一種采用腔外波前自再現(xiàn)實現(xiàn)激光放大器中光束質(zhì)量控制的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用腔外波前自再現(xiàn)實現(xiàn)激光放大器中光束質(zhì)量控制的裝置和方法。激光振蕩器從長臂輸出一束球差幾乎為0的激光光束，光束通過帶帶正球差的第一激光增益介質(zhì)實現(xiàn)一次放大，放大后光束帶有強烈的正球差，光束質(zhì)量惡化，光束功率提高。光束從第一激光增益介質(zhì)出來后傳播規(guī)律為先會聚后發(fā)散，所帶的球差從正球差反轉(zhuǎn)為負(fù)球差，在負(fù)球差最大值的地方通過第二激光增益介質(zhì)，通過第二激光增益介質(zhì)后光束所帶的負(fù)球差被激光增益介質(zhì)的正球差補償為接近0，光束質(zhì)量變好，功率進一步增加，從而實現(xiàn)了光束波前在腔外的自再現(xiàn)，在良好地控制了激光光束質(zhì)量的同時有效地放大了激光功率，在工業(yè)加工領(lǐng)域有非常好的應(yīng)用前景。
【專利說明】—種采用腔外波前自再現(xiàn)實現(xiàn)激光放大器中光束質(zhì)量控制的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及固體激光技術(shù)，具體涉及一種采用腔外波前自再現(xiàn)實現(xiàn)激光放大器中光束質(zhì)量控制的裝置和方法。
技術(shù)背景
[0002]高光束質(zhì)量高功率激光器無論是在科研、工業(yè)領(lǐng)域，還是在軍事領(lǐng)域，都有極其廣泛和重要的應(yīng)用，比如非線性頻率變換、激光高精度加工、激光遙感以及激光武器等。光束質(zhì)量是激光的一個重要參數(shù)，在很大程度上決定激光器的性能。在大量的激光應(yīng)用中，最關(guān)鍵的參數(shù)往往不是激光功率，而是激光亮度。對于一臺輸出功率一定的激光器，光束質(zhì)量越好，激光亮度就越高。在高功率的情況下，激光二極管泵浦固體激光器中激光晶體的熱效應(yīng)十分嚴(yán)重。冷卻晶體導(dǎo)致晶體內(nèi)的溫度梯度分布，進而導(dǎo)致晶體折射率梯度分布，形成熱透鏡效應(yīng)、熱致雙折射效應(yīng)以及熱致畸變效應(yīng)等熱效應(yīng)。在激光二極管泵浦激光振蕩器中，隨著泵浦功率增加，熱致畸變效應(yīng)隨之增強，改變激光波前，對激光振蕩器的輸出功率、光束質(zhì)量等性能產(chǎn)生影響。
[0003]激光振蕩器輸出激光功率一般較低，為同時獲得高功率和高光束質(zhì)量激光，通常采用主級振蕩功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu)，主級振蕩級(激光振蕩器)輸出高光束質(zhì)量激光,功率放大級(激光放大器)實現(xiàn)激光功率放大。然而在激光放大器中，通常情況下，由于熱致畸變效應(yīng)的存在，放大過程中激光光束質(zhì)量會持續(xù)惡化，放大后的激光光束質(zhì)量遠(yuǎn)差于激光振蕩器輸出的激光光束質(zhì)量，其中影響光束質(zhì)量的主要因素是激光增益介質(zhì)對光束球差的累積。為改善放大器中的激光光束質(zhì)量，發(fā)展出了多種光束質(zhì)量控制、改善技術(shù)，主要有:相位共軛鏡技術(shù)和可變形鏡技術(shù)等。相位共軛鏡可以自動矯正波前畸變，改善激光光束質(zhì)量?？勺冃午R技術(shù)中使用了一個反射鏡面，在致動器作用下反射鏡面發(fā)生形變，波前傳感器檢測激光波前，進而改變可變形鏡鏡面，就可以矯正激光波前畸變，提高激光光束質(zhì)量。不管是相位共軛鏡技術(shù)還是可變形鏡技術(shù)，都可以改善激光放大器中的激光光束質(zhì)量，但是這兩項技術(shù)成本高、技術(shù)復(fù)雜，具有較大的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的針對上述方法中的不足，提供一種采用腔外波前自再現(xiàn)實現(xiàn)激光放大器中光束質(zhì)量控制的裝置和方法。本發(fā)明利用激光放大器本身的性質(zhì)，通過對兩個放大器中球差的精細(xì)控制，不需要采用相位共軛鏡技術(shù)或者可變形鏡技術(shù)，就可以保持激光在通過放大器后保持好的光束質(zhì)量。
