本發(fā)明屬于高功率固體激光器技術(shù)領(lǐng)域，具體地說涉及一種多程激光放大器中熱退偏完全補(bǔ)償裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

近年來，高功率固體激光器技術(shù)得到了迅速發(fā)展，各種大規(guī)模的固體激光器相繼誕生，比如美國NIF和Nova、中國的神光II和神光III等。在這類大型固體激光器裝置中，多程激光放大器扮演著非常重要的角色，直接決定了整個裝置的輸出能力。盡管在這幾十年里，激光放大器取得了很多重大突破，但熱管理問題一直是限制激光放大器發(fā)展的瓶頸，尤其是熱致雙折射導(dǎo)致的熱退偏使得輸出激光的光束質(zhì)量出現(xiàn)嚴(yán)重惡化，輸出能力受到極大限制，而且容易使光學(xué)元件出現(xiàn)永久損傷。

目前常用的熱退偏補(bǔ)償方法有：雙電光調(diào)Q晶體補(bǔ)償激光介質(zhì)的熱退偏、雙激光頭加90°轉(zhuǎn)子等。這兩種補(bǔ)償方式能完全補(bǔ)償熱退偏，但第一種方法需要兩個光電開關(guān)具有相同的響應(yīng)，第二種方法要求兩個激光頭具有相同的熱退偏，兩種方法對各元器件的要求較高，增加了整個系統(tǒng)的成本，同時增加系統(tǒng)調(diào)試難度。名稱為消除激光放大器中熱退偏效應(yīng)的裝置(公布號為CN102545009A)公開了將2個旋光器結(jié)合消除激光放大器中工作介質(zhì)熱退偏效應(yīng)，雖然經(jīng)反射鏡反射的激光偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)了90°，由于激光存在衍射現(xiàn)象，激光經(jīng)激光放大器出射的出射點與反射鏡反射激光在激光放大器的入射點不能完全重合，因此，不能完全補(bǔ)償熱退偏。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的種種不足，發(fā)明人在長期實踐中發(fā)現(xiàn)：單個激光放大頭配合兩個旋光器，同時，采用2個成像系統(tǒng)，使得激光放大頭內(nèi)增益介質(zhì)的任意截面經(jīng)過像傳遞和全反鏡回到原來的位置，保證了熱退偏的完全補(bǔ)償。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種多程激光放大器中熱退偏完全補(bǔ)償裝置，包括主光路和側(cè)光路，沿著激光注入方向，所述主光路為直線式結(jié)構(gòu)，其依次包括偏振片、1/4波片、電光開關(guān)、第一成像系統(tǒng)、第一旋光器、激光放大頭、第二旋光器、第二成像系統(tǒng)和第一全反鏡，所述側(cè)光路由第二全反鏡構(gòu)成，由第二全反鏡反射的激光經(jīng)偏振片再次注入主光路中。

進(jìn)一步，所述第一成像系統(tǒng)由第一透鏡和第二透鏡組成，第二全反鏡與激光放大頭的中心位置通過第一成像系統(tǒng)相互成像。

進(jìn)一步，所述第二成像系統(tǒng)由第三透鏡和第四透鏡組成，第一全反鏡與激光放大頭的中心位置通過第二成像系統(tǒng)相互成像。

進(jìn)一步，所述第一旋光器、第二旋光器均為法拉第旋光器，且兩者對激光偏振態(tài)進(jìn)行同向旋轉(zhuǎn)。

進(jìn)一步，所述第一旋光器、第二旋光器均為法拉第旋光器，且兩者對激光偏振態(tài)進(jìn)行異向旋轉(zhuǎn)。

進(jìn)一步，所述第一旋光器、第二旋光器對激光偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)角度均為45°。

進(jìn)一步，所述電光開關(guān)的工作電壓為激光波長對應(yīng)的1/4波電壓。

進(jìn)一步，所述1/4波片的光軸與激光注入方向的夾角為45°。

另，本發(fā)明還提供一種多程激光放大器中熱退偏完全補(bǔ)償裝置的使用方法，包括如下步驟：

(1)在電光開關(guān)未施加工作電壓的前提下，激光沿著主光路完成雙程放大后，激光經(jīng)偏振片注入側(cè)光路；

(2)對電光開關(guān)施加工作電壓，經(jīng)側(cè)光路返回的激光經(jīng)過偏振片后再次注入主光路中，完成四程放大；

(3)重復(fù)步驟(2)，直至激光完成n-2程放大；

(4)取消電光開關(guān)上施加的工作電壓，經(jīng)側(cè)光路返回的激光經(jīng)過偏振片后再次注入主光路中，完成n程放大的激光透射過偏振片并輸出，在激光放大過程中，激光放大頭產(chǎn)生的熱退偏經(jīng)第二旋光器進(jìn)行補(bǔ)償，第二旋光器對激光偏振態(tài)的改變經(jīng)第一旋光器進(jìn)行補(bǔ)償。

