一种三透镜高功率激光像传递装置的制作方法

本实用新型涉及高功率激光技术领域，尤其涉及一种三透镜高功率激光像传递装置。

背景技术：

在过去三十年中，高功率激光技术获得空前的进展，激光脉冲宽度越来越短，激光脉冲峰值功率越来越强，应用领域越来越广。高功率固体激光器在激光通讯、激光加工、激光医疗、照明监控、国防安全、飞秒激光技术等领域有着广泛的应用。目前，使用高功率固体激光器作为泵浦源的基于啁啾脉冲放大技术的飞秒激光系统已可产生10pw峰值功率、几十fs（飞秒）脉冲宽度的超短超强的激光脉冲，而随着这种超短超强飞秒激光工业化技术的不断成熟，其在上述诸多领域又会产生更加广泛、优化的应用。

在啁啾脉冲放大技术产生超短超强飞秒激光的激光放大装置中，高功率固体激光器产生的高功率激光作为泵浦光经过增益介质将其激发，其后种子光经过增益介质吸收能量得到功率放大。在超强激光放大装置中，一个重要的前提是满足泵浦光传播至增益介质处时的强度保持均匀分布，这样可以使得种子光在增益介质中得到较为均匀的放大。目前市场上的泵浦光激光器可以满足泵浦光光斑在激光器出口较近的一段距离保持均匀分布，但是由于热透镜的球差效应的存在，导致随着传播距离的增长，泵浦光光斑的衍化过程会导致其强度分布发生变化，无法维持均匀分布，而泵浦光的不均匀分布会导致种子光放大后光斑分布的峰值功率过强，甚至产生强度热斑，这会对之后的导光元件（尤其是压缩器中的脉冲压缩元件）产生不可逆的损伤。因此，如何保证泵浦激光在增益介质处的均匀分布是超短超强飞秒激光放大过程中的一项关键技术。

目前，维持泵浦激光在增益介质处均匀分布的措施有：(1)尽量将泵浦光激光器靠近增益介质放置，使泵浦激光在开始产生明显的衍化过程之前传播至增益介质处，从而维持泵浦激光在增益介质处的均匀分布。(2)使用两个透镜在泵浦激光传播至增益介质的光路上前后放置，利用透镜成像原理形成一个像传递系统，使泵浦激光激光器出口的光斑成像在增益介质处，从而维持泵浦激光在增益介质处的均匀分布。

在第(1)种措施中，由于超强激光放大装置的复杂性与实际架设的空间分布等问题，对于激光放大强度并不是太强的放大装置而言，将泵浦光激光器靠近增益介质放置可以实现泵浦激光在增益介质处的均匀分布。但是，对目前超强激光放大至百tw甚至pw量级的放大装置而言，该方法在实际实施过程中很难实现，且即使是一段较短的传播距离也会产生一定程度的强度分布的衍化。

在第(2)种措施中，两个透镜会在像传递系统中产生焦点，对于高功率泵浦激光而言，这种焦点会电离空气，导致泵浦激光的光斑分布变差且稳定性降低，故双透镜的像传递系统需要搭配真空系统进行架设，这增加了整个系统的复杂性与不稳定性。

技术实现要素：

针对目前市场上的泵浦光激光器产生的泵浦激光难以维持在远场放置的增益介质处的均匀分布，以及现有的基于双透镜的像传递系统较为复杂且不稳定的问题，本实用新型提供一种三透镜高功率激光像传递装置。

