[发明专利]一种提高光束质量的单程通过激光放大器及提高光束质量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体激光技术，具体涉及一种提高单程通过激光放大器光束质量的装置及其方法。

背景技术

激光二极管泵浦的固体激光器具有转换效率高、器件结构紧凑、体积小、可靠性高、结构牢固、输出能量大、峰值功率高等优点，是当前激光技术发展的主要方向。基于以上优点，固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有着广泛的用途。在某些激光应用中，往往要求激光具有很高的功率，但仅靠激光器来获取一般是很困难的。因为要保持激光束的优良特性(如光束发散角、单色性等)，工作物质的口径和长度都不宜太大；再者，激光器内光束往返通过工作物质时，因为输出功率很高，工作物质就有被破坏的可能。

为了获得性能优良的高功率激光输出，应用激光放大技术是一种很好的方法。采用单次通过放大介质的行波放大技术有很多优点。一是由于激光束单次通过放大介质，其在相同的输出功率密度下不易被破坏；二是采用振荡级—放大器系统，可由振荡级决定其光束特性，而由放大器决定其输出功率，因此可以兼顾优良的激光特性和较高的输出功率。为了提高总的输出功率，并使放大级工作在激光破坏阈值之下，现有的激光放大技术一般采用在振荡级—放大器之间加入扩束望远镜系统实现两级间光束直径匹配，如图1所示，将振荡级(包括全反镜1、第一激光增益介质2及输出镜3)发出的光束半径较小的光束，经过扩束望远镜4后再进入放大级(第二激光增益介质5)中进行放大，这样可以得到高的输出功率。

但是在高功率泵浦的情况下，由于放大器中增益介质中存在热效应，增益介质中会产生球差等高阶像差。像差会导致通过增益介质的光束产生畸变，而且随着放大器泵浦功率的提高，热畸变会更加严重，严重恶化了输出激光的光束质量。

近来，我们发现在专利CN 100495836C所述的“一种双棒串接的基模动态稳定非对称激光谐振腔的装置”中，谐振腔两端输出光束的光束质量差别较大。定义从激光晶体到谐振腔腔镜的距离为谐振腔臂长，在基模动态稳定非对称激光谐振腔中，谐振腔的两个臂长差别较大，从臂长较长的一端输出光束的光束质量很好，而从臂长较短的一端输出光束的光束质量较差。将这一原理应用到激光振荡级—放大器系统，可以在保证较大的输出功率的同时，得到很好的光束质量。

发明内容

针对现有激光放大级中通过激光放大器的光束质量较差的不足，本发明提供一种提高光束质量的激光放大器。

一种提高光束质量的激光放大器，包括振荡级和放大级，所述振荡级包括依次设置的全反镜、第一激光增益介质和输出镜，所述全反镜与第一激光增益介质之间的距离为L1，第一激光增益介质与输出镜的距离为L2，且L2＞L1；

所述激光放大器中还设有光路耦合元件，该光路耦合元件与放大级依次布置在输出镜的出射光路中，光路耦合元件与输出镜的距离为L3，且L3∶L2＝0.5～2∶1；

所述光路耦合元件的焦距与放大级的热透镜焦距相等，光路耦合元件和放大级之间的距离为放大级的热透镜焦距的两倍。

本发明将激光谐振腔设置为非对称方式，即第一激光增益介质与输出镜的距离大于全反镜与第一激光增益介质之间的距离，使得从输出镜输出的激光光束质量较好，通过选择具有特定焦距的光路耦合元件并布置在光路中恰当的位置，使激光束先会聚再发散进入放大级，可以使基模有较高的耦合系数，经过放大后的光束质量有明显提高。

为保证输出光束的质量，作为优选，所述的全反镜对激光光束的反射率大于95％，所述的输出镜对激光光束的反射率为1％～98％。

经研究发现，第一激光增益介质与输出镜的距离大于全反镜与第一激光增益介质之间的距离(即L2＞L1)时，输出镜的出射光线具有较好的质量，作为优选，L2为L1的3～5倍。

为将从输出镜输出的激光光束进行先会聚再发散后进入放大级，还需设置光路耦合元件，实现光束从激光振荡级向激光放大级中的耦合。作为优选，所述的光路耦合元件为耦合透镜或具有热透镜效应的激光增益介质，所述的激光增益介质为Nd:YAG晶体、Nd:YVO₄晶体或Yb:YAG晶体。

本发明中光路耦合元件的选择要依据放大级工作点处的热透镜焦距而定，要保证光路耦合元件的焦距与放大级的热透镜焦距相等，同时优选所述光路耦合元件的焦距为10mm-2000mm。且将光路耦合元件布置在与放大级的距离为放大级的热透镜焦距的两倍处，使经输出镜输出的光束在光路耦合元件与放大级之间的中间位置会聚，再发散进入放大级。