CN101877454B - 一种多程激光放大方法及其增益模块 - Google Patents

Abstract

一种多程激光放大方法及其增益模块，属于激光器设计领域，涉及固体激光器中的增益介质的设计。本发明利用四个顶角倒角的板条增益介质，种子光板条两个大面之间沿之字形光路传播，在板条四个侧面之间多次全反射，可以在较小体积的增益介质中增加激光路径的传播长度，更加充分提取能量，同时可以抵消由于温度梯度造成的光程差，在一定程度上克服了由于光程差而导致的光束质量差的缺点。

Description

一种多程激光放大方法及其增益模块

技术领域

一种涉及多程激光放大方法及其增益模块，属于激光器设计领域，主要涉及固体激光器的增益介质。

背景技术

目前采用板条状增益介质的激光放大器泵浦方式多采用侧面泵浦，这会使边缘温度高，中心温度低，导致板条侧面边缘与中心产生温度梯度；上下两个大面进行冷却，则使表面温度低，中心温度相对高，因此厚度方向也会出现温度梯度，温度梯度，导致不同厚度位置折射率不同，一束激光中的不同部位经历的折射率不同，就会导致光程差。种子源激光光路主要有以下几种类型。直通式光路；两个大面之间的之字形光路，如图2所示；两个较大侧面之间的之字形光路。如图3所示。

直通式光路结构比较简单，被放大激光以直线传播形式从板条一个端面进入，从另一个端面出射，缺点是由于板条的热效应，光线会产生光程差，从而形成热透镜效应，使光束波前畸变，严重影响光束质量。而且直通式光路在板条内所通过区域较小，能量提取率较低。

在两个大面之间全反射的之字形光路，这种放大结构的泵浦方式一般采用上下两个大面为泵浦面，在抵消温度梯度造成的光程差方面有很好的效果，但从图2可以看出光路只占据了板条的中部，其余大部分泵浦区域的能量没有被利用，能量提取率依然不够高。

在两个侧面之间反射的之字形光路均匀分布于板条的全部区域，光路也比较长，能量提取率高，若采用大面作为泵浦面，无法弥补两个大面之间的温度梯度造成的光程差，在此方向会产生热透镜效应，使光束质量变坏。

发明内容

针对现有放大器中种子光能量提取率低，同时存在温度梯度引起的光程差，使光束质变差的不足，本发明提供了一种多程激光放大方法及其增益模块，使种子光有较长的传播路径，充分吸收泵浦能量，并有效抵消温度梯度带来的光程差，提高光束质量。

为了实现上述目的，本发明提出了一种多程激光放大方法及其增益模块，适用于采用固体材料作为增益介质的固体激光器。

其实现方法1为：如图3，采用长方体形的板条增益介质1，该长方体为两个大面，四个侧面，其长、宽、厚的尺寸可实现如下功能：将位于一个大面上的四个顶角倒角成四个等边三角形面5、6、7、8，且四个三角形面5、6、7、8镀种子光波长的增透膜，板条增益介质1的两个大面镀种子光波长的45°全反膜，板条增益介质1的四个侧面镀种子光波长的全反膜与泵浦光波长增透膜；在其中三个等边三角形面5、6、7外设置全反镜2、3、4；较长的两个侧面作为泵浦面；激光器中的振荡器发出的种子光13垂直于三角面8入射，在上下两个大面之间以之字形传播，种子光依次到达侧面10，侧面11，侧面12，侧面9，侧面10，之后从三角面7射出，这是种子光在板条中的第一次放大，经全反镜4反射到达全反镜3，垂直于三角面6入射板条，同样在上下两个大面之间以之字形传播，种子光依次先到达侧面12，侧面9，侧面10，侧面11，侧面12，之后从三角面5射出，这是种子光在板条内的第二次放大，之后被全反镜2原路返回，这样沿着上述两次放大的光路逆行，最后被放大的光沿着最初的入射光光路从三角面8出射，经四次放大离开板条。板条增益介质1的尺寸通过光学软件Tracepro进行光路模拟，确定最佳的符合要求的尺寸。

