一种环形光斑薄片放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及的是固体激光器领域，尤其是一种环形光斑薄片放大器。
【背景技术】
[0002] 激光技术自上世纪六十年代至今高速发展，同时，又与其他高新技术相互渗透，在 材料加工、医疗、军事、测量及科学实验研究等众多领域有越来越广泛的应用。其中MOPA结 构的激光放大器通过采用高光束质量、低功率激光输出激光经过激光放大器一级或多级功 率放大容易实现高光束质量、高功率的激光输出。
[000引 目前，在固体激光领域，国内外已经对放大器进行了广泛而深入的研究和开发。但 是目前该领域采用的放大器增益介质构型主要为椿状、板条状或光纤。
[0004] 薄片型增益介质因其特殊的几何形状具有传统增益介质不可比拟的换热效率，并 且在前表面累浦、后表面冷却时可W获得均匀的径向温度分布，温度梯度方向与激光传输 方向一致从而大幅降低了热透镜效应。目前，该种类型的增益介质主要采用谐振腔结构直 接获得激光输出。该种类型的激光器使用稳定谐振腔结构实现了功率达到数千瓦，光束传 输参数20mm mrad左右的激光输出。要进一步提高光束质量，一种方式是采用腔参数接近临 界的大基模体积稳腔并在腔内插入非球面像差补偿元件抑制高阶模产生，该种谐振腔非常 敏感，且尚无法实现较高输出功率，仅在实验室进行了实验研究，难于推广使用；另一种方 式是采用可W获得便于卡塞格林系统发射的环形光斑输出的非稳腔结构，在非稳腔内进行 多薄片串接并采用复杂的腔内光束质量控制手段实现更高光束质量的高功率激光输出。为 了直接在腔内获得高功率输出，非稳腔内的串接薄片数目较多，薄片静态和动态像差叠加， 会严重影响非稳腔的运行。在校正腔内波前崎变过程中，如果简单的将薄片、像差校正元件 串接，由于光束传输中的衍射效应W及非稳腔内激光的往返振荡传输，非共辆的像差校正 中存在非常复杂的像差演化问题。因此需要在腔内使用成像光学系统将各薄片和波前校正 器相互成像，实现共辆像差校正，该样的谐振腔结构复杂、元件数目多，灵敏度高，调节维护 困难，即便如此，受限于测量方法、像差特征计算方法、校正元件能力等因素该种腔内像差 校正技术尚不成熟。此外，由于非稳腔内光束在两个传输方向上具有不同的光束尺寸，腔内 增益介质上的激光光强不是均匀的，因此即使薄片增益介质被理想的均匀累浦和冷却，也 因为激光光强的差异引起吸收率和生热率的非均匀性，最终导致薄片产生径向温度梯度， 即温度值的波前崎变，该种热光相互影响的效应在激光功率的提升过程中可能导致谐振腔 无法稳定运行。总而言之，薄片激光器虽然相比传统固体激光器实现了更高的输出功率和 光束质量。但要在保证高功率激光输出的前提下，进一步提升光束质量，不论使用稳腔还是 非稳腔都有较高的技术难度。
[0005] 使用薄片增益介质的激光放大器研究较少，主要原因是受限于两个方面，其一：薄 片状增益介质的特征是横向尺寸即增益区尺寸远大于其厚度（直径几毫米至几十毫米）。 当功率较低的种子激光通过光束变换系统使其光束截面尺寸与薄片上增益区尺寸匹配时， 其光强较小。然而不论是为了最终获得高功率激光输出，还是充分利用薄片增益介质可高 功率密度累浦的优势，薄片都应工作于强累浦状态。该种状态下，因为薄片增益介质具有 较大的横纵比，在强累浦条件下容易产生显著的自发福射放大（AS巧效应，较弱的激光无 法抑制ASE效应。同时弱光强种子激光注入虽然可W在弱激光饱和效应下维持较高的增 益系数，但是其功率提取能力较低，无法实现较高提取效率，使薄片增益介质的光光效率较 低。其二：薄片增益介质纵向尺寸即增益长度小（几百微米至几毫米），使用简单的放大链 路，激光单次或往返通过薄片，增益长度非常有限，难于利用较少的薄片获得较高的放大倍 率。