外部扩散放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明在用于主振功率放大器（MOPA)配置的进一步放大的外部扩散放大器的领 域。
【背景技术】
[0002] 化ng等人的美国专利No. 7, 720, 121在其摘要中提及："高功率二极管累浦固态 值PS巧脉冲激光器优选用于诸如微加工、集成电路的通孔钻孔和紫外线0JV)转换的应用。 Nd:YV〇4(饥酸盐）激光器是用于高功率应用的很好的候选，因为其具有在累浦波长的宽带 宽上的高能量吸收系数的特征。然而，饥酸盐具有较差的热机械性质，因为该材料坚硬，在 受到热应力时容易破裂。通过优化激光参数并选择累浦波长并且渗杂一定浓度的增益介质 W控制吸收系数小于2cm1 (例如，介于约910nm到约920nm之间的累浦波长），渗杂的饥酸 盐激光器可被增强W在不使晶体材料破裂的情况下生成IOOW那么多的输出功率，同时使 得热透镜化降低40%。"
[0003]Butterworth的美国专利No. 7, 203, 214A公开了 "激光器包括：激光谐振器，该激 光谐振器包括长度至少为5mm的Nd:YV04的增益元件，所述增益元件被端面累浦，并且其 中，累浦光的波长被选择为不同于增益元件的峰吸收波长并且落在约814纳米到825纳米 之间，W便减小增益元件的热应力和断裂，使得累浦源可被操作W向增益介质传送大于22 瓦的功率。"
[0004] 题为叩owerScalingofDiode-化mpedNd:YVO化asers，，a邸EJOURNALOF QUANTUMELECTRONICS,第 38 卷，第 9 册，2002 年 9 月，XiaoyuanPeng、LeiXu和Anand Asundi)的出版物整体W引用方式并入本文。该文章包括关于Nd渗杂浓度的信息，并且还 包括关于就其处理累浦功率水平的能力而言，增益介质的横截面积的大小的信息。
[0005] 有时利用扩散接合（difTusionbonded)技术来制作板材和棒材。饥酸盐的主要 用途是将无渗杂端盖接合到高增益渗杂截面W减小热透镜效应并增大损伤阔值。参见WWW. ulticiystal.comW及 1999 年 8 月 10 日授予Meissner等人的美国专利No. 5, 936, 984。饥 酸盐仅可生长多达至约30mm的长度。大多数用作用于端面累浦增益组件振荡器或放大器 的单独的部件。运从根本上要求累浦源与传播光束之间的模式匹配。
[0006] 1999年8月10日授予Meissner等人的美国专利No. 5, 936, 984提及："通常激光 器，尤其是固态激光器的常见问题是激光介质中的溫度升高。该效应的原因在于仅一部分 施加的累浦能量被转换成可用激光福射，而其余能量的至少一部分被转变成诸如无福射跃 迁W及通过基质晶格的吸收的竞争机制。为了对抗由累浦福射生成的热效应，通常必需冷 却激光介质。
[0007] 冷却固态激光器的整个激光介质存在困难的问题。首先，冷却夹具应该允许尽可 能多的激光介质被冷却。通常，某一部分的激光介质必需处于冷却夹具之外W便在夹具与 介质之间创建无泄漏接头。其次，冷却夹具应该不妨碍累浦福射向激光介质的传送。最后， 即使激光介质的整个长度被冷却，未冷却端面上的光学涂层没有被冷却，因此由于溫度影 响而遭受降解，此效应由于高功率密度的入射累浦福射而加剧。
