通过对放大介质进行同源泵浦来放大激光束的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于通过对穿越放大介质的同源合成源光束进行泵浦来放大激光束的设备及方法。经由具有激光二极管条和光学组件的泵浦模块对板(晶体活动介质)进行侧泵浦。光学组件具有快轴准直器(在快轴上的透镜)和慢轴准直器阵列(在慢轴上的透镜)。使透镜分隔开来，以使由发射器发射的单个源光束在放大介质的第一面上进行成像；单个源光束在第一面处或第一面附近具有光束腰；调整单个源光束的大小以填充第一面；使源光束在第一面上基本重叠；对单个源光束进行引导，以使外围源光束在进入放大介质时进行全内反射。还描述了多个激光二极管条的实施例、光学组件的实施例以及双侧泵浦装置的实施例。
【专利说明】
通过对放大介质进行同源泵浦来放大激光束
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于通过对穿越放大介质的同源合成源光束进行栗浦来放大激光束的设备及方法。
【背景技术】
[0002]具有小于1ps脉冲宽度的激光器为微加工工业领域提供新的加工能力。然而，大量制造的加工速度需要10kHz到1MHz之间的脉冲重复频率，且可调节到具有超过100W平均功率的优化频率。通常，由于最大脉冲能量受非线性效应限制，以及激光晶体的破坏，因此对于大多数激光体系结构，这样的组合条件不可达到。薄片激光振荡器已达到接近150W的功率，该功率在要求的功率范围的下限内，但是，固定脉冲重复频率在3.5MHz和60MHz之间，在要求的范围之上，为了特定的加工，并不能简单地将它们调整到优化频率，同时保持平均功率。
[0003 ]目前，使用主振荡功率放大(ΜΟΡΑ ’ s)来获得所需的高平均功率。在这样的设备中，低功率激光主振荡器产生所需宽度的脉冲，这些所需宽度的脉冲在功率放大器O中耦合。输入脉冲在放大器中激发发射，该发射添加到输入脉冲用于产生更高的输出能量脉冲。由于强度和密度都明显低于具有类似输出的振荡器所达到的，该设备在破坏发生之前能实现更高输出功率和能量。目前，MOPA’s在许多选择激光体系结构中应用。
[0004]在这些设置的每个装置中，一个固态晶体介质形成通常经由一个或多个激光二极管条来进行栗浦的放大器的活性区域。激光二极管条为具有快轴和慢轴的发射器的线性阵列，快轴指的是光束迅速发散的垂直轴(垂直于半导体薄片)，慢轴平行于条的表面。慢轴(X轴)与快轴(y轴)互相垂直并且都正交于栗浦轴(z轴)。如果想要设备在稳定的模式和功率下高效运行，正确地将来自发射器的能量耦合到固态激光介质中是非常重要的，这是任何工业激光系统的先决条件。耦合技术必须确保在沿着垂直于栗浦轴的方向和沿着栗浦轴的方向都进行近乎一致地吸收和加热。在4级激光系统(例如Nd: YAG)中，通过热产生的折射率分布可导致光束控制失真、模式失真以及去极化。虽然通过选择晶体几何结构(例如薄片或平面波导)可减少这些效应中的一些，但是不能将他们完全消除。此外，在准3级系统(例如Yb:YAG)中，如果未对晶体进行统一地栗浦，则室温下的有限激光下能级粒子数可引起不需要的吸收区。
[0005]由DanielKopf申请的欧洲专利1318578描述了针对再生放大器的栗浦系统，其中通过在未聚焦到激光介质的大致一点的情况下对一个或多个阵列的每个发射物进行成像，来从激光二极管阵列源或多个阵列中获得合适的基本光滑的激光二极管栗浦点。由于未聚焦相对低的宽深比，因此二极管光束在增益介质的表面得到密度相对低的点，这阻止了再生放大器设置过程中由更高的密度导致的热损伤和其他问题。
[0006]图1中详细描述了EP1318578的栗浦方案。在激光二极管条A的快轴上，以柱面透镜形式呈现的快轴准直器B(焦距fl在0.2-lmm之间)位于与激光二极管发射器C相距fl的位置。这样可以瞄准在快轴上强烈发散的光。在慢轴上，焦距为f2的柱面透镜D位于与二极管发射器C相距f2的位置。此透镜仅在慢轴上起作用。此透镜用于瞄准在慢轴上的光束并实现了由阵列中的单个发射器发射的光束之间的基本重叠。通过交替地轻微变换柱面透镜的位置，可使光束在慢轴上彼此邻近。重要地，光束在快轴上并未聚焦。
[0007]此栗浦方案的目的在于产生接近圆形的或低宽深比的光束，相比于MOPA’s中采用的薄板或平面波导结构，该光束在具有薄片活性区的再生放大器中使用的增益介质的表面处具有平滑分布。需要光束的低宽深比和分布来防止不需要的孔径作用以及非一致的加热效应。为了产生平滑分布，在慢轴上的柱面透镜不会对光束进行成像而是会产生来自焦距为f 2的透镜的远场分布，该远场分布为近场的傅里叶变换。此装置的缺点在于活性区内的增益有限，因此ΜΟΡΑ’s需要复杂的再生放大器。
[0008]根据公知的比尔定律，已知的是栗浦光束在进入晶体后即被吸收，Icmt= Iinexp(-aZ)，其中Imjt为输入光束密度Iin和穿过以吸收系数Cl为特征的吸收介质的距离Z共同作用所得的光束密度。为了克服此光束栗浦密度中的指数式衰减，已提出双栗浦装置。可在例如来自EdgeWave GmbH(德国)且如图2所示的市售INN0SLAB放大器中找到双栗浦装置。栗浦方案位于轮廓框内。
