多程光功率放大器的制作方法

专利名称：多程光功率放大器的制作方法
技术领域：
本发明关于用在高功率应用中的固态激光放大器。背景资讯光纤与半导体激光以及输出功率范围落在数瓦至数十瓦中的二极管激升固态 (DPSS)脉冲激光主要是应用在电子装置制造领域中的激光微加工。微加工应用需要用到高 脉冲重复频率(PRF)，其对应于范围从数奈秒至数微微秒，甚至数飞秒的激光脉冲时间持续 长度。典型的激光输出波长的范围是从红外光至紫外光。依赖于简易主振荡器的传统固态 激光的效能越来越无法赶上激光系统技术开发的整体步伐，其主要是因为单一振荡器有限 的脉冲重复率和功率放大作用。熟练的人士便会熟知，TEMcitl激光模式的功率放大作用会因主动激光激发介质里面 形成有像差的热透镜而受到限制。热透镜主要是由激光晶体中的温度梯度所造成并且会 让该晶体的折射率响应于不均勻的激升功率而产生变形。Peng，Xu和Asundi在2002年的 IEEE-Quantun Electronics，第38册，第9号中发表的「二极管激升Nd:YVO4激光的功率 放大」便证实最大激升功率会随着掺杂浓度反向改变；并且证实，利用808奈米激升波长和 0. 8公厘直径激升光点大小，0. 3%的掺杂钒酸盐晶体仅会让激升功率提升至40瓦。

图1为 808奈米激升激光的最大激升功率与掺杂浓度的函数关系图。除了热透镜成形之外，最大 的入射激升功率还会受到激光晶体的热断裂限制。目前为止，端末激升钒酸盐激光所产生 的TEMcitl模式窄频宽与线性偏振射束可达到的最高输出功率小于30瓦，而所希的功率位准 则约100瓦。目前，因为受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering, SBS)及破 坏问题的关系，奈秒脉冲光纤激光并无法利用TEMtltl模式产生超过1千瓦的尖峰功率。达成高功率激光源需求的其中一种方式便是使用激光功率放大器。激光功率放大 器的优点是最终的功率输出可轻易地被放大，以便符合每一个不同应用的特殊需求。激光 功率放大器可能还会与不同的晶种激光(seed laser)配对，用以让晶种激光设计与制造具 有弹性。不过，在激光功率放大器中保持高质量射束与稳定输出则仍是一项技术上的挑战。典型的激光功率放大器是使用单程组态，其意味着晶种激光射束会通过增益介质 一次。Maik Frede等人在2007年的Optics Express，第15册，第2号中所发表的「用于重 力波侦测器的基态单频激光」便提出过其中一范例。在Maik Frede等人论文中所述且在 图2中所描绘的单程四级放大器仅会从具有1瓦晶种激光与45瓦激升功率的放大器中抽 出3W，其产生的光学至光学效率为6. 7 %。即使最新的单程功率放大器，通常会呈现源自二 极管激光激升光源的低抽出效率或高(40%至60%)光学转换率。不过，典型的二极管端 末激升钒酸盐激光振荡器则会有40%至60%的光学至光学转换效率。改良能量抽出效率的方法必须反向引导该激光射束使其多次通过增益材料，从而 增加增益，直到达成所希的功率放大为止。典型的多程放大器所产生的增益会远大于单程 放大器所产生的增益。多程功率放大器的合宜应用包含半导体装置连结处理(IR、绿光及 UV特制脉冲)，激光微加工(飞秒脉冲放大)，以及通道钻凿(高功率IR、绿光及UV激光)。 Palessmann等人的美国专利案第5，546，222号说明多程光放大器的数个实施例，其中四个
