專利名稱：多程光功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于用在高功率應(yīng)用中的固態(tài)激光放大器。背景資訊光纖與半導(dǎo)體激光以及輸出功率范圍落在數(shù)瓦至數(shù)十瓦中的二極管激升固態(tài) (DPSS)脈沖激光主要是應(yīng)用在電子裝置制造領(lǐng)域中的激光微加工。微加工應(yīng)用需要用到高 脈沖重復(fù)頻率(PRF)，其對(duì)應(yīng)于范圍從數(shù)奈秒至數(shù)微微秒，甚至數(shù)飛秒的激光脈沖時(shí)間持續(xù) 長(zhǎng)度。典型的激光輸出波長(zhǎng)的范圍是從紅外光至紫外光。依賴于簡(jiǎn)易主振蕩器的傳統(tǒng)固態(tài) 激光的效能越來(lái)越無(wú)法趕上激光系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)的整體步伐，其主要是因?yàn)閱我徽袷幤饔邢?的脈沖重復(fù)率和功率放大作用。熟練的人士便會(huì)熟知，TEMcitl激光模式的功率放大作用會(huì)因主動(dòng)激光激發(fā)介質(zhì)里面 形成有像差的熱透鏡而受到限制。熱透鏡主要是由激光晶體中的溫度梯度所造成并且會(huì) 讓該晶體的折射率響應(yīng)于不均勻的激升功率而產(chǎn)生變形。Peng，Xu和Asundi在2002年的 IEEE-Quantun Electronics，第38冊(cè)，第9號(hào)中發(fā)表的「二極管激升Nd:YVO4激光的功率 放大」便證實(shí)最大激升功率會(huì)隨著摻雜濃度反向改變；并且證實(shí)，利用808奈米激升波長(zhǎng)和 0. 8公厘直徑激升光點(diǎn)大小，0. 3%的摻雜釩酸鹽晶體僅會(huì)讓激升功率提升至40瓦。

圖1為 808奈米激升激光的最大激升功率與摻雜濃度的函數(shù)關(guān)系圖。除了熱透鏡成形之外，最大 的入射激升功率還會(huì)受到激光晶體的熱斷裂限制。目前為止，端末激升釩酸鹽激光所產(chǎn)生 的TEMcitl模式窄頻寬與線性偏振射束可達(dá)到的最高輸出功率小于30瓦，而所希的功率位準(zhǔn) 則約100瓦。目前，因?yàn)槭芗げ祭餃Y散射(stimulated Brillouin scattering, SBS)及破 壞問(wèn)題的關(guān)系，奈秒脈沖光纖激光并無(wú)法利用TEMtltl模式產(chǎn)生超過(guò)1千瓦的尖峰功率。達(dá)成高功率激光源需求的其中一種方式便是使用激光功率放大器。激光功率放大 器的優(yōu)點(diǎn)是最終的功率輸出可輕易地被放大，以便符合每一個(gè)不同應(yīng)用的特殊需求。激光 功率放大器可能還會(huì)與不同的晶種激光(seed laser)配對(duì)，用以讓晶種激光設(shè)計(jì)與制造具 有彈性。不過(guò)，在激光功率放大器中保持高質(zhì)量射束與穩(wěn)定輸出則仍是一項(xiàng)技術(shù)上的挑戰(zhàn)。典型的激光功率放大器是使用單程組態(tài)，其意味著晶種激光射束會(huì)通過(guò)增益介質(zhì) 一次。Maik Frede等人在2007年的Optics Express，第15冊(cè)，第2號(hào)中所發(fā)表的「用于重 力波偵測(cè)器的基態(tài)單頻激光」便提出過(guò)其中一范例。在Maik Frede等人論文中所述且在 圖2中所描繪的單程四級(jí)放大器僅會(huì)從具有1瓦晶種激光與45瓦激升功率的放大器中抽 出3W，其產(chǎn)生的光學(xué)至光學(xué)效率為6. 7 %。即使最新的單程功率放大器，通常會(huì)呈現(xiàn)源自二 極管激光激升光源的低抽出效率或高(40%至60%)光學(xué)轉(zhuǎn)換率。不過(guò)，典型的二極管端 末激升釩酸鹽激光振蕩器則會(huì)有40%至60%的光學(xué)至光學(xué)轉(zhuǎn)換效率。改良能量抽出效率的方法必須反向引導(dǎo)該激光射束使其多次通過(guò)增益材料，從而 增加增益，直到達(dá)成所希的功率放大為止。典型的多程放大器所產(chǎn)生的增益會(huì)遠(yuǎn)大于單程 放大器所產(chǎn)生的增益。多程功率放大器的合宜應(yīng)用包含半導(dǎo)體裝置連結(jié)處理(IR、綠光及 UV特制脈沖)，激光微加工(飛秒脈沖放大)，以及通道鉆鑿(高功率IR、綠光及UV激光)。 Palessmann等人的美國(guó)專利案第5，546，222號(hào)說(shuō)明多程光放大器的數(shù)個(gè)實(shí)施例，其中四個(gè)
