本發(fā)明涉及激光放大器，特別是一種基于拼接晶體的偏振光多通放大器。

背景技術(shù)：

啁啾脈沖放大(Chirped-Pulse-Amplification，簡稱CPA)系統(tǒng)對(duì)能量的要求越來越高，使得晶體(鈦寶石)口徑越做越大，大口徑的晶體生長周期長且價(jià)格昂貴。其次，種子脈沖經(jīng)晶體放大時(shí)，晶體內(nèi)所產(chǎn)生的寄生振蕩(Parasitic Lasing，簡稱PL)極大程度地消耗了晶體的儲(chǔ)能，嚴(yán)重影響了放大輸出脈沖的光斑質(zhì)量和放大效率，并且隨著晶體口徑的增大，寄生振蕩更容易產(chǎn)生。晶體拼接技術(shù)可以有效地抑制寄生振蕩的產(chǎn)生，同時(shí)可以形成口徑較大的晶體，很好的解決了上述所存在的問題。

在光學(xué)領(lǐng)域，多通放大是指利用全反鏡對(duì)光束進(jìn)行折返，折返后的光束分別以不同的角度經(jīng)過同一塊增益物質(zhì)并進(jìn)行能量放大，一般折返的次數(shù)小于10次。目前，傳統(tǒng)多通放大器都是由增益物質(zhì)和多塊全反鏡搭建而成(大體上可分為兩種，一種是通過不斷擴(kuò)大或縮小入射角度實(shí)現(xiàn)多通放大，另一種，當(dāng)放大介質(zhì)對(duì)光束偏振狀態(tài)無要求時(shí)，可以利用旋轉(zhuǎn)光束的偏振狀態(tài)進(jìn)行多通放大，光束在放大介質(zhì)內(nèi)為圓偏振狀態(tài)或部分通次為圓偏振態(tài))，并且該過程所需要的全反鏡數(shù)目較多，同一側(cè)用于折返的兩個(gè)全反鏡(中心)之間的距離越大，入射增益物質(zhì)的角度α越大。假設(shè)兩個(gè)全反鏡(中心)之間的距離為h，全反鏡至晶體的距離為l，則有如下關(guān)系式，

當(dāng)增益物質(zhì)為拼接晶體時(shí)，利用全反鏡將光束以不同入射角度反射至拼接晶體，由于拼接晶體接縫的存在，導(dǎo)致接縫在出射光斑投影面上的面積隨著入射角度的增大而增大，如圖1-1所示，圖1-1中為傳統(tǒng)的四通放大器結(jié)構(gòu)，圖中：1為一通放大，2為二通放大，3為三通放大，4為四通放大。該多通放大器中拼接晶體厚度為8mm，接縫間隙為3.5mm，由圖中可以看到一通放大光束入射晶體角度α為5.46°，經(jīng)二通放大后，經(jīng)三通放大光束入射晶體角度α為9.05°，后經(jīng)四通放大；可以看到同側(cè)兩個(gè)全反鏡(中心)之間的距離越大，光束入射晶體角度α越大。如圖1-2所示，圖(a)為光束垂直入射拼接晶體后，出射光斑投影，圖(b)和圖(c)分別為圖1-1所示四通放大器一通和三通放大后的出射光斑投影。由于該四通放大器位于水平光學(xué)平臺(tái)，因此出射光斑水平方向十字間隙基本無變化，但是當(dāng)光束經(jīng)一通和三通放大時(shí)，由于光束入射拼接晶體存在不可忽略的角度α以及拼接晶體本身的特殊結(jié)構(gòu)(不考慮其它人為因素)，將會(huì)導(dǎo)致一通和三通放大后的出射光斑豎直方向十字間隙分別變?yōu)?.87mm和5.74mm，如此大的間隙會(huì)造成放大能量的損失，影響后續(xù)光路，不便于實(shí)際應(yīng)用。

放大器通常采用s或p光偏振態(tài)放大，光學(xué)元件一般也是根據(jù)偏振態(tài)設(shè)計(jì)，所以放大器出光要回到s或p光偏振態(tài)，便于后續(xù)使用。種子光束通過Faraday旋光器后變?yōu)?5°偏振角的線偏振光，因此當(dāng)種子光束和泵浦光束同時(shí)入射至拼接晶體上，必須確保種子光束的偏振狀態(tài)、泵浦光束的偏振狀態(tài)和拼接晶體的C軸保持一致，即入射光束偏振光的偏振狀態(tài)要和晶體C軸保持一致，若偏振狀態(tài)和C軸存在一定的夾角，就會(huì)產(chǎn)生光譜調(diào)制(可參考文獻(xiàn)[1]Xiaoming Lu等，“Birefringent plate design for broadband spectral shaping in a Ti:sapphire regenerative amplifier”)。若晶體C軸按照一般放大器使用方法，即s或p光偏振態(tài)，需要用波片把種子光束偏振態(tài)調(diào)整至與晶體需求相符合，而寬帶波片因帶寬較寬，工藝要求較高，不宜獲得要求的高品質(zhì)產(chǎn)品。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供一種基于拼接晶體的偏振光多通放大器。該放大器利用線偏振光的偏振狀態(tài)差異，兩通放大結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)四通放大，減小種子光束入射晶體時(shí)的入射角α，最終減小拼接晶體的接縫在光斑投影面上的面積，提高放大效率。兩個(gè)1/2波片都放置在泵浦光路中，對(duì)種子光束的狀態(tài)無影響，從而節(jié)約成本，保證了放大器的可靠性。

