CN103560387A - 一种双程吸收分光匹配激光放大器及其放大方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双程吸收分光匹配激光放大器及其放大方法，该激光放大器包括：位于同一光轴上依次分布的：泵浦光聚焦透镜、双色耦合镜、偏振选择镜、增益介质、曲面双色耦合镜、1/4波片、以及曲面全反镜；以及在与所述光轴平行的方向上，依次分布的种子光聚焦透镜和全反镜。使偏振种子光和泵浦光分别入射到聚焦透镜，进入上述光学结构进行双程吸收以及激光放大，种子光放大后输出与种子光偏振态不同的输出光。该放大器及放大方法有效利用了泵浦光，提高了光光转换效率。

Description

一种双程吸收分光匹配激光放大器及其放大方法

技术领域：

本发明涉及激光器领域，特别涉及一种双程吸收分光匹配激光放大器及其放大方法。

背景技术：

激光器自1960年被发明以来得到了广泛的应用，其被应用于多个领域，如激光雷达、遥感、医学、光通信，以及激光显示，激光加工等领域。在很多领域，高能量光斑模式好的激光输出是对激光器的一个重要的要求。

传统端面泵浦激光放大器为单程泵浦，即泵浦光一次通过增益介质，这种激光器经常会出现由于泵浦光不能被有效吸收而出现放大效率不高，这导致了能量的浪费，降低了激光器的转换效率，同时也会导致激光器中介质的发热，使输出光的质量变差

如现有技术CN10296648A，其公开了一种端面泵浦的中红外激光器，其采用端面泵浦，泵浦光一次通过增益介质。该激光器存在泵浦光吸收效率低，晶体发热等缺陷。在光路中增加了透镜等光学元件后，虽然使泵浦光聚焦，但是增加光学器件导致激光器的整体光学损耗大，以及***的可靠性降低。

为了解决上述问题，目前本领域存有一些常用的增加泵浦光吸收的方法和装置，但是其都存在各自的缺点，导致其不能被广泛应用。如增加激光晶体长度，其经常会出现泵浦光在晶体内发散角大，导致光斑变大，使晶体沿轴方向大部分区域泵浦功率密度较低，无法被有效体取；提高掺杂浓度，会使泵浦光吸收加强，但是，在大部分情况下，由于浓度过高会使自吸收损耗增加，使放大效率降低。因此如何使激光介质能有有效及收泵浦光，并通过激光放大器高效的转换为激光成为本领域亟待解决的一个技术问题。

发明内容：

为了克服上述缺陷，获得一种高泵浦效率的激光放大器，本发明采用了双程吸收分光匹配放大方式，实现了从泵浦光到激光的高效转换。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种双程吸收分光匹配激光放大器，其特征在于，该激光放大器包括：

位于同一光轴上依次分布的：泵浦光聚焦透镜(1)、双色耦合镜(3)、偏振选择镜(5)、增益介质(6)、曲面双色耦合镜(7)、1/4波片(8)、以及曲面全反镜(9)；以及：

在与所述光轴平行的方向上，依次分布的种子光聚焦透镜(2)和全反镜(4)，种子光聚焦镜(2)和全反镜(4)被设置为种子光通过种子光聚焦透镜(2)后，入射到全反镜(4)上，被全反镜(4)反射后入射到双色耦合镜(3)；

泵浦光经泵浦光聚集镜(1)后，其束腰位于增益介质(6)的中心；

种子光经种子光聚焦镜(2)后，其束腰与泵浦光束腰位置重合，即位于增益介质(6)的中心；

设曲面双色耦合镜(7)曲率半径为R1，曲面全反镜(9)曲率半径为R2，增益介质(6)的中心到曲面双色耦合镜(7)中心的距离为L1，增益介质的中心到曲面全反镜(9)中心的距离为L2，增益介质(6)的长度为d，L1、L2、R1、R2以及d满足以下数值关系：

L1<L2，L1-d/2≤R1≤L1+d/2，L2-d/2≤R2≤L2+d/2。

优选的，L1＝R1，L2=R2。

优选的，L1-300≤R1≤L1+300，L2-300≤R2≤L2+300。

优选的，L1-100≤R1≤L1+100，L2-100≤R2≤L2+100。

上述数关系中各值的单位为mm。优选的，偏振选择镜(5)的材料为石英。

优选的，双色耦合镜(3)为45°双色耦合镜，其对泵浦光高透，对种子光高反。

一种双程吸收分光匹配激光放人方法，该方法包括：

在同一光轴上依次设置：泵浦光聚焦透镜(1)、双色耦合镜(3)、偏振选择镜(5)、增益介质(6)、双色耦合镜(7)、1/4波片(8)、以及曲面全反镜(9)；

在与所述光轴平行的方向上，依次设置种子光聚焦透镜(2)和全反镜(4)；种子光聚焦镜(2)和全反镜(4)被设置为种子光通过种子光聚焦透镜(2)后，入射到全反镜(4)上，被全反镜(4)反射后入射到双色耦合镜(3)；

