專利名稱：高功率tem的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高功率脈沖放大激光器。
背景技術(shù)：
在本領(lǐng)域中希望主振蕩器功率放大器(MOPA)具有等于15瓦或大于15瓦的輸出。通常，為了脈沖高功率的應(yīng)用，使用可靠的Nd:YAG激光器作為種子激光器和放大器。典型地，由于不存在重疊受激發(fā)射光譜的問(wèn)題，因此這種種子激光器與Nd:YAG放大器相匹配。而且，由于可利用的Nd:YAG晶體的尺寸大并且質(zhì)量高，因此Nd:YAG晶體被用作一個(gè)用于單一縱模應(yīng)用的放大器。然而，這種激光器會(huì)遭受?；?。在Nd:YAG晶體中的熱透鏡會(huì)引發(fā)消偏振，這會(huì)阻止在TEM00或受衍射限制的模下獲得高重復(fù)頻率和高平均功率。在低功率的應(yīng)用中，已經(jīng)提出用于Nd:YAG種子激光器的Nd:YVO4放大器；然而，考慮到它們限于由于熱效應(yīng)而需以等于或小于二(2)瓦泵浦的應(yīng)用中，并且多程結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。二(2)瓦的泵浦功率對(duì)于脈沖高功率應(yīng)用是不夠的。參見(jiàn)美國(guó)專利No.6,373,864(Georges)。為提供高功率放大激光器所作的努力經(jīng)常采用復(fù)雜的多程系統(tǒng)。在本領(lǐng)域中仍然需要高功率簡(jiǎn)單的單程脈沖放大激光器。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明提供一種單程脈沖高功率激光器。期望的單程放大激光器是由于這種激光器的簡(jiǎn)單性、有效性和可靠性。根據(jù)本發(fā)明，該激光器包括一個(gè)Q切換種子激光器，在具有M2＜2的模質(zhì)量的TEM00模下以預(yù)選波長(zhǎng)發(fā)射激光以提供脈沖種子光束。提供一個(gè)或多個(gè)實(shí)質(zhì)上非消偏振的光學(xué)放大器介質(zhì)，例如Nd:YVO4晶體，以與種子激光器進(jìn)行光通信。光學(xué)放大器介質(zhì)具有與所述預(yù)選波長(zhǎng)重疊的受激發(fā)射光譜。提供一個(gè)泵浦源例如二極管，其與所述光學(xué)放大器介質(zhì)進(jìn)行光通信以提供等于或大于15瓦的泵浦功率，從而激勵(lì)光學(xué)放大器介質(zhì)并且放大脈沖種子光束。合成的激光器以來(lái)自于種子光束的單程的預(yù)選波長(zhǎng)產(chǎn)生等于或大于15瓦的輸出功率。該激光器具有簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)并且不需要復(fù)雜的多程構(gòu)造。避免了與Nd:YAG放大器遇到的熱消偏振問(wèn)題。
在本發(fā)明的另一方面，提供一個(gè)溫度控制器用于通過(guò)增加受激發(fā)射光譜和種子光束波長(zhǎng)之間的重疊度，在所選擇的預(yù)選的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光學(xué)放大器介質(zhì)的溫度，從而提高種子光束的放大率。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種脈沖高功率TEM00模激光器，具有通過(guò)放大器介質(zhì)的種子光束的單程。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種脈沖高功率TEM00模激光器，具有降低的模畸變。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種放大Q切換脈沖高功率激光器，在TEM00模下具有等于或大于15瓦的功率輸出。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種放大脈沖高功率激光器，在TEM00模下具有等于或大于50瓦的功率輸出。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種放大脈沖高功率激光器，在TEM00模下具有等于或大于15瓦的功率輸出并且具有單一的縱模。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種多級(jí)放大脈沖高功率激光器，其中每一級(jí)使用等于或大于15瓦的泵浦功率來(lái)泵浦。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種多級(jí)放大脈沖高功率激光器，其中每一級(jí)使用等于或大于25瓦的泵浦功率來(lái)泵浦。
本發(fā)明的一個(gè)目的是克服與使用基于Nd:YAG的放大器的脈沖高功率放大激光器遇到的熱消偏振問(wèn)題。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種脈沖高功率激光器，具有能夠供給各種種子激光器的放大器。
本發(fā)明的一個(gè)目的是降低在脈沖高功率激光器中通過(guò)的數(shù)量。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供脈沖高功率可靠單程放大器。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種簡(jiǎn)單模塊放大器，其所提高的功率基本上與模塊的數(shù)量成比例。