本發(fā)明解決技術(shù)方案如下：

1、一種基于拼接晶體的偏振光多通放大器，其特點(diǎn)在于：由偏振片、Faraday旋光器、第一全反鏡、第二全反鏡、第三全反鏡、第四全反鏡、拼接晶體、第五全反鏡、第一1/2波片、第二1/2波片構(gòu)成，所述的拼接晶體是使用C軸為45°的晶體拼接而成的，其位置關(guān)系如下：沿種子光束入射方向依次是所述的偏振片、Faraday旋光器、第一全反鏡、第二全反鏡、拼接晶體、第四全反鏡、第三全反鏡、拼接晶體和第五全反鏡，所述的偏振片、第一全反鏡與光束方向呈45°，第五全反鏡與光束方向呈90°，其余全反鏡與光束方向角度可調(diào)，沿第一泵浦光束入射方向依次是所述的第一1/2波片、拼接晶體，沿第二泵浦光束入射方向依次是所述的第二1/2波片、拼接晶體，所述的種子光束入射拼接晶體的入射角α滿足如下關(guān)系式：

式中，D為出射光斑直徑,d為拼接晶體的厚度，d′為拼接晶體的接縫寬度，n為拼接晶體的折射率。

本發(fā)明基于拼接晶體的偏振光多通放大器的工作過程如下：

種子光束入射至偏振片上，經(jīng)偏振片后變?yōu)榫€偏振光(此處采用P型偏振片為例，故產(chǎn)生振動(dòng)方向和入射方向水平的p光偏振態(tài))，繼而入射至Faraday旋光器，光束偏振角轉(zhuǎn)過45°；光束經(jīng)第一全反鏡反射至第二全反鏡，再由第二全反鏡反射至拼接晶體，經(jīng)第一通放大后出射至第四全反鏡，光束經(jīng)第四全反鏡反射至第三全反鏡，后經(jīng)第三全反鏡反射至拼接晶體，經(jīng)第二通放大后出射至第五全反鏡，光束經(jīng)第五全反鏡入射至拼接晶體，經(jīng)第三通放大出射至第三全反鏡，后依次經(jīng)第三全反鏡和第四全反鏡反射至拼接晶體，經(jīng)第四通放大后出射至第二全反鏡，依次經(jīng)第二全反鏡和第一全反鏡反射至Faraday旋光器，出射光束偏振角再次沿同一方向轉(zhuǎn)過45°(故光束偏振角共轉(zhuǎn)過90°，光束變?yōu)閟光偏振態(tài))，光束入射至偏振片，由于偏振片只允許p光通過，故光束(s光)被偏振片反射出光路。其中兩束泵浦光束(線偏振光)經(jīng)第一1/2波片和第二1/2波片分別變成偏振角為45°的線偏振光入射至拼接晶體。

通常我們認(rèn)為拼接晶體的接縫在出射光斑投影面上的面積S′和總出射光斑面積S之間存在如下關(guān)系時(shí)，光束可繼續(xù)使用，即

假設(shè)出射光斑直徑為D,出射光斑十字豎直方向間隙為a，水平方向間隙為a′，拼接晶體厚度為d，拼接晶體的接縫為d′，晶體折射率為n，由于出射光斑十字水平方向間隙基本無變化，所以a′≈d′，故有如下近似關(guān)系，

因此入射角α需滿足如下關(guān)系，

本發(fā)明解決技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：

1.本發(fā)明基于拼接晶體的偏振光多通放大器能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)四通放大，通過減小同側(cè)全反鏡(中心)之間的距離減小光束入射拼接晶體的入射角α，最終減小拼接接縫在光斑投影面上的面積。

2.本發(fā)明基于拼接晶體的偏振光多通放大器中光束偏振狀態(tài)均為45°偏振角的線偏振光，保證了系統(tǒng)的放大效率，同時(shí)不會(huì)因晶體C軸與種子光偏振的不匹配而產(chǎn)生光譜調(diào)制。

3.本發(fā)明基于拼接晶體的偏振光多通放大器中放置在泵浦光路中的1/2波片帶寬比種子光束小2個(gè)量級(jí)，易于獲得，可靠性高。同時(shí)因1/2波片并不在種子光路中，種子光束不經(jīng)過1/2波片，對(duì)種子光束的狀態(tài)無影響，因此對(duì)主光路無直接影響，保證放大器的可靠性。

附圖說明

圖1-1為入射角度差異圖

圖1-2為光斑投影圖

圖2為本發(fā)明基于拼接晶體的偏振光多通放大器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為本發(fā)明拼接晶體(2x2)結(jié)構(gòu)示意圖

