一种高效率激光多通放大装置的制作方法

本实用新型涉及超短脉冲激光放大器技术领域，尤其涉及一种基于高效率激光多通放大装置。

背景技术：

目前，基于啁啾脉冲放大（chirpedpulseamplification；cpa）技术的飞秒激光系统已可达到10pw的峰值功率。在追求高峰值功率的同时，由于终端放大器必须使用大口径的增益介质，其横向增益远大于纵向增益，当泵浦激光能量密度够高时会在增益介质内产生横向寄生震荡，消耗掉储存在增益介质内的能量；除此之外，当增益介质吸收泵浦光之后，部分能量会储存在增益介质内使其升温，在热平衡状态下增益介质内的温度梯度会使其变成一个类透镜介质，此即热透镜效应。热透镜效应不只会造成被放大的激光种子源光束波前的扭曲，同时也会使光束聚焦，这将导致激光种子源与泵浦光空间模式不匹配，降低了能量提取效率。因此，如何克服以上难题将是进一步提升激光器峰值功率的关键。

常见的抑制横向寄生振荡的措施有：通过在晶体表面使用折射率匹配液，使横向寄生震荡的损耗变大来抑制横向寄生振荡；但是该措施由于匹配液折射率随偏振、波长变化，很难做到完全的折射率匹配，因此效果有限。或者，通过增加增益介质厚度，使掺杂浓度及泵浦光吸收系数降低，可有效降低横向增益；但是该措施需使用厚的增益介质，提高了成本，增加了材料色散，将使后续脉冲压缩较困难。

技术实现要素：

针对现有的激光放大器在抑制横向寄生振荡及热透镜效应的过程中存在的抑制效果有限、影响放大器输出效率的问题，本实用新型提供一种高效率激光多通放大装置。

第一方面，本实用新型提供一种高效率激光多通放大装置，包括：两个泵浦源单元、增益介质和种子光反射镜组；每个所述泵浦源单元包括：泵浦源和泵浦光反射镜；所述种子光反射镜组包括：第一种子光反射镜、第二种子光反射镜和第三种子光反射镜；

所述增益介质为圆柱体型，所述增益介质的上底面设置有第一膜层、下底面设置有第二膜层、侧面设置有螺纹，所述泵浦源单元位于所述增益介质的上底面侧，所述泵浦光反射镜位于所述泵浦源和所述增益介质之间且在所述泵浦源生成的泵浦光被增益介质反射后的反射光路上，且所述泵浦光反射镜的反射面朝向所述增益介质的上底面；所述种子光反射镜组位于所述增益介质的下底面侧；所述第一膜层对种子光进行反射而对泵浦光透射，所述第二膜层对种子光透射而对泵浦光反射。

进一步地，其中一个泵浦源单元中的泵浦源生成的泵浦光避开另一个泵浦源单元中的泵浦光反射镜进入所述增益介质，经所述增益介质的下底面反射并再次穿透所述增益介质，然后经所述其中一个泵浦源单元中的泵浦光反射镜反射，沿原路折返穿透所述增益介质；

种子激光经所述第一种子光反射镜反射进入所述增益介质，经所述增益介质的上底面反射并穿透所述增益介质的下底面，然后依次经所述第二种子光反射镜和所述第三种子光反射镜反射进入所述增益介质，经所述增益介质的上底面反射进入并穿透所述增益介质的下底面后完成放大。

进一步地，所述第一种子光反射镜和所述第二种子光反射镜的镜心夹角大于零；所述第一种子光反射镜和所述第三种子光反射镜的镜心夹角大于零。

进一步地，每个所述泵浦光反射镜的反射面均镀有泵浦光零度入射高反膜；所述种子光反射镜组中每个种子光反射镜的反射面均镀有种子光45度入射高反膜。

进一步地，所述增益介质的侧面还设置有冷却装置。

第二方面，本实用新型还提供一种高效率激光多通放大装置，包括：第一泵浦源、增益介质、双色镜和种子光反射镜组，所述种子光反射镜组包括：第一种子光反射镜、第二种子光反射镜和第三种子光反射镜；

所述增益介质为圆柱体型，所述增益介质的侧面设置有螺纹；所述双色镜位于所述增益介质的上底面侧，所述种子光反射镜组和所述第一泵浦源位于所述增益介质的下底面侧，所述种子光反射镜组的反射面朝向所述增益介质的下底面，所述种子光反射镜组的非反射面朝向所述第一泵浦源；

