一种基于板条增益介质的激光再生放大器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及全固态激光脉冲放大技术领域，更具体涉及一种基于板条增益介质的激光再生放大器。
【背景技术】
[0002]通过锁模技术可以获得脉冲宽度在飞秒至百皮秒量级的激光脉冲，但是其单脉冲能量往往在纳焦量级，限制了其在某些领域的应用。为了获得更高的单脉冲能量和激光峰值功率，往往需要对锁模振荡器输出的种子激光进行放大。通常采用的激光放大器有行波放大器、再生放大器。行波放大器是种子激光以单通或多通方式通过激光增益介质，其增益大小相对有限；而再生放大器中种子激光脉冲可以在再生谐振腔内往返数十次，增益系数达15?107，可将种子激光脉冲能量提升到毫焦量级。
[0003]目前常用的再生放大激光器有半导体端面泵浦棒状增益介质结构、半导体侧面泵浦棒状增益介质结构、盘片增益介质结构等，这些再生放大器的共同点是:注入的种子激光光斑形状是圆光斑，再生谐振腔是一个稳腔，其本身有一激光本征模，即如果把再生谐振腔作为一个激光谐振腔，输出激光时其腔内各处有确定的光斑大小，通过模式匹配透镜组将种子激光的光斑模式与再生谐振腔的本征模式匹配起来，这样就能实现注入再生谐振腔内被放大的激光脉冲往返数十次大小保持不变。然而，传统的棒状增益介质再生放大器在高功率下热效应非常严重，热焦距很小，很难实现高平均功率输出，且严重的热畸变影响激光光束质量；另一方面，相对较小的光斑模式使光学器件上的峰值功率密度较容易达到损伤阈值，这些都限制了高功率高光束质量再生放大激光输出。以5kHz掺钕离子皮秒再生放大激光器为例，目前文献报道的最高平均输出功率8.8W，采用传统棒状增益介质方案继续提升平均功率存在很大的困难。
[0004]部分泵浦板条增益介质行波放大激光器的概念最早由夫琅禾费实验室研究人员提出，如图la、图1b所示，这种激光器的特点是:采用板条结构的增益介质，其厚度方向大小远小于宽度和长度，两个端面抛光，用以同时通过泵浦光和激光，泵浦光通过光束整形变成宽度(X方向)与板条结构的增益介质宽度相当，厚度(y方向)小于板条结构的增益介质厚度的光斑形状，以层状分布在板条增益介质中间；上下两个大面焊接在金属热沉上对晶体进行有效的制冷，这样增益介质中散热几乎只存在与大面与热沉之间，因此热梯度只存在在厚度方向上(y方向)而沿平行大面方向上的热梯度很小，增益介质中热分布可以用一维热传导近似；通过混合共振腔获得高效率的近衍射极限高功率输出，即振荡器采用两个柱面腔镜，沿厚度很小的垂直平面方向是稳腔，而沿大平面的水平方向是由凹凸镜构成的失调共焦非稳腔。不同于之字形光路Zigag板条激光器，这种混合共振腔中激光光束直接来回穿过板条增益介质的两个通光面，降低成本的同时也减少了寄生振荡。
[0005]后来，研究人员将这种概念用于激光行波放大器，实现高的提取效率并获得高输出功率；同时由于两个大面同时制冷的这种有效制冷方式，板条增益介质中的热退偏差效应得到了改善，放大后的激光具有很好的光束质量。使用这种技术，夫琅禾费研究所的研究人员常温水冷方式下实现了高效率高光束质量400W的近衍射极限掺镱钇铝石榴石Yb = YAG飞秒激光输出。进一步改善实验装置，获得了高效率高光束质量1.1kff的近衍射极限飞秒放大输出。上海光机所的林华等人使用掺钕钒酸钇Nd = YVO4板条结构晶体也获得了高功率高光束质量行波放大激光输出。
[0006]部分泵浦板条增益介质由于其高效率高光束质量已经成功地运用在激光谐振器和激光行波放大器，如果将其运用到激光再生放大器中，将有望获得高功率高光束质量再生放大激光输出。由于板条增益介质内两个方向热焦距具有巨大差异，因此不能采用目前现有的再生放大激光器自再现的光束匹配方法，必须提出一种新的光束匹配方法，实现板条增益介质激光再生放大器的光束匹配，实现再生放大激光脉冲输出。
【发明内容】
[0007](一)要解决的技术问题
[0008]本发明要解决的技术问题是如何克服目前棒状增益介质激光再生放大器输出功率的限制及高功率下光束质量恶化的问题。
[0009]( 二)技术方案
