一种获得高能量单频激光输出的装置和方法.pdf

本发明公开了一种获得高能量单频激光输出的装置，包括沿脉冲激光输出单元的光路依次的隔离器、以Nd:YVO4板条为晶体的一级放大器、光纤相位共轭镜和以Nd:YAG板条为晶体的二级放大器；本发明还公开了一种获得高能量单频激光输出的方法，连续单频光纤种子源输出光经过电光调制器后输出成为脉冲激光，光束通过隔离器后进入由Nd:YVO4板条作为晶体的第一级固体放大器中进行两次放大，放大后的光经过光纤相位共轭镜后返回到放大器中再两次放大后输出，输出后经过Nd:YAG板条晶体进行第二级功率放大并输出。本发明在有效输出大功率单频脉冲激光的同时使用相位共轭技术保持良好的光束质量，装置简便易行，在工业方面有广泛的应用。

权利要求书1.  一种获得高能量单频激光输出的装置，包括脉冲激光输出单元，其特征在于，沿所述脉冲激光输出单元的光路依次布置有：隔离器，用于控制光束的传输方向；以Nd:YVO4板条为晶体的一级放大器，用于对往返多次穿过的激光进行一级放大；光纤相位共轭镜，用于对放大后的激光进行相位共轭，并使激光原路返回至Nd:YVO4板条晶体进行再次放大；以Nd:YAG板条为晶体的二级放大器，用于对一级放大后的激光进行二级放大并输出。2.  如权利要求1所述的获得高能量单频激光输出的装置，其特征在于，所述的脉冲激光输出单元包括用于输出连续单频激光的连续单频光纤种子源，以及用于将连续单频激光调制成为脉冲激光输出的电光调制器。3.  如权利要求1所述的获得高能量单频激光输出的装置，其特征在于，所述的隔离器由沿光路依次布置的第一半波片、偏振分束器、法拉第旋光器和第二半波片组成，所述的偏振分束器还用于反射一级放大后的激光进入所述的二级放大器。4.  如权利要求4所述的获得高能量单频激光输出的装置，其特征在于，所述的偏振分束器对垂直偏振光的反射率大于95％，对水平偏振光的反射率小于5％。5.  如权利要求1所述的获得高能量单频激光输出的装置，其特征在于，所述Nd:YVO4板条晶体的两侧通光面镀有1064nm高反膜，上通光面镀有808nm高反膜，两侧通光面与底面的夹角为77度。6.  如权利要求1所述的获得高能量单频激光输出的装置，其特征在于，所述的光纤相位共轭镜由多段芯径不同的光纤和过渡锥形组成，光纤长度为1m～50m，光纤材料为石英。7.  如权利要求1所述的获得高能量单频激光输出的装置，其特征在于，所述Nd:YAG板条的晶体形状为平行四边形，侧面通光与底面夹角为 45°，板条的两侧面通光面分别镀有对808nm和1064nm的增透膜。8.  如权利要求1所述的获得高能量单频激光输出的装置，其特征在于，所述Nd:YVO4板条的下方设有第一放大器泵浦源和第一泵浦源聚焦透镜；所述Nd:YAG板条的激光输入端下方设有第二放大器泵浦源和第二泵浦源聚焦透镜；所述Nd:YAG板条的激光输出端上方设有第三放大器泵浦源和第三泵浦源聚焦透镜。9.  如权利要求8所述的获得高能量单频激光输出的装置，其特征在于，所述的第一放大器泵浦源、第二放大器泵浦源和第三放大器泵浦源为半导体激光二极管，泵浦中心波长为808nm，最大泵浦功率为50W。10.  一种获得高能量单频激光输出的方法，其特征在于，包括：1)连续单频光纤种子源通过光纤输出后经过电光调制器调制为脉冲激光输出；2)光束调制后经过隔离器后进入以Nd:YVO4板条为晶体的一级放大器，往返两次穿过Nd:YVO4板条晶体；3)放大后的光进入光纤相位共轭镜，进行相位共轭，并按输入光路原路返回，返回光路再次经过两次Nd:YVO4板条晶体进行功率放大，完成一级放大；4)经一级放大后的光束进入以Nd:YAG板条为晶体的二级放大器，进行二级放大并输出。

