CN102044832A - 一种多光程薄片式激光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光程薄片式激光放大器，包括一个泵浦光路系统和一个激光光路系统，其信号走向为：从泵浦光源射出泵浦光束，穿透过光学耦合系统和双色分束镜，与直接经输入镜反射的激光光束在双色分束镜的表面交汇，形成泵浦光和激光的重合光束后，入射到抛物面反射镜上，所述泵浦和激光的重合光束经过在抛物面反射镜、激光增益介质薄片和双直角反射棱镜组之间的折射和反射作用，最后以平行于入射光方向的输出光束，射到输出镜上，反射后输出。本发明的多光程激光放大器结构将泵浦光路与激光光路合二为一，实现多光程放大，提高了泵浦光的利用效率，增大了放大过程中的有效增益，适合应用于科研和工业加工的激光器中。

Description

一种多光程薄片式激光放大器

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体地涉及了一种多光程薄片式激光放大器。

背景技术

薄片式固体激光器及光纤激光器是当前激光技术的两个最重大的进展。激光介质的热效应是限制固体激光器进展的最重要的因素，高的功率(能量)与高的光束质量是一对互相制约的矛盾参量。当前灯泵浦或半导体激光器(LD)侧面泵浦的棒状固体激光器可以达到千瓦量级的激光功率，但光束质量却很差；要获得较好的光束质量，可采用LD端面泵浦，但其功率却不能太大，一般在数十瓦之内，因而既具有高功率(能量)又有高的光束质量的激光器一直是很难实现。较为普遍的办法是采用高质量小型激光器加上激光放大器的办法。激光放大器对于实现高功率激光具有重要的应用价值，是一种重要的方法。

薄片激光器的概念及最早设计都是由德国斯图加特大学(Stuttgart University)提出的。激光增益介质(Yb:YAG和Nd:YVO₄等晶体)一般为圆盘状，厚度为0.2mm左右。薄片粘贴在热沉上，冷却效率极高，其热梯度为一维分布，热梯度方向沿光束方向，因而减小了在横向截面上的热透镜效应、激光晶体热畸变、光束热偏折和双折射效应等热致效应。目前德国通快公司已生产了8kW的连续(CW)激光器。薄片激光器的结构以及其相应的优点均可以应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径，其多光程结构和泵浦系统结构对放大器的性能至关重要。目前大多数激光放大器采用分散的光学元件使得种子激光多次通过不同的增益介质，得到多次放大，但结构复杂，单块增益介质的有效增益较低，放大后光束质量较差。而高泵浦效率、高有效增益、高光束质量的多光程放大器结构有待进一步改善。

基于以上原因，发明一种薄片式激光器结构和多光程激光放大器相结合的多光程激光放大器的需求已成为本技术领域中亟待解决的技术问题。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提出一种多光程薄片式激光放大器，该发明解决了单块增益介质的有效增益较低，放大后光束质量较差的问题，优化了泵浦光和激光的模式匹配，提高光束质量，从而提高了放大后的激光功率。

为解决上述技术问题，达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种多光程薄片式激光放大器，其特征在于，包括一个泵浦光路系统和一个激光光路系统，其信号走向为：从泵浦光源射出泵浦光束，穿透过光学耦合系统和双色分束镜，从与泵浦光束平行的方向射入激光光束，经输入镜反射到双色分束镜的表面，所述泵浦光束和激光光束在双色分束镜的表面交汇，形成泵浦光和激光的重合光束，以平行于抛物面反射镜光轴的方向入射到抛物面反射镜上，再反射到激光增益介质薄片的表面，通过镜面反射再斜射到抛物面反射镜上，再经反射，以平行于抛物面反射镜的光轴入射到双直角反射棱镜组上，所述泵浦光和激光的重合光束经过在抛物面反射镜、激光增益介质薄片和双直角反射棱镜组之间的折射和反射作用，最后以平行于入射光方向的输出光束，射到输出镜上，通过反射作用，沿与抛物面反射镜光轴垂直的方向输出。

优选的，所述双直角反射棱镜组由第一直角反射棱镜和第二个直角反射棱镜构成，所述直角反射棱镜包括第一反射面、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个面交于点P；所述直角反射棱镜包括第三反射面、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别与底面成α角度，且关于所述第二直角反射棱镜702的中间轴对称分布，所述第一切割面和所述第二切割面交于点O；所述第一直角反射棱镜的点P和所述第二个直角反射棱镜的点O相抵合，所述上表面与所述第一切割面重合构成所述双直角反射棱镜组。