3實(shí)施例出現(xiàn)在圖3中。Palessmarm等人的專利案在10千赫茲處使用Nd:YLF十二程放大器 證實(shí)2. 5微焦耳的能量會(huì)被放大至45微焦耳，1. 6瓦的激升能量會(huì)聚集在放大器增益介質(zhì) 中。如同傳統(tǒng)的多程組態(tài)，其達(dá)到極大的增益(此例中為十二倍)，但卻付出射束質(zhì)量的代 價(jià)。有數(shù)件專利案說(shuō)明過(guò)多程放大器；但是它們的共同問(wèn)題是會(huì)在增益介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生激 光射束移位，移位會(huì)有兩個(gè)固有的嚴(yán)重缺點(diǎn)。第一個(gè)缺點(diǎn)是，被激升的區(qū)域必須非常大，以 便涵蓋不同沖程中所有的激光模式；否則，便會(huì)在激光與激升之間產(chǎn)生低效率的模式匹配 結(jié)果。第二個(gè)缺點(diǎn)是，增益介質(zhì)中不均勻的激升分布(例如所謂的「超高斯」模式)會(huì)在每 一次的沖程造成激光射束功率分布中的變形，最后會(huì)導(dǎo)致激光射束質(zhì)量衰降。所以，與具有 熱透鏡作用的激光腔相同之處在于需要用到補(bǔ)償光學(xué)元件方能最佳化激光輸出使其具有 較高的射束質(zhì)量。此外，該些多程放大器通常需要非常復(fù)雜的光學(xué)架構(gòu)，甚至可能需要特殊 形狀的光學(xué)元件。更重要的是，多程激光射束通常會(huì)共享相同的兩個(gè)或三個(gè)光學(xué)元件，因而 使其非常難以控制熱透鏡作用的影響。明確地說(shuō)，這會(huì)在高功率應(yīng)用中造成問(wèn)題，因?yàn)槊恳?個(gè)沖程均會(huì)修正激光射束參數(shù)。Mclntyre的美國(guó)專利案第5，268，787號(hào)說(shuō)明一種多程激光放大器的方法與設(shè)備， 但是并未解決熱去偏振(thermal depolarization)的問(wèn)題以及放大器中不必要的激光激 發(fā)作用(unwanted lasing)。其也無(wú)法在受到高功率光源激升時(shí)解決增益材料(其為激光 功率放大器的關(guān)鍵組成)如何影響該激光放大器的效能的問(wèn)題。于YAG固態(tài)激光的情況 中，高功率激升含有嚴(yán)重的熱雙折射，從而會(huì)導(dǎo)致此架構(gòu)中正交的偏振方向會(huì)呈現(xiàn)不同的 增益。在許多文章中已經(jīng)觀察到，描述過(guò)，且分析過(guò)在強(qiáng)烈光激升作用下YAG棒中的熱誘發(fā) 雙折射。Q. Lu等人在1996年的Optical Quantum Electronics，第28冊(cè)，第57至69頁(yè)中 所發(fā)表的「用于圓柱型Nd: YAG棒中雙折射補(bǔ)償?shù)男路f方法」便顯示出經(jīng)由熱雙折射所造成 的激光射束去偏振作用會(huì)損耗25%的光學(xué)功率。Q. Lu等人描述到，經(jīng)過(guò)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)的補(bǔ)償方 法僅會(huì)降低5%的功率損耗。因此，控制與補(bǔ)償激光放大器中的熱雙折射似乎為必要且重 要。Dymott的美國(guó)專利申請(qǐng)案第6，384，966號(hào)則解決此功率損耗問(wèn)題，其通過(guò)重新排 列先前激光放大器設(shè)計(jì)的光學(xué)器件用以補(bǔ)償熱雙折射，同時(shí)讓激光射束多次通過(guò)該增益介 質(zhì)。舉例來(lái)說(shuō)，在Dymott的專利案中，一四分之一波板會(huì)被放置在該增益介質(zhì)與第一反射 鏡之間。該份Dymott專利案詳細(xì)說(shuō)明該四分之一波板是被定向成讓從一法拉第旋轉(zhuǎn)器處 發(fā)出的線性偏振射束會(huì)通過(guò)該四分之一波板，而不會(huì)產(chǎn)生任何相位延遲。不過(guò)，因?yàn)闊嵴T發(fā) 的雙折射的關(guān)系，通過(guò)該增益材料一次的光通常會(huì)變成橢圓偏振。在兩次通過(guò)該四分之一 波板時(shí)，該橢圓偏振的旋轉(zhuǎn)方向會(huì)被反轉(zhuǎn)，而且該增益材料中的熱誘發(fā)雙折射會(huì)被補(bǔ)償。該份Dymott專利案說(shuō)明在光功率放大器的設(shè)計(jì)中使用額外的光學(xué)器件來(lái)解決其 它問(wèn)題。舉例來(lái)說(shuō)，于此放大器中需要用到一 45°偏振旋轉(zhuǎn)器，或「法拉第旋轉(zhuǎn)器」來(lái)分離 被放大的光與入射晶種光。但是，該等法拉第旋轉(zhuǎn)器(Dymott專利的圖1至5中的組件符 號(hào)2、4、23以及73)是被放置在難以控制激光射束光點(diǎn)大小的區(qū)域中，其可能會(huì)在高平均功 率應(yīng)用與高尖峰功率應(yīng)用的情況中造成破壞。另一范例為在每一個(gè)激光晶體的任一側(cè)放置 一對(duì)凹面鏡與凸面鏡，以便建構(gòu)一不穩(wěn)定的腔體用以消弭非所希的激光激發(fā)作動(dòng)。此外，高功率應(yīng)用中強(qiáng)烈的熱透鏡還會(huì)在該放大器中充當(dāng)主要透鏡，從而造成該
