[发明专利]基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置及方法

说明书

本发明属于脉冲激光整形技术领域，具体涉及一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置及方法。本发明通过对双调Q脉冲激光器的速率方程理论分析，设计可饱和吸收体的掺杂浓度分布或形状，调控对脉冲激光施加的内腔损耗的空间强度分布，实现平顶分布窄脉冲激光输出。本发明基于简单的装置设计同步实现激光强度分布的整形和脉冲宽度的压窄，显著降低了由非均匀分布脉冲光束导致的谐振腔光学元件的光热损伤阈值，提升了脉冲激光器整体性能。

技术领域

本发明属于脉冲激光整形技术领域，具体涉及一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置及方法。

背景技术

通常的激光光强空间分布为高斯分布，但是在激光打孔、激光清洗、激光焊接等工业应用中，这种非均匀的强度分布会导致处理精度差、边缘整齐度不好等问题。此外，在基于激光放大器的高功率激光的研制生产中，若脉冲激光为高斯光束，由于激光强度集中在中心部分，容易导致放大器中的激光晶体及其它光学元件的损伤，限制了光放大效率。

为了满足上述应用对强度均匀分布(平顶分布)的激光源的需求，目前常用的解决办法是将基模高斯分布的激光通过由一系列透镜或光栅构成的光束整形系统整形。但这种方法不仅增加了制作成本和调节难度，也增加了整个激光系统的尺寸和重量，而且基本只能在极有限的空间区域内实现光束的强度均匀分布，额外的整形器导致的损耗也会降低激光系统的能量转化效率。

传统的调Q技术是为了提高脉冲激光输出峰值功率，压缩更短的脉宽，其原理是，泵浦初期将激光器的振荡阈值调的很高(腔内具有较高的损耗)，抑制激光振荡的产生，激光上能级的反转粒子数不断增加。当反转粒子数达到最大时，突然降低振荡阈值(腔内具有很低的损耗)，此时，积累在上能级的粒子便雪崩式的跃迁到低能级，能量在极短时间被释放出来，从而获得脉冲宽度很窄、峰值功率极高的巨脉冲激光输出。但是这种普通调Q激光器输出的是高斯分布的光场，不能满足于一些应用，尤其是在高功率脉冲激光放大器下，由于光束中心部分的功率密度极高，可能导致激光晶体和光学元件的损伤。为解决这一问题，常采用光束整形方法对光强分布进行调控，使得光束能量均匀分布在整个光斑范围内。

目前已报道或已商用的整形系统主要有：(1)外腔光束整形(如：双折射透镜组、衍射光学元件、非球面透镜组)获得平顶分布光束，但是该方法整形系统庞大、成本较高且设计难度大。(2)光束合成法指将多个光束进行叠加从而产生平顶光束，如多模高斯光束合成法，但是该方法的实验实现难度大。(3)增益介质的饱和效应产生平顶光束是利用高斯光束的非均匀性，随着光强的增加，其增益介质中心部分先于边缘部分达到增益饱和，当泵浦光强达到一定值时，即可输出强度均匀的激光光束。

上述方法中，利用增益介质的饱和效应产生平顶光束的方法与本发明最为相似。两者的相似之处在于未加入额外的内腔光学元件用于光束整形。不同之处在于前者是利用增益介质的增益饱和效应，而后者是利用非均匀可饱和吸收体的吸收损耗。其原理上的区别在于，当谐振腔内的振荡光强增大到一定程度后，增益系数将随内腔光强的增大而减小。当光强达到增益介质的饱和光强时，增益系数将降低为小信号增益系数的一半，由于高斯光束的非均匀分布，位于中心位置附近的光束将先于边缘部分达到增益饱和。通过控制泵浦光强就可以使光强分布趋于均匀化，产生平顶光束。但是，该方法需要在激光器谐振腔内注入很高的能量密度才能产生增益饱和效应，获得的光束的空间强度分布不够均匀，动态范围较窄(只能在有限的功率范围内获得近平顶光束)。使用增益介质的饱和吸收整形典型工作有：谭荣清等人利用对TEA CO2激光器研究，当注入能量54J，增益介质的饱和能量密度约为74mJ/cm²情况下，实现输出光光束宽度约为18.4mm典型的“平顶型”结构的激光光束。(参考文献：谭荣清，万重怡，谢文杰.TEA CO₂激光输出的平顶型模式研究[J].中国激光,2001(07):580-582.)本发明的原理是在主被动双调Q的基础上，利用非均匀掺杂浓度或不均匀形状的可饱和吸收体，调控激光光束在横截面上的损耗分布，最终实现平顶光束输出。本发明提供的方法可同步实现脉冲激光的时域脉宽压缩和空间整形。