专利名称：一种激光增益装置及方法
一种激光增益装置及方法技术领域
本发明属于激光光强控制技术领域，特别是涉及一种激光增益装置及方法。
技术背景
激光由于其亮度高、单色性好、准直和聚焦性能好，已在科学研究、军事国防、工业加工、天文观测和信息传播等领域得到的广泛的应用。在实际应用当中，人们都希望获得均勻光强分布或接近高斯形光强分布的激光光束。例如在激光刻蚀加工领域，就需要得到光强分布尽量均勻的平顶光束以达到最理想的刻蚀效果；而在需要激光聚焦的情况下(如激光焊接、激光打孔、激光的光纤耦合)，就希望得到光强分布尽量接近高斯型光束，从而提高激光聚焦后的光强并降低激光在焦点处的光斑大小。
现有的光强分布控制技术都是透射衰减式的，且在实际应用中会受到如激光光强、孔径等因素的限制。申请号为02820338.0的中国专利申请公开了一种薄膜半导体器件及其制造方法，是直接利用具有一定光强透过率分布的掩膜改变光束的强度分布并用于半导体器件的光刻，该方法需要探测激光的强度分布后，设计、加工出对应透过率分布的掩膜，从而实现对激光强度分布的控制，但由于需要曝光、显影、定影等工艺，掩膜的制造时间较长，使该方法对激光的光斑分布的控制的实时性收到影响；另一方面，该方法实际上是对光强衰减的，将会是激光的功率受到损失；此外这种透射式掩膜的损伤阈值比较低，也限制了其应用于高功率激光。专利号为01256697. 7的中国专利公开了一种液晶光阀激光束空间整形装置，提到利用液晶光阀对激光的光强分布进行控制，但该方法同样也是只能通过衰减实现对激光光强分布的控制，无法解决激光损失和损伤问题。发明内容
(一 )要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是现有技术获得均勻光强分布或接近高斯形光强分布的激光光束只能通过衰减实现，无法解决激光损失和损伤问题。
( 二 )技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种激光增益装置。
其中，所述装置包括增益介质、泵浦源、光学元件和控制器，所述增益介质设置在激光的光路上，并接收由泵浦源发出的泵浦光，所述控制器与泵浦源相连接，用于控制泵浦源向增益介质发出泵浦光，所述泵浦光经由光学元件进入增益介质，所述控制器还与光学元件相连接，用于控制经过光学元件的泵浦光的光强分布。
优选地，所述光学元件包括液晶光阀、透镜组和反射镜，在泵浦源和增益介质之间依次设有液晶光阀、透镜组和反射镜，所述控制器与液晶光阀相连接。
优选地，所述光学元件包括变形镜和傅里叶变换镜，在泵浦源和增益介质之间依次设有变形镜和傅里叶变换镜，所述控制器与变形镜相连接。
优选地，所述增益介质为 :YV04。
本发明还提供了一种激光增益方法，在激光的光路上设有接收到泵浦光的增益介质，所述泵浦光经由与控制器相连接的光学元件进入增益介质，所述控制器控制经过光学元件的泵浦光的光强分布，使得泵浦光入射进增益介前的光强分布在预设值的容限范围内，以控制增益介质内的增益分布，从而实现将激光的光强分布调制为均勻分布或高斯分布。
优选地，所述控制器控制泵浦光在入射增益介质前的光强在IpH(x，y)容限范围内，
其中，= CpΙηΛ-In(Z7^y))+hca
式中，AΛ 'A0为激光的光强振幅，IiU, y)为激光在增益介质入, he射面的光强分布，——，X1为激光波长，λ p为泵浦光的波长，h为普朗克常量，C为光速，ο 21为增益介质的受激发射截面，Tf为激活离子的上能级寿命，α为增益介质对泵浦光的吸收系数，L为增益介质的长度，χ、y为空间坐标，e为欧拉系数。
优选地，所述控制器控制泵浦光在入射增益介质前的光强在Ipe(X，y)容限范围内，其中，
Ipg (χ, y) = Cp J 1 2 ΛInA-+y' , (l ( 、、丨 Ae 乂)ω1hcaApa21rf(eal-1)^
