專利名稱：一種對中大口徑激光進行放大的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光技術領域，具體地說，本發(fā)明涉及一種對中大口徑激光進行放大的裝置。
背景技術：
激光系統(tǒng)中，有時需要獲得高的激光能量或功率而又保持激光的質量(包括脈寬、線寬等特性)。對于中大口徑(例如IOmm以上)的激光束，現(xiàn)有技術中一般使用激光晶體口徑較大的燈泵激光放大器進行放大。這種激光放大方案能夠提供較大的增益并基本保持光束質量，然而，由于激光晶體的尺寸大，其散熱較差，尤其是對于熱導率較小的激光工作介質(例如Nchglass)而言，上述問題更為突出。這導致此類激光放大裝置的重復頻率特別低，通常為20分鐘一次。 因此，當前迫切需要一種易于冷卻，重復頻率較高的對中大口徑激光進行放大的
>J-U ρ α裝直。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種易于冷卻，重復頻率較高對中大口徑激光進行放大的裝置。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種對中大口徑激光進行放大的裝置，包括縮束單元和設置在所述縮束單元輸出端的LD側面泵浦激光放大器。其中，所述縮束單元包括依次設置的縮束透鏡和準直透鏡。其中，所述對中大口徑激光進行放大的裝置還包括偏振片、四分之一玻片和全反鏡，所述偏振片、縮束透鏡、準直透鏡、LD側面泵浦激光放大器、四分之一玻片和全反鏡沿光路依次設置，所述偏振片不與主光路的光軸垂直。其中，所述縮束透鏡和準直透鏡之間還設置有第二 LD側面泵浦激光放大器。其中，所述第二 LD側面泵浦激光放大器設置在所述縮束透鏡的焦點附近，使光束在穿過所述第二 LD側面泵浦激光放大器時，在其放大介質兩側的光斑口徑小于放大介質口徑，且使投射到其放大介質的光斑的能流密度小于其損傷閾值。其中，所述第二 LD側面泵浦激光放大器設置在所述縮束透鏡的焦點附近，使光束在穿過所述第二 LD側面泵浦激光放大器時，在其放大介質兩側的光斑口徑小于放大介質口徑的80%，且使投射到其放大介質的光斑的能流密度小于其損傷閾值。其中，所述第二 LD側面泵浦激光放大器設置在所述縮束透鏡和所述縮束透鏡的焦點之間。其中，所述第二 LD側面泵浦激光放大器設置在所述縮束透鏡的焦點和所述準直透鏡之間。其中，所述縮束透鏡和準直透鏡之間還設置有第三LD側面泵浦激光放大器，所述第二、第三LD側面泵浦激光放大器分別設置在所述縮束透鏡的焦點兩側，并均滿足以下條件光束在穿過側面泵浦激光放大器的放大介質時，在放大介質兩側的光斑口徑小于放大介質口徑的80%，且使投射到放大介質的光斑的能量密度小于其損傷閾值。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有下列技術效果I、本發(fā)明在為中大口徑激光提供較大增益且保持激光質量的前提下，大大提高了
重復頻率。2、本發(fā)明縮小了對中大口徑激光進行放大的裝置的體積。3、本發(fā)明特別適用于激光放大器的工作介質的熱導率較小(例如Nchglass)的情況。4、本發(fā)明特別適合對線偏振光進行放大。


圖I示出了本發(fā)明一個實施例的對中大口徑激光進行放大的裝置的光路示意圖；圖2示出了本發(fā)明另一個實施例的對中大口徑激光進行放大的裝置的光路示意圖；圖3示出了縮束透鏡焦距過短的情況下的示意圖；圖4示出了本發(fā)明一個實施例中光束從縮束透鏡通過第二 LD側面泵浦激光放大器的激光工作介質到達焦點的示意圖。