4腔體的不穩(wěn)定性。如眾所熟知者，熱透鏡作用的程度會(huì)隨著PRF、冷卻溫度、以及激升功率而 改變。Dymott專利案中所述的多程功率放大器是由Nd: YAG所制作，其是一種會(huì)受到去偏 振效應(yīng)影響的等向性增益介質(zhì)。Dymott專利案指出，增益材料可能包含Nd:YAG、NdiYVO4, Nd YLF、或Ti 藍(lán)寶石，用以通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)補(bǔ)償熱誘發(fā)的雙折射。揭示摘要Dymott專利案無(wú)法了解各向異性增益材料(其包含Nd = YVO4與Nd: YLF)的固有優(yōu) 點(diǎn)在于它們本身本質(zhì)上便有雙折射，所以并不需要在所揭示的較佳實(shí)施例中加入用以補(bǔ)償 熱雙折射的器件。舉例來(lái)說(shuō)，倘若沿著Nd YVO4的c軸被偏振的晶種激光射束通過(guò)一 Nd YVO4 放大器晶體的話，那么，入射線性偏振光上的去偏振效應(yīng)便可以忽略。在高功率激光放大器 中加入一額外器件會(huì)提高成本并增加光學(xué)破壞的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)其會(huì)損及被放大射束的質(zhì)量。 再者，Dymott專利案圖式中所示的組態(tài)并無(wú)法獲得各向異性增益材料(例如Nd:YLF)的好 處，因?yàn)樗蟹较蛑械陌l(fā)射波長(zhǎng)并不相同。沿著a軸的發(fā)射是在1047奈米，而沿著c軸的 發(fā)射是在1053奈米。所以，雙程放大器與四程放大器的有效放大功能分別等于單程放大器 與雙程放大器的有效放大功能。和激光功率放大器有關(guān)的上述專利案中沒(méi)有任一案探討過(guò)各向異性增益介質(zhì)的 用法。在過(guò)去數(shù)十年中，各向異性晶體，例如Nd:YV04、Nd:YLF、以及Nd:GdV04，已經(jīng)成為許多 激光應(yīng)用的較佳增益材料，因?yàn)樗鼈兙哂懈甙l(fā)射剖面，所以，它們會(huì)有高受激發(fā)射率。該些 材料還能夠產(chǎn)生線性偏振射束，并不需要采用分離的偏振補(bǔ)償。此外，各向異性增益介質(zhì)可 能會(huì)配合合宜的光學(xué)元件來(lái)施行，用以修正熱透鏡作用并且降低熱透鏡效應(yīng)，不需要輔助 補(bǔ)償，以便確保在通過(guò)該增益介質(zhì)時(shí)會(huì)有較少的激光模式衰降。利用該些優(yōu)點(diǎn)，并入各向異性增益介質(zhì)的光功率放大器的較佳實(shí)施例便能夠利用 多程達(dá)到功率放大的目的，同時(shí)還會(huì)在每一次的沖程期間于激光和激升之間保持良好的模 式匹配。本發(fā)明強(qiáng)調(diào)放大器的效率和被放大射束的質(zhì)量，以便匹配激升光模式與晶種激光 模式。較佳實(shí)施例能夠保持具有實(shí)質(zhì)上零移位的射束，其會(huì)促成較大的效率，并且提供達(dá)成 高功率TEMtltl輸出的省錢(qián)、可靠的解決方案，以便符合微加工應(yīng)用、通道鉆鑿應(yīng)用、以及諧振 轉(zhuǎn)換應(yīng)用的需求。當(dāng)建構(gòu)一包含NchYVO4或其它各向異性增益材料的激光放大器時(shí)，不用補(bǔ)償熱雙 折射也不用補(bǔ)償非所希激光激發(fā)作用是主要考慮，如多程放大器中光學(xué)器件的擺放與組態(tài) 所示。從包含各向異性激光增益介質(zhì)的放大器實(shí)驗(yàn)中取得的資料進(jìn)一步支持了此結(jié)論。 Nd YVO4的數(shù)據(jù)建議可以沿著a軸來(lái)放大照射在各向異性Nd YVO4上的強(qiáng)烈晶種激光射束， 不過(guò)，強(qiáng)度小于沿著c軸放大照射約3至4倍。從下面較佳實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明中，參考隨附圖式，便會(huì)明白本發(fā)明的額外觀點(diǎn)與 優(yōu)點(diǎn)。圖式的簡(jiǎn)單說(shuō)明圖1為用以比較在808奈米處被激升的先前技術(shù)釩酸鹽激光的最大激升功率和摻 雜濃度函數(shù)的計(jì)算與測(cè)量數(shù)值的關(guān)系圖。圖2為Frede等人所述的先前技術(shù)四級(jí)放大器設(shè)計(jì)的圖式。圖3為Plaessmarm等人所述的先前技術(shù)多程放大器設(shè)計(jì)的四個(gè)實(shí)施例的光線圖 總成。