本实用新型提供一种三透镜高功率激光像传递装置，该装置包括：第一平凸透镜、平凹透镜和第二平凸透镜；其中，

所述第一平凸透镜的平面与所述平凹透镜的平面相对、凸面与高功率激光器的激光输出侧相对；所述第二平凸透镜的凸面与所述平凹透镜的凹面相对、平面与增益介质相对；

所述第一平凸透镜、平凹透镜和第二平凸透镜的光轴同轴且所述光轴与所述高功率激光器输出的激光光路重合。

进一步地，所述第一平凸透镜、平凹透镜和第二平凸透镜分别固定设置在三个等高的透镜架上。

进一步地，所述第一平凸透镜、平凹透镜和第二平凸透镜采用n-bk7材料、caf2材料或熔融石英材料制成的透镜。

进一步地，所述高功率激光器的激光光斑尺寸的取值范围是几毫米到几十厘米；激光脉冲能量的取值范围是几毫焦到几十焦；激光强度分布的取值范围是几毫焦每平方公分到十几焦每平方公分；激光传播至增益介质处的总长度的取值范围是几十厘米到几米。

进一步地，所述第一平凸透镜、平凹透镜和第二平凸透镜中相邻两个透镜之间的间距的取值范围是十几毫米到几米。

进一步地，所述第一平凸透镜、平凹透镜和第二平凸透镜的焦距的取值范围均是几厘米到几米；所述第一平凸透镜、平凹透镜和第二平凸透镜的口径的取值范围是几毫米到几十厘米。

进一步地，所述第一平凸透镜与所述高功率激光器之间的间距的取值范围是几厘米到几十厘米；所述第二平凸透镜与所述增益介质之间的间距的取值范围是几十厘米到几米。

进一步地，所述第一平凸透镜、平凹透镜和第二平凸透镜的厚度的取值范围是几毫米到几十毫米。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供的一种三透镜高功率激光像传递装置，通过在从高功率激光器到增益介质这个方向的激光光路上依次设置平凸透镜、平凹透镜和平凸透镜这三面透镜，避免高功率激光在传播过程中产生焦点，从而避免了因产生焦点而造成激光电离空气情况的发生，因此本实用新型提供的三透镜高功率激光像传递装置可以提升高功率激光成像的稳定性与均匀性。且相较于搭配真空系统使用的双透镜像传递系统而言，本实用新型提供的三透镜高功率激光像传递装置可以架设在空气中（因为不会产生焦点而引起空气电离），省去了真空系统的设计与架设，大大降低了系统的复杂性，提升了系统的整体稳定性，同时也保证了高功率激光成像的均匀性。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种三透镜高功率激光像传递装置的结构示意图；

附图标记：1为第一平凸透镜；2为平凹透镜；3为第二平凸透镜；4为高功率激光器；5为增益介质。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，该三透镜高功率激光像传递装置包括：第一平凸透镜1、平凹透镜2和第二平凸透镜3；其中，所述第一平凸透镜1的平面与所述平凹透镜2的平面相对、凸面与高功率激光器4的激光输出侧相对；所述第二平凸透镜3的凸面与所述平凹透镜2的凹面相对、平面与增益介质5相对；所述第一平凸透镜1、平凹透镜2和第二平凸透镜3的光轴同轴且所述光轴与所述高功率激光器4输出的激光光路重合。

具体地，高功率激光器4输出的激光经第一平凸透镜1折射后汇聚至平凹透镜2上，汇聚后的激光光束经平凹透镜2折射后发散至第二平凸透镜2上，发散后的激光光束最后经第二平凸透镜2汇聚至增益介质5处。

由上述激光的光路过程可知，通过在从高功率激光器4到增益介质5这个方向的激光光路上依次设置平凸透镜、平凹透镜和平凸透镜这三面透镜，避免高功率激光在传播过程中产生焦点，从而避免了因产生焦点而造成激光电离空气情况的发生，因此本实用新型提供的三透镜高功率激光像传递装置可以提升高功率激光成像的稳定性与均匀性。且相较于搭配真空系统使用的双透镜像传递系统而言，本实用新型提供的三透镜高功率激光像传递装置可以架设在空气中（因为不会产生焦点而引起空气电离），省去了真空系统的设计与架设，大大降低了系统的复杂性，提升了系统的整体稳定性，同时也保证了高功率激光成像的均匀性。