[0009]图2示出了具有两个平面激光二极管条E，F的双重设计，激光晶体G上的每次入射都沿着与放大的或振荡的种子光束的传播轴共线的栗浦轴的方向穿过反面。在快轴上，利用具有合适的放大倍数的望远镜将光束直接成像在晶体上，以产生高度通常在晶体高度的20%至50%的栗浦带。在慢轴上，将光束聚焦到平面波导H上。然后在通过波导时将多个发射光束进行“混合”，从而输出更同源的或更一致的分布。然后采用合适的放大倍数，可将同源的光束成像至晶体上，从而可对晶体的宽度进行一致地栗浦。
[0010]此方法的主要缺点在于部件复杂以及设备占地较大(通常为500mm乘以500mm)。占地决大部分取决于栗浦同源光学器件和波导的大小和复杂度，而不是晶体或栗浦二极管本身。此外，由于栗浦轴与种子光束的传播轴同线，因此需要附加的光学器件来对彼此相关的栗浦光束和种子光束进行重新引导。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于提供一种用于通过对穿越放大介质的同源合成源光束进行栗浦来放大激光束的设备和方法，其克服了现有技术中的至少某些缺点。
[0012]本发明的至少一个实施例的另一个目的在于提供一种激光放大器，该激光放大器将光学双栗浦激励的单晶体板活性区域包括在比现有技术更简单、更紧凑的装置中。
[0013]根据本发明的第一个方面提供了一种用于放大激光束的设备，包括:
[0014]放大介质，其具有设置有第一面的矩形截面，所述第一面具有长边和短边，其中长边沿X轴，短边沿y轴，Z轴定义为直角坐标系内的栗浦轴；
[0015]以及栗浦模块，所述栗浦模块包括:
[0016]栗浦光束，所述栗浦光束为由发射器发射的源光束的合成，所述发射器排列成具有平行于所述X轴的慢轴和平行于y轴的快轴的线性阵列；
[0017]以及位于所述发射器和所述放大介质的第一面之间的光学组件；
[0018]所述光学组件具有:
[0019]邻近所述发射器并设置为作用于栗浦光束的快轴上的第一透镜、慢轴上的具有设置为作用于单个源光束的各个第二透镜的第二透镜阵列以及与所述第一透镜和所述第二透镜间隔且设置为作用于所述栗浦光束的第三透镜；
[0020]其中，在所述第一面处重叠的单个源光束被成像并被调节大小以沿慢轴上的长边来填充所述第一面，并且所述单个源光束被聚焦到尺寸小于快轴上的短边的长度的光束上；
[0021]从而提供了对所述放大介质的同源栗浦，并且将对沿着正交于所述栗浦光束的方向穿过所述放大介质的激光束进行均匀放大。
[0022]在这种方式下，快轴和慢轴中的光学系统形成由发射器的线性阵列发射的合成栗浦光束，其中所有单个源光束在放大介质的面处重叠，从而在近场高宽深比栗浦光束内产生沿y轴的高斯式增益分布和沿X轴的高帽式分布，以对同源栗浦进行改进。此外，可使光学装置的长度相对的短，以提供紧凑的栗浦方案。
[0023]优选地，第一透镜包括焦距为fly的快轴准直器，并且第三透镜包括焦距为f2的透镜，该组合选择成能够提供第一面上沿快轴的光束尺寸。此光束尺寸比短边的长度要小。快轴准直器可具有短焦距，在准直器的输出端处的光束高度通常要大于在进入面处的理想光束高度。可通过改变发射器与快轴准直器之间的距离来调整在面处的光束高度。更优选地，第三透镜设置成在第一面处或在第一面附近产生每条源光束的高斯光束腰。这可以通过将光束腰的位置选择在与第三透镜相距f2的位置来实现。此外，快轴光束通过第三透镜可提供用于通过在y方向上的小位移来引导栗浦光束的方法。
[0024]优选地，每个第二透镜包括慢轴准直器，每个慢轴准直器的焦距为flx,，以利用慢轴上的第三透镜提供Mx = f2/flx的放大倍数。这样，在第一面位于离开第三透镜的距离等于f2的情况下，所有源光束将在第一面处重叠，从而在第一面处提供了基本同源的光束。优选地，第二透镜与第三透镜之间的距离小于f2+flx之和。这有利地使得当源光束进入放大介质时源光束能具有发散特性。优选地，第三透镜设置为将外围的源光束以一定角度导入放大介质，以在放大介质内产生全内反射。此特征的组合用于确保对整个放大介质进行基本均匀地栗浦。
[0025]优选地，第三透镜为球形的。这样，光学组件可采用标准部件来减降低成本和简化设计。第三透镜可以是等效的非球面透镜或Gradium?透镜。可利用此种透镜来减少可能的相差。
[0026]第一透镜和第二透镜可作为单个光学元件。目前，此种元件是易于获得的，并且使用单个光学元件再次简化了设计和构造。该单个的光学元件和第三透镜有利地提供了紧凑的光学组件。
[0027]优选地，栗浦光束在第一面上的区域的长度基本等于长边的长度，该区域的宽度小于短边长度的50%。更优选地，宽度为短边长度的20%至30%。在这种方式下，放大介质具有带有矩形截面的栗浦薄片，矩形截面在y方向上的尺寸小于放大介质的尺寸。
[0028]优选地，发射器的线性阵列为激光二极管条。更优选地，多个激光二极管条提供了第一面的区域内的一个栗浦光束，其中相对应的多个光学组件具有公共的第三透镜。在这种方式下，可成倍增加栗浦光束的能量。因此，优选地，栗浦模块包括多个各自提供栗浦光束的激光二极管条，每个条包括第一透镜，每个发射器包括第二透镜和具有设置为作用于栗浦光束的一个第三透镜的设备，从而单个源光束在第一面处进行基本重叠，对单个源光束进行成像和大小调整，以填充第一面。