圖4A、4B、以及4C分別為雙程放大器、三程放大器、以及四程放大器的施行方式。 圖4A-1所示的是和入射在一彎曲反射表面上且被該彎曲反射表面反射的激光射束有關(guān)的 反射定律。圖5A、5B、5C、以及5D分別為單程放大器組態(tài)、雙程a_c組態(tài)、以及cm四程組 態(tài)的增益介質(zhì)的c軸與a軸的受激晶種功率與輸出功率和時(shí)間的函數(shù)關(guān)系圖，晶種激光參 數(shù)是被設(shè)在100千赫茲PRF、20奈秒脈沖寬度(PW)、以及3瓦吸收激升功率處。圖6A與6B為利用具有外加激升功率的實(shí)驗(yàn)單程放大器所達(dá)成的經(jīng)測(cè)得晶種功率 位準(zhǔn)與輸出功率位準(zhǔn)的關(guān)系圖。圖7為參數(shù)和圖6中所使用的參數(shù)相同的單程放大器與四程放大器的受激輸出功 率(遞增)和激升功率的函數(shù)關(guān)系圖。圖8A、8B、8C、以及8D為一晶種激光射束每一次連續(xù)通過(guò)一四程功率放大器組態(tài) 之后的受激功率輸出和時(shí)間的函數(shù)關(guān)系圖，晶種激光參數(shù)是被設(shè)在20瓦功率、40奈秒脈沖 寬度、以及50瓦的經(jīng)測(cè)得的總吸收激升功率處。圖9為100千赫茲晶種激光的經(jīng)測(cè)得的功率放大關(guān)系圖，圖中以在808奈米波長(zhǎng) 處被30瓦激升的釩酸鹽晶體的輸出功率和沿著c軸與a軸的晶種功率的函數(shù)來(lái)表示。圖10為a-a或c_c雙程功率放大器組態(tài)的較佳實(shí)施例的示意圖。圖11為a-a-c-c或cm四程功率放大器組態(tài)的較佳實(shí)施例的示意圖。圖12為c-c-c-a或am四程功率放大器組態(tài)的的較佳實(shí)施例的示意圖。圖13為c-c-c-c-a-a和am-c-c六程功率放大器組態(tài)的較佳實(shí)施例的示意 圖。最佳實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明一般適合在多程組態(tài)中作為各向異性增益介質(zhì)的材料為固態(tài)介質(zhì)，例如，但是并 不受限于稀土族離子摻雜結(jié)晶固態(tài)材料，NdiYVO4, Nd:YLF, NdiGdVO4, Tm:YLF, TmiYVO4, Ho:Tm:YLF,Ho:Tm:YVO4、HoTmGdVO4、YbYLF、YbYVO4、YbGdVO4 ；Cr:LiSAF ；Cr:LiCAF ；Ti: 藍(lán)寶石；紫翠玉；其它Nd摻雜的材料；以及包括YLF、YVO4,以及GdVO4主晶體的其它材料。 特定的半導(dǎo)體也可作為增益介質(zhì)，并且可以運(yùn)用光學(xué)或電性激升。上面列出的每一個(gè)材料 均能夠在一或多個(gè)波長(zhǎng)處支持光束放大倍數(shù)。可以選擇各種激升激光波長(zhǎng)用以改良增益介 質(zhì)的轉(zhuǎn)換效率，舉例來(lái)說(shuō)，波長(zhǎng)在808奈米、819奈米、880奈米、888奈米、以及914. 5奈米 處的激升波長(zhǎng)。該激光射可能會(huì)被端末激升或是被旁側(cè)激升。適用于固態(tài)放大器(例如， 光纖激光、激光二極管、固態(tài)激光、鎖模激光(mode lock laser)、或是單激光模式(SLM)激 光)的晶種激光均可作為多程放大器的激光源。圖4A、4B、以及4C所示的分別是雙程組態(tài)、三程組態(tài)、以及四程組態(tài)的多程光放大 器的實(shí)施例。該些實(shí)施例中的每一者均可讓晶種激光射束100沿著一共同的射束路徑101 多次通過(guò)一各向異性的增益介質(zhì)102，其實(shí)質(zhì)上在每一個(gè)沖程期間與射束路徑101會(huì)有零 角度的射束移位104(圖4A-1)。和圖3中所示且需要非鏡面反射的先前技術(shù)組態(tài)不同的是， 在圖4A、4B、以及4C的每一個(gè)多程組態(tài)中，晶種激光射束100入射在曲面HR面鏡106時(shí)會(huì) 垂直于該面鏡的凹表面107。參考圖4A-1，根據(jù)反射定律，一般來(lái)說(shuō)，以表面法線112為基準(zhǔn) 所測(cè)得的入射射束110的入射角108會(huì)等于反射射束116的反射角114。反射射束116與 入射射束110之間的角度便定義角射束移位104。對(duì)垂直入射來(lái)說(shuō)，其反射角108為0°，反射射束116會(huì)折返入射射束110的射束路徑101，從而導(dǎo)致實(shí)質(zhì)為零的角射束移位104， 或者等同于導(dǎo)致入射射束與反射射束之間的對(duì)齊。射束110與射束116的對(duì)齊有助于控制 增益介質(zhì)102中的射束傳播并且確保激光激發(fā)模式和激升模式之間會(huì)有良好的模式匹配 效果。圖4A、4B、以及4C的雙程組態(tài)、三程組態(tài)、以及四程組態(tài)運(yùn)用各向異性的增益介質(zhì) 102分別圖解晶種激光射束100的射束路徑101相對(duì)于光軸118的實(shí)質(zhì)為零的角射束移 位104。