CN108988117B - 一种基于偏振合成激光增益的激光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振合成激光增益的激光放大器，所述激光放大器包括：泵浦源、聚焦耦合镜组、全反镜、偏振激光介质、半波片、45度法拉第旋转器和偏振片，其中：所述泵浦源、聚焦耦合镜组、全反镜、偏振激光介质、半波片、45度法拉第旋转器和偏振片依次光学同轴排列；所述偏振激光介质和半波片组成偏振合成增益控制功能模块，通过旋转所述半波片来控制所述激光放大器的合成激光增益。本发明方案能够在放大器注入能量一定的条件下，即激光系统热效应不变的前提下，放大器本身实现增益控制，达到改变放大器输出能量大小的技术效果。

Description

一种基于偏振合成激光增益的激光放大器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种基于偏振合成激光增益的激光放大器。

背景技术

在许多应用场景下，需要使用高质量激光束，即单横模、单纵模激光束，但工作在单模情况下的激光器，由于其腔损耗大，模体积小，其输出功率或能量通常会受到限制。为了提高功率或能量，就需要使用激光放大器。

激光放大器是指利用光的受激辐射进行光的能量(功率)放大的器件。通过采用激光放大器，可以在获得较高的激光能量或功率时还能够保持激光的质量(包括脉宽、线宽、偏振特性等)。

目前激光放大器输出功率的调节主要是通过改变泵浦功率来实现的，但这种方法在激光系统中会引起热透镜效应的变化，进而造成激光输出能量和光束质量的改变。因此在成熟的激光系统中，都是通过控制种子激光能量的大小，来改变最终输出激光的能量或功率，另外，在该系统中激光放大器都是基于定泵浦功率实现的。但这种改变种子激光能量大小，激光放大器定泵浦功率的模式存在一些问题：种子激光在整个激光器系统中造价很高，为实现激光系统能量可变，需要在种子激光输出端插入偏振器件控制入射端激光放大器的能量，造成资源上的种子激光输出参数的浪费。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于偏振合成激光增益的激光放大器。

本发明提出一种基于偏振合成激光增益的激光放大器，所述激光放大器包括：泵浦源1、聚焦耦合镜组2、全反镜3、偏振激光介质4、半波片5、45度法拉第旋转器6和偏振片7，其中：

所述泵浦源1、聚焦耦合镜组2、全反镜3、偏振激光介质4、半波片5、45度法拉第旋转器6和偏振片7依次光学同轴排列；

所述泵浦源1产生的泵浦光首先经过所述聚焦耦合镜组2的汇聚，再经过所述全反镜3，最后被所述偏振激光介质4吸收，使偏振激光介质粒子向激光上能级跃迁，形成粒子数反转；

种子激光沿泵浦光反向方向输入所述偏振片7后形成线偏振光，所述线偏振光依次进入所述45度法拉第旋转器6、半波片5和偏振激光介质4，当所述线偏振光经过形成粒子数反转的所述偏振激光介质4之后，所述线偏振光被放大，在所述全反镜3的作用之下，放大的线偏振光依次经过所述偏振激光介质4、半波片5和45度法拉第旋转器6，最后经所述偏振片7反射输出。

可选地，所述偏振激光介质4和半波片5组成偏振合成增益控制功能模块，通过旋转所述半波片5来控制所述激光放大器的合成激光增益。

可选地，所述泵浦源1为直接输出的半导体激光器，波长对应于所述偏振激光介质4的吸收峰；

所述聚焦耦合镜组2由两个正交放置的柱面镜和一个凸透镜组成，所述柱面镜一面为平面，另一面为凸面，且所述柱面镜的平面与泵浦源1相对。

可选地，所述泵浦源1为光纤耦合输出的半导体激光器，波长对应于所述偏振激光介质4的吸收峰；

所述聚焦耦合镜组2由两个平凸透镜组成，并且凸面相对。

可选地，所述全反镜3为平面镜、凹面镜和凸面镜中的一种，朝向所述偏振激光介质4的一侧镀有激光高反膜。

可选地，当所述偏振激光介质4热效应小于第一预设阈值时，所述全反镜3为平面镜；当所述偏振激光介质4热效应大于第二预设阈值时，所述全反镜3为凹面镜或者凸面镜，且其凹面或凸面朝向所述偏振激光介质4。

