一种LD泵浦激光放大器及激光放大方法

摘要

本发明涉及激光放大、补偿技术领域，具体公开一种LD泵浦激光放大器及激光放大方法。本发明的LD泵浦激光放大器，包括沿激光传递方向依次排列的第一激光模块、第一退偏补偿转子、第一像传递透镜、第二像传递透镜、第二退偏补偿转子和第二激光模块；第一激光模块和第二激光模块具有相同直径、长度和掺杂浓度的工作物质；第一激光模块和第二激光模块具有相同的泵浦方式；第一退偏补偿转子和第二退偏补偿转子均为45度的石英转子；第一像传递透镜和第二像传递透镜具有相互重合的焦点。本发明还提供了一种激光放大方法。本发明提供的LD泵浦激光放大器及激光放大方法，退偏补偿精确，并能够实现对环境温度大范围变化的适应。

说明书

技术领域

本发明涉及激光放大、补偿技术领域，特别涉及一种LD泵浦激光放大器及激光放大方法。

背景技术

激光放大器是指利用光的受激辐射原理，进行注入激光能量(功率)放大的器件。通过采用激光放大器，可以在获得高的激光能量或功率时而又保持好的光束质量(包括脉宽、线宽、偏振特性等)。因此激光放大器是高能量(功率)激光器的核心部件。

在现有专利中，针对激光放大器的专利很多。例如实用新型专利CN201120237854.3，阐述了一种激光放大设备和具有该设备的激光系统。其中，所述激光放大设备包括多个激光放大器组，每个激光放大器组包括一个或多个激光放大器，不同组的激光放大器交叉排列，还包括与所有激光放大器相连的控制芯片，该控制芯片控制所述各组放大器在不同时间段工作。发明专利CN201110136440.6涉及一种提高灯泵激光放大器工作频率的装置，通过旋转反射镜与固定反射镜的配合使激光依次进入多个灯泵激光放大器来提高工作频率。该装置简化了机械装置，其整体装置所占空间小成本低。

LD泵浦激光(半导体激光)是传统灯泵浦激光开发出来的一种激光器，相比传统的灯泵浦激光而言，其光学模式更好，结构更小巧，有替代传统灯泵浦激光的趋势，但还是作为一种普通激光器在工业领域运用，价格便宜，作为一般的打标是有着广泛的运用范围。鉴于LD泵浦高峰值功率、高稳定性、高光束质量调Q和锁模激光器具有体积小、重量轻、结构牢固、寿命长等诸多优点,在工业、通讯、军事、医疗等各领域有普遍应用。

采用LD(LaserDiode)泵浦时，通常采用匹配吸收峰中心波长的泵浦光进行泵浦，但是该方式中，忽略泵浦光的光谱-能量分布特性。例如针对典型的808.6nm吸收峰,选用中心波长在此尖峰附近的波长进行泵浦即可，如图1中间阴影区域。由于LD存在3℃水温对应1nm中心波长的漂移特性，而Nd:YAG等晶体材料的吸收峰宽度通常小于1nm，当温度大幅变化时，中心波长就会偏离吸收峰，这会使得激光器的泵浦能量在晶体中的分布、储能发生变化，导致激光放大器工作不稳定。

发明内容

本发明旨在克服现有技术中，退偏补偿不精确、不能适应大温差变动的技术问题，提供一种退偏补偿精确、能够实现对环境温度大范围变化适应的LD泵浦激光放大器及激光放大方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种LD泵浦激光放大器，包括沿激光传递方向依次排列的第一激光模块、第一退偏补偿转子、第一像传递透镜、第二像传递透镜、第二退偏补偿转子和第二激光模块；所述第一激光模块和第二激光模块具有相同直径、长度和掺杂浓度的工作物质；所述第一激光模块和第二激光模块具有相同的泵浦方式；所述第一退偏补偿转子和第二退偏补偿转子均为45度的石英转子；第一像传递透镜和第二像传递透镜具有相互重合的焦点，所述焦点位于第一像传递透镜和第二像传递透镜之间的中间位置，所述第一激光模块与第二激光模块关于所述焦点中心对称，所述第一退偏补偿转子与第二退偏补偿转子关于所述焦点中心对称，所述第一像传递透镜和第二像传递透镜关于所述焦点中心对称。