應(yīng)該理解，本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施例不是必須達(dá)到本發(fā)明的每個(gè)目的。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例用附圖和實(shí)施例描述。然而，應(yīng)該清楚地理解，本發(fā)明不單限于該示意性實(shí)施例。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的激光器的示意圖。
圖2是圖1的激光器的部分平面圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的用于放大器介質(zhì)的溫度控制系統(tǒng)的示意圖。
圖4A是根據(jù)本發(fā)明的放大器介質(zhì)冷卻組件的側(cè)面透視圖。
圖4B是根據(jù)本發(fā)明的放大器介質(zhì)冷卻組件的底透視圖。
圖5A是根據(jù)本發(fā)明的時(shí)間脈沖的圖形表示。
圖5B是根據(jù)本發(fā)明的橫模的圖形表示。
圖6是示出了在根據(jù)本發(fā)明的激光器的功率輸出上的放大器溫度效應(yīng)的圖表。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明，提供一種脈沖激光器。該激光器包括一個(gè)Q切換種子激光器，其在模質(zhì)量為M2＜2的TEM00模下以預(yù)選波長(zhǎng)發(fā)射激光，提供一個(gè)功率為從0.1到50瓦，最好為1到25瓦的脈沖種子光束。優(yōu)選地，以單一的縱模使用脈沖傳送該種子光束。最好是，該種子激光器是一個(gè)Nd:YAG激光器，其提供一個(gè)功率為1到25瓦的種子光束。可選地，可以使用光纖激光器或固態(tài)激光器而不是Nd:YAG例如Nd:YVO4。最好是，以1Khz到300Khz，最好是1到150Khz，希望是1到150Khz，例如10到50Khz的高重復(fù)頻率操作該激光器。
提供一個(gè)或多個(gè)基本上非消偏振的Nd:YVO4或Nd:GVO4光學(xué)放大器介質(zhì)晶體，優(yōu)選Nd:YVO4晶體，用于與種子激光器進(jìn)行光通信。優(yōu)選地，使用兩個(gè)或多個(gè)光學(xué)放大器介質(zhì)，最好是四到八個(gè)，例如四個(gè)光學(xué)放大器介質(zhì)。優(yōu)選地，將該激光器構(gòu)造成用于單程操作。該光學(xué)放大器介質(zhì)具有與種子激光器的預(yù)選波長(zhǎng)重疊的受激發(fā)射光譜。提供一個(gè)泵浦源，例如二極管，優(yōu)選二極管陣列，用于與該光學(xué)放大器介質(zhì)進(jìn)行光通信以提供等于或大于15瓦的泵浦功率，從而激勵(lì)放大器介質(zhì)并且放大脈沖種子光束。優(yōu)選地，將15瓦到100瓦的泵浦功率施加到每個(gè)光學(xué)放大器介質(zhì)中，最好是20到60瓦。最好是，放大器晶體是端面泵浦的。合成的激光器以預(yù)選波長(zhǎng)產(chǎn)生等于或大于15瓦的輸出功率。最好是，在每個(gè)光學(xué)放大器介質(zhì)中獲得大約10瓦或大于10瓦的輸出功率。最好是，根據(jù)本發(fā)明的激光器能夠產(chǎn)生具有單一縱模的脈沖高功率光束。與多程結(jié)構(gòu)相比，該激光器是簡(jiǎn)單、有效且較可靠的，同時(shí)仍然產(chǎn)生脈沖高功率輸出。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一個(gè)溫度控制器以在選擇的預(yù)選范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光學(xué)放大器媒質(zhì)的溫度，以便通過(guò)增加受激發(fā)射光譜和種子光束波長(zhǎng)之間的重疊度來(lái)提高種子光束的放大率。如圖6所示，在等于或小于幾度的所期望的范圍內(nèi)優(yōu)選在1℃的范圍內(nèi)，最好在0.5℃的范圍內(nèi)，對(duì)晶體溫度進(jìn)行控制能夠提高效率，增加功率輸出。能夠直接或間接地冷卻該放大器介質(zhì)。
優(yōu)選地，當(dāng)使用晶體發(fā)射激光介質(zhì)作為種子激光器時(shí)，優(yōu)選控制激光器晶體的溫度?？梢匀绻F(xiàn)有技術(shù)那樣直接或間接地冷卻該激光器。對(duì)該溫度進(jìn)行控制以便可以輕微地調(diào)節(jié)從種子激光器中所傳播出的光束的波長(zhǎng)，用于提高放大器介質(zhì)的受激發(fā)射光譜和種子光束之間的重疊度。
最好是，沿著放大光束的路徑在該光束被下一個(gè)放大器接收到之前提供一個(gè)準(zhǔn)直儀。該準(zhǔn)直儀優(yōu)選用于三個(gè)目的。第一，通過(guò)對(duì)從先前的放大器介質(zhì)中所傳播出的光束在其通過(guò)下一個(gè)放大器介質(zhì)之前進(jìn)行準(zhǔn)直，能夠基本上補(bǔ)償在光學(xué)放大器中的熱透鏡效應(yīng)。第二，除了補(bǔ)償熱透鏡效應(yīng)，最好是準(zhǔn)直光學(xué)裝置能夠?qū)ΨN子光束進(jìn)行成形，以便為了具有最大的放大效率而提供一種在泵浦光束和種子光束之間能夠匹配的好模。第三，該準(zhǔn)直儀調(diào)節(jié)放大光束的光點(diǎn)尺寸以在放大器介質(zhì)中獲得一個(gè)優(yōu)選的光束強(qiáng)度。優(yōu)選地，沿著放大光束的路徑在該光束被下一個(gè)放大器介質(zhì)接收到之前提供一個(gè)與每個(gè)光放大器介質(zhì)進(jìn)行光通信的準(zhǔn)直儀。