可选地，所述偏振激光介质4为具有偏振性质的激光介质，且具有晶体光轴。

可选地，所述半波片5为偏振器件，由单轴晶体制成，通光面平行于所述偏振激光介质4的光轴，通光方向垂直于所述偏振激光介质4的光轴。

可选地，所述45度法拉第旋转器6为利用法拉第磁光效应的旋转器。

可选地，所述偏振片7表面镀有P光高透膜和S光高反膜，以与光轴呈布儒斯特角或者45度角放置。

本发明提出的一种基于偏振合成激光增益的激光放大器通过半波片的旋转来控制激光放大器的增益，改变放大器输出能量大小，从而实现在放大器注入能量一定的条件下，即激光系统热效应不变的前提下，放大器本身实现增益的技术效果。与现有技术相比，采用本发明技术方案能够增加激光系统对输出能量的控制精度，由于其可以在放大器一端单独使用，从而避免了种子激光能量的浪费。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的一种基于偏振合成激光增益的激光放大器的结构示意图。

具体实施方式

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，对本发明进一步详细说明。

图1是根据本发明一实施例的一种基于偏振合成激光增益的激光放大器的结构示意图，如图1所示，所述激光放大器包括泵浦源1、聚焦耦合镜组2、全反镜3、偏振激光介质4、半波片5、45度法拉第旋转器6和偏振片7，其中：

所述泵浦源1、聚焦耦合镜组2、全反镜3、偏振激光介质4、半波片5、45度法拉第旋转器6和偏振片7依次光学同轴排列；

所述泵浦源1产生的泵浦光首先经过所述聚焦耦合镜组2的汇聚，再经过所述全反镜3，最后被所述偏振激光介质4所吸收，使偏振激光介质粒子向激光上能级跃迁，形成粒子数反转；

种子激光沿泵浦光反向方向输入所述偏振片7后形成了线偏振光，所述线偏振光依次进入所述45度法拉第旋转器6、半波片5和偏振激光介质4，当所述线偏振光经过形成粒子数反转的所述偏振激光介质4之后，所述线偏振光被放大，在所述全反镜3的作用之下，放大的线偏振光依次经过所述偏振激光介质4、半波片5和45度法拉第旋转器6，最后经所述偏振片7反射输出。

所述偏振激光介质4和半波片5组成了偏振合成增益控制功能模块，线偏振光首次经过所述半波片5之后，按照所述半波片5的光轴方向进行投影，分解为两个垂直方向上的线偏振光，所述偏振激光介质4具有偏振特性，两个偏振方向的受激发射截面是不同的，基于小信号增益等于受激发射截面与所述偏振激光介质4单位体积掺杂粒子的乘积，所述偏振激光介质4对两个方向上的线偏振光的增益不同，通过旋转所述半波片5可以改变两个方向上的线偏振光的比例，从而实现控制合成激光增益的效果。

在本发明一实施方式中，所述泵浦源1为直接输出的半导体激光器，其输出的泵浦光从光束截面上分解出来两个方向的泵浦光，波长对应于所述偏振激光介质4的吸收峰；所述聚焦耦合镜组2由两个正交放置的柱面镜和一个凸透镜组成，为减小柱面镜带来的球差，所述柱面镜一面为平面，另一面为凸面，且所述柱面镜的平面与泵浦源1相对；所述聚焦耦合镜组2中的两个柱面镜将所述泵浦源1分解出来的两个方向的泵浦光都整形为近似平行光束，所述聚焦耦合镜组2中的凸透镜对近似平行光束进行聚焦。