[0008] 由于不均匀冷却导致的上述一些效应在端面累浦激光系统中进一步加重。在运种 类型的激光器中，优选使用透镜导管来将来自累浦源的福射匀化、聚焦并聚集到激光棒中。 激光棒的与激光导管禪合的末端未被冷却。不幸的是，假定高强度累浦福射穿过激光棒的 端面并且假设激光棒整个用激光发射（lasing)离子渗杂，则激光棒的末端在激光发射期 间可经历溫度的显著升高。运种溫度的升高由于加速了光学涂层中的降解、增加了准=能 级激光器中的基态再吸收损失并且最终由于热致应力破裂而导致激光器的灾难性故障而 对激光器的性能带来负面影响。"
[0009] 短增益介质棒上的无渗杂端盖可通过从渗杂部分的端面去除一些热并使之进入 无渗杂端盖中来降低热效应。运降低了增益介质的溫度，并且还减小了增益介质的热破裂 的趋势。
[0010] 皮秒激光器设计通常利用具有各种放大器策略的端面累浦技术来开发所需的增 益特性。模式匹配的问题是对涂层和本体棒材的潜在热损坏，特别是当你增加平均功率和 脉冲能量时。关注区域永远是发生最大增益和脉冲能量的最后阶段。中继光束的典型要求 是直径<0. 5mm的光斑大小。运导致潜在的表面涂层和本体材料损坏。显然，通过增益区域 的模式匹配光束的直径可增大，但是运是W性能为代价的。
[0011] 通常，激光器损坏由材料或涂层中的点缺陷、夹杂物、差的表面处理或者只是缺乏 清洁度组成。涂层或本体材料的其它损坏是由于超过激光器中的涂层或本体材料的热损坏 阔值而引起的。
[0012] 已利用各种技术开发了高功率超快技术（皮秒技术）。通常，通过多级来放大低功 率的超快种子。例如，光纤和固态技术的组合被用于包括腔倒空和再生放大器的方法。市 售可用产品通常限于200yJ的脉冲能量，其W200曲Z的典型重复频率生成40W的平均最 大功率。
[0013] 通常，多级皮秒功率放大器的出口是薄弱环节。端面累浦放大器通过该区域来模 式匹配至最大效率。问题是对各种光学器件的表面上的涂层的潜在损坏，所述光学器件对 直径在0.3mm至0.6mm直径范围内的光斑错乱（dement)进行中继。另外，该问题还损坏本 体器件。
【发明内容】
[0014] 公开了一种主振功率放大器（MOPA)激光器。
[0015] 该放大器是具有种子激光形式的输入信号的光放大器，其生成具有更高光功率的 输出信号。所述放大发生在增益介质中，从外部源向该增益介质提供能量。从外部能量源 对增益介质进行"累浦"或"激励"。通常，外部能量源是光。累浦源可W是光学累浦源或者 其它合适的能量源。累浦源可W是二极管累浦的光源。
[0016] 种子激光器可包括振荡器、一段光纤（或自由空间腔）、一个或两个反射镜、有和/ 或没有反射涂层的Q开关W及光学器件。种子激光器优选在1064nm(1064纳米）的波长下 操作，但是具体地也可想到其它波长。Q开关可W是电光调制器或者声光调制器。两种类 型的Q开关均由电子驱动器来控制和驱动。对于给出相当高的脉冲能量的具有高重复频率 的锁模激光器，需要脉冲选择器W降低重复。如果使用电光脉冲选择器，则可采用普克尔盒 (Pockelscell)和偏振光学器件。普克尔盒操纵偏振态，然后偏振器根据其偏振来发射或 阻挡脉冲。
[0017] 如果使用声光脉冲选择器，则将短RF脉冲应用于声光调制器，声光调制器使期望 的脉冲在略微修改的方向上偏转W便于使用，而其它未偏转的脉冲被阻挡。声光调制器 (AOM)可用于利用电驱动信号来控制激光束的功率、频率或空间方向。AOM基于声光效应， 其通过施加声波的振荡机械压力来修改晶体的折射率。因为折射率被修改，期望的脉冲的 方向改变，然后偏转的脉冲可用。
