一种多程激光放大器的制作方法

本实用新型涉及重频工作下的高功率固体激光放大器技术领域，具体而言，涉及一种多程激光放大器。

背景技术：

高效率、高重频的大功率固体激光器在材料加工、粒子加速、强X射线产生和激光惯性约束聚变等领域具有非常广泛的应用，多程激光放大器作为其中的重要组成部分备受关注。多程激光放大器通过多次提取放大器中的储能，极大提高了激光放大器的能量提取效率，但是对于重频工作下的多程激光放大器，放大器工作中产生的大量废热不能及时排出，放大器增益介质出现明显的热致双折射现象，使得激光出现热退偏和热致波前畸变，当激光多次经过放大器后热退偏和热致波前畸变多次叠加并进一步恶化，最终使得输出激光能量降低、输出激光光束质量变差。目前，重频的多程激光放大器主要采用基于Zag-zag的片状放大器，利用片状结构较好的散热特性并配上良好的热管理系统，可以实现高重频、大能量的激光输出，但输出光束质量不是很理想。

因此一种高重频的高质量多程激光放大器设计成为一种需求。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种适用于大能量、重频工作下的多程激光放大器，解决了传统多程激光放大器中激光输出光束质量不理想的问题，同时通过多程可控放大技术能进一步提高了激光放大器的效率。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种多程激光放大器，沿着激光注入方向包括近场整形模块I、隔离与输入输出模块II和多程放大器腔体模块III，所述隔离与输入输出模块II处设置有波前测量模块IV，同时从隔离与输入输出模块II输出一束测量光到波前测量模块IV

进一步，所述近场整形模块I沿着激光注入方向依次设置有偏振片(101)、空间光调制器(102)和偏振片(103)，用于改善输出激光的近场质量。

进一步，所述空间光调制器(102)为电寻址液晶、光寻址液晶或相位板。

进一步，所述隔离与输入输出模块II沿着激光注入方向依次设置有偏振片(201)、二分之一波片(202)、第一45°法拉第旋光器(203)和偏振片(204)，所述二分之一波片(202)的光轴与水平方向的夹角为22.5°，所述第一45°法拉第旋光器(203)的旋转方向与所述二分之一波片设置的方向相反。

进一步，所述多程放大器腔体模块III由沿着激光注入方向的主光路和平行于激光注入方向的侧光路组成，所述主光路沿着激光注入方向依次设置有偏振片(301)、四分之一波片(302)、电光开关(303)、第一空间滤波器(304)、第二45°法拉第旋光器(305)、激光放大头(306)、第三45°法拉第旋光器(307)、第二空间滤波器(308)、波前矫正器(309)，所述侧光路设置有全反镜(310)。

进一步，所述多程放大器腔体模块III中的四分之一波片(302)的光轴与水平方向的夹角为45°。

进一步，所述多程放大器腔体模块III中的电光开关(303)工作时的电压为四分之一波电压。

进一步，所述多程放大器腔体模块III中的波前校正器(309)为变形镜、相位共轭镜或液晶光调制器。

进一步，所述波前测量模块IV由偏振片(402)和波前传感器(401)构成。

进一步，所述第一空间滤波器(304)和第二空间滤波器(308)满足成像共轭关系，空间光调制器、激光放大头中心、波前矫正器、全反镜和波前传感器通过第一空间滤波器和第二空间滤波器相互成像。

本实用新型的有益效果如下：

1、相比于现有技术，本实用新型中采用基于四分之一波片和电光开关的多程可控放大技术，使得激光在放大器腔内的放大次数可控，不仅可以灵活改变放大器的输出能量，同时能提高激光放大器的能量提取效率。

2、相比于现有技术，本实用新型采用基于空间光调制器的近场整形模块和严格像传递技术，明显改善了输出激光的近场质量。

3、相比于现有技术，本实用新型设置的波前测量模块IV，采用波前实时测量和波前主动控制技术，实现了波前畸变实时校正，提高了输出激光的远场质量。

4、相比于现有技术，采用单个激光放大头加两个45°法拉第旋光器的方法，实现了热退偏的完全补偿，解决了重频工作的热问题。

附图说明

图1为本实用新型的装置示意图；

图2为本实用新型中不同放大程数的激光输出波形；

图3为本实用新型中激光输出的近场光斑图案；

图中：101—偏振片，102—空间光调制器，103—偏振片，201—偏振片，202—四分之一波片，203—第一45°法拉第旋光器，204—偏振片，301—偏振片，302—四分之一波片，303—电光开关，304—第一空间滤波器，305—第二45°法拉第旋光器，306—激光放大头，307—第三45°法拉第旋光器，308—第二空间滤波器，309—波前矫正器，310—全反镜，401—波前传感器，402—偏振片；