[0029]由于第二透镜与第三透镜之间的距离可足以允许使用镜子来将每个激光二极管条发射的源光束引入第三透镜的光圈，因此该多个激光二极管条是可行的。可采用例如偏光立方体的其他元件。
[0030]优选地，栗浦模块可包括第一激光二极管条和第二激光二极管条，第二激光二极管条包括发射器的线性阵列，发射器的线性阵列设置为与沿着平行于z轴的慢轴方向的第一激光二极管条正交，第二激光二极管条还包括第二光学组件，该第二光学组件包括用于将光束导向公共的第三透镜的镜子的第二光学组件。在这种方式下，提供了双二极管条紧凑栗浦模块。
[0031]可存在第三二极管条，该第三二极管条包括设置为面向沿着平行于z轴的慢轴方向的第二二极管条的发射器的线性阵列，该第三二极管条还包括用于将光束导向公共的第三透镜的镜子的第三光学组件。在这种方式下，提供了三二极管条紧凑栗浦模块。
[0032]优选地，存在另一个激光二极管条，该另一个激光二极管条包括设置为与沿平行于z轴的慢轴的第一二极管条共线的发射器的线性阵列。
[0033]栗浦模块可包括第一激光二极管条和第二激光二极管条，第二激光二极管条包括沿着平行于z轴的慢轴设置的发射器的线性阵列，第二激光二极管条还包括具有用于将光束导向公共的第三透镜的偏光立方体的第二光学组件。在这种方式下，提供了双重二极管条紧凑栗浦模块。
[0034]栗浦模块可包括具有不同波长的第一激光二极管条和第二激光二极管条，第二激光二极管条包括沿着平行于z轴的慢轴设置的发射器的线性阵列，第二激光二极管条还包括具有用于将光束导向公共的第三透镜的分色镜的第二光学组件。在这种方式下，提供了双重二极管条紧凑栗浦模块。
[0035]可在y轴上对多个激光二极管条进行堆叠。还可在z轴上使多个激光二极管条交错设置。
[0036]优选地，激光束的传播轴横越过栗浦轴。在这种方式下，可对放大介质进行侧栗浦，并且不需要作用于栗浦源和激光束的光学器件。
[0037]可存在设置在放大介质的反面的第二栗浦模块，该第二侧提供了与第一面相对且正交于栗浦轴的第二面。在这种方式下，可对放大介质进行同源栗浦。
[0038]有利地，至少一个栗浦光束的传播轴为相对于z轴的离轴。该离轴的设置阻止了干扰光学组件的反向栗浦光束。
[0039]优选地，放大介质为单晶体板。放大介质可以是玻璃。放大介质可以是陶瓷。优选地，放大介质为形成为夹层结构的板，该夹层结构为两个非掺杂介质之间设置有掺杂介质的结构。
[0040]还可存在与第三透镜间隔设置的第四透镜，第四透镜设置为作用于在快轴上的栗浦光束，从而调整光束的尺寸以将其耦合到掺杂区域中。优选地，第四透镜为柱面的。这样，可将栗浦光束耦合至波导中。
[0041]根据本发明的第二个方面，提供了一种通过放大介质对同源合成光束进行栗浦的方法，包括以下步骤:
[0042](a)提供以线性阵列排列的发射器发射的多条源光束；
[0043](b)在所述发射器和所述放大介质的第一面之间设置光学组件，所述光学组件具有在快轴上的邻近所述发射器以作用于栗浦光束的第一透镜、在慢轴上的邻近所述第一透镜的具有设置为作用于单个源光束的各个第二透镜的第二透镜阵列以及与所述第一透镜和所述第二透镜间隔的设置为作用于所述栗浦光束的第三透镜；以及
[0044](C)将透镜间隔开以使所述单个源光束在所述放大介质的第一面上重叠;对所述单个源光束进行成像和大小调整，以沿放大介质在慢轴上的长边来填充所述第一面;将所述单个源光束聚焦到尺寸小于在快轴上的短边的长度的光束上;并且外围的源光束在进入所述放大介质时进行全内反射。
[0045]优选地，发射器的线性阵列来自二极管条。
[0046]优选地，单个源光束在第一面处具有光束腰。通过调整第一透镜相对于第一面的位置来改变光束腰相对于第一面的位置。
【附图说明】
[0047]现在将参照附图、仅通过示例的方式来描述本发明的实施例，其中:
[0048]图1是根据现有技术的二极管栗浦方案的光学装置；
[0049]图2是根据现有技术的用于放大激光束的设备；
[0050]图3是根据本发明实施例的用于对图3(a)中所示的在慢轴上的激光束以及对图3(b)中所示的在快轴上的激光束进行放大的设备的示意图；
[0051]图4是图3的设备在第一面处的光束栗浦分布图，图4(a)未设置光学组件，图4(b)设置有光学组件；
[0052]图5至12是根据本发明实施例的用于对在(a)快轴上所示的激光束以及在(b)慢轴上所示的激光束进行放大的设备的示意图；
[0053]图13是根据本发明实施例的包括两个激发模块的、用于放大激光束的设备的示意图；
[0054]图14是根据本发明另一实施例的现具有倾斜的栗浦几何结构的图13的设备。
[0055]图15是在图14的设备的栗浦条件下横穿放大介质的小信号增益系数一致性的图表。
【具体实施方式】
[0056]首先参考图3，附图表明根据本发明实施例的用于放大激光束的设备，其通常称为激光放大器，由参考标记10来表示，用于对穿过放大介质的激光束12进行放大，放大介质为由根据本发明的实施例的栗浦模块16栗浦的晶体14。图3包括俯视角度的图3(a)和侧视角度的图3(b)这两部分。
[0057]晶体14为形成为单晶体结构的固态介质，可对其进行现有技术中的部分掺杂。晶体14具有带有短边26和长边28的矩形截面。也可将此称为单晶体板。虽然描述的是晶体，但是放大介质也可以是玻璃或陶瓷。此外，可使板形成两个非掺杂介质之间设置有掺杂介质的夹层结构。