[0005]采用腔外波前自再現(xiàn)實現(xiàn)激光放大器中光束質(zhì)量控制的裝置包括第一泵浦源、第一光學(xué)稱合系統(tǒng)第一透鏡、第一光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡、第一雙色鏡、第一激光增益介質(zhì)、諧振腔高反鏡、諧振腔輸出鏡、第二泵浦源、第二光學(xué)稱合系統(tǒng)第一透鏡、第二光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡、第二雙色鏡、第三泵浦源、第三光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第三光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第三雙色鏡、第二激光增益介質(zhì)、第四泵浦源、第四光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第四光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第四雙色鏡、第五泵浦源、第五光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第五光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第五雙色鏡、第三激光增益介質(zhì)、第六泵浦源、第六光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第六光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第六雙色鏡；第一泵浦源、第一光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第一光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡、第一雙色鏡、第一激光增益介質(zhì)、第二雙色鏡、第二光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡、第二光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第二泵浦源順次相連，第三泵浦源、第三光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第三光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第三雙色鏡、第二激光增益介質(zhì)、第四雙色鏡、第四光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第四光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第四泵浦源順次相連，第五泵浦源、第五光學(xué)稱合系統(tǒng)第一透鏡、第五光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡、第五雙色鏡、第三激光增益介質(zhì)、第六雙色鏡、第六光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第六光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第六泵浦源順次相連，在第一雙色鏡與第三雙色鏡之間放置有諧振腔高反鏡，第二雙色鏡與第四雙色鏡之間順次放置有諧振腔輸出鏡。
[0006]所述的諧振腔高反鏡對激光的反射率大于99.5%，諧振腔輸出鏡對激光的反射率為 10%~90%。
[0007]所述的第一激光增益介質(zhì)和第二激光增益介質(zhì)為摻雜型激光材料，摻雜型激光材料為Nd = YVO4晶體或Nd = YAG晶體。
[0008]所述的第一光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡與第一光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第二光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡與第二光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第三光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡與第三光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第四光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡與第四光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第五光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡與第五光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡以及第六光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡與第六光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡兩透鏡的焦距比例為1:1~1:3。