说明书一种获得高能量单频激光输出的装置和方法
技术领域
本发明涉及固体激光技术，具体涉及一种利用板条放大器和光纤相位共轭镜获得高能量单频激光输出的装置和方法。
背景技术
高功率、高光束质量的单频脉冲激光器在工业和实验研究方面都有很广泛的用途，如非线性频率转换、非线性显微镜和微细加工应用等等。一般采用主振荡功率放大(MOPA)结构获得高功率、高亮度的激光输出。由于光纤激光器输出光束质量好、稳定，固体激光放大器增益系数高，承受峰值功率高等特点，可以采用光纤激光器作为种子源，固体放大器来放大光束功率的方法实现高功率脉冲激光输出。
在固体激光放大器中，由于晶体的热效应导致激光晶体产生球差，在放大光束质量的同时光束质量通常会恶化。为了补偿光束质量，可以采用多级固体放大器(如Nd:YAG侧面泵浦放大器)之间的球差补偿来消除球差的影响，但是这种装置结构复杂，光束质量对距离十分敏感，调试很困难。
补偿光束质量可以采用单级的板条多通放大实现功率放大，并采用相位共轭镜来补偿光束质量的方法实现高功率高光束质量的激光输出，通常的相位共轭镜采用光折射相位共轭反射镜，材料为Rh:BaTiO3，通过产生四波混频来产生相位共轭，但这种相位共轭镜承受的峰值功率比较低，在高功率情况下有极易损坏的特点。
通常光纤-固体混合放大的装置中固体放大器采用的介质是单一的Nd:YVO4晶体或单一的Nd:YAG晶体。Nd:YVO4的优点是增益系数高，但是承受的峰值功率不高；Nd:YAG的优点是可以承受的泵浦功率很高，可以在大泵浦功率的情况下使用，但增益系数不如前者高。
发明内容
本发明的目的针对上述补偿光束质量方法中的不足，提供一种利用板条放大器和光纤相位共轭镜获得高能量单频激光输出的装置和方法。本发明通过利用Nd:YVO4侧面泵浦板条放大器对小信号单程放大增益很高的特点，将光纤输出的小信号增益光多次经过Nd:YVO4侧面泵浦板条放大器实现一级放大，同时由于光纤相位共轭镜承受峰值功率比较高的特点，采用其作为相位共轭器件；一级放大输出后经过Nd:YAG侧面泵浦板条晶体进行第二级功率放大，进行大信号情况下功率的有效放大。
本发明的具体技术方案如下：
一种利用板条放大器和光纤相位共轭镜获得高能量单频激光输出的装置，包括沿光路依次布置的连续单频光纤种子源、电光调制器、第一反射镜、第一半波片、偏振分束器、法拉第旋光器、第二半波片、第一聚焦透镜、第二反射镜、第二聚焦透镜、第一放大器泵浦源、第一泵浦源聚焦透镜、Nd:YVO4板条晶体、第三聚焦透镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第四聚焦透镜、光纤相位共轭镜、偏振片、第五聚焦透镜、Nd:YAG板条晶体、第二放大器泵浦源、第二泵浦源聚焦透镜、第三放大器泵浦源和第三泵浦源聚焦透镜。
所述的连续单频光纤种子源输出中心波长为1064.52nm激光，线宽为70kHz，光束平均功率最大为10mW，光束质量M2<1.05。
所述的电光调制器可以将连续单频激光调制成为脉冲激光输出，调制后的脉冲重复频率为5kHz，脉冲宽度为100μs。
所述的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、偏振片对激光的反射率大于95％。
所述的第一半波片和第二半波片对激光的反射率小于5％。
所述的偏振分束器对垂直偏振光的反射率大于95％，对水平偏振光的反射率小于5％。
所述的法拉第旋光器对激光的反射率小于5％，对偏振光的偏振方向旋转度数为45°±1°。