該準(zhǔn)直儀可以是一個(gè)透鏡，或者一個(gè)曲面鏡，多個(gè)曲面鏡，多個(gè)透鏡，或者用于在與一個(gè)或多個(gè)光學(xué)放大器介質(zhì)進(jìn)行光通信中提供的多個(gè)鏡子和多個(gè)透鏡的組合。可選地，可以通過(guò)在晶體的一端或兩端研磨凹曲度來(lái)在晶體放大器介質(zhì)的一端或者兩端提供該準(zhǔn)直儀。該準(zhǔn)直儀的一個(gè)目的是將種子光束與在端面泵浦系統(tǒng)中的二極管泵浦光束基本上模匹配。在放大器介質(zhì)中的種子光束的光點(diǎn)尺寸被設(shè)計(jì)成使得種子光束的強(qiáng)度優(yōu)選在所述放大器介質(zhì)的飽和強(qiáng)度的101到105倍的范圍內(nèi)，這里對(duì)于四級(jí)激光系統(tǒng)，例如，Nd:YVO4或Nd:GVO4而言，飽和強(qiáng)度等于Isat＝h/(21*f)。例如，Nd:YVO4放大器介質(zhì)的飽和強(qiáng)度近似為1.3×103瓦/厘米2。由于種子光束的強(qiáng)度在飽和強(qiáng)度的101到105倍最好是為102到104倍的范圍內(nèi)，因此種子光束的單程對(duì)提取存儲(chǔ)在放大器介質(zhì)中的相當(dāng)大量的可用增益是有效的。在這種情況下，到放大器介質(zhì)的多于一次通過(guò)將不會(huì)產(chǎn)生有意義的功率增益，并且不利的是，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。優(yōu)選地，初始種子光束依靠其模和形狀受控于準(zhǔn)直光學(xué)裝置，從而在第一放大器介質(zhì)中獲得期望的光束強(qiáng)度，并且與泵浦光束模匹配。
合成的激光器在幾乎不具有?；兊腡EM00模下具有15瓦或優(yōu)選大于50瓦或最好是等于或大于100瓦的脈沖高功率輸出。最好是，輸出光束具有單一縱模?；旧媳苊饬送ǔＳ蒒d:YAG激光器遇到的消偏振問(wèn)題。提供一種具有脈沖高功率輸出的簡(jiǎn)單單程系統(tǒng)。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一個(gè)用于提供具有模塊放大器的脈沖高功率激光器的系統(tǒng)，這里功率輸出的升高基本上與所增加的放大器模塊的數(shù)量成比例。最好是，每個(gè)放大器模塊的功率輸出是等于或大于10瓦，優(yōu)選為15到20瓦或更多。該激光器包括一個(gè)Q切換種子激光器，其提供在具有M2＜2的模質(zhì)量的TEM00模下并且在單程種子光束路徑上的一個(gè)具有預(yù)選波長(zhǎng)的脈沖種子光束。提供第一或第二或更多的附加放大器模塊最好是4個(gè)或更多。每個(gè)放大器模塊具有一個(gè)非消偏振Nd:YVO4或Nd:GVO4光學(xué)放大器晶體，用于在入口端接收脈沖種子光束并且向出口端傳送一個(gè)放大種子光束。該光學(xué)放大器晶體具有與種子激光器的波長(zhǎng)重疊的受激發(fā)射光譜。提供一個(gè)泵浦源，用于與所述光學(xué)放大器晶體進(jìn)行光通信以提供等于或大于15瓦的泵浦功率，從而激勵(lì)光學(xué)放大器晶體并且放大種子光束。第一放大器模塊位于種子光束路徑上以接收和放大種子光束并且在第一模塊出口路徑上傳送放大種子光束。第二放大器模塊位于第一模塊出口路徑上以通過(guò)第二模塊單程接收和放大來(lái)自第一模塊的放大種子光束并且在第二模塊出口路徑上傳送一個(gè)放大種子光束。沿第一模塊出口路徑在沿該路徑的一個(gè)位置上設(shè)置一個(gè)準(zhǔn)直儀，以至于在放大種子光束通過(guò)光學(xué)放大器晶體之前該放大種子光束通過(guò)該準(zhǔn)直儀。每個(gè)附加放大器模塊位于先前放大器模塊的模塊出口路徑上，以通過(guò)附加模塊單程接收和放大來(lái)自先前模塊的放大種子光束并且在附加模塊的出口路徑上傳送一個(gè)放大種子光束。在放大種子光束通過(guò)光學(xué)放大器晶體以對(duì)附加放大種子光束進(jìn)行準(zhǔn)直以前，沿先前放大器模塊的所述模塊出口路徑在一個(gè)點(diǎn)設(shè)置每個(gè)附加放大器模塊的附加準(zhǔn)直儀。最后的附加放大器模塊出口路徑通常是激光器的出口路徑。在兩個(gè)模塊的系統(tǒng)中，最后的附加模塊是第二模塊。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明，提供一個(gè)具有等于或大于四個(gè)最好是四到八個(gè)放大器模塊的脈沖高功率激光器，其輸出功率等于或大于80瓦，最好是等于或大于100瓦。最好是，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一個(gè)簡(jiǎn)單的模塊放大器，它的功率的升高可以與模塊的數(shù)量基本上成比例。
參考圖1和圖2，根據(jù)本發(fā)明提供一個(gè)單程激光器。提供一個(gè)種子激光器組件30。該種子激光器組件包括一個(gè)種子激光器，最好是光纖激光器或者晶體激光器，優(yōu)選Nd:YAG激光器SL，其以1064.2nm發(fā)射激光并且在TEM00模下具有10瓦的功率輸出，最好具有優(yōu)選以大約1064.2nm并以10Khz的重復(fù)頻率的單一的縱模。從激光器SL所傳播出的光束直接被對(duì)準(zhǔn)到一個(gè)隔離器，其優(yōu)選包括一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器FR，一個(gè)輸入偏光器IP和一個(gè)輸出偏光器OP。提供一個(gè)半波片WP用于與從隔離器IS所傳播出的光束進(jìn)行光通信。可選地，折疊式反射鏡32將從該波片WP所傳播出的光束對(duì)準(zhǔn)到可選的準(zhǔn)直光學(xué)裝置34。最好是，該準(zhǔn)直光學(xué)裝置34是一個(gè)或多個(gè)透鏡，最好如圖2所示，最好是兩個(gè)(2)。從準(zhǔn)直光學(xué)裝置所傳播出的光束被對(duì)準(zhǔn)到折疊式反射鏡36并且被反射到種子激光器組件30的外部到達(dá)平面鏡38，用于引入到光束放大器中。準(zhǔn)直光學(xué)裝置34對(duì)種子光束進(jìn)行進(jìn)行準(zhǔn)直以便將種子光束與來(lái)自二極管LD1和LD2的泵浦光束進(jìn)行模匹配，這里模尺寸由種子光束的強(qiáng)度、泵浦光束的強(qiáng)度和放大器介質(zhì)的飽和強(qiáng)度決定，以便有效地將泵浦功率轉(zhuǎn)換成放大功率。
