專利名稱：一種多光程薄片式激光放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及了一種多光程薄片式激光放大器。
背景技術(shù)：
薄片式固體激光器及光纖激光器是當(dāng)前激光技術(shù)的兩個(gè)最重大的進(jìn)展。激光介質(zhì)的熱效應(yīng)是限制固體激光器進(jìn)展的最重要的因素，高的功率(能量)與高的光束質(zhì)量是一對(duì)互相制約的矛盾參量。當(dāng)前燈泵浦或半導(dǎo)體激光器(LD)側(cè)面泵浦的棒狀固體激光器可以達(dá)到千瓦量級(jí)的激光功率，但光束質(zhì)量卻很差；要獲得較好的光束質(zhì)量，可采用LD端面泵浦，但其功率卻不能太大，一般在數(shù)十瓦之內(nèi)，因而既具有高功率(能量)又有高的光束質(zhì)量的激光器一直是很難實(shí)現(xiàn)。較為普遍的辦法是采用高質(zhì)量小型激光器加上激光放大器的辦法。激光放大器對(duì)于實(shí)現(xiàn)高功率激光具有重要的應(yīng)用價(jià)值，是一種重要的方法。薄片激光器的概念及最早設(shè)計(jì)都是由德國(guó)斯圖加特大學(xué)(MuttgartUniversity) 提出的。激光增益介質(zhì)(％:YAG和Nd = YVO4等晶體)一般為圓盤(pán)狀，厚度為0. 2mm左右。薄片粘貼在熱沉上，冷卻效率極高，其熱梯度為一維分布，熱梯度方向沿光束方向，因而減小了在橫向截面上的熱透鏡效應(yīng)、激光晶體熱畸變、光束熱偏折和雙折射效應(yīng)等熱致效應(yīng)。目前德國(guó)通快公司已生產(chǎn)了 8kW的連續(xù)(CW)激光器。薄片激光器的結(jié)構(gòu)以及其相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)均可以應(yīng)用于提高激光功率的激光放大器中。多光程激光放大器是提高激光功率重要途徑，其多光程結(jié)構(gòu)和泵浦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)放大器的性能至關(guān)重要。目前大多數(shù)激光放大器采用分散的光學(xué)元件使得種子激光多次通過(guò)不同的增益介質(zhì)，得到多次放大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單塊增益介質(zhì)的有效增益較低，放大后光束質(zhì)量較差。而高泵浦效率、高有效增益、高光束質(zhì)量的多光程放大器結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步改善?；谝陨显?，實(shí)用新型一種薄片式激光器結(jié)構(gòu)和多光程激光放大器相結(jié)合的多光程激光放大器的需求已成為本技術(shù)領(lǐng)域中亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本實(shí)用新型的目的在于提出一種多光程薄片式激光放大器，該實(shí)用新型解決了單塊增益介質(zhì)的有效增益較低，放大后光束質(zhì)量較差的問(wèn)題，優(yōu)化了泵浦光和激光的模式匹配，提高光束質(zhì)量，從而提高了放大后的激光功率。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，達(dá)到上述技術(shù)目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種多光程薄片式激光放大器，其特征在于，包括一個(gè)泵浦光路系統(tǒng)和一個(gè)激光光路系統(tǒng)，其信號(hào)走向?yàn)閺谋闷止庠瓷涑霰闷止馐?，穿透過(guò)光學(xué)耦合系統(tǒng)和雙色分束鏡， 從與泵浦光束平行的方向射入激光光束，經(jīng)輸入鏡反射到雙色分束鏡的表面，所述泵浦光束和激光光束在雙色分束鏡的表面交匯，形成泵浦光和激光的重合光束，以平行于拋物面反射鏡光軸的方向入射到拋物面反射鏡上，再反射到激光增益介質(zhì)薄片的表面，通過(guò)鏡面反射再斜射到拋物面反射鏡上，再經(jīng)反射，以平行于拋物面反射鏡的光軸入射到雙直角反射棱鏡組上，所述泵浦光和激光的重合光束經(jīng)過(guò)在拋物面反射鏡、激光增益介質(zhì)薄片和雙直角反射棱鏡組之間的折射和反射作用，最后以平行于入射光方向的輸出光束，射到輸出鏡上，通過(guò)反射作用，沿與拋物面反射鏡光軸垂直的方向輸出。優(yōu)選的，所述雙直角反射棱鏡組由第一直角反射棱鏡和第二個(gè)直角反射棱鏡構(gòu)成，所述直角反射棱鏡包括第一反射面、第二反射面和上表面，所述第一反射面和所述第二反射面相互垂直，所述第一反射面、所述第二反射面和所述上表面三個(gè)面交于點(diǎn)P ；所述直角反射棱鏡包括第三反射面、第四反射面、第一切割面和第二切割面，所述第三反射面和所述第四反射面相互垂直，所述第一切割面和所述第二切割面分別與底面成α角度，且關(guān)于所述第二直角反射棱鏡702的中間軸對(duì)稱分布，所述第一切割面和所述第二切割面交于點(diǎn) 0 ；所述第一直角反射棱鏡的點(diǎn)P和所述第二個(gè)直角反射棱鏡的點(diǎn)0相抵合，所述上表面與所述第一切割面重合構(gòu)成所述雙直角反射棱鏡組。優(yōu)選的，所述第一反射面、所述第二反射面、所述第三反射面、所述第四反射面均經(jīng)過(guò)鍍膜處理。優(yōu)選的，所述光學(xué)耦合系統(tǒng)為透鏡。優(yōu)選的，所述雙色分束鏡呈45°放置。優(yōu)選的，所述激光增益介質(zhì)薄片的一面設(shè)置有熱沉系統(tǒng)。