专利名称：一种提高光束质量的激光放大器及提高光束质量的方法
技术领域：
本发明涉及固体激光技术，具体涉及一种提高通过激光放大器光束质量的装置及其方法。
背景技术：
为了获得性能优良的高功率激光输出，应用振荡级-放大器组成的激光放大系统是一种很好的方法，这种方法中可由振荡级决定其光束特性，而由放大器决定其输出功率，因此可以兼顾优良的激光特性和较高的输出功率。现有的激光放大技术一般采用在振荡级-放大器之间加入扩束望远镜系统实现两级间光束直径匹配，如图1所示，将振荡级发出的光束半径较小的光束，经过扩束望远镜后再进入放大器中进行放大，这样可以得到高的输出功率。这样的结构存在两个不足之处，一是在振荡级-放大器之间需要加入扩束望远镜系统，增加了光路的长度，使得整个系统体积比较庞大；二是在高功率泵浦的情况下，由于放大器中增益介质中存在的热效应会导致通过放大器增益介质的光束产生畸变，严重恶化了输出激光的光束质量。近来，我们发现在专利CN 100495836 C所述的“一种双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔的装置”中，谐振腔两端输出光束的光束质量差别较大。定义从激光晶体到谐振腔腔镜的距离为谐振腔臂长，在基模动态稳定非对称激光谐振腔中，谐振腔的两个臂长差别较大，从臂长较长的一端输出光束的光束质量很好，而从臂长较短的一端输出光束的光束质量较差。将这一原理应用到激光振荡级-放大器系统，使振荡级从短臂输出的光束质量较差的光束，发散通过放大级，可以在保证较大的输出功率的同时，得到很好的光束质量。
发明内容
针对现有技术中由于光路较长或激光增益介质的热效应使得通过激光放大器后光束质量变差的现状，本发明提供一种提高通过激光放大器光束质量的装置。一种提高光束质量的激光放大器，包括振荡级和放大级,所述振荡级包括依次设置的全反镜、第一激光增益介质和输出镜，所述全反镜与第一激光增益介质之间的距离为LI,第一激光增益介质与输出镜的距离为L2,且LI > L2 ；所述放大级与输出镜的距离为L3，L3等于放大级的热透镜焦距。本发明将激光谐振腔设置为非对称方式，即第一激光增益介质与全反镜的距离大于第一激光增益介质与输出镜之间的距离，使得从输出镜输出的激光光束质量较差，但通过调整放大级的位置，使得输出镜输出的光束经发散后再进入放大级时，就会明显提高光束质量。为保证输出光束的质量，作为优选，所述的全反镜对激光光束的反射率大于95%，所述的输出镜对激光光束的反射率为
经研究发现，当第一激光增益介质与全反镜的距离大于输出镜与第一激光增益介质之间的距离(即LI > L2)时，输出镜的出射光束的质量较差，但此光束进入放大级进行放大，从放大级输出的光束质量则变得较好，作为优选，LI为L2的3 5倍。作为优选，所述的第一激光增益介质为Nd = YAG晶体、Nd = YVO4晶体或Yb = YAG晶体。同理，所述的放大级包括第二激光增益介质，所述的第二激光增益介质为Nd: YAG晶体、Nd = YVO4晶体或Yb = YAG晶体。该第二激光增益介质与第一激光增益介质可以相同，也可以不同。作为优选，所述的第二激光增益介质的热透镜焦距为10mm-2000mm，根据该第二激光增益介质的热透镜焦距确定放大级与输出镜之间的距离，利于获得高光束质量的激光输出。本发明还提供一种基于上述激光放大器提高光束质量的方法，使得经放大级输出的光束具有较好的光束质量。—种基于激光放大器的提高光束质量的方法，所述激光放大器包括振荡级和放大级，所述振荡级包括依次设置的全反镜、第一激光增益介质和输出镜；所述振荡级中全反镜与第一激光增益介质之间的距离为LI，第一激光增益介质与输出镜之间的距离为L2，且LI
>L2 ；所述方法包括:I)根据放大级的工作点确定放大级的热透镜焦距；2)调整放大级的位置，使放大级与输出镜的距离L3等于放大级的热透镜焦距；3)输出镜的出射光线通过放大级后作为激光束输出。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:(I)简化了实验装置，大大缩短了光路长度，使整个装置的体积大为减小。(2)不仅可以实现激光功率的放大，还可以实现对光束质量的改善，即从振荡级输出的光束质量较差，通过放大级后光束质量获得了提高，从而使整个装置获得性能优良的高功率激光输出。
图1为现有技术中光束经过扩束望远镜系统后进入放大级中的光斑半径分布图；图2为本发明中提高通过激光放大器光束质量的装置及其光路图；图3为实施例1中由振荡级输出光束的光强分布图；图4为实施例1中测量经过放大级后输出光束的光束质量因子的曲线图；图5为实施例1中经过放大级后输出光束的光强分布图。