根據(jù)本發(fā)明的激光放大器包括一個(gè)或多個(gè)基本上非消偏振的光學(xué)晶體，例如一個(gè)或多個(gè)Nd:YVO4或Nd:GVO4晶體，優(yōu)選地，提供一個(gè)或多個(gè)Nd:YVO4晶體用于與種子激光器SL進(jìn)行光通信，以便提供到每個(gè)光學(xué)放大器的種子光束的單程。優(yōu)選地，在單程結(jié)構(gòu)中提供兩個(gè)或多個(gè)具有與種子激光器30的波長(zhǎng)重疊的受激發(fā)射光譜的光學(xué)放大器介質(zhì)，最好是四個(gè)到八個(gè)，例如四個(gè)光學(xué)放大器介質(zhì)。如圖1和2所示，最好使用四個(gè)Nd:YVO4晶體82、84、86和88。Nd:YVO4晶體的受激發(fā)射光譜包括種子光束的1064.2nm波長(zhǎng)。實(shí)質(zhì)上在Nd:YVO4晶體的受激發(fā)射光譜和1064nm的種子光束之間存在重疊。
根據(jù)本發(fā)明，鏡36將種子激光器光束對(duì)準(zhǔn)到具有四個(gè)級(jí)或模塊SG1、SG2、SG3和SG4的放大器60內(nèi)，并且單程通過(guò)每個(gè)模塊。每個(gè)模塊包括Nd:YVO4晶體和反射面和泵浦源。提供平面鏡38用于與鏡36和優(yōu)選為Nd:YVO4晶體82的第一模塊光學(xué)介質(zhì)進(jìn)行光通信。在與第一模塊光學(xué)介質(zhì)82相對(duì)的一端，提供一個(gè)光束準(zhǔn)直儀。最好是，在Nd:YVO4晶體中的熱透鏡效應(yīng)通過(guò)對(duì)從放大器介質(zhì)82所傳播出的光束進(jìn)行準(zhǔn)直而被基本上補(bǔ)償。最好是，準(zhǔn)直儀也提供用于下一個(gè)放大級(jí)的所期望的放大器種子光束直徑。因此。提供例如一個(gè)負(fù)透鏡或一個(gè)凸鏡或多個(gè)透鏡和/或反射鏡來(lái)與一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選為每一個(gè)光學(xué)放大器晶體進(jìn)行光通信。可選地，通過(guò)在放大器晶體的一端或兩端研磨凸曲度，在放大器晶體的一端或兩端提供一個(gè)準(zhǔn)直儀。
優(yōu)選地，提供一個(gè)具有例如-300mm曲度的凸鏡40。在與放大器晶體82進(jìn)行光通信中，最好是，該鏡40作為反射器來(lái)對(duì)來(lái)自第一放大器模塊SG1的光束進(jìn)行反射，作為到達(dá)下一個(gè)放大器模塊的放大種子光束。鏡40是反射的，優(yōu)選是對(duì)1064nm的種子光束波長(zhǎng)進(jìn)行高反射，并且鏡40是透射的，優(yōu)選對(duì)于808nm的泵浦光束波長(zhǎng)進(jìn)行高透射。提供一個(gè)泵浦源，優(yōu)選一個(gè)端面泵浦源，例如二極管，用于與光學(xué)放大器介質(zhì)82進(jìn)行光通信，以提供等于或大于15瓦的泵浦功率，來(lái)激勵(lì)放大器介質(zhì)82并且單程放大脈沖種子光束。優(yōu)選地，將15瓦到100瓦泵浦功率施加到每個(gè)光學(xué)放大器介質(zhì)，最好是20到60瓦。最好如圖1和2所示，提供多個(gè)光纖耦合二極管陣列LD1和LD2用于分別與鏡40和38進(jìn)行光通信，從而為了達(dá)到50瓦的泵浦功率，以大約808nm的波長(zhǎng)的來(lái)自每個(gè)末端的大約25瓦來(lái)端面泵浦光學(xué)放大器82。
提供第二放大器模塊SG2用于與第一放大器模塊SG1進(jìn)行光通信。在從光學(xué)放大器介質(zhì)82所傳播出的放大光束通過(guò)第二模塊光學(xué)放大器介質(zhì)84之前，放大光束入射到準(zhǔn)直儀上。該準(zhǔn)直儀可以是一個(gè)透鏡，或者一個(gè)曲面鏡，多個(gè)曲面鏡，多個(gè)透鏡，或者用于在與一個(gè)或多個(gè)光學(xué)放大器介質(zhì)進(jìn)行光通信中提供的多個(gè)鏡子和多個(gè)透鏡的組合?？蛇x地，通過(guò)在晶體的一端或兩端研磨凹曲度，在晶體放大器介質(zhì)的一端或兩端提供一個(gè)準(zhǔn)直儀。最好是，第二模塊準(zhǔn)直儀是具有-300mm曲度的準(zhǔn)直儀凸鏡42和具有例如-300mm曲度的凸鏡40的組合，并且兩個(gè)凸鏡相互進(jìn)行光通信。最好是，提供具有-500mm曲度的凸鏡44用于與鏡42進(jìn)行光通信。放大器介質(zhì)84位于鏡42和鏡44之間。兩個(gè)準(zhǔn)直儀鏡42和44是反射的，優(yōu)選是對(duì)這里的1064nm的種子光束波長(zhǎng)進(jìn)行高反射，并且是透射的，優(yōu)選對(duì)于808nm的泵浦光束波長(zhǎng)進(jìn)行高透射。