優(yōu)選的，所述雙直角反射棱鏡組為角錐棱鏡。本實(shí)用新型的多光程薄片式激光放大器的工作流程如下以所述輸入鏡為起點(diǎn)，對(duì)激光在放大器結(jié)構(gòu)中的放大過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明激光經(jīng)過(guò) 45°放置的所述雙色分束鏡反射，入射到所述拋物面反射鏡，所述拋物面反射鏡、所述增益介質(zhì)薄片、所述雙直角反射棱鏡的共同作用使激光多次通過(guò)所述增益介質(zhì)薄片后，放大后的激光沿著平行于種子激光入射光路，但與其分離開(kāi)的光路經(jīng)所述輸出鏡輸出。泵浦光經(jīng)過(guò)幾次或者幾十次增益介質(zhì)吸收后將被完全消耗掉，而激光單程經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)次數(shù)越多，其增益越高，放大后激光功率越高。激光放大器增益和損耗的計(jì)算。假設(shè)一次完整的激光放大過(guò)程中，激光在增益介質(zhì)后表面經(jīng)過(guò)2η次反射，即激光共如次通過(guò)增益介質(zhì)(每一次反射都會(huì)使激光經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)兩次)。設(shè)單次通過(guò)增益介質(zhì)的小信號(hào)增益系數(shù)為gl，1為增益介質(zhì)薄片厚度，則一次完整的激光放大過(guò)程中的總的增益為如&1。而損耗主要為增益介質(zhì)吸收損耗，以及拋物面反射鏡、增益介質(zhì)薄片和雙直角反射棱鏡組的多次鏡面反射損耗，而相對(duì)于多光程引入的數(shù)倍或者數(shù)十倍的高增益，這些損耗很小，所以激光的多光程即經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)的次數(shù)對(duì)往返損耗影響很小。本實(shí)用新型所提出的多光程激光放大器中，放大后的輸出功率滿足關(guān)系式
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V '=1/其中，&為第i次通過(guò)增益介質(zhì)薄片時(shí)的平均激光增益系數(shù)，α為一次往返的總損耗?？梢缘玫?，由于放大過(guò)程中激光多次通過(guò)增益介質(zhì)，放大后的輸出激光功率隨著通過(guò)增益介質(zhì)的次數(shù)成指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的多光程薄片式激光放大器具有如下優(yōu)點(diǎn)1、提高泵浦效率。設(shè)放大過(guò)程中泵浦光或者激光有2η次被薄片反射，一次完整的激光放大過(guò)程中泵浦光穿過(guò)增益介質(zhì)薄片次數(shù)為如次，使得增益介質(zhì)能夠充分地吸收泵
4浦光，提高泵浦光的利用效率。同時(shí)彌補(bǔ)了增益介質(zhì)薄片厚度小、對(duì)泵浦光單次吸收效率低的缺點(diǎn)。2、采用泵浦光路和激光光路重合后，決定功率的放大過(guò)程的總的增益與激光單次通過(guò)增益介質(zhì)相比，是常規(guī)放大器增益的如倍。3、由于泵浦光和激光光束在增益介質(zhì)中的入射面不斷旋轉(zhuǎn)，使泵浦光和激光在增益介質(zhì)薄片中均勻分布，克服了由于熱效應(yīng)引起的不均勻或雙折射效應(yīng)的影響，有利于提高光束質(zhì)量。4、由于泵浦光與激光光路重合，泵浦光與信號(hào)光達(dá)到最佳匹配，大大提高泵浦光到激光的轉(zhuǎn)換效率，提高輸出的激光光束質(zhì)量。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1是本實(shí)用新型的多光程式激光放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖加是本實(shí)用新型的第一直角反射棱鏡701的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2b是本實(shí)用新型的第二直角反射棱鏡702的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3a是本實(shí)用新型的雙直角反射棱鏡組的安裝過(guò)程第一步的正視圖。圖北是本實(shí)用新型的雙直角反射棱鏡組的安裝過(guò)程第二步的正視圖。圖3c是本實(shí)用新型的雙直角反射棱鏡組的安裝過(guò)程第三步的正視圖。圖4是本實(shí)用新型的η = 2，α =45°時(shí)放大器的雙直角反射棱鏡組立體效果圖。圖5是本實(shí)用新型的η = 2，α = 45°時(shí)放大器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本實(shí)用新型的η = 2，α =45時(shí)放大器的拋物面反射鏡橫截面上的光點(diǎn)分布圖。圖7是本實(shí)用新型的η = 2，α = 45°時(shí)放大器的泵浦光光路展開(kāi)示意圖。圖8是本實(shí)用新型的η = 2，α = 45°時(shí)放大器的激光光路展開(kāi)示意圖。圖9a是本實(shí)用新型的η = 1時(shí)的放大器的拋物面反射鏡的橫截面上的光點(diǎn)分布圖。圖9b是本實(shí)用新型的η = 3時(shí)放大器的拋物面反射鏡的橫截面上的光點(diǎn)分布圖。圖9c是本實(shí)用新型的η = 4時(shí)放大器的拋物面反射鏡的橫截面上的光點(diǎn)分布圖。圖9d是本實(shí)用新型的η = 5時(shí)放大器的拋物面反射鏡的橫截面上的光點(diǎn)分布圖。