一些实施例中，所述第一激光模块和第二激光模块均为侧面泵浦模块。

优选地，所述侧面泵浦模块为由若干个半导体叠阵线阵列圆周分布围绕晶体泵浦。

一些实施例中，所述第一像传递透镜和第二像传递透镜为一块凸透镜或由多个透镜组成的透镜组。

一些实施例中，所述第一像传递透镜和第二像传递透镜为球面透镜。

一些实施例中，所述第一激光模块和第二激光模块的掺杂离子种类相同。

一些实施例中，所述第一激光模块和第二激光模块的泵浦结构和泵浦功率相同。

一些实施例中，所述第一激光模块和第二激光模块的泵浦脉冲宽度、重复频率相同。

另一方面，本发明提供一种基于上述LD泵浦激光放大器的激光放大方法，对激光进行测试、计算，得到预设泵浦光能量密度分布曲线；控制第一激光模块和第二激光模块的输出功率，使第一激光模块与第二激光模块的输出功率比等于所述预设泵浦光能量密度分布曲线中两个尖峰的强度比；激光依次经第一激光模块、第一退偏补偿转子、第一像传递透镜、第二像传递透镜、第二退偏补偿转子和第二激光模块后输出。

一些实施例中，对第一激光模块和第二激光模块同时加载电流，并同时开启或关闭。

一些实施例中，控制第一激光模块和第二激光模块的冷却水温，使得第一激光模块的中心工作波长和第二激光模块的中心工作波长与所述预设泵浦光能量密度分布曲线中两个尖峰的波长一致。

一些实施例中，控制第一激光模块和第二激光模块的加载电流强度，进而实现对第一激光模块和第二激光模块的输出功率的控制。

本发明的有益效果在于：第一激光模块和第二激光模块组成的模块对，能够输出特定的输出功率，最终实现预定的泵浦光能量密度分布曲线，由此实现平顶的有效吸收系数分布。而平顶分布的有效吸收系数将使得在波长发生漂移时，泵浦能量密度的分布保持稳定，进而实现大温差范围的适应。另外，通过第一退偏补偿转子和第二退偏补偿转子构成的偏转系统，使得第一像传递透镜和第二像传递透镜的光程差、像差对称分布，弥补了现有退偏补偿方案中，采用一块90度石英转子进行补偿，两侧光程不一致，补偿不精确的问题，能够更精确的实现像传递，可以更好的补偿退偏效应。

附图说明

图1是Nd:YAG的吸收光谱，以及LD光谱的典型覆盖区域示意图。

图2是实验测试得到的LD能量-光谱分布曲线图。

图3是针对LD能量-光谱分布计算得到的有效吸收光谱示意图；包括Nd:YAG吸收光谱和有效吸收光谱。

图4是将实现的平顶有效吸收光谱以及预设泵浦光能量密度分布曲线示意图；包括预设泵浦光能量密度分布曲线、Nd:YAG吸收光谱、有效吸收光谱。

图5是LD泵浦激光放大器组成示意图。

图6是LD泵浦激光放大器的像传递原理图。

图7是经本发明LD泵浦激光放大器放大后的激光输出光谱及补偿叠加效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图5和图6所示，本发明提供了一种LD泵浦激光放大器，包括沿激光传递方向依次排列的第一激光模块1、第一退偏补偿转子3、第一像传递透镜5、第二像传递透镜6、第二退偏补偿转子4和第二激光模块2。图5中，激光的传递方向是从左至右；当然，若激光传递方向从右至左也是可行的，只要将各部件的附图标记互换一下即可。图5只是用来说明本发明LD泵浦激光放大器的组成，只是本发明的一个实施例和一种附图标记方式，并不构成对本发明权利要求的限制。

同时，上述“依次排列”只是表示第一激光模块1、第一退偏补偿转子3、第一像传递透镜5、第二像传递透镜6、第二退偏补偿转子4和第二激光模块2依次接收激光的顺序，以此激光的传递顺序来表征第一激光模块1、第一退偏补偿转子3、第一像传递透镜5、第二像传递透镜6、第二退偏补偿转子4和第二激光模块2的前后位置排列关系。这里并不构成对第一激光模块1、第一退偏补偿转子3、第一像传递透镜5、第二像传递透镜6、第二退偏补偿转子4和第二激光模块2具体空间位置的限定，也不构成对各部件的具体位置、安装方式的限定，具体安装空间位置、安装方式能实现激光的上述传递顺序即可。例如，将第一激光模块1、第一退偏补偿转子3、第一像传递透镜5、第二像传递透镜6、第二退偏补偿转子4和第二激光模块2的中心位置与激光的光线射入方向设定在一条水平线上，这样激光即可依次经第一激光模块1、第一退偏补偿转子3、第一像传递透镜5、第二像传递透镜6、第二退偏补偿转子4和第二激光模块2传递。