具體實施例方式圖I示出了本發(fā)明一個實施例中的對中大口徑激光進行放大的裝置，如圖I所示，該裝置沿著光路依次包括偏振片I、縮束透鏡2、準直透鏡3、LD側面泵浦激光放大器4 (LD的全稱為laser diode)、四分之一玻片5和全反鏡6。為方便描述,下文中多處將LD側面泵浦激光放大器簡稱為LD放大器。本實施例的裝置適于對線偏振激光進行放大。工作狀態(tài)下，待放大線偏振激光透過偏振片1，再通過縮束透鏡2將大口徑光斑縮束，再由準直透鏡3準直，形成小口徑的平行光束(其口徑小于LD側面泵浦激光放大器4的激光工作介質的口徑)，該小口徑的平行光束通過LD側面泵浦激光放大器4放大，再通過四分之一玻片5、經全反鏡6反射、再第二次通過四分之一玻片5，得到旋轉90度的偏振光，然后再經LD側面泵浦激光放大器4的放大，得到放大后的小口徑的平行光束，再通過準直透鏡3和縮束透鏡2，由偏振片I反射，輸出與待放大激光口徑一致的中大口徑激光。其中，在設置偏振片I時，該偏振片I不與主光路的光軸垂直，這樣便于輸出放大后的中大口徑激光。如圖I所不，以待放大激光為水平線偏振光為例，水平線偏振光從A進入，經過所述對中大口徑激光進行放大的裝置后，水平偏振光變成垂直偏振光，以原口徑從B出射。LD側面泵浦的激光放大器中的激光工作介質，口徑通常較小(一般在幾_以下，最常見的為圓柱體結構，口徑為Φ2πιπΓΦ3πιπι)，通常不用于中大口徑的激光放大，但是LD側面泵浦激光放大器的重復頻率往往遠大于使用相同激光工作介質的燈泵激光器。例如，LD側面泵浦Nchglass激光放大器的工作頻率可以做到IHz (即I秒一次)。上述實施例正是利用了 LD側面泵浦激光放大器的這一特點，提供了一種雙程放大的對中大口徑激光進行放大的裝置，該裝置可以提供較大增益，并且能夠保持激光質量，又能極大地提高工作頻率，同時還具有占用空間小的效果。圖2示出了本發(fā)明另一個實施例的對中大口徑激光進行放大的裝置，該裝置是在實施例I的基礎上增加一個第二 LD側面泵浦激光放大器7，第二 LD側面泵浦激光放大器7設置于縮束透鏡2和準直透鏡3之間。并且，所述第二 LD側面泵浦激光放大器7設置于縮束透鏡2的焦點附近，以使錐形光束在穿過LD放大器的放大介質時，在放大介質兩側的光斑口徑小于介質口徑，且使投射到放大介質的光斑的能量密度小于其損傷閾值。在一個優(yōu)選實施例中，采用焦距較長的縮束透鏡2，第二 LD側面泵浦激光放大器7設置于縮束透鏡2的焦點附近，以使光束(從縮束透鏡入射和從準直透鏡返回的錐形光束)在穿過LD放大器的放大介質時，在放大介質兩側的光斑口徑小于放大介質口徑的80%，且使投射到放大介質的光斑的能量密度小于其損傷閾值。如果縮束透鏡2的焦距過短，可能出現(xiàn)光斑口徑大于介質口徑的情況，如圖3所示，這種情況可能導致整個激光放大裝置無法正常工作。如果光斑口徑略小于介質口徑，則可能出現(xiàn)衍射效應，從而導致光束質量下降。經發(fā)明人深入研究，發(fā)現(xiàn)當放大介質兩側的光斑口徑小于介質口徑的80%時，能夠很好地避免出現(xiàn)衍射效應，使光束質量保持在較高的水平。
·
在一個優(yōu)選實施例中，LD放大器設置位置的具體范圍按下述方法確定在焦點附近，由于光斑的口徑小，能流密度高。因此，第二 LD側面泵浦激光放大器7的放置位置需要根據(jù)光斑的能量和第二 LD側面泵浦激光放大器中激光工作介質的損傷閾值進行計算得出。例如，縮束透鏡2前入射光斑的能量是a (J), 口徑是b (cm)Xb (cm),LD放大器中激光工作介質的損傷閾值為kj/cm2。圖4示出了光束從縮束透鏡通過第二 LD側面泵浦激光放大器的激光工作介質到達焦點的示意圖，其中，F(xiàn)表示透鏡的焦距，a是縮束透鏡2前入射的平行光斑的能量，b是縮束透鏡2前入射的平行光斑的光束口徑(邊長)，c是縮束光束入射到激光工作介質上光斑的光束口徑，L為LD放大器右側距縮束透鏡2的焦點的距離。由圖4中相似三角形關系，可得I = +，從而有
I' I.c = bL/F (I)另外，焦點附近放置的LD放大器中激光工作介質最右側(即光斑較小的一側)的能流密度不小于LD放大器中激光工作介質的損傷閾值，能流密度=能量/面積。即4< I,將(I)代入得< k，又有i