具体实施例方式实施例1如图2所示，沿光轴依次放置有全反镜1、振荡级增益介质(第一激光增益介质)2、输出镜3、放大级增益介质(第二激光增益介质)5。振荡级增益介质采用双端泵浦的Nd = YVO4晶体，晶体为a-cut切割，掺杂浓度为
0.3%, Nd = YVO4激光晶体的尺寸为3mmX3mmX 11mm，其中两端键合了 2mm厚的未掺杂YVO4晶体，主要为了减小因热效应而引起的晶体端面形变。利用透镜耦合系统将808nm的泵浦光耦合后，从晶体两端面入射，泵浦光在Nd: YVO4激光晶体端面的光束直径为0.8mm,泵浦光的中心波长可以通过调节温度控制设备，以达到与晶体吸收峰的有效匹配。振荡级采用基模动态稳定非对称激光谐振腔。全反镜I与第一激光增益介质2之间的距离为LI = 310mm，第一激光增益介质2与输出镜3的距离L2 = 85mm。全反镜I镀有1064nm高反膜，对1064nm激光的反射率大于99.5%，输出镜3在1064nm处的反射率为60%。当泵浦功率为80W时，输出激光功率为33W，在输出镜3后测量得到的光束质量为Mx2=2.8，My2 = 2.7。图3为振荡级输出光束的远场光强分布图。放大级增益介质也采用双端泵浦的Nd = YVO4晶体，晶体为a-cut切割，掺杂浓度为
0.3%, Nd = YVO4激光晶体的尺寸为3mmX3mmX 11mm，其中两端键合了 2mm厚的未掺杂YVO4晶体。泵浦光在Nd = YVO4激光晶体端面的光束直径为0.8mm。测量放大级增益介质的热透镜焦距为75mm，调整放大级增益介质到输出镜的距离，使L3 = 75mm。实验测量了经过放大级后光束的功率和光束质量。当放大级泵浦功率为85W时，最终得到放大后光束的功率输出为65W，光束质量因子为Mx2 = 1.7，My2 = 1.6，测量光束质量因子的曲线如图4。图5为经过放大级后输出光束的远场光强分布图。实验表明，提高通过激光放大器光束质量的装置可以在输出光束有较高功率的情况下，得到很好的光束质量，克服了以往激光放大系统光束质量会随着输出功率的增加而严重恶化的现象。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。
权利要求
1.一种提高光束质量的激光放大器，包括振荡级和放大级，所述振荡级包括依次设置的全反镜、第一激光增益介质和输出镜，其特征在于，所述全反镜与第一激光增益介质之间的距离为LI，第一激光增益介质与输出镜的距离为L2，且LI > L2 ； 所述放大级与输出镜的距离为L3，L3等于放大级的热透镜焦距。
2.根据权利要求1所述的提高光束质量的激光放大器，其特征在于，所述的全反镜对激光光束的反射率大于95%，所述的输出镜对激光光束的反射率为
3.根据权利要求1所述的提高光束质量的激光放大器，其特征在于，LI为L2的3 5倍。
4.根据权利要求1所述的提高光束质量的激光放大器，其特征在于，所述的第一激光增益介质为Nd = YAG晶体、Nd = YVO4晶体或Yb = YAG晶体。
5.根据权利要求1所述的提高光束质量的激光放大器，其特征在于，所述的放大级包括第二激光增益介质，所述的第二激光增益介质为Nd = YAG晶体、NdiYVO4晶体或Yb = YAG晶体。
6.根据权利要求5所述的提高光束质量的激光放大器，其特征在于，所述的第二激光增益介质的热透镜焦距为10mm-2000mm。
7.一种基于激光放大器的提高光束质量的方法，所述激光放大器包括振荡级和放大级，所述振荡级包括依次设置的全反镜、第一激光增益介质和输出镜；所述振荡级中全反镜与第一激光增益介质之间的距离为LI，第一激光增益介质与输出镜之间的距离为L2，且LI>L2 ； 其特征在于，所述方法包括: 1)根据放大级的工作点确定放大级的热透镜焦距； 2)调整放大级的位置，使放大级与输出镜的距离L3等于放大级的热透镜焦距； 3)输出镜的出射光线通过放大级后作为激光束输出。
全文摘要
本发明公开了一种提高光束质量的激光放大器，使得通过该激光放大器光束的质量能够显著提高。本发明还公开一种基于所述激光放大器提高激光束质量的方法，通过调整放大级的位置可以有效控制放大级输出的光束质量。不仅简化了实验装置，大大缩短了光路长度，还可以在保证激光功率放大的同时，实现对光束质量的改善，即从振荡级输出的光束质量较差，通过放大级后光束质量获得了提高，从而使整个装置获得性能优良的高功率激光输出。
文档编号H01S3/08GK103117505SQ20131002630
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月23日 优先权日2013年1月23日
发明者刘崇, 叶志斌, 赵智刚 申请人:浙江大学