多程光功率放大器制造技术

各向异性晶体，例如Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＬＦ、以及Ｎｄ：ＧｄＶＯ４，已经成为许多激光应用的较佳增益材料。不需要辅助补偿的各向异性增益介质会确保在通过该增益介质时不会有任何的激光模式衰降。并入各向异性增益介质的光功率放大器会利用多次冲程达到功率放大的目的，同时还会在每一次的冲程期间于激光和激升之间保持良好的模式匹配。本发明专利技术的较佳实施例在施行晶种激光射束（１００）多次通过各向异性增益介质（１０２）时在每一个冲程期间实质上会有零角射束移位。该多程系统提供省钱、可靠的方法来达到高功率ＴＥＭ００功率，以便符合微加工应用、通道钻凿应用、以及谐振转换应用的需求。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术关于用在高功率应用中的固态激光放大器。背景资讯光纤与半导体激光以及输出功率范围落在数瓦至数十瓦中的二极管激升固态 (DPSS)脉冲激光主要是应用在电子装置制造领域中的激光微加工。微加工应用需要用到高 脉冲重复频率(PRF)，其对应于范围从数奈秒至数微微秒，甚至数飞秒的激光脉冲时间持续 长度。典型的激光输出波长的范围是从红外光至紫外光。依赖于简易主振荡器的传统固态 激光的效能越来越无法赶上激光系统技术开发的整体步伐，其主要是因为单一振荡器有限 的脉冲重复率和功率放大作用。熟练的人士便会熟知，TEMcitl激光模式的功率放大作用会因主动激光激发介质里面 形成有像差的热透镜而受到限制。热透镜主要是由激光晶体中的温度梯度所造成并且会 让该晶体的折射率响应于不均勻的激升功率而产生变形。Peng，Xu和Asundi在2002年的 IEEE-Quantun Electronics，第38册，第9号中发表的「二极管激升Nd:YVO4激光的功率 放大」便证实最大激升功率会随着掺杂浓度反向改变；并且证实，利用808奈米激升波长和 0. 8公厘直径激升光点大小，0. 3%的掺杂钒酸盐晶体仅会让激升功率提升至40瓦。附图说明图1为 808奈米激升激光的最大激升功率与掺杂浓度的函数关系图。除了热透镜成形之外，最大 的入射激升功率还会受到激光晶体的热断裂限制。目前为止，端末激升钒酸盐激光所产生 的TEMcitl模式窄频宽与线性偏振射束可达到的最高输出功率小于30瓦，而所希的功率位准 则约100瓦。目前，因为受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering, SBS)及破 坏问题的关系，奈秒脉冲光纤激光并无法利用TEMtltl模式产生超过1千瓦的尖峰功率。达成高功率激光源需求的其中一种方式便是使用激光功率放大器。激光功率放大 器的优点是最终的功率输出可轻易地被放大，以便符合每一个不同应用的特殊需求。激光 功率放大器可能还会与不同的晶种激光(seed laser)配对，用以让晶种激光设计与制造具 有弹性。不过，在激光功率放大器中保持高质量射束与稳定输出则仍是一项技术上的挑战。典型的激光功率放大器是使用单程组态，其意味着晶种激光射束会通过增益介质 一次。Maik Frede等人在2007年的Optics Express，第15册，第2号中所发表的「用于重 力波侦测器的基态单频激光」便提出过其中一范例。在Maik Frede等人论文中所述且在 图2中所描绘的单程四级放大器仅会从具有1瓦晶种激光与45瓦激升功率的放大器中抽 出3W，其产生的光学至光学效率为6. 7 %。即使最新的单程功率放大器，通常会呈现源自二 极管激光激升光源的低抽出效率或高(40%至60%)光学转换率。不过，典型的二极管端 末激升钒酸盐激光振荡器则会有40%至60%的光学至光学转换效率。改良能量抽出效率的方法必须反向引导该激光射束使其多次通过增益材料，从而 增加增益，直到达成所希的功率放大为止。典型的多程放大器所产生的增益会远大于单程 放大器所产生的增益。多程功率放大器的合宜应用包含半导体装置连结处理(IR、绿光及 UV特制脉冲)，激光微加工(飞秒脉冲放大)，以及通道钻凿(高功率IR、绿光及UV激光)。 Palessmann等人的美国专利案第5，546，222号说明多程光放大器的数个实施例，其中四个3实施例出现在图3中。Palessmarm等人的专利案在10千赫兹处使用Nd:YLF十二程放大器 证实2. 5微焦耳的能量会被放大至45微焦耳，1. 6瓦的激升能量会聚集在放大器增益介质 中。如同传统的多程组态，其达到极大的增益(此例中为十二倍)，但却付出射束质量的代 价。