3实施例出现在图3中。Palessmarm等人的专利案在10千赫兹处使用Nd:YLF十二程放大器 证实2. 5微焦耳的能量会被放大至45微焦耳，1. 6瓦的激升能量会聚集在放大器增益介质 中。如同传统的多程组态，其达到极大的增益(此例中为十二倍)，但却付出射束质量的代 价。有数件专利案说明过多程放大器；但是它们的共同问题是会在增益介质内产生激 光射束移位，移位会有两个固有的严重缺点。第一个缺点是，被激升的区域必须非常大，以 便涵盖不同冲程中所有的激光模式；否则，便会在激光与激升之间产生低效率的模式匹配 结果。第二个缺点是，增益介质中不均勻的激升分布(例如所谓的「超高斯」模式)会在每 一次的冲程造成激光射束功率分布中的变形，最后会导致激光射束质量衰降。所以，与具有 热透镜作用的激光腔相同之处在于需要用到补偿光学元件方能最佳化激光输出使其具有 较高的射束质量。此外，该些多程放大器通常需要非常复杂的光学架构，甚至可能需要特殊 形状的光学元件。更重要的是，多程激光射束通常会共享相同的两个或三个光学元件，因而 使其非常难以控制热透镜作用的影响。明确地说，这会在高功率应用中造成问题，因为每一 个冲程均会修正激光射束参数。Mclntyre的美国专利案第5，268，787号说明一种多程激光放大器的方法与设备， 但是并未解决热去偏振(thermal depolarization)的问题以及放大器中不必要的激光激 发作用(unwanted lasing)。其也无法在受到高功率光源激升时解决增益材料(其为激光 功率放大器的关键组成)如何影响该激光放大器的效能的问题。于YAG固态激光的情况 中，高功率激升含有严重的热双折射，从而会导致此架构中正交的偏振方向会呈现不同的 增益。在许多文章中已经观察到，描述过，且分析过在强烈光激升作用下YAG棒中的热诱发 双折射。Q. Lu等人在1996年的Optical Quantum Electronics，第28册，第57至69页中 所发表的「用于圆柱型Nd: YAG棒中双折射补偿的新颖方法」便显示出经由热双折射所造成 的激光射束去偏振作用会损耗25%的光学功率。Q. Lu等人描述到，经过谨慎设计的补偿方 法仅会降低5%的功率损耗。因此，控制与补偿激光放大器中的热双折射似乎为必要且重 要。Dymott的美国专利申请案第6，384，966号则解决此功率损耗问题，其通过重新排 列先前激光放大器设计的光学器件用以补偿热双折射，同时让激光射束多次通过该增益介 质。举例来说，在Dymott的专利案中，一四分之一波板会被放置在该增益介质与第一反射 镜之间。该份Dymott专利案详细说明该四分之一波板是被定向成让从一法拉第旋转器处 发出的线性偏振射束会通过该四分之一波板，而不会产生任何相位延迟。不过，因为热诱发 的双折射的关系，通过该增益材料一次的光通常会变成椭圆偏振。在两次通过该四分之一 波板时，该椭圆偏振的旋转方向会被反转，而且该增益材料中的热诱发双折射会被补偿。该份Dymott专利案说明在光功率放大器的设计中使用额外的光学器件来解决其 它问题。举例来说，于此放大器中需要用到一 45°偏振旋转器，或「法拉第旋转器」来分离 被放大的光与入射晶种光。但是，该等法拉第旋转器(Dymott专利的图1至5中的组件符 号2、4、23以及73)是被放置在难以控制激光射束光点大小的区域中，其可能会在高平均功 率应用与高尖峰功率应用的情况中造成破坏。另一范例为在每一个激光晶体的任一侧放置 一对凹面镜与凸面镜，以便建构一不稳定的腔体用以消弭非所希的激光激发作动。此外，高功率应用中强烈的热透镜还会在该放大器中充当主要透镜，从而造成该
4腔体的不稳定性。如众所熟知者，热透镜作用的程度会随着PRF、冷却温度、以及激升功率而 改变。Dymott专利案中所述的多程功率放大器是由Nd: YAG所制作，其是一种会受到去偏 振效应影响的等向性增益介质。Dymott专利案指出，增益材料可能包含Nd:YAG、NdiYVO4, Nd YLF、或Ti 蓝宝石，用以通过设计来补偿热诱发的双折射。揭示摘要Dymott专利案无法了解各向异性增益材料(其包含Nd = YVO4与Nd: YLF)的固有优 点在于它们本身本质上便有双折射，所以并不需要在所揭示的较佳实施例中加入用以补偿 热双折射的器件。举例来说，倘若沿着Nd YVO4的c轴被偏振的晶种激光射束通过一 Nd YVO4 放大器晶体的话，那么，入射线性偏振光上的去偏振效应便可以忽略。在高功率激光放大器 中加入一额外器件会提高成本并增加光学破坏的风险，同时其会损及被放大射束的质量。 再者，Dymott专利案图式中所示的组态并无法获得各向异性增益材料(例如Nd:YLF)的好 处，因为所有方向中的发射波长并不相同。