在本发明另一实施方式中，所述泵浦源1为光纤耦合输出的半导体激光器，波长对应于所述偏振激光介质4的吸收峰，由于光纤具有匀化作用，所述泵浦源1输出的泵浦光束截面上任意方向的发散角都相同；所述聚焦耦合镜组2由两个平凸透镜组成，并且凸面相对，靠近所述泵浦源1的凸面镜将所述泵浦源1输出光束变成平行光，远离所述泵浦源1的凸面镜将平行光进行聚焦。

在本发明一实施方式中，所述全反镜3可以为平面镜也可以为凹面镜或者凸面镜，当所述偏振激光介质4热效应很小时，比如小于第一预设阈值时，经过所述偏振激光介质4的光近似为平行光，所述全反镜3为平面镜，朝向所述偏振激光介质4的一侧镀有激光高反膜；当所述偏振激光介质4热效应明显时，比如大于第二预设阈值时，为了实现更好的效果，为使所述全反镜3的入射光线和反射光线重合，所述全反镜3为凹面镜或者凸面镜，其凹面或凸面朝向偏振激光介质4，且朝向所述偏振激光介质4的一侧镀有激光高反膜，其中，所述全反镜3凹面或凸面的选择由所述全反镜3与所述偏振增益介质4之间的距离而定，比如当所述偏振增益介质4产生正热透镜效应时，线偏振光经所述偏振激光介质4产生的放大激光会发生汇聚，此时，当所述全反镜3与所述偏振增益介质4之间的距离小于偏振激光介质4的热焦距时，所述全反镜3为凸面镜；当所述全反镜3与所述偏振增益介质4之间的距离大于偏振激光介质4的热焦距时，所述全反镜3为凹面镜。

其中，所述第一预设阈值和第二预设阈值可以相等也可以不相等，其具体数据可根据实际应用的需要进行确定，本发明对其不作具体限定。

在本发明一实施方式中，所述偏振激光介质4为具有偏振性质的激光介质，如Nd：YVO4、Nd：YAP、Nd：YLF等，这类晶体具有晶体光轴，晶体被泵浦后，经过偏振激光介质4的激光具有偏振特性。

在本发明一实施方式中，所述半波片5是一种偏振器件，通常由单轴晶体制成，其通光面平行于所述偏振激光介质4的光轴，通光方向垂直于所述偏振激光介质4的光轴，当偏振激光入射到所述半波片5表面时，可投影获得平行于光轴和垂直于光轴两个偏振方向上的激光，这两束光对应的折射率不同，在通光方向上传输时，两光束产生相位差。当晶体的厚度达到一定厚度时，两束光产生的相位差为π，这种波片为半波片，此时偏振激光从所述半波片5透射后，偏振状态不发生改变，仍为线偏振光，但偏振方向发生改变，透射后的偏振方向与入射偏振方向以光轴对称。

在本发明一实施方式中，所述45度法拉第旋转器6是一种利用法拉第磁光效应的旋转器，磁光效应指的是当偏振激光经过有磁场的空间传输时，偏振方向会发生旋转。利用这种效应制成的器件，称为法拉第旋转器，而所述45度法拉第旋转器6是将偏振方向旋转45度的法拉第旋转器。当线偏振光经过所述45度法拉第旋转器6到达偏振激光介质4时，所述45度法拉第旋转器6使线偏振光在其偏振方向上旋转了45度，当经所述偏振激光介质4放大的线偏振光再次经过所述45度法拉第旋转器6后时，所述45度法拉第旋转器6使放大的线偏振光在其偏振方向上再旋转45度，最后放大的线偏振光与输入的种子激光成垂直方向输出。

在本发明一实施方式中，所述偏振片7表面镀有P光高透膜和S光高反膜，以与光轴呈布儒斯特角或者45度角放置，种子激光通过所述偏振片7后，只能以P偏振光进入所述偏振激光介质4。当种子激光为偏振光，并且偏振方向与P光一致时，种子激光完全通过偏振激光介质4并放大，当种子激光的偏振方向与P光不一致时，种子激光只能部分通过偏振激光介质4并放大，当种子激光的偏振方向与P光方向垂直时，种子激光不能通过偏振激光介质4。