按照方法1设置多程激光放大增益模块：将板条增益介质1制成长方体形，即包括两个大面，四个侧面9、10、11、12，其长、宽、厚的尺寸按上述方法确定；将位于一个大面上的四个顶角倒角成四个等边三角形面5、6、7、8，且四个三角形面5、6、7、8镀种子光波长的增透膜，板条增益介质1的两个大面镀种子光波长的45°全反膜，板条增益介质1的四个侧面镀种子光波长的全反膜与泵浦光波长增透膜；在其中三个等边三角形面5、6、7外对应设置全反镜2、3、4，其中，全反镜2平行于等边三角形面5设置，全反镜3、4设置成能使垂直于三个等边三角形面6或7出射的光线反射至全反镜4或3再垂直入射于三个等边三角形面(7或6)。

其实现方法2为：如图4，采用长、宽值接近的近正方体形的板条增益介质22，该近正方体为两个大面，四个侧面，其长、宽、厚的尺寸可实现如下功能：将近正方体侧面的四条棱切去，截面成四个矩形面23、24、25、26，四个矩形面镀种子光波长的增透膜，板条增益介质22的四个侧面镀种子光波长的全反膜与泵浦光波长增透膜；在其中三个矩形面24、25、26外设置全反镜27、28、29，其中全反镜27、29为直角三棱镜，且两个直角三棱镜的斜面平行于两个相对的矩形面设置，全反镜28为平面镜，且平行于矩形面25设置；将侧面用作泵浦面，激光器中的振荡器发出的种子光13垂直于未设全反镜的矩形面入射板条增益介质22，在板条增益介质22的四个侧面及两个直角三棱镜间多次反射，从矩形面25出射，再经全反镜28反射，原路返回，最终从未设全反镜的矩形面出射23。

按照方法2设置多程激光放大增益模块：将板条增益介质22制成近正方体形，即包括两个大面，四个侧面，其长、宽、厚的尺寸按方法2的要求设置；将正方体侧面的四条棱切去，截面成四个矩形面23、24、25、26，且四个矩形面镀种子光波长的增透膜，板条增益介质22的四个侧面镀种子光波长的全反膜与泵浦光波长增透膜；在其中三个矩形面24、25、26外设置全反镜27、28、29，其中全反镜27、29为直角三棱镜，两个直角三棱镜分别位于两个相对的矩形面外、其斜面平行于矩形面设置，全反镜28为平面镜，位于另外两个矩形面中的一个矩形面外，且平行于该矩形面设置。

本发明的有益效果：本发明的板条多程激光放大方法采用的光路，使种子激光在板条介质内均匀分布，提高了能量提取率，同时有效抵消了温度梯度，减缓了热透镜效应和应力双折射效应。由于光路的多次折叠反射，板条增益介质的尺寸大大减小，使结构更加紧凑。

附图说明

图1是现有增益模块的直通式光路工作方式示意图；

图2是现有增益模块的之字形光路工作方式示意图；

图3是本发明优选实施例中的增益模块的结构示意图；

图4是本发明另一种实施例中的增益模块的结构示意图；

图5是为本发明优选实施例中的增益模块应用于主振荡功率放大器中的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的原理，结构，实施方法。

图3是体现本发明设计思想的优选实施例，激光放大器光路系统由板条形增益介质1，全反镜2，3，4构成。条形增益介质1为长27mm，宽20mm，高5.6mm，将其四个顶角如图切成边长为6mm三角面5、6、7、8。三角面5、6、7、8镀种子光的高透射膜，其余面镀种子光的高反射膜。在三角面5、6、7处设置全反镜2、3、4。

振荡器发出的种子光13垂直于三角面8入射，在上下两个大面之间以之字形传播。种子光依次到达侧面10，侧面11，侧面12，侧面9，侧面10，之后从三角面7射出，这是种子光在板条中的第一次放大，经全反镜4反射到达全反镜3，垂直于三角面6入射板条，同样在上下两个大面之间以之字形传播，种子光依次先到达侧面12，侧面9，侧面10，侧面11，侧面12，之后从三角面5射出，这是种子光在板条内的第二次放大，之后被全反镜2原路返回，这样沿着上述两次放大的光路逆行，最后被放大的光沿着最初的入射光光路从三角面8出射，经四次放大离开板条。从图中可看出光路在板条内侧面之间多次反射，充分提取了能量，同时之字形光路可以有效抵消厚度方向温度梯度带来的光程差，减弱热透镜效应。