沿着a轴的发射是在1047奈米，而沿着c轴的 发射是在1053奈米。所以，双程放大器与四程放大器的有效放大功能分别等于单程放大器 与双程放大器的有效放大功能。和激光功率放大器有关的上述专利案中没有任一案探讨过各向异性增益介质的 用法。在过去数十年中，各向异性晶体，例如Nd:YV04、Nd:YLF、以及Nd:GdV04，已经成为许多 激光应用的较佳增益材料，因为它们具有高发射剖面，所以，它们会有高受激发射率。该些 材料还能够产生线性偏振射束，并不需要采用分离的偏振补偿。此外，各向异性增益介质可 能会配合合宜的光学元件来施行，用以修正热透镜作用并且降低热透镜效应，不需要辅助 补偿，以便确保在通过该增益介质时会有较少的激光模式衰降。利用该些优点，并入各向异性增益介质的光功率放大器的较佳实施例便能够利用 多程达到功率放大的目的，同时还会在每一次的冲程期间于激光和激升之间保持良好的模 式匹配。本发明强调放大器的效率和被放大射束的质量，以便匹配激升光模式与晶种激光 模式。较佳实施例能够保持具有实质上零移位的射束，其会促成较大的效率，并且提供达成 高功率TEMtltl输出的省钱、可靠的解决方案，以便符合微加工应用、通道钻凿应用、以及谐振 转换应用的需求。当建构一包含NchYVO4或其它各向异性增益材料的激光放大器时，不用补偿热双 折射也不用补偿非所希激光激发作用是主要考虑，如多程放大器中光学器件的摆放与组态 所示。从包含各向异性激光增益介质的放大器实验中取得的资料进一步支持了此结论。 Nd YVO4的数据建议可以沿着a轴来放大照射在各向异性Nd YVO4上的强烈晶种激光射束， 不过，强度小于沿着c轴放大照射约3至4倍。从下面较佳实施例的详细说明中，参考随附图式，便会明白本发明的额外观点与 优点。图式的简单说明图1为用以比较在808奈米处被激升的先前技术钒酸盐激光的最大激升功率和掺 杂浓度函数的计算与测量数值的关系图。图2为Frede等人所述的先前技术四级放大器设计的图式。图3为Plaessmarm等人所述的先前技术多程放大器设计的四个实施例的光线图 总成。
图4A、4B、以及4C分别为双程放大器、三程放大器、以及四程放大器的施行方式。 图4A-1所示的是和入射在一弯曲反射表面上且被该弯曲反射表面反射的激光射束有关的 反射定律。图5A、5B、5C、以及5D分别为单程放大器组态、双程a_c组态、以及cm四程组 态的增益介质的c轴与a轴的受激晶种功率与输出功率和时间的函数关系图，晶种激光参 数是被设在100千赫兹PRF、20奈秒脉冲宽度(PW)、以及3瓦吸收激升功率处。图6A与6B为利用具有外加激升功率的实验单程放大器所达成的经测得晶种功率 位准与输出功率位准的关系图。图7为参数和图6中所使用的参数相同的单程放大器与四程放大器的受激输出功 率(递增)和激升功率的函数关系图。图8A、8B、8C、以及8D为一晶种激光射束每一次连续通过一四程功率放大器组态 之后的受激功率输出和时间的函数关系图，晶种激光参数是被设在20瓦功率、40奈秒脉冲 宽度、以及50瓦的经测得的总吸收激升功率处。图9为100千赫兹晶种激光的经测得的功率放大关系图，图中以在808奈米波长 处被30瓦激升的钒酸盐晶体的输出功率和沿着c轴与a轴的晶种功率的函数来表示。图10为a-a或c_c双程功率放大器组态的较佳实施例的示意图。图11为a-a-c-c或cm四程功率放大器组态的较佳实施例的示意图。图12为c-c-c-a或am四程功率放大器组态的的较佳实施例的示意图。图13为c-c-c-c-a-a和am-c-c六程功率放大器组态的较佳实施例的示意 图。最佳实施例的详细说明一般适合在多程组态中作为各向异性增益介质的材料为固态介质，例如，但是并 不受限于稀土族离子掺杂结晶固态材料，NdiYVO4, Nd:YLF, NdiGdVO4, Tm:YLF, TmiYVO4, Ho:Tm:YLF,Ho:Tm:YVO4、HoTmGdVO4、YbYLF、YbYVO4、YbGdVO4 ；Cr:LiSAF ；Cr:LiCAF ；Ti: 蓝宝石；紫翠玉；其它Nd掺杂的材料；以及包括YLF、YVO4,以及GdVO4主晶体的其它材料。 