其中，所述偏振片7可以用PBS分光镜、格兰棱镜替代。

基于上述技术方案公开的激光放大器，其输出的能量和功率是可调的，当需要改变所述激光放大器输出的能量和功率时，可通过改变半波片5光轴与种子激光经45度法拉第旋转器6后激光出射偏振方向的夹角来实现，具体地，当改变半波片5光轴与种子激光经45度法拉第旋转器6后激光出射偏振方向的夹角时，经半波片5后的线偏振光的偏振方向与偏振激光介质4的x轴之间的夹角θ随之改变，此时，由于偏振激光介质4对不同方向光的增益不同，所以所述激光放大器的输出能量和功率也随之改变。

从原理上来说，所述45度法拉第旋转器6输出的线偏振光，经过可旋转的所述半波片5后，光束偏振方向随之改变，假设此时线偏振光的偏振方向与所述偏振激光介质4的x轴之间的夹角为θ，将光强I₀分别投影到所述偏振激光介质4的x和y方向，则x方向的光强为I_x＝I₀sin²θ，y方向的光强为I_y＝I₀cos²θ，由于所述偏振激光介质4对x和y两个方向光的增益不同，假设x和y方向的增益分别为G_x和G_y，则所述激光第二次经过偏振激光介质4时的放大光强为I_x＝I₀G_x ²sin²θ，I_y＝I₀G_y ²cos²θ，经半波片5作用之后的光强为I_a＝I₀G_x ²sin²θ+I₀G_y ²cos²θ＝I₀[(G_x ²-G_y ²)sin²θ+G_y ²]，由此可见，当改变θ数值时，就能够调节放大器的光强及输出的能量和功率。当半波片5旋转到某一角度，对应的θ角为0度时，所述激光放大器的光强为I_a＝I₀G_y ²，此时所述激光放大器具有最小功率或能量，当半波片5旋转到另一角度，对应的θ角为90度时，所述激光放大器的光强为I_a＝I₀G_x ²，此时所述激光放大器具有最大功率或能量。

在本发明一实施方式中，所述泵浦源1采用光纤耦合输出的半导体激光器，输出的泵浦光波长为808nm、功率为30W；所述聚焦耦合镜组2由两个平凸透镜构成，凸面相对，所述平凸透镜焦距分别为50和100mm，每个平凸透镜的两个镜面都镀有透过率大于99.5％的808nm增透膜，所述全反镜3为平凹透镜，凹面朝向所述偏振激光介质4，所述全反镜3曲率半径为100mm，平凹透镜的凹镜面镀有反射率大于99.9％的1064nm高反膜；所述偏振激光介质4为3×3×10mm的Nd：YVO4，晶体的两个端面都镀有透过率大于99.9％的1064nm增透膜；所述半波片5的通光口径为10mm，双侧都镀有1064nm增透膜，透过率大于99％；所述45度法拉第旋转器6通光口径为4mm，法拉第旋转器磁光晶体两侧镀有1064nm增透膜，透过率大于99％；所述偏振片7为45度放置的偏振片，表面镀有P光高透膜和S光高反膜，P光透过率大于98％，S光反射率大于99％，为了充分利用种子激光，种子激光以上述偏振片7的P偏振方向入射，种子激光沿泵浦光反向方向依次进入所述偏振片7、45度法拉第旋转器6和半波片5，当种子激光经过形成粒子数反转的Nd：YVO4之后，种子激光被放大，在全反镜3的作用之下，放大的激光依次经过Nd：YVO4、半波片5和45度法拉第旋转器6，最后经偏振片7反射输出。

当需要改变所述激光放大器输出的能量和功率时，改变所述半波片5光轴与种子激光经所述45度法拉第旋转器6后激光出射偏振方向的夹角，经所述半波片5后线偏振光偏振方向与Nd：YVO4x轴之间的夹角θ随之改变，此时，所述激光放大器的输出能量和功率也随之改变。当所述半波片5旋转到某一角度时，对应的θ角为0度时，所述激光放大器的光强为I_a＝1₀G_y ²，此时对应所述激光放大器的最小功率或能量，当半波片5旋转到另一角度，对应的θ角为90度时，所述激光放大器的光强为I_a＝I₀G_x ²，此时对应所述激光放大器的最大功率或能量。