式中，I = . ^iZaL λ ^ A0为激光的光强振幅，Ii (χ, y)为激光在增益介质入, he射面的光强分布，——，X1为激光波长，λ p为泵浦光的波长，h为普朗克常量，C为光速，ο 21为增益介质的受激发射截面，Tf为激活离子的上能级寿命，α为增益介质对泵浦光的吸收系数，L为增益介质的长度，x、y为空间坐标，ω为高斯光束的束腰参数，e为欧拉系数。
优选地，还包括记录激光的入射光强步骤，在泵浦源关闭的情况下，开启激光源， 记录此时的增益介质入射面处的光强分布IiU, y)，再计算出泵浦光在入射增益介质前的光强Ip的值，由控制器控制经由光学元件的泵浦光的光强，使得泵浦光在入射增益介质前光强在Ip的容限范围内。
优选地，所述光学元件包括液晶光阀、透镜组和反射镜，在泵浦源和增益介质的出射面之间依次设有液晶光阀、透镜组和反射镜，所述控制器与液晶光阀相连接。
优选地，所述光学元件包括变形镜和傅里叶变换镜，在泵浦源和增益介质的出射面之间依次设有变形镜和傅里叶变换镜，所述控制器与变形镜相连接。
(三)有益效果
上述技术方案具有如下优点本发明通过控制器来控制经过光学元件的泵浦光的光强分布，从而对激光进行增益，解决了激光损失和损伤问题，使得泵浦光在入射增益介质前的光强在预设值的容限范围内，达到控制增益介质内的增益分布，以实现将激光的光强分布调制为均勻分布或高斯分布，由于改变激光光强分布的过程中不存在对激光的主动衰减，因此很容易实现对高功率激光光束的光强分布控制。
图1是本发明的透射式激光增益装置的结构示意图2是本发明的反射式激光增益装置的结构示意图3是本发明的用于产生均勻光强激光光束的装置实施例结构示意图4是本发明的用于产生高斯光强激光光束的装置实施例结构示意图5是本发明的一种实施例的结构示意图。
其中，1 增益介质；2 泵浦源；3 泵浦光；如液晶光阀；4b 反射镜；4c 透镜组； 4a’ 变形镜；4c’ 傅里叶变换镜；5 增益介质入射面；6 激光束；7 入射激光；8 控制器； 9:增益介质出射面；10:电极线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，为本发明的透射式激光增益装置的结构示意图，该激光增益装置包括增益介质1、泵浦源2、光学元件和控制器8，所述增益介质1设置在激光的光路上，接收激光和泵浦源2发出的泵浦光，所述控制器与泵浦源2相连接，用于控制泵浦源2向增益介质1发出泵浦光，并可以调节泵浦光3的强弱，所述泵浦光3经由光学元件进入增益介质1， 所述控制器8还与光学元件相连接，用于控制经过光学元件的泵浦光3的光强分布。该实施例的增益介质1的入射面用于接收激光束6，该增益介质用于吸收泵浦源发出的泵浦光使自身的激活离子跃迁到激发态。进入增益介质1的激光可以是连续激光也可以是脉冲激光，激光光束可以是一次进入增益介质也可以是多次进入增益介质，形成入射激光，进入增益介质的方式可以是直通透过也可以是进入介质后经过反射后从介质出射。该增益介质1 朝向激光束的面为入射面5，朝向泵浦源2的面为出射面。该增益介质1可以为固体、液体或者气体增益介质。本发明的控制器可以为各种适合的控制部件，例如单片机、驱动器。本发明通过控制器来控制经过光学元件的泵浦光的光强大小，从而对激光束进行增益，解决了激光损失和损伤问题，使得激光束能够成为预设的形状，可以是均勻分布或者高斯型的分布。
如图2所示，是本发明的反射式激光增益装置的结构示意图，该实施例的增益介质1为反射式，入射激光从增益介质1的入射面5进入并反射出，该实施例中的入射面和出射面都位于激光源的一侧。增益介质1的另一面镀有双色膜层，使得泵浦光能够透射进入增益介质1，而激光则被反射回入射面。该实施例为了提高反射镜4b的反射率，在反射镜 4b的表面镀有膜层。
