專利名稱：一種多程激光放大方法及其增益模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種涉及多程激光放大方法及其增益模塊，屬于激光器設(shè)計領(lǐng)域，主要涉及固體 激光器的增益介質(zhì)。
背景技術(shù)：
目前采用板條狀增益介質(zhì)的激光放大器泵浦方式多采用側(cè)面泵浦，這會使邊緣溫 度高，中心溫度低，導(dǎo)致板條側(cè)面邊緣與中心產(chǎn)生溫度梯度；上下兩個大面進(jìn)行冷卻，則使 表面溫度低，中心溫度相對高，因此厚度方向也會出現(xiàn)溫度梯度，溫度梯度，導(dǎo)致不同厚度 位置折射率不同，一束激光中的不同部位經(jīng)歷的折射率不同，就會導(dǎo)致光程差。種子源激光 光路主要有以下幾種類型。直通式光路；兩個大面之間的之字形光路，如圖2所示；兩個較 大側(cè)面之間的之字形光路。如圖3所示。直通式光路結(jié)構(gòu)比較簡單，被放大激光以直線傳播形式從板條一個端面進(jìn)入，從 另一個端面出射，缺點(diǎn)是由于板條的熱效應(yīng)，光線會產(chǎn)生光程差，從而形成熱透鏡效應(yīng)，使 光束波前畸變，嚴(yán)重影響光束質(zhì)量。而且直通式光路在板條內(nèi)所通過區(qū)域較小，能量提取率 較低。在兩個大面之間全反射的之字形光路，這種放大結(jié)構(gòu)的泵浦方式一般采用上下兩 個大面為泵浦面，在抵消溫度梯度造成的光程差方面有很好的效果，但從圖2可以看出光 路只占據(jù)了板條的中部，其余大部分泵浦區(qū)域的能量沒有被利用，能量提取率依然不夠高。在兩個側(cè)面之間反射的之字形光路均勻分布于板條的全部區(qū)域，光路也比較長， 能量提取率高，若采用大面作為泵浦面，無法彌補(bǔ)兩個大面之間的溫度梯度造成的光程差， 在此方向會產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)，使光束質(zhì)量變壞。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有放大器中種子光能量提取率低，同時存在溫度梯度引起的光程差，使光 束質(zhì)變差的不足，本發(fā)明提供了一種多程激光放大方法及其增益模塊，使種子光有較長的 傳播路徑，充分吸收泵浦能量，并有效抵消溫度梯度帶來的光程差，提高光束質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種多程激光放大方法及其增益模塊，適用于 采用固體材料作為增益介質(zhì)的固體激光器。其實(shí)現(xiàn)方法1為如圖3，采用長方體形的板條增益介質(zhì)1，該長方體為兩個大面， 四個側(cè)面，其長、寬、厚的尺寸可實(shí)現(xiàn)如下功能將位于一個大面上的四個頂角倒角成四個 等邊三角形面5、6、7、8，且四個三角形面5、6、7、8鍍種子光波長的增透膜，板條增益介質(zhì)1 的兩個大面鍍種子光波長的45°全反膜，板條增益介質(zhì)1的四個側(cè)面鍍種子光波長的全反 膜與泵浦光波長增透膜；在其中三個等邊三角形面5、6、7外設(shè)置全反鏡2、3、4 ；較長的兩個 側(cè)面作為泵浦面；激光器中的振蕩器發(fā)出的種子光13垂直于三角面8入射，在上下兩個大 面之間以之字形傳播，種子光依次到達(dá)側(cè)面10，側(cè)面11，側(cè)面12，側(cè)面9，側(cè)面10，之后從三 角面7射出，這是種子光在板條中的第一次放大，經(jīng)全反鏡4反射到達(dá)全反鏡3，垂直于三角面6入射板條，同樣在上下兩個大面之間以之字形傳播，種子光依次先到達(dá)側(cè)面12，側(cè)面 9，側(cè)面10，側(cè)面11，側(cè)面12，之后從三角面5射出，這是種子光在板條內(nèi)的第二次放大，之 后被全反鏡2原路返回，這樣沿著上述兩次放大的光路逆行，最后被放大的光沿著最初的 入射光光路從三角面8出射，經(jīng)四次放大離開板條。板條增益介質(zhì)1的尺寸通過光學(xué)軟件 Tracepro進(jìn)行光路模擬，確定最佳的符合要求的尺寸。