也就是，晶種激光射束100會(huì)在相反的方向中大體上沿著光軸118于其路徑中行 進(jìn)與折返，并且在垂直于光軸118的方向中離開(kāi)該光放大器系統(tǒng)，成為輸出激光射束119a、 119b、或119c。于每一種組態(tài)中，晶種激光射束100均會(huì)先通過(guò)法拉第隔絕器120并且入射 在偏振射束分光器122(圖4A與4C)或133(圖4B)之上，其會(huì)根據(jù)該射束的偏振方向及該 射束分光器里面的光學(xué)元件的定向而讓晶種激光射束100通過(guò)偏振射束分光器122或133 或是將晶種激光射束100偏折90°。被定位在增益介質(zhì)102附近的各種光學(xué)器件會(huì)在輸 出激光射束119a、119b、或119c離開(kāi)該光放大器系統(tǒng)之前引導(dǎo)激光射束100通過(guò)增益介質(zhì) 102必要的連續(xù)通過(guò)次數(shù)。圖4A中所示的雙程組態(tài)124包含一四分之一波板126，其是被放置在增益介質(zhì) 102與曲面HR面鏡106之間。從法拉第隔絕器120處射出的晶種激光射束100會(huì)先通過(guò) 偏振射束分光器122，通過(guò)增益介質(zhì)102，并且接著通過(guò)四分之一波板126。從曲面HR面鏡 106處反射的目前已被放大的激光射束100會(huì)反向通過(guò)四分之一波板126。四分之一波板 126具有一被定向在和從增益介質(zhì)102處射出的線性偏振光的偏振方向形成45°角度處的 光軸。四分之一波板126的用途是用以在兩個(gè)沖程中將被放大的晶種激光射束的偏振方向 旋轉(zhuǎn)總共90°。該經(jīng)旋轉(zhuǎn)的線性偏振光接著會(huì)第二次通過(guò)增益介質(zhì)102并且會(huì)在離開(kāi)該光 學(xué)系統(tǒng)成為輸出激光射束119a之前被偏振射束分光器122分離。雙程組態(tài)124并非利用 一法拉第旋轉(zhuǎn)器來(lái)施行，所以，和意圖補(bǔ)償熱誘發(fā)雙折射的先前技術(shù)設(shè)計(jì)不同。在雙程組態(tài) 124中并不需要此補(bǔ)償，因?yàn)槠涫抢酶飨虍愋缘脑鲆娼橘|(zhì)102所施行的。圖4B中所示的三程組態(tài)130包含一半波板132，用以取代雙程組態(tài)124中所使 用的四分之一波板126 ；—偏振射束分光器133，用以取代偏振射束分光器122 ；以及第二曲 面HR面鏡134、第二偏振射束分光器136、以及法拉第旋轉(zhuǎn)器138等新增器件。從法拉第隔 絕器120處射出的晶種激光射束100會(huì)先通過(guò)偏振射束分光器133與增益介質(zhì)102。激光 射束100接著會(huì)通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器138、半波板132、以及第二偏振射束分光器136，從曲面 HR面鏡106處反射，并且反向通過(guò)該系統(tǒng)中的每一個(gè)光學(xué)器件，直到激光射束100碰到第一 偏振射束分光器133為止，第一偏振射束分光器133會(huì)將激光射束100偏折90°，俾使其會(huì) 反射離開(kāi)曲面HR面鏡134。激光射束100接著會(huì)返回第一偏振射束分光器133，其會(huì)將激 光射束100反射回到增益介質(zhì)102，并且激光射束100接著會(huì)通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器138并且第 三次通過(guò)半波板132。激光射束100接著會(huì)被第二偏振射束分光器136偏折90°并且離開(kāi) 變成輸出激光射束11%。圖4C中所示的四程組態(tài)140包含經(jīng)過(guò)重新排列的三程組態(tài)130中的器件，其加入 四分之一波板126。從法拉第隔絕器120處射出的晶種激光射束100會(huì)先通過(guò)偏振射束分 光器122、法拉第旋轉(zhuǎn)器138、以及半波板132。在傳播通過(guò)偏振射束分光器133之后，激光 射束100會(huì)在曲面HR面鏡106和134之間來(lái)回前進(jìn)，并且從而第四次通過(guò)增益介質(zhì)102并