图4是体现本发明设计思想的另一种实施例，如图4所示，所用板条22的长度为25mm，宽度为22mm，厚度为4mm，四个棱切去，截面是5×4mm²的矩形面23、24、25、26。在其中三个矩形面24、25、26外如图设置三个全反镜27、28、29，全反镜27、29为反射棱镜，全反镜28为平面镜。本实施例中的增益介质厚度较小，若忽略厚度方向上的温度梯度，则不采用厚度方向上的之字形光路，只采用各侧面全反射以增加光程，同时抵消侧向温度梯度。

图中可以看出，种子光13进入板条，多次全反射后，充分提取能量，从面25输出，再经全反镜28反射，则被放大的光被反射原路返回，再次进入板条被放大，光程增加一倍，最终从最初入射方向输出。这种结构减小了增益介质的体积，提高了能量提取率，实施起来比较简单。

图5是将本发明的优选实施例中的放大增益模块用于构成一个主振荡功率放大器，种子源激光器21输出的种子光13，经过偏振片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后被反射镜5反射进入板条。最终经过八程放大后，放大光14从偏振片20输出。这里板条采用侧面泵浦，可以用单个LD bar条或LD阵列从侧面10与侧面12泵浦，将泵浦光用柱透镜耦合进入板条。上下两个大面为冷却面，可以采用水冷却或电制冷。

Claims (4)

1.一种多程激光放大方法，适用于采用固体材料作为增益介质的固体激光器，其特征在于：采用长方体形的板条增益介质(1)，该板条增益介质为两个大面和四个侧面，其中该四个侧面是较长的第一侧面(10)、第三侧面(12)和较短的第二侧面(11)、第四侧面(9)，该四个侧面按顺时针顺序依次为第一侧面(10)、第二侧面(11)、第三侧面(12)和第四侧面(9)；该板条增益介质长、宽、厚的尺寸可实现如下功能：将位于一个大面上的四个顶角倒角成四个等边三角形面，该四个等边三角形面按顺时针顺序依次为第一等边三角形面(5)、第二等边三角形面(6)、第三等边三角形面(7)和第四等边三角形面(8)，其中，第一等边三角形面(5)紧邻所述第一侧面(10)和第四侧面(9)，且所述第一、第二、第三、第四等边三角形面镀种子光波长的增透膜，板条增益介质(1)的两个大面镀种子光波长的45°全反膜，板条增益介质(1)的所述四个侧面镀种子光波长的全反膜与泵浦光波长增透膜；在所述第一等边三角形面(5)外设置第一全反镜(2)，在所述第二等边三角形面(6)外设置第二全反镜(3)，在所述第三等边三角形面(7)外设置第三全反镜(4)，将第一侧面(10)和第三侧面(12)作为泵浦面，激光器中的振荡器发出的种子光(13)垂直于第四等边三角形面(8)入射，在上下两个大面之间以之字形传播，种子光依次到达第一侧面(10)、第二侧面(11)、第三侧面(12)、第四侧面(9)、第一侧面(10)，之后从第三等边三角形面(7)射出，这是种子光在板条增益介质中的第一次放大；经第三全反镜(4)反射到达第二全反镜(3)，垂直于第二等边三角形面(6)入射板条增益介质，同样在上下两个大面之间以之字形传播，种子光依次先到达第三侧面(12)、第四侧面(9)、第一侧面(10)、第二侧面(11)、第三侧面(12)，之后从第一等边三角形面(5)射出，这是种子光在板条增益介质中的第二次放大；之后被第一全反镜(2)原路返回，这样沿着上述两次放大的光路逆行，最后被放大的光沿着最初的入射光光路从第四等边三角形面(8)出射，经四次放大离开板条增益介质。