所述的第一聚焦透镜焦距为450-550mm，第二聚焦透镜焦距为 90-110mm，由第一聚焦透镜和第二聚焦透镜组成的光学系统可以将光束会聚至合适大小进入Nd:YVO4板条晶体中；第三聚焦透镜焦距为90-110mm，第三聚焦透镜可以将光束会聚至合适大小后第二次进入Nd:YVO4板条晶体；第四聚焦透镜的焦距为50mm～70mm，第四聚焦透镜可以将光束会聚至合适大小进入光纤相位共轭镜；第五聚焦透镜的焦距为180mm～220mm第五聚焦透镜可以将光束汇聚至合适大小进入Nd:YAG板条晶体中；以上透镜均对激光的反射率小于5％。
所述的Nd:YVO4板条晶体掺杂浓度为1at.％，板条规格为22mm×5mm×0.8mm，其中两侧通光面镀有1064nm高反膜，上通光面镀有808nm高反膜，两侧通光面与底面的夹角为77度。
所述的第一放大器泵浦源、第二放大器泵浦源、第三放大器泵浦源为半导体激光二极管，泵浦中心波长为808nm，最大泵浦功率为50W；第一泵浦源聚焦透镜、第二泵浦源聚焦透镜、第三泵浦源聚焦透镜焦距为20mm～30mm，第一泵浦源聚焦透镜、第二泵浦源聚焦透镜、第三泵浦源聚焦透镜可以将泵浦光直径改变到适合的大小进入板条晶体中，达到光能充分利用的效果。
所述的光纤相位共轭镜由多段芯径不同的光纤和过渡锥形组成，光纤总长度为1m～50m，光纤材料为石英。
所述的Nd:YAG板条晶体掺杂浓度为0.5at.％，板条规格为78mm×8mm×2mm，晶体形状为平行四边形，侧面通光与底面夹角为45°，板条的两侧面通光面分别镀有对808nm和1064nm的增透膜，对808nm和1064nm的反射率小于5％。
本发明还提供了一种利用板条放大器和光纤相位共轭镜获得高能量单频激光输出的方法，步骤如下：
1)连续单频光纤种子源通过光纤输出后经过电光调制器调制，调制后变为脉冲重复频率为5kHz，脉冲宽度为100μs，输出功率为5mW，光束质量因子M2<1.1；
2)光束调制后经过由第一半波片、偏振分束器、法拉第旋光器、第二半波片组成的隔离器后经过第一聚焦透镜、第二反射镜和第二聚焦透镜 后进入Nd:YVO4板条晶体进行单通放大，放大器泵浦源出射的泵浦光经过泵浦源聚焦透镜后从晶体下方入射进入Nd:YVO4板条晶体，单通放大后经过第三聚焦透镜、第三反射镜和第四反射镜、后再次进入Nd:YVO4板条晶体进行二次放大；
3)放大后的光通过第五反射镜、第六反射镜、第四聚焦透镜后进入光纤相位共轭镜，对放大后的光进行相位共轭，并按输入光路原路返回，返回光路再次经过两次Nd:YVO4板条晶体进行功率放大，返回至隔离器的偏振分束器时反射输出，输出功率为19.3W，光束质量因子M2<1.4。
4)光束从偏振分束器输出后经过偏振片和第五聚焦透镜后进入Nd:YAG板条晶体，光束功率进一步放大，功率放大至82W，光束质量因子M2<2。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1)没有采用多级固体放大器而是板条介质多通放大器的装置和方法，有效地提高了激光系统的稳定性和输出光束的光束质量；
2)采用光纤相位共轭镜代替光折射相位共轭反射镜，提高了相位共轭镜的损伤阈值，延长了相位共轭镜的使用寿命；
3)采用Nd:YVO4和Nd:YAG混合放大的方式，即在第一级放大时采用Nd:YVO4进行放大，在小信号的情况下产生很高的增益系数，在第二级放大时采用Nd:YAG进行放大，应用大功率泵浦将光束有效地放大；这种放大方式高效地提高了光束功率，同时在放大过程中保证了良好的光束质量。
附图说明