按照方法1設(shè)置多程激光放大增益模塊將板條增益介質(zhì)1制成長方體形，即包括 兩個大面，四個側(cè)面9、10、11、12，其長、寬、厚的尺寸按上述方法確定；將位于一個大面上 的四個頂角倒角成四個等邊三角形面5、6、7、8，且四個三角形面5、6、7、8鍍種子光波長的 增透膜，板條增益介質(zhì)1的兩個大面鍍種子光波長的45°全反膜，板條增益介質(zhì)1的四個側(cè) 面鍍種子光波長的全反膜與泵浦光波長增透膜；在其中三個等邊三角形面5、6、7外對應(yīng)設(shè) 置全反鏡2、3、4，其中，全反鏡2平行于等邊三角形面5設(shè)置，全反鏡3、4設(shè)置成能使垂直于 三個等邊三角形面6或7出射的光線反射至全反鏡4或3再垂直入射于三個等邊三角形面 (7 或 6)。其實(shí)現(xiàn)方法2為如圖4，采用長、寬值接近的近正方體形的板條增益介質(zhì)22，該近 正方體為兩個大面，四個側(cè)面，其長、寬、厚的尺寸可實(shí)現(xiàn)如下功能將近正方體側(cè)面的四條 棱切去，截面成四個矩形面23、24、25、26，四個矩形面鍍種子光波長的增透膜，板條增益介 質(zhì)22的四個側(cè)面鍍種子光波長的全反膜與泵浦光波長增透膜；在其中三個矩形面24、25、 26外設(shè)置全反鏡27、28、29，其中全反鏡27、29為直角三棱鏡，且兩個直角三棱鏡的斜面平 行于兩個相對的矩形面設(shè)置，全反鏡28為平面鏡，且平行于矩形面25設(shè)置；將側(cè)面用作泵 浦面，激光器中的振蕩器發(fā)出的種子光13垂直于未設(shè)全反鏡的矩形面入射板條增益介質(zhì) 22，在板條增益介質(zhì)22的四個側(cè)面及兩個直角三棱鏡間多次反射，從矩形面25出射，再經(jīng) 全反鏡28反射，原路返回，最終從未設(shè)全反鏡的矩形面出射23。按照方法2設(shè)置多程激光放大增益模塊將板條增益介質(zhì)22制成近正方體形，即 包括兩個大面，四個側(cè)面，其長、寬、厚的尺寸按方法2的要求設(shè)置；將正方體側(cè)面的四條棱 切去，截面成四個矩形面23、24、25、26，且四個矩形面鍍種子光波長的增透膜，板條增益介 質(zhì)22的四個側(cè)面鍍種子光波長的全反膜與泵浦光波長增透膜；在其中三個矩形面24、25、 26外設(shè)置全反鏡27、28、29，其中全反鏡27、29為直角三棱鏡，兩個直角三棱鏡分別位于兩 個相對的矩形面外、其斜面平行于矩形面設(shè)置，全反鏡28為平面鏡，位于另外兩個矩形面 中的一個矩形面外，且平行于該矩形面設(shè)置。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的板條多程激光放大方法采用的光路，使種子激光在 板條介質(zhì)內(nèi)均勻分布，提高了能量提取率，同時有效抵消了溫度梯度，減緩了熱透鏡效應(yīng)和 應(yīng)力雙折射效應(yīng)。由于光路的多次折疊反射，板條增益介質(zhì)的尺寸大大減小，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。


圖1是現(xiàn)有增益模塊的直通式光路工作方式示意圖；圖2是現(xiàn)有增益模塊的之字形光路工作方式示意圖；圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中的增益模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明另一種實(shí)施例中的增益模塊的結(jié)構(gòu)示意圖5是為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中的增益模塊應(yīng)用于主振蕩功率放大器中的結(jié)構(gòu)示 意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的原理，結(jié)構(gòu)，實(shí)施方法。圖3是體現(xiàn)本發(fā)明設(shè)計思想的優(yōu)選實(shí)施例，激光放大器光路系統(tǒng)由板條形增益介 質(zhì)1，全反鏡2，3，4構(gòu)成。