C2(bLVh V k也就是說，第二 LD放大器右側距縮束透鏡2的焦點的距離L滿足。而另
b
一方面，第二 LD放大器的放置位置還需要保證其激光工作介質的最左側的光斑口徑小于激光工作介質的口徑的80%。下面介紹一個對IOmmXlOmm的方光斑進行1000倍放大的實例。該實例中，IOmmX IOmm的方光斑平行光注入,注入能量O. llmj。激光工作介質為nd glass,折射率為I. 53。采用LD側泵放大器進行放大，其工作頻率10Hz，工作介質口徑為(p3mm，長度為70mm，泵浦光能量3. 6J，雙程增益100倍(增益倍數(shù)可用通過控制LD放大器的泵浦電流改變，此處是指最高雙程增益為100倍)。縮束透鏡的曲率半徑為545. 5mm，焦距為1078mm，厚度為8mm,準直透鏡的曲率半徑為70. 55mm,焦距為139mm,厚度為3mm?？趶綖镮OmmXlOmm的入射光在通過縮束透鏡和準直透鏡后變?yōu)榭趶綖镮. 3mmX I. 3mm的平行光。LD放大器中的工作介質的折射率為I. 53，準直透鏡到全反鏡的距離為163mm。LD放大器設置在準直透鏡與全反鏡之間即可。第二 LD放大器設置于縮束透鏡的焦點附近，具體位置為距縮束透鏡
焦點398mm處，該位置滿足前文公式Z > =,并且能夠保證第二 LD放大器的激光工作介
b V k
質的最左側的光斑口徑小于激光工作介質口徑((p3mm )的80%。適當調節(jié)兩個LD放大器的泵浦電流，配合使用偏振片，即可輸出能量IlOmJ的IOmmX IOmm的方光斑。作為對比,若直接由燈泵側泵放大器對IOmmX IOmm的方光斑進行1000倍放大。則其工作頻率20min，工作介質口徑為φ30ιτ η ，長度為340mm，泵浦光能量高達800J。上述實施例使用兩個LD放大器對激光進行放大，相對于只使用一個LD放大器的 實施例，能夠為中大口徑激光提供更大的增益，并且也基本能夠保持較好的光束質量。另夕卜，需要說明的是，第二 LD放大器既可放置于焦點左側(縮束透鏡和縮束透鏡焦點之間)，也可放置于焦點右側(縮束透鏡焦點和準直透鏡之間)。當然，在其它實施例中，還可以再增加一個第三LD放大器，第三LD放大器與第二 LD放大器分別設置在縮束透鏡焦點的兩側(縮束透鏡和縮束透鏡焦點之間、縮束透鏡焦點和準直透鏡之間各設置一個LD放大器)，且均滿足以下條件光束在穿過LD放大器的放大介質時，在放大介質兩側的光斑口徑小于放大介質口徑的80%，且使投射到放大介質的光斑的能量密度小于其損傷閾值。這種方案能進一步提高整個放大裝置的增益。另外，本發(fā)明的其它實施例中，對中大口徑激光進行放大的裝置也可以由縮束單元和LD放大器組成，縮束單元用于將中大口徑激光縮束為小口徑激光，然后由LD放大器進行放大?？s束單元可以由依次放置的縮束透鏡和準直透鏡構成。該方案中，LD放大器后沒有反射鏡，光束在通過LD放大器放大后直接輸出。相對于傳統(tǒng)的燈泵放大器方案，這種基于LD放大器的單程放大的方案同樣能夠提供相對較大的增益，并且能夠達到提高工作頻率的效果。放大器的小信號單程增益為G0=exp (g0l) =exp (KPpump)式中g(l為小信號增益系數(shù)；Pp_S激光二極管陣列的抽運功率；1(為由放大器抽運結構、增益介質吸收特性、抽運光與主激光波長比等確定的效率參量，該效率參量K與激光放大介質的橫截面積A呈反比，也就是說，增益和泵浦截面積有關，和泵浦長度無關。因此，激光放大介質(如釹玻璃棒)的橫截面積越小就越能得到更高的單程增益。綜上所述，如果直接由燈泵側泵放大器進行大口徑的光束能量放大，燈泵放大器必然要選用大口徑的激光介質。而如果將光線縮束后，再由LD側泵放大器進行小口徑的光束能量放大，LD放大器可選用小口徑的激光放大介質。對比之下，擁有小口徑激光放大介質的激光放大器增益較高。另一方面，如果注入能量和輸出能量一致，燈泵側泵放大器的泵浦功率就要比LD側泵放大器高很多。泵浦功率高，熱效應就會很嚴重，對晶體的散熱能力(熱擴散系數(shù))，輔助晶體散熱的冷卻裝置要求就很高。對熱擴散系數(shù)本來就很低的釹玻璃而言，散熱問題解決不好，就只能降低燈泵側泵放大器的工作頻率，所以其重頻為20分鐘。若采用了小口徑的LD側泵放大器，一方面由于增益高，泵浦功率本身就小；另一方面，由于工作介質的口徑小，散熱也容易得多，其重頻一般為l 3Hz，即一秒1 3次。