图1为本发明利用板条放大器和光纤相位共轭镜获得高能量单频激光输出的装置的结构及光路示意；图中，单频光纤种子源1、电光调制器2、第一反射镜3、第一半波片4、偏振分束器5、法拉第旋光器6、第二半波片7、第一聚焦透镜8、第二反射镜9、第二聚焦透镜10、第一放大器泵浦源11、第一泵浦源聚焦透镜12、Nd:YVO4板条晶体13、第三聚焦透镜14、第三反射镜15、第四反射镜16、第五反射镜17、第六反射镜18、第 四聚焦透镜19、光纤相位共轭镜20、偏振片21、第五聚焦透镜22、Nd:YAG板条晶体23、第二放大器泵浦源24、第二泵浦源聚焦透镜25、第三放大器泵浦源26、第三泵浦源聚焦透镜27；
图2为光束经过两级放大后后输出后的光斑图样。
具体实施方式
如图1所示，一种利用板条放大器和光纤相位共轭镜获得高能量单频激光输出的装置，包括沿光路依次布置的连续单频光纤种子源1、电光调制器2、第一反射镜3、第一半波片4、偏振分束器5、法拉第旋光器6、第二半波片7、第一聚焦透镜8、第二反射镜9、第二聚焦透镜10、第一放大器泵浦源11、第一泵浦源聚焦透镜12、Nd:YVO4板条晶体13、第三聚焦透镜14、第三反射镜15、第四反射镜16、第五反射镜17、第六反射镜18、第四聚焦透镜19、光纤相位共轭镜20、偏振片21、第五聚焦透镜22、Nd:YAG板条晶体23、第二放大器泵浦源24、第二泵浦源聚焦透镜25、第三放大器泵浦源26和第三泵浦源聚焦透镜27。
连续单频光纤种子源1输出中心波长为1064.52nm激光，线宽为70kHz，光束平均功率最大为10mW，光束质量M2<1.05。
电光调制器2可以将连续单频激光调制成为脉冲激光输出，调制后的脉冲重复频率为5kHz，脉冲宽度为100μs。
第一反射镜3、第二反射镜9、第三反射镜15、第四反射镜16、第五反射镜17、第六反射镜18和偏振片21对激光的反射率大于95％，第一半波片4和第二半波片7对激光的反射率小于5％。
偏振分束器5对垂直偏振光的反射率大于95％，对水平偏振光的反射率小于5％。
法拉第旋光器6对激光的反射率小于5％，对偏振光的偏振方向旋转度数为45°±1°。
第一聚焦透镜8焦距为450-550mm，第二聚焦透镜10焦距为90-110mm，由第一聚焦透镜8和第二聚焦透镜10组成的光学系统将光束会聚至合适大小进入Nd:YVO4板条晶体13中；第三聚焦透镜14焦距为 90-110mm，第三聚焦透镜14可以将光束会聚至合适大小后第二次进入Nd:YVO4板条晶体13；第四聚焦透镜19的焦距为50mm～70mm，第四聚焦透镜19可以将光束会聚至合适大小进入光纤相位共轭镜20；第五聚焦透镜22的焦距为180mm～220mm，第五聚焦透镜22可以将光束汇聚至合适大小进入Nd:YAG板条晶体23中；所有聚焦透镜对激光的反射率均小于5％。
Nd:YVO4板条晶体13掺杂浓度为1at.％，板条规格为22mm×5mm×0.8mm，其中两侧通光面镀有1064nm高反膜，上通光面镀有808nm高反膜，两侧通光面与底面的夹角为77度。
第一放大器泵浦源11、第二放大器泵浦源24、第三放大器泵浦源26为半导体激光二极管，泵浦中心波长为808nm，最大泵浦功率为50W；第一泵浦源聚焦透镜12、第二泵浦源聚焦透镜25、第三泵浦源聚焦透镜27焦距为20mm～30mm，第一泵浦源聚焦透镜12、第二泵浦源聚焦透镜25、第三泵浦源聚焦透镜27可以将泵浦光直径改变到适合的大小进入相应的板条晶体中，达到光能充分利用的效果。
光纤相位共轭镜20由多段芯径不同的光纤和过渡锥形组成，光纤总长度为1m～50m，光纤材料为石英。
Nd:YAG板条晶体23掺杂浓度为0.5at.％，板条规格为78mm×8mm×2mm，晶体形状为平行四边形，侧面通光与底面夹角为45°，板条的两侧面通光面分别镀有对808nm和1064nm的增透膜，对808nm和1064nm的反射率小于5％。
