[发明专利]一种基于板条增益介质的激光再生放大器

说明书

技术领域

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

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10⁵～10⁷，可将种子激光脉冲能量提 升到毫焦量级。

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。

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1a、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。

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1.1kW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。

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

(一)要解决的技术问题

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。

(二)技术方案

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：

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；