圖9e是本實(shí)用新型的η = 6時(shí)放大器的拋物面反射鏡的橫截面上的光點(diǎn)分布圖。圖10為當(dāng)η = 2時(shí)一種特殊實(shí)施例時(shí)的放大器系統(tǒng)示意圖。圖11為圖10所示的放大器結(jié)構(gòu)圖情況下的拋物面反射鏡的橫截面上的光點(diǎn)分布圖。圖12為另一種特殊的實(shí)施例的放大器系統(tǒng)示意圖。圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明101泵浦光源，102光學(xué)耦合系統(tǒng)，103雙色分束鏡，104拋物面反射鏡，105激光增益介質(zhì)薄片，106激光增益介質(zhì)薄片的熱沉或冷卻系統(tǒng)，107雙直角反射棱鏡組，108輸入鏡，109輸出鏡，701第一直角反射棱鏡，702第二個(gè)直角反射棱鏡，Sl第一反射面、S2第二反射面，S3上表面，S4第一切割面，S5第二切割面，S6第三反射面、S7第四反射a箭頭表示種子激光的輸入，b箭頭表示放大后激光的輸出，c箭頭表示泵浦光的
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的介紹。如圖1所示，本實(shí)用新型提出的泵浦光路和激光光路合二為一的多光程薄片式激光放大器系統(tǒng)主要包括泵浦光源101，泵浦光源的光學(xué)耦合系統(tǒng)102，45°放置的雙色分束鏡103，拋物面反射鏡104，激光增益介質(zhì)薄片105，激光增益介質(zhì)薄片的熱沉或冷卻系統(tǒng) 106，雙直角反射棱鏡組107，輸入鏡108和輸出鏡109。所述系統(tǒng)中可以加入偏振片、濾波器等其它光學(xué)器件。如圖1所示，激光放大器激光光路部分是由輸入鏡108，45°放置的雙色分束鏡 103，拋物面反射鏡104，增益介質(zhì)薄片105，雙直角反射棱鏡組107和輸出鏡109組成。激光在激光放大器中的多光程放大過(guò)程以種子激光從輸入鏡108輸入為起點(diǎn)，激光經(jīng)過(guò)45° 放置的雙色分束鏡103反射，入射到拋物面反射鏡104，拋物面反射鏡104、增益介質(zhì)薄片 105、雙直角反射棱鏡組107的共同作用使激光多次通過(guò)增益介質(zhì)薄片105后，激光得到多次放大，放大后的激光沿著平行于種子激光入射光路，但與其分離開(kāi)的光路經(jīng)輸出鏡109 輸出。如圖1所示，激光放大器的泵浦光光路是由泵浦光源101，光學(xué)耦合系統(tǒng)102，45° 放置的雙色分束鏡103，拋物面反射鏡104，增益介質(zhì)薄片105和雙直角反射棱鏡組107組成。泵浦光經(jīng)45°放置的雙色分束鏡103進(jìn)入上面所述的諧振腔內(nèi)，入射到拋物面反射鏡 104，所述的拋物面反射鏡104、增益介質(zhì)薄片105、雙直角反射棱鏡組107的共同作用使泵浦光多次通過(guò)增益介質(zhì)薄片105而被增益介質(zhì)充分吸收，輸出的剩余泵浦光遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于初始泵浦光。如圖加所示，所述的雙直角反射棱鏡組107由直角反射棱鏡701和基于直角反射棱鏡701切割后的直角反射棱鏡702組成。如圖2b所示，圖1中所示的雙直角反射棱鏡組107中一個(gè)直角反射棱鏡701，其第一反射面Sl和第二反射面S2是兩個(gè)相互垂直的反射面，上表面S3是直角反射棱鏡701的上表面。其中，第一反射面Sl和第二反射面S2兩個(gè)面進(jìn)行鍍膜處理，以盡量降低泵浦光和激光在直角反射棱鏡701上反射時(shí)的損耗。如圖3所示，圖1中所示的雙直角反射棱鏡組107中第二直角反射棱鏡702，以及基于圖2所示的第一直角反射棱鏡701得到該第二直角反射棱鏡702的切割示意圖。第一切割面S4和第二切割面S5是第二直角棱鏡702的切割面，分別與底面成α角度，而且關(guān)于直角棱鏡的中間軸對(duì)稱分布。所述切割角度是泵浦光路和振蕩激光實(shí)現(xiàn)多光程的關(guān)鍵因素，決定了多光程的次數(shù)。所述切割角度α與激光在增益介質(zhì)薄片中的反射次數(shù)2η的關(guān)系為2ηα =180°。第三反射面S6和第四反射面S7是第二直角反射棱鏡702的兩個(gè)相互垂直的反射面，第三反射面S6和第四反射面S7都經(jīng)過(guò)鍍膜處理，以盡量降低泵浦光和激光在第二直角反射棱鏡702上反射時(shí)的損耗。如圖3a至圖北所示，利用圖加和圖2b所示的兩個(gè)直角反射棱鏡組成雙直角反射棱鏡組107的安裝過(guò)程。第一步，第一直角反射棱鏡701的點(diǎn)P和第二直角反射棱鏡702
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說(shuō)明 書(shū)4/9頁(yè)