使泵浦光入射至泵浦光聚焦透镜(1)，通过该透镜后入射至双色耦合镜(3)，透过双色耦合镜(3)后入射至偏振选择镜(5)，通过偏振选择镜(5)后进入增益介质(6)后被部分吸收，由增益介质(6)出射的未被完全吸收的泵浦光入射至曲面双色镜(7)，被反射后回到增益介质(6)，被增益介质二次吸收，同时曲面双色镜(7)使返回的泵浦光形成光束可逆变换；

使第一偏振的种子光入射到全反镜(4)上，被全反镜(4)反射后入射到双色耦合镜(3)被反射，反射光通过偏振选择镜(5)后，入射到增益介质(6)中被放大，放大后的光通过曲面双色镜(7)后，通过四分之一波片(8)，入射至曲面反射镜(9)后被反射，沿原路返回，使返回的光形成光束的可逆变换，反射光再次通过四分之一波片(8)，偏振方向相比与入射光产生90°旋转，经双色反射镜(7)后入射到增益介质(6)，被二次放大，放大光入射到偏振选择镜(5)上被全反射，输出第二偏振的输出光；

设曲面双色耦合镜(7)曲率半径为R1，曲面全反镜(9)曲率半径为R2，增益介质(6)的中心到曲面双色耦合镜(7)中心的距离为L1，增益介质的中心到曲面全反镜(9)中心的距离为L2，增益介质(6)的长度为d，L1、L2、R1、R2以及d满足以下数值关系：

L1<L2，L1-d/2≤R1≤L1+d/2，L2-d/2≤R2≤L2+d/2。

优选的，种子光为p偏振，输出光为s偏振。

优选的，双色耦合镜(3)和全反镜(4)均可以二维调整。

附图说明：

图：双程吸收分光匹配激光放大器结构图

图中：1.泵浦光聚焦透镜2.种子光聚焦透镜3.双色耦合镜4.全反镜5.偏振选择镜6.增益介质7.曲面双色耦合镜8.1/4波片9.曲面全反镜

具体实施方式：

图为本发明的双程吸收分光匹配激光放大器原理图。

该激光放大器包括：位于同一光轴上依次分布的以下部件：泵浦光聚焦透镜1、双色耦合镜3、偏振选择镜5、增益介质6、曲面双色耦合镜7、1/4波片8、以及曲面全反镜9；在与所述光轴平行的方向上，依次分布有种子光聚焦透镜2和全反镜4，种子光聚焦镜2和全反镜4被设置为种子光通过到种子光聚焦透镜2后，入射到全反镜4上，被全反镜4反射后入射到双色耦合镜3；设曲面双色耦合镜7曲率半径为R1，曲面全反镜9曲率半径为R2，增益介质的中心到曲面双色耦合镜7中心的距离为L1，增益介质的中心到曲面全反镜9中心的距离为L2，增益介质6的长度为d，此时L1<L2，L1-d/2≤R1≤L1+d/2，L2-d/2≤R2≤L2+d/2。

优选地，L1=R1，L2=R2。

该激光放大器其工作方式如下：

泵浦光入射至泵浦光聚焦透镜1，通过该透镜后入射至双色耦合镜3，透过双色耦合镜3后入射至偏振选择镜5，通过偏振选择镜5后进入增益介质6后被部分吸收，由增益介质6出射的未被完全吸收的泵浦光入射至曲面双色镜7反射，被反射后回到增益介质6，再次通过增益介质，被增益介质次吸收，同时曲面双色镜7使返回的光形成光束可逆变换。P偏振的种子光入射到全反镜4上，被全反镜4反射后入射到双色耦合镜3被反射，反射光通过偏振选择镜5后，入射到增益介质6中被放大，放大后的光通过曲面双色镜7，通过四分之一波片，入射至曲面反射镜9后被反射，沿原路返回，使返回的光形成光束的可逆变换，反射光再次通过四分之一波片8和双色反射镜7后入射到增益介质6，被二次放人，放人光入射到偏振选择镜5上被反射，进行偏振选择后输出s偏振的输出光。通过使曲面双色耦合镜和曲面反射镜的曲率满足一定的数值关系，使泵浦光和反射光各自形成可逆变换，增大了增益介质的吸收效率，提高了输出光束的光学质量。

双色耦合镜3为45°双色耦合镜，对泵浦光高透，对种子光高反；全反镜4为45°全反镜，对种子光高反；，双色耦合镜3和全反镜4均可以2维调整，通过调整双色耦合镜3可以使经其反射的种子光与透过其的泵浦光平行，通过调整全反镜4可以泵浦光和种子光在双色耦合镜3的反射面上相交，通过双色耦合镜3和全反镜4的调整，可以很方便调整泵浦光与种子光在双色耦合镜3之后光路严格重合；偏振选择镜5材料为石英，其对泵浦光和p偏振的种子光高透，对s偏振的输出光高反；增益介质为固体增益介质；曲面双色耦合镜7对泵浦光高反，对种子光波长的光高透；曲面全反镜9曲率对种子光高反。