所述第一泵浦源生成的泵浦光透过所述种子光反射镜组中各种子光反射镜之间的缝隙入射至所述增益介质；种子激光经所述第一种子光反射镜反射进入并穿透所述增益介质，经所述双色镜反射再次进入并穿透所述增益介质，然后依次经所述第二种子光反射镜和所述第三种子光反射镜反射进入并穿透所述增益介质，经所述双色镜反射进入并穿透所述增益介质后完成放大。

进一步地，所述增益介质的上底面和下底面均镀有增强所述种子激光和所述泵浦光透射的增透膜；所述增益介质的侧面还设置有冷却装置。

进一步地，所述第一种子光反射镜和所述第二种子光反射镜的镜心夹角大于零；所述第一种子光反射镜和所述第三种子光反射镜的镜心夹角大于零。

进一步地，所述双色镜上镀有泵浦光零度入射增透、种子光5度入射高反膜；所述种子光反射镜组中每个种子光反射镜的反射面均镀有种子光45度入射高反膜。

进一步地，还包括第二泵浦源，所述第二泵浦源位于所述增益介质的上底面侧，所述双色镜位于所述第二泵浦源和所述增益介质之间。

本实用新型的有益效果：

（1）本实用新型通过在增益介质一侧设置两个泵浦光反射镜，以及在增益介质的两个底面镀有种子光反射、泵浦光透射膜和种子光透射、泵浦光反射膜，使得泵浦光可多次经过增益介质，在总吸收率i(l)（已知增益介质对于激光的吸收率i(l)满足：i(l)=i0*e^-αl。其中，α为吸收系数，l为经过增益介质的长度）固定的条件下，l增加数倍可大幅降低泵浦光吸收系数α，也同时降低了横向的增益。因此，在无需增加增益介质厚度的基础上，本实用新型通过增加泵浦光穿透增益介质的次数，等效于增加了长度l，如此本实用新型在保持放大器输出效率的同时也能大幅降低横向寄生振荡。并且由于在上底面镀有种子光反射膜使得本实用新型的整个放大器腔长较传统多通放大器缩短一半，使装置体积大幅度缩减，可大幅降低热透镜效应对放大器的影响，整体结构更紧凑，进而提升稳定性。

（2）本实用新型通过在增益介质两侧分别设置双色镜和种子光反射镜，种子激光经过第二种子光反射镜、第三种子光反射镜、双色镜形成一个倒v型，与传统放大器（在增益介质两侧均设置种子光反射镜）的腔长相比，本实用新型的放大器的腔长可缩短一倍，可大幅降低热透镜效应对放大器的影响，整体结构更紧凑，进而提升稳定性。

（3）通过在增益介质的侧面设置螺纹，因螺纹带倾斜角的关系，自发辐射的光无法在增益介质侧边来回反射，可有效降低横向寄生震荡。

（4）本实用新型不需增加增益介质厚度，因此不会增加材料色散，有利于后续脉冲压缩。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种高效率激光多通放大装置的结构示意图之一；

图2为本实用新型实施例提供的一种高效率激光多通放大装置的结构示意图之二。

附图标记：1为种子激光源，2为第一种子光反射镜，3为第二种子光反射镜，4为第三种子光反射镜，5为第一泵浦源，6为第二泵浦源，7为增益介质，8为冷却装置，9为双色镜，10为第一泵浦光反射镜，11为第二泵浦光反射镜，s1为上底面，s2为下底面。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型还提供一种高效率激光多通放大装置，包括：两个泵浦源单元、增益介质7、冷却装置8和种子光反射镜组；本实用新型实施例中的两个泵浦源单元分别为：第一泵浦源单元和第二泵浦源单元。第一泵浦源单元包括：第一泵浦源5和第一泵浦光反射镜10；第二泵浦源单元包括：第二泵浦源6和第二泵浦光反射镜11；所述种子光反射镜组包括：第一种子光反射镜2、第二种子光反射镜3和第三种子光反射镜4；

所述增益介质7为圆柱体型，所述增益介质7的上底面s1设置有第一膜层、下底面s2设置有第二膜层、侧面设置有螺纹，所述增益介质7的侧面设置有所述冷却装置8，所述泵浦源单元位于所述增益介质7的上底面s1侧，其中，泵浦光反射镜位于泵浦源和增益介质7之间且在所述泵浦源生成的泵浦光被增益介质反射后的反射光路上，且泵浦光反射镜的反射面朝向增益介质7的上底面，本实用新型实施例中，所述第一泵浦光反射镜10和第二泵浦光反射镜11的反射面均朝向所述增益介质7的上底面s1；所述第一泵浦光反射镜10位于第一泵浦源5生成的泵浦光被增益介质7反射后的反射光路上；所述第二泵浦光反射镜11位于第二泵浦源6生成的泵浦光被增益介质7反射后的反射光路上；所述种子光反射镜组位于所述增益介质7的下底面s2侧；所述第一膜层对种子光进行反射而对泵浦光透射，所述第二膜层对种子光透射而对泵浦光反射。