特定的半导体也可作为增益介质，并且可以运用光学或电性激升。上面列出的每一个材料 均能够在一或多个波长处支持光束放大倍数。可以选择各种激升激光波长用以改良增益介 质的转换效率，举例来说，波长在808奈米、819奈米、880奈米、888奈米、以及914. 5奈米 处的激升波长。该激光射可能会被端末激升或是被旁侧激升。适用于固态放大器(例如， 光纤激光、激光二极管、固态激光、锁模激光(mode lock laser)、或是单激光模式(SLM)激 光)的晶种激光均可作为多程放大器的激光源。图4A、4B、以及4C所示的分别是双程组态、三程组态、以及四程组态的多程光放大 器的实施例。该些实施例中的每一者均可让晶种激光射束100沿着一共同的射束路径101 多次通过一各向异性的增益介质102，其实质上在每一个冲程期间与射束路径101会有零 角度的射束移位104(图4A-1)。和图3中所示且需要非镜面反射的先前技术组态不同的是， 在图4A、4B、以及4C的每一个多程组态中，晶种激光射束100入射在曲面HR面镜106时会 垂直于该面镜的凹表面107。参考图4A-1，根据反射定律，一般来说，以表面法线112为基准 所测得的入射射束110的入射角108会等于反射射束116的反射角114。反射射束116与 入射射束110之间的角度便定义角射束移位104。对垂直入射来说，其反射角108为0°，反射射束116会折返入射射束110的射束路径101，从而导致实质为零的角射束移位104， 或者等同于导致入射射束与反射射束之间的对齐。射束110与射束116的对齐有助于控制 增益介质102中的射束传播并且确保激光激发模式和激升模式之间会有良好的模式匹配 效果。图4A、4B、以及4C的双程组态、三程组态、以及四程组态运用各向异性的增益介质 102分别图解晶种激光射束100的射束路径101相对于光轴118的实质为零的角射束移 位104。也就是，晶种激光射束100会在相反的方向中大体上沿着光轴118于其路径中行 进与折返，并且在垂直于光轴118的方向中离开该光放大器系统，成为输出激光射束119a、 119b、或119c。于每一种组态中，晶种激光射束100均会先通过法拉第隔绝器120并且入射 在偏振射束分光器122(图4A与4C)或133(图4B)之上，其会根据该射束的偏振方向及该 射束分光器里面的光学元件的定向而让晶种激光射束100通过偏振射束分光器122或133 或是将晶种激光射束100偏折90°。被定位在增益介质102附近的各种光学器件会在输 出激光射束119a、119b、或119c离开该光放大器系统之前引导激光射束100通过增益介质 102必要的连续通过次数。图4A中所示的双程组态124包含一四分之一波板126，其是被放置在增益介质 102与曲面HR面镜106之间。从法拉第隔绝器120处射出的晶种激光射束100会先通过 偏振射束分光器122，通过增益介质102，并且接着通过四分之一波板126。从曲面HR面镜 106处反射的目前已被放大的激光射束100会反向通过四分之一波板126。四分之一波板 126具有一被定向在和从增益介质102处射出的线性偏振光的偏振方向形成45°角度处的 光轴。四分之一波板126的用途是用以在两个冲程中将被放大的晶种激光射束的偏振方向 旋转总共90°。该经旋转的线性偏振光接着会第二次通过增益介质102并且会在离开该光 学系统成为输出激光射束119a之前被偏振射束分光器122分离。双程组态124并非利用 一法拉第旋转器来施行，所以，和意图补偿热诱发双折射的先前技术设计不同。在双程组态 124中并不需要此补偿，因为其是利用各向异性的增益介质102所施行的。图4B中所示的三程组态130包含一半波板132，用以取代双程组态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面镜134、第二偏振射束分光器136、以及法拉第旋转器138等新增器件。