在上述实施例的基础上，第一平凸透镜1、平凹透镜2和第二平凸透镜3这三个透镜的焦距、厚度、口径、透镜间距、第一平凸透镜1与高功率激光器4的激光出口间距以及第二平凸透镜3与增益介质5间距等参数可根据高功率激光器4输出的初始激光参数和在增益介质5处的目标激光参数决定。其中，高功率激光器4输出的初始激光参数包括：高功率激光器4的激光光斑尺寸、激光脉冲能量、激光脉冲宽度、激光脉冲重复频率、激光强度分布和激光传播至增益介质5处的总长度等参数；在增益介质5处的目标激光参数包括：在增益介质5处的目标激光光斑尺寸、激光强度分布等参数。

具体地，所述第一平凸透镜1、平凹透镜2和第二平凸透镜3分别固定设置在三个等高的透镜架上。

所述第一平凸透镜1、平凹透镜2和第二平凸透镜3均采用光学玻璃n-bk7材料制成的透镜，且透镜双面镀有532纳米增透膜，透射率quote99.5%。

所述高功率激光器4的激光光斑尺寸的取值范围是几毫米到几十厘米；激光脉冲能量的取值范围是几毫焦到几十焦；激光强度分布的取值范围是几毫焦每平方公分到十几焦每平方公分；激光传播至增益介质5处的总长度的取值范围是几十厘米到几米。在所述增益介质5处的目标激光光斑尺寸的取值范围是几毫米到几十厘米。在本实施例中，所述高功率激光器4的激光光斑尺寸为直径15毫米、激光脉冲能量为1.6焦耳、激光脉冲宽度为8纳秒、激光脉冲重复频率为10赫兹、激光强度分布为0.91焦耳每平方公分的平顶分布、激光传播至增益介质5处的总长度为1.5米，以及在所述增益介质5处的目标激光光斑尺寸为直径10毫米和目标激光强度分布为2焦耳每平方公分的平顶分布。

所述第一平凸透镜1、平凹透镜2和第二平凸透镜3中相邻两个透镜之间的间距的取值范围是十几毫米到几米。在本实施例中，将所述第一平凸透镜1与所述平凹透镜2之间的间距称为第一透镜间距，将所述平凹透镜2和第二平凸透镜3之间的间距称为第二透镜间距，所述第一透镜间距为20.1毫米、所述第二透镜间距为812.6毫米。

所述第一平凸透镜1、平凹透镜2和第二平凸透镜3的焦距的取值范围均是几厘米到几米。所述第一平凸透镜1、平凹透镜2和第二平凸透镜3的口径的取值范围是几毫米到几十厘米。在本实施中，所述第一平凸透镜1的焦距为150毫米、平凹透镜2的焦距为负100毫米和第二平凸透镜3的焦距为500毫米。

所述第一平凸透镜1与所述高功率激光器4之间的间距的取值范围是几厘米到几十厘米；所述第二平凸透镜3与所述增益介质5之间的间距的取值范围是几十厘米到几米。在本实施中，所述第一平凸透镜1与所述高功率激光器4之间的间距为96毫米、所述第二平凸透镜3与所述增益介质5之间的间距为558.3毫米。

所述第一平凸透镜1、平凹透镜2和第二平凸透镜3的厚度的取值范围是几毫米到几十毫米。所有透镜的厚度都是依据透镜的焦距与口径所确定，在本实施例中，所述第一平凸透镜1的厚度为4毫米、平凹透镜2的厚度为2.6毫米和第二平凸透镜3的厚度为6.4毫米。所述第一平凸透镜1的口径为25.4毫米、平凹透镜2的口径为25.4毫米和第二平凸透镜3的口径为50.8毫米。

需要说明的是，本实用新型提供的像传递装置在应用于飞秒激光产生的啁啾脉冲放大装置中时，增益介质5主要为掺钛蓝宝石，其他增益介质也适用；在应用于飞秒激光产生之外的其他装置中时，增益介质5可替换为其他应用中的目标物质或者目标像面处。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。