一种激光放大器

1.本发明属于激光器技术领域，更具体的说是涉及一种激光放大器。


背景技术：

2.随着科技的发展，引力波探测、激光精密位移测量、激光能源工业领域、激光工业加工领域以及航空航天和国防领域对于不同模式输出的高光束质量、高效率和高功率的激光需求与日俱增。基于上述需求，提出一种基于空间光调制技术(slm)的主控震荡功率放大(mopa)结构的新式激光放大器。
3.对于激光器而言，增益介质是其核心，它决定了输出光束的波长，同时对激光器的功率水平和光束模式有决定性的影响。高功率激光光源的增益介质主要经历了yag棒状增益介质(难以获得基模输出)—co2气体增益介质(10kw级基模)—光纤增益介质(kw级基模)的发展历程。高功率co2激光器采用气体增益介质，基模输出功率高，光束质量好，但存在电光转换效率低，结构庞大，远红外波长不适合光纤柔性传输等不足，在千瓦级的薄板及中等板厚的激光切割焊接应用中，高功率光纤激光器逐步取代高功率co2激光器成为主力光源，但是由于热效应以及光纤中非线性效应的影响，限制了单光纤激光器输出功率的进一步提升。目前已经提出的半导体泵浦碱金属蒸气激光器也属于半导体泵浦气态增益介质激光器结构，然而其存在工作物质容易污染激光输出窗口；其工作物质在常温下为固态，需要通过加热手段使其转换为气体，该过程不仅为激光器带来了额外热源而且对碱金属蒸气池的温度控制和碱金属化学活性的控制提出了挑战；其输出激光过程还产生对人体和环境有毒有害的物质。
4.此外，在引力波探测和激光高精密位移测量等领域，不仅需要高功率激光，还必须具有灵活输出特定的不同激光模式。虽然现有的腔外部重塑方式(如螺旋相位板、蚀刻玻璃衍射光学器件等光学器件)可以获得单个高阶模，但对于引力波干涉仪而言，其转换后的基本横向模式应该由单频、超稳定的高功率激光器发射，该过程是一个巨大挑战。而引入腔内相位的方式也可以实现模式转换，但是需要另外设计相位板，不利于改变激光模式顺序。即使被称为“数字激光器”的slm调制技术可以便捷获得高阶拉盖尔高阶模式(lg)，但是受激光损伤阈值的限制，其无法直接获得高功率条件下的高阶lg模式。
5.因此，如何提供一种激光放大器成为了本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种激光放大器，具有结构紧凑、放电均匀、泵浦效率高、激光模式变化便捷、模式纯度高等特点，可以有效防止高功率连续单模激光、高功率皮秒飞秒激光的非线性效应，实现高光束质量、良好的大气与光纤传输特性、高加工效率条件下的高功率的激光输出。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种激光放大器，包括：半导体激光器、光学整形系统一、谐振腔、空间光调制器、
计算机和放大腔；所述光学整形系统一、谐振腔、空间光调制器、计算机和放大腔依次设置在半导体激光器尾端；所述空间光调制器通过计算机控制，用于调控谐振腔输出种子光的激光模式；所述半导体激光器产生泵浦光，发出的泵浦光经过光学整形系统一透射依次注入至谐振腔和放大腔中，输出放大后的激光。
9.进一步的，所述谐振腔由放电区域以及分别设置在所述放电区域两个侧面的尾镜和输出镜共同构成。
10.进一步的，还包括分束镜、反射镜和光学整形系统二，所述分束镜位于所述半导体激光器、光学整形系统一，泵浦光经所述分束镜透射的光入射至所述光学整形系统一；泵浦光经所述分束镜反射的光依次经所述反射镜、光学整形系统二入射至所述放大腔。
11.进一步的，所述谐振腔和放大腔中的放电介质包括稀有气体；所述半导体激光器所发激光的中心波长与所述谐振腔和放大腔内放电介质电激励后产生的气体粒子的吸收谱线相匹配。
12.进一步的，所述稀有气体中混合一定比例的氩气和氦气，工作在接近一个大气压下。
13.进一步的，所述放大腔在面向泵浦光入射的一面开设透光窗口，所述透光窗口处镀有一层对该泵浦光的高透射率膜，所述放大腔其余内表面镀有一层对该泵浦光的高反射率膜。
14.进一步的，所述放大腔在面向泵浦光入射的一面开设透光窗口，所述透光窗口处镀有一层对该泵浦光的高透射率膜，所述放大腔其余外表面镀有一层对该泵浦光的高反射率膜。
