高功率激光热透镜效应的补偿方法与流程

本发明涉及热效应补偿技术，特别是一种高功率激光热透镜效应的补偿方法。

背景技术：

高功率全固态激光器和放大器在科研、军事、医药和激光微纳加工等领域有着广泛和重要的应用，具有效率高，成本低，体积小，稳定性好等优点。同时具备高功率和高光束质量特性的全固态激光器具有重大的科学意义和应用价值。

在高功率激光系统中，激光增益介质往往通过大功率激光器来泵浦，从而使激光晶体表现出热透镜效应，影响激光输出的光束质量。同时，由于热效应会导致腔内稳区发生改变，使得激光器的稳区范围变窄，不利于高功率激光的输出。

在基于固体激光增益介质的激光器和放大器中，现有的激光器结构采用的激光晶体大部分不是各向同性的。由于激光增益介质的各项异性，在泵浦激光泵浦情况下，其光轴方向和非光轴方向的热焦距往往不一致。光轴方向和非光轴方向的热焦距不一致会导致原有的激光器的稳区变窄，同时引入像散。

为了抑制激光放大器过程中的热效应，目前采用的方法有两种：

第一种是采用低温冷却，通过搭建低温室，并进行真空处理，放置液氮对激光晶体进行低温冷却。该方法可以有效抑制热透镜效应，但液氮冷却的经济花费较大且工艺非常复杂。

第二种是进行腔型设计，设计激光器的腔型，使得激光器的稳区可以容忍热焦距不一致。但该方法并不能根本解决由于热焦距不一致引入的像散，且会导致激光器的稳定性降低。因此，对于高功率激光器和激光放大器热效应抑制亟需有更为简单而有效的补偿方法。

技术实现要素：

本发明目的在于克服上述现有抑制高功率激光器热效应的局限性，提供一种高功率激光器热透镜效应的补偿方法，该方法可以有效抑制高功率激光器热透镜效应，该方法不仅操作简单、科学有效，而且实用性强。

本发明的技术解决方案如下：

一种高功率激光热透镜效应的补偿方法，原激光器结构包括泵浦激光器，在泵浦激光器的输出方向是分束镜，该分束镜将输入激光分为各50％的反射光和透射光，在所述的透射光方向依次是第一双色镜、第一激光晶体、第二激光晶体、第二双色镜、激光器输出镜，在所述的反射光方向依次是第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第二双色镜、第二激光晶体、第一激光晶体、激光器腔镜，第一激光晶体与第二激光晶体按出厂标识的晶轴方向同方向放置，激光器腔镜、第一双色镜、第二双色镜、激光器输出镜构成激光谐振腔。该方法包括下列步骤：

旋转第二激光晶体，使第二激光晶体的厂家标识的晶轴方向与第一激光晶体的厂家标识的晶轴方向互相垂直，在第一激光晶体和第二激光晶体的中间增加一块二分之一玻片，开启激光器电源，通过ccd在激光器输出镜的一端测量输出的激光光束，同时微调所述的第二激光晶体的晶轴方向，当ccd测量激光器输出的光束为圆时，完成微调。

所述的第一激光晶体、第二激光晶体除放置方向保持两块激光晶体的光轴正交外，其他参数完全相同。

输入所述的第一激光晶体和第二激光晶体的激光的偏振态分别平行于所述的第一激光晶体和第二激光晶体的光轴方向。

本发明的原理是：

高光束质量，高功率的激光输出对后续应用至关重要。激光晶体的各向异性导致了正交方向上热焦距的不一致，从而带来了激光光束的像散，影响了后续的激光聚焦强度。此外，激光晶体正交方向上热焦距的不一致也会导致激光稳区范围的变窄，降低激光器的长期工作稳定性。本发明采用两块光轴方向正交放置的激光晶体，通过改变入射到两块晶体的激光偏振态，补偿激光晶体在光轴方向和非光轴方向的热透镜差异，从根本上避免了单轴晶体中两个正交方向热焦距不一致性。

与先前技术相比，本发明具有以下显著的特点：

1.本发明使第二激光晶体的晶轴方向与第一激光晶体的晶轴方向互相垂直，在第一激光晶体和第二激光晶体的中间增加一块二分之一玻片，不需借助低温或真空设备，十分简单、有效地补偿了高功率激光热透镜效应；

2.本发明利用两块正交放置的激光晶体，从根本上避免了像散，降低了激光器腔型设计的难度；

3.本发明拓宽了激光器的稳区范围，大大提高了其长期稳定性。

4、实验表明，本发明激光器输出的光斑为圆形，原结构激光器(见图1)输出的光斑为椭圆光斑，本发明方法能很好地抑制高功率激光热透镜效应，即高功率激光热透镜效应得到了补偿。

附图说明

图1为现有高功率激光器结构示意图

图2是两块正交放置的激光晶体和二分之一波片的放置简图。

图3是本发明高功率激光器的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3，图1为现有高功率激光器结构示意图，图2是两块正交放置的激光晶体和二分之一波片的放置简图，图3是本发明高功率激光器的结构示意图。由图可见，本发明高功率激光热透镜效应的补偿方法，原激光器的结构(参见图1)包括泵浦激光器8，在该泵浦激光器8的输出方向是分束镜2，该分束镜2将输入激光分为各50％的反射光和透射光，在所述的透射光方向依次是第一双色镜4、第一激光晶体1、第二激光晶体3、第二双色镜5、激光器输出镜7，在所述的反射光方向依次是第一全反镜9、第二全反镜10、第三全反镜11、第二双色镜5、第二激光晶体3、第一激光晶体1、激光器腔镜6，第一激光晶体1与第二激光晶体3按出厂标识的晶轴方向同方向放置，所述的激光器腔镜6、第一双色镜4、第二双色镜5和激光器输出镜7构成激光谐振腔，该方法是：

旋转第二激光晶体3，使第二激光晶体3的厂家标识的晶轴方向与第一激光晶体1的厂家标识的晶轴方向互相垂直，在第一激光晶体1和第二激光晶体3的中间增加一块二分之一玻片12，开启激光器电源，通过ccd在所述的激光器输出镜7的一端测量输出的激光光束，同时微调所述的第二激光晶体3的晶轴方向，当ccd测量激光器输出的光束为圆时，完成微调。

所述的第一激光晶体1、第二激光晶体3除放置方向保持两块激光晶体的光轴正交外，其他参数完全相同。

输入所述的第一激光晶体1和第二激光晶体3的激光的偏振态分别平行于所述的第一激光晶体1和第二激光晶体3的光轴方向。

实验表明，本发明激光器输出的光斑为圆形，原结构激光器(见图1)输出的光斑为椭圆光斑，本发明方法能很好地抑制高功率激光热透镜效应，即高功率激光热透镜效应得到了补偿。

技术特征：

技术总结
一种高功率激光热透镜效应的补偿方法，采用使第二激光晶体的晶轴方向与第一激光晶体的晶轴方向互相垂直，在第一激光晶体和第二激光晶体的中间增加一块二分之一玻片，通过改变入射到两块晶体的激光偏振态，补偿激光晶体在光轴方向和非光轴方向的热透镜差异，从而避免了单轴晶体中由于两个正交方向热焦距不一致引入的像散，同时，该方法可以改善由于两个正交方向热焦距不一致带来的稳区变窄的现象，从而实现高稳定、高光束质量、高平均功率的激光输出。本发明具有调节方便、简单高效，实用性强的特点。

技术研发人员：粱晓燕;林华
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：2018.07.19
技术公布日：2018.12.11