优选的，所述第一反射面、所述第二反射面、所述第三反射面、所述第四反射面均经过镀膜处理。

优选的，所述光学耦合系统为透镜。

优选的，所述双色分束镜呈45°放置。

优选的，所述激光增益介质薄片的一面设置有热沉系统。

优选的，所述双直角反射棱镜组为角锥棱镜。

本发明的多光程薄片式激光放大器的工作流程如下：

以所述输入镜为起点，对激光在放大器结构中的放大过程进行说明：激光经过45°放置的所述双色分束镜反射，入射到所述抛物面反射镜，所述抛物面反射镜、所述增益介质薄片、所述双直角反射棱镜的共同作用使激光多次通过所述增益介质薄片后，放大后的激光沿着平行于种子激光入射光路，但与其分离开的光路经所述输出镜输出。

泵浦光经过几次或者几十次增益介质吸收后将被完全消耗掉，而激光单程经过增益介质次数越多，其增益越高，放大后激光功率越高。

激光放大器增益和损耗的计算。假设一次完整的激光放大过程中，激光在增益介质后表面经过2n次反射，即激光共4n次通过增益介质(每一次反射都会使激光经过增益介质两次)。设单次通过增益介质的小信号增益系数为g₁，l为增益介质薄片厚度，则一次完整的激光放大过程中的总的增益为4ng₁l。而损耗主要为增益介质吸收损耗，以及抛物面反射镜、增益介质薄片和双直角反射棱镜组的多次镜面反射损耗，而相对于多光程引入的数倍或者数十倍的高增益，这些损耗很小，所以激光的多光程即经过增益介质的次数对往返损耗影响很小。

本发明所提出的多光程激光放大器中，放大后的输出功率满足关系式

$I\∝\exp (\underset{i=1}{\overset{2n}{\mathrm{\Σ}}}2g_{i}l-\mathrm{\α})$

其中，g_i为第i次通过增益介质薄片时的平均激光增益系数，α为一次往返的总损耗。可以得到，由于放大过程中激光多次通过增益介质，放大后的输出激光功率随着通过增益介质的次数成指数关系增长。

与现有技术相比，本发明的多光程薄片式激光放大器具有如下优点：

1、提高泵浦效率。设放大过程中泵浦光或者激光有2n次被薄片反射，一次完整的激光放大过程中泵浦光穿过增益介质薄片次数为4n次，使得增益介质能够充分地吸收泵浦光，提高泵浦光的利用效率。同时弥补了增益介质薄片厚度小、对泵浦光单次吸收效率低的缺点。

2、采用泵浦光路和激光光路重合后，决定功率的放大过程的总的增益与激光单次通过增益介质相比，是常规放大器增益的4n倍。

3、由于泵浦光和激光光束在增益介质中的入射面不断旋转，使泵浦光和激光在增益介质薄片中均匀分布，克服了由于热效应引起的不均匀或双折射效应的影响，有利于提高光束质量。

4、由于泵浦光与激光光路重合，泵浦光与信号光达到最佳匹配，大大提高泵浦光到激光的转换效率，提高输出的激光光束质量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的多光程式激光放大器的结构示意图。

图2a是本发明的第一直角反射棱镜701的结构示意图。

图2b是本发明的第二直角反射棱镜702的结构示意图。

图3a是本发明的双直角反射棱镜组的安装过程第一步的正视图。

图3b是本发明的双直角反射棱镜组的安装过程第二步的正视图。

图3c是本发明的双直角反射棱镜组的安装过程第三步的正视图。

图4是本发明的n＝2，α＝45°时放大器的双直角反射棱镜组立体效果图。

图5是本发明的n＝2，α＝45°时放大器的立体结构示意图。

图6是本发明的n＝2，α＝45时放大器的抛物面反射镜横截面上的光点分布图。

图7是本发明的n＝2，α＝45°时放大器的泵浦光光路展开示意图。

图8是本发明的n＝2，α＝45°时放大器的激光光路展开示意图。

图9a是本发明的n＝1时的放大器的抛物面反射镜的横截面上的光点分布图。

图9b是本发明的n＝3时放大器的抛物面反射镜的横截面上的光点分布图。

图9c是本发明的n＝4时放大器的抛物面反射镜的横截面上的光点分布图。

图9d是本发明的n＝5时放大器的抛物面反射镜的横截面上的光点分布图。

图9e是本发明的n＝6时放大器的抛物面反射镜的横截面上的光点分布图。

图10为当n＝2时一种特殊实施例时的放大器系统示意图。

图11为图10所示的放大器结构图情况下的抛物面反射镜的横截面上的光点分布图。

图12为另一种特殊的实施例的放大器系统示意图。

图中标号说明：101泵浦光源，102光学耦合系统，103双色分束镜，104抛物面反射镜，105激光增益介质薄片，106激光增益介质薄片的热沉或冷却系统，107双直角反射棱镜组，108输入镜，109输出镜，701第一直角反射棱镜，702第二个直角反射棱镜，S1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第四反射面。

a箭头表示种子激光的输入，b箭头表示放大后激光的输出，c箭头表示泵浦光的输入。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的介绍。