利用上述的装置，获得高能量单频激光输出的步骤如下：
1)连续单频光纤种子源1通过光纤输出后经过电光调制器2调制，调制后变为脉冲重复频率为5kHz，脉冲宽度为100μs，输出功率为5mW，光束质量因子M2<1.1；
2)光束调制后经过由第一半波片4、偏振分束器5、法拉第旋光器6、第二半波片7组成的隔离器后经过第一聚焦透镜8、第二反射镜9和第二聚焦透镜10后进入Nd:YVO4板条晶体13进行单通放大，第一放大器泵浦源11出射的泵浦光经过泵浦源聚焦透镜后从下方入射进入Nd:YVO4板 条晶体13，单通放大后经过第三聚焦透镜14、第三反射镜15和第四反射镜16、后再次进入Nd:YVO4板条晶体13进行二次放大；
3)放大后的光通过第五反射镜17、第六反射镜18、第四聚焦透镜19后进入光纤相位共轭镜20，对放大后的光进行相位共轭，并按输入光路原路返回，返回光路再次经过两次Nd:YVO4板条晶体13进行功率放大，返回至隔离器的偏振分束器5时反射输出，输出功率为19.3W，光束质量因子M2<1.4。
4)光束从偏振分束器5输出后经过偏振片21和第五聚焦透镜22后进入Nd:YAG板条晶体23，光束功率进一步放大，功率放大至82W，光束质量因子M2<2。
实施例
连续单频光纤种子源1输出中心波长为1064.52nm激光，线宽为70kHz，光束平均功率最大为100mW，光束质量M2＝1.03；电光调制器2可以将连续单频激光调制成为脉冲激光输出，调制后的脉冲重复频率为5kHz，脉冲宽度为100μs；第一反射镜3、第二反射镜9、第三反射镜15、第四反射镜16、第五反射镜17、第六反射镜18、偏振片21对激光的反射率为99％；第一半波片4和第二半波片7对激光的反射率为0.5％；偏振分束器5对垂直偏振光的反射率为99％，对水平偏振光的反射率为0.5％；法拉第旋光器6对激光的反射率为0.5％，对偏振光的偏振方向旋转度数为45.3°；第一聚焦透镜8焦距为500mm，第二聚焦透镜10焦距为100mm，由第一聚焦透镜8和第二聚焦透镜10组成的光学系统将光束会聚至合适大小进入Nd:YVO4板条晶体13中；第三聚焦透镜14焦距为100mm，第三聚焦透镜14可以将光束会聚至合适大小后第二次进入Nd:YVO4板条晶体13；第四聚焦透镜19的焦距为60mm，第四聚焦透镜19可以将光束会聚至合适大小进入光纤相位共轭镜20；第五聚焦透镜22的焦距为200mm，第五聚焦透镜22将光束汇聚至合适大小进入Nd:YAG板条晶体中；Nd:YVO4板条晶体13掺杂浓度为1at.％，板条规格为22mm×5mm×0.8mm，其中两侧通光面镀有1064nm高反膜，上通光面镀有808nm高反膜，两侧通光面与底面的夹角为77度；第一放大器泵浦源11、第二放大器泵浦源 24、第三放大器泵浦源26为半导体激光二极管，泵浦中心波长为808nm，最大泵浦功率为50W；第一泵浦源聚焦透镜12、第二泵浦源聚焦透镜25、第三泵浦源聚焦透镜27焦距为25mm，第一泵浦源聚焦透镜12、第二泵浦源聚焦透镜25、第三泵浦源聚焦透镜27可以将泵浦光直径改变到适合的大小进入板条晶体中，达到光能充分利用的效果；光纤相位共轭镜20由多段芯径不同的光纤和过渡锥形组成，光纤总长度为10m，光纤材料为石英；Nd:YAG板条晶体23掺杂浓度为0.5at.％，板条规格为78mm×8mm×2mm，晶体形状为平行四边形，侧面通光与底面夹角为45°，板条的两侧面通光面分别镀有对808nm和1064nm的增透膜，对808nm和1064nm的反射率为0.5％。
种子源经过两级放大后光束强度分布如图2所示。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。