[0058]激光束12通常由被认为是主控振荡器的激光源产生。低功率激光主控振荡器产生耦合至激光放大器10的脉冲激光束。每个输入脉冲激励晶体14内部的发射，其与输入脉冲进行叠加以产生更高输出能量的脉冲。在这种方式下，可将激光放大器10认为是功率放大器，并且可将激光束认为是种子光束。
[0059]为了使晶体14作为持续的介质，需要由第二源来进行栗浦。发射器的线性阵列提供了此第二源。在本实施例中，第二源为二极管激光器或者更优选地为激光二极管条18。激光二极管条18为沿X轴布设的、在y轴方向上具有单排高度的且其指向使得每个发射器20都输出在z轴上的源光束22的半导体激光二极管发射器20的线性阵列。发射器20优选为多模激光发射器。为清楚起见，图中仅示出由最外侧的二极管发射器发射的光束。x，y，z轴定义了标准的直角坐标系，各个轴彼此正交。将y轴称为快轴，参见图3(b)。快轴通常为垂直于半导体薄片的纵轴。在快轴上，每个发射器产生快速分散的高斯式模式。在慢轴(如图3(a)中所示的平行于条18的X轴)上，每个发射器20的发射结合起来提供具有慢分散度的类似高帽的模式。因此，源光束22结合起来提供在晶体14的第一面24上成像的合成栗浦光束。
[0060]为了使光束22成像到晶体14上，在发射器20与晶体14的矩形侧或第一面24之间布设光学组件30。在图3的实施例中，在激光二极管条18中具有19个发射器20。光学组件30包括第一透镜34、第二透镜阵列40和第三透镜36。光学组件30可被认为独立位于快轴上和慢轴上。
[0061 ] 现在参考图3(a)，在慢轴上，光学组件30显示出第二透镜阵列40和第三透镜36。第二透镜40是焦距为flx、位于每个发射器20后面距离等于flx的慢轴准直透镜42的阵列。每个单个透镜42通常将作为作用于一个发射源光束22的柱面透镜。
[0062]第三透镜36与第二透镜40间隔距离U。此距离1^并不重要，其可被改变以适应其他设计参数。例如，参见图7，甚至可将1^设置成足以将其他光学部件置于组件内。针对L1的典型距离为25mm。第三透镜36与第一面24之间的距离为栗浦投影距离，将该栗浦投影距离选为第三透镜的焦距f2。透镜36，40提供了Mx，- f2/flx的放大倍数。这使得每个发射器20发射的每条源光束22的成像能横跨第一面24的整个长度。因此，在慢轴上的源光束22可在第一面24上被完全重叠。此技术保证了放大介质的整个长度都暴露在基本同源的慢轴光束下。
[0063]将第二透镜的柱面透镜阵列40的焦距选择为flx，以提供此放大倍数。当包括快轴准直器时，条件还需要将第二透镜40设置在与发射器20相距稍微大于flx的物理距离的位置，以补偿由快轴透镜34引入的慢轴折射。可将第二和第三透镜的光学组件30组合认为是双透镜望远放大镜38。这样的放大镜38可具有相当大的光学倍率(例如x70)，并能适于匹配一系列的面尺寸和几何结构。
[0064]因此，对透镜36，40的焦距进行选择，以对单个源光束22进行适当扩展，从而这些源光束可在慢轴上与晶体14重叠且在慢轴上不会出现未栗浦区。通常，发射器20宽度为150ym且晶体长度为7mm，这需要放大倍数为47，通常会得到fix= 1.8mm以及f2 = 80mm。重要地，在第三透镜36的焦距能确保空间重叠的情况下，可形成发射器的放大成像。因此，可使晶体周围的光束的溢出量降至最小，并且发射器输出物中横跨放大成像的任何空间变化都得到了平均，从而可实现对晶体14的同源栗浦。
[0065]在重叠光束时，通常选择透镜36，40，以使距离1^小于(flx+f2)的和，从而使通过晶体14的源光束22在慢轴上具有发散特性，结合外围源光束以一定角度进入晶体14的全内反射带来的附加效果，该发散特性确保了对整个晶体14进行基本均匀地栗浦。
[0066]该重叠还提供了一些针对单个激光二极管或激光二极管发射器20失败的免疫性。单个发射器的失败会降低栗浦功率，但不会导致沿慢轴的未栗浦区域的出现。这与现有技术正相反，在现有技术中单个激光二极管或激光二极管发射器的失败会导致未栗浦区域的出现。在4级激光晶体中，这会引起不需要的热效应。此外，在准3级激光系统中，未栗浦区域具有吸收性，从而引发设备效率的损失和降低。
[0067]现在参考3(b)来考虑在快轴上的光学组件30。离开发射器20的源光束22具有高发散性。因此，第一透镜34为现有技术中已知的用于减慢发散性的快轴准直器。通常，快轴准直器34的焦距fly在0.6mm和0.9mm之间。快轴准直器34位于与发射器20相距焦距fly的位置，从而每条发射源光束22可直接进入光学组件30的第一透镜34。合成的准直快轴光束通常为高斯光束的较好近似，从而选择焦距fly以提供离开准直器(透镜34)时的理想光束高度2wo。可采用标准的ABCD矩阵来描述光学装置，并且可采用ABCD定律来计算在沿光轴的点处的光束尺寸。由于会存在像差，因此向经过第一透镜34的光束分配适当值M2，其通常为1.3，这是本领域技术人员已知的。
[0068]在快轴上的光学组件还包括第三透镜36。该第三透镜36是球形透镜，其焦距f2和位置也由它们在慢轴上的要求来控制。