所述增益介质7的侧面设置有螺纹，因螺纹带倾斜角的关系，自发辐射的光无法在增益介质7侧面来回反射，可有效降低横向寄生震荡，同时可以增加增益介质7的散热面积。为了降低热透镜和热致双折射效应，本实用新型实施例还在增益介质7的侧面安装有所述冷却装置8，所述冷却装置8绕所述增益介质7的侧面一周。冷却装置8中使用的冷却介质可以是水或混合液等液体，也可以是氦气压缩或其他可产生低温的气体。

其中一个泵浦源单元中的泵浦源生成的泵浦光避开另一个泵浦源单元中的泵浦光反射镜进入所述增益介质7，经所述增益介质7的下底面s2反射并再次穿透所述增益介质7，然后经所述其中一个泵浦源单元中的泵浦光反射镜反射，沿原路折返穿透所述增益介质7。具体以第一泵浦源5的光路为例：第一泵浦源5生成的泵浦光避开第二泵浦光反射镜11（例如从第二泵浦光反射镜11上方或侧方经过，即并不穿透第二泵浦光反射镜11），透射过增益介质7的上底面s1，进入所述增益介质7，并在增益介质7的下底面s2反射，并再次穿透增益介质7的上底面s1；此时该泵浦光已2次穿过增益介质7；然后，再次穿透增益介质7的上底面s1的该泵浦光打在第一泵浦光反射镜10上，经第一泵浦光反射镜10反射，沿原路折返，最后避开第二泵浦光反射镜11（例如从第二泵浦光反射镜11上方或侧方经过），如此泵浦光可在第一泵浦光反射镜10和第二泵浦光反射镜11之间4次穿透增益介质7；此时，泵浦光由于多次穿过增益介质，泵浦光的能量基本已被增益介质吸收。类似地，第二泵浦源6的光路此处不再赘述。

已知增益介质对于激光的吸收率i(l)满足：i(l)=i0*e^-αl。其中，α为吸收系数，l为经过增益介质的长度。由于泵浦光可多次经过增益介质，在总吸收率i(l)固定的条件下，l增加数倍可大幅降低泵浦光吸收系数α，也同时降低了横向的增益。因此，在无需增加增益介质厚度的基础上，本实用新型通过增加泵浦光穿透增益介质的次数，等效于增加了长度l，如此本实用新型在保持放大器输出效率的同时也能大幅降低横向寄生振荡。此外，由于本实用新型不需增加增益介质厚度，因此不会增加材料色散，有利于后续脉冲压缩；并且由于在上底面镀有种子光反射膜使得本实用新型的整个放大器腔长较传统多通放大器缩短一半，可大幅降低热透镜效应对放大器的影响，整体结构更紧凑，进而提升稳定性。

种子激光源1生成的种子激光经所述第一种子光反射镜2反射，穿过增益介质7的下底面s2，进入所述增益介质7，经所述增益介质7的上底面s1反射并穿透所述增益介质7的下底面s2，然后依次经所述第二种子光反射镜3和所述第三种子光反射镜4反射进入所述增益介质7，经所述增益介质7的上底面s1反射进入并穿透所述增益介质的下底面s2后完成放大。

在本实用新型实施例中，种子激光源1设置为一钛宝石预放大器，输出中心波长800nm、带宽约60nm、能量5j、脉宽重复频率0.1~10hz的种子激光脉冲；两个泵浦源设置为输出中心波长532nm、能量50j、脉宽重复频率0.1~10hz的脉冲。增益介质7选用钛宝石晶体，钛宝石晶体具有优良的光学性能、热导率及机械性能，是性能极佳的激光晶体。增益介质7的两个底面的直径为80mm，圆柱体的长度20mm。第一种子光反射镜2、第二种子光反射镜3和第三种子光反射镜4均设置为尺寸φ110mm×10mm的平面镜，种子光反射镜组中每个种子光反射镜的反射面均镀有种子光45度入射高反膜，在本实用新型实施例中，在该3个种子光反射镜的反射面上均镀有750~850nm45度入射高反膜；所述第一种子光反射镜2和所述第二种子光反射镜3的镜心夹角β1为5~20度；所述第一种子光反射镜2和所述第三种子光反射镜4的镜心夹角β2为5~10度。将两个泵浦源均设置在增益介质7的同侧，通过设置在增益介质7两个底面上的第一膜层和第二膜层的透射和反射，实现泵浦光在增益介质7多次来回反射。第一泵浦光反射镜10和第二泵浦光反射镜11的尺寸均为φ80mm×10mm，第一泵浦光反射镜10和第二泵浦光反射镜11的反射面镀有532nm零度入射高反膜，第一泵浦光反射镜10和第二泵浦光反射镜11的镜心夹角越小，效果越好。增益介质7的上底面s1上镀的第一膜层为750nm~850nm反射、532nm增透膜；增益介质7的下底面s2上镀的第二膜层为750nm~850nm增透、532nm反射膜；如此，可以实现对种子光和泵浦光在增益介质7的两个端面处高透射及高反射的效果。由于泵浦光可多次穿过增益介质7，等效于增加了增益介质7的长度，因此，本实施例中的增益介质7的钛离子掺杂浓度可低至0.01wt%。以上所有镜片基材由熔石英玻璃板制成。