提供泵浦源例如二極管用于與光學(xué)放大器介質(zhì)84進(jìn)行光通信來(lái)提供等于或大于15瓦的泵浦功率，來(lái)激勵(lì)放大器介質(zhì)84并且放大來(lái)自第一放大器模塊SG1的脈沖種子光束，該脈沖種子光束單程通過(guò)放大器介質(zhì)84。提供二極管LD3和LD4用于分別與鏡44和42進(jìn)行光通信，從而為了達(dá)到50瓦的泵浦功率，以大約808nm的波長(zhǎng)的來(lái)自每個(gè)末端的25瓦來(lái)端面泵浦光學(xué)放大器84。準(zhǔn)直儀鏡40和42基本上將從放大器介質(zhì)82所傳播出的光束與從二極管陣列LD3和LD4所傳播出的泵浦光束模匹配，并且補(bǔ)償在放大光束上的第一放大器晶體的熱透鏡效應(yīng)，并且優(yōu)選地提供一種強(qiáng)度在飽和強(qiáng)度的101到105倍最好為102到104倍的范圍內(nèi)的放大器種子光束。
提供第三放大器模塊SG3用于與第二放大器模塊SG2進(jìn)行光通信。在從光學(xué)放大器介質(zhì)84所傳播出的放大光束通過(guò)第三模塊光學(xué)放大器介質(zhì)86之前，放大光束通過(guò)準(zhǔn)直儀。該準(zhǔn)直儀可以是一個(gè)透鏡，或者一個(gè)曲面鏡，多個(gè)曲面鏡，多個(gè)透鏡，或者用于在與一個(gè)或多個(gè)光學(xué)放大器介質(zhì)進(jìn)行光通信中提供的多個(gè)鏡子和多個(gè)透鏡的組合?？蛇x地，通過(guò)在晶體的一端或兩端研磨凹曲度，在晶體放大器介質(zhì)的一端或兩端提供一個(gè)準(zhǔn)直儀。最好是，光束準(zhǔn)直儀是具有-500mm曲度的準(zhǔn)直儀凸鏡44和具有例如-700mm曲度的凸鏡46的組合，并且兩個(gè)凸鏡相互進(jìn)行光通信。鏡44將從光學(xué)放大器介質(zhì)84所傳播出的放大光束作為種子光束對(duì)準(zhǔn)第三放大器模塊SG3。最好是，提供具有-500mm曲度的凸鏡48用于與鏡46進(jìn)行光通信。放大器介質(zhì)86位于鏡46和鏡48之間。兩個(gè)鏡46和48是反射的，優(yōu)選是對(duì)1064nm的種子光束波長(zhǎng)進(jìn)行高反射，并且是透射的，優(yōu)選對(duì)于808nm的泵浦光束波長(zhǎng)進(jìn)行高透射。提供一個(gè)泵浦源例如二極管用于與光學(xué)放大器介質(zhì)86進(jìn)行光通信來(lái)提供等于或大于15瓦的泵浦功率，來(lái)激勵(lì)放大器介質(zhì)86并且單程放大來(lái)自SG2的脈沖光束。提供二極管LD5和LD6用于分別與鏡46和48進(jìn)行光通信來(lái)，從而為了達(dá)到50瓦的泵浦功率，以來(lái)自每個(gè)末端的大約25瓦并以大約808nm的波長(zhǎng)來(lái)端面泵浦光學(xué)放大器86。準(zhǔn)直儀鏡44和46也將從放大器介質(zhì)84所傳播出的光束與從二極管陣列LD5和LD6所傳播出的泵浦光束模匹配，并且補(bǔ)償在放大光束上的第二放大器晶體的熱透鏡效應(yīng)，并且優(yōu)選地提供一種強(qiáng)度在飽和強(qiáng)度的101到105倍最好為102到104倍的范圍內(nèi)的放大器種子光束。
提供第四放大器模塊SG4用于與第三放大器模塊SG3進(jìn)行光通信。在從光學(xué)放大器介質(zhì)86所傳播出的放大光束通過(guò)第四模塊光學(xué)放大器介質(zhì)88之前，放大光束入射到準(zhǔn)直儀上。該準(zhǔn)直儀可以是一個(gè)透鏡，或者一個(gè)曲面鏡，多個(gè)曲面鏡，多個(gè)透鏡，或者用于在與一個(gè)或多個(gè)光學(xué)放大器介質(zhì)進(jìn)行光通信中提供的多個(gè)鏡子和多個(gè)透鏡的組合?？蛇x地，通過(guò)在晶體的一端或兩端研磨凹曲度，在晶體放大器介質(zhì)的一端或兩端提供一個(gè)準(zhǔn)直儀。最好是，光束準(zhǔn)直儀是具有-500mm曲度的準(zhǔn)直儀凸鏡48和具有例如-700mm曲度的凸鏡50的組合，并且兩個(gè)凸鏡相互進(jìn)行光通信。最好是，具有-500mm曲度的凸鏡52用于與鏡50進(jìn)行光通信。放大器介質(zhì)88位于鏡50和鏡52之間。兩個(gè)鏡50和52是反射的，優(yōu)選是對(duì)這里的1064nm的種子光束波長(zhǎng)進(jìn)行高反射，并且是透射的，優(yōu)選對(duì)于808nm的泵浦光束波長(zhǎng)進(jìn)行高透射。提供一個(gè)泵浦源例如二極管用于與光學(xué)放大器介質(zhì)88進(jìn)行光通信來(lái)提供等于或大于15瓦的泵浦功率，來(lái)激勵(lì)放大器介質(zhì)54并且放大來(lái)自第三級(jí)的脈沖光束。提供二極管LD7和LD8用于分別與鏡52和50進(jìn)行光通信，從而為了達(dá)到50瓦的泵浦功率，以來(lái)自每個(gè)末端的25瓦并以大約808nm的波長(zhǎng)來(lái)端面泵浦光學(xué)放大器88。準(zhǔn)直儀鏡48和50也將從放大器介質(zhì)88所傳播出的光束與從二極管陣列LD75和LD8所傳播出的泵浦光束模匹配，并且補(bǔ)償在放大光束上的第三放大器晶體的熱透鏡效應(yīng)，并且優(yōu)選地提供一種強(qiáng)度在飽和強(qiáng)度的101到105倍最好為102到104倍的范圍內(nèi)的放大種子光束。
提供準(zhǔn)直光學(xué)裝置最好是一個(gè)凸透鏡56用于與鏡52進(jìn)行光通信，并且將來(lái)自第四級(jí)的光束進(jìn)行準(zhǔn)直，并且將放大光束對(duì)準(zhǔn)放大器的外部。