[0069]由于本发明的目的在于在晶体14内产生增益薄片，于是将在第一面处的理想光束高度选择为2W1。光束高度2奶通常小于2wq。此外，有利的是，将会在第一面24处或者第一面24附近存在高斯束腰，即第三透镜与光束腰之间的腰节距1^2应当与被选择为5的栗浦投影距离相等。
[0070]为了对光束腰的位置及其尺寸进行必要的控制，ABCD计算方法采用在实际范围内可能会发生变化的参数wo和L1，其与预先选择的f2组合使用。耦合计算为获得最合适的设计提供了迭代方案。
[0071]在对光束腰的尺寸或位置不满意的情况下，在快轴上的附加柱面聚焦功率是必要的。在不引入额外光学部件的情况下的一种实现方法为，调整第一透镜34相对于发射器20的位置。这会引入正波阵面曲率半径或负波阵面曲率半径，以在修正的ABCD计算中得到额外的自由度。
[0072]针对所描述的实施例，焦距f2通常为80mm的第三透镜36位于与快轴准直器(第一透镜34)相距25mm的位置。晶体14位于与第三透镜36相距f2的位置。发射源光束22的半径为lMi，从而将会产生形成于晶体14的第一面24处的半高为ΙΟΟμπι的栗浦带。栗浦区为晶体14的第一面24的区域。在短边26上的晶体高度的典型值在0.75mm到Imm之间。栗浦区的区域高度为在短边26上的总晶体高度的20 %到30 %，以提供增益薄片。
[0073]不同于图1中的现有技术，在晶体14上产生具有典型的宽深比>10:1的近场高宽深比光束。由于能匹配栗浦晶体的薄板或平面波导结构的几何结构，因此这是非常重要的。图4说明了采用上述光学组件30的效果。参考图4(a)，在未成像的情况下，栗浦光束分布缓慢地从中心向边缘下降。实际上，使该分布与矩形激光晶体相匹配，将会导致产生朝向晶体边缘的吸收区的未栗浦区或正在栗浦的区，或者会导致栗浦功率高于晶体边缘的明显溢出。这两种情况都会导致设备效率低下。然而，通过对单个发射源光束进行成像，并使他们在空间上进行重叠，栗浦光束分布可具有更尖锐的边缘。这在图4(b)中进行了显示。这使得栗浦光束分布与激光晶体更加匹配，从而在栗浦功率的最小损失的情况下实现了高效、接近一致地对激光晶体进行栗浦。
[0074]图5示出了另一实施例的激光放大器10a，该激光放大器1a包括采用一个激光二极管条18的栗浦模块16。为了清楚起见，与图3的激光放大器相同的部件使用相同的参考标记，并提供了快轴视角和慢轴视角。
[0075]在图5中显示出了针对激光二极管条18的安装装置43，以表示激光二极管条18在激光放大器1a中所需的空间。在此实施例中，快轴准直器和慢轴准直器34，40作为安装在发射器20的前方、在发射器20的输出源光束22处的一个光学元件44。第三透镜36是平凸的。因此，慢轴准直器40是单独对齐的，以将每条发射源光束22导向凸面46上的理想位置，从而将使发射源光束22成像到晶体14的栗浦区的区域内。
[0076]因此，输入至晶体14的栗浦功率、放大器10，1a中的可用增益会受限于每个二极管条18的可用功率。为了扩展功率，可将更多个二极管条18结合到一个栗浦模块16中。可将距离L1设置成足够大，以使得每个激光二极管条18发射的每条源光束22的阵列共享第三透镜36的光圈。
[0077]图6示出了具有两个条18a，b的激光放大器10b，条18a，b并排设置，以使来自栗浦模块16的潜在功率加倍。在光学组件30中，每个条18a，b具有作为第一透镜的快轴准直器34a，b以及作为第二透镜的慢轴准直器阵列40a，b。通过第三透镜36的作用，发射源光束22a，b沿着慢轴在晶体14处进行重叠。此技术实现了所需的功率扩展，但是扩大了占地。
[0078]参考图7，展示了激光放大器10c，该激光放大器1c示出了用于使图6的双条栗浦模块16向一个条栗浦模块的占地进行减小的方法。二极管条18a，b同样位于同一平面内，但是使一个二极管条18b旋转到垂直于第二二极管条18a的方向。以相对于慢轴45度的角度将镜子48设置在二极管条18b上，以沿着相对于第二二极管条18a的发射源光束22a的平行路径来反射垂直的发射源光束22b。镜子48位于安装装置43a之前，但不接触发射源光束22a。这减少了激光放大器1c的占地以及第三透镜36所需的直径。
[0079]如图8和图9所示，可轻易地将此方法延伸到三、四个二极管条。在图8中，激光放大器1d具有第三二极管条18c，该第三二极管条18c位于垂直于第二二极管条18a、并与图7的装置的第一二极管条18b相对的位置。以相对于慢轴45度的角度将第二镜子48b设置在第三二极管条18c上，以沿着相对于第二二极管条18a的发射源光束22a的平行路径来反射垂直的发射源光束22c。镜子48b位于安装装置43a之前，但不接触发射源光束22a。
[0080]在图9中，可将激光放大器1e看作是图7的在光学组件30中仍使用公共的第三透镜36的激光放大器1c的加倍。第三透镜36是球形的，以使在快轴上和在慢轴上具有相同的焦距，从而将每个激光二极管条的发射物成像到晶体14的面24上。与图6的激光放大器I Ob一样，第四激光二极管条18d与第二激光二极管条18a并排设置。第一二极管条18a垂直于第二激光二极管条18b，第三激光二极管条18c垂直于第四激光二极管条18d，第二激光二极管条18b与第三激光二极管条18c面对面设置。以相对于慢轴45度的角度将第一镜子48a设置在二极管条18b上，以沿着相对于第二二极管条18a和第四二极管条18d的发射源光束22a，22d的平行路径来反射垂直的发射源光束22b。第一镜子48a位于安装装置43a之前，但不接触发射源光束22a。以相对于慢轴45度的角度将第二镜子48b设置在第三二极管条18c上，以沿着相对于第二二极管条18a和第四二极管条18d的发射源光束22a，22d的平行路径来反射垂直的发射源光束22c。第二镜子48b位于安装装置43d之前，但不接触发射源光束22d。