从法拉第隔 绝器120处射出的晶种激光射束100会先通过偏振射束分光器133与增益介质102。激光 射束100接着会通过法拉第旋转器138、半波板132、以及第二偏振射束分光器136，从曲面 HR面镜106处反射，并且反向通过该系统中的每一个光学器件，直到激光射束100碰到第一 偏振射束分光器133为止，第一偏振射束分光器133会将激光射束100偏折90°，俾使其会 反射离开曲面HR面镜134。激光射束100接着会返回第一偏振射束分光器133，其会将激 光射束100反射回到增益介质102，并且激光射束100接着会通过法拉第旋转器138并且第 三次通过半波板132。激光射束100接着会被第二偏振射束分光器136偏折90°并且离开 变成输出激光射束11%。图4C中所示的四程组态140包含经过重新排列的三程组态130中的器件，其加入 四分之一波板126。从法拉第隔绝器120处射出的晶种激光射束100会先通过偏振射束分 光器122、法拉第旋转器138、以及半波板132。在传播通过偏振射束分光器133之后，激光 射束100会在曲面HR面镜106和134之间来回前进，并且从而第四次通过增益介质102并
7通过四分之一波板126。在第四次通过增益介质102之后，激光射束100便会在以反向的方 向通过偏振射束分光器133，通过半波板132与法拉第旋转器138，以及朝偏振射束分光器 122前进，并且离开变成输出激光射束119c。晶种激光射束与激升射束之间有良好模式匹配的好处是可以达到具有高效率抽 出的高质量射束的目的。此外，增益介质102可被配置成端末激升或被配置成旁侧激升架 构。于单激光模式(SLM)操作的情况中，可以利用相位共轭单元来取代曲面HR面镜106与 134以便不需要用到透镜，因为相位共轭会消除放大器中的变形。再者，在本文所揭示的放 大器中不会有任何非所希的激光激发作动。取而代之的是，曲面HR面镜106与134会被设 计成用以达到良好的模式匹配并且用以改良放大射束的质量。多程组态的较佳实施例类似于二极管激升钒酸盐(NchYVO4)功率放大器。虽然 NchYVO4有各向异性增益；不过，其仍能用于此多程技术中，因为当激光激光射束100的偏 振方向对齐a轴或c轴时，NchYVO4晶体便能够产生激光激发作用。当激光射束100的偏振 方向对齐c轴时，增益会约大于当激光射束100的偏振方向对齐a轴时的增益的三倍(这 便是先前技术主要使用c轴来进行激光激发的原因)。对的Nd掺杂浓度而言，NchYVO4 沿着a轴与c轴的激光相关参数如下发射剖面，ΧΙΟ"19平方公分荧光寿命，微秒c 轴2590a 轴790已经有人设计且开发出用以在NchYVO4中沿着a轴与c轴中仿真其放大倍数的数 值模型。图5A与5B中所示的分别是用以比较单程放大器沿着c轴与a轴的放大倍数的仿 真结果。该等两个模拟及下面提出的实验均包含下面共同的参数设定值100千赫兹PRF， 20奈秒PW，以及3瓦吸收激升功率。尖峰功率位准是落在千瓦范围中，而平均功率数值的大 小等级则为1瓦至10瓦。图5A所示的曲线150c是代表单程C轴功率输出的时间演进关系 图，而曲线152则代表在50奈秒时间区间154中的晶种激光功率。比较曲线150c与152显 露出1. 4千瓦的单程c轴尖峰功率输出156对应于1. 1千瓦的尖峰晶种激光功率158。整 个100千赫兹循环(等于10微秒或10，000奈秒)中的平均功率经算出为2. 86瓦并且代 表在非常短的50奈秒时间区间154内所射出的单程c轴能量。图5B所示的曲线150a是 代表单程a轴功率输出的对应时间演进关系图，而曲线152则代表在50奈秒时间区间154 中的晶种激光功率。比较曲线150a与150c显露出尖峰单程a轴功率输出为1.3千瓦，而 平均单程a轴功率输出为2. 6瓦。对应的抽出效率显示出，c方向中的放大倍数超过a方 向中的放大倍数约三倍。对相同的激升功率值与晶种功率值来说，从单程功率放大器，到双程功率放大器， 以及到四程功率放大器会需要越来越高的抽出效率以及对应的c轴输出功率。从对应于图 5A中单程放大器结果的c轴中的12. 4%单程抽出效率处进行外插，该模拟预测a-c双程放 大器124具有15. 5%的抽出效率及对应于1. 45千瓦尖峰功率输出164的3. 0瓦平均输出 功率(图5C)，而c-a-a-c四程放大器140则具有23. 0%的抽出效率及对应于1. 6千瓦尖 峰功率输出165的3. 2瓦平均输出功率(图5D)。单程放大器的模拟结果和图6A与6B中所示沿着c轴的单程放大倍数的实验结果 非常吻合。图6A与6B所示的是利用20奈秒PW，在100千赫兹处被脉冲化的1064奈米的