最好如圖3和4所示，控制晶體放大器54的溫度。最好如圖6所示，根據(jù)本發(fā)明的激光器的功率輸出隨著放大器晶體的溫度而變化。因此，放大器晶體的溫度最好優(yōu)選控制在一個(gè)較窄的范圍內(nèi)，優(yōu)選等于或小于1℃或者最好為大約0.5℃。根據(jù)本發(fā)明，晶體放大器被直接或間接冷卻。由于在放大過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱，因此對(duì)放大器介質(zhì)54的溫度控制需要對(duì)該介質(zhì)進(jìn)行冷卻。
圖3和圖4示出一個(gè)所希望的間接冷卻的實(shí)施方式。最好如圖3的框圖中所示的，放大器晶體安置在導(dǎo)熱的優(yōu)選為銅的放大器介質(zhì)塊中。最好是，該晶體至少部分與該塊接觸，因此在該塊和該晶體之間存在導(dǎo)熱關(guān)系。最好是，該晶體被導(dǎo)熱箔包裹，該導(dǎo)熱箔最好是銦箔，該銦箔是高導(dǎo)熱材料并且允許在晶體和導(dǎo)熱放大器介質(zhì)塊之間進(jìn)行較均勻的導(dǎo)熱。被包裹的晶體接觸該放大器介質(zhì)塊。該塊與冷卻器連接。冷卻液體，最好是冷卻水，被送到該放大器介質(zhì)塊，通過(guò)導(dǎo)管進(jìn)入到該塊內(nèi)以冷卻該塊。然后，該液體，優(yōu)選為水，或者被送到排水管，或者優(yōu)選返回到冷卻器。提供一個(gè)溫度控制器用于控制由冷卻器提供的水的溫度。提供一個(gè)溫度傳感器68用于直接或間接地監(jiān)控放大器晶體的溫度，并且用于檢測(cè)該晶體溫度的變化。可選地，也提供一個(gè)輸出功率傳感器用于檢測(cè)該激光器的功率輸出。溫度傳感器能夠直接監(jiān)控晶體溫度、放大器介質(zhì)塊溫度或者可選地監(jiān)控存在于放大器介質(zhì)塊中的冷卻水的溫度。優(yōu)選地，在以不同的晶體溫度組合以確定在功率輸出上晶體溫度的效應(yīng)之后，測(cè)量該激光器。所有或一些晶體被溫度監(jiān)控，所述晶體最好是最后的晶體例如在第四級(jí)模塊SG4中的晶體。然后，優(yōu)選地，確定圖6所示的功率輸出/晶體溫度的關(guān)系，優(yōu)選地選擇目標(biāo)功率輸出和相應(yīng)所期望的晶體溫度來(lái)將功率輸出最大化。在使用中，檢測(cè)晶體溫度并且將其與所期望的溫度相比較，并且依靠在所檢測(cè)到的溫度與所期望的溫度之間的差異，溫度控制器維持、增加或減少由冷卻器所提供的水的溫度，以隨意地維持提高或降低晶體溫度。
參考圖4A和4B，放大器晶體54優(yōu)選由導(dǎo)熱材料包裹，導(dǎo)熱材料最好是箔，優(yōu)選為銦箔，每個(gè)放大器晶體安置在放大器介質(zhì)塊70中。該塊70包括晶體安裝頂部62和晶體安裝底部66，其容納和包圍放大器晶體54。晶體安裝頂部62和晶體安裝底部66由導(dǎo)熱材料優(yōu)選為銅制成，并且優(yōu)選通過(guò)銦箔的包裹包圍且導(dǎo)熱地接觸放大器晶體54。提供水導(dǎo)管來(lái)通過(guò)晶體安裝頂部62和底部66。通過(guò)入口72將來(lái)自冷卻器的水提供到該導(dǎo)管中，水通過(guò)晶體安裝頂部62和底部66中的導(dǎo)管。該冷卻水冷卻晶體安裝頂部和底部。由于放大器晶體54與導(dǎo)熱的銅晶體安裝頂部和底部導(dǎo)熱地接觸，因此被冷卻的晶體安裝部分冷卻了放大器晶體。提供一個(gè)溫度傳感器用于直接或間接地監(jiān)控放大器晶體54的溫度，并且檢測(cè)晶體溫度的變化。該傳感器能夠直接接觸晶體54，接觸晶體安裝頂部62或底部66或者能夠可選地監(jiān)控存在于晶體安裝部分中的冷卻水的溫度。優(yōu)選地，提供一個(gè)傳感器68用于與晶體安裝頂部或底部接觸，優(yōu)選與放大器晶體54相鄰。在組裝之后，操作激光器并且研究功率輸出和晶體溫度之間的關(guān)系。
圖6示出了圖1和2中的激光器的溫度和功率輸出的關(guān)系。如圖6所示，對(duì)于圖1和2的裝置，大約85瓦的最大功率輸出發(fā)生在大約18°處，并且此處的溫度被選為目標(biāo)溫度。參考圖6，2°的溫度變化(從18°到16°)將導(dǎo)致僅僅大約83瓦的功率輸出。最大功率輸出溫度能夠根據(jù)種子光束的實(shí)際波長(zhǎng)而變化。對(duì)溫度控制器進(jìn)行編程以便當(dāng)所檢測(cè)到的溫度與目標(biāo)之間的差異大于預(yù)選數(shù)量例如0.5℃時(shí)，改變到放大器介質(zhì)塊的冷卻水的溫度來(lái)升高或降低放大器晶體的溫度。最好是，冷卻水是以0.1℃的增量升高或降低的。冷卻水的初始溫度根據(jù)所使用的放大器介質(zhì)數(shù)量和冷卻器所提供的水量而變化。
圖1的合成輸出光束在TEM00模下具有大于80瓦的功率，并且具有單一縱模。如圖5B所示，暫時(shí)輪廓揭示出輸出光束是一個(gè)受衍射限制的TEM00光束。圖5A是由Spiricon LBA-100所產(chǎn)生的光束強(qiáng)度輪廓，這里示出了它是一個(gè)具有受衍射限制的強(qiáng)度分布的完美的TEM00模。并且圖5B示出了在大約FWHM為55毫微秒處的暫時(shí)脈沖輪廓，這里激光器的重復(fù)頻率是10Khz。
