具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

如图1所示，本发明提供了一种高效率的棒状激光放大器，包括脉冲种子源1、隔离调节单元、双程放大器主体和泵浦耦合控制单元，所述脉冲种子源1出射激光依次经过隔离调节单元和双程放大器主体，所述泵浦耦合控制单元提供泵浦能量，所述隔离调节单元沿出射激光前进方向依次包括隔离器3、第一半波片4和第一透镜5，所述双程放大器主体沿出射激光前进方向依次包括偏振分束器6、45°法拉第旋转器7、第二半波片8、第一反射镜9、增益介质10、第二透镜和第三反射镜13，所述泵浦耦合控制单元包括激光二极管15、耦合透镜组14和驱动电源16。

进一步作为本发明的优选实施例，所述隔离调节单元还包括滤光片2，所述滤光片2设置在隔离器3与脉冲种子源1之间。

进一步作为本发明的优选实施例，所述第二透镜为凸透镜，所述第二透镜与第三反射镜13的距离和所述第二透镜与增益介质出射端面的距离均等于第二透镜的焦距长度。

进一步作为本发明的优选实施例，所述双程放大器主体还包括第二反射镜11，所述第二反射镜11设置在增益介质10和第二凸透镜12之间。

进一步作为本发明优选实施例，所述第一反射镜9和第二反射镜11均为对种子激光波长具有高反射率和对泵浦光波长具有高透过率的反射镜。

具体的，在本实施例中，所述脉冲种子源为一台商用被动调Q微片激光器，输出激光中心波长为1064nm，脉冲宽度约950ps，重复频率1kHz，单脉冲能量39μJ。

可选地，所述滤光片2用以滤除出射激光中心波长外的其它成分，如808nm泵浦光。

所述隔离器3只允许激光单向通过，防止后向返回光对所述脉冲种子源1及其光路系统造成损害。

所述第一半波片4用以调节线偏振种子光的偏振角度，使之完全透过所述偏振分束器6。

所述第一透镜5为焦距100mm的凸透镜，用以调节种子激光进入增益介质时的光斑半径为300μm。

所述45°法拉第旋转器7可将激光偏振方向旋转45°。第二程放大后的激光再次通过时，由于磁光效应，偏振方向再次旋转45°，然后被所述偏振分束器6反射输出。

所述第二半波片8用以在激光进入增益介质前调节激光偏振角度，以获得最优放大效果。

所述第一反射镜9和第二反射镜11对1064nm种子激光具有高反射率，对878nm泵浦光具有高透过率。所述第一反射镜9反射种子激光和透射泵浦光进入增益介质10。所述增益介质10入射端面定义为靠近第一反射镜9的一面，出射端面定义为靠近第二反射镜11的一面。

所述增益介质10为a轴切割、掺杂浓度为0.3at.％、尺寸为3×3×(2+16+2)mm3的Nd:YVO4键合晶体。除激光出入射端面外，所述晶体四周由紫铜金属块包围散热，金属块内部有冷却液通道，辅之以去离子水循环水冷散热。

所述第二透镜12和第三反射镜13构成光学4f系统。所述第二透镜12为焦距100mm的凸透镜。所述第三反射镜13对1064nm激光具有高反射率。所述光学4f系统指，所述第二透镜12到第三反射镜13和到增益介质10出射端面的距离均等于第二透镜12的焦距长度。

所述激光二极管15输出878nm波长泵浦光，输出耦合光纤纤芯直径200μm。所述耦合透镜组包括两片凸面镜，经过调节使得泵浦光被聚焦为半径200μm，光腰落在距入射端面约3mm的所述键合晶体内部。此时种子光斑与泵浦光斑比值约为1.5，具有较优放大效果。所述驱动电源调节激光二极管15工作电流，使得激光二极管15输出重复频率为1kHz、脉宽和峰值功率可调的脉冲激光，脉冲时间形貌近似矩形波。通过调节延时可以使得泵浦脉冲和种子激光脉冲同步，获得最大放大效果。