[0018] 光纤的长度可变化，W改变有效腔尺寸。诸如锁模激光器的种子激光器生成脉冲 输出，脉冲输出具有脉冲宽度为大约5-30皮秒的脉冲，重复频率介于10曲Z到IOOMHz之 间。具体地可W想到使用其它脉冲宽度。具体地讲，可W想到可如本文所公开生成一定范 围的脉冲宽度，即，可创建介于15毫秒到15毫微微秒之间的脉冲宽度使其具有如本文所公 开的期望特性。对于长的脉冲宽度（例如，15毫秒的脉冲宽度），有必要适当降低重复频率 并且运是可实现的。重复频率可小于10化多至lOOMHz。种子激光器包括第一偏振，该第 一偏振随后被转换为与Nd:YV〇4增益介质的偏振匹配的偏振。种子激光器的脉冲输出的脉 冲被Nd:YV04增益介质（其由光学累浦源来光学累浦）放大。使用高反射的反射镜来控制 种子激光器的脉冲输出的脉冲通过横截面为大体矩形形状的Nd:YV〇4增益介质的次数（行 程）。Nd:YV〇4增益介质可W是正方形横截面，或者可W是圆形横截面，或者可W是某些其 它横截面形状。增益介质的第一端是按照模角0 1取向的平坦模面。
[0019]Nd:YV〇4增益介质包括第一端和第二端。增益介质的长度可在5-30mm的范围内， 并且横截面可介于Imm2到36mm2之间。5-30mm晶体足够长W利用足够且容许那么高的Nd 渗杂浓度在808nm下吸收99%的40W累浦功率。对于热去除而言，越长的晶体越优选。另 选地，可使用具有矩形W外的横截面配置的Nd:YV〇4增益介质。例如，可使用横截面为圆形 的Nd:YV04增益介质。直径较小并且长度较长的具有低吸收系数的圆形Nd:YVO4增益介质 很好地消散热，并且保护晶体免于破裂。可使用棒形的Nd:YV04增益介质。
[0020] 各段的Nd浓度不限于靠近光学累浦源浓度最低从低到高来布置。各段的长度决 定吸收长度，其针对增益来协调Nd浓度。
[0021] 可使用其它累浦波长，例如，累浦中屯、波长可在808皿、820皿、880皿、888皿或 915皿(+/-IOnm)处。累浦源可W是端面累浦源或者一个或更多个侧面累浦源。如果使用不 止一个侧面累浦源，则侧面累浦源可具有不同的功率输出水平。不同的功率输出水平可根 据需要应用于分段的增益介质的各段，使得各段根据需要进行Nd渗杂。累浦源可W是二极 管累浦光源或者其它合适的光源。如本文所公开的，可W想到使用光学累浦源W外的累浦 源。
[0022] 放大器的Nd:YV〇4增益介质包括第二偏振。用于使种子激光器的第一偏振与放大 器的Nd:YV〇4增益介质的第二偏振匹配的偏振转换装置位于种子激光器的输出透镜与放大 器的Nd:YV04增益介质的第一端的输入模面之间。
[0023] 放大器的Nd:YV04增益介质的第二端包括第二端面，该第二端面靠近在808nm下 操作的二极管累浦光源。更具体地讲，40瓦二极管累浦光源（端面累浦源）在808nm下操 作并且靠近Nd:YV04增益介质的第二端。可W想到介于30-60瓦之间的其它二极管累浦瓦 数。
[0024] Nd:YV〇4增益介质的第一端包括用防反射涂层涂敷的模面。种子激光器的脉冲输 出的脉冲沿着第一外部路径W入射角0 2进入Nd:YV〇4增益介质的模面上的防反射涂层。 入射角0 2相对于与Nd:YV〇4增益介质的模面垂直的线来测量。将注意到，模面是平坦表 面，并且它W模角0 1形成。模角0 1相对于穿过模面的一点切割的垂直面来测量。还将 注意到，输入种子激光相对于与增益介质的中屯、线平行的线W角度06进入模面。06 = 0 2-0 1。模角0 1被设计为介于3-10。之间，并且优选在5-7°的范围内。种子激光的入 射角0 2小于或等于15°。角度0 2也是四程示例（将在下面进一步描述）中的脉冲的第 四行程的折射角。5-7°的模角0 1得到大约0.78°的优选反射角0 3。