82. 5瓦平均功率晶种激光所进行的功率放大器实验的结果。激光射束光点大小为250微米， 而在束腰处的激升射束光点大小为280微米。该808奈米激升源是具有100微米直径且数 值孔径(NA)为0. 22的光纤耦合激光二极管。实验结果为NchYVO4晶体在808奈米处会吸 收3瓦的激升功率。使用以此功率放大器实验为基础的单程放大器组态，在对齐c轴的激 光偏振方向中会产生2. 8瓦的平均输出功率，并且在对齐a轴的激光激光偏振方向中会产 生2. 6瓦的平均输出功率。以本文所揭示的功率放大器模型为基础，从双程组态中可预期 会有3瓦的平均输出功率。本发明已经利用20奈秒PW，激光射束光点直径350微米，以及激升射束光点直径 380微米，在100千赫兹处被脉冲化的0. 7瓦晶种激光，分别针对单程放大器与四程放大器 两者进行过仿真，其分别显示出输出功率与增益和激升功率的函数。图7中所呈现的结果 显示出两种组态约略直线的关系166，以激升功率为基础，四程放大器的情况会有较陡峭的 递增168。图4A、4B、以及4C实施例中所施行的多程功率放大器设计也适用于大小等级为数 十瓦的高功率应用。在100千赫兹PRF处有20瓦平均功率且具有40奈秒PW的晶种激光 射束100会通过该增益介质，该增益介质会在808奈米激升波长处吸收总共50瓦的激升功 率。该激光射束光点大小为550微米，而激升射束光点大小为580微米。图8A、8B、8C、以 及8D中便提出该高功率应用的模拟结果170。单程组态沿着C轴的抽出效率为22. 9%，其 会产生31. 4瓦的平均功率输出，利用和组态140相同的c-a-a-c四程放大器则会提高至 44. 4%的效率，平均输出功率为42. 2瓦。图8A、8B、8C、以及8D的高功率放大器所产生的尖 峰功率位准176a、176b、176c、以及176d会比晶种激光尖峰功率178大了约2至3倍(从 4. 5千瓦中产生约7千瓦至10千瓦)。图9中所示的是输出功率和晶种功率的函数，图中会清楚看见a轴放大倍数182 与c轴放大倍数183之间的区别。当晶种激光功率152提高时，输出功率160会急剧地提 高，尤其是在四程组态的情况中，并且尤其当晶种激光射束100沿着钒酸盐晶体的c轴被引 导时。当需要补偿热诱发的双折射时，例如在先前技术系统中，多程放大器组态会局限 在偶数次的冲程，其中，来回前进通过该增益介质的光束的偏振状态必须为正交。因此，在 第一个冲程中，倘若射束沿着c轴被偏振的话，那么在第二个冲程中其便必须沿着a轴被偏 振。双程放大器仅允许有a-c组态或c-a组态；而四程放大器则仅允许有a-c-c-a组态或 c-a-a-c组态。不过，利用各向异性的介质，例如钒酸盐，便不需要对热诱发的双折射进行辅 助性补偿，从而让放大器设计有更大的自由度。图10、11、12、以及13为图4A、4B、以及4C中所示且利用各向异性的增益介质所施 行的多程放大器的替代实施例的示意图，其允许在c轴与a轴中有不同的冲程次数。该些 实施例中的光学器件会被排列成用以善用各向异性增益介质的特性。明确地说，在第一对 冲程中，晶种激光射束偏振方向在对齐a轴之前是对齐于该钒酸盐增益介质中会产生最大 发射剖面的晶轴(c轴)。也可能有额外的双程组态，例如a-a或c-c (图10)；以及四程组 态，例如a-a-c-c或c-c-a-a(图11)。