條形增益介質(zhì)1為長27mm，寬20mm，高5. 6mm，將其四個頂角如圖 切成邊長為6mm三角面5、6、7、8。三角面5、6、7、8鍍種子光的高透射膜，其余面鍍種子光的 高反射膜。在三角面5、6、7處設(shè)置全反鏡2、3、4。振蕩器發(fā)出的種子光13垂直于三角面8入射，在上下兩個大面之間以之字形傳 播。種子光依次到達(dá)側(cè)面10，側(cè)面11，側(cè)面12，側(cè)面9，側(cè)面10，之后從三角面7射出，這是 種子光在板條中的第一次放大，經(jīng)全反鏡4反射到達(dá)全反鏡3，垂直于三角面6入射板條，同 樣在上下兩個大面之間以之字形傳播，種子光依次先到達(dá)側(cè)面12，側(cè)面9，側(cè)面10，側(cè)面11， 側(cè)面12，之后從三角面5射出，這是種子光在板條內(nèi)的第二次放大，之后被全反鏡2原路返 回，這樣沿著上述兩次放大的光路逆行，最后被放大的光沿著最初的入射光光路從三角面8 出射，經(jīng)四次放大離開板條。從圖中可看出光路在板條內(nèi)側(cè)面之間多次反射，充分提取了能 量，同時之字形光路可以有效抵消厚度方向溫度梯度帶來的光程差，減弱熱透鏡效應(yīng)。圖4是體現(xiàn)本發(fā)明設(shè)計思想的另一種實(shí)施例，如圖4所示，所用板條22的長度為 25mm,寬度為22mm，厚度為4mm，四個棱切去，截面是5 X 4mm2的矩形面23、24、25、26。在其 中三個矩形面24、25、26外如圖設(shè)置三個全反鏡27、28、29，全反鏡27、29為反射棱鏡，全反 鏡28為平面鏡。本實(shí)施例中的增益介質(zhì)厚度較小，若忽略厚度方向上的溫度梯度，則不采 用厚度方向上的之字形光路，只采用各側(cè)面全反射以增加光程，同時抵消側(cè)向溫度梯度。圖中可以看出，種子光13進(jìn)入板條，多次全反射后，充分提取能量，從面25輸出， 再經(jīng)全反鏡28反射，則被放大的光被反射原路返回，再次進(jìn)入板條被放大，光程增加一倍， 最終從最初入射方向輸出。這種結(jié)構(gòu)減小了增益介質(zhì)的體積，提高了能量提取率，實(shí)施起來 比較簡單。圖5是將本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中的放大增益模塊用于構(gòu)成一個主振蕩功率放大 器，種子源激光器21輸出的種子光13，經(jīng)過偏振片20，二分之一波片19，法拉第旋光器18， 偏振片16，四分之一波片15后被反射鏡5反射進(jìn)入板條。最終經(jīng)過八程放大后，放大光14 從偏振片20輸出。這里板條采用側(cè)面泵浦，可以用單個LD bar條或LD陣列從側(cè)面10與 側(cè)面12泵浦，將泵浦光用柱透鏡耦合進(jìn)入板條。上下兩個大面為冷卻面，可以采用水冷卻 或電制冷。
權(quán)利要求
一種多程激光放大方法，適用于采用固體材料作為增益介質(zhì)的固體激光器，其特征在于采用長方體形的板條增益介質(zhì)(1)，該長方體為兩個大面，四個側(cè)面，其長、寬、厚的尺寸可實(shí)現(xiàn)如下功能將位于一個大面上的四個頂角倒角成四個等邊三角形面(5、6、7、8)，且四個三角形面(5、6、7、8)鍍種子光波長的增透膜，板條增益介質(zhì)(1)的兩個大面鍍種子光波長的45°全反膜，板條增益介質(zhì)(1)的四個側(cè)面鍍種子光波長的全反膜與泵浦光波長增透膜；在其中三個等邊三角形面(5、6、7)外設(shè)置全反鏡(2、3、4)；將側(cè)面用作泵浦面，激光器中的振蕩器發(fā)出的種子光13垂直于三角面8入射，在上下兩個大面之間以之字形傳播，種子光依次到達(dá)側(cè)面10，側(cè)面11，側(cè)面12，側(cè)面9，側(cè)面10，之后從三角面7射出，這是種子光在板條中的第一次放大，經(jīng)全反鏡4反射到達(dá)全反鏡3，垂直于三角面6入射板條，同樣在上下兩個大面之間以之字形傳播，種子光依次先到達(dá)側(cè)面12，側(cè)面9，側(cè)面10，側(cè)面11，側(cè)面12，之后從三角面5射出，這是種子光在板條內(nèi)的第二次放大，之后被全反鏡2原路返回，這樣沿著上述兩次放大的光路逆行，最后被放大的光沿著最初的入射光光路從三角面8出射，經(jīng)四次放大離開板條。