81J 4 A如圖4所示，η = 2, α = 45°時(shí)雙直角反射棱鏡組立體效果圖。第一直角反射棱鏡701與第二直角反射棱鏡702組成了圖1中的雙直角反射棱鏡組107。其中第一反射面 Si，第二反射面S2，第三反射面S6，第四反射面S7四個(gè)面是雙直角反射棱鏡組107中關(guān)鍵的部分，起到將光的入射面不斷地旋轉(zhuǎn)的作用。如圖5所示，η = 2，α = 45°時(shí)放大器結(jié)構(gòu)的立體示意圖。泵浦光路和激光光路在圖5所示的部分相同。圖中箭頭表示泵浦光或者激光的傳輸方向。激光增益介質(zhì)薄片 105的中心和雙直角反射棱鏡組107的中心均位于拋物面反射鏡104的軸線上。激光增益介質(zhì)薄片105還位于拋物面反射鏡104的焦點(diǎn)上。而且，考慮了激光增益介質(zhì)薄片105表面的折射效應(yīng)后，拋物面反射鏡104的焦點(diǎn)準(zhǔn)確地位于激光增益介質(zhì)薄片105的后表面的中心，以便于平行于拋物球面鏡104的光軸入射到拋物球面鏡104上時(shí)能夠準(zhǔn)確地聚焦在激光增益介質(zhì)薄片105的后表面的中心，并發(fā)生鏡面反射。如圖5所示，由于激光和泵浦光光路相同，所以以激光在圖5所示的結(jié)構(gòu)中傳輸為例。由于拋物面反射鏡104、增益介質(zhì)薄片105和雙直角反射棱鏡組107組成的結(jié)構(gòu)，使得激光每次經(jīng)過(guò)雙直角反射棱鏡組107的反射時(shí)激光的入射面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而使得激光經(jīng)過(guò)拋物面反射鏡104聚焦后入射到增益介質(zhì)薄片105時(shí)的入射面和反射面(入射面和反射面共面)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。如圖5所示，η = 2，α =45°時(shí)的實(shí)施例中，激光經(jīng)過(guò)直角反射棱鏡 701反射2次，在直角反射棱鏡702反射1次，因此激光在雙直角反射棱鏡組107上共產(chǎn)生 3次入射面旋轉(zhuǎn)，共有4種入射面分布。如圖5所示，激光共在增益介質(zhì)薄片105上反射3 次，每一次的反射面之間有一定夾角，所以激光能夠均勻地多光程通過(guò)增益介質(zhì)薄片，有利于提高增益介質(zhì)薄片105的利用效率，充分地消耗反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，同時(shí)有利于消除熱效應(yīng)，有利于提高光束質(zhì)量。同理，對(duì)于泵浦光，由于拋物面反射鏡104、增益介質(zhì)薄片105和雙直角反射棱鏡組107組成的結(jié)構(gòu)，使得泵浦光每次通過(guò)增益介質(zhì)薄片105時(shí)入射面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。在如圖5 所示，η = 2，α =45°時(shí)的實(shí)施例中，泵浦光共在增益介質(zhì)薄片105上反射3次，每一次的反射面之間有一定的夾角，所以泵浦光能夠均勻地多光程通過(guò)增益介質(zhì)薄片，有利于增益介質(zhì)薄片105對(duì)泵浦光進(jìn)行均勻地充分地吸收，提高泵浦光利用效率，充分地提高反轉(zhuǎn)粒子數(shù)。而本實(shí)用新型提出的如圖5所示的結(jié)構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)是，泵浦光路和激光光路在圖5所示的結(jié)構(gòu)中完全重合，結(jié)合泵浦光和激光在圖5所示的結(jié)構(gòu)中的入射面旋轉(zhuǎn)的優(yōu)勢(shì)，使得泵浦光和激光的模式匹配更有優(yōu)化，更加有利于提高光光轉(zhuǎn)換效率，提高光束質(zhì)量。如圖6所示，η = 2, α = 45°時(shí)拋物面反射鏡104的橫截面上的光點(diǎn)分布圖。如圖7所示η = 2，α = 45°時(shí)泵浦光光路展開(kāi)圖。如圖8所示，n = 2，α = 45°時(shí)激光光路展開(kāi)圖。[0065]下面結(jié)合圖5，6，7，8對(duì)η = 2，α = 45°時(shí)的實(shí)施例進(jìn)行詳述。泵浦光光路實(shí)施過(guò)程。如圖5，6，7所示，泵浦光沿箭頭所示方向(如圖5所示) 入射，首先平行于拋物面反射鏡104的光軸入射到拋物面反射鏡104的點(diǎn)1上，經(jīng)拋物面反射鏡104聚焦到激光增益介質(zhì)薄片105，并進(jìn)入激光增益介質(zhì)薄片105，泵浦光被激光增益介質(zhì)薄片105吸收，用于產(chǎn)生增益介質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。泵浦光在激光增益介質(zhì)薄片105 后表面發(fā)生鏡面反射，再次通過(guò)激光增益介質(zhì)薄片105，激光增益介質(zhì)薄片105對(duì)泵浦光再次進(jìn)行吸收用于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。泵浦光經(jīng)由激光增益介質(zhì)薄片105出射后，斜入射到拋物面反射鏡104的點(diǎn)2上，經(jīng)拋物面反射鏡104反射后，平行于拋物面反射鏡104的光軸入射到直角反射棱鏡701的第一反射面Si，經(jīng)第一反射面Sl反射到直角反射棱鏡701的第二反射面S2，再平行入射到拋物面反射鏡104的點(diǎn)3上，經(jīng)拋物面反射鏡104反射，聚焦到激光增益介質(zhì)薄片105上。經(jīng)過(guò)激光增益介質(zhì)薄片105吸收、后表面鏡面反射和激光增益介質(zhì)薄片105再吸收，斜入射到拋物面反射鏡104的點(diǎn)4上，經(jīng)拋物面反射鏡104反射后，平行于拋物面反射鏡104的光軸入射到直角反射棱鏡702的第三反射面S6，經(jīng)第三反射面S6反射到直角反射棱鏡702的第四反射面S7，再平行入射到拋物面反射鏡104的點(diǎn)5上(點(diǎn)5與點(diǎn)4未重合，重合只是其一種特殊情況，下面的特殊實(shí)施例中將詳述)。