本发明的控制器可以为各种适合的控制元件，例如驱动器、单片机等。本发明的光学元件也可以为各种适合的光学部件，只要能实现控制泵浦光的光强分布即可。如图3所示，是本发明用于产生均勻光强激光光束的结构示意图，该装置包括增益介质1、泵浦源2、 光学器件和控制器8，所述光学器件包括液晶光阀如、透镜组如和反射镜4b，在泵浦源2和增益介质出射面9之间依次设有液晶光阀如、透镜组如和反射镜4b，所述控制器8为驱动器，与液晶光阀如相连接。该实施例的增益介质1为 :YV04(掺钕钒酸钇)，为四能级系统，可以忽略其受激吸收效应，并有增益介质入射面5和增益介质出射面9 ；激光束6进入增益介质入射面5形成入射激光7，该入射激光为激光振荡器发射出的波长为1064nm的激光光束，到达增益介质表面的入射激光光束横截面的光强分布为Ii(^y)；泵浦源2为经过准直的半导体激光器，输出光的波长为808nm;液晶光阀如可以通过控制其液晶阵列的偏置电压分布u(x，y)改变其透过率分布；反射镜4b的镜面镀有对808nm泵浦光高反射率、 对1064nm激光高透过率的膜层；透镜组如为多个透镜，其作用是对泵浦光3扩束或缩束， 使其与入射激光7的孔径相匹配；驱动器通过电极线10与液晶光阀如相连接，用于通过连接液晶光阀如的电极线10对液晶光阀施加电压，以达到控制穿过液晶光阀如的泵浦光3 的光强分布。在驱动器的驱动下，连接液晶光阀阵列如的电极线10上得到一定的电压，使由泵浦源2发射出的泵浦光3经过液晶光阀如、透镜组如并经反射镜4b后到达增益介质出射面9，再经过增益介质出射面9垂直入射进增益介质1并产生增益分布g(x，y，ζ)。作为特例，如果增益介质1是平板型，由于经过准直，增益介质1内的增益分布可以近似视为泵浦光光强分布的指数衰减。如图4所示，是本发明用于产生均勻光强激光光束的结构示意图，该装置与图3所示的装置相同，只是激光束的形状不同，通过驱动器来控制穿过液晶光阀如的泵浦光3的光强分布，以形成如图4所示的高斯型光束。
如图5所示，为本发明的另一种实施例的结构示意图，与图3和图4实施例不同的是，该实施例的光学元件包括变形镜如’、傅里叶变换镜4c’和反射镜4b，在泵浦源2和增益介质出射面9之间依次设有变形镜4a’和傅里叶变换镜4c’，驱动器与变形镜4a’相连接。该实施例的装置是通过驱动器来控制变形镜4a’，从而改变泵浦光3的位相分布，并通过傅里叶变换镜4c’将泵浦光位相分布的变化投影到光强分布，同样实现了控制泵浦光的光强分布和孔径大小，从而对激光束进行增益，解决了激光损失和损伤问题，使得泵浦光在增益介质的出射面的光强在预定值的容限范围内，达到控制增益介质内的增益分布，以实现将激光束的光强分布调制为均勻分布或高斯分布。
本发明还提供了一种激光增益方法，在激光的光路上设有接收到泵浦光的增益介质，所述泵浦光经由与控制器相连接的光学元件进入增益介质，所述控制器控制经过光学元件的泵浦光的光强分布，使得泵浦光入射进增益介前的光强分布在预设值的容限范围内，以控制增益介质内的增益分布，从而实现将激光的光强分布调制为均勻分布或高斯分布。该方法利用控制器来控制经过光学元件的泵浦光的光强大小，从而对激光束进行增益， 解决了激光损失和损伤问题，使得激光束能够成为预设的形状，可以是常用的均勻分布或者高斯型的分布。
本发明的激光增益方法在激光的光路上设有接收到泵浦光的增益介质，泵浦光经由驱动器控制的液晶光阀进入增益介质内产生的增益分布为g(x，y，z)，所述驱动器控制穿过液晶光阀的泵浦光的光强分布，从而改变增益介质，泵浦光的光强分布于增益分布的关系可以表示为
g{x,y,z) = ^^Ip{x,y)e-a{'^( 1 )he