如图2所示，本实用新型实施例还提供一种高效率激光多通放大装置，该装置包括：第一泵浦源5、第二泵浦源6、增益介质7、冷却装置8、双色镜9和种子光反射镜组，所述种子光反射镜组包括：第一种子光反射镜2、第二种子光反射镜3和第三种子光反射镜4；

所述增益介质7为圆柱体型，所述增益介质7的侧面设置有螺纹；所述增益介质7的侧面设置有所述冷却装置8，所述第二泵浦源6和所述双色镜9位于所述增益介质7的上底面s1侧，所述双色镜9位于所述第二泵浦源6和所述增益介质7之间；所述种子光反射镜组和所述第一泵浦源5位于所述增益介质7的下底面s2侧，所述种子光反射镜组的反射面朝向所述增益介质7的下底面s2，所述种子光反射镜组的非反射面朝向所述第一泵浦源5；所述第一泵浦源5、第二泵浦源6和双色镜9的中心位于同一水平位置。

第一泵浦源5生成的泵浦光透过所述种子光反射镜组中各种子光反射镜之间的缝隙入射至所述增益介质7。第二泵浦源6生成的泵浦光穿透双色镜9，入射至增益介质7。种子激光源1生成的种子激光经所述第一种子光反射镜2反射进入并穿透所述增益介质7，经所述双色镜9反射再次进入并穿透所述增益介质7，然后依次经所述第二种子光反射镜3和所述第三种子光反射镜4反射进入并穿透所述增益介质7，经所述双色镜9反射进入并穿透所述增益介质7后完成放大。由上述种子激光的光路过程可知，种子激光可4次穿过增益介质7完成放大后离开该高效率激光多通放大装置。在该实施例中，种子激光经过第二种子光反射镜3、第三种子光反射镜4、双色镜9形成一个倒v型，与传统放大器（在增益介质两侧均设置种子光反射镜）的腔长相比，本实用新型的放大器的腔长可缩短一倍。

所述第一种子光反射镜2和所述第二种子光反射镜3的镜心夹角β1为5~20度；所述第一种子光反射镜2和所述第三种子光反射镜4的镜心夹角β2为5~10度。

为了在增益介质7的两个底面处实现对种子光和泵浦光的高透射效果，所述增益介质7的上底面和下底面均镀有增强所述种子激光和所述泵浦光透射的增透膜，且在镀所述增透膜之前可先对两个底面进行光学抛光处理。

在本实用新型实施例中，与上述实用新型实施例的区别在于：将两个泵浦源设置增益介质7的两侧，增益介质7中的钛离子掺杂浓度为0.04wt%，上底面和下底面的增透膜均为750nm~850nm、532nm增透膜。双色镜9的尺寸φ80mm×10mm，所述双色镜9上镀有泵浦光零度入射增透、种子光5度入射高反膜，在实用新型本实施例中，双色镜9上镀有532nm零度入射增透、750~850nm5度入射高反膜。其余参数设置与上述实用新型实施例相同，此处不再赘述。

所述增益介质7的侧面设置有螺纹，因螺纹带倾斜角的关系，自发辐射的光无法在增益介质7侧面来回反射，可有效降低横向寄生震荡，同时可以增加增益介质7的散热面积。为了降低热透镜和热致双折射效应，本实用新型实施例还在增益介质7的侧面安装有所述冷却装置8，所述冷却装置8绕所述增益介质7的侧面一周。冷却装置8中使用的冷却介质可以是水或混合液等液体，也可以是氦气压缩或其他可产生低温的气体。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。