7通過(guò)四分之一波板126。在第四次通過(guò)增益介質(zhì)102之后，激光射束100便會(huì)在以反向的方 向通過(guò)偏振射束分光器133，通過(guò)半波板132與法拉第旋轉(zhuǎn)器138，以及朝偏振射束分光器 122前進(jìn)，并且離開(kāi)變成輸出激光射束119c。晶種激光射束與激升射束之間有良好模式匹配的好處是可以達(dá)到具有高效率抽 出的高質(zhì)量射束的目的。此外，增益介質(zhì)102可被配置成端末激升或被配置成旁側(cè)激升架 構(gòu)。于單激光模式(SLM)操作的情況中，可以利用相位共軛單元來(lái)取代曲面HR面鏡106與 134以便不需要用到透鏡，因?yàn)橄辔还曹棔?huì)消除放大器中的變形。再者，在本文所揭示的放 大器中不會(huì)有任何非所希的激光激發(fā)作動(dòng)。取而代之的是，曲面HR面鏡106與134會(huì)被設(shè) 計(jì)成用以達(dá)到良好的模式匹配并且用以改良放大射束的質(zhì)量。多程組態(tài)的較佳實(shí)施例類似于二極管激升釩酸鹽(NchYVO4)功率放大器。雖然 NchYVO4有各向異性增益；不過(guò)，其仍能用于此多程技術(shù)中，因?yàn)楫?dāng)激光激光射束100的偏 振方向?qū)Ra軸或c軸時(shí)，NchYVO4晶體便能夠產(chǎn)生激光激發(fā)作用。當(dāng)激光射束100的偏振 方向?qū)Rc軸時(shí)，增益會(huì)約大于當(dāng)激光射束100的偏振方向?qū)Ra軸時(shí)的增益的三倍(這 便是先前技術(shù)主要使用c軸來(lái)進(jìn)行激光激發(fā)的原因)。對(duì)的Nd摻雜濃度而言，NchYVO4 沿著a軸與c軸的激光相關(guān)參數(shù)如下發(fā)射剖面，ΧΙΟ"19平方公分熒光壽命，微秒c 軸2590a 軸790已經(jīng)有人設(shè)計(jì)且開(kāi)發(fā)出用以在NchYVO4中沿著a軸與c軸中仿真其放大倍數(shù)的數(shù) 值模型。圖5A與5B中所示的分別是用以比較單程放大器沿著c軸與a軸的放大倍數(shù)的仿 真結(jié)果。該等兩個(gè)模擬及下面提出的實(shí)驗(yàn)均包含下面共同的參數(shù)設(shè)定值100千赫茲PRF， 20奈秒PW，以及3瓦吸收激升功率。尖峰功率位準(zhǔn)是落在千瓦范圍中，而平均功率數(shù)值的大 小等級(jí)則為1瓦至10瓦。圖5A所示的曲線150c是代表單程C軸功率輸出的時(shí)間演進(jìn)關(guān)系 圖，而曲線152則代表在50奈秒時(shí)間區(qū)間154中的晶種激光功率。比較曲線150c與152顯 露出1. 4千瓦的單程c軸尖峰功率輸出156對(duì)應(yīng)于1. 1千瓦的尖峰晶種激光功率158。整 個(gè)100千赫茲循環(huán)(等于10微秒或10，000奈秒)中的平均功率經(jīng)算出為2. 86瓦并且代 表在非常短的50奈秒時(shí)間區(qū)間154內(nèi)所射出的單程c軸能量。圖5B所示的曲線150a是 代表單程a軸功率輸出的對(duì)應(yīng)時(shí)間演進(jìn)關(guān)系圖，而曲線152則代表在50奈秒時(shí)間區(qū)間154 中的晶種激光功率。比較曲線150a與150c顯露出尖峰單程a軸功率輸出為1.3千瓦，而 平均單程a軸功率輸出為2. 6瓦。對(duì)應(yīng)的抽出效率顯示出，c方向中的放大倍數(shù)超過(guò)a方 向中的放大倍數(shù)約三倍。對(duì)相同的激升功率值與晶種功率值來(lái)說(shuō)，從單程功率放大器，到雙程功率放大器， 以及到四程功率放大器會(huì)需要越來(lái)越高的抽出效率以及對(duì)應(yīng)的c軸輸出功率。從對(duì)應(yīng)于圖 5A中單程放大器結(jié)果的c軸中的12. 4%單程抽出效率處進(jìn)行外插，該模擬預(yù)測(cè)a-c雙程放 大器124具有15. 5%的抽出效率及對(duì)應(yīng)于1. 45千瓦尖峰功率輸出164的3. 0瓦平均輸出 功率(圖5C)，而c-a-a-c四程放大器140則具有23. 0%的抽出效率及對(duì)應(yīng)于1. 6千瓦尖 峰功率輸出165的3. 2瓦平均輸出功率(圖5D)。單程放大器的模擬結(jié)果和圖6A與6B中所示沿著c軸的單程放大倍數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 非常吻合。圖6A與6B所示的是利用20奈秒PW，在100千赫茲處被脈沖化的1064奈米的
82. 5瓦平均功率晶種激光所進(jìn)行的功率放大器實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。激光射束光點(diǎn)大小為250微米， 而在束腰處的激升射束光點(diǎn)大小為280微米。該808奈米激升源是具有100微米直徑且數(shù) 值孔徑(NA)為0. 22的光纖耦合激光二極管。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為NchYVO4晶體在808奈米處會(huì)吸 收3瓦的激升功率。使用以此功率放大器實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的單程放大器組態(tài)，在對(duì)齊c軸的激 光偏振方向中會(huì)產(chǎn)生2. 8瓦的平均輸出功率，并且在對(duì)齊a軸的激光激光偏振方向中會(huì)產(chǎn) 生2. 6瓦的平均輸出功率。以本文所揭示的功率放大器模型為基礎(chǔ)，從雙程組態(tài)中可預(yù)期 會(huì)有3瓦的平均輸出功率。