一種獲得高能量單頻激光輸出的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及固體激光技術，具體涉及一種利用板條放大器和光纖相位共軛鏡獲得高能量單頻激光輸出的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]高功率、高光束質量的單頻脈沖激光器在工業(yè)和實驗研宄方面都有很廣泛的用途，如非線性頻率轉換、非線性顯微鏡和微細加工應用等等。一般采用主振蕩功率放大(MOPA)結構獲得高功率、高亮度的激光輸出。由于光纖激光器輸出光束質量好、穩(wěn)定，固體激光放大器增益系數(shù)高，承受峰值功率高等特點，可以采用光纖激光器作為種子源，固體放大器來放大光束功率的方法實現(xiàn)高功率脈沖激光輸出。
[0003]在固體激光放大器中，由于晶體的熱效應導致激光晶體產生球差，在放大光束質量的同時光束質量通常會惡化。為了補償光束質量，可以采用多級固體放大器(如Nd:YAG側面泵浦放大器)之間的球差補償來消除球差的影響，但是這種裝置結構復雜，光束質量對距離十分敏感，調試很困難。
[0004]補償光束質量可以采用單級的板條多通放大實現(xiàn)功率放大，并采用相位共軛鏡來補償光束質量的方法實現(xiàn)高功率高光束質量的激光輸出，通常的相位共軛鏡采用光折射相位共軛反射鏡，材料為Rh:BaTi03，通過產生四波混頻來產生相位共軛，但這種相位共軛鏡承受的峰值功率比較低，在高功率情況下有極易損壞的特點。
[0005]通常光纖-固體混合放大的裝置中固體放大器采用的介質是單一的NchYVO4晶體或單一的Nd = YAG晶體。Nd: YVO4的優(yōu)點是增益系數(shù)高，但是承受的峰值功率不高；Nd:YAG的優(yōu)點是可以承受的泵浦功率很高，可以在大泵浦功率的情況下使用，但增益系數(shù)不如前者尚O

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的針對上述補償光束質量方法中的不足，提供一種利用板條放大器和光纖相位共軛鏡獲得高能量單頻激光輸出的裝置和方法。本發(fā)明通過利用Nd:YVO4側面泵浦板條放大器對小信號單程放大增益很高的特點，將光纖輸出的小信號增益光多次經(jīng)過NchYVO4側面泵浦板條放大器實現(xiàn)一級放大，同時由于光纖相位共軛鏡承受峰值功率比較高的特點，采用其作為相位共軛器件；一級放大輸出后經(jīng)過Nd:YAG側面泵浦板條晶體進行第二級功率放大，進行大信號情況下功率的有效放大。
[0007]本發(fā)明的具體技術方案如下:
[0008]一種利用板條放大器和光纖相位共軛鏡獲得高能量單頻激光輸出的裝置，包括沿光路依次布置的連續(xù)單頻光纖種子源、電光調制器、第一反射鏡、第一半波片、偏振分束器、法拉第旋光器、第二半波片、第一聚焦透鏡、第二反射鏡、第二聚焦透鏡、第一放大器泵浦源、第一泵浦源聚焦透鏡、Nd:YV04板條晶體、第三聚焦透鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、第五反射鏡、第六反射鏡、第四聚焦透鏡、光纖相位共軛鏡、偏振片、第五聚焦透鏡、Nd:YAG板條晶體、第二放大器泵浦源、第二泵浦源聚焦透鏡、第三放大器泵浦源和第三泵浦源聚焦透鏡。
[0009]所述的連續(xù)單頻光纖種子源輸出中心波長為1064.52nm激光，線寬為70kHz，光束平均功率最大為10mW，光束質量M2〈l.05。
[0010]所述的電光調制器可以將連續(xù)單頻激光調制成為脈沖激光輸出，調制后的脈沖重復頻率為5kHz，脈沖寬度為100 μ S。
[0011]所述的第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、第五反射鏡、第六反射鏡、偏振片對激光的反射率大于95%。
[0012]所述的第一半波片和第二半波片對激光的反射率小于5%。
[0013]所述的偏振分束器對垂直偏振光的反射率大于95%，對水平偏振光的反射率小于
[0014]所述的法拉第旋光器對激光的反射率小于5%，對偏振光的偏振方向旋轉度數(shù)為45?！?。。
[0015]所述的第一聚焦透鏡焦距為450-550mm，第二聚焦透鏡焦距為90_110mm，由第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡組成的光學系統(tǒng)可以將光束會聚至合適大小進入NchYVO4板條晶體中；第三聚焦透鏡焦距為90-110mm，第三聚焦透鏡可以將光束會聚至合適大小后第二次進入制:￥￥04板條晶體；第四聚焦透鏡的焦距為50mm?70mm，第四聚焦透鏡可以將光束會聚至合適大小進入光纖相位共軛鏡；第五聚焦透鏡的焦距為180mm?220mm第五聚焦透鏡可以將光束匯聚至合適大小進入Nd:YAG板條晶體中；以上透鏡均對激光的反射率小于
[0016]所述的Nd = YVO4板條晶體摻雜濃度為Iat.%，板條規(guī)格為22mmX5mmX0.8mm，其中兩側通光面鍍有1064nm高反膜，上通光面鍍有808nm高反膜，兩側通光面與底面的夾角為77度。
[0017]所述的第一放大器泵浦源、第二放大器泵浦源、第三放大器泵浦源為半導體激光二極管，泵浦中心波長為808nm，最大泵浦功率為50W ;第一泵浦源聚焦透鏡、第二泵浦源聚焦透鏡、第三泵浦源聚焦透鏡焦距為20mm?30mm，第一泵浦源聚焦透鏡、第二泵浦源聚焦透鏡、第三泵浦源聚焦透鏡可以將泵浦光直徑改變到適合的大小進入板條晶體中，達到光能充分利用的效果。