2.一种多程激光放大方法，适用于采用固体材料作为增益介质的固体激光器，其特征在于：采用近正方体形的板条增益介质(22)，该板条增益介质(22)为两个大面和四个侧面，其长、宽值接近，长、宽、厚的尺寸可实现如下功能：将板条增益介质的侧面的四条棱切去成四个矩形面，该四个矩形面按顺时针顺序依次为第一矩形面(23)、第二矩形面(24)、第三矩形面(25)和第四矩形面(26)，且四个矩形面镀种子光波长的增透膜，板条增益介质(22)的四个侧面镀种子光波长的全反膜与泵浦光波长增透膜；在第二矩形面(24)外设置第一全反镜(27)，在第三矩形面(25)外设置第二全反镜(28)，在第四矩形面(26)外设置第三全反镜(29)，其中第一全反镜(27)和第三全反镜(29)为直角三棱镜，且第一全反镜(27)的斜面平行于第二矩形面(24)设置，第三全反镜(29)的斜面平行于第四矩形面(26)设置，第二全反镜(28)为平面镜，且平行于第三矩形面(25)设置；将侧面用作泵浦面，激光器中的振荡器发出的种子光(13)垂直于未设全反镜的第一矩形面(23)入射板条增益介质(22)，在板条增益介质(22)的四个侧面及所述两个直角三棱镜间多次反射，从第三矩形面(25)出射，再经第二全反镜(28)反射，原路返回，最终从未设全反镜的第一矩形面(23)出射。

3.按如权利要求1所述的一种多程激光放大方法设置的多程激光放大增益模块，其特征在于：将板条增益介质(1)制成长方体形，即包括两个大面和四个侧面，该四个侧面按顺时针顺序依次为第一侧面(10)、第二侧面(11)、第三侧面(12)和第四侧面(9)，其长、宽、厚的尺寸按权利要求1的要求设置；将位于一个大面上的四个顶角倒角成四个等边三角形面，该四个等边三角形面按顺时针顺序依次为第一等边三角形面(5)、第二等边三角形面(6)、第三等边三角形面(7)和第四等边三角形面(8)，其中，第一等边三角形面(5)紧邻所述第一侧面(10)和第四侧面(9)，且所述第一、第二、第三、第四等边三角形面镀种子光波长的增透膜，板条增益介质(1)的两个大面镀种子光波长的45°全反膜，板条增益介质(1)的所述四个侧面镀种子光波长的全反膜与泵浦光波长增透膜；在所述第一等边三角形面(5)外设置第一全反镜(2)，在所述第二等边三角形面(6)外设置第二全反镜(3)，在所述第三等边三角形面(7)外设置第三全反镜(4)；其中，第一全反镜(2)平行于第一等边三角形面(5)设置，第二全反镜(3)设置成能使垂直于第二等边三角形面(6)出射的光线反射至第三全反镜(4)再垂直入射于第三等边三角形面(7)，第三全反镜(4)设置成能使垂直于第三等边三角形面(7)出射的光线反射至第二全反镜(3)再垂直入射于第二等边三角形面(6)。

4.按如权利要求2所述的一种多程激光放大方法设置的多程激光放大增益模块，其特征在于：将板条增益介质(22)制成近正方体形，即包括两个大面和四个侧面，其长、宽、厚的尺寸按权利要求2的要求设置；将板条增益介质的侧面的四条棱切去成四个矩形面，分别为第一矩形面(23)、第二矩形面(24)、第三矩形面(25)和第四矩形面(26)，该四个矩形面按顺时针顺序依次为第一矩形面(23)、第二矩形面(24)、第三矩形面(25)和第四矩形面(26)，且四个矩形面镀种子光波长的增透膜，板条增益介质(22)的四个侧面镀种子光波长的全反膜与泵浦光波长增透膜；在第二矩形面(24)外设置第一全反镜(27)，在第三矩形面(25)外设置第二全反镜(28)，在第四矩形面(26)外设置第三全反镜(29)，其中第一全反镜(27)和第三全反镜(29)为直角三棱镜，且第一全反镜(27)位于第二矩形面(24)外，第一全反镜(27)的斜面平行于第二矩形面(24)设置，第三全反镜(29)位于第四矩形面(26)外，第三全反镜(29)的斜面平行于第四矩形面(26)设置；第二全反镜(28)为平面镜，位于第三矩形面(25)外，且平行于该第三矩形面(25)设置。

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