上述內(nèi)容僅是對(duì)本發(fā)明的原理作示意性的描述。而且，由于本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出多種變化和修改，因此不希望將本發(fā)明限于上述或如上所示的確切的結(jié)構(gòu)和操作，并且因此，所有適合的修改和等同物可以落入本發(fā)明的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種激光器，包括a)一個(gè)Q切換種子激光器，在TEM00模下以預(yù)選波長(zhǎng)發(fā)射激光，該模具有M2＜2的模質(zhì)量并且提供在單程種子光束路徑上脈沖種子光束；b)一個(gè)或多個(gè)光學(xué)放大器介質(zhì)；所述光學(xué)放大器介質(zhì)是具有受激發(fā)射光譜的Nd:YVO4或Nd:GVO4晶體，所述光學(xué)放大器介質(zhì)與所述種子激光器進(jìn)行光通信以產(chǎn)生放大光束；c)所述預(yù)選波長(zhǎng)與所述光學(xué)放大器介質(zhì)的所述受激發(fā)射光譜重疊；d)一個(gè)泵浦源，與所述光學(xué)放大器介質(zhì)進(jìn)行光通信以提供等于15瓦或大于15瓦的泵浦功率，從而激勵(lì)所述介質(zhì)并且放大所述脈沖種子光束；e)所述放大光束具有等于10瓦或大于10瓦的輸出功率。
2.如權(quán)利要求1所述的激光器，其中所述光學(xué)放大器介質(zhì)是Nd:YVO4晶體。
3.如權(quán)利要求2所述的激光器，其中所述脈沖種子光束具有單一的縱模。
4.如權(quán)利要求2所述的激光器，其中所述光學(xué)放大器是被泵浦源所端面泵浦的。
5.如權(quán)利要求2所述的激光器，其中所述種子激光器是光纖激光器。
6.如權(quán)利要求2到4中的任一個(gè)權(quán)利要求所述的激光器，其中所述種子激光器是Nd:YAG激光器。
7.如權(quán)利要求2到4中的任一個(gè)權(quán)利要求所述的激光器，其中所述種子激光器是Nd:YVO4激光器。
8.如權(quán)利要求2所述的激光器，還包括一個(gè)光學(xué)放大器溫度調(diào)節(jié)器，其控制所述光學(xué)放大器介質(zhì)溫度以提高所述種子光束的放大率。
9.如權(quán)利要求8所述的激光器，其中所述光學(xué)放大器溫度調(diào)節(jié)器包括i)一個(gè)溫度傳感器，確定所述光學(xué)放大器介質(zhì)的溫度；ii)一個(gè)冷卻器，用于冷卻一種超過(guò)預(yù)選溫度范圍的液體；所述冷卻器在所述預(yù)選溫度范圍內(nèi)的冷卻液體溫度上提供一種冷卻液體。iii)一旦收到來(lái)自所述溫度傳感器的信號(hào)，所述冷卻液體溫度隨著所述光學(xué)放大器介質(zhì)的溫度的變化而變化；iv)所述冷卻液體溫度變化以控制所述光學(xué)放大器介質(zhì)的溫度處于預(yù)定的溫度范圍內(nèi)，從而提高了所述放大光束的功率。
10.如權(quán)利要求9所述的激光器，其中所述預(yù)定溫度范圍是大約1℃或小于1℃。
11.如權(quán)利要求9所述的激光器，還包括f)所述光學(xué)放大器介質(zhì)安置在導(dǎo)熱殼體上；g)所述殼體具有貫通其的液體通道，所述液體通道具有液體入口和出口；h)所述冷卻器將液體提供到所述導(dǎo)熱殼體中的所述液體入口；i)所述溫度傳感器直接或間接地監(jiān)控放大器介質(zhì)的溫度。
12.如權(quán)利要求11所述的激光器，所述溫度傳感器對(duì)所述冷卻器發(fā)出信號(hào)以響應(yīng)所述放大器介質(zhì)的溫度、通過(guò)所述液體出口流動(dòng)的液體或所述導(dǎo)熱殼體的溫度，調(diào)節(jié)所述入口液體的溫度，從而控制所述放大器介質(zhì)的溫度。
13.如權(quán)利要求11所述的激光器，其中所述光學(xué)放大器介質(zhì)由銦箔所包裹。
14.如權(quán)利要求13所述的激光器，其中所述液體是水。
15.如權(quán)利要求14所述的激光器，其中所述溫度傳感器對(duì)所述冷卻器發(fā)出信號(hào)以響應(yīng)所述導(dǎo)熱殼體的溫度，調(diào)節(jié)所述入口水的溫度，從而控制所述放大器介質(zhì)的溫度。
16.如權(quán)利要求1所述的激光器，還包括一個(gè)準(zhǔn)直儀，其與每個(gè)光學(xué)放大器介質(zhì)進(jìn)行光通信以將種子光束準(zhǔn)直到放大器介質(zhì)中，從而確保種子光束和泵浦光束之間基本上模匹配。
17.如權(quán)利要求1所述的激光器，還包括一個(gè)準(zhǔn)直儀，其與每個(gè)光學(xué)放大器介質(zhì)進(jìn)行光通信以將種子光束準(zhǔn)直到放大器介質(zhì)中，從而確保種子光束和泵浦光束之間基本上模匹配并補(bǔ)償在放大的光束中的熱透鏡效應(yīng)。
18.如權(quán)利要求1所述的激光器，還包括一個(gè)準(zhǔn)直儀，其與每個(gè)光學(xué)放大器介質(zhì)進(jìn)行光通信以將種子光束準(zhǔn)直到放大器介質(zhì)中，從而確保種子光束和泵浦光束之間基本上模匹配并且形成種子光束強(qiáng)度在放大器介質(zhì)飽和強(qiáng)度的101到105倍的范圍內(nèi)的種子光束。
19.如權(quán)利要求1所述的激光器，還包括一個(gè)準(zhǔn)直儀，其與每個(gè)光學(xué)放大器介質(zhì)進(jìn)行光通信以將種子光束準(zhǔn)直到放大器介質(zhì)中，從而確保種子光束和泵浦光束之間基本上模匹配并且形成種子光束強(qiáng)度在102到104倍的放大器介質(zhì)飽和強(qiáng)度的范圍內(nèi)的種子光束。