[0018]所述的光纖相位共軛鏡由多段芯徑不同的光纖和過渡錐形組成，光纖總長度為Im?50m，光纖材料為石英。
[0019]所述的Nd: YAG板條晶體摻雜濃度為0.5at.%，板條規(guī)格為78mmX 8mmX 2mm，晶體形狀為平行四邊形，側面通光與底面夾角為45°，板條的兩側面通光面分別鍍有對808nm和1064nm的增透膜，對808nm和1064nm的反射率小于5%。
[0020]本發(fā)明還提供了一種利用板條放大器和光纖相位共軛鏡獲得高能量單頻激光輸出的方法，步驟如下:
[0021]I)連續(xù)單頻光纖種子源通過光纖輸出后經(jīng)過電光調制器調制，調制后變?yōu)槊}沖重復頻率為5kHz，脈沖寬度為100 μ S，輸出功率為5mW，光束質量因子M2〈l.1 ；
[0022]2)光束調制后經(jīng)過由第一半波片、偏振分束器、法拉第旋光器、第二半波片組成的隔離器后經(jīng)過第一聚焦透鏡、第二反射鏡和第二聚焦透鏡后進入NchYVC^i條晶體進行單通放大，放大器泵浦源出射的泵浦光經(jīng)過泵浦源聚焦透鏡后從晶體下方入射進入NchYVO4板條晶體，單通放大后經(jīng)過第三聚焦透鏡、第三反射鏡和第四反射鏡、后再次進入NchYVO4板條晶體進行二次放大；
[0023]3)放大后的光通過第五反射鏡、第六反射鏡、第四聚焦透鏡后進入光纖相位共軛鏡，對放大后的光進行相位共軛，并按輸入光路原路返回，返回光路再次經(jīng)過兩次Nd: YVO4板條晶體進行功率放大，返回至隔離器的偏振分束器時反射輸出，輸出功率為19.3W，光束質量因子M2〈l.4。
[0024]4)光束從偏振分束器輸出后經(jīng)過偏振片和第五聚焦透鏡后進入Nd:YAG板條晶體，光束功率進一步放大，功率放大至82W，光束質量因子M2〈2。
[0025]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有的有益效果是:
[0026]I)沒有采用多級固體放大器而是板條介質多通放大器的裝置和方法，有效地提高了激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸出光束的光束質量；
[0027]2)采用光纖相位共軛鏡代替光折射相位共軛反射鏡，提高了相位共軛鏡的損傷閾值，延長了相位共軛鏡的使用壽命；
[0028]3)采用Nd: YVO# Nd = YAG混合放大的方式，即在第一級放大時采用Nd:YV0 4進行放大，在小信號的情況下產生很高的增益系數(shù)，在第二級放大時采用Nd:YAG進行放大，應用大功率泵浦將光束有效地放大；這種放大方式高效地提高了光束功率，同時在放大過程中保證了良好的光束質量。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明利用板條放大器和光纖相位共軛鏡獲得高能量單頻激光輸出的裝置的結構及光路示意；圖中，單頻光纖種子源1、電光調制器2、第一反射鏡3、第一半波片4、偏振分束器5、法拉第旋光器6、第二半波片7、第一聚焦透鏡8、第二反射鏡9、第二聚焦透鏡10、第一放大器泵浦源11、第一泵浦源聚焦透鏡124(1:￥￥04板條晶體13、第三聚焦透鏡14、第三反射鏡15、第四反射鏡16、第五反射鏡17、第六反射鏡18、第四聚焦透鏡19、光纖相位共軛鏡20、偏振片21、第五聚焦透鏡22、Nd:YAG板條晶體23、第二放大器泵浦源24、第二泵浦源聚焦透鏡25、第三放大器泵浦源26、第三泵浦源聚焦透鏡27 ;
[0030]圖2為光束經(jīng)過兩級放大后后輸出后的光斑圖樣。
【具體實施方式】
[0031]如圖1所示，一種利用板條放大器和光纖相位共軛鏡獲得高能量單頻激光輸出的裝置，包括沿光路依次布置的連續(xù)單頻光纖種子源1、電光調制器2、第一反射鏡3、第一半波片4、偏振分束器5、法拉第旋光器6、第二半波片7、第一聚焦透鏡8、第二反射鏡9、第二聚焦透鏡10、第一放大器泵浦源11、第一泵浦源聚焦透鏡12、NchYVOdi條晶體13、第三聚焦透鏡14、第三反射鏡15、第四反射鏡16、第五反射鏡17、第六反射鏡18、第四聚焦透鏡19、光纖相位共軛鏡20、偏振片21、第五聚焦透鏡22、Nd:YAG板條晶體23、第二放大器泵浦源24、第二泵浦源聚焦透鏡25、第三放大器泵浦源26和第三泵浦源聚焦透鏡27。
[0032]連續(xù)單頻光纖種子源I輸出中心波長為1064.52nm激光，線寬為70kHz，光束平均功率最大為10mW，光束質量M2〈1.05。
[0033]電光調制器2可以將連續(xù)單頻激光調制成為脈沖激光輸出，調制后的脈沖重復頻率為5kHz，脈沖寬度為100 μ S。
[0034]第一反射鏡3、第二反射鏡9、第三反射鏡15、第四反射鏡16、第五反射鏡17、第六反射鏡18和偏振片21對激光的反射率大于95%，第一半波片4和第二半波片7對激光的反射率小于5%。
[0035]偏振分束器5對垂直偏振光的反射率大于95%，對水平偏振光的反射率小于5%。
[0036]法拉第旋光器6對激光的反射率小于5 %,對偏振光的偏振方向旋轉度數(shù)為45。±1。。
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