[实用新型]一种环形光斑薄片放大器

说明书

技术领域

本实用新型涉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

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。

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棒状、板条状或光纤。

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，并且在前表面泵浦、后表面冷却时可以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，这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。这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，这种谐振腔非常敏感，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以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。在校正腔内波前畸变过程中，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以及非稳腔内激光的往返振荡传输，非共轭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，实现共轭像差校正，这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这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泵浦和冷却，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，即温度值的波前畸变，这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。

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泵浦的优势，薄片都应工作于强泵浦状态。这种状态下，因为薄片增益介质具有较大的横纵比，在强泵浦条件下容易产生显著的自发辐射放大(ASE)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以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以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：