經(jīng)拋物面反射鏡104 反射，聚焦到激光增益介質(zhì)薄片105上，經(jīng)過(guò)激光增益介質(zhì)薄片105吸收、后表面鏡面反射和激光增益介質(zhì)薄片105再吸收，斜入射到拋物面反射鏡104的點(diǎn)6上(點(diǎn)6與點(diǎn)3未重合，重合只是其一種特殊情況，下面的特殊實(shí)施例中將詳述)，經(jīng)拋物面反射鏡104反射后， 平行于拋物面反射鏡104的光軸入射到直角反射棱鏡701的第二反射面S2上，經(jīng)直角反射棱鏡701的直角反射，入射到直角反射棱鏡701的第一反射面Si，再平行入射到拋物面反射鏡104的點(diǎn)7上(點(diǎn)7與點(diǎn)2未重合，重合只是其一種特殊情況，下面的特殊實(shí)施例中將詳述)。經(jīng)拋物面反射鏡104反射，聚焦到激光增益介質(zhì)薄片105上，經(jīng)過(guò)激光增益介質(zhì)薄片 105吸收、后表面鏡面反射和激光增益介質(zhì)薄片105再吸收，斜入射到拋物面反射鏡104的點(diǎn)8上(點(diǎn)8與點(diǎn)1未重合，重合只是其一種特殊情況，下面的特殊實(shí)施例中將詳述)。最終經(jīng)拋物面反射鏡104的反射后，平行于拋物面反射鏡104的光軸輸出。形成完整的泵浦光傳輸過(guò)程。泵浦光完成該完整的傳輸過(guò)程后，大部分已被增益介質(zhì)吸收，輸出的剩余泵浦光遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于初始泵浦光。根據(jù)上述對(duì)泵浦光光路實(shí)施過(guò)程，該實(shí)施例中，即η = 2，α =45°時(shí)，一次泵浦光的完整傳輸過(guò)程，泵浦光經(jīng)激光增益介質(zhì)薄片105反射4次，共8次通過(guò)激光增益介質(zhì)薄片 105，即激光增益介質(zhì)薄片105共吸收泵浦光8次，即如次(本實(shí)施例中η =幻。因此，泵浦光在放大器中的傳輸過(guò)程，使得相對(duì)于常規(guī)的放大器，激光增益介質(zhì)薄片105對(duì)泵浦光的吸收次數(shù)大大增加，等效于增加了增益介質(zhì)薄片105的有效吸收厚度，增益介質(zhì)薄片105 能夠充分地吸收泵浦光，提高泵浦光的利用效率，彌補(bǔ)了增益介質(zhì)薄片厚度小、對(duì)泵浦光單次吸收少的缺點(diǎn)。多光程中泵浦光多次經(jīng)過(guò)拋物面反射鏡104、增益介質(zhì)薄片105和雙直角反射棱鏡組107的反射引入一定的損耗，但這些損耗均很小，且泵浦光多次通過(guò)增益介質(zhì)薄片105大大增大了泵浦光的吸收和利用效率，完全可以忽略上述損耗。激光放大過(guò)程分析。如圖5，6，8所示，以輸入鏡108為激光放大過(guò)程的起點(diǎn)，激光經(jīng)沿箭頭所示方向(如圖5所示)入射，首先平行于拋物面反射鏡104的光軸入射到拋物面反射鏡104的點(diǎn)1上，經(jīng)拋物面反射鏡104聚焦到激光增益介質(zhì)薄片105，并進(jìn)入激光增益介質(zhì)薄片105，激光消耗激光增益介質(zhì)薄片105的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，獲得單次增益。激光在激光增益介質(zhì)薄片105后表面發(fā)生鏡面反射，再次通過(guò)激光增益介質(zhì)薄片105，激光再次消耗激光增益介質(zhì)薄片105的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，再次獲得增益。激光經(jīng)由激光增益介質(zhì)薄片105 出射后，斜入射到拋物面反射鏡104的點(diǎn)2上，經(jīng)拋物面反射鏡104反射后，平行于拋物面反射鏡104的光軸入射到直角反射棱鏡701的Sl面，經(jīng)Sl面反射到直角反射棱鏡701的 S2面，再平行入射到拋物面反射鏡104的點(diǎn)3上。經(jīng)拋物面反射鏡104反射，聚焦到激光增益介質(zhì)薄片105上，經(jīng)過(guò)消耗激光增益介質(zhì)薄片105的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)獲得增益、后表面鏡面反射和再次消耗激光增益介質(zhì)薄片105的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)再次獲得增益，斜入射到拋物面反射鏡104的點(diǎn)4上。經(jīng)拋物面反射鏡104反射后，平行于拋物面反射鏡104的光軸入射到直角反射棱鏡702的S6面，經(jīng)S6面反射到直角反射棱鏡702的S7面，再平行入射到拋物面反射鏡104的點(diǎn)5上(點(diǎn)5與點(diǎn)4未重合，重合只是其一種特殊情況，下面的特殊實(shí)施例中將詳述)。經(jīng)拋物面反射鏡104反射，聚焦到激光增益介質(zhì)薄片105上，經(jīng)過(guò)消耗激光增益介質(zhì)薄片105的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)獲得增益、后表面鏡面反射和再次消耗激光增益介質(zhì)薄片105 的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)再次獲得增益，斜入射到拋物面反射鏡104的點(diǎn)6上(點(diǎn)6與點(diǎn)3未重合，重合只是其一種特殊情況，下面的特殊實(shí)施例中將詳述)。經(jīng)拋物面反射鏡104反射后，平行于拋物面反射鏡104的光軸入射到直角反射棱鏡701的S2面上，經(jīng)直角反射棱鏡701的直角反射，入射到直角反射棱鏡701的Sl面，再平行入射到拋物面反射鏡104的點(diǎn)7上(點(diǎn) 7與點(diǎn)2未重合，重合只是其一種特殊情況，下面的特殊實(shí)施例中將詳述)。