[发明专利]激光晶体通光口径扩大装置及其安装方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光放大装置，特别是一种基于拼接技术的激光晶体通光口径扩大装置及其安装方法。

背景技术

近年来，随着对强场科学的不断深入发展，对超强超短激光能量和强度要求的不断提高，各种光放大装置得到长足的发展，在这种系统中激光晶体是核心的器件，要得到大能量高强度的激光脉冲往往需要大通光口径的激光晶体和较强的泵浦光。但大尺寸的激光晶体，和高能量密度的泵浦光会同时带来一些问题，其中包括激光晶体生长技术所限，无法得到足够大的激光晶体；还有由于晶体横向尺寸加大而引起激光晶体侧面之间的激光寄生振荡，寄生振荡的存在会很大程度的消耗激光晶体上能级的粒子数密度，从而使得系统对脉冲种子光的放大效率降低，使得输出能量不能满足需要,这已得到了科研人员的证明，见文献【Klaus Ertel,Chris Hooker,Steve J.Hawkes,etal,OPTICS EXPRESS,16,8049,(2008)】，因此为了得到更强的激光脉冲，就需要加大激光晶体的通光口径，同时限制寄生振荡的产生。

我们以钛宝石作为激光晶体的飞秒激光放大系统为例，通过对F-N方程的运用，可以知道，对于所需要的飞秒脉冲能量密度，激光晶体内储存的能量起着关键性的作用。这由两方面因素所决定，吸收系数和泵浦光能量密度。如图1所示，在泵浦光分别为100焦耳和150焦耳时输出能量与晶体吸收系数的关系，光斑直径为3.4cm，其中横轴代表晶体吸收系数，纵轴代表输出能量。此时可以看出为达到所需的能量输出，泵浦光能量和吸收系数是关键参数。单从F-N方程上讲，大的激光脉冲输出需要较高的吸收系数和较高的泵浦能量密度，但单纯的加大泵浦光能量密度和改用吸收系数较大的激光晶体也会带来问题，如晶体的破坏和寄生振荡的产生。如图2所示，在泵浦光为100焦耳和60焦耳时，寄生振荡形成程度和晶体吸收系数的关系，光斑直径为3.4cm，根据激光晶体寄生振荡形成条件，图中纵轴代表寄生振荡的条件，RRG=1是代表寄生振荡形成，会对激光晶体上能级的粒子数密度产生较大的消耗。过高的泵浦光能量密度和过高的吸收系数会引起强烈的寄生振荡从而消耗激光晶体存储的能量，减小放大效率。通过拼接激光晶体，可以得到更大通光口径的激光晶体，这样可以在相同的泵浦能量的条件下得到较小的泵浦光能量密度，进而减小寄生振荡和对激光晶体毁伤的可能性。同时由于拼接激光晶体的特点，可以在接缝处填充折射率与激光晶体相近的胶质材料做的吸收体包边，片状匹配液循环冷却头或是片状TEC（半导体致冷器）冷却头等，减小寄生振荡和热效应。

拼接装置中，小口径激光晶体通光长度的不同会带来放大脉冲空间上不同位置的光程差，这些光程差会带来对放大的激光脉冲在时域和空间分布上的影响，在时域上表现为脉宽加宽乃至分裂成时间维度上的前后两个脉冲，在空间上的表现为光斑在焦点处变大甚至分裂，这也正是激光组束技术所面临的关键问题之一【孙玲，赵鸿等，激光与红外，37，111（2007）】。作为晶体拼接技术来讲可以先将激光晶体进行拼接固定再对激光晶体的通光表面用研模机进行打磨抛光，目前对激光晶体表面的打磨可以得到λ/10或更高，远高于会影响激光脉冲时域和空间分布影响的微米量级误差容限，从而避免因光在晶体内的光程差引起恶劣影响。另外，由于激光晶体多是各向异性的，所以不同光轴取向会对不同的波长产生不同的透过率从而对光谱产生调制，见文献【Yuxin Leng，Lihuang Lin，Wenyao Wang，Yunhua Jiang，etal，optics&laser technology，35，425（2003）】通过分析如图3和图4所示：对光谱的调制会使脉冲在时域上形成两个对称的旁瓣脉冲，不同的激光晶体光轴方向会使形成的旁瓣脉冲与主脉冲的时间距离产生不同，同时激光晶体的长度和光轴方向同样会影响调制深度，使形成的时域旁瓣脉冲的大小产生不同，较大的旁瓣会使主脉冲变弱。以两块激光晶体拼接为例，计算表明该拼接方式若光轴在垂直通光方向上的角度差小于10°则所产生的旁瓣在10%以下。拼接也会不可避免产生接缝，接缝的存在也会对放大脉冲的光斑产生影响，这种影响直接就会反映在聚焦光斑上，通过计算我们也得到图5和图6，图5代表光斑通过没有接缝的激光晶体和聚焦后的光斑形状，图6代表光脉冲通过有接缝的拼接激光晶体和聚焦后的脉冲形状。

发明内容

本发明的目的在于提供激光晶体通光口径扩大装置及其安装方法，该装置有效地扩大了激光晶体的口径，同时可以减小寄生振荡及热效应，且应用方便成本较低，易于实现。

本发明的技术解决方案如下：