15.进一步的，所述谐振腔和放大腔均由高硼酸玻璃或陶瓷材料制成。
16.进一步的，所述分束镜根据需求按比例分配半导体泵浦光的能量。
17.本发明的有益效果在于：
18.(1)使用的工作物质为化学特性稳定、无毒无害的高纯度单一稀有气体或两种稀有气体混合的二元混合气体或稀有气体与其他辅助气体组成的多元混合气体。该类工作物质在激光输出过程中不会产生对人和环境有毒有害的物质。
19.(2)采用镀膜技术，使放大腔在面向泵浦光入射的一面的泵浦光透光窗口处镀有一层对该泵浦光的高透射率膜，其余内表面镀有一层对该泵浦光的高反射率膜，可实现类似黑体辐射的多光程反射过程，增加泵浦光与气体增益介质的碰撞几率，从而提高泵浦效率，同时结合光学整形系统，有利于半导体泵浦激光更加充分的注入至谐振腔和放大腔内，提高半导体泵浦激光的泵浦强度，从而提高输出激光的泵浦效率。
20.(3)借助被称为“数字激光器”的slm调制技术，通过计算机给出不同相位分布，对slm中的液晶分子施加对应的电压信号，使其偏转不同角度，对谐振腔输出的较低功率种子光进行灵活的模式调制，非常便捷的获得高纯度的任意模式激光输出。
21.(4)借助现有光纤激光器中常用的mopa结构，技术更成熟、更可靠；其可以有效增加气体增益介质在激光输出过程的粒子循环速度，不仅有利于增加激光输出稳定性，还可以在保持种子激光的模式纯度情况下获得高功率激光输出。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新式实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新式的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
23.图1为本发明的结构示意图。
24.图2为本发明放大腔的一种结构示意图。
25.图3为本发明放大腔的另一种结构示意图。
26.其中，图中，
27.1-半导体激光器，2-分光镜，3-光学整形系统一，4-谐振腔，5-尾镜，6-输出镜，7-空间光调制器，8-计算机，9-种子光，10-放大腔，11-输出激光，12-高透射率膜，13-高反射率膜，14-反射镜，15-光学整形系统二。
具体实施方式
28.下面将结合本发明的实施例中，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
29.参考图1，本发明提供了一种激光放大器，,包括：半导体激光器1、光学整形系统一3、谐振腔4、空间光调制器7、计算机8和放大腔10；光学整形系统一3、谐振腔4、空间光调制器7、计算机8和放大腔10依次设置在半导体激光器1尾端；空间光调制器7通过计算机8控制，用于调控谐振腔4输出种子光9的激光模式，可灵活便捷改变种子光9的模式；半导体激光器1产生泵浦光，发出的泵浦光经过光学整形系统一3透射依次注入至谐振腔4和放大腔10中，输出放大后的激光。其中，放大腔10用来实现对注入的经过slm调制的种子光9的放大过程。
30.本实施例中，谐振腔4由放电区域以及分别设置在放电区域两个侧面的尾镜5和输出镜6共同构成，可以产生高斯基模的种子光9。
31.本发明还包括分束镜2、反射镜14和光学整形系统二15，分束镜2位于半导体激光器1、光学整形系统一3，泵浦光经分束镜2透射的光入射至光学整形系统一3；泵浦光经分束镜2反射的光依次经反射镜14、光学整形系统二15入射至放大腔10。其中，分束镜2可根据需求按比例分配半导体泵浦光的能量。
32.本实施例中，谐振腔4和放大腔10中的放电介质包括采用稀有气体或稀有气体与其他辅助气体组成的混合气体；半导体激光器1所发激光的中心波长与谐振腔4和放大腔10内放电介质电激励后产生的气体粒子的吸收谱线相匹配。
33.本实施例中，稀有气体中混合一定比例的氩气和氦气，工作在接近一个大气压下。
34.参考图2，放大腔10在面向泵浦光入射的一面开设透光窗口，透光窗口处镀有一层对该泵浦光的高透射率膜12，放大腔10其余内表面镀有一层对该泵浦光的高反射率膜13。