經(jīng)拋物面反射鏡104反射，聚焦到激光增益介質(zhì)薄片105上，經(jīng)過(guò)消耗激光增益介質(zhì)薄片105的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)獲得增益、后表面鏡面反射和再次消耗激光增益介質(zhì)薄片105的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)再次獲得增益，斜入射到拋物面反射鏡104的點(diǎn)8上(點(diǎn)8與點(diǎn)1未重合，重合只是其一種特殊情況， 下面的特殊實(shí)施例中將詳述)。然后經(jīng)拋物面反射鏡104的在點(diǎn)8處的反射后，平行于拋物面反射鏡104的光軸輸出，同樣平行于種子激光的入射光路，但與其分離開(kāi)(重合是一種特殊情況，下面的特殊實(shí)施例中將詳述)。經(jīng)過(guò)多光程放大后的激光，最終經(jīng)過(guò)輸出鏡109輸出ο結(jié)合上述對(duì)激光諧振過(guò)程的詳細(xì)分析，該實(shí)施例中，即η = 2，α =45°時(shí)，一次完整的激光多光程放大過(guò)程，激光經(jīng)激光增益介質(zhì)薄片105反射4次，共8次通過(guò)激光增益介質(zhì)薄片105，即激光共獲得8次增益，即如次(本實(shí)施例中η = 4)。因此，一次完整的激光放大過(guò)程中，激光在增益介質(zhì)后表面經(jīng)過(guò)2η次反射，即激光共如次通過(guò)增益介質(zhì)，則一次完整的激光放大過(guò)程中的總的小信號(hào)增益為如&1。決定激光放大功率的總的增益是激光單次通過(guò)增益介質(zhì)的如倍。而損耗主要為增益介質(zhì)105的吸收損耗，以及拋物面反射鏡104、增益介質(zhì)薄片105和雙直角反射棱鏡組107的反射損耗，而相對(duì)于多光程引入的數(shù)倍或者數(shù)十倍的高增益，這些損耗均很小，所以振蕩激光的多光程即經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)薄片105 的次數(shù)對(duì)往返損耗影響不大。根據(jù)上述公式(1.1)可得，本實(shí)用新型提出的泵浦光路和激光光路合二為一的放大器結(jié)構(gòu)，能夠有效提高放大過(guò)程的總增益，而損耗保持不變，則激光輸出功率成指數(shù)增長(zhǎng)。根據(jù)上述泵浦光傳輸過(guò)程和激光放大過(guò)程，并結(jié)合圖4，5，6，對(duì)于η = 2，α = 45°時(shí)的實(shí)施例，對(duì)于拋物面反射鏡上光線的入射點(diǎn)1，2，3，4，5，6，7，8進(jìn)行說(shuō)明。它們之間存在如下固定的關(guān)系1與2關(guān)于增益介質(zhì)薄片105對(duì)稱分布；2與3關(guān)于直角反射棱鏡701的脊(即Sl與S2面的交線)對(duì)稱分布；3與4關(guān)于增益介質(zhì)薄片105對(duì)稱分布；4與 5關(guān)于直角反射棱鏡702的脊(即S6與S7面的交線)對(duì)稱分布；5與6關(guān)于增益介質(zhì)薄片 105對(duì)稱分布；6與7關(guān)于直角反射棱鏡701的脊對(duì)稱分布；7與8關(guān)于增益介質(zhì)薄片105 對(duì)稱分布。而通過(guò)調(diào)節(jié)點(diǎn)1的位置，可以使1與8、2與7、3與6、4與5之間的距離產(chǎn)生變化。當(dāng)點(diǎn)1靠近圖6所示陰影部分中心線時(shí)，1與8、2與7、3與6、4與5之間的距離將逐漸減?。划?dāng)當(dāng)點(diǎn)1位于圖6所示陰影部分中心線時(shí)，1與8重合、2與7重合、3與6重合、4與5 重合，該特殊的光點(diǎn)分布圖如圖10所示和該特殊實(shí)施例如圖11所示；圖6所示陰影部分中心線將陰影部分分為兩部分，當(dāng)點(diǎn)1位于其中一部分的中心時(shí)(圖6所示的情況)，1與8、 2與7、3與6、4與5之間的距離相等，且點(diǎn)1，2，3，4，5，6，7，8均勻地分布拋物面反射鏡104 上，此時(shí)對(duì)于泵浦光和激光在增益介質(zhì)薄片105中的入射面都均勻地、等間隔地分布，該情況下對(duì)于減少熱效應(yīng)的效果最好，有利于提高光束質(zhì)量。圖9a至9e展示了 η= 1，3，4，5，6的拋物面鏡的橫截面上的光點(diǎn)分布圖。結(jié)合上述對(duì)η = 2，α =45°時(shí)的實(shí)施例詳述過(guò)程和圖2_8，可分析出各實(shí)施例中的泵浦光傳輸過(guò)程和激光放大過(guò)程。所述的η與切割角度α存在關(guān)系η α =90°。下面簡(jiǎn)要分析如下如圖9a所示，η = 1時(shí)，直角反射棱鏡702的切割角度α =90°，即雙直角反射棱鏡組107僅采用一塊直角反射棱鏡701。本實(shí)施例中，一次完整的激光放大過(guò)程中，泵浦光在激光增益介質(zhì)薄片105后表面發(fā)生鏡面反射2次，共4次通過(guò)激光增益介質(zhì)薄片105， 即激光增益介質(zhì)薄片105共吸收泵浦光4次，即如次(本實(shí)施例中η = 1)；—次完整的激光放大過(guò)程中，激光在激光增益介質(zhì)薄片105后表面經(jīng)過(guò)2次反射，即激光共4次通過(guò)激光增益介質(zhì)薄片105，獲得4次增益，即如次(本實(shí)施例中η = 1)，則一次完整的激光放大過(guò)程中的總的小信號(hào)增益為4&1。如圖9b所示，η = 3時(shí)，直角反射棱鏡702的切割角度α = 30°。