基于拼接晶体的偏振光多通放大器的制作方法

本发明涉及激光放大器，特别是一种基于拼接晶体的偏振光多通放大器。

背景技术：

啁啾脉冲放大(Chirped-Pulse-Amplification，简称CPA)系统对能量的要求越来越高，使得晶体(钛宝石)口径越做越大，大口径的晶体生长周期长且价格昂贵。其次，种子脉冲经晶体放大时，晶体内所产生的寄生振荡(Parasitic Lasing，简称PL)极大程度地消耗了晶体的储能，严重影响了放大输出脉冲的光斑质量和放大效率，并且随着晶体口径的增大，寄生振荡更容易产生。晶体拼接技术可以有效地抑制寄生振荡的产生，同时可以形成口径较大的晶体，很好的解决了上述所存在的问题。

在光学领域，多通放大是指利用全反镜对光束进行折返，折返后的光束分别以不同的角度经过同一块增益物质并进行能量放大，一般折返的次数小于10次。目前，传统多通放大器都是由增益物质和多块全反镜搭建而成(大体上可分为两种，一种是通过不断扩大或缩小入射角度实现多通放大，另一种，当放大介质对光束偏振状态无要求时，可以利用旋转光束的偏振状态进行多通放大，光束在放大介质内为圆偏振状态或部分通次为圆偏振态)，并且该过程所需要的全反镜数目较多，同一侧用于折返的两个全反镜(中心)之间的距离越大，入射增益物质的角度α越大。假设两个全反镜(中心)之间的距离为h，全反镜至晶体的距离为l，则有如下关系式，

当增益物质为拼接晶体时，利用全反镜将光束以不同入射角度反射至拼接晶体，由于拼接晶体接缝的存在，导致接缝在出射光斑投影面上的面积随着入射角度的增大而增大，如图1-1所示，图1-1中为传统的四通放大器结构，图中：1为一通放大，2为二通放大，3为三通放大，4为四通放大。该多通放大器中拼接晶体厚度为8mm，接缝间隙为3.5mm，由图中可以看到一通放大光束入射晶体角度α为5.46°，经二通放大后，经三通放大光束入射晶体角度α为9.05°，后经四通放大；可以看到同侧两个全反镜(中心)之间的距离越大，光束入射晶体角度α越大。如图1-2所示，图(a)为光束垂直入射拼接晶体后，出射光斑投影，图(b)和图(c)分别为图1-1所示四通放大器一通和三通放大后的出射光斑投影。由于该四通放大器位于水平光学平台，因此出射光斑水平方向十字间隙基本无变化，但是当光束经一通和三通放大时，由于光束入射拼接晶体存在不可忽略的角度α以及拼接晶体本身的特殊结构(不考虑其它人为因素)，将会导致一通和三通放大后的出射光斑竖直方向十字间隙分别变为4.87mm和5.74mm，如此大的间隙会造成放大能量的损失，影响后续光路，不便于实际应用。

放大器通常采用s或p光偏振态放大，光学元件一般也是根据偏振态设计，所以放大器出光要回到s或p光偏振态，便于后续使用。种子光束通过Faraday旋光器后变为45°偏振角的线偏振光，因此当种子光束和泵浦光束同时入射至拼接晶体上，必须确保种子光束的偏振状态、泵浦光束的偏振状态和拼接晶体的C轴保持一致，即入射光束偏振光的偏振状态要和晶体C轴保持一致，若偏振状态和C轴存在一定的夹角，就会产生光谱调制(可参考文献[1]Xiaoming Lu等，“Birefringent plate design for broadband spectral shaping in a Ti:sapphire regenerative amplifier”)。若晶体C轴按照一般放大器使用方法，即s或p光偏振态，需要用波片把种子光束偏振态调整至与晶体需求相符合，而宽带波片因带宽较宽，工艺要求较高，不宜获得要求的高品质产品。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术的问题，提供一种基于拼接晶体的偏振光多通放大器。该放大器利用线偏振光的偏振状态差异，两通放大结构实现传统四通放大，减小种子光束入射晶体时的入射角α，最终减小拼接晶体的接缝在光斑投影面上的面积，提高放大效率。两个1/2波片都放置在泵浦光路中，对种子光束的状态无影响，从而节约成本，保证了放大器的可靠性。