[0081]最终，利用此方法进行的扩展仅会受限于第三透镜36的实际光圈。在两个激光二极管条互相垂直地设置的情况下，可以通过使用偏光组合方案来代替镜子48的方式来实现更紧凑的栗浦模型16。现在参考图10，展示了激光放大器1f，其中光学组件30使用半波板50来使由垂直二极管条18b发射的发射源光束22b的偏光相比于由第二二极管条18a发射的发射源光束22a旋转90度。由第二二极管条18a发射的发射源光束22a穿过偏光立方体52，而由垂直二极管条18b发射的发射源光束22b被反射后将与发射源光束22a共线。穿过偏光立方体52的发射源光束22a，22b恰好重叠，从而减少了栗浦模块16和第三透镜36的光圈所需的占地。可轻易地将此延伸至多个二极管条。
[0082]可选地，偏光立方体52可由分色镜替代，同时将半波板50移除。二极管条18a产生具有第一波长的、对分色镜具有高穿越率光束。二极管条18b产生具有第二波长的、对分色镜具有高反射率的光束。二极管条18a和二极管条18b的工作波长都具有被晶体14吸收的高吸收率，从而保证了有效率的栗浦。栗浦模块16和第三透镜36的光圈所需的占地得到了减少。可轻易地将此延伸至多个二极管条。
[0083]虽然激光放大器10a-f具有设置在一个平面内的激光二极管条，但是非平面的扩展技术也是可能的。参考图11，展示了具有两个互相垂直设置的激光二极管条18a，18b的激光放大器。如下面的快轴侧视角所示，垂直二极管条18b位于稍微低于第二激光二极管条18a的平面内或者位于第二激光二极管条18a的下方的平面内。以相对于二极管条18b的慢轴45度的角度设置镜子48a，以沿着相对于第二二极管条18a的发射源光束22a的平行路径来反射垂直的发射源光束22b。镜子48a具有一定高度，从而由垂直二极管条18b发射的发射源光束22b被镜子48a反射，而由第二二极管条18a发射的发射器光束22a则掠过镜子48a的顶部54。第二透镜36用于将在快轴上的两组发射源光束22a，22b在晶体14处聚焦成直线。也可对激光二极管条18e-h进行统一地堆叠设置。这在图12中进行了展示。提供了发射器20的二维阵列，其可代替在上文描述的实施例的单个二极管条18e_h中的发射器的线性阵列。
[0084]在图3、图5-12中，示出了具有用于提供射向晶体14的一个面24的栗浦光束的栗浦模块16的激光放大器1，10a-g ο在优选的实施例中，激光束12沿着垂直于栗浦轴(z轴)的传播轴穿过晶体14。这与现有技术的INN0SLAB设置正相反，并有利地移除了位于晶体14任意一侧的所需的光学元件(通常为偏光立方体)，以分隔栗浦光束和激光束。
[0085]根据比尔定律，栗浦光束进入晶体后即被吸收。如果未精心管理吸收过程，则可导致晶体内的指数增益和温度分布。因为沿着与放大的或振荡的激光束12的传输轴垂直的方向对晶体进行栗浦，因此可出现严重的光束控制失真或者模式失真。为了减轻这些效应，要对光束进行双侧栗浦，并且要精心挑选晶体在栗浦方向(z轴)上的掺杂水平和长度。图13中示出了双侧栗浦激光放大器10j。如上文参考图7所述，第一栗浦模块16a位于晶体14的第一面24上。第二栗浦模块16b位于晶体14的反面56上。栗浦模块16a，b的激光二极管18设置为使得它们的每条发射源光束22在晶体14处形成位于同一平面的栗浦光束58a，b，每条栗浦光束58a，b在穿过它们各自的光学组件30a，b后在晶体内部的细长带内进行重叠。第一和第二栗浦模块16a，b同样地在晶体的相对侧24，56处提供相同的栗浦功率和栗浦光束分布。虽然栗浦模块16a，b为在图7中所示的激光放大器1c的栗浦模块，但是也可采用本发明任意实施例的栗浦模块。通过双侧栗浦，双栗浦分布得到不连贯地增加，从而减少了指数式衰减效应。当通过优化晶体介质的吸收(从而可吸收由每个栗浦模块16a，b发射的70 %至80 %的栗浦光束)来确保适当的激光效率时，可实现针对指数式衰减效应的进一步减少。
[0086]图14中示出了双侧栗浦装置的另一实施例。为了清楚起见，与图13的设置相同的部件使用相同的参考标记。栗浦模块16b的光束传播轴现在相对于激光晶体栗浦轴倾斜角度α。优选地，角度α的范围为O度至20度。栗浦模块16a的光束轴与激光晶体栗浦轴共线。栗浦模块16a，b的相对倾斜防止了在保持统一栗浦的同时栗浦光束击打栗浦模块发射面以及所导致的过早失败。在另一实施例中，栗浦模块16a的光束传播轴还可以相对于激光晶体栗浦轴倾斜。
[0087]由于激光二极管条在物理上通过光学组件与晶体分离，因此能够相对于栗浦面一定角度地对晶体进行栗浦。当进行双侧栗浦时，由于可从空间上使任何未吸收的功率与反面的激光二极管面分隔开来，因此这是特别有用的。如果未对激光二极管的输出物进行隔离，则发射器的可靠性可能会大打折扣，同时会引起寿命的减少。