图1中In端是激光注入端，位于偏振片101处平行于光路的箭头表示激光的注入方向，Out端是激光输出端，位于偏振片402处垂直于光路的箭头表示激光的输出方向。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

如图1所示，一种多程激光放大器，沿着激光注入方向包括近场整形模块I、隔离与输入输出模块II和多程放大器腔体模块III，所述隔离与输入输出模块II处设置有波前测量模块IV，同时从隔离与输入输出模块II输出一束测量光到波前测量模块IV。所述近场整形模块I沿着激光注入方向依次设置有偏振片101、空间光调制器102和偏振片103，采用基于空间光调制器的近场整形模块和严格像传递技术，明显改善了输出激光的近场质量，所述空间光调制器102为电寻址液晶、光寻址液晶或相位板。

所述隔离与输入输出模块II沿着激光注入方向依次设置有偏振片201、二分之一波片202、第一45°法拉第旋光器203和偏振片204，所述二分之一波片202的光轴与水平方向的夹角为22.5°，所述第一45°法拉第旋光器(203)的旋转方向与所述二分之一波片设置的方向相反，本模块完成主激光的输入和输出。

所述多程放大器腔体模块III由沿着激光注入方向的主光路和平行于激光注入方向的侧光路组成，所述主光路沿着激光注入方向依次设置有偏振片301、四分之一波片302、电光开关303、第一空间滤波器304、第二45°法拉第旋光器305、激光放大头306、第三45°法拉第旋光器307、第二空间滤波器308、波前矫正器309，所述侧光路设置有全反镜310；所述多程放大器腔体模块III中的四分之一波片302的光轴与水平方向的夹角为45°；所述多程放大器腔体模块III中的电光开关303工作时的电压为四分之一波电压；所述多程放大器腔体模块III中的波前校正器309为变形镜、相位共轭镜或液晶光调制器。所述波前测量模块IV由偏振片402和波前传感器401构成。所述第一空间滤波器304和第二空间滤波器308满足成像共轭关系，空间光调制器、激光放大头中心、波前矫正器、全反镜和波前传感器通过第一空间滤波器和第二空间滤波器相互成像，本模块主要对主激光进行高质量放大。

本实施例以应用非常广的钕玻璃作为激光放大器增益介质为例，对本实用新型进行描述。增益介质采用截面为8mm×8mm、长度为15cm的方形棒，激光放大头采用LD作为泵浦源，泵浦方式为四面对称泵浦，泵浦功率60kW，空间光调制器102为电寻址液晶，液晶分辨率为：1024×768，波前矫正器309为25个驱动器的变形镜，波前探测器为哈特曼波前传感器401，第一空间滤波器304的两个透镜焦距比为2:1，第二空间滤波器308的两个透镜焦距比为1:4。

种子激光从In端注入，经过电寻址液晶整形后，通过隔离与输入输出模块II后进入多程放大器腔体模块III，多程放大器腔体模块III由全反镜310、偏振片301、变形镜和之间的光学元件构成，其中，四分之一波片302和电光开关303用于控制激光放大程数，使得激光在放大器腔内的放大次数可控，不仅可以灵活改变放大器的输出能量，同时能提高激光放大器的能量提取效率；第二45°法拉第旋光器305和第三45°法拉第旋光器307用于热退偏补偿；变形镜用于波前畸变校正；第一空间滤波304和第二空间滤波器308用于高频滤波、像传递和光束口径变换，第一空间滤波器304将电寻址液晶102和全反镜310上的像传递激光放大头306中心，同时对光束口径进行2:1缩束，第二空间滤波器308将激光放大头306的中心成像到变形镜表面，同时将光束口径按照1:4扩束，以满足最佳波前校正口径。

在激光放大器工作过程中，首先确定放大程数，然后调节电光开关303的时序和工作时间，从输出端观察输出激光时序，当激光时序中呈现单个脉冲并且激光在放大器腔体内走的程数为设定的程数下即可完成。图2是不同放大程数的脉冲时间波形，对于任何程数的放大，输出激光波形都只有一个脉冲，说明系统的消光比高和热退偏完全，接着在变形镜不加电压情况下，用哈特曼波前传感器401测量输出激光的波前畸变，然后利用迭代算法慢慢给变形镜加电压，当哈特曼波前传感器401测量的波前畸变量很小时停止，最后用电寻址液晶102对注入激光近场进行整形以匹配增益介质的增益均匀性，输出近场均匀的光斑。图3为八程放大后的近场图案，呈现出标准的高阶高斯平顶近场，近场均匀。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。