下面详细说明本发明的高效率棒状激光放大器原理。如前所述，由脉冲种子源1发出的脉冲激光，经过由滤光片2、隔离器3、第一半波片4和第一透镜5依次组成的隔离调节单元后，进入双程放大结构主体。为了获得更好的放大效果，提高泵浦光转换效率，本实施例中，将种子光斑与泵浦光斑比值(以下简称光斑比)设置为1.5。光斑比＞1，意味着泵浦光斑较小，能量相对集中，种子光斑中强度较高的部分得到放大，最终使得总体增益较高。但是，如果在高强度连续泵浦的情况下，较小的泵浦光斑产生较大温度梯度，导致严重的热效应，大大恶化光束质量。在此情况下，改用脉冲泵浦方式可以有效减少热量积累，降低热效应。另一方面，由于重复频率较低(1kHz)，考虑到Nd:YVO4约为100μs，相较于连续泵浦，脉冲泵浦方式可以有效降低上能级反转粒子数在非放大过程中的消耗，提高泵浦能量转换效率。经过第一程放大后，泵浦能量仍有剩余，可以通过第二程放大进一步提取泵浦能量。借助所述光学4f系统，使得激光返回到所述增益介质10出射端面时，光斑形貌与从出射端面出射的光斑保持一致，进而保证在第二程放大过程中仍保持较优光斑比，获得较好放大效果，提高泵浦转换效率。

在本实施例中，在泵浦峰值功率56W，泵浦脉宽170μs条件下，单脉冲能量39μJ的种子激光经过双程放大后，脉冲能量可以提高至2.7mJ，峰值功率达3.55MW，相应泵浦转换效率为28.4％。请参阅图2。图2是此时放大激光的光束质量测量图。由图2可看出，此时放大激光仍然保持着较好的光束质量(x方向和y方向分别为1.25和1.35)，同时看出x方向和y方向光斑大小接近，光斑圆度高。另外，如果降低泵浦脉宽至60μs，泵浦转换效率可超过30％。

本发明采用端面泵浦棒状激光介质放大方式，输出光斑圆度高，无需光束整形；采用双程放大方式，结构简单紧凑，适于长期稳定使用；采用激光二极管脉冲泵浦方式，减少泵浦光额外消耗，降低热效应，提高泵浦光转换效率；种子光斑和泵浦光斑可调，种子光斑与泵浦光斑比值大于1，可以达到较优放大效果，提高泵浦光转换效率；结合4f光学系统，使激光在两次放大过程中均能保持较优的种子光斑与泵浦光斑比值，提高泵浦光转换效率；

一种高效率的棒状激光放大器的工作方法，包括：

脉冲种子源出射激光依次经过滤光片2、隔离器3、第一半波片4、第一透镜5、偏振分束器6、45°法拉第旋转器7、第二半波片8、第一反射镜9、增益介质10、第二反射镜11、第二凸透镜12和第三反射镜13；

激光二极管15作为泵浦源经耦合光纤输出后进入耦合透镜组14，透过所述第一反射镜9后垂直入射增益介质10端面；

所述滤光片2用于滤除出射激光中心波长外的其它成分；

所述隔离器3只允许激光单向通过，用于防止后向返回光对所述脉冲种子源1及其光路系统造成损害；

所述第一半波片4用于调节线偏振种子光的偏振角度，使之完全透过所述偏振分束器6；

所述所述第一透镜5用于调节种子激光进入增益介质10时的光斑半径为300μm；

所述45°法拉第旋转器7用于将激光偏振方向旋转45°；

所述第二半波片8用于在激光进入增益介质10前调节激光偏振角度；

所述第一反射镜9用于反射种子激光和透射泵浦光进入增益介质10；

所述耦合透镜组14用于调节泵浦光；

所述驱动电源16用于调节激光二极管15工作电流。

进一步作为本方法优选实施例，所述驱动电源16控制激光二级管15出射重复频率与种子激光相同的泵浦脉冲。

进一步作为本方法优选实施例，在所述增益介质10放大时，种子光斑与泵浦光斑大小比值大于1。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。