[00巧]折射角0 2'是在第一行程上进入模面的种子激光所进行的折射的角度。折射角 0 2'相对于与模面垂直的线来测量。
[0026] 种子激光在Nd:YV〇4增益介质W内反射角0 3被反射。内反射角0 3相对于 Nd:YV04增益介质的中屯、线来定义。如前所述，优选折射角0 3大约为0.78。。期望使种 子激光在增益介质内的反射角0 3最小化，使得种子激光器的脉冲相对于穿过增益介质的 轴线的中屯、线保持相对居中，W在激光穿过增益介质时有效地将尽可能多的能量传送给激 光。来自种子激光器的脉冲的能量随着脉冲穿过增益介质而增加。另外，优选反射角0 3 =0. 78°必须足够大W确保输入到增益介质的模面中的种子激光与从增益介质输出的种 子激光的分离。
[0027] 对于长度为大约20mm的增益介质，内反射角0 3 = 0. 78°得到相对于增益介质 的轴线的大约0. 27mm的偏移。另外，如果增益介质的长度为大约10mm，则内反射角0 3 = 0. 78°得到相对于增益介质的轴线的大约0. 135mm的偏移。
[0028] 当朝着Nd:YV〇4增益介质的第二端面传播时，种子激光在第一行程上沿着第一内 部路径在Nd:YV〇4增益介质内穿过NchYVO4增益介质W角度0 2'被折射。靠近累浦源的 Nd:YV〇4增益介质的第二端面包括对1064nm波长的种子激光高度反射的第二涂层，该第二 涂层对来自808nm波长的端面累浦源的光高度透明。
[0029] 种子激光W内反射角0 3被Nd:YV〇4增益介质的第二表面上的高反射第二涂层反 射，并且使得1064皿波长激光脉冲在第二行程上在Nd:YV04增益介质内穿过Nd:YVO4增益 介质朝着Nd:YV〇4增益介质的模面传播。种子激光的路径W入射角04接近模面。激光脉 冲沿着第二外部路径W折射角05从Nd:YV〇4增益介质的模面出射。衍射角05和入射角 04相对于与所述Nd:YV〇4增益介质的第一端垂直的线来测量。
[0030] 本文公开了脉冲宽度为10皮秒（±5皮秒）、重复频率介于10曲Z和IOOMHz之间 的脉冲激光。100曲ZW上的IOOmJ的脉冲能量生成lOJ/s或者IOWW上的平均功率。输出 功率还是输入种子激光平均功率的函数，输入种子激光平均功率可在mWW下（例如，小于 一瓦）和多瓦之间的范围内。通过高输入种子激光平均功率，可生成远超IOW的平均输出 功率。
[0031] 另一示例包括分段增益介质，其中，增益介质的各段包括不同的Nd渗杂物浓度。 增益介质的段可根据需要关于渗杂浓度来布置。例如，具有最低Nd浓度的段可与累浦光源 相邻。接下来，具有次低Nd浓度的段可与具有最低Nd浓度的段相邻。最后，具有最高Nd 浓度的第S段可位于一行的末尾。各段可按照Nd浓度的任何顺序来布置。一个或更多个 段的Nd浓度可为零。
[0032] 种子激光脉冲多次穿过端面累浦增益介质实现了非常高的增益。公开并要求保护 利用一个或更多个光学累浦源对增益介质进行侧面累浦。增益介质包括=个扩散接合段， 运些段具有不同的长度和渗杂物浓度，导致不同的增益和分布。另选地，代替扩散接合，可 利用段之间的防反射涂层来将段固定在一起。按照因子3缩放渗杂百分比得到a=0.15， 其中a是吸收系数。吸收效率为：
