专利名称：一种提高棒状Nd:YAG激光多通放大输出功率的放大器及其方法
技术领域：
本发明涉及ー种使用[100]方向切割Nd:YAG晶体棒的多通激光放大器，通过旋转 Nd: YAG晶体棒来寻找最大的线偏振光输出功率的方法，属于激光器技术领域。
背景技术：
随着激光放大器的发展，为了实现高输出功率，必须采用多通放大结构，激光必须是线偏振光。随着泵浦功率和激光通过激光介质次数的増加，由热致双折射引起的热退偏效应将明显增加，严重影响固体激光器的输出功率。为了降低热退偏效应对激光放大器及种子源激光器性能的影响，目前主要采取光隔离器，使退偏光无法回到种子源激光器，但这种方法无法减小激光放大器的热退偏效应。现有技术当中棒状Nd:YAG激光多通放大器使用[111]方向切割Nd:YAG晶体棒作为增益介质，在多通放大过程中，其热退偏损耗比较大。
发明内容
本发明的目的在于克服常见棒状Nd: YAG激光放大器热退偏对输出功率的影响， 提出一种提高棒状Nd:YAG激光多通放大器输出功率的装置及方法。本发明关键是使用 [100]方向切割Nd:YAG晶体棒作为激光放大器的増益介质，并结合光隔离器，研究对激光放大器实际应用的价值。通过旋转Nd:YAG晶体棒就可以找到热退偏最小的方向，可以得到最大的线偏振光输出功率，相比于单ー被动的使用光隔离器，[100]方向切割的Nd:YAG晶体棒作为激光放大器的増益介质，并结合光隔离器，即能够有效的提高棒状Nd: YAG激光放大器的输出功率，又能防止无法避免的退偏光对种子源激光器的影响。本发明的一种提高棒状Nd:YAG激光双通放大输出功率的放大器，其特征在干，由 1/2波片(1)、偏振分光棱镜W2)、45度法拉第旋转器(3)、45度石英旋转器(4)和偏振分光棱镜b(5)順序放置构成光隔离器；激光介质(6)安装于半导体激光器泵浦模块(7)内， 激光介质(6)是使用[100]切割方向的Nd:YAG晶体棒，半导体激光器放在光隔离器之后， 1/4波片⑶置于泵浦模块之后，全反镜(9)放置于1/4波片⑶之后，构成Nd: YAG激光双通放大器。利用上述棒状Nd YAG激光双通放大器提高棒状Nd YAG激光双通放大输出功率的方法，其特征在干，包括以下步骤当种子光(10)注入后，通过光隔离器进入激光介质(6)，输出后实现一通放大；一通放大激光通过1/4波片(8)和全反镜(9)后再次进入激光介质(6)，从偏振分光棱镜b (5) 输出二通放大激光(11)。在线偏振光进入激光介质(6)吋，旋转激光介质(6)，在360度的旋转调节范围内，存在四个线偏振光输出功率的变化周期，分別有四个线偏振光输出功率极大值；选取其中任意一个线偏振光输出功率极大值的方向作为晶体棒的方向，可以使激光器的热退偏最小，实现棒状Nd:YAG激光双通放大器输出功率的提高。激光器的热退偏是影响线偏振光输出功率大小的关键因素，热退偏越小，线偏振光输出功率越大。由于实现Nd:YAG激光多通放大，种子光也必须是线偏振光，使用[100]切割方向的Nd:YAG晶体棒用于多通放大器中作为激光介质，同样可以实现棒状Nd:YAG激光多通放大器线偏振输出功率的提高。本发明用全新的思路实现了棒状Nd:YAG激光多通放大器输出功率的提高，相比于传统补偿热退偏的方法有以下优点(1)热退偏效应明显减小；(2)避免了插入补偿热退偏的器件所带来的额外损耗；(3)大大降低了激光器成本；(4)操作更为简单，易于实现工程应用。本发明具有实质性的特点和显著进步，本发明所述的方法可以广泛应用于棒状Nd:YAG激光多通放大器中，能够明显提高激光器的效率、稳定性和输出功率。
图1是本发明系统示意图；图2是偏光分光棱镜工作示意图；图3是垂直于[111]方向Nd:YAG棒截面内θ角与φ角的关系图；图4是垂直于[100]方向Nd:YAG棒截面内θ角与φ角的关系图；图5是使用任意旋转方向[111]切割方向NdiYAG棒、[100]切割方向NdiYAG棒作为激光介质，激光单通放大后热退偏大小与泵浦功率的理论关系图。
具体实施例方式实施例1如图1所示，本实施例是由1/2波片(1)、偏振分光棱镜aO)、45度法拉第旋转器(3)、45度石英旋转器(4)和偏振分光棱镜b 顺序放置构成光隔离器。激光介质(6)安装于半导体激光器模块(7)内，激光介质(6)是使用[100]切割方向的Nd:YAG晶体棒，当种子光(10)注入后，通过光隔离器进入激光介质(6)，加上1/4波片(8)和全反镜(9)构成激光双通放大器，以下结合[111]和[100]方向切割Nd:YAG晶体的热应力双折射效应，及其所产生的热退偏效应，对本实施例做进一步说明。