上述各實施例的對中大口徑激光進行放大的裝置還可以通過級聯(lián)構成對中大口徑激光進行多程放大的激光放大系統(tǒng)，這是本領域技術人員易于理解的。最后，上述的實施例僅用來說明本發(fā)明，它不應該理解為是對本發(fā)明的保護范圍進行任何限制。而且，本領域的技術人員可以明白，在不脫離上述實施例精神和原理下，對 上述實施例所進行的各種等效變化、變型以及在文中沒有描述的各種改進均在本專利的保護范圍之內。
權利要求
1.一種對中大口徑激光進行放大的裝置，包括縮束單元和設置在所述縮束單元輸出端的LD側面泵浦激光放大器。
2.根據(jù)權利要求I所述的對中大口徑激光進行放大的裝置，其特征在于，所述縮束單元包括縮束透鏡和準直透鏡，所述準直透鏡位于所述縮束透鏡和所述LD側面泵浦激光放大< 器之間。
3.根據(jù)權利要求I所述的對中大口徑激光進行放大的裝置，其特征在于，還包括偏振片、四分之一玻片和全反鏡，所述偏振片、縮束透鏡、準直透鏡、LD側面泵浦激光放大器、四分之一玻片和全反鏡沿光路依次設置，所述偏振片不與主光路的光軸垂直。
4.根據(jù)權利要求3所述的對中大口徑激光進行放大的裝置，其特征在于，所述縮束透鏡和準直透鏡之間還設置有第二 LD側面泵浦激光放大器。
5.根據(jù)權利要求4所述的對中大口徑激光進行放大的裝置，其特征在于，所述第二LD側面泵浦激光放大器設置在所述縮束透鏡的焦點附近，使光束在穿過所述第二 LD側面泵浦激光放大器時，在其放大介質兩側的光斑口徑小于放大介質口徑，且使投射到其放大介質的光斑的能流密度小于其損傷閾值。
6.根據(jù)權利要求5所述的對中大口徑激光進行放大的裝置，其特征在于，所述第二LD側面泵浦激光放大器設置在所述縮束透鏡的焦點附近，使光束在穿過所述第二 LD側面泵浦激光放大器時，在其放大介質兩側的光斑口徑小于放大介質口徑的80%，且使投射到其放大介質的光斑的能流密度小于其損傷閾值。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的對中大口徑激光進行放大的裝置，其特征在于，所述第二LD側面泵浦激光放大器設置在所述縮束透鏡和所述縮束透鏡的焦點之間。
8.根據(jù)權利要求5或6所述的對中大口徑激光進行放大的裝置，其特征在于，所述第二LD側面泵浦激光放大器設置在所述縮束透鏡的焦點和所述準直透鏡之間。
9.根據(jù)權利要求4所述的對中大口徑激光進行放大的裝置，其特征在于，所述縮束透鏡和準直透鏡之間還設置有第三LD側面泵浦激光放大器，所述第二、第三LD側面泵浦激光放大器分別設置在所述縮束透鏡的焦點兩側，并均滿足以下條件光束在穿過側面泵浦激光放大器的放大介質時，在放大介質兩側的光斑口徑小于放大介質口徑的80%,且使投射到放大介質的光斑的能量密度小于其損傷閾值。
全文摘要
本發(fā)明提供一種對中大口徑激光進行放大的裝置，包括縮束單元和設置在所述縮束單元輸出端的LD側面泵浦激光放大器。本發(fā)明在為中大口徑激光提供較大增益且保持激光質量的前提下，大大提高了重復頻率，縮小了對中大口徑激光進行放大的裝置的體積。本發(fā)明特別適用于激光放大器的工作介質的熱導率較小的情況。本發(fā)明還特別適合對線偏振光進行放大。
文檔編號H01S3/00GK102882110SQ20121034016
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權日2012年9月13日
發(fā)明者邱基斯, 樊仲維, 唐熊忻 申請人:北京國科世紀激光技術有限公司