本发明解决技术方案如下：

1、一种基于拼接晶体的偏振光多通放大器，其特点在于：由偏振片、Faraday旋光器、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜、拼接晶体、第五全反镜、第一1/2波片、第二1/2波片构成，所述的拼接晶体是使用C轴为45°的晶体拼接而成的，其位置关系如下：沿种子光束入射方向依次是所述的偏振片、Faraday旋光器、第一全反镜、第二全反镜、拼接晶体、第四全反镜、第三全反镜、拼接晶体和第五全反镜，所述的偏振片、第一全反镜与光束方向呈45°，第五全反镜与光束方向呈90°，其余全反镜与光束方向角度可调，沿第一泵浦光束入射方向依次是所述的第一1/2波片、拼接晶体，沿第二泵浦光束入射方向依次是所述的第二1/2波片、拼接晶体，所述的种子光束入射拼接晶体的入射角α满足如下关系式：

式中，D为出射光斑直径,d为拼接晶体的厚度，d′为拼接晶体的接缝宽度，n为拼接晶体的折射率。

本发明基于拼接晶体的偏振光多通放大器的工作过程如下：

种子光束入射至偏振片上，经偏振片后变为线偏振光(此处采用P型偏振片为例，故产生振动方向和入射方向水平的p光偏振态)，继而入射至Faraday旋光器，光束偏振角转过45°；光束经第一全反镜反射至第二全反镜，再由第二全反镜反射至拼接晶体，经第一通放大后出射至第四全反镜，光束经第四全反镜反射至第三全反镜，后经第三全反镜反射至拼接晶体，经第二通放大后出射至第五全反镜，光束经第五全反镜入射至拼接晶体，经第三通放大出射至第三全反镜，后依次经第三全反镜和第四全反镜反射至拼接晶体，经第四通放大后出射至第二全反镜，依次经第二全反镜和第一全反镜反射至Faraday旋光器，出射光束偏振角再次沿同一方向转过45°(故光束偏振角共转过90°，光束变为s光偏振态)，光束入射至偏振片，由于偏振片只允许p光通过，故光束(s光)被偏振片反射出光路。其中两束泵浦光束(线偏振光)经第一1/2波片和第二1/2波片分别变成偏振角为45°的线偏振光入射至拼接晶体。

通常我们认为拼接晶体的接缝在出射光斑投影面上的面积S′和总出射光斑面积S之间存在如下关系时，光束可继续使用，即

假设出射光斑直径为D,出射光斑十字竖直方向间隙为a，水平方向间隙为a′，拼接晶体厚度为d，拼接晶体的接缝为d′，晶体折射率为n，由于出射光斑十字水平方向间隙基本无变化，所以a′≈d′，故有如下近似关系，

因此入射角α需满足如下关系，

本发明解决技术的优点如下：

1.本发明基于拼接晶体的偏振光多通放大器能够实现传统四通放大，通过减小同侧全反镜(中心)之间的距离减小光束入射拼接晶体的入射角α，最终减小拼接接缝在光斑投影面上的面积。

2.本发明基于拼接晶体的偏振光多通放大器中光束偏振状态均为45°偏振角的线偏振光，保证了系统的放大效率，同时不会因晶体C轴与种子光偏振的不匹配而产生光谱调制。

3.本发明基于拼接晶体的偏振光多通放大器中放置在泵浦光路中的1/2波片带宽比种子光束小2个量级，易于获得，可靠性高。同时因1/2波片并不在种子光路中，种子光束不经过1/2波片，对种子光束的状态无影响，因此对主光路无直接影响，保证放大器的可靠性。

