模块2的间距为14mm；
53.一对底面镀有1064nm增透膜的屋脊棱镜放置在晶体两个35
×
2mm2的表面外侧，棱镜底面与35
×
2mm2的表面平行；在屋脊棱镜和晶体表面插入两个45
°
双色镜片7，该镜片镀有对808nm高反、对1064nm增透的薄膜；3对尾纤ld发出的泵浦光经泵浦耦合模块2聚焦后，再经45
°
镜片7反射后注入晶体板条3，在晶体板条3的掺杂区内形成3条横向尺寸约1mm的增益区；
54.种子光由皮秒光纤锁模激光器产生，平均功率为50mw，波长为1064nm、脉宽为30ps、脉冲重复频率为1mhz；光斑经前端整形后尺寸束腰直径0.8mm，对应瑞利距离470mm。种子光透过45
°
镜片7后从晶体左侧面注入第一个增益区后获得放大，经过等腰屋脊棱镜4与去角屋脊棱镜401各两次内全反射后，依次注入其他两个增益区后获得放大，最终获得平均功率最高超过100w的皮秒激光输出。
55.实施例2
56.如图3
‑
5所示，同实施例1，该激光放大器为双端泵浦结构；
57.晶体板条3由1块厚1.2mm、宽35mm、长50mm的nd:yag晶体和2块厚1.2mm、宽35mm、长5mm的无掺杂yvo4晶体沿宽度方向键合而成，晶体沿晶体板条3宽度方向，nd:yag掺杂浓度为0.3at％；晶体板条3的两端切45
°
斜角，斜面镀1064nm增透膜；在晶体板条3的两个大面焊接有金属热沉6，对激光工作时的产生废热进行实时处理；
58.尾纤耦合ld泵浦阵列1共包括2个平均功率50w和8个平均功率70w尾纤ld泵浦源，波长均为808nm，尾纤芯径均为200μm，数值孔径0.22；激光器采用连续波泵浦模式；光纤熔接在直径6mm端帽尾端，每5个端帽密耦合成一组，连接1个50w和4个70w泵浦源；
59.每个尾纤耦合ld泵浦阵列1匹配的泵浦耦合模块2由5个透镜阵列组成，每个阵列均由3个6mm
×
6mm透镜密排布组成，其透镜焦距依次为f50mm、f75mm、f100mm，并双面镀有对808nm高反的薄膜；5对尾纤ld发出的泵浦光经泵浦耦合模块2聚焦后，从晶体板条3底面靠近角部的窗口进入晶体板条3，并经晶体板条3斜面内全反射后，在晶体板条3的掺杂区内形成5条在横向尺寸约1.2mm的增益区；
60.一对底面镀有1064nm增透膜的屋脊棱镜放置在晶体两个35
×
2mm2的表面外侧，棱镜底面与板条的两个大面平行；
61.种子光由纳秒光纤锁模激光器产生，平均功率为1w，波长为1064nm、脉宽为10ns、脉冲重复频率为100khz；光斑经前端整形后尺寸束腰直径0.9mm，对应瑞利距离470mm；种子光以与晶体板条3底面平行的方向从晶体左侧面注入第一个由一对50w泵浦源产生增益区，激光在晶体板条3内部以“之”字光路行进并获得放大，经过等腰屋脊棱镜4与去角屋脊棱镜401各4次反射后，依次注入其他4个由一对70w泵浦源产生增益区后获得放大，最终获得平均功率最高超过270w的纳秒激光输出。
62.本发明在使用时，光纤输出端平行排列，每根光纤带有输出端帽8，并配置准直透镜，保证泵浦耦合模块2输出的各泵浦光束的光轴平行；泵浦耦合模块2设置在尾纤耦合ld
泵浦阵列1的行进方向上，等腰屋脊棱镜4和去角屋脊棱镜401用于对激光光路进行折叠，使其按设计在晶体板条3的增益区内实现多程激光放大；去角屋脊棱镜401的底角切除，以让出种子激光5的注入光路，其底面镀有对激光波长高透射率的薄膜；等腰屋脊棱镜4切除顶角后成为等腰梯形棱镜，其上下两个底面镀有对激光波长高透射率的薄膜；激光束在等腰屋脊棱镜4和去角屋脊棱镜401的侧面均满足内全反射条件，以避免界面损耗；晶体板条3应在两端无胶键合有无掺杂晶体，以避免板条端面热变形导致的光束质量恶化；晶体板条3的两个大面焊接有金属热沉6，将激光工作时产生的废热实时排出；
63.晶体板条3的两个端面可以切45
°
角，激光束在晶体板条3中的x
‑
z平面上以“之”字光路行进，x
‑
z平面表示x轴和z轴组成的平面，补偿在高功率泵浦条件下，晶体板条3大面冷却在x
‑
方向形成的热透镜效应；x
‑
方向为x轴负方向；激光束在晶体板条3的上下底面满足内全反射条件，以避免界面损耗；注入种子光的瑞利距离应大于在激光束在晶体板条3中的总光程；泵浦光可以从晶体板条3底面以垂直于激光的方向耦合进晶体板条3,在激光的入射/出射面内全反射后进入晶体板条3的增益区；如果激光束在晶体板条3中没有以“之”字光路行进，为避免热透镜聚焦导致的晶体损伤，注入的种子激光5的在晶体板条3厚度方向的发散角应该设计为通过热透镜使得横模自再现；晶体板条3的增益区为以无掺杂激光晶体为基质材料，中间掺杂区是在基质材料中掺杂钕、镱、铥中的一种元素；晶体板条3的激光入射/出射面镀有对激光波长高透射率的薄膜，在泵浦光的入射区镀有对泵浦光波长高透射率薄的膜；应通过光学设计使得晶体板条3内的每束激光与其相配的泵浦光尽量实现空间交叠。
64.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
65.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
66.以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。