[发明专利]一种采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置和方法

权利要求书

1. 一种采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置，其特征在于包括第一泵浦源（1）、第一光学耦合系统第一透镜（2）、第一光学耦合系统第二透镜（3）、第一双色镜（4）、第一激光增益介质（5）、谐振腔高反镜（6）、谐振腔输出镜（7）、第二泵浦源（8）、第二光学耦合系统第一透镜（9）、第二光学耦合系统第二透镜（10）、第二双色镜（11）、第三泵浦源（12）、第三光学耦合系统第一透镜（13）、第三光学耦合系统第二透镜（14）、第三双色镜（15）、第二激光增益介质（16）、第四泵浦源（17）、第四光学耦合系统第一透镜（18）、第四光学耦合系统第二透镜（19）、第四双色镜（20）、第五泵浦源（21）、第五光学耦合系统第一透镜（22）、第五光学耦合系统第二透镜（23）、第五双色镜（24）、第三激光增益介质（25）、第六泵浦源（26）、第六光学耦合系统第一透镜（27）、第六光学耦合系统第二透镜（28）、第六双色镜（29）；第一泵浦源（1）、第一光学耦合系统第一透镜（2）、第一光学耦合系统第二透镜（3）、第一双色镜（4）、第一激光增益介质（5）、第二双色镜（11）、第二光学耦合系统第二透镜（10）、第二光学耦合系统第一透镜（9）、第二泵浦源（8）顺次相连，第三泵浦源（12）、第三光学耦合系统第一透镜（13）、第三光学耦合系统第二透镜（14）、第三双色镜（15）、第二激光增益介质（16）、第四双色镜（20）、第四光学耦合系统第二透镜（19）、第四光学耦合系统第一透镜（18）、第四泵浦源（17）顺次相连，第五泵浦源（21）、第五光学耦合系统第一透镜（22）、第五光学耦合系统第二透镜（23）、第五双色镜（24）、第三激光增益介质（25）、第六双色镜（29）、第六光学耦合系统第二透镜（28）、第六光学耦合系统第一透镜（27）、第六泵浦源（26）顺次相连，在第一双色镜（4）与第三双色镜（15）之间的光路上垂直放置有谐振腔高反镜（6），第二双色镜（11）与第四双色镜（20）之间的光路上垂直放置有谐振腔输出镜（7）。

2. 根据权利要求1所述的一种采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置，其特征在于所述的谐振腔高反镜（6）对激光的反射率大于99.5%，谐振腔输出镜（7）对激光的反射率为10%~90%。

3. 根据权利要求1所述的一种采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置，其特征在于所述的第一激光增益介质（5）和第二激光增益介质（16）为掺杂型激光材料，掺杂型激光材料为Nd:YVO4晶体或Nd:YAG晶体。

4. 根据权利要求1所述的一种采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置，其特征在于所述的第一光学耦合系统第一透镜（2）与第一光学耦合系统第二透镜（3），第二光学耦合系统第一透镜（9）与第二光学耦合系统第二透镜（10），第三光学耦合系统第一透镜（13）与第三光学耦合系统第二透镜（14），第四光学耦合系统第一透镜（18）与第四光学耦合系统第二透镜（19），第五光学耦合系统第一透镜（22）与第五光学耦合系统第二透镜（23）以及第六光学耦合系统第一透镜（27）与第六光学耦合系统第二透镜（28）两透镜的焦距比例为1:1 ~ 1:3。

5. 根据权利要求1所述的一种采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的装置，其特征在于所述的第一双色镜（4）、第二双色镜（11）、第三双色镜（15）和第四双色镜（20）、第五双色镜（24）或第六双色镜（29）与光路呈45°放置，第一双色镜（4）、第二双色镜（11）、第三双色镜（15）、第四双色镜（20）、第五双色镜（24）或第六双色镜（29）对谐振激光的反射率大于99.5%，并且对泵浦激光的反射率小于5%。

6. 一种采用如权利要求1所述装置的一种采用腔外波前自再现实现激光放大器中光束质量控制的方法，其特征在于它的步骤如下：

1)在激光振荡器内部的激光光束，其波前球差的强弱和正负在不同位置处具有不同的分布，通过调节谐振腔高反镜（6）与第一激光增益介质（5）的距离L1和第一激光增益介质（5）与谐振腔输出镜（7）的距离L2，满足L2为L1的2~5倍，此时，谐振腔内部的球差分布为：谐振腔高反镜（6）处的球差系数为0，光束传播到第一激光增益介质（5）的上端面出球差系数为-0.04~-0.03，第一激光增益介质（5）带有的正球差为+0.04±0.005，光束通过第一激光增益介质（5）后下端面处的球差系数为0~0.005，光束传播到谐振腔输出镜（7）处的球差系数变为0，光束再次回到第一激光增益介质（5）的下端面处时球差系数变为-0.005~0，通过第一激光增益介质（5）后上端面的球差系数为+0.03~+0.04，回到谐振腔高反镜（6）处的球差又变为0，如此往复；

2)激光振荡器输出的光束经过谐振腔高反镜（6）与第二激光增益介质（16）之间的距离L3之后进入第二激光增益介质（16），其中L3=L2，光束传播L3的距离之后到达激光放大器中第二激光增益介质（16）的下端面处，此时光束波前球差的强弱和正负与第一激光增益介质（5）的下端面处进入第一激光增益介质（5）的光束的光强和相位完全一致，球差大小为-0.005~0；光束经过第二激光增益介质（16）后，第二激光增益介质（16）所带的球差大小为+0.04±0.005，光束波前的球差变为+0.03~+0.04，此时光束质量变差，激光功率增加；

3)从第二激光增益介质（16）出射的光束传播与第二激光增益介质（16）距离为L4之后光束到达焦点位置，其中L4=L1，球差变为0，此时光束的波前的性质与激光振荡器中谐振腔高反镜（6）的性质完全相同，再传播焦点与第三激光增益之间的距离L5之后光束的球差反转为负球差，其中L5=L4，球差大小为-0.04~-0.03，此时通过第三激光增益介质（25）；

4)第三激光增益介质（25）所带的球差大小为+0.04±0.005，光束通过第三激光增益介质时光束所带的负球差被第三激光增益介质（25）中热透镜效应的正球差所补偿，光束出射后球差系数变为0~+0.005，光束质量变好，激光功率进一步增加，此时光束波前的性质与激光振荡器出射的光束波前性质近似一样，整个放大系统中光束质量变坏—变好的过程和激光谐振腔中光束自再现的情况相似，实现了光束波前在腔外自再现，从而有效地保证了激光放大器中光束质量控制，而且放大了激光光束的功率。