進(jìn)一步，所述電光開關(guān)的工作電壓為激光波長對應(yīng)的1/4波電壓。

本發(fā)明的有益效果是：

1、采用單個激光放大頭配合兩個旋光器的構(gòu)型，極大的降低了成本，結(jié)構(gòu)簡單，同時，采用第一成像系統(tǒng)配合第二成像系統(tǒng)，使得激光放大頭內(nèi)增益介質(zhì)的任意截面經(jīng)過像傳遞和全反鏡回到原來的位置，實現(xiàn)熱退偏的完全補(bǔ)償。

2、通過調(diào)節(jié)電光開關(guān)與激光的同步時序，可控制激光放大程數(shù)，使得激光放大器的輸出能力更加靈活。

3、第一成像系統(tǒng)配合第二成像系統(tǒng)，利用嚴(yán)格像傳遞的方法，有助于改善激光放大器輸出的近場光斑質(zhì)量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(a)是實施例二中熱退偏補(bǔ)償前的近場光斑圖；

(b)是實施例二中熱退偏補(bǔ)償后的近場光斑圖。

附圖中：1—偏振片、2—1/4波片、3—電光開關(guān)、4—第一透鏡、5—第二透鏡、6—第一旋光器、7—激光放大頭、8—第二旋光器、9—第三透鏡、10—第四透鏡、11—第一全反鏡、12—第二全反鏡；

位于偏振片1處平行于光路的箭頭表示激光的注入和輸出方向。

具體實施方式

為了使本領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合本發(fā)明的附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，基于本申請中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的其它類同實施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請保護(hù)的范圍。

實施例一：

如圖1所示，一種多程激光放大器中熱退偏完全補(bǔ)償裝置，包括平行于激光注入方向的主光路和與激光注入方向成一定角度的側(cè)光路。其中，沿著激光注入方向，所述主光路包括直線式設(shè)置的偏振片1、1/4波片2、電光開關(guān)3、第一成像系統(tǒng)、第一旋光器6、激光放大頭7、第二旋光器8、第二成像系統(tǒng)和第一全反鏡11，第二旋光器8用于補(bǔ)償激光放大頭7的熱退偏，第一旋光器6用于補(bǔ)償?shù)诙馄?對偏振態(tài)的改變，所述側(cè)光路由第二全反鏡12構(gòu)成，由第二全反鏡12反射的激光經(jīng)偏振片1再次注入主光路中。

所述第一成像系統(tǒng)由第一透鏡4和第二透鏡5組成，第一透鏡4和第二透鏡5的焦距均為f，且兩者間距為2f，激光放大頭7的中心位置與第二透鏡5的距離為f，第二全反鏡12與第一透鏡4的距離為f，保證第二全反鏡12與激光放大頭7的中心位置相互成像，所述第二成像系統(tǒng)由第三透鏡9和第四透鏡10組成，第三透鏡9和第四透鏡10的焦距均為f，且兩者間距為2f，激光放大頭7的中心位置與第三透鏡9的距離為f，第一全反鏡11與第四透鏡10的距離為f，保證第一全反鏡11與激光放大頭7的中心位置相互成像。利用嚴(yán)格像傳遞的方法，使得激光放大頭7的任意截面經(jīng)過像傳遞、第一全反鏡11、第二全反鏡12回到原來的位置。

激光放大頭7處于非工作狀態(tài)時，所述多程激光放大器的工作過程如下：激光的偏轉(zhuǎn)態(tài)為水平偏振，依次經(jīng)過1/4波片2、電光開關(guān)3、第一成像系統(tǒng)、第一旋轉(zhuǎn)器6、激光放大頭7、第二旋轉(zhuǎn)器8、第二成像系統(tǒng)和第一全反鏡11按原光路反射回來，第二次經(jīng)過1/4波片2后變成垂直偏振光，并入射到偏振片1上，激光完成雙程放大，此時，激光偏振態(tài)為垂直偏振。在上述過程中，激光第二次經(jīng)過電光開關(guān)3前，對電光開關(guān)3未施加工作電壓，對激光不引入相位變化，在激光第二次經(jīng)過電光開關(guān)3后，對電光開關(guān)3施加工作電壓，工作電壓為激光波長對應(yīng)的1/4波電壓，完成雙程放大的激光經(jīng)過偏振片1反射到第二全反鏡12上，再反射回主光路中，從側(cè)路反射回來的激光再次經(jīng)過電光開關(guān)3時，電光開關(guān)3上施加的工作電壓已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，激光開始第三、四程放大，由于電光開關(guān)3已經(jīng)加電，相當(dāng)于1/4波片2的效果，因此，激光在完成四程放大后，其仍為垂直偏振光，激光繼續(xù)完成第五、六程…第n-2程放大，取消電光開關(guān)3上施加的工作電壓，激光完成n程放大的激光為水平偏振光，此時，水平偏振光透射過偏振片1并輸出。

激光放大頭7處于工作狀態(tài)時，以釹玻璃作為增益介質(zhì)為例，增益介質(zhì)采用8mm×8mm的方形棒，激光放大頭7采用LD作為泵浦源，泵浦方式為四面對稱泵浦，泵浦功率80kW，激光偏振態(tài)的變化以及熱退偏補(bǔ)償原理如下：