本发明提供的LD泵浦激光放大器中，第一激光模块1和第二激光模块2具有相同直径、长度和掺杂浓度的工作物质。上述工作物质为用于LD泵浦激光放大器中的工作物质，具有以下三个特点：①尖锐的荧光谱线；②能与LD发光谱线相对应的强吸收带；③针对所需要的荧光跃迁的相当高的量子效率。目前常用的工作物质有Nd：YAG(掺钕钇铝石榴石)、Nd：YLF(掺钕离子的氟化钇锂)以及Nd：Glass(钕玻璃)；上述工作物质以晶体(棒)的形式存在于LD泵浦激光放大器中。一般而言，LD泵浦激光放大器中的工作物质中，均有掺杂。在本发明中，第一激光模块1和第二激光模块2中的工作物质中，掺杂浓度相同；并且，工作物质均以晶体棒的形式存在于第一激光模块1和第二激光模块2中，以晶体棒的形式存在的工作物质，其直径、长度(晶体棒的直径和长度)也相同。

在上述工作物质中，Nd：YAG晶体是最早发明的固体激光介质之一，是将三价的Nd”掺入钇铝石榴石中，替代Y3+离子获得的，属于立方晶系，在光学上各向同性，是目前最常用的一种固体激光材料，也是目前最成熟的固体激光材料。Nd：YAG晶体的参量特别有利于激光作用的产生：第一，激活离子Nd3+的吸收峰值与GaAs二极管辐射标准光谱重合，非常适于用LD泵浦；第二，在Nd：YAG中，三价的钕替换了三价的钇，因而不需要补偿电荷，它的立方结构也有利于得到窄的荧光谱线，导致了高增益、低阈值；第三，YAG基质很硬、机械强度高、导热性好且具有良好的光学质量。除了具有优越的光谱和激光特性，还具有很好的物理、化学特性。因此，在下文的具体实施例中，会进一步选择Nd：YAG晶体棒来做具体的实验和验证，在此不再过多赘述。

本发明中，第一激光模块1和第二激光模块2具有相同的泵浦方式，比如用于中小功率的端面泵浦方式或者用于大功率的侧面泵浦方式。端面泵浦装置简单泵浦光束与谐振腔模匹配良好，工作物质对泵浦光吸收十分充分；因而阀值功率低，斜效率高。侧面泵浦指泵浦光从侧面泵浦晶体棒，即光从侧面照射入晶体棒。通常为了获得大功率的激光输出，一般会采用侧面泵浦。

进一步，本发明中，第一退偏补偿转子3和第二退偏补偿转子4均为45度的石英转子。通过两个石英转子的补偿，可以实现入射偏振光的偏振态旋转。通过两块45度的石英转子构成偏转系统，使得第一像传递透镜5和第二像传递透镜6的光程差、像差对称分布，弥补了现有退偏补偿方案中，采用一块90度石英转子进行补偿时，两侧光程不一致，补偿不精确的问题。因此本发明能够更精确的实现像传递，更好的补偿退偏效应。

本发明中，如图5和图6所示，第一像传递透镜5和第二像传递透镜6具有相互重合的焦点，该焦点位于第一像传递透镜5和第二像传递透镜6之间的中间位置，第一激光模块1和第二激光模块2关于该焦点中心对称，第一退偏补偿转子3和第二退偏补偿转子4关于所述焦点中心对称，第一像传递透镜5和第二像传递透镜6关于该焦点中心对称。如图5所示，中间阴影部分交叉的位置为上述焦点，该焦点为第一像传递透镜5和第二像传递透镜6共同的焦点，第一激光模块1、第一退偏补偿转子3和第一像传递透镜5位于该焦点的左侧，第二激光模块2、第二退偏补偿转子4和第二像传递透镜6位于焦点的右侧。从附图5中可以看出，相同的模块均关于上述焦点左右对称(以附图5的平面为参考)，实际也就是中心对称；当然，实际上考虑到各部件的立体机构，则上述中心对称就好理解了。