[0009]所述的第一雙色 鏡和第二雙色鏡、第三雙色鏡和第四雙色鏡以及第五雙色鏡和第六雙色鏡與光路呈45°放置，第一雙色鏡和第二雙色鏡、第三雙色鏡和第四雙色鏡以及第五雙色鏡和第六雙色鏡對諧振激光的反射率大于99.5%，并且對泵浦激光的反射率小于
5% ο
[0010]實現(xiàn)激光光束波前球差動態(tài)補償方法的步驟如下:
1)在激光振蕩器內(nèi)部的激光光束，其波前球差的強弱和正負(fù)在不同位置處具有不同的分布，通過調(diào)節(jié)諧振腔高反鏡與第一激光增益介質(zhì)的距離LI和第一激光增益介質(zhì)與諧振腔輸出鏡的距離L2，滿足L2為LI的2飛倍，此時，諧振腔內(nèi)部的球差分布為:諧振腔高反鏡處的球差系數(shù)為0，光束傳播到第一激光增益介質(zhì)的上端面出球差系數(shù)為-0.04'0.03，第一激光增益介質(zhì)帶有的正球差為+0.04±0.005，光束通過第一激光增益介質(zhì)后下端面處的球差系數(shù)為0-0.005，光束傳播到諧振腔輸出鏡處的球差系數(shù)變?yōu)?，光束再次回到第一激光增益介質(zhì)的下端面處時球差系數(shù)變?yōu)?0.005、，通過第一激光增益介質(zhì)后上端面的球差系數(shù)為+0.03^+0.04，回到諧振腔高反鏡處的球差又變?yōu)?，如此往復(fù)；
2)激光振蕩器輸出的光束經(jīng)過諧振腔高反鏡與第二激光增益介質(zhì)之間的距離L3之后進入第二激光增益介質(zhì)，其中L3=L2，光束傳播L3的距離之后到達激光放大器中第二激光增益介質(zhì)的下端面處，此時光束波前球差的強弱和正負(fù)與第一激光增益介質(zhì)的下端面處進入第一激光增益介質(zhì)的光束的光強和相位完全一致，球差大小為-0.005、；光束經(jīng)過第二激光增益介質(zhì)后，第二激光增益介質(zhì)所帶的球差大小為+0.04±0.005，光束波前的球差變?yōu)?0.03^+0.04，此時光束質(zhì)量變差，激光功率增加；
3)從第二激光增益介質(zhì)出射的光束傳播與第二激光增益介質(zhì)距離為L4之后光束到達焦點位置，其中L4=L1，球差變?yōu)?，此時光束的波前的性質(zhì)與激光振蕩器中諧振腔高反鏡的性質(zhì)完全相同，再傳播焦點與第三激光增益之間的距離L5之后光束的球差反轉(zhuǎn)為負(fù)球差，其中L5=L4，球差大小為-0.04^-0.03，此時通過第三激光增益介質(zhì)；
4)第三激光增益介質(zhì)所帶的球差大小為+0.04±0.005，光束通過第三激光增益介質(zhì)時光束所帶的負(fù)球差被第三激光增益介質(zhì)中熱透鏡效應(yīng)的正球差所補償，光束出射后球差系數(shù)變?yōu)?-+0.005，光束質(zhì)量變好，激光功率進一步增加，此時光束波前的性質(zhì)與激光振蕩器出射的光束波前性質(zhì)近似一樣，整個放大系統(tǒng)中光束質(zhì)量變壞一變好的過程和激光諧振腔中光束自再現(xiàn)的情況相似，實現(xiàn)了光束波前在腔外自再現(xiàn)，從而有效地保證了激光放大器中光束質(zhì)量控制，而且放大了激光光束的功率。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是:
1、相位共軛鏡技術(shù)和可變形鏡技術(shù)成本高，造價昂貴，本發(fā)明采用激光放大晶體自身實現(xiàn)光束質(zhì)量的控制，有效地節(jié)約了成本。
[0012]2、相位共軛鏡技術(shù)和可變形鏡技術(shù)控制光束質(zhì)量的技術(shù)復(fù)雜，需要針對特定的光束有特定的制作精度，具有較大的局限性，本發(fā)明利用激光放大晶體本身的特性實現(xiàn)了激光光束波前在腔外的自再現(xiàn)，有效地控制了激光放大器中的光束質(zhì)量?？刹僮餍詮?，效果很好。
[0013]3、本發(fā)明不但通過波前自 再現(xiàn)的方法有效地控制了光束質(zhì)量，而且通過放大器放大了光束功率，這對于工業(yè)加工有非常積極的意義。
[0014]4、采用本發(fā)明可以不局限于兩級放大，通過類似的球差控制，可以在激光振蕩器后加無限級的激光放大器，從而可以將光束做到非常高的功率，而且保持良好的光束質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本采用腔外波前自再現(xiàn)實現(xiàn)激光放大器中光束質(zhì)量控制的裝置的結(jié)構(gòu)及光路不意圖；
