一种双腔结构激光器系统及其能量可控调谐方法
【专利摘要】本发明公开了一种双腔结构激光器系统及其能量调谐方法，所述系统包括主振荡腔、功率放大腔和线宽压窄模块和光能调节元件，光能调节元件设置于主振荡腔与功率放大腔之间，以使得由主振荡腔输出的种子光经过该光能调节元件后入射到功率放大腔，并且，该光能调节元件可以是位于转台上的窗片或偏振片，能够改变入射到其上的种子光的能量。本发明可实现较大范围的能量可控调谐，且调节过程中对激光器系统的输出能量的稳定性影响较小。
【专利说明】一种双腔结构激光器系统及其能量可控调谐方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光器系统的能量可控调谐方法，适用于所有具有双腔结构的激光器 系统，特别是对能量及能量稳定性具有较高要求的气体激光器系统。
【背景技术】
[0002] 气体激光器以气体或蒸气作为工作物质产生激光，以电激励方式最为常见。双腔 结构（ΜΟΡΑ、ΜΟΡΟ、M0RRA、M0PRA)的引入主要是为了实现激光器窄线宽大能量同时输出的 特性，其基本思想是利用主振荡腔产生窄线宽小能量种子光，注入到功率放大腔进行放大， 从而输出窄线宽大能量的优质激光。在满足大能量输出特性的同时，能量的可控调谐具有 更重要的应用价值。
[0003] 具有双腔结构的激光器系统输出能量与放电电压、工作气体配比以及双腔之间放 电时间延迟等因素有关，理论上可以通过调节放电电压和间歇性补充工作气体以及改变双 腔之间的放电时间延迟等方式来控制双腔结构的激光系统的输出能量。然而对于放电泵浦 系统，放电电压的可调节范围有限，因而能量的可调节范围受到限制，而且激光器输出能量 稳定性是随着放电电压降低逐渐变差；间歇性补充工作气体，操作复杂，且补充策略很难精 确确定。
[0004] 图1是双腔结构的激光器系统的输出能量及能量稳定性随双腔放电延时变化的 关系示意图。如附图1所示，Sigma定义为固定时间窗口条件下，脉冲能量大小与脉冲能量 平均值的偏离程度。在h延时条件下，输出能量最大且能量稳定性最佳；当向、两侧调节 延时实现输出能量调谐时，能量稳定性随之恶化。
【发明内容】
[0005] (一）要解决的技术问题
[0006] 本发明旨在提出一种用于双腔结构激光器系统的新的能量可控调谐方法，克服现 有的能量调谐范围有限、操作复杂，调节精度不高的缺点。
[0007] (二）技术方案
[0008] 本发明提出一种双腔结构激光器系统，包括主振荡腔、功率放大腔和线宽压窄模 块和光能调节元件，光能调节元件设置于主振荡腔与功率放大腔之间，以使得由主振荡腔 输出的种子光经过该光能调节元件后入射到功率放大腔，并且，该光能调节元件能够改变 入射到其上的激光的能量。
[0009] 根据本发明的【具体实施方式】，所述光能调节元件是窗片，所述种子光入射到该窗 片的入射角的范围为56. 3°?90°。
[0010] 根据本发明的【具体实施方式】，所述窗片固定于带控制器的电机转台上，控制器控 制该电机转台的转动以调节种子光入射到窗片角度。
[0011] 根据本发明的【具体实施方式】，所述光能调节元件是偏振片，所述偏振片的偏振化 方向与所述种子光的光轴垂直。
[0012] 根据本发明的【具体实施方式】，所述偏振片固定于带控制器的电机旋转盘上，控制 器控制该电机旋转盘的转动以调节种子光的偏振方向与所述偏振片的偏振化方向的夹角。
[0013] 本发明还提出一种上述双腔结构激光器系统的能量调谐方法，所述方法包括：在 所述主振荡腔与功率放大腔之间设置光能调节元件，该光能调节元件能够改变入射到其上 的激光的能量，使得由主振荡腔输出的种子光经过该光能调节元件后入射到功率放大腔。
[0014] (三）有益效果
[0015] 本发明利用双腔结构的激光器系统的输出能量随着注入种子光能量变化而变化 的特点，通过改变注入功率放大腔的种子光能量，实现双腔结构的激光器系统的输出能量 的可控调谐。
[0016] 本发明可实现较大范围的能量可控调谐，且调节过程中对激光器系统的输出能量 的稳定性影响较小。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 附图1是双腔结构的激光器系统的输出能量及能量稳定性随双腔放电延时变化 的关系不意图
[0018] 附图2是本发明的能量可控调谐的双腔结构激光器系统的示意图；
[0019] 附图3为本发明的能量可控调谐的双腔结构激光器系统的实施例的结构示意图；
[0020] 附图4是本发明的实施例一的种子光入射到窗片的光路图；
[0021] 附图5是本发明的实施例一的p或s偏振光的透射率随入射角Θ i的变化的关系 图；
[0022] 附图6显示了本发明的实施例一的以入射的p偏振光的偏振度（pd)分别为 100%、95%、90%的情况为例的激光能量透射率E wt/Ein随入射角变化的关系图；
[0023] 附图7显示了本发明的实施例二的以入射的p偏振光偏振度（pd)分别为100%、 95 %、90 %的情况为例的激光能量透射率随偏振角的变化的关系图。
【具体实施方式】