[0010]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于板条增益介质的激光再生放大器，包括:
[0011]种子光源以及光束耦合模块，所述光束耦合模块将所述种子光源发射的激光脉冲进行整形处理；
[0012]泵浦模块，用于产生泵浦光，为再生谐振腔内的激光脉冲提供能量；
[0013]再生谐振腔，用于将射入的激光脉冲进行多次振荡反射，以增加激光脉冲的能量，得到目的激光脉冲；
[0014]光隔离模块，将由所述光束耦合模块整形后的激光射入所述再生谐振腔，并且将由再生谐振腔射出的所述目的激光脉冲与由所述光束耦合模块整形后的激光脉冲进行分离；
[0015]所述再生谐振腔包括板条增益介质，所述板条增益介质位于所述再生谐振腔内的两个反射镜之间。
[0016]优选地，所述再生谐振腔内部还包括两块透镜或两块凹面反射镜；
[0017]两块所述透镜或两块所述凹面反射镜之间的位置关系为能在板条增益介质宽度方向上组成一个望远镜系统，用于实现再生谐振腔内激光整形，达到激光脉冲宽度方向大小在多次往返板条增益介质时保持不变的目的。
[0018]优选地，所述板条增益介质的厚度与其宽度的比为1:10?1:5 ;其中所述板条增益介质的长度方向上的两个端面进行抛光处理，用以同时通过泵浦光和激光，所述板条增益介质的长度和宽度形成的上下两个面连接冷却装置。
[0019]优选地，所述再生谐振腔还包括第二偏振器、调Q模块、四分之一波片、第一腔镜、第四腔镜；所述第一腔镜到第四腔镜之间的光路上依次设置四分之一波片、调Q模块、第二偏振器、板条增益介质；
[0020]所述光隔离模块射入的激光经所述第二偏振器反射或透射后，经过四分之一波片，然后由所述第一腔镜反射，并在所述第一腔镜、第四腔镜及之间的光路上进行多次反射；所述调Q模块在激光第二次经过所述四分之一波片之后、并且激光第三次经过所述四分之一波片之前由关闭状态改变为开启状态；
[0021]所述第一腔镜、第四腔镜均为对激光高反射率并且对泵浦光高透过率的平面镜；
[0022]所述第二偏振器对激光P偏振光高透过率，对激光s偏振光高反射率；
[0023]所述四分之一波片的光轴与水平方向呈45°角，使从一个方向的入射的线偏振激光的偏振态变为圆偏振光，或圆偏振光变为线偏振光；
[0024]所述调Q模块在开启状态为一四分之一波片，控制所述调Q模块开启状态的持续时间控制激光在再生谐振腔内往返通过所述板条增益介质提取能量的次数，待再生谐振腔内激光能量达到设定值时，将所述调Q模块由开启状态改为关闭状态，释放出激光脉冲。
[0025]优选地，所述调Q模块为偏硼酸钡晶体的普克尔盒，所述第二偏振器为薄膜偏振片。
[0026]优选地，所述泵浦模块包括泵浦源和泵浦光整形器，经过所述泵浦光整形器整形后的泵浦光射入所述再生谐振腔的板条增益介质。
[0027]优选地，所述泵浦光整形器将所述泵浦源发射的泵浦光整形为横截面长条形光斑，所述长条形光斑的宽度等于或小于所述板条增益介质的宽度，所述长条形光斑的厚度小于所述板条增益介质的厚度，所述长条形光斑的泵浦光以层状形式分布在所述板条增益介质中。
[0028]优选地，所述光束耦合模块将入射种子激光整形成为横截面长条形光斑；
[0029]所述长条形光斑的尺寸与经过所述泵浦光整形器整形得到的长条形光斑的尺寸相等。
[0030]优选地，所述光隔离模块包括第一偏振器、旋光器和半波片；所述光束耦合模块的输出光路上依次设置第一偏振器、旋光器和半波片；
[0031 ] 所述第一偏振器对激光P偏振光高透过率,对激光s偏振光高反射率；
[0032]所述旋光器内部晶体的口径大于或等于所述板条增益介质的宽度，其使所述第一偏振器射出的偏振光的偏振态旋转45° ,并且与入射光方向无关；
[0033]所述半波片的快轴或慢轴与入射激光的偏振态呈22.5°夹角，使入射激光的偏振态以与快轴或慢轴轴对称方向旋转45°。
[0034]优选地，所述板条增益介质为掺杂钕离子Nd的晶体、玻璃、陶瓷，掺杂镱离子Yb的晶体、玻璃、陶瓷，掺杂铒离子er的晶体、玻璃、陶瓷，掺杂铥离子Tm的晶体、玻璃、陶瓷；所述泵浦光整形器为透镜组或光波导；所述泵浦源为半导体激光器、半导体激光器阵列或者光纤耦合输出半导体激光器；所