首先，激光經(jīng)過偏振片1后的偏振態(tài)為水平偏振光，由于1/4波片2的光軸與激光注入方向的夾角為45°，激光經(jīng)過1/4波片2后變?yōu)閳A偏振光，之后依次經(jīng)過電光開關(guān)3、第一成像系統(tǒng)、第一旋光器6，激光的偏振態(tài)仍然為圓偏振，其表達(dá)式為：其中，E_p(x,y)和E_s(x,y)分別表示增益介質(zhì)截面不同位置處激光的水平分量和垂直分量，θ表示激光偏振方向與水平方向的夾角，由于增益介質(zhì)的熱致雙折射，圓偏振光經(jīng)過增益介質(zhì)后變?yōu)闄E圓偏振光，其水平分量和垂直分量表達(dá)式為：

其中，A_p(x,y)和A_s(x,y)分別表示不同位置激光的水平分量和垂直分量的振幅，δ(x,y)表示不同位置激光的水平偏振和垂直偏振光的相位延時量；

然后，熱退偏的補(bǔ)償實質(zhì)上是指讓增益介質(zhì)截面上各點的水平分量、垂直分量均獲得相等的相位延遲，因此，如能保證從增益介質(zhì)截面出射的光線經(jīng)過反射后，其偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°且反射后仍然經(jīng)過出射點，即可實現(xiàn)熱退偏的完全補(bǔ)償。橢圓偏振光經(jīng)過第二旋光器8、第二成像系統(tǒng)和第一全反鏡11，所述第一旋光器6、第二旋光器8均為法拉第旋光器，兩者對激光偏振態(tài)進(jìn)行同向旋轉(zhuǎn)，且兩者對激光偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)角度均為45°，也就是說，橢圓偏振光每經(jīng)過一次法拉第旋光器，其偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°，經(jīng)激光放大頭7出射的激光兩次經(jīng)過第二旋光器8，即激光的偏振態(tài)發(fā)生90°改變，對放大過程產(chǎn)生的熱退偏進(jìn)行了補(bǔ)償，橢圓偏振光經(jīng)第一全反鏡11反射后，在第二次經(jīng)過激光放大頭7前，其水平分量和垂直分量表達(dá)式為：

由于第一成像系統(tǒng)、第二成像系統(tǒng)的存在，以增益介質(zhì)上任意截面為物平面，經(jīng)過第二成像系統(tǒng)并反射回增益介質(zhì)上的像仍然在原來的位置，即δ(x,y)＝δ′(x,y)，實現(xiàn)了熱退偏的完全補(bǔ)償，因此，激光第二次經(jīng)過激光放大頭7后，其水平分量和垂直分量表達(dá)式為：

即第二次經(jīng)過激光放大頭7后，激光偏振態(tài)又變回圓偏振，而對于第二旋光器8對激光偏振態(tài)的改變，經(jīng)第一旋光器6進(jìn)行了補(bǔ)償，圓偏振光在第二次經(jīng)過1/4波片2后變?yōu)榇怪逼窆猓瑥钠衿?反射到側(cè)光路上，完成雙程放大；

最后，對電光開關(guān)3施加工作電壓，經(jīng)側(cè)光路返回的激光經(jīng)過偏振片1反射后再次注入主光路中，垂直偏振光先經(jīng)過1/4波片2變?yōu)閳A偏振光，重復(fù)以上放大和補(bǔ)償過程，在第四次經(jīng)過1/4波片2后變?yōu)榇怪逼窆?，從偏振?反射到側(cè)光路上，完成四程放大，直至激光完成n-2程放大，取消電光開關(guān)3上施加的工作電壓，經(jīng)側(cè)光路返回的垂直偏振光先經(jīng)過1/4波片2變?yōu)閳A偏振光，激光在第n次經(jīng)過1/4波片2后變?yōu)樗狡窆猓瓿蒼程放大的水平偏振光透射過偏振片1并輸出。

實施例二：

本實施例與實施例一相同的部分不再贅述，不同的是：

所述第一旋光器6、第二旋光器8對激光偏振態(tài)進(jìn)行異向旋轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)電光開關(guān)3的時序，使得激光經(jīng)過雙程放大后輸出，用CCD測量熱退偏補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的近場圖案，如圖2所示。

圖2(a)為熱退偏補(bǔ)償前的近場光斑圖，圖2(b)為熱退偏補(bǔ)償后的近場光斑圖，從圖中可以看出，在沒有退偏補(bǔ)償?shù)那闆r下，近場出現(xiàn)了明顯的缺失，光束質(zhì)量差，光束難以使用，通過退偏補(bǔ)償后，光斑近場幾乎完整，即實現(xiàn)了熱退偏的完全補(bǔ)償，極大提高了激光放大器輸出能力，改善了激光放大器輸出的近場光斑質(zhì)量。另外，本發(fā)明特別適用于重頻工作下的高功率激光器。

以上已將本發(fā)明做一詳細(xì)說明，以上所述，僅為本發(fā)明之較佳實施例而已，當(dāng)不能限定本發(fā)明實施范圍，即凡依本申請范圍所作均等變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明涵蓋范圍內(nèi)。