为了解决上述问题，或者需要提高种子激光功率，并依次通过径向尺寸从小不断增大的 大量薄片，在维持较高激光光强的前提下，实现较高的增益长度；或者需要采用多通放大链 路，即使被放大激光多次通过同一薄片增益介质，在增大增益长度的同时，使增益介质内各 次激光光强迭加从而实现较高的激光光强W获得较高的激光提取效率。显然，第一种解决 方式因为要求高功率种子激光，且需要不同规格的薄片构成放大链路过于复杂，不具有优 势；而针对第二种解决方式，人们提出两种具体解决方案：
[0006] 1、德国斯图加特大学A. Giesen、T. Graf等人提出了一种基于反射镜阵列的多通 薄片放大器，该种设计采用被多通累浦的孔径为10mm左右的孔:YAG薄片晶体作为增益介 质。一侧W特定的空间位置关系放置着薄片、一片凹面镜及一片凸面镜；另一侧为反射镜阵 列，其有阵列排布的若干个平面反射镜构成，且每个反射镜均有其特定的角度要求。特定曲 率半径的光束通过由凹面镜-薄片-凸面镜-薄片-凹面镜构成了元件序列可W实现自再 现。因此现将种子光束变换为上述可自再现光束，W特定角度注入多次放大链路。光束传 输过程中，在凹面镜和薄片间、在凸面镜和薄片间，光束总是被反射镜阵列上的某个平面镜 反射，该些平面镜控制了每次光束射向薄片的角度。即放大链路中，光束W不同的角度多次 被薄片W及凹面镜、凸面镜反射，实现了多通放大的目的。该种解决方案实现了多通放大， 可对连续激光、脉冲激光高效放大，德国通快公司采用类似的装置实现了超短脉冲的再生 放大。但是为了在动态条件下维持放大过程中各次到达薄片上光斑尺寸的恒定，需要对自 再现元件序列、注入光束提出很高要求，此外，反射镜阵列元件多，结构过于复杂。
[0007] 2、2011年，华中科技大学朱晓、尚建力等人提出一种利用共辆双抛物面多次累浦、 多次放大的Yb:YAG薄片激光放大器方案。其利用共辆双抛物面反射镜的焦点可W彼此 成像特性，在一个焦点放置薄片增益介质，另一个焦点放置倾斜反射镜实现对累浦光、放大 激光传输方向的偏移，从而实现多次累浦和多次放大过程中在抛物面孔径上的光斑位置搬 移。该种实现方案要求同时兼顾累浦光和放大激光多次到达薄片光路过程中的空间位置 和薄片上的光斑尺寸。该需要对抛物面参数、反射镜角度和曲率W及薄片晶体光学参数提 出很高要求，此外，只有具有特定光束远场发散角、特定束腰位置的种子激光注入多次放大 光路才能实现上述多次放大，且该一参数窗口非常狭窄。并且，在多通放大过程中，激光离 轴被抛物面反射，曽差会导致薄片上激光光斑的变形已经最终输出激光光束质量的明显劣 化。因此该一方案实现高光束质量激光放大也是非常困难的。
[000引并且，上述两个实现方案均是针对实屯、光斑放大设计的，如果将便于卡塞格林系 统发射的空屯、光斑注入上述两个多次放大系统，或者因为无法在自再现光学元件序列中高 质量的依次成像；或者因为其被抛物面反射变换后无法在薄片上形成与增益区匹配的光 斑，均无法实现高效的多通放大。 【实用新型内容】
[0009] 本实用新型的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种环形光斑薄片 放大器的技术方案，该方案可W将便于利用非稳腔获得的高光束质量、低功率环形激光光 束多次W不同的光束尺寸通过同一薄片增益介质或薄片增益介质序列的不同孔径区域，实 现高激光功率密度的等光通量激光提取，不但有效的抑制了 ASE并实现较高的光光转换效 率，还可W避免薄片上径向激光不均匀引起的温度梯度和温度致光学崎变。
[0010] 本方案是通过如下技术措施来实现的；一种环形光斑薄片放大器，包括有种子激 光器、光束导入装置、光束尺寸变换器、由