本實(shí)施例中， 一次往返過(guò)程中，泵浦光在激光增益介質(zhì)薄片105后表面發(fā)生鏡面反射6次，共12次通過(guò)激光增益介質(zhì)薄片105，即激光增益介質(zhì)薄片105共吸收泵浦光12次，即如次(本實(shí)施例中η =幻；一次完整的激光放大過(guò)程中，激光在激光增益介質(zhì)薄片105后表面經(jīng)過(guò)6次反射，即激光共12次通過(guò)激光增益介質(zhì)薄片105，獲得12次增益，即如次(本實(shí)施例中η = 3)，則一次完整的激光放大過(guò)程中的總的小信號(hào)增益為8&1。如圖9c所示，η = 4時(shí)，直角反射棱鏡702的切割角度α = 22. 5°。本實(shí)施例中， 一次完整的激光放大過(guò)程中，泵浦光在激光增益介質(zhì)薄片105后表面發(fā)生鏡面反射8次，共 16次通過(guò)激光增益介質(zhì)薄片105，即激光增益介質(zhì)薄片105共吸收泵浦光16次，即如次 (本實(shí)施例中η = 4)；—次完整的激光放大過(guò)程中，激光在激光增益介質(zhì)薄片105后表面經(jīng)過(guò)8次反射，即激光共16次通過(guò)激光增益介質(zhì)薄片105，獲得16次增益，即如次(本實(shí)施例中η = 4)，則一次完整的激光放大過(guò)程中的總的小信號(hào)增益為16&1。如圖9d所示，η = 5時(shí)，直角反射棱鏡702的切割角度α = 18°。本實(shí)施例中， 一次往返過(guò)程中，泵浦光在激光增益介質(zhì)薄片105后表面發(fā)生鏡面反射10次，共20次通過(guò)激光增益介質(zhì)薄片105，即激光增益介質(zhì)薄片105共吸收泵浦光20次，即如次(本實(shí)施例中η =幻；一次完整的激光放大過(guò)程中，激光在激光增益介質(zhì)薄片105后表面經(jīng)過(guò)10次反射，即激光共20次通過(guò)激光增益介質(zhì)薄片105，獲得20次增益，即如次(本實(shí)施例中η = 5)，則一次完整的激光放大過(guò)程中的總的小信號(hào)增益為20&1。
1[0076]如圖9e所示，η = 6時(shí)，直角反射棱鏡702的切割角度α = 15°。本實(shí)施例中， 一次往返過(guò)程中，泵浦光在激光增益介質(zhì)薄片105后表面發(fā)生鏡面反射12次，共M次通過(guò)激光增益介質(zhì)薄片105，即激光增益介質(zhì)薄片105共吸收泵浦光M次，即如次(本實(shí)施例中η = 6)；—次完整的激光放大過(guò)程中，激光在激光增益介質(zhì)薄片105后表面經(jīng)過(guò)12次反射，即激光共M次通過(guò)激光增益介質(zhì)薄片105，獲得M次增益，即如次(本實(shí)施例中η = 6)，則一次完整的激光放大過(guò)程中的總的小信號(hào)增益為Μ&1。如圖10所示，對(duì)于η = 2，α =45°時(shí)，當(dāng)點(diǎn)1位于圖6所示陰影部分中心線時(shí)， 1與8重合、2與7重合、3與6重合、4與5重合，即輸入的泵浦光c或者輸入的種子激光a 在放大器中傳輸時(shí)形成一個(gè)折返過(guò)程，折返點(diǎn)為直角反射棱鏡702的脊(即S6與S7面的交線)。激光垂直入射到直角反射棱鏡702的脊時(shí)能夠原路返回。如圖11所示，在圖10所示的情況下的放大器結(jié)構(gòu)圖。放大后的激光與入射種子激光光路完全重合，加入四分之一波片后，使輸入種子激光和放大后的激光偏振方向垂直， 利用45°偏振分束鏡將放大后的激光輸出。圖12為一種特殊的實(shí)施例。通過(guò)改變圖1所示的多光程激光放大器的結(jié)構(gòu)得到不同的多光程形式。圖12所示的結(jié)構(gòu)是將激光入射到雙直角反射棱鏡組107的某塊區(qū)域切除或挖空，使經(jīng)過(guò)數(shù)次放大后的激光輸出。具體地，對(duì)于η = 2，α =45°時(shí)，在圖6所示的結(jié)構(gòu)中，相當(dāng)于把直角反射棱鏡702對(duì)應(yīng)于點(diǎn)8的部分切除，使激光輸出；如果將直角反射棱鏡701對(duì)應(yīng)于點(diǎn)6的部分切除，則激光經(jīng)過(guò)6次放大后輸出，減少了 2次放大過(guò)程； 如果將直角反射棱鏡701對(duì)應(yīng)于點(diǎn)4的部分切除，則激光經(jīng)過(guò)4次放大后輸出，減少了 4次放大過(guò)程。圖12所述的實(shí)施例同樣適用于在拋物面反射鏡104相應(yīng)的部分切割或挖空，使經(jīng)過(guò)若干次放大后的激光輸出。具體地，對(duì)于η = 2，α =45°時(shí)，將拋物面反射鏡104的點(diǎn) 8區(qū)域挖空，使激光在點(diǎn)8處輸出(但輸出方向與種子激光輸入方向不平行)，則在不減少對(duì)種子激光放大次數(shù)的基礎(chǔ)上，改變了放大器的輸出方式；將拋物面反射鏡104的點(diǎn)7區(qū)域挖空，使激光在點(diǎn)7處輸出，則放大后的激光平行于拋物面反射鏡104的光軸輸出，但激光經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)薄片105的次數(shù)減少一次，放大次數(shù)減少兩次。因此，基于本實(shí)用新型提出的結(jié)構(gòu)和思想的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變激光輸入或者輸出方式的結(jié)構(gòu)都屬于本實(shí)用新型的范疇。