圖中，第一泵浦源1、第一光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡2、第一光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡3、第一雙色鏡4、第一激光增益介質(zhì)5、諧振腔高反鏡6、諧振腔輸出鏡7、第二泵浦源8、第二光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡9、第二光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡10、第二雙色鏡11、第三泵浦源12、第三光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡13、第三光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡14、第三雙色鏡15、第二激光增益介質(zhì)16、第四泵浦源17、第四光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡18、第四光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡19、第四雙色鏡20、第五泵浦源21、第五光學(xué)稱合系統(tǒng)第一透鏡22、第五光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡23、第五雙色鏡24、第三激光增益介質(zhì)25、第六泵浦源26、第六光學(xué)稱合系統(tǒng)第一透鏡27、第六光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡28、第六雙色鏡29 ；
圖2為光束經(jīng)過第二級激光增益介質(zhì)后輸出光束的光束質(zhì)量M2與第二激光增益介質(zhì)泵浦電流的關(guān)系圖；
圖3為第二激光增益介質(zhì)輸入泵浦功率最大時，光束經(jīng)過第二激光增益介質(zhì)后輸出的光斑圖像；
圖4為光束經(jīng)過第三激光增益介質(zhì)后輸出光束的光束質(zhì)量M2與第三激光增益介質(zhì)泵浦電流的關(guān)系圖；
圖5為第三激光增益介質(zhì)輸入泵浦功率最大時，光束經(jīng)過第三激光增益介質(zhì)后輸出的光斑圖像；
【具體實施方式】:
下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步說明。
[0016]如圖1所示，采用腔外波前自再現(xiàn)實現(xiàn)激光放大器中光束質(zhì)量控制的裝置包括第一泵浦源、第一光學(xué)稱合系統(tǒng)第一透鏡、第一光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡、第一雙色鏡、第一激光增益介質(zhì)、諧振腔高反鏡、諧振腔輸出鏡、第二泵浦源、第二光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第二光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第二雙色鏡、第三泵浦源、第三光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第三光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第三雙色鏡、第二激光增益介質(zhì)、第四泵浦源、第四光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第四光學(xué)I禹合系統(tǒng)第二透鏡、第四雙色鏡、第五泵浦源、第五光學(xué)I禹合系統(tǒng)第一透鏡、第五光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第五雙色鏡、第三激光增益介質(zhì)、第六泵浦源、第六光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第六光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第六雙色鏡；第一泵浦源、第一光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第一光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡、第一雙色鏡、第一激光增益介質(zhì)、第二雙色鏡、第二光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第二光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第二泵浦源順次相連，第三泵浦源、第三光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第三光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第三雙色鏡、第二激光增益介質(zhì)、第四雙色鏡、第四光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第四光