本发明的方法可以控制泵浦光的光强分布为任意形状。优选地，使得增益介质的7出射面的泵浦光的光强在IpH(x，y)或者Ipe(x，y)的容限范围内，即增益介质的出射面的光强在IpH(x，y)或者Ipe(χ，y)的上限和下限范围内，特例情况下两者相等。
其中
权利要求
1.一种激光增益装置，其特征在于，包括增益介质、泵浦源、光学元件和控制器，所述增益介质设置在激光的光路上，并接收由泵浦源发出的泵浦光，所述控制器与泵浦源相连接， 用于控制泵浦源向增益介质发出泵浦光，所述泵浦光经由光学元件进入增益介质，所述控制器还与光学元件相连接，用于控制经过光学元件的泵浦光的光强分布。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学元件包括液晶光阀、透镜组和反射镜，在泵浦源和增益介质之间依次设有液晶光阀、透镜组和反射镜，所述控制器与液晶光阀相连接。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学元件包括变形镜和傅里叶变换镜， 在泵浦源和增益介质之间依次设有变形镜和傅里叶变换镜，所述控制器与变形镜相连接。
4.如权利要求1-3中任何一项所述的装置，其特征在于，所述增益介质为Nd:YV04。
5.一种激光增益方法，其特征在于，在激光的光路上设有接收到泵浦光的增益介质，所述泵浦光经由与控制器相连接的光学元件进入增益介质，所述控制器控制经过光学元件的泵浦光的光强分布，使得泵浦光入射进增益介前的光强分布在预设值的容限范围内，以控制增益介质内的增益分布，从而实现将激光的光强分布调制为均勻分布或高斯分布。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制器控制泵浦光在入射增益介质前的光强在IpH(x，y)容限范围内，其中，
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制器控制泵浦光在入射增益介质前的光强在Ipe(χ，y)容限范围内，其中，
8.如权利要求5-7中任何一项所述的方法，其特征在于，还包括记录激光的入射光强步骤，在泵浦源关闭的情况下，开启激光源，记录此时的增益介质入射面处的光强分布Ii (x, y)，再计算出泵浦光在入射增益介质前的光强Ip的值，由控制器控制经由光学元件的泵浦光的光强，使得泵浦光在入射增益介质前光强在Ip的容限范围内。
9.如权利要求5-7中任何一项所述的方法，其特征在于，所述光学元件包括液晶光阀、 透镜组和反射镜，在泵浦源和增益介质的出射面之间依次设有液晶光阀、透镜组和反射镜， 所述控制器与液晶光阀相连接。
10.如权利要求5-7中任何一项所述的方法，其特征在于，所述光学元件包括变形镜和傅里叶变换镜，在泵浦源和增益介质的出射面之间依次设有变形镜和傅里叶变换镜，所述控制器与变形镜相连接。
全文摘要
一种激光增益装置及方法，所述装置包括增益介质、泵浦源、光学元件和控制器，所述增益介质设置在激光的光路上，并接收由泵浦源发出的泵浦光，所述控制器与泵浦源相连接，用于控制泵浦源向增益介质发出泵浦光，所述泵浦光经由光学元件进入增益介质，所述控制器还与光学元件相连接，用于控制经过光学元件的泵浦光的光强分布。所述方法通过控制器来控制泵浦光的光强分布，达到控制增益介质内的增益分布。本发明通过控制器来控制经过光学元件的泵浦光的光强分布，从而改变增益介质内的增益分布，以实现对激光束的光强进行空间调制，解决了激光损失和损伤问题，使得激光束能够成为均匀分布或者高斯型的分布。
文档编号H01S3/102GK102545013SQ20121003553
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月16日 优先权日2012年2月16日
发明者刘欢, 巩马理, 张海涛, 柳强, 邱运涛, 闫平, 黄磊 申请人:清华大学