其它相關(guān)的多光程激光放大器實(shí)施例，包括所述的雙直角反射棱鏡組107采用其它能夠?qū)崿F(xiàn)相同功能作用的光學(xué)器件或者組合代替；所述的諧振腔中加入其它光學(xué)元件例如非線性光學(xué)晶體、調(diào)Q晶體等；所述的泵浦系統(tǒng)中的泵浦光源101、光學(xué)耦合系統(tǒng)102、 45°放置的雙色分束鏡103采用其它等效功能的器件和結(jié)構(gòu)，均可采用上述說(shuō)明進(jìn)行相應(yīng)分析，均在本實(shí)用新型所述的多光程激光放大器范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種多光程薄片式激光放大器，其特征在于，激光放大器活性介質(zhì)薄片的泵浦光路、 被放大的注入激光光路皆處在同軸光路中，都經(jīng)過(guò)一個(gè)多光程的反射傳輸過(guò)程，它包括一個(gè)泵浦光路系統(tǒng)和一個(gè)激光光路系統(tǒng)，其信號(hào)走向?yàn)閺谋闷止庠?101)射出泵浦光束，穿透過(guò)光學(xué)耦合系統(tǒng)(10 和雙色分束鏡(103)，從與泵浦光束平行的方向射入激光光束， 經(jīng)輸入鏡(108)反射到雙色分束鏡(10 的表面，所述泵浦光束和激光光束在雙色分束鏡 (103)的表面交匯，形成泵浦光和激光的重合光束，以平行于拋物面反射鏡(104)光軸的方向入射到拋物面反射鏡(104)上，再反射聚焦到激光增益介質(zhì)薄片(10 的表面，通過(guò)鏡面反射再斜射到拋物面反射鏡(104)上，再經(jīng)反射，以平行于拋物面反射鏡(104)的光軸入射到雙直角反射棱鏡組(107)上，所述泵浦光和激光的重合光束經(jīng)過(guò)在拋物面反射鏡(104)、 激光增益介質(zhì)薄片(105)和雙直角反射棱鏡組(107)之間的折射和反射作用，最后以平行于入射光方向的輸出光束，射到輸出鏡(109)上，通過(guò)反射作用，沿與拋物面反射鏡(104) 光軸垂直的方向輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光程薄片式激光放大器，其特征在于，所述雙直角反射棱鏡組(107)由第一直角反射棱鏡(701)和第二個(gè)直角反射棱鏡(702)構(gòu)成，所述直角反射棱鏡(701)包括第一反射面(Si)、第二反射面(S》和上表面(S3)，所述第一反射面(Si)和所述第二反射面(S》相互垂直，所述第一反射面(Si)、所述第二反射面(S》和所述上表面 (S 3)三個(gè)面交于點(diǎn)P;所述直角反射棱鏡(702)包括第三反射面(S6)、第四反射面(S7)、 第一切割面(S4)和第二切割面(S5)，所述第三反射面(S6)和所述第四反射面(S7)相互垂直，所述第一切割面(S4)與底面所呈的角度和所述第二切割面(S5)與底面所成的角度相等，皆為α，且關(guān)于所述第二直角反射棱鏡(702)的中間軸對(duì)稱分布，所述第一切割面(S4) 和所述第二切割面(S5)交于點(diǎn)0;所述第一直角反射棱鏡(701)的點(diǎn)P和所述第二個(gè)直角反射棱鏡(702)的點(diǎn)0相抵合，所述上表面(S3)與所述第一切割面(S4)重合構(gòu)成所述雙直角反射棱鏡組(107)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多光程薄片式激光放大器，其特征在于，所述第一反射面 (Si)、所述第二反射面(S2)、所述第三反射面(S6)、所述第四反射面(S7)均經(jīng)過(guò)鍍膜處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光程薄片式激光放大器，其特征在于，所述光學(xué)耦合系統(tǒng)(102)為透鏡組。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光程薄片式激光放大器，其特征在于，所述雙色分束鏡(103)呈45°放置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光程薄片式激光放大器，其特征在于，所述激光增益介質(zhì)薄片(105)的另一面設(shè)置有熱沉系統(tǒng)(106)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光程薄片式激光放大器，其特征在于，所述雙直角反射棱鏡組(107)為角錐棱鏡。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種多光程薄片式激光放大器，包括一個(gè)泵浦光路系統(tǒng)和一個(gè)激光光路系統(tǒng)，其信號(hào)走向?yàn)閺谋闷止庠瓷涑霰闷止馐?，穿透過(guò)光學(xué)耦合系統(tǒng)和雙色分束鏡，與直接經(jīng)輸入鏡反射的激光光束在雙色分束鏡的表面交匯，形成泵浦光和激光的重合光束后，入射到拋物面反射鏡上，所述泵浦和激光的重合光束經(jīng)過(guò)在拋物面反射鏡、激光增益介質(zhì)薄片和雙直角反射棱鏡組之間的折射和反射作用，最后以平行于入射光方向的輸出光束，射到輸出鏡上，反射后輸出。本實(shí)用新型的多光程激光放大器結(jié)構(gòu)將泵浦光路與激光光路合二為一，實(shí)現(xiàn)多光程放大，提高了泵浦光的利用效率，增大了放大過(guò)程中的有效增益，適合應(yīng)用于科研和工業(yè)加工的激光器中。
文檔編號(hào)H01S3/23GK202004311SQ201020607358
公開(kāi)日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月16日
發(fā)明者孫明營(yíng), 朱健強(qiáng), 王勇, 王憲濤, 王斌, 王裕民 申請(qǐng)人:蘇州大恒光學(xué)精密機(jī)械有限公司