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第四泵浦源順次相連，第五泵浦源、第五光學(xué)稱合系統(tǒng)第一透鏡、第五光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡、第五雙色鏡、第三激光增益介質(zhì)、第六雙色鏡、第六光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第六光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡、第六泵浦源順次相連，在第一雙色鏡與第三雙色鏡之間放置有諧振腔高反鏡，第二雙色鏡與第四雙色鏡之間順次放置有諧振腔輸出鏡。
[0017]所述的諧振腔高反鏡對激光的反射率大于99.5%，諧振腔輸出鏡對激光的反射率為 10%?90%。
[0018]所述的第一激光增益介質(zhì)和第二激光增益介質(zhì)為摻雜型激光材料，摻雜型激光材料為Nd:YV04晶體或Nd: YAG晶體。
[0019]所述的第一光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡與第一光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第二光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡與第二光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第三光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡與第三光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第四光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡與第四光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡、第五光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡與第五光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡以及第六光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡與第六光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡兩透鏡的焦距比例為1:1?1:3。
[0020]所述的第一雙色鏡和第二雙色鏡、第三雙色鏡和第四雙色鏡以及第五雙色鏡和第六雙色鏡與光路呈45°放置，第一雙色鏡和第二雙色鏡、第三雙色鏡和第四雙色鏡以及第五雙色鏡和第六雙色鏡對諧振激光的反射率大于99.5%，并且對泵浦激光的反射率小于
5% ο
[0021]實現(xiàn)激光光束波前球差動態(tài)補償方法的步驟如下:
I)在激光振蕩器內(nèi)部的激光光束，其波前球差的強弱和正負(fù)在不同位置處具有不同的分布，通過調(diào)節(jié)諧振腔高反鏡與第一激光增益介質(zhì)的距離LI和第一激光增益介質(zhì)與諧振腔輸出鏡的距離L2，滿足L2為LI的2飛倍，此時，諧振腔內(nèi)部的球差分布為:諧振腔高反鏡處的球差系數(shù)為O，光束傳播到第一激光增益介質(zhì)的上端面出球差系數(shù)為-0.04'0.03，第一激光增益介質(zhì)帶有的正球差為+0.04±0.005，光束通過第一激光增益介質(zhì)后下端面處的球差系數(shù)為0-0.005，光束傳播到諧振腔輸出鏡處的球差系數(shù)變?yōu)?，光束再次回到第一激光增益介質(zhì)的下端面處時球差系數(shù)變?yōu)?0.005、，通過第一激光增益介質(zhì)后上端面的球差系數(shù)為+0.03^+0.04，回到諧振腔高反鏡處的球差又變?yōu)?，如此往復(fù)；
2)激光振蕩器輸出的光束經(jīng)過諧振腔高反鏡與第二激光增益介質(zhì)之間的距離L3之后進入第二激光增益介質(zhì)，其中L3=L2，光束傳播L3的距離之后到達激光放大器中第二激光增益介質(zhì)的下端面處，此時光束波前球差的強弱和正負(fù)與第一激光增益介質(zhì)的下端面處進入第一激光增益介質(zhì)的光束的光強和相位完全一致，球差大小為-0.005^0 ;光束經(jīng)過第二激光增益介質(zhì)后，第二激光增益介質(zhì)所帶的球差大小為+0.04±0.005，光束波前的球差變?yōu)?0.03^+0.04，此時光束質(zhì)量變差，激光功率增加；
3)從第二激光增益介質(zhì)出射的光束傳播與第二激光增益介質(zhì)距離為L4之后光束到達焦點位置，其中L4=L1，球差變?yōu)?，此時光束的波前的性質(zhì)與激光振蕩器中諧振腔高反鏡的性質(zhì)完全相同，再傳播焦點與第三激光增益之間的距離L5之后光束的球差反轉(zhuǎn)為負(fù)球差，其中L5=L4，球差大小為-0.04^-0.03，此時通過第三激光增益介質(zhì)；