35.参考图3，放大腔10在面向泵浦光入射的一面开设透光窗口，透光窗口处镀有一层对该泵浦光的高透射率膜12，放大腔10其余外表面镀有一层对该泵浦光的高反射率膜13。
36.本实施例中，谐振腔4和放大腔10均由高硼酸玻璃或陶瓷材料制成。
37.本发明借助slm技术提供了一种半导体泵浦原子气体增益介质激光放大器，其兼具气体和全固态(半导体)激光器的优势，可实现高功率、高光束质量、高稳定性、快速便捷改变模式的连续激光输出，其目的在于解决现有高功率半导体激光光束质量不好和现有半导体泵浦气体介质激光器存在的输出功率不高，工作物质污染激光输出窗口以及其工作过程中产生对对人体和环境有毒有害物质以及现有腔外和腔内实现激光模式转换不便捷等问题。
38.本发明的工作原理：
39.本发明包括半导体激光器1、分光镜2、光学整形系统一3、谐振腔4、空间光调制器7、计算机8和放大腔10。其中，谐振腔4和放大腔10为高硼酸玻璃或陶瓷制成，其内部的工作物质为无毒无害、化学性质稳定的稀有气体，气体成份可以是高纯度的单一稀有气体或是由两种稀有气体组成的二元混合气体或是由稀有气体与其他辅助气体组成的多元混合气体；所述半导体激光器1作为泵浦源，其与放电过程共同形成双泵浦过程，在谐振腔4中形成粒子数反转输出种子光9；所述空间光调制器7由计算机8控制，在计算机8中输入需要输出的激光模式对应相位，转换成对应的电压偏置加载至空间光调制器7中的液晶分子，使得液晶分子偏转一定角度，将谐振腔4输出的低功率种子光9调制为所需模式的激光输出，该过程既可以灵活便捷的输出所需的各种激光模式，还规避了损伤阈值对空间光调制器的限制无法直接输出不同模式高功率激光的问题；所述放大腔10基于光纤激光器中常用的mopa放大机构，用于单程吸收放大经过空间光调制器7调制过的种子光9，可将完整保持种子光9模式和放大功率完美结合，在其面向泵浦光入射的一面的泵浦光透光窗口处镀有一层对该泵浦光的高透射率膜，其余内表面镀有一层对该泵浦光的高反射率膜或者在放大腔面向泵浦光入射的一面开设的透光窗口镀有一层对该泵浦光的高透射率膜，其余外表面镀有对该泵浦光的高反射率膜，借助镀膜技术可使放大腔10内形成类似黑体辐射的多光程反射过程，增加半导体激光器1输出的泵浦光与放大腔10内的有效气体增益介质的碰撞几率，提高泵浦效率，。所述分光镜2可以按比例调节半导体激光器1输出的泵浦光能量，有利于控制谐振腔4和放大腔10的注入泵浦光功率密度，实现灵活调节种子光功率，保证种子光功率在空间光调制器7的损伤阈值以下；尾镜5和输出镜6共同构成谐振腔4，用于产生高斯基模的种子光9，其类似与现有激光器中的非稳谐振腔，利用非稳谐振腔技术提取输出激光，具有结构简单紧凑、技术成熟、稳定性好等特点。
40.本激光放大器借助于现有的slm调制技术和mopa放大技术，具有结构紧凑、激光模式便捷可调、输出功率高的特点；其结合气体激光器和半导体激光器的优点，有效解决了半导体激光器光束质量不好以及固态增益介质在高功率下的非线性效应、现有腔外部重塑和腔内相位方式不利于改变激光模式顺序以及slm调制技术受损伤阈值限制无法直接获得不同模式的高功率激光输出等问题，可以实现高功率、灵活便捷的模式调制、高光束质量、窄线宽激光的输出，可有效防止高功率连续单模激光、高功率皮秒飞秒激光的非线性效应，具有激光输出功率高、模式调节便捷、光束质量好、量子效率高、良好的大气与光纤传输特性、加工效率高等特点，是未来太空能量传输、激光精密位移测量、超短脉冲激光大规模工业应用等领域的重要潜在光源。其不同于常规现有激光器，基于slm调制和mopa技术的半导体泵浦气体激光放大器可以在保证种子光模式纯度条件下，实现高光束质量、高功率的激光输
出。
41.总体而言，本发明巧妙结合镀膜、slm调制和mopa放大技术，从以高效便捷的输出不同模式的高光束质量和高功率的连续激光等方面考虑，提供了一种新式激光放大器。
42.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
43.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。