上述放人器以及放人方法，通过使泵浦光多次通过增益介质，增大了增益介质对泵浦光的吸收效率，采用上述放大装置的激光器，获得了良好的输出质量以及较高的输出能量。

Claims (10)

1.一中双程吸收分光匹配激光放大器，其特征在于，该激光放大器包括： 

位于同一光轴上依次分布的：泵浦光聚焦透镜(1)、双色耦全镜(3)、偏振选择镜(5)、增益介质(6)、曲面双色耦合镜(7)、1/4波片(8)、以及曲面全反镜(9)；以及： 

在与所述光轴平行的方向上，依次分布的种子光聚焦透镜(2)和全反镜(4)，种子光聚焦镜(2)和全反镜(4)被设置为种子光通过种子光聚焦透镜(2)后，入射到全反镜(4)上，被全反镜(4)反射后入射到双色耦合镜(3)； 

泵浦光经泵浦光聚集镜(1)后，其束腰位于增益介质(6)的中心； 

种子光经种子光聚焦镜(2)后，其束腰与泵浦光束腰位置重合，即位于增益介质(6)的中心； 

设曲面双色耦合镜(7)曲率半径为R1，曲面全反镜(9)曲率半径为R2，增益介质(6)的中心到曲面双色耦合镜(7)中心的距离为L1，增益介质的中心到曲面全反镜(9)中心的距离为L2，增益介质(6)的长度为d，L1、L2、R1、R2以及d满足以下数值关系： 

L1<L2，L1-d/2≤R1≤L1+d/2，L2-d/2≤R2≤L2+d/2。 

2.根据权利要求1所述的一种激光放大器，其特征在于： 

L1-300≤R≤L1+300，L2-300≤R2≤L2+300，该数值关系中各值的单位为mm。 

3.根据权利要求1所述的一种激光放大器，其特征在于： 

L1-100≤R1≤L1+100，L2-100≤R2≤L2+100，该数值关系中各值的单位为mm。 

4.根据权利要求1-3所述的一种激光放大器，其特征在于：偏振选择镜(5)的材料为石英。 

5.根据权利要求1-4所述的一种激光放大器，其特征在于：双色耦合镜(3)为45°双色耦合镜，其对泵浦光高透，对种子光高反。 

6.一种双程吸收分光匹配激光放大方法，该方法包括： 

在同一光轴上依次设置：泵浦光聚焦透镜(1)、双色耦合镜(3)、偏振选择镜(5)、增益介质(6)、曲面双色耦合镜(7)、1/4波片(8)、以及曲面全反镜(9)； 

在与所述光轴平行的方向上，依次设置种子光聚焦透镜(2)和全反镜(4)，种子光聚焦镜(2)和全反镜(4)被设置为种子光通过种子光聚焦透镜(2)后，入射到全反镜(4)上，被全反镜(4)反射后入射到双色耦合镜(3)； 

使泵浦光入射至泵浦光聚焦透镜(1)，通过该透镜后入射至双色耦合镜(3)，透过双色耦合镜(3)后入射至偏振选择镜(5)，通过偏振选择镜(5)后进入增益介质(6)后被部分吸收，由增益介质(6)出射的未被完全吸收的泵浦光入射至曲面双色镜(7)，被反射后回到增益介质(6)，被增益介质二次吸收，同时曲面双色镜(7)使返回的泵浦光形成光束可逆变换； 

使第一偏振的种子光入射到全反镜(4)上，被全反镜(4)反射后入射到双色耦合镜(3)被反射，反射光通过偏振选择镜(5)后，入射到增益介质(6)中被放大，放大后的光通过曲面双色镜(7)，通过四分之一波片(8)，入射至曲面反射镜(9)后被反射，沿原路返回，使返回的光形成光束的可逆变换，反射光再次通过四分之一波片(8)，经双色反射镜(7)后入射到增益介质(6)，被二次放大，放大光入射到偏振选择镜(5)上被全反射，输出第二偏振的输出光； 

设曲面双色耦合镜(7)曲率半径为R1，曲面全反镜(9)曲率半径为R2，增益介质(6)的中心到曲面双色耦合镜(7)中心的距离为L1，增益介质的中心到曲面全反镜(9)中心的距离为L2，增益介质(6)的长度为d，L1、L2、R1、R2以及d满足以下数值关系： 

L1<L2，L1-d/2≤R1≤L1+d/2，L2-d/2≤R2≤L2+d/2。 

7.根据权利要求6所述的激光放大方法， 

L1-300≤R1≤L1十300，L2-300≤R2≤L2+300，该数值关系中各值的单位为mm。 

8.根据权利要求6所述的激光放大方法，其特征在于：L1-100≤R1≤L1+100，L2-100≤R2≤L2+100，该数值关系中各值的单位为mm。 

9.根据权利要求6所述的激光放大方法，其特征在于：种子光为p偏振，输出光为s偏振。 

10.根据权利要求6所述的激光放大方法，其特征在于：双色耦合镜(3)和全反镜(4)均可以二维调整。 

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