2.如權(quán)利要求1所述的一種多程激光放大方法，其特征在于側(cè)面(10、12)作為泵浦
3.一種多程激光放大方法，適用于采用固體材料作為增益介質(zhì)的固體激光器，其特征 在于采用近正方體形的板條增益介質(zhì)(22)，該近正方體為兩個大面，四個側(cè)面，其長、寬 值接近，長、寬、厚的尺寸可實(shí)現(xiàn)如下功能將正方體側(cè)面的四條棱切去成四個矩形面(23、 24、25、26)，其中一個為矩形面(25)，且四個矩形面鍍種子光波長的增透膜，板條增益介質(zhì) (22)的四個側(cè)面鍍種子光波長的全反膜與泵浦光波長增透膜；在其中三個矩形面(24、25、 26)外設(shè)置全反鏡(27、28、29)，其中全反鏡(27、29)為直角三棱鏡，且兩個直角三棱鏡的斜 面平行于兩個相對的矩形面設(shè)置，全反鏡(28)為平面鏡，且平行于矩形面(25)設(shè)置；將側(cè) 面用作泵浦面，激光器中的振蕩器發(fā)出的種子光(13)垂直于未設(shè)全反鏡的矩形面入射板 條增益介質(zhì)(22)，在板條增益介質(zhì)(22)的四個側(cè)面及兩個直角三棱鏡間多次反射，從矩形 面(25)出射，再經(jīng)全反鏡(28)反射，原路返回，最終從未設(shè)全反鏡的矩形面出射(23)。
4.按如權(quán)利要求1所述的一種多程激光放大方法設(shè)置的多程激光放大增益模塊，其 特征在于將板條增益介質(zhì)(1)制成長方體形，即包括兩個大面，四個側(cè)面(9、10、11、12)， 其長、寬、厚的尺寸按權(quán)利要求1的要求設(shè)置；將位于一個大面上的四個頂角倒角成四個等 邊三角形面(5、6、7、8)，且四個三角形面(5、6、7、8)鍍種子光波長的增透膜，板條增益介質(zhì) (1)的兩個大面鍍種子光波長的45°全反膜，板條增益介質(zhì)(1)的四個側(cè)面鍍種子光波長 的全反膜與泵浦光波長增透膜；在其中三個等邊三角形面(5、6、7)外對應(yīng)設(shè)置全反鏡(2、 3、4)，其中，全反鏡(2)平行于等邊三角形面(5)設(shè)置，全反鏡(3、4)設(shè)置成能使垂直于三 個等邊三角形面(6或7)出射的光線反射至全反鏡(4或3)再垂直入射于三個等邊三角形 面(7或6)。
5.按如權(quán)利要求3所述的一種多程激光放大方法設(shè)置的多程激光放大增益模塊，其特 征在于將板條增益介質(zhì)(22)制成近正方體形，即包括兩個大面，四個側(cè)面，其長、寬、厚的 尺寸按權(quán)利要求3的要求設(shè)置；將正方體側(cè)面的四條棱切去成四個矩形面(23、24、25、26)， 且四個矩形面鍍種子光波長的增透膜，板條增益介質(zhì)(22)的四個側(cè)面鍍種子光波長的全 反膜與泵浦光波長增透膜；在其中三個矩形面(24、25、26)外設(shè)置全反鏡(27、28、29)，其中全反鏡(27、29)為直角三棱鏡，兩個直角三棱鏡分別位于兩個相對的矩形面外、其斜面平 行于矩形面設(shè)置，全反鏡(28)為平面鏡，位于另外兩個矩形面中的一個矩形面外，且平行 于該矩形面設(shè)置。
全文摘要
一種多程激光放大方法及其增益模塊，屬于激光器設(shè)計領(lǐng)域，涉及固體激光器中的增益介質(zhì)的設(shè)計。本發(fā)明利用四個頂角倒角的板條增益介質(zhì)，種子光板條兩個大面之間沿之字形光路傳播，在板條四個側(cè)面之間多次全反射，可以在較小體積的增益介質(zhì)中增加激光路徑的傳播長度，更加充分提取能量，同時可以抵消由于溫度梯度造成的光程差，在一定程度上克服了由于光程差而導(dǎo)致的光束質(zhì)量差的缺點(diǎn)。
文檔編號H01S3/06GK101877454SQ20101015245
公開日2010年11月3日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者李港, 樊仲維, 牛崗, 艾慶康, 陳檬, 麻云鳳 申請人:北京工業(yè)大學(xué);北京國科世紀(jì)激光技術(shù)有限公司