4)第三激光增益介質(zhì)所帶的球差大小為+0.04±0.005，光束通過第三激光增益介質(zhì)時光束所帶的負(fù)球差被第三激光增益介質(zhì)中熱透鏡效應(yīng)的正球差所補償，光束出射后球差系數(shù)變?yōu)?-+0.005，光束質(zhì)量變好，激光功率進一步增加，此時光束波前的性質(zhì)與激光振蕩器出射的光束波前性質(zhì)近似一樣，整個放大系統(tǒng)中光束質(zhì)量變壞一變好的過程和激光諧振腔中光束自再現(xiàn)的情況相似，實現(xiàn)了光束波前在腔外自再現(xiàn)，從而有效地保證了激光放大器中光束質(zhì)量控制，而且放大了激光光束的功率。
實施例
[0022]所述的第一泵浦源和第二泵浦源是輸出波長為808nm的InGaAs的半導(dǎo)體激光二極管。所述的第一光學(xué)耦合系統(tǒng)和第二光學(xué)耦合系統(tǒng)由兩塊焦距為20mm和40mm的透鏡組成。所述激光諧振腔由高反鏡、輸出鏡、第一雙色鏡和第二雙色鏡組成，高反鏡對激光的反射率為99.9%，高反鏡與第一激光增益介質(zhì)的距離為Ll=120mm，輸出鏡對激光的反射率為20%，第一激光增益介質(zhì)與輸出鏡的距離為L2=300mm，第一雙色鏡和第二雙色鏡與光路呈45°放置，對諧振激光的反射率為99.9%，并且對泵浦激光的反射率為0.5% ;所述的第一激光增益介質(zhì)位于諧振腔中，第一激光增益介質(zhì)為NchYVO4晶體，晶體釹摻雜濃度為
0.3at.%,Nd:YVO4晶體為長方體，尺寸規(guī)格為3*3*16mm，輸出鏡與第二激光增益介質(zhì)的距離為 L3=L2=300mm。
[0023]所述的第三泵浦源和第四泵浦源是輸出波長為808nm的InGaAs的半導(dǎo)體激光二極管。所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)由兩塊焦距為20mm和40mm的透鏡組成。所述第三雙色鏡和第四雙色鏡與光路呈45°放置，對諧振激光的反射率為99.9%，并且對泵浦激光的反射率為
0.5% ;所述的固體激光介質(zhì)是Nd = YVO4晶體，晶體釹摻雜濃度為0.3at.%, Nd: YVO4晶體為長方體，規(guī)格為3*3*16mm。第二激光增益介質(zhì)和第三激光增益介質(zhì)的距離為L4+L5=240mm，其中 T ,4=1,5=1,1 =120mm η
[0024]所述的第五泵浦源和第六泵浦源是輸出波長為808nm的InGaAs的半導(dǎo)體激光二極管。所述的光學(xué)耦合系統(tǒng)由兩塊焦距為20mm和40mm的透鏡組成。所述第五雙色鏡和第六雙色鏡與光路呈45°放置，對諧振激光的反射率為99.9%，并且對泵浦激光的反射率為
0.5% ;所述的固體激光介質(zhì)是Nd = YVO4晶體，晶體釹摻雜濃度為0.3at.%, Nd: YVO4晶體為長方體，規(guī)格為3*3*16mm。
[0025]經(jīng)測量，振蕩級長臂的光束質(zhì)量為M2=L 35，振蕩級短臂的光束質(zhì)量為M2=3.5，長臂輸出功率為28W，由此可知振蕩級長臂輸出的光束球差很小，接近為O。根據(jù)所述的方法可知，光束從長臂輸出后通過第二激光增益介質(zhì)后變?yōu)閹в袕娏业恼虿睿ㄟ^增加激光放大級的泵浦電流，激光放大器中的增益介質(zhì)的球差隨之增加，光束質(zhì)量逐漸變差，光束質(zhì)量M2與第二激光增益介質(zhì)的輸入泵浦功率關(guān)系圖如圖2所示，泵浦電流最大處輸出的光斑圖如圖3所示，此時光束質(zhì)量為M2=3.7，同時光束的功率也隨著放大級泵浦功率的增加而增力口，輸出功率為58W。光束通過第二激光增益介質(zhì)后傳播L4=120mm后匯聚，再通過L5=120mm后通過第三激光增益介質(zhì)，此時光束所帶的球差實現(xiàn)了反轉(zhuǎn)，變?yōu)閺娏业呢?fù)球差。通過第三激光增益介質(zhì)后通過增加激光放大級的泵浦電流，光束所帶的負(fù)球差漸漸被激光放大級中的正球差補償，光束逐漸變好，輸出的光束質(zhì)量M2與第三激光增益的輸入泵浦功率關(guān)系圖如圖4所示，泵浦電流最大處輸出的光斑圖如圖5所示，此時光束質(zhì)量回到M2=L 4，球差變?yōu)榻咏?，實現(xiàn)了光束波前在腔外的自再現(xiàn)，有效地控制了光束在放大級中光束質(zhì)量，同時輸出功率提高到86W。