[0024] -方面，本发明利用窗片的透射光能量随着入射光入射角度变化而变化的原理， 在主振荡腔和功率放大腔之间放置一块窗片，窗片置于带有控制器的电机转台上。
[0025] 另一方面，本发明利用偏振片的透射光能量随着其偏振方向与入射光偏振方向之 间的偏振角变化而变化的原理，在主振荡腔和功率放大腔之间放置一块偏振片，偏振片置 于带有控制器的电机旋转盘上。
[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0027] 附图2是本发明的能量可控调谐的双腔结构激光器系统的示意图。如图2所示， 本发明的双腔结构激光器系统包括主振荡腔M0、功率放大腔PA和线宽压窄模块LNM。
[0028] 其中，主振荡腔可以是准分子激光器或者其它类型激光器，功率放大腔可以是非 谐振放大腔（PA)、注入锁定放大腔（P0)及环形放大腔（RRA，PR0)，线宽压窄模块可以采用 标准具结构、棱镜结合光栅结构或它们的组合结构构成。
[0029] 本发明的激光器系统在主振荡腔M0与功率放大腔PA之间还设置有一个光能调节 元件EM，使得由主振荡腔MO输出的种子光经过该光能调节元件后入射到功率放大腔PA。该 光能调节元件EM能够改变入射到其上的激光的能量。
[0030] 根据本发明的一种实施方式，所述光能调节元件EM是一个窗片，所述窗片可以是 熔融石英、CaF 2材料或者其他材料，具体根据激光光谱特性选择。窗片所在平面与主振荡腔 M0输出的种子光的光轴成一夹角，如附图4所示。
[0031] 根据本发明的另一种实施方式，所述光能调节元件EM是一个偏振片，该偏振片垂 直于光轴放置，即偏振化方向与种子光的光轴垂直。
[0032] 优选的光能调节元件EM设置于一个转台或转盘上,该转台或转盘由电机带动而 进行转动，从而使得光能调节元件EM可控地旋转，以便实现其对激光能量的调节，从而实 现对注入功率放大腔的种子光能量可控调谐。
[0033] 实施例一、窗片方案：
[0034] 附图3为本发明的能量可控调谐的双腔结构激光器系统的实施例的结构示意图。 如图3所示，主振荡腔M0的两端分别设置有线宽压窄模块LNM和输出耦合镜1，种子光经由 输出耦合镜输出后透射一个窗片2后入射到功率放大腔PA。
[0035] 图4是本发明的实施例一的种子光入射到窗片的光路图。如图4所示，主振荡腔 M0输出的种子光为p偏振光或s偏振光，其入射到窗片2的入射角为，折射角为θ2，窗 片的折射率为η 2，窗片所处的环境介质的折射率为rv
[0036] 由菲涅尔公式可得：
[0037] 窗片2对p偏振光的界面反射率数rp为：
[0038]
【权利要求】
1. 一种双腔结构激光器系统，包括主振荡腔、功率放大腔和线宽压窄模块，其特征在 于，还包括： 光能调节元件，设置于主振荡腔与功率放大腔之间，以使得由主振荡腔输出的种子光 经过该光能调节元件后入射到功率放大腔，并且， 该光能调节元件能够改变入射到其上的激光的能量。
2. 如权利要求1所述的双腔结构激光器系统，其特征在于，所述光能调节元件是窗片， 所述种子光入射到该窗片的入射角的范围为56. 3°?90°。
3. 如权利要求2所述的双腔结构激光器系统，其特征在于，所述窗片固定于带控制器 的电机转台上，控制器控制该电机转台的转动以调节种子光入射到窗片角度。
4. 如权利要求1所述的双腔结构激光器系统，其特征在于，所述光能调节元件是偏振 片，所述偏振片的偏振化方向与所述种子光的光轴垂直。
5. 如权利要求4所述的双腔结构激光器系统，其特征在于，所述偏振片固定于带控制 器的电机旋转盘上，控制器控制该电机旋转盘的转动以调节种子光的偏振方向与所述偏振 片的偏振化方向的夹角。
6. -种双腔结构激光器系统的能量调谐方法，所述种双腔结构激光器系统包括主振荡 腔、功率放大腔和线宽压窄模块，其特征在于，所述方法包括： 在所述主振荡腔与功率放大腔之间设置光能调节元件，该光能调节元件能够改变入射 到其上的激光的能量，使得由主振荡腔输出的种子光经过该光能调节元件后入射到功率放 大腔。
7. 如权利要求6所述的双腔结构激光器系统的能量调谐方法，其特征在于，所述光能 调节元件是窗片，所述种子光入射到该窗片的入射角的范围为56. 3°?90°。
8. 如权利要求7所述的双腔结构激光器系统的能量调谐方法，其特征在于，该方法还 包括：将所述窗片固定于带控制器的电机转台上，控制器控制该电机转台的转动以调节种 子光入射到窗片角度。
9. 如权利要求6所述的双腔结构激光器系统的能量调谐方法，其特征在于，所述光能 调节元件是偏振片，所述偏振片的偏振化方向与所述种子光的光轴垂直。
10. 如权利要求9所述的双腔结构激光器系统的能量调谐方法，其特征在于，该方法还 包括：将所述偏振片固定于带控制器的电机旋转盘上，控制器控制该电机旋转盘的转动以 调节种子光的偏振方向与所述偏振片的偏振化方向的夹角。
【文档编号】H01S3/106GK104092090SQ201410357467
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】宋兴亮, 周翊, 沙鹏飞, 石海燕, 赵江山, 范元媛, 李慧 申请人:中国科学院光电研究院