本發(fā)明已經(jīng)利用20奈秒PW，激光射束光點(diǎn)直徑350微米，以及激升射束光點(diǎn)直徑 380微米，在100千赫茲處被脈沖化的0. 7瓦晶種激光，分別針對(duì)單程放大器與四程放大器 兩者進(jìn)行過(guò)仿真，其分別顯示出輸出功率與增益和激升功率的函數(shù)。圖7中所呈現(xiàn)的結(jié)果 顯示出兩種組態(tài)約略直線的關(guān)系166，以激升功率為基礎(chǔ)，四程放大器的情況會(huì)有較陡峭的 遞增168。圖4A、4B、以及4C實(shí)施例中所施行的多程功率放大器設(shè)計(jì)也適用于大小等級(jí)為數(shù) 十瓦的高功率應(yīng)用。在100千赫茲PRF處有20瓦平均功率且具有40奈秒PW的晶種激光 射束100會(huì)通過(guò)該增益介質(zhì)，該增益介質(zhì)會(huì)在808奈米激升波長(zhǎng)處吸收總共50瓦的激升功 率。該激光射束光點(diǎn)大小為550微米，而激升射束光點(diǎn)大小為580微米。圖8A、8B、8C、以 及8D中便提出該高功率應(yīng)用的模擬結(jié)果170。單程組態(tài)沿著C軸的抽出效率為22. 9%，其 會(huì)產(chǎn)生31. 4瓦的平均功率輸出，利用和組態(tài)140相同的c-a-a-c四程放大器則會(huì)提高至 44. 4%的效率，平均輸出功率為42. 2瓦。圖8A、8B、8C、以及8D的高功率放大器所產(chǎn)生的尖 峰功率位準(zhǔn)176a、176b、176c、以及176d會(huì)比晶種激光尖峰功率178大了約2至3倍(從 4. 5千瓦中產(chǎn)生約7千瓦至10千瓦)。圖9中所示的是輸出功率和晶種功率的函數(shù)，圖中會(huì)清楚看見(jiàn)a軸放大倍數(shù)182 與c軸放大倍數(shù)183之間的區(qū)別。當(dāng)晶種激光功率152提高時(shí)，輸出功率160會(huì)急劇地提 高，尤其是在四程組態(tài)的情況中，并且尤其當(dāng)晶種激光射束100沿著釩酸鹽晶體的c軸被引 導(dǎo)時(shí)。當(dāng)需要補(bǔ)償熱誘發(fā)的雙折射時(shí)，例如在先前技術(shù)系統(tǒng)中，多程放大器組態(tài)會(huì)局限 在偶數(shù)次的沖程，其中，來(lái)回前進(jìn)通過(guò)該增益介質(zhì)的光束的偏振狀態(tài)必須為正交。因此，在 第一個(gè)沖程中，倘若射束沿著c軸被偏振的話，那么在第二個(gè)沖程中其便必須沿著a軸被偏 振。雙程放大器僅允許有a-c組態(tài)或c-a組態(tài)；而四程放大器則僅允許有a-c-c-a組態(tài)或 c-a-a-c組態(tài)。不過(guò)，利用各向異性的介質(zhì)，例如釩酸鹽，便不需要對(duì)熱誘發(fā)的雙折射進(jìn)行輔 助性補(bǔ)償，從而讓放大器設(shè)計(jì)有更大的自由度。圖10、11、12、以及13為圖4A、4B、以及4C中所示且利用各向異性的增益介質(zhì)所施 行的多程放大器的替代實(shí)施例的示意圖，其允許在c軸與a軸中有不同的沖程次數(shù)。該些 實(shí)施例中的光學(xué)器件會(huì)被排列成用以善用各向異性增益介質(zhì)的特性。明確地說(shuō)，在第一對(duì) 沖程中，晶種激光射束偏振方向在對(duì)齊a軸之前是對(duì)齊于該釩酸鹽增益介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生最大 發(fā)射剖面的晶軸(c軸)。也可能有額外的雙程組態(tài)，例如a-a或c-c (圖10)；以及四程組 態(tài)，例如a-a-c-c或c-c-a-a(圖11)。圖10所示的是和圖4A中所示者雷同的雙程組態(tài)，不 過(guò)，在增益介質(zhì)102的上游處于第一虛線方塊184a里面新增了一法拉第旋轉(zhuǎn)器138與一半 波板132，并且已經(jīng)移除圖4A中曲面HR面鏡106旁邊的四分之一波板126。對(duì)圖4C中所示的四程組態(tài)進(jìn)行相同的兩個(gè)修正便形成圖11中的組態(tài)。圖12中所示的四程組態(tài)是以圖10中的雙程組態(tài)為基礎(chǔ)，其新增了第二虛線方塊 184b中所示的光學(xué)器件。一第二增益介質(zhì)185會(huì)連同第二四分之一波板186被插入在偏振 射束分光器133與一第二曲面HR面鏡134之間。所以，該射束會(huì)通過(guò)增益介質(zhì)102與增益 介質(zhì)185中每一者兩次，總共有四個(gè)沖程。圖13所示的是一種更有效的六程放大器的組態(tài)，其和包含第二極管增益介質(zhì)185 的圖12的雙程組態(tài)相同，不過(guò)，其具有由包圍在第三虛線方塊188中所示的三個(gè)光學(xué)器件 所組成的額外區(qū)塊。該等額外的光學(xué)器件包含被插入在射束路徑中法拉第隔絕器120后面 的一第二偏振射束分光器122、一第二法拉第旋轉(zhuǎn)器190、以及一第二半波板192，第二四分 之一波板186則已被移除。熟悉本技術(shù)的人士便會(huì)明白，可以對(duì)上面所述實(shí)施例的細(xì)節(jié)進(jìn)行許多變更，其并 不會(huì)脫離本發(fā)明的基礎(chǔ)原理。所以，本發(fā)明的范疇?wèi)?yīng)該僅由下面的申請(qǐng)專利范圍來(lái)決定。
