专利名称：钕玻璃再生放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光放大器领域，尤其涉及一种高能量高效率钕玻璃再生放大器。
背景技术：
掺钕磷酸盐玻璃(简称钕玻璃)因其具有大增益带宽、高饱和通量、高破坏阈值、长上能级寿命、低受激发射截面、易于制成大尺寸等优点，被广泛使用在超短脉冲放大、强场物理和激光核聚变等领域。钕玻璃再生放大器结合了钕玻璃和再生放大器的优点，非常适合作为高增益的前置放大器使用。但由于钕玻璃热导性差、热效应非常严重，更高能量的钕玻璃再生放大器受小尺度自聚焦效应和电光晶体破坏阈值的限制，成为技术难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供ー种钕玻璃再生放大器，在高输出能量下使钕玻璃内的小尺度自聚焦效应得到有效控制。根据本发明的ー个方面，提供ー种钕玻璃再生放大器，包括依次设置在主光路上的再生腔边缘偏振器件，适于透射第一类型偏振光，反射第二类型偏振光；四分之一波片，适于将第一类型或第二类型偏振光转变为圆偏振光；电光晶体，控制其上施加的电压，使得当不对该电光晶体施加电压时其相当于平片，当对该电光晶体施加四分之一波电压时其相当于四分之一波片；和第一反射镜；以及依次设置在从光路上的再生腔内部偏振器件，适于透射第一类型偏振光，反射第二类型偏振光，该再生腔内部偏振器件与所述再生腔边缘偏振器件相互接收对方反射的偏振光；钕玻璃棒，适于提供増益；和第二反射镜；其中，所述第一类型偏振光和第二类型偏振光偏振面相差90°，所述电光晶体适于控制偏振光的偏振态，使其反复经过钕玻璃棒多次被放大，当偏振光能量达到所需量级时，对所述电光晶体加压将其输出。可选的，所述第一反射镜为平镜；所述第二反射镜为平凹反射镜；其中，所述第一反射镜与第二反射镜配合适于改变电光晶体和钕玻璃棒位置处的光斑尺寸，以获得合适的腔型。可选的，所述钕玻璃棒中心位置处的光斑尺寸设计为2. 5_。可选的，所述电光晶体置于第一反射镜附近腔模光斑最大的位置；所述钕玻璃棒置于腔模内瑞利长度范围内。
可选的，所述钕玻璃棒采用直接抽运的方式。
可选的，所述钕玻璃再生放大器还包括腔倒空振荡器，适于作为种子源以提供输入偏振光。可选的，所述钕玻璃再生放大器还包括光隔离单元，适于隔离输入偏振光和输出偏振光。可选的，所述光隔离单元包括再生腔外部薄膜偏振片，适于透过第一类型偏振光，反射第二类型偏振光；法拉第旋光器，适于将入射偏振光的偏振面旋转45度；和二分之一波片，适于将入射偏振光的偏振面旋转45度。可选的，所述钕玻璃棒的抽运宽度为200 250 ii S，抽运电流为50A 80A。相对于现有技术，本发明的优点在于(1)本发明在高输出能量下使钕玻璃内的小尺度自聚焦效应得到有效控制，钕玻璃再生放大器的总增益达到IO8 ;(2)再生放大器光-光转化效率高达11%，基本实现了有效储能的充分提取；(3)输出脉冲能量高。
图I是根据本发明ー个实施例提供的钕玻璃再生放大器结构示意图；图2是图I中钕玻璃再生放大器的腔内光斑分布示意图；图3a_3b是本发明一个实施例中，腔倒空种子脉冲和再生放大器输出脉冲波形图；图4a_4b是本发明一个实施例中，种子脉冲和再生放大器输出脉冲光谱特性示意图；图5a_5b是本发明一个实施例中，种子脉冲和再生放大器输出脉冲的远场光斑示意图；图6是本发明一个实施例中，再生放大器输出脉冲的能量稳定性示意图；图7是本发明一个实施例中，再生放大器中的小尺度自聚焦现象示意图；图8是本发明一个实施例中，再生放大器输出能量、腔倒空调Q方式输出能量以及再生放大理论值之间的关系示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一歩详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。装置结构:根据本发明一个实施例，提供ー种钕玻璃再生放大器，如图I所示。该放钕玻璃再生放大器包括位于主光路的器件以及位于从光路的器件，其中，(I)位于主光路的器件包括半导体激光器脉冲抽运的Nd:YLF(掺钕的氟化钇锂晶体)腔倒空振荡器(图中未示出)，作为种子源；腔倒空振荡器能输出窄脉宽、高能量的脉冲；第一薄膜偏振片(TFPl) 101,透过水平偏振光,反射垂直偏振光；法拉第旋光器102,用于将偏振光的偏振面旋转45度；