具体的，如图6所示的本发明LD泵浦激光放大器的像传递原理图，F11和F12为第一像传递透镜5的焦点，F21和F22为第二像传递透镜6的焦点，其中焦点F12和F22在一个点上，即位于第一像传递透镜5和第二像传递透镜6之间的中间位置的焦点为第一像传递透镜5和第二像传递透镜6相互重合的焦点，也就是F12和F22的重合焦点。另外，图6中，F1和F2代表本发明中的第一像传递透镜和第二像传递透镜。

本发明提供的LD泵浦激光放大器，可以通过控制第一激光模块1和第二激光模块2的功率输出，使其符合预设泵浦光能量密度分布曲线，由此实现平顶的有效吸收系数分布。进而使得在系统波长发生漂移时，泵浦能量密度的分布能保持稳定，实现大范围温差的适应。

本发明的一个实施例中，为了得到大功率的激光输出，第一激光模块1和第二激光模块2采用的是侧面泵浦模块。

更进一步，本发明的一个实施例中，侧面泵浦模块为由若干个半导体叠阵线阵列圆周分布围绕晶体泵浦。通常，为了得到大功率的激光输出，一般采用半导体列阵左泵浦光源，由于列阵的发光面较大，激光在工作物质中通过侧面全反射传输，使其通过增益介质的有效长度大于工作物质的外形长度，从而获得大功率输出。

在本发明的一些实施例中，第一像传递透镜5和第二像传递透镜6可以是一块凸透镜或由多个透镜组成的透镜组；比如可以由2至4个透镜组成一个透镜组。在本发明中，第一像传递透镜5和第二像传递透镜6，实现了傅立叶像传递功能，能够将第一激光模块1的能量分布特征无衍射的成像到第二激光模块2中，并由此形成退偏补偿。

进一步，第一像传递透镜5和第二像传递透镜6可以是球面透镜，也可以是非球面透镜，优选球面透镜。

本发明的一个实施例中，第一激光模块1和第二激光模块2的掺杂离子种类相同。根据上述，一般情况下，掺杂的离子为钕离子。

本发明的一个实施例中，第一激光模块1和第二激光模块2的泵浦结构和泵浦功率相同。由此可以实现相近的储能、增益放大能力。

本发明的另一个实施例中，第一激光模块1和第二激光模块2的泵浦脉冲宽度、重复频率相同。再加上同时加载电流、同时开启关闭的步骤，实现对整个系统的控制。

另外，本发明还提供了一种基于上述LD泵浦激光放大器的激光放大方法，首先对激光进行测试、计算，得到预设泵浦光能量密度分布曲线；再控制第一激光模块1和第二激光模块2的输出功率，使得第一激光模块1和第二激光模块2的输出功率比等于预设泵浦光能量密度分布曲线中两个尖峰的强度比。设定完成后，开启第一激光模块1和第二激光模块2，激光依次经第一激光模块1、第一退偏补偿转子3、第一像传递透镜5、第二像传递透镜6、第二退偏补偿转子4以及第二激光模块2后输出。

预设泵浦光能量密度分布曲线的获得：提供工作物质的吸收光谱与LD光谱的典型覆盖区域示意图；通过实验测试得到LD能量-光谱分布曲线图；将LD光谱-能量分布特性结合工作物质的吸收光谱特性，计算得到有效吸收光谱；而后对有效吸收光谱进行优化，得到平顶分布有效吸收光谱和预设泵浦光能量密度分布曲线。具体如附图1、2、3和4所示，针对图2的LD能量-光谱分布曲线，结合图1的工作物质(Nd：YAG)的吸收光谱，可以计算得到图3所示的有效吸收光谱。有效吸收光谱能够反应工作物质的泵浦能量吸收情况，通过优化该有效吸收光谱为平顶分布，进而得到图4所示的平顶有效吸收光谱和预设泵浦光能量密度分布曲线。

本发明的第一激光模块1和第二激光模块2组成模块对，能够分别单独输出特定的泵浦中心波长，实现特定功率输出比例，使两者输出功率的比例与预设泵浦光能量密度分布曲线中两个尖峰的强度比相同。最终实现预设泵浦光能量密度分布曲线经计算得到的泵浦光能量密度分布，再根据上述计算结果，形成平顶的有效吸收系数分布。