[0033] n = (l-eUL)。
[0034] 因此，在没有Nd:YV〇4晶体的任何进一步知识的情况下，看起来将利用更长的晶体 和/或通过增加吸收系数来实现效率的增大。然而，吸收系数a没有（单独）指示存在 热透镜化效应W及对系数a和施加的功率的物理限制。随着施加到Nd:YV〇4晶体的功率 增加，Nd渗杂浓度减小，于是晶体的横截面（无论矩形、圆形还是其它形状的横截面）减 小。渗杂浓度越低允许使用越高的累浦功率。题为"Power Scaling of Diode-Pum ped Nd:YV〇4Lasers" (I邸E JOURNAL OF QUANTUM化ECTRONICS，第38卷，第9册，2002年9月， Xiao yuan Peng、Lei Xu和Anand Asundi)的出版物整体W引用方式并入本文。该文章包 括关于Nd渗杂浓度的信息，并且还包括关于就其处理功率水平的能力而言，横截面积的信 息。
[00对每段的Pabs由下式给出：
[0036] P油S =Pinput(l_e nL)
[0037] 可用于/传递给后续段的功率由下式给出。
[0038]Pi吨Ut=F*pump-(XP油S)
[0039] 应用运种通过分段吸收累浦功率来缩放累浦功率的系统允许使用更高的累浦功 率W及对Nd:YV04晶体的更高的能量传送。对Nd:YVO4晶体的能量传送越高导致种子激光 在增益介质内传播时的增益越高。
[0040] 使用渗杂浓度逐渐增加的段防止了段的破裂。如果期望使用高功率光学端面累 浦，则段横截面积减小并且Nd渗杂物浓度减小。缩小横截面积并降低Nd渗杂物浓度使得 能够使用高功率累浦，继而使得大能量/功率能够被传送给Nd: YV04晶体，继而允许能量被 传送给种子激光器的脉冲输出的脉冲。如果施加到各段的功率被计算出并保持在其横截面 积和渗杂物浓度的可接受极限内，则可防止晶体的破裂。
[0041] 各段还可被当作具有特定增益的放大器的一级。通过多级放大来提供倍增的增 益，因此可预期各段的增益的优化设计W从给定累浦功率实现最高提取效率。
[0042] 外部扩散放大器进一步放大主振功率放大器（MOPA)配置。主功率放大器（MOPA) 包括种子激光器W及增加种子激光器的功率输出W进行有用的工作的放大器。外部扩散放 大器给先前放大的脉冲的皮秒脉冲增加附加能量（放大能量和功率）。
[0043]在外部扩散放大器中，连续增益介质被扩散接合在一起成圆柱形棒，并且利用光 学侧面累浦生成激光。使已经放大的光束的直径与外部扩散放大器的棒直径匹配或近似匹 配。例如，代替在端面累浦策略中使用模式匹配的0. 5mm光束，将光束大小增大至棒的横截 面积。例如，棒的直径可在2-4mm的范围内（具有Jimm2-AJTmm2的横截面积）。外部扩散 放大器的棒中的功率密度极其低，从而允许在不危及外部扩散放大器的任何涂层或任何本 体材料的情况下利用短脉冲激光生成高功率和能量。
[0044] 本发明公开了在外部扩散放大之前低至100曲Z的重复频率和20W (200 y J脉冲） 的激光器的操作。公开了在宽范围的重复频率下的激光器的操作。换言之，皮秒激光器在 较低功率下操作，并且被端面累浦的内部放大器的四程放大器的增益介质在较低功率水平 下没有热应力，因此保护了增益介质W及激光放大器的其它光学组件上的涂层。由外部扩 散放大器提供的保护保护了从种子激光器开始的所有上游组件。
[0045] 通过对光束进