附图说明

图1-1为入射角度差异图

图1-2为光斑投影图

图2为本发明基于拼接晶体的偏振光多通放大器结构示意图

图3为本发明拼接晶体(2x2)结构示意图

具体实施方式

先请参阅图2，图2为本发明基于拼接晶体的偏振光多通放大器结构示意图，图中泵浦光束仅用两路，也可用多路，仅供参考。由图可见，本发明基于拼接晶体的偏振光多通放大器，由偏振片1、Faraday旋光器2、第一全反镜3、第二全反镜4、第三全反镜5、第四全反镜6、拼接晶体7、第五全反镜8、第一1/2波片9、第二1/2波片10构成，所述的拼接晶体7是使用C轴为45°的晶体拼接而成的，其位置关系如下：沿种子光束11入射方向依次是所述的偏振片1、Faraday旋光器2、第一全反镜3、第二全反镜4、拼接晶体7、第四全反镜6、第三全反镜5、拼接晶体7和第五全反镜8，所述的偏振片1、第一全反镜3与光束方向呈45°，第五全反镜8与光束方向呈90°，其余全反镜与光束方向角度可调，沿第一泵浦光束12入射方向依次是所述的第一1/2波片9、拼接晶体7，沿第二泵浦光束13入射方向依次是所述的第二1/2波片10、拼接晶体7，所述的种子光束11入射拼接晶体7的入射角α满足如下关系式：

式中，D为出射光斑直径,d为拼接晶体的厚度，d′为拼接晶体的接缝宽度，n为拼接晶体的折射率。

本发明基于拼接晶体的偏振光多通放大器的工作过程如下：

首先种子光束入射，需保证偏振片1、Faraday旋光器2和第一全反镜3的中心在同一条直线上，采用小孔准直的方法将这三个元件中心放置在同一条直线上，并使光束能够完全通过Faraday旋光器2。种子光束11入射至偏振片1上，经偏振片1后变为线偏振光(此处采用P型偏振片为例，故产生振动方向和入射方向水平的p光偏振态)，继而入射至Faraday旋光器2，光束偏振角转过45°；光束经第一全反镜3反射至第二全反镜4，再由第二全反镜4反射至拼接晶体7，经第一通放大后出射至第四全反镜6，光束经第四全反镜6反射至第三全反镜5，后经第三全反镜5反射至拼接晶体7，经第二通放大后出射至第五全反镜8，光束经第五全反镜8入射至拼接晶体7，经第三通放大出射至第三全反镜5，后依次经第三全反镜5和第四全反镜6反射至拼接晶体7，经第四通放大后出射至第二全反镜4，依次经第二全反镜4和第一全反镜3反射至Faraday旋光器2，出射光束偏振角再次沿同一方向转过45°(故光束偏振角共转过90°，光束变为s光偏振态)，光束入射至偏振片1，由于偏振片1只允许p光通过，故光束(s光)被偏振片1反射出光路。其中两束泵浦光束12、13(线偏振光)分别经第一1/2波片9和第二1/2波片10会变成偏振角为45°的线偏振光入射至拼接晶体7。由于本发明多通放大器的种子光束偏振状态采用是45°偏振角的线偏振光放大，因此也要确保泵浦光束偏振状态为45°偏振角的线偏振光入射增拼接晶体7；首先利用检偏器确定泵浦光束的偏振角度，并确定泵浦光束和种子光束偏振态之间的夹角θ，然后使1/2波片的光轴和泵浦光束线偏振光成θ/2夹角，这样可保证种子光束和通过1/2波片的泵浦光束入射拼接晶体7时的偏振状态一致。

采用拼接晶体7，需测量每一块晶体的C轴方向，将晶体C轴按45°角拼接，按照图3所示结构放置。拼接晶体(2x2)结构，左为主视图，右为左视图，图3为4块拼接晶体结构(2x2)，即将一块圆形晶体分割成四块，仅供参考，也可采用更多块拼接晶体结构。

实验表明，本发明能实现传统四通放大结构，通过减小同侧全反镜(中心)之间的距离减小种子光束入射拼接晶体时的入射角α，例如，晶体厚度为8mm，晶体拼接接缝为3.5mm，全反镜至晶体的距离为1500mm，两个全反镜(中心)之间的距离为200mm，入射角α为3.8°，满足实验所需α角，最终减小了拼接晶体的接缝在光斑投影面上的面积。两个1/2波片放置在泵浦光路中,既不影响种子光束，又能节约成本，保证了放大器的可靠性。