[0026]上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種采用腔外波前自再現(xiàn)實現(xiàn)激光放大器中光束質(zhì)量控制的裝置，其特征在于包括第一泵浦源(I)、第一光學(xué)稱合系統(tǒng)第一透鏡(2)、第一光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡(3)、第一雙色鏡(4)、第一激光增益介質(zhì)(5)、諧振腔高反鏡(6)、諧振腔輸出鏡(7)、第二泵浦源(8)、第二光學(xué)稱合系統(tǒng)第一透鏡(9)、第二光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡(10)、第二雙色鏡(11)、第三泵浦源(12)、第三光學(xué)稱合系統(tǒng)第一透鏡(13)、第三光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡(14)、第三雙色鏡(15)、第二激光增益介質(zhì)(16)、第四泵浦源(17)、第四光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡(18)、第四光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡(19)、第四雙色鏡(20)、第五泵浦源(21)、第五光學(xué)稱合系統(tǒng)第一透鏡(22)、第五光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡(23)、第五雙色鏡(24)、第三激光增益介質(zhì)(25)、第六泵浦源(26)、第六光學(xué)稱合系統(tǒng)第一透鏡(27)、第六光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡(28)、第六雙色鏡(29);第一泵浦源(I)、第一光學(xué)稱合系統(tǒng)第一透鏡(2)、第一光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡(3)、第一雙色鏡(4)、第一激光增益介質(zhì)(5)、第二雙色鏡(11)、第二光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡(10)、第二光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡(9)、第二泵浦源(8)順次相連，第三泵浦源(12)、第三光學(xué)稱合系統(tǒng)第一透鏡(13)、第三光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡(14)、第三雙色鏡(15)、第二激光增益介質(zhì)(16)、第四雙色鏡(20)、第四光學(xué)f禹合系統(tǒng)第二透鏡(19)、第四光學(xué)f禹合系統(tǒng)第一透鏡(18)、第四泵浦源(17)順次相連，第五泵浦源(21)、第五光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡(22)、第五光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡(23)、第五雙色鏡(24)、第三激光增益介質(zhì)(25)、第六雙色鏡(29)、第六光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡(28)、第六光學(xué)稱合系統(tǒng)第一透鏡(27)、第六泵浦源(26)順次相連，在第一雙色鏡(4)與第三雙色鏡(15)之間的光路上垂直放置有諧振腔高反鏡(6)，第二雙色鏡(11)與第四雙色鏡(20)之間的光路上垂直放置有諧振腔輸出鏡(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用腔外波前自再現(xiàn)實現(xiàn)激光放大器中光束質(zhì)量控制的裝置，其特征在于所述的諧振腔高反鏡(6)對激光的反射率大于99.5%，諧振腔輸出鏡(7)對激光的反 射率為10%~90%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用腔外波前自再現(xiàn)實現(xiàn)激光放大器中光束質(zhì)量控制的裝置，其特征在于所述的第一激光增益介質(zhì)(5)和第二激光增益介質(zhì)(16)為摻雜型激光材料，摻雜型激光材料為Nd:YV04晶體或Nd = YAG晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用腔外波前自再現(xiàn)實現(xiàn)激光放大器中光束質(zhì)量控制的裝置，其特征在于所述的第一光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡(2)與第一光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡(3)，第二光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡(9)與第二光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡(10)，第三光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡(13)與第三光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡(14)，第四光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡(18)與第四光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡(19)，第五光學(xué)耦合系統(tǒng)第一透鏡(22)與第五光學(xué)耦合系統(tǒng)第二透鏡(23)以及第六光學(xué)稱合系統(tǒng)第一透鏡(27 )與第六光學(xué)稱合系統(tǒng)第二透鏡(28)兩透鏡的焦距比例為1:1~1:3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用腔外波前自再現(xiàn)實現(xiàn)激光放大器中光束質(zhì)量控制的裝置，其特征在于所述的第一雙色鏡(4)、第二雙色鏡(11 )、第三雙色鏡(15)和第四雙色鏡(20 )、第五雙色鏡(24 )或第六雙色鏡(29 )與光路呈45 °放置，第一雙色鏡(4 )、第二雙色鏡(11)、第三雙色鏡(15 )、第四雙色鏡(20 )、第五雙色鏡(24 )或第六雙色鏡(29 )對諧振激光的反射率大于99.5%,并且對泵浦激光的反射率小于5%。
6.一種采用如權(quán)利要求1所述裝置的一種采用腔外波前自再現(xiàn)實現(xiàn)激光放大器中光束質(zhì)量控制的方法，其特征在于它的步驟如下: 1)在激光振蕩器內(nèi)部的激光光束，其波前球差的強弱和正負(fù)在不同位置處具有不同的分布，通過調(diào)節(jié)諧振腔高反鏡(6)與第一激光增益介質(zhì)(5)的距離LI和第一激光增益介質(zhì)(5)與諧振腔輸出鏡(7)的距離L2，滿足L2為LI的2飛倍，此時，諧振腔內(nèi)部的球差分布為:諧振腔高反鏡(6)處的球差系數(shù)為O，光束傳播到第一激光增益介質(zhì)(5)的上端面出球差系數(shù)為-0.04^-0.03，第一激光增益介質(zhì)(5)帶有的正球差為+0.04±0.005，光束通過第一激光增益介質(zhì)(5)后下端面處的球差系數(shù)為0-0.005，光束傳播到諧振腔輸出鏡(7)處的球差系數(shù)變?yōu)?，光束再次回到第一激光增益介質(zhì)(5)的下端面處時球差系數(shù)變?yōu)?0.005、，通過第一激光增益介質(zhì)(5)后上端面的球差系數(shù)為+0.03^+0.04，回到諧振腔高反鏡(6)處的球差又變?yōu)?，如此往復(fù)； 2)激光振蕩器輸出的光束經(jīng)過諧振腔高反鏡(6)與第二激光增益介質(zhì)(16)之間的距離L3之后進入第二激光增益介質(zhì)(16)，其中L3=L2，光束傳播L3的距離之后到達激光放大器中第二激光增益介質(zhì)(16)的下端面處，此時光束波前球差的強弱和正負(fù)與第一激光增益介質(zhì)(5)的下端面處進入第一激光增益介質(zhì)(5)的光束的光強和相位完全一致,球差大小為-0.005、；光束經(jīng)過第二激光增益介質(zhì)(16)后，第二激光增益介質(zhì)(16)所帶的球差大小為+0.04±0.005，光束波前的球差變?yōu)?0.03^+0.04，此時光束質(zhì)量變差，激光功率增加； 3)從第二激光增益介質(zhì)(16)出射的光束傳播與第二激光增益介質(zhì)(16)距離為L4之后光束到達焦點位置，其中L4=L1，球差變?yōu)?，此時光束的波前的性質(zhì)與激光振蕩器中諧振腔高反鏡(6)的性質(zhì)完全相同，再傳播焦點與第三激光增益之間的距離L5之后光束的球差反轉(zhuǎn)為負(fù)球差，其中L5=L4，球差大小為-0.04^-0.03，此時通過第三激光增益介質(zhì)(25)； 4)第三激光增益介質(zhì)(25)所帶的球差大小為+0.04±0.005，光束通過第三激光增益介質(zhì)時光束所帶的負(fù)球差被第三激光增益介質(zhì)(25)中熱透鏡效應(yīng)的正球差所補償，光束出射后球差系數(shù)變?yōu)?-+0.005，光束質(zhì)量變好，激光功率進一步增加，此時光束波前的性質(zhì)與激光振蕩器出射的光束波前性質(zhì)近似一樣，整個放大系統(tǒng)中光束質(zhì)量變壞一變好的過程和激光諧振腔中光束自再現(xiàn)的情況相似`，實現(xiàn)了光束波前在腔外自再現(xiàn)，從而有效地保證了激光放大器中光束質(zhì)量控制，而且放大了激光光束的功率。
【文檔編號】H01S3/102GK103887701SQ201410102161
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】劉崇, 劉斌, 王毅, 項震 申請人:浙江大學(xué)