20.一種激光器，包括a)一個(gè)Q切換種子激光器，在具有M2＜2的模質(zhì)量的TEM00模下并且在單程種子光束路徑上提供一個(gè)具有預(yù)選波長(zhǎng)的脈沖種子光束；b)第一和第二或更多附加的放大器模塊，所述激光器終止于一個(gè)最后的附加模塊；c)每個(gè)所述的放大器模塊具有i)一個(gè)非消偏振Nd:YVO4或Nd:GVO4光學(xué)放大器晶體，用于在入口端接收脈沖種子光束并且向出口端傳送一個(gè)放大種子光束；ii)所述光學(xué)放大器晶體具有與所述預(yù)選波長(zhǎng)重疊的受激發(fā)射光譜；iii)一個(gè)泵浦源，與所述光學(xué)放大器晶體進(jìn)行光通信以提供等于15瓦或大于15瓦的泵浦功率，從而激勵(lì)所述光學(xué)放大器晶體并且放大所述種子光束；d)所述第一放大器模塊位于所述種子光束路徑上以接收和放大所述種子光束并且在第一模塊出口路徑上傳送所述放大種子光束；f)所述第二放大器模塊位于所述第一模塊出口路徑上以通過(guò)所述第二模塊單程接收和放大來(lái)自所述第一模塊的所述放大種子光束并且在第二模塊出口路徑上傳送一個(gè)放大種子光束；g)一個(gè)準(zhǔn)直儀，在所述放大種子光束通過(guò)所述光學(xué)放大器晶體以對(duì)所述放大種子光束進(jìn)行準(zhǔn)直以前沿所述第一模塊出口路徑設(shè)置該準(zhǔn)直儀；h)每個(gè)所述附加放大器模塊位于先前放大器模塊的模塊出口路徑上，以通過(guò)所述附加模塊單程接收和放大來(lái)自先前模塊的所述放大種子光束并且在附加模塊的出口路徑上傳送一個(gè)放大種子光束；i)用于每個(gè)附加放大器模塊的附加準(zhǔn)直儀，在所述放大種子光束通過(guò)所述光學(xué)放大器晶體以對(duì)所述放大種子光束進(jìn)行準(zhǔn)直以前沿先前放大器模塊的所述模塊出口路徑設(shè)置該附加準(zhǔn)直儀；j)所述最后的附加放大器模塊出口路徑是激光器的出口路徑。
21.如權(quán)利要求20所述的激光器，還包括k)一個(gè)準(zhǔn)直儀，在所述種子光束通過(guò)所述光學(xué)放大器晶體以對(duì)所述種子光束進(jìn)行準(zhǔn)直以前沿所述種子光束路徑設(shè)置該準(zhǔn)直儀；
22.如權(quán)利要求20所述的激光器，還包括l)所述激光器產(chǎn)生用于每個(gè)模塊的等于10瓦或大于10瓦的輸出功率。
23.如權(quán)利要求20所述的激光器，其中所述種子激光器是Nd:YAG激光器。
24.如權(quán)利要求20所述的激光器，其中所述光學(xué)放大器晶體是Nd:YVO4放大器晶體。
25.如權(quán)利要求20所述的激光器，其中所述準(zhǔn)直儀對(duì)放大種子光束進(jìn)行準(zhǔn)直以確保種子光束和泵浦光束之間基本上模匹配。
26.如權(quán)利要求20或25所述的激光器，其中所述準(zhǔn)直儀形成種子光束強(qiáng)度在放大器介質(zhì)飽和強(qiáng)度的101到105倍的范圍內(nèi)的種子光束。
27.如權(quán)利要求20或25所述的激光器，其中所述準(zhǔn)直儀形成種子光束強(qiáng)度在102到104倍的放大器介質(zhì)飽和強(qiáng)度的范圍內(nèi)的種子光束。
28.如權(quán)利要求26所述的激光器，其中在所述晶體中出現(xiàn)熱透鏡作用，所述準(zhǔn)直儀補(bǔ)償所述熱透鏡作用的至少一部分。
29.如權(quán)利要求20所述的激光器，其中所述準(zhǔn)直儀是一個(gè)負(fù)透鏡、一個(gè)凸鏡、在所述放大器晶體的一端或兩端上的凸曲度地面或者它們的組合。
30.如權(quán)利要求20所述的激光器，其中所述準(zhǔn)直儀是一個(gè)或多個(gè)凸鏡。
31.如權(quán)利要求20所述的激光器，其中所述脈沖種子光束具有單一的縱模。
32.如權(quán)利要求20所述的激光器，其中所述光學(xué)放大器晶體是被所述泵浦源所端面泵浦的。
33.如權(quán)利要求20所述的激光器，其中所述光學(xué)放大器晶體是被所述泵浦源所端面泵浦的；所述泵浦源給每個(gè)模塊提供等于25瓦或大于25瓦的泵浦功率。
34.如權(quán)利要求20所述的激光器，其中所述光學(xué)放大器晶體是被所述泵浦源所端面泵浦的；所述泵浦源給每個(gè)模塊提供25瓦到60瓦的泵浦功率。
35.如權(quán)利要求25所述的激光器，其中所述激光器為每個(gè)模塊產(chǎn)生等于10瓦或大于10瓦的輸出功率。
36.如權(quán)利要求25所述的激光器，其中所述激光器為每個(gè)模塊產(chǎn)生等于15瓦或大于15瓦的輸出功率。
37.如權(quán)利要求25所述的激光器，其中所述激光器為每個(gè)模塊產(chǎn)生等于20瓦或大于20瓦的輸出功率。
38.如權(quán)利要求25所述的激光器，其中所述激光器具有四個(gè)(4)模塊并且產(chǎn)生等于80瓦或大于80瓦的輸出功率。
39.如權(quán)利要求20所述的激光器，還包括一個(gè)光學(xué)放大器溫度調(diào)節(jié)器，其控制所述光學(xué)放大器介質(zhì)溫度以提高所述種子光束的放大率。
40.如權(quán)利要求20所述的激光器，其中所述激光器具有從1Khz到150Khz的重復(fù)頻率。
41.如權(quán)利要求20的任一權(quán)利要求所述的激光器，其中所述激光器具有從1Khz到50Khz的重復(fù)頻率。
全文摘要
公開(kāi)了一種高功率脈沖激光器，其具有一個(gè)Q切換種子激光器，在TEM
文檔編號(hào)H01S3/067GK1877925SQ20061008402
公開(kāi)日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2006年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月23日
發(fā)明者Y·殷, G·羅斯 申請(qǐng)人:光學(xué)工業(yè)國(guó)際公司