具體實(shí)施方式

先請(qǐng)參閱圖2，圖2為本發(fā)明基于拼接晶體的偏振光多通放大器結(jié)構(gòu)示意圖，圖中泵浦光束僅用兩路，也可用多路，僅供參考。由圖可見，本發(fā)明基于拼接晶體的偏振光多通放大器，由偏振片1、Faraday旋光器2、第一全反鏡3、第二全反鏡4、第三全反鏡5、第四全反鏡6、拼接晶體7、第五全反鏡8、第一1/2波片9、第二1/2波片10構(gòu)成，所述的拼接晶體7是使用C軸為45°的晶體拼接而成的，其位置關(guān)系如下：沿種子光束11入射方向依次是所述的偏振片1、Faraday旋光器2、第一全反鏡3、第二全反鏡4、拼接晶體7、第四全反鏡6、第三全反鏡5、拼接晶體7和第五全反鏡8，所述的偏振片1、第一全反鏡3與光束方向呈45°，第五全反鏡8與光束方向呈90°，其余全反鏡與光束方向角度可調(diào)，沿第一泵浦光束12入射方向依次是所述的第一1/2波片9、拼接晶體7，沿第二泵浦光束13入射方向依次是所述的第二1/2波片10、拼接晶體7，所述的種子光束11入射拼接晶體7的入射角α滿足如下關(guān)系式：

式中，D為出射光斑直徑,d為拼接晶體的厚度，d′為拼接晶體的接縫寬度，n為拼接晶體的折射率。

本發(fā)明基于拼接晶體的偏振光多通放大器的工作過程如下：

首先種子光束入射，需保證偏振片1、Faraday旋光器2和第一全反鏡3的中心在同一條直線上，采用小孔準(zhǔn)直的方法將這三個(gè)元件中心放置在同一條直線上，并使光束能夠完全通過Faraday旋光器2。種子光束11入射至偏振片1上，經(jīng)偏振片1后變?yōu)榫€偏振光(此處采用P型偏振片為例，故產(chǎn)生振動(dòng)方向和入射方向水平的p光偏振態(tài))，繼而入射至Faraday旋光器2，光束偏振角轉(zhuǎn)過45°；光束經(jīng)第一全反鏡3反射至第二全反鏡4，再由第二全反鏡4反射至拼接晶體7，經(jīng)第一通放大后出射至第四全反鏡6，光束經(jīng)第四全反鏡6反射至第三全反鏡5，后經(jīng)第三全反鏡5反射至拼接晶體7，經(jīng)第二通放大后出射至第五全反鏡8，光束經(jīng)第五全反鏡8入射至拼接晶體7，經(jīng)第三通放大出射至第三全反鏡5，后依次經(jīng)第三全反鏡5和第四全反鏡6反射至拼接晶體7，經(jīng)第四通放大后出射至第二全反鏡4，依次經(jīng)第二全反鏡4和第一全反鏡3反射至Faraday旋光器2，出射光束偏振角再次沿同一方向轉(zhuǎn)過45°(故光束偏振角共轉(zhuǎn)過90°，光束變?yōu)閟光偏振態(tài))，光束入射至偏振片1，由于偏振片1只允許p光通過，故光束(s光)被偏振片1反射出光路。其中兩束泵浦光束12、13(線偏振光)分別經(jīng)第一1/2波片9和第二1/2波片10會(huì)變成偏振角為45°的線偏振光入射至拼接晶體7。由于本發(fā)明多通放大器的種子光束偏振狀態(tài)采用是45°偏振角的線偏振光放大，因此也要確保泵浦光束偏振狀態(tài)為45°偏振角的線偏振光入射增拼接晶體7；首先利用檢偏器確定泵浦光束的偏振角度，并確定泵浦光束和種子光束偏振態(tài)之間的夾角θ，然后使1/2波片的光軸和泵浦光束線偏振光成θ/2夾角，這樣可保證種子光束和通過1/2波片的泵浦光束入射拼接晶體7時(shí)的偏振狀態(tài)一致。

采用拼接晶體7，需測量每一塊晶體的C軸方向，將晶體C軸按45°角拼接，按照?qǐng)D3所示結(jié)構(gòu)放置。拼接晶體(2x2)結(jié)構(gòu)，左為主視圖，右為左視圖，圖3為4塊拼接晶體結(jié)構(gòu)(2x2)，即將一塊圓形晶體分割成四塊，僅供參考，也可采用更多塊拼接晶體結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)四通放大結(jié)構(gòu)，通過減小同側(cè)全反鏡(中心)之間的距離減小種子光束入射拼接晶體時(shí)的入射角α，例如，晶體厚度為8mm，晶體拼接接縫為3.5mm，全反鏡至晶體的距離為1500mm，兩個(gè)全反鏡(中心)之間的距離為200mm，入射角α為3.8°，滿足實(shí)驗(yàn)所需α角，最終減小了拼接晶體的接縫在光斑投影面上的面積。兩個(gè)1/2波片放置在泵浦光路中,既不影響種子光束，又能節(jié)約成本，保證了放大器的可靠性。