本发明提出的基于偏振合成激光增益的激光放大器，能够在放大器注入能量一定的条件下，即激光系统热效应不变的前提下，通过旋转半波片，来实现控制激光放大器的合成激光增益，最终控制输出激光的能量大小的目的。具体地，对于本发明，在需要改变所述激光放大器的输出能量或功率时，只需要对半波片进行旋转，改变半波片的光轴与45度法拉第旋转器激光出射偏振方向之间的夹角即可。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于偏振合成激光增益的激光放大器，其特征在于，所述激光放大器包括：泵浦源(1)、聚焦耦合镜组(2)、全反镜(3)、偏振激光介质(4)、半波片(5)、45度法拉第旋转器(6)和偏振片(7)，其中：

所述泵浦源(1)、聚焦耦合镜组(2)、全反镜(3)、偏振激光介质(4)、半波片(5)、45度法拉第旋转器(6)和偏振片(7)依次光学同轴排列；

所述泵浦源(1)产生的泵浦光首先经过所述聚焦耦合镜组(2)的汇聚，再经过所述全反镜(3)，最后被所述偏振激光介质(4)吸收，使偏振激光介质粒子向激光上能级跃迁，形成粒子数反转；

种子激光沿泵浦光反向方向输入所述偏振片(7)后形成线偏振光，所述线偏振光依次进入所述45度法拉第旋转器(6)、半波片(5)和偏振激光介质(4)，当所述线偏振光经过形成粒子数反转的所述偏振激光介质(4)之后，所述线偏振光被放大，在所述全反镜(3)的作用之下，放大的线偏振光依次经过所述偏振激光介质(4)、半波片(5)和45度法拉第旋转器(6)，最后经所述偏振片(7)反射输出；

所述偏振激光介质(4)和半波片(5)组成偏振合成增益控制功能模块，通过旋转所述半波片(5)来控制所述激光放大器的合成激光增益；

当需要改变所述激光放大器输出的能量和功率时，通过改变半波片(5)光轴与种子激光经45度法拉第旋转器(6)后激光出射偏振方向的夹角来实现。

2.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述泵浦源(1)为直接输出的半导体激光器，波长对应于所述偏振激光介质(4)的吸收峰；

所述聚焦耦合镜组(2)由两个正交放置的柱面镜和一个凸透镜组成，所述柱面镜一面为平面，另一面为凸面，且所述柱面镜的平面与泵浦源(1)相对。

3.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述泵浦源(1)为光纤耦合输出的半导体激光器，波长对应于所述偏振激光介质(4)的吸收峰；

所述聚焦耦合镜组(2)由两个平凸透镜组成，并且凸面相对。

4.根据权利要求1-3任一所述的激光放大器，其特征在于，所述全反镜(3)为平面镜、凹面镜和凸面镜中的一种，朝向所述偏振激光介质(4)的一侧镀有激光高反膜。

5.根据权利要求4所述的激光放大器，其特征在于，当所述偏振激光介质(4)热效应小于第一预设阈值时，经过所述偏振激光介质(4)的光线为平行光，所述全反镜(3)为平面镜；当所述偏振激光介质(4)热效应大于第二预设阈值时，所述全反镜(3)的入射光线和反射光线重合，所述全反镜(3)为凹面镜或者凸面镜，且其凹面或凸面朝向所述偏振激光介质(4)。

6.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述偏振激光介质(4)为具有偏振性质的激光介质，且具有晶体光轴。

7.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述半波片(5)为偏振器件，由单轴晶体制成，通光面平行于所述偏振激光介质(4)的光轴，通光方向垂直于所述偏振激光介质(4)的光轴。

8.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述45度法拉第旋转器(6)为利用法拉第磁光效应的旋转器。

9.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述偏振片(7)表面镀有P光高透膜和S光高反膜，以与光轴呈布儒斯特角或者45度角放置。