二分之一波片103,用于将偏振光的偏振面旋转45度；放置二分之一波片103使得入射偏振光的振动方向与波片103的光轴夹角等于22. 5度；波片103与法拉第旋光器102配合,使入射的偏振光的偏振态不发生改变，使出射的偏振光的偏振态发生改变，例如从水平偏振光变为垂直偏振光，或从垂直偏振光变为水平偏振光；第二薄膜偏振片(TFP2) 104，透过水平偏振光，反射垂直偏振光；四分之一波片105 ；KD*P泡克尔斯盒106，当不对其施加电压时，其相当于平片，不改 变输入光的偏振特性；对其加压时(例如在一段时间t内加压)，KD*P泡克尔斯盒106相当于ー个四分之一波片；以及第一反射镜(Ml) 107 ；M1为镀1053nm高反膜的平镜；(2)位于从光路的器件包括第三膜偏振片(TFP3) 108，透过水平偏振光，反射垂直偏振光；钕玻璃棒(Nd glass) 109，是激光器的増益模块，用于提供増益；以及第二反射镜(M2) 110 ;M2为曲率为5m、凹面镀1053nm高反膜的平凹反射镜。本实施例中使用半导体激光器脉冲抽运的Nd: YLF (掺钕的氟化钇锂晶体)腔倒空振荡器作为种子源，产生的水平偏振光的波长为1053nm，在本发明其他实施例中，还可以通过高压消波方式产生的脉冲和光纤种子源作为放大器的种子源。继续參考图1，腔200 (又称为再生腔200)是指Ml和TFP2以及TFP3和M2构成的往返结构，腔200具体包括TFP 2104、四分之一波片105、KD*P 106、M1107、TFP3108、钕玻璃棒109和M2110。本实施例中，第一和第二反射镜(即Ml 107和M2110)不同是为了改变106和109位置处的光斑尺寸，以获得合适的腔型。腔内模场的分布与和腔镜(即M1107和M2110)曲率的关系遵循腔的传输矩阵理论和腔的稳定性判据。腔型是指再生腔的外部布局，本质上涉及腔内模式的分布，合适的腔型对于输出能量的选择、预防元件损坏等都有指导价值。腔型主要与腔内激光束的分布有关，设计的时候主要考虑钕玻璃棒109和KD*P晶体106位置处的光斑尺寸大小。本实施例中，腔型的设计指标为钕玻璃棒109中心位置处的光斑尺寸设计为
2.5mm、KD*P放在光斑尺寸较大的位置，优化后的结构就是对应于不同器件处的光斑尺寸。进ー步的，腔内光斑分布如图2所示，其中，Ml和M2代表腔的两端镜，Dl代表KD*P处的光斑直径，D2代表钕玻璃棒109处的光斑直径。整个图表示腔内不同位置处的光斑相对大小，具体数值为，D2 = 2. 5mm, Dl = 3mm。本实施例中，再生腔设计的总腔长为4m，腔内増益介质(即钕玻璃棒109)处的腔模直径为2. 5mm,电光晶体(即KD*P泡克尔斯盒)置于腔镜Ml附近腔模光斑最大的位置，可有效避免KD*P晶体破坏。钕玻璃棒109置于腔模内瑞利长度范围内，这样不但可以降低因棒的小尺寸产生的衍射损耗，而且可有效避免3ns脉冲在再生腔内发生重叠。需要注意的是，图中虚线框出的腔200只是为了表示腔中包含的元件，并不表示腔型。另外，腔型指腔的宏观外形，腔模是指腔内有激光存在时光束的一种空间分布，无实体形状。继续參考图1，KD*P晶体的尺寸为8mm*20mm，TFP3108位于腔的内部，增益介质为半导体激光器脉冲侧泵模块(即钕玻璃棒109)。钕玻璃棒109为国产的N31型(在本发明其他实施例中，也可以是N21型)，棒的尺寸为直径3mm、长度75mm，掺杂浓度为3. 85 % (质量分数)，有效抽运长度为43mm，由3个3kW脉冲半导体激光器阵列环形排列以从不対称的方向均匀抽运増益介质，相邻阵列之间角度相差120° (采用不对称的方式可以避免损害到抽运源)，采用直接抽运的方式，在300 u s抽运宽度下，使用60A-80A的抽运电流，总抽运能量可以达到3J，输出电流在0-200A可调，钕玻璃棒109采用去离子水冷却，水温控制在20±0. 1°C。装置光路:利用上述钕玻璃再生放大器进行激光放大时的光路描述如下从腔倒空振荡器输出的水平偏振光(p光)透射穿过TFP1101 ；水平偏振光经法拉第旋光器102后偏振面被旋转45度，变成圆偏振光，再进过ニ分之一波片103后，其偏振面又被反向旋转45度，回到水平偏振态；水平偏振光透射穿过TFP2104进入再生腔(TFP2104位于腔的一端);(I)当对KD*P 106不加电压时，相当于平片，水平偏振光透射穿过四分之一波片105，成为圆偏振光，经过M1107的反射，圆偏振光再次经过四分之一波片105后，变成垂直偏振光；垂直偏振光经过TFP2104反射进入从光路；TFP3108反射垂直偏振光到钕玻璃棒109，经过M2110的反射，在腔内往返一周，被TFP3108反射回到主光路；垂直偏振光经过TFP2104反射,又两次经过四分之一波片105,偏振态再由垂直变成水平偏正态，水平偏振光从TFP2处沿原路返回，从TFPl处输出，脉冲只在腔内放大一次。