10
權(quán)利要求
一種配置多程光功率放大器用以實(shí)施激光能量的偏振相依放大的方法，以便產(chǎn)生具有小射束變形的激光輸出，該方法包括提供一具有第一與第二正交相關(guān)的增益軸的各向異性增益介質(zhì)，其特征在于固有不同的軸增益及相關(guān)聯(lián)的固有差異熱雙折射；引導(dǎo)一經(jīng)偏振的晶種激光射束多次通過(guò)該各向異性增益介質(zhì)，該等多次沖程中每一次沖程的晶種激光射束會(huì)沿著一共同射束路徑傳播而且實(shí)質(zhì)上與該共同射束路徑?jīng)]有任何移位，且該晶種激光射束具有橫越該共同射束路徑的偏振方向；以及調(diào)整該經(jīng)偏振的晶種激光射束的偏振方向讓它們對(duì)齊增益介質(zhì)的第一增益軸與第二增益軸，用以建立通過(guò)該增益介質(zhì)的多次沖程中的數(shù)次沖程并且產(chǎn)生激光輸出射束；借此，該晶種激光射束實(shí)質(zhì)上與該射束路徑?jīng)]有任何移位會(huì)減少激光輸出射束變形，而固有的差異熱雙折射則會(huì)增強(qiáng)激光輸出能量抽出效率。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中，該各向異性增益介質(zhì)包括稀土族離子摻雜結(jié)晶固態(tài)材料。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中，該稀土族離子摻雜結(jié)晶固態(tài)材料包含Nd:YV04、Nd:YLF、 NdiGdVO4, Tm:YLF, Tm:YVO4, Ho:Tm:YLF, Ho:Tm:YVO4, Ho:Tm:GdVO4, Yb:YLF, YbiYVO4 或是 Yb:GdVO4。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中，該各向異性增益介質(zhì)包括Cr:LiSAF；Cr:LiCAF ；Ti:藍(lán)寶石；或是紫翠玉。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中，該各向異性增益介質(zhì)為具有圓形剖面的柱狀棒形狀的 結(jié)晶固態(tài)材料。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中，該各向異性增益介質(zhì)為具有多邊形剖面的柱狀棒形狀 的結(jié)晶固態(tài)材料。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中，該柱狀棒的多邊形剖面為正方形。
8.如權(quán)利要求6的方法，其中，該柱狀棒的多邊形剖面為六角形。
9.如權(quán)利要求1的方法，其中，該調(diào)整該經(jīng)偏振的晶種激光射束的偏振方向的對(duì)齊作 用包含讓該經(jīng)偏振的晶種激光射束多次通過(guò)一射束分光器并且讓激光輸出射束離開(kāi)該射 束分光器。
全文摘要
各向異性晶體，例如Nd:YVO4、Nd:YLF、以及Nd:GdVO4，已經(jīng)成為許多激光應(yīng)用的較佳增益材料。不需要輔助補(bǔ)償?shù)母飨虍愋栽鲆娼橘|(zhì)會(huì)確保在通過(guò)該增益介質(zhì)時(shí)不會(huì)有任何的激光模式衰降。并入各向異性增益介質(zhì)的光功率放大器會(huì)利用多次沖程達(dá)到功率放大的目的，同時(shí)還會(huì)在每一次的沖程期間于激光和激升之間保持良好的模式匹配。本發(fā)明的較佳實(shí)施例在施行晶種激光射束(100)多次通過(guò)各向異性增益介質(zhì)(102)時(shí)在每一個(gè)沖程期間實(shí)質(zhì)上會(huì)有零角射束移位。該多程系統(tǒng)提供省錢(qián)、可靠的方法來(lái)達(dá)到高功率TEM00功率，以便符合微加工應(yīng)用、通道鉆鑿應(yīng)用、以及諧振轉(zhuǎn)換應(yīng)用的需求。
文檔編號(hào)H01S5/026GK101981769SQ200980111740
公開(kāi)日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2009年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者任文生, 彭曉原 申請(qǐng)人:伊雷克托科學(xué)工業(yè)股份有限公司