上述第一激光模块1和第二激光模块2同时加载电流，并同时关闭或开启。

上述方法中，可以通过控制第一激光模块1和第二激光模块2的冷却水温，使得第一激光模块1的中心工作波长和第二激光模块2的中心工作波长与预设泵浦光能量密度分布曲线中两个尖峰的波长一致。本发明中，通过精确控制上述冷却水温，实现中心波长的偏离，保证其与预设泵浦光能量密度分布曲线中两个尖峰的波长一致。也就是说，保证其与优化后的LD泵浦能量分布中特定的泵浦中心波长相匹配。

本发明的一个实施例中，通过控制第一激光模块1和第二激光模块2的加载电流强度，进而实现对第一激光模块1和第二激光模块2的输出功率的控制。即输出功率的调节是通过对加载电流的控制实现的，从而实现了第一激光模块1和第二激光模块2的输出功率比值与预设泵浦光能量密度分布曲线中两个尖峰的强度比相一致。

实施例1

制作一个如图5所示的本发明提供的LD泵浦激光放大器，本实施例中，工作物质为Nd：YAG。并且，通过测试得到如图1所示的Nd：YAG的吸收光谱，并通过实验测试得到如图2所示的LD能量-光谱分布曲线；将图1的Nd：YAG的吸收光谱与图2的LD能量-光谱分布曲线结合，计算得到图3所示的有效吸收光谱；对该有效吸收光谱进行优化，使其变为平顶分布，得到图4所示的平顶有效吸收光谱和预设泵浦能量密度分布曲线。

本实施例中，被放大的激光由一个纳秒脉冲激光器产生，脉冲宽度为15ns，脉冲重复频率为100Hz，单脉冲能量为100mJ。第一激光模块1和第二激光模块2的Nd：YAG晶体棒直径为8mm、长度为100mm，工作物质即Nd：YAG的掺杂浓度为0.5％。其中，第一激光模块1和第二激光模块2为侧面泵浦模块，分别由5个半导体叠阵线阵列圆周分布围绕晶体泵浦，每个模块中的半导体叠阵线阵列平均功率为150W。第一退偏补偿转子3和第二退偏补偿转子4为厚度为5mm、直径为30mm的石英片，组成了退偏补偿转子对，第一退偏转子3和第二退偏转子4均为45度，通过第一退偏转子3和第二退偏转子4的补偿，可以实现入射偏振光的偏振态旋转。第一像传递透镜5和第二像传递透镜6均由2片平凸透镜组成，2片平凸透镜的焦距分别为150mm和200mm，2片平凸透镜的间距为50mm。

本实施例的系统组成中，第一激光模块1的中心到第一退偏补偿转子3的距离为200mm，第一退偏补偿转子3到第一像传递透镜5的距离为200mm；第一像传递透镜5和第二像传递透镜6之间的间距为363mm，平行入射的激光恰好汇聚在第一像传递透镜5和第二像传递透镜6的正中间，即第一像传递透镜5和第二像传递透镜6中间位置的相互重合的焦点。相对于该焦点，中心对称的摆放有第二像传递透镜6、第二退偏补偿转子4和第二激光模块2。

工作时，对第一激光模块1加载200A的电流，实现140W的功率输出；第二激光模块2加载175A的电流，实现118W的功率输出。第一激光模块1和第二激光模块2的输出功率比恰好等于图4中预设泵浦光能量密度分布曲线中两个尖峰的强度比。并且，通过控制第一激光模块1的冷却水温为22℃，第二激光模块2的冷却水温为26℃，结合所选择的激光二极管特性，使得第一激光模块1的中心工作波长为805.5nm，第二激光模块2的中心工作波长为809.3nm。与图4中的预设泵浦光能量密度分布曲线中两个尖峰的波长一致。这样就使得图4中经过计算得到的预设泵浦光能量密度分布得以实现。

激光经LD泵浦激光放大器放大后，其输出的激光光谱即补偿叠加效果如图7所示。当激光经过第一激光模块1和第二激光模块2后，就相当于通过了图4中预设泵浦光能量密度分布曲线，即通过具有平顶分布的有效吸收系数进行放大。当温度漂移变化时，在LD中心波长从806nm至811nm对应的5nm范围内，不会有明显影响，相当于能够对15℃的环境温度变化做出精确适应。图7中的7表示经过补偿后形成的激光光谱分布，8代表的是叠加效果图。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。