需要注意的是，所述的“脉冲只在腔内放大一次”是指往返放大一次，如果单纯指通过的放大次数，则其为两次。(2)如果对KD*P 106加四分之一波电压(例如加压时间长度为t纳秒)，KD*P 106相当于ー个四分之一波片；当入射的水平偏振光两次经过四分之一波片105和KD*P 106以后，开始对KD*P106加压；在时间t内，垂直偏振光经过四分之一波片105和KD*P 106后,其偏振态从垂直偏振光变为水平偏振光；经过Ml 107反射再次经过KD*P 106和四分之一波片105，其偏振态从水平偏振光
变为垂直偏振光；从而光能够多次在腔内往返，从而经过钕玻璃棒109多次被放大。其中，在KD*P上施加的四分之一波电压为4. 9kV，KD*P晶体表面膜层的破坏阈值 为 150MW/cm2。结果分析:上述实施例中，N31型掺钕磷酸盐玻璃属于四能级系统，1053nm波长的激光跃迁发生在钕原子4F3/2 — 4F1172能级之间,利用Frantz-Nodvik等人获得的经典公式来计算再生放大器的输出能量。经过n次增益介质后的放大脉冲的能量密度用表示如下
权利要求
1.ー种钕玻璃再生放大器，包括 依次设置在主光路上的 再生腔边缘偏振器件，适于透射第一类型偏振光，反射第二类型偏振光； 四分之一波片，适于将第一类型或第二类型偏振光转变为圆偏振光； 电光晶体，控制其上施加的电压，使得当不对该电光晶体施加电压时其相当于平片，当对该电光晶体施加四分之一波电压时其相当于四分之一波片；和第一反射镜；以及 依次设置在从光路上的 再生腔内部偏振器件，适于透射第一类型偏振光，反射第二类型偏振光，该再生腔内部偏振器件与所述再生腔边缘偏振器件相互接收对方反射的偏振光； 钕玻璃棒，适于提供増益；和 第二反射镜； 其中，所述第一类型偏振光和第二类型偏振光偏振面相差90° ,所述电光晶体适于控制偏振光的偏振态，使其反复经过钕玻璃棒多次被放大，当偏振光能量达到所需量级时，对所述电光晶体加压将其输出。
2.根据权利要求I所述的钕玻璃再生放大器，其中， 所述第一反射镜为平镜； 所述第二反射镜为平凹反射镜； 其中，所述第一反射镜与第二反射镜配合适于改变电光晶体和钕玻璃棒位置处的光斑尺寸，以获得合适的腔型。
3.根据权利要求2所述的钕玻璃再生放大器，其中， 所述钕玻璃棒中心位置处的光斑尺寸设计为2. 5mm。
4.根据权利要求2所述的钕玻璃再生放大器，其中， 所述电光晶体置于第一反射镜附近腔模光斑最大的位置； 所述钕玻璃棒置于腔模内瑞利长度范围内。
5.根据权利要求2所述的钕玻璃再生放大器，其中，所述钕玻璃棒采用直接抽运的方式。
6.根据权利要求I所述的钕玻璃再生放大器，还包括腔倒空振荡器，适于作为种子源以提供输入偏振光。
7.根据权利要求6所述的钕玻璃再生放大器，还包括光隔离单元，适于隔离输入偏振光和输出偏振光。
8.根据权利要求7所述的钕玻璃再生放大器，其中，所述光隔离单元包括 再生腔外部薄膜偏振片，适于透过第一类型偏振光，反射第二类型偏振光； 法拉第旋光器，适于将入射偏振光的偏振面旋转45度；和 二分之一波片，适于将入射偏振光的偏振面旋转45度。
9.根据权利要求I所述的钕玻璃再生放大器，其中，所述钕玻璃棒的抽运宽度为200 250 ii S，抽运电流为50A 80A。
全文摘要
本发明提供一种钕玻璃再生放大器，包括依次设置在主光路上的再生腔边缘偏振器件，适于透射第一类型偏振光，反射第二类型偏振光；四分之一波片，适于将第一类型或第二类型偏振光转变为圆偏振光；电光晶体，控制其上施加的电压，使得当不对该电光晶体施加电压时其相当于平片，当对该电光晶体施加四分之一波电压时其相当于四分之一波片；和第一反射镜；以及依次设置在从光路上的再生腔内部偏振器件，适于透射第一类型偏振光，反射第二类型偏振光，该再生腔内部偏振器件与所述再生腔边缘偏振器件相互接收对方反射的偏振光；钕玻璃棒，适于提供增益；和第二反射镜。
文档编号H01S3/101GK102646921SQ201210110580
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月16日 优先权日2012年4月16日
发明者余锦, 唐熊忻, 康治军, 樊仲维, 王培峰, 王小发, 石朝辉, 赵天卓, 连富强, 黄玉涛 申请人:北京国科世纪激光技术有限公司