[发明专利]一种碟片激光放大器

说明书

技术领域

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种碟片激光放大器。

背景技术

激光技术自上世纪六十年代至今高速发展，同时，又与其他高新技术相互渗透，在材料加工、医疗、军事、测量及科学实验研究等众多领域有越来越广泛的应用。其中，固体激光器具有体积小，重量轻，成本低，使用维护方便等优势，成为激光器家族中独特的一个分支，并向着高平均功率、高光束质量、高转换效率的方向快速发展。然而传统的棒状固体激光器和棒状固体激光放大器，由于其侧面泵浦的结构和冷却方式的局限性，导致了晶体内部产生径向温度场分布，引起了热透镜效应、热应力双折射等问题，造成输出激光光束质量的下降，不利于在激光加工技术等领域的应用。为获得高光束质量激光输出，往往采用提高基模体积、增大谐振腔损耗等手段抑制高阶模式的产生，相同条件下，这样的工作模式获得输出功率一般明显低于多模(低光束质量)工作模式，因此在获得高光束质量的种子光源后，利用激光放大器对入射激光进行放大，可以在保持较高的光束质量的同时获得更高的输出功率。

传统激光放大器一般采用棒状增益介质或板条状增益介质，种子激光再通过被泵浦的增益介质过程中被放大。为了获得较高的输出功率，往往需要多级棒状增益介质，或采用复杂的光学系统使被放大激光多次通过板条状增益介质。这两种激光放大器均存在以下问题：激光晶体内部温度梯度方向与被放大激光传播方向垂直，显著的热透镜效应会在放大过程中不断劣化被放大激光光束质量。不易同时获得高功率、高光束质量的激光输出。其次，被放大激光在传播过程中，光束截面尺寸不断变化，实现泵浦区域尺寸与被放大激光尺寸相匹配是十分困难的。

作为新型的激光增益介质，碟片状激光晶体作为增益介质在碟片固体激光器上已取得了极大成功。这种类型的激光晶体也适用于激光放大器。因为其特殊的几何结构，客服了传统放大器中棒状增益介质固有的显著的热透镜效应，特别是以三价Yb离子掺杂的YAG碟片激光晶体，具有生热率小，导热率高等特点。碟片状晶体一般采用端面泵浦方式，晶体中热流方向与光轴方向平行。由于激光晶体厚度很小，因而即使在泵浦功率密度很高时，晶体内部的升温也不会很大，晶体内部增益区内温度径向均匀分布，极大消除了晶体的热形变。因为碟片状激光晶体具有可承受泵浦功率高，热畸变小等优势，相比传统棒状增益介质，以这种碟片状激光晶体作为增益介质的激光放大器，可以在实现较高增益系数，获得较高的放大效率的同时，有效的避免波前畸变和脉冲形状畸变。

碟片激光晶体厚度一般为几百微米，若采用传统的端面单次泵浦，因为吸收长度小，所以吸收效率较低；在激光放大中，采用传统的单程放大，因为放大长度小，所以不易获得较大的放大倍率和较高的能量提取效率。为了使泵浦光被充分吸收，并实现较高的放大倍率，高效的多次泵浦技术和多次放大技术是碟片激光放大器的关键技术。这两项关键技术均是要利用一定的光学系统使特定光束多次聚焦于碟片晶体上并被吸收或放大。

S.Erhard等人提出的单抛物面光束空间旋转多次泵浦技术的方案，可以实现16次或32次泵浦过程，并成功的应用于高功率碟片固体激光器和碟片激光放大器中，但是这种多次泵浦技术存在的主要问题是机械结构复杂，光学调整难度较高。而且这种方案下，对输入泵浦光束的光束质量要求较高。同时这种多次泵浦技术在空间上只允许一路光束多次聚焦于碟片，很难同时实现多次泵浦和多次放大，不易实用于高效的激光放大器。

德国斯图加特大学A.Giesen等人采用上述S.Erhard等人发明的多次泵浦方案泵浦的碟片激光晶体作为增益介质，发明了一种基于多反射镜阵列的碟片激光放大器，其设计思想是，经过准直的种子激光入射碟片激光晶体并被放大、发射，被反射的激光束被特定位置、特定角度放置的平面反射镜和曲面反射镜反射，使其再次入射至碟片激光晶体，实现多次放大。被放大的次数与所放置的反射镜个数、即其放置的位置、角度相关。这种碟片激光放大器实现了利用碟片状激光晶体对种子激光多次放大。但是，反射镜阵列中，每个反射镜角度均不相同，安装、调试难度大。光束在放大、传播过程中，截面尺寸不断增加，无法保证各次放大过程中均与碟片激光晶体的泵浦区域相匹配。

发明内容

本发明的目的在于为了克服上述现有技术存在的问题及缺点，提供一种碟片激光放大器，该碟片激光放大器对泵浦光束吸收效率高，对泵浦源、泵浦光束复合准直整形要求低，利用独特的光学结构，同时实现对泵浦光的多次吸收和对激光的多次放大。系统机械结构简单、紧凑，制造、装配容易，可以对种子激光实现高效的放大，并保持其较好的光束质量。