[0088]作为使栗浦模块16a，b倾斜的替代，可对栗浦光束进行引导，以使该栗浦光束在y方向产生小位移。使快轴光束通过第三透镜，提供了对光束进行引导的方法。
[0089]同样可以是有利的是，当晶体14作为放大器时，晶体14具有弱倾斜面24，56，以防止不需要的内部激光振荡。
[0090]通过分析采用图14的装置进行双侧栗浦时的来自激光晶体的合成荧光，晶体的中心栗浦区沿X轴高度一致，且沿y轴接近高斯分布。图15示出了针对三个不同的栗浦配置的，小信号增益系数测量值62与作为标准化板位64(即远离中心的距离除以板宽)的放大光束的传播方向的关系的图。点66表示来自单个模块的栗浦，并示出了在仅有一个模块对晶体进行栗浦的情况下，远离晶体的输入栗浦边缘的小信号增益系数下降了，正如比尔定律所预期地那样。点68也表示来自一个模块的栗浦，但是此模块位于晶体的对立侧，且点68又一次示出了远离晶体的输入栗浦边缘的小信号增益系数下降了。这将会产生依赖于栗浦的光束控制、热应力以及在低栗浦功率下可能是吸收性的低粒子数反转区。图上的点70表示两个栗浦模块同时工作并且对晶体进行双侧栗浦的情况。点70示出了如荧光分布所预期地，小信号增益系数在整个激光晶体的宽度范围内几乎不变。高度的一致性确保了最小的热效应以及一致反转。
[0091]本文所描述的激光放大器可作用于单次通过的激光束。可选地，激光束可位于多次通过的放大器装置内，例如在本
【申请人】的专利申请GB2505315中所描述的预放大器和功率放大器。GB2505315通过引用并入本文中，GB2505315描述了将预放大器和功率放大器集成至一个矩形活性介质中，以使放大低功率超短脉冲能优化功率级的光学放大器。激光束沿第一预放大路径通过放大介质，形成了介质的多次穿越。对沿着第一路径返回的光束进行成像，以形成作为预放大器的介质的两次通过。然后对沿着第二功率放大路径的方向再次进入介质的光束进行重新成像，形成了单次通过中介质的多次穿越。路径是独立的，但是是重叠的，从而实现了有效率的功率提取。根据本发明的实施例，采用本发明的激光放大器，单个矩形活性介质为本文所描述的激光晶体，包括一个或多个激光二极管条的栗浦模块对该激光晶体进行栗浦，经由光学组件使一个或多个激光二极管条的发射物沿着垂直于激光束的传播方向的方向在晶体的一个表面或反面上成像。
[0092]本发明的基本优点为提供一种用于对具有重叠的源光束的激光束进行放大的设备和方法，调整源光束的大小以经由简单的光学组件来填充放大介质，这提供了用于对诸如MOPA中的晶体的放大介质进行同源栗浦的近场、高宽深比栗浦光束。
[0093]本发明的至少一个实施例的另一个优点为提供一种用于放大激光束的设备和方法，可通过耦合多个具有相同光学系统的发射器来简单地对该激光束进行功率扩展。
[0094]本发明的至少一个实施例的再一个优点为提供一种用于放大激光束的设备和方法，由于失效的发射器将不会导致放大介质的未栗浦区，因此本发明能提供冗余，且由于设备具有全部可被轻易替换的较小部件，因此设备是耐用的。
[0095]本发明的至少一个实施例的又一个优点为提供一种用于放大激光束的设备和方法，其提供了一种将光学双栗浦激励的单晶体板活性区域包括在比现有技术更简单、更紧凑的装置中的激光放大器。
[0096]本领域技术人员可意识到此处描述的方法的各种变型方案，可在不偏离该范围下对本发明进行修改。例如，功率扩展技术为那些能够被光学组件采用的技术的代表，本领域技术人员可意识到其他可能的装置。虽然针对第三透镜仅示出了一个透镜，但是应理解的是其也可被一对透镜所代替。虽然已描述了放大介质的面，但是也可应用该技术来实现需要透镜对的与波导的最佳耦合。
【主权项】
1.一种用于放大激光束的设备，包括: 放大介质，其具有设置有第一面的矩形截面，所述第一面具有长边和短边，其中，长边沿X轴，短边沿y轴，Z轴定义为直角坐标系内的栗浦轴； 以及栗浦模块，所述栗浦模块包括: 栗浦光束，所述栗浦光束为由发射器发射的源光束的合成，所述发射器排列成具有平行于所述X轴的慢轴和平行于y轴的快轴的线性阵列； 以及位于所述发射器和所述放大介质的第一面之间的光学组件； 所述光学组件具有: 邻近所述发射器并设置为作用于栗浦光束的快轴上的第一透镜、慢轴上的具有设置为作用于单个源光束的各个第二透镜的第二透镜阵列以及与所述第一透镜和所述第二透镜间隔且设置为作用于所述栗浦光束的第三透镜； 其中，在所述第一面处重叠的单个源光束被成像并被调节大小以沿慢轴上的长边来填充所述第一面，并且所述单个源光束被聚焦到尺寸小于快轴上的短边的长度的光束上； 从而提供了对所述放大介质的同源栗浦，并且将对沿着正交于所述栗浦光束的方向穿过所述放大介质的激光束进行均匀放大。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一透镜包括焦距为fly的快轴准直器，并且所述第三透镜包括焦距为f2的透镜，该组合选择成能够提供第一面上沿快轴的光束尺寸。3.根据权利要求2所述的设备，其中，每个所述第二透镜包括慢轴准直器，每个所述慢轴准直器的焦距为flx，，以利用慢轴上的第三透镜提供Mx=f2/flx的放大倍数。4.根据权利要求2或3所述的设备，其中，所述第三透镜为球形。5.