图10所示的是和图4A中所示者雷同的双程组态，不 过，在增益介质102的上游处于第一虚线方块184a里面新增了一法拉第旋转器138与一半 波板132，并且已经移除图4A中曲面HR面镜106旁边的四分之一波板126。对图4C中所示的四程组态进行相同的两个修正便形成图11中的组态。图12中所示的四程组态是以图10中的双程组态为基础，其新增了第二虚线方块 184b中所示的光学器件。一第二增益介质185会连同第二四分之一波板186被插入在偏振 射束分光器133与一第二曲面HR面镜134之间。所以，该射束会通过增益介质102与增益 介质185中每一者两次，总共有四个冲程。图13所示的是一种更有效的六程放大器的组态，其和包含第二极管增益介质185 的图12的双程组态相同，不过，其具有由包围在第三虚线方块188中所示的三个光学器件 所组成的额外区块。该等额外的光学器件包含被插入在射束路径中法拉第隔绝器120后面 的一第二偏振射束分光器122、一第二法拉第旋转器190、以及一第二半波板192，第二四分 之一波板186则已被移除。熟悉本技术的人士便会明白，可以对上面所述实施例的细节进行许多变更，其并 不会脱离本发明的基础原理。所以，本发明的范畴应该仅由下面的申请专利范围来决定。
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权利要求
一种配置多程光功率放大器用以实施激光能量的偏振相依放大的方法，以便产生具有小射束变形的激光输出，该方法包括提供一具有第一与第二正交相关的增益轴的各向异性增益介质，其特征在于固有不同的轴增益及相关联的固有差异热双折射；引导一经偏振的晶种激光射束多次通过该各向异性增益介质，该等多次冲程中每一次冲程的晶种激光射束会沿着一共同射束路径传播而且实质上与该共同射束路径没有任何移位，且该晶种激光射束具有横越该共同射束路径的偏振方向；以及调整该经偏振的晶种激光射束的偏振方向让它们对齐增益介质的第一增益轴与第二增益轴，用以建立通过该增益介质的多次冲程中的数次冲程并且产生激光输出射束；借此，该晶种激光射束实质上与该射束路径没有任何移位会减少激光输出射束变形，而固有的差异热双折射则会增强激光输出能量抽出效率。
2.如权利要求1的方法，其中，该各向异性增益介质包括稀土族离子掺杂结晶固态材料。
3.如权利要求2的方法，其中，该稀土族离子掺杂结晶固态材料包含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.如权利要求1的方法，其中，该各向异性增益介质包括Cr:LiSAF；Cr:LiCAF ；Ti:蓝宝石；或是紫翠玉。
5.如权利要求1的方法，其中，该各向异性增益介质为具有圆形剖面的柱状棒形状的 结晶固态材料。
6.如权利要求1的方法，其中，该各向异性增益介质为具有多边形剖面的柱状棒形状 的结晶固态材料。
7.如权利要求6的方法，其中，该柱状棒的多边形剖面为正方形。
8.如权利要求6的方法，其中，该柱状棒的多边形剖面为六角形。
9.如权利要求1的方法，其中，该调整该经偏振的晶种激光射束的偏振方向的对齐作 用包含让该经偏振的晶种激光射束多次通过一射束分光器并且让激光输出射束离开该射 束分光器。
全文摘要
各向异性晶体，例如Nd:YVO4、Nd:YLF、以及Nd:GdVO4，已经成为许多激光应用的较佳增益材料。不需要辅助补偿的各向异性增益介质会确保在通过该增益介质时不会有任何的激光模式衰降。并入各向异性增益介质的光功率放大器会利用多次冲程达到功率放大的目的，同时还会在每一次的冲程期间于激光和激升之间保持良好的模式匹配。本发明的较佳实施例在施行晶种激光射束(100)多次通过各向异性增益介质(102)时在每一个冲程期间实质上会有零角射束移位。该多程系统提供省钱、可靠的方法来达到高功率TEM00功率，以便符合微加工应用、通道钻凿应用、以及谐振转换应用的需求。
文档编号H01S5/026GK101981769SQ200980111740
公开日2011年2月23日 申请日期2009年3月19日 优先权日2008年3月31日
发明者任文生, 彭晓原 申请人:伊雷克托科学工业股份有限公司