如图1所示，本发明提出的泵浦光路和激光光路合二为一的多光程薄片式激光放大器系统主要包括泵浦光源101，泵浦光源的光学耦合系统102，45°放置的双色分束镜103，抛物面反射镜104，激光增益介质薄片105，激光增益介质薄片的热沉或冷却系统106，双直角反射棱镜组107，输入镜108和输出镜109。所述系统中可以加入偏振片、滤波器等其它光学器件。

如图1所示，激光放大器激光光路部分是由输入镜108，45°放置的双色分束镜103，抛物面反射镜104，增益介质薄片105，双直角反射棱镜组107和输出镜109组成。激光在激光放大器中的多光程放大过程：以种子激光从输入镜108输入为起点，激光经过45°放置的双色分束镜103反射，入射到抛物面反射镜104，抛物面反射镜104、增益介质薄片105、双直角反射棱镜组107的共同作用使激光多次通过增益介质薄片105后，激光得到多次放大，放大后的激光沿着平行于种子激光入射光路，但与其分离开的光路经输出镜109输出。

如图1所示，激光放大器的泵浦光光路是由泵浦光源101，光学耦合系统102，45°放置的双色分束镜103，抛物面反射镜104，增益介质薄片105和双直角反射棱镜组107组成。泵浦光经45°放置的双色分束镜103进入上面所述的谐振腔内，入射到抛物面反射镜104，所述的抛物面反射镜104、增益介质薄片105、双直角反射棱镜组107的共同作用使泵浦光多次通过增益介质薄片105而被增益介质充分吸收，输出的剩余泵浦光远远小于初始泵浦光。

如图2a所示，所述的双直角反射棱镜组107由直角反射棱镜701和基于直角反射棱镜701切割后的直角反射棱镜702组成。

如图2b所示，图1中所示的双直角反射棱镜组107中一个直角反射棱镜701，其第一反射面S1和第二反射面S2是两个相互垂直的反射面，上表面S3是直角反射棱镜701的上表面。其中，第一反射面S1和第二反射面S2两个面进行镀膜处理，以尽量降低泵浦光和激光在直角反射棱镜701上反射时的损耗。

如图3所示，图1中所示的双直角反射棱镜组107中第二直角反射棱镜702，以及基于图2所示的第一直角反射棱镜701得到该第二直角反射棱镜702的切割示意图。第一切割面S4和第二切割面S5是第二直角棱镜702的切割面，分别与底面成α角度，而且关于直角棱镜的中间轴对称分布。所述切割角度是泵浦光路和振荡激光实现多光程的关键因素，决定了多光程的次数。所述切割角度α与激光在增益介质薄片中的反射次数2n的关系为2nα＝180°。第三反射面S6和第四反射面S7是第二直角反射棱镜702的两个相互垂直的反射面，第三反射面S6和第四反射面S7都经过镀膜处理，以尽量降低泵浦光和激光在第二直角反射棱镜702上反射时的损耗。

如图3a至图3b所示，利用图2a和图2b所示的两个直角反射棱镜组成双直角反射棱镜组107的安装过程。第一步，第一直角反射棱镜701的点P和第二直角反射棱镜702的点O重合，同时保证第一直角反射棱镜701的两个反射面分别与第二直角反射棱镜702的两个反射面共面，即第一反射面S1与第三反射面S6共面，第二反射面S2与第四反射面S7共面；然后绕点P和点O的接触点转α角度，使第一直角反射棱镜701的上表面S3与第二直角反射棱镜702的第二切割面S4重合，且使第一切割面S3的一边与第二切割面S4的一边重合。形成的立体示意图如图4所示。

如图4所示，n＝2，α＝45°时双直角反射棱镜组立体效果图。第一直角反射棱镜701与第二直角反射棱镜702组成了图1中的双直角反射棱镜组107。其中第一反射面S1，第二反射面S2，第三反射面S6，第四反射面S7四个面是双直角反射棱镜组107中关键的部分，起到将光的入射面不断地旋转的作用。

如图5所示，n＝2，α＝45°时放大器结构的立体示意图。泵浦光路和激光光路在图5所示的部分相同。图中箭头表示泵浦光或者激光的传输方向。激光增益介质薄片105的中心和双直角反射棱镜组107的中心均位于抛物面反射镜104的轴线上。激光增益介质薄片105还位于抛物面反射镜104的焦点上。而且，考虑了激光增益介质薄片105表面的折射效应后，抛物面反射镜104的焦点准确地位于激光增益介质薄片105的后表面的中心，以便于平行于抛物球面镜104的光轴入射到抛物球面镜104上时能够准确地聚焦在激光增益介质薄片105的后表面的中心，并发生镜面反射。