有数件专利案说明过多程放大器；但是它们的共同问题是会在增益介质内产生激 光射束移位，移位会有两个固有的严重缺点。第一个缺点是，被激升的区域必须非常大，以 便涵盖不同冲程中所有的激光模式；否则，便会在激光与激升之间产生低效率的模式匹配 结果。第二个缺点是，增益介质中不均勻的激升分布(例如所谓的「超高斯」模式)会在每 一次的冲程造成激光射束功率分布中的变形，最后会导致激光射束质量衰降。所以，与具有 热透镜作用的激光腔相同之处在于需要用到补偿光学元件方能最佳化激光输出使其具有 较高的射束质量。此外，该些多程放大器通常需要非常复杂的光学架构，甚至可能需要特殊 形状的光学元件。更重要的是，多程激光射束通常会共享相同的两个或三个光学元件，因而 使其非常难以控制热透镜作用的影响。明确地说，这会在高功率应用中造成问题，因为每一 个冲程均会修正激光射束参数。Mclntyre的美国专利案第5，268，787号说明一种多程激光放大器的方法与设备， 但是并未解决热去偏振(thermal depolarization)的问题以及放大器中不必要的激光激 发作用(unwanted lasing)。其也无法在受到高功率光源激升时解决增益材料(其为激光 功率放大器的关键组成)如何影响该激光放大器的效能的问题。于YAG固态激光的情况 中，高功率激升含有严重的热双折射，从而会导致此架构中正交的偏振方向会呈现不同的 增益。在许多文章中已经观察到，描述过，且分析过在强烈光激升作用下YAG棒中的热诱发 双折射。Q. Lu等人在1996年的Optical Quantum Electronics，第28册，第57至69页中 所发表的「用于圆柱型Nd: YAG棒中双折射补偿的新颖方法」便显示出经由热双折射所造成 的激光射束去偏振作用会损耗25%的光学功率。Q. Lu等人描述到，经过谨慎设计的补偿方 法仅会降低5%的功率损耗。因此，控制与补偿激光放大器中的热双折射似乎为必要且重 要。Dymott的美国专利申请案第6，384，966号则解决此功率损耗问题，其通过重新排 列先前激光放大器设计的光学器件用以补偿热双折射，同时让激光射束多次通过该增益介 质。举例来说，在Dymott的专利案中，一四分之一波板会被放置在该增益介质与第一反射 镜之间。该份Dymott专利案详细说明该四分之一波板是被定向成让从一法拉第旋转器处 发出的线性偏振射束会通过该四分之一波板，而不会产生任何相位延迟。不过，因为热诱发 的双折射的关系，通过该增益材料一次的光通常会变成椭圆偏振。在两次通过该四分之一 波板时，该椭圆偏振的旋转方向会被反转，而且该增益材料中的热诱发双折射会被补偿。该份Dymott专利案说明在光功率放大器的设计中使用额外的光学器件来解决其 它问题。举例来说，于此放大器中需要用到一 45°偏振旋转器，或「法拉第旋转器」来分离 被放大的光与入射晶种光。但是，该等法拉第旋转器(Dymott专利的图1至5中的组件符 号2、4、23以及73)是被放置在难以控制激光射束光点大小的区域中，其可能会在高平均功 率应用与高尖峰功率应用的情况中造成破坏。另一范例为在每一个激光晶体的任一侧放置 一对凹面镜与凸面镜，以便建构一不稳定的腔体用以消弭非所希的激光激发作动。此外，高功率应用中强烈的热透镜还会在该放大器中充当主要透镜，从而造成该4腔体的不稳定性。如众所熟知者，热透镜作用的程度会随着PRF、冷却温度、以及激升功率而 改变。Dymot本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种配置多程光功率放大器用以实施激光能量的偏振相依放大的方法，以便产生具有小射束变形的激光输出，该方法包括：提供一具有第一与第二正交相关的增益轴的各向异性增益介质，其特征在于固有不同的轴增益及相关联的固有差异热双折射；引导一经偏振的晶种激光射束多次通过该各向异性增益介质，该等多次冲程中每一次冲程的晶种激光射束会沿着一共同射束路径传播而且实质上与该共同射束路径没有任何移位，且该晶种激光射束具有横越该共同射束路径的偏振方向；以及调整该经偏振的晶种激光射束的偏振方向让它们对齐增益介质的第一增益轴与第二增益轴，用以建立通过该增益介质的多次冲程中的数次冲程并且产生激光输出射束；借此，该晶种激光射束实质上与该射束路径没有任何移位会减少激光输出射束变形，而固有的差异热双折射则会增强激光输出能量抽出效率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭晓原，任文生，
申请(专利权)人：伊雷克托科学工业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[]