种子光(10)为ρ线偏振激光，通过1/2波片(1)后相位旋转90度为s线偏振激光，通过偏振分光棱镜a ( 后仍为s线偏振激光，通过45度法拉第旋转器C3)和45度石英旋转器(4)相位旋转90度为ρ线偏振激光，通过偏振分光棱镜b (5)后仍为ρ线偏振激光，进入激光介质(6)，通过1/4波片⑶后经全反镜(9)反射，再次通过1/4波片(8)，相位旋转90度为s线偏振激光，再次通过激光介质(6)，从偏振分光棱镜b (5)输出s线偏振的二通放大激光。偏振分光棱镜s线偏振激光和P线偏振激光示意图如图2所示。对于[100]方向切割Nd:YAG晶体，热退偏方向与晶体切割取向存在一定的关系，旋转晶体方向就可以找到热退偏最小的方向，这个方向上的热退偏小于[111]方向Nd:YAG棒的热退偏。工作原理如下工作物质的折射率可以用光率体表示，其形状、尺寸和方向的微小变化，都可以用应变引起的折射率变化表征，即折射率椭球。[111]和[100]方向切割NdiYAG具有立方晶体结构，因而光学各向同性，其光率体是一个圆球，但在热应力的作用下变为椭球。在棒状Nd:YAG晶体中，横向热应力呈径向和切向分布，与局部光率体的轴向有相同的方向。即在棒截面中的每一点，热致双折射的主轴都呈径向和切向分布，双折射大小与半径的平方成正比。因此，通过Nd:YAG棒的线偏振光束会出现很大的退偏振。在垂直棒轴的平面内一点P(r,cp)，该点的径向折射率分量为K，nr与y轴成φ夹角并垂直于切向折射率分量 。假设入射光的一点分解成两个分量，分别平行于η,和 。由于Δη#Διν所以在两个分量之间存在相位差，光将会发生椭圆偏振。如图3所示，对于[111]切割方向的Nd:YAG晶体，棒截面的χ轴分别与双折射方向之一的特征向量的夹角θ和退偏振方向的夹角φ大小相同，即晶格结构沿棒轴向对称，φ=θ，其大小与弹光张量大小无关，改变线偏振的方向不会改变热退偏的大小。但对于[100]切割方向的Nd:YAG晶体，如图4所示，这两个夹角不相等，即φ关θ，其大小与弹光张量大小有关，所以旋转晶体棒的方向就会改变热退偏的大小。理论对比相同参数的两激光棒的热退偏大小，相同参数指[100]和[111]切割方向Nd YAG棒的掺杂浓度相同. 1 %、棒直径3mm相同、棒长80mm相同、泵浦腔相同。使用任意旋转方向[111]切割方向Nd:YAG棒、[100]切割方向Nd:YAG棒作为激光介质，激光单通放大后热退偏大小与泵浦功率的关系理论图如图5所示。当使用最小热退偏方向的[100]切割方向Nd:YAG棒作为激光放大器的激光介质，热退偏效应明显减小。
权利要求
1.一种提高棒状Nd:YAG激光双通放大输出功率的放大器，其特征在干，由1/2波片 (1)、偏振分光棱镜a O)、45度法拉第旋转器(3)、45度石英旋转器(4)和偏振分光棱镜 b(5)順序放置构成光隔离器；激光介质(6)安装于半导体激光器泵浦模块(7)内，激光介质(6)是使用[100]切割方向的Nd:YAG晶体棒，半导体激光器放在光隔离器之后，1/4波片(8)置于泵浦模块之后，全反镜(9)放置于1/4波片(8)之后，构成Nd: YAG激光双通放大器。
2.利用权利要求1所述的Nd:YAG激光双通放大器提高棒状Nd: YAG激光双通放大输出功率的方法，其特征在干，包括以下步骤当种子光(10)注入后，通过光隔离器进入激光介质(6)，输出后实现一通放大；一通放大激光通过1/4波片(8)和全反镜(9)后再次进入激光介质(6)，从偏振分光棱镜输出二通放大激光(11)；在激光进入激光介质(6)时，旋转激光介质(6)，在360度的旋转调节范围内，存在四个线偏振光输出功率的变化周期，选取其中任意一个线偏振光输出功率极大值的方向作为晶体棒的方向，使激光器的热退偏最小，实现棒状Nd: YAG激光双通放大器输出功率的提高。
3.一种提高棒状Nd:YAG激光多通放大输出功率的放大器，其特征在干，使用[100]切割方向的Nd:YAG晶体棒用于多通放大器中作为激光介质。
全文摘要
一种提高棒状Nd:YAG激光多通放大输出功率的放大器及其方法，属于激光器技术领域。由1/2波片、偏振分光棱镜a、45度法拉第旋转器、45度石英旋转器和偏振分光棱镜b顺序放置构成光隔离器；激光介质安装于半导体激光器模块内，当种子光注入后，通过光隔离器进入激光介质，激光介质是[100]切割方向的Nd:YAG晶体棒，输出后实现一通放大；一通放大激光通过1/4波片和全反镜后再次进入激光介质，从偏振分光棱镜b输出二通放大激光。激光进入激光介质时，在360度的旋转范围内，选出一个线偏振光输出功率极大值的方向作为晶体棒的方向。本发明的热退偏效应明显减小，避免了插入热退偏补偿器件带来的额外损耗。
文档编号H01S3/16GK102570281SQ201210006500
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者姜梦华, 孙哲, 惠勇凌, 李强, 雷訇 申请人:北京工业大学