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述第一透镜和所述第二透镜设置为单个的光学元件。6.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述第三透镜设置为在所述第一面之前产生每条源光束的光束腰。7.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述第三透镜设置为将外围的源光束以一定角度导入所述放大介质，以在所述放大介质内产生全内反射。8.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述发射器的线性阵列为激光二极管条。9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述栗浦模块包括多个各自提供栗浦光束的激光二极管条，每个激光二极管条包括第一透镜，每个发射器包括第二透镜，并且所述设备具有作用于所述栗浦光束的单个第三透镜，其中，在所述第一面处重叠的单个源光束被成像并被调节大小，以沿慢轴上的长边来填充所述第一面，并且所述单个源光束被聚焦到尺寸小于快轴上的短边的长度的光束上。10.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述光学组件包括将源光束导向所述第三透镜的一个或多个镜子。11.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述光学组件包括将源光束导向所述第三透镜的一个或多个偏光立方体。12.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，该设备具有设置在所述放大介质的反面上的第二栗浦模块，所述第二栗浦模块提供与单个源光束在与所述第一面相对的第二面处重叠的第二栗浦光束，所述单个源光束被成像并被调节大小，以沿慢轴上的长边来填充所述第二面，并且所述单个源光束被聚焦到尺寸小于快轴上的短边的长度的光束上，从而提供了对所述放大介质的同源栗浦，并且将对沿着正交于所述栗浦光束的方向穿过所述放大介质的激光束均匀放大。13.根据权利要求12所述的设备，其中，至少一个所述栗浦光束的传播轴为相对于所述z轴的离轴。14.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述放大介质为单晶体板。15.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述放大介质为玻璃。16.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述放大介质为陶瓷。17.根据权利要求14所述的设备，其中，所述单晶体板形成为夹层结构，所述夹层结构为两个非掺杂介质之间设置有掺杂介质的结构。18.根据权利要求15所述的设备，其中，所述放大介质是形成为夹层结构的玻璃板，所述夹层结构为两个非掺杂介质之间设置有掺杂介质的结构。19.根据权利要求16所述的设备，其中，所述放大介质是形成为夹层结构的陶瓷板，所述夹层结构为两个非掺杂介质之间设置有掺杂介质的结构。20.根据权利要求17到19中任一项所述的设备，其中，与所述第三透镜间隔开的第四透镜，其设置为作用于在快轴上的栗浦光束，所述栗浦光束的尺寸被调节成用以耦合到掺杂区域中。21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述第四透镜为柱面。22.—种通过放大介质对同源合成光束进行栗浦的方法，包括以下步骤: (a)提供以线性阵列排列的发射器发射的多条源光束； (b)在所述发射器和所述放大介质的第一面之间设置光学组件，所述光学组件具有在快轴上的邻近所述发射器以作用于栗浦光束的第一透镜、在慢轴上的邻近所述第一透镜的具有设置为作用于单个源光束的各个第二透镜的第二透镜阵列以及与所述第一透镜和所述第二透镜间隔的设置为作用于所述栗浦光束的第三透镜；以及 (c)将透镜间隔开以使所述单个源光束在所述放大介质的第一面上重叠;对所述单个源光束进行成像和大小调整，以沿放大介质在慢轴上的长边来填充所述第一面;将所述单个源光束聚焦到尺寸小于在快轴上的短边的长度的光束上;并且外围的源光束在进入所述放大介质时进行全内反射。23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述发射器的线性阵列来自二极管条。24.根据权利要求22或23所述的方法，其中，所述单个源光束在所述第一面处具有光束腰。25.根据权利要求22或23所述的方法，其中，所述单个源光束具有光束腰，并且调整所述第一透镜相对于所述发射器的位置，以改变所述光束腰相对于所述第一面的位置。
【文档编号】H01S3/0941GK105826806SQ201610030895
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年1月18日
【发明人】霍华德·约翰·贝克, 詹森·罗伯特·李, 本杰明·斯图尔特·富尔福德, 戴维·詹姆斯·路易斯·伯金
【申请人】罗芬新纳（英国）有限责任公司