如图5所示，由于激光和泵浦光光路相同，所以以激光在图5所示的结构中传输为例。由于抛物面反射镜104、增益介质薄片105和双直角反射棱镜组107组成的结构，使得激光每次经过双直角反射棱镜组107的反射时激光的入射面发生旋转，从而使得激光经过抛物面反射镜104聚焦后入射到增益介质薄片105时的入射面和反射面(入射面和反射面共面)发生旋转。如图5所示，n＝2，α＝45°时的实施例中，激光经过直角反射棱镜701反射2次，在直角反射棱镜702反射1次，因此激光在双直角反射棱镜组107上共产生3次入射面旋转，共有4种入射面分布。如图5所示，激光共在增益介质薄片105上反射3次，每一次的反射面之间有一定夹角，所以激光能够均匀地多光程通过增益介质薄片，有利于提高增益介质薄片105的利用效率，充分地消耗反转粒子数，同时有利于消除热效应，有利于提高光束质量。

同理，对于泵浦光，由于抛物面反射镜104、增益介质薄片105和双直角反射棱镜组107组成的结构，使得泵浦光每次通过增益介质薄片105时入射面发生旋转。在如图5所示，n＝2，α＝45°时的实施例中，泵浦光共在增益介质薄片105上反射3次，每一次的反射面之间有一定的夹角，所以泵浦光能够均匀地多光程通过增益介质薄片，有利于增益介质薄片105对泵浦光进行均匀地充分地吸收，提高泵浦光利用效率，充分地提高反转粒子数。

而本发明提出的如图5所示的结构的一个关键的优点是，泵浦光路和激光光路在图5所示的结构中完全重合，结合泵浦光和激光在图5所示的结构中的入射面旋转的优势，使得泵浦光和激光的模式匹配更有优化，更加有利于提高光光转换效率，提高光束质量。

如图6所示，n＝2，α＝45°时抛物面反射镜104的横截面上的光点分布图。

如图7所示n＝2，α＝45°时泵浦光光路展开图。

如图8所示，n＝2，α＝45°时激光光路展开图。

下面结合图5，6，7，8对n＝2，α＝45°时的实施例进行详述。

泵浦光光路实施过程。如图5，6，7所示，泵浦光沿箭头所示方向(如图5所示)入射，首先平行于抛物面反射镜104的光轴入射到抛物面反射镜104的点1上，经抛物面反射镜104聚焦到激光增益介质薄片105，并进入激光增益介质薄片105，泵浦光被激光增益介质薄片105吸收，用于产生增益介质中的粒子数反转。泵浦光在激光增益介质薄片105后表面发生镜面反射，再次通过激光增益介质薄片105，激光增益介质薄片105对泵浦光再次进行吸收用于粒子数反转。泵浦光经由激光增益介质薄片105出射后，斜入射到抛物面反射镜104的点2上，经抛物面反射镜104反射后，平行于抛物面反射镜104的光轴入射到直角反射棱镜701的第一反射面S1，经第一反射面S1反射到直角反射棱镜701的第二反射面S2，再平行入射到抛物面反射镜104的点3上，经抛物面反射镜104反射，聚焦到激光增益介质薄片105上。经过激光增益介质薄片105吸收、后表面镜面反射和激光增益介质薄片105再吸收，斜入射到抛物面反射镜104的点4上，经抛物面反射镜104反射后，平行于抛物面反射镜104的光轴入射到直角反射棱镜702的第三反射面S6，经第三反射面S6反射到直角反射棱镜702的第四反射面S7，再平行入射到抛物面反射镜104的点5上(点5与点4未重合，重合只是其一种特殊情况，下面的特殊实施例中将详述)。经抛物面反射镜104反射，聚焦到激光增益介质薄片105上，经过激光增益介质薄片105吸收、后表面镜面反射和激光增益介质薄片105再吸收，斜入射到抛物面反射镜104的点6上(点6与点3未重合，重合只是其一种特殊情况，下面的特殊实施例中将详述)，经抛物面反射镜104反射后，平行于抛物面反射镜104的光轴入射到直角反射棱镜701的第二反射面S2上，经直角反射棱镜701的直角反射，入射到直角反射棱镜701的第一反射面S1，再平行入射到抛物面反射镜104的点7上(点7与点2未重合，重合只是其一种特殊情况，下面的特殊实施例中将详述)。经抛物面反射镜104反射，聚焦到激光增益介质薄片105上，经过激光增益介质薄片105吸收、后表面镜面反射和激光增益介质薄片105再吸收，斜入射到抛物面反射镜104的点8上(点8与点1未重合，重合只是其一种特殊情况，下面的特殊实施例中将详述)。最终经抛物面反射镜104的反射后，平行于抛物面反射镜104的光轴输出。形成完整的泵浦光传输过程。泵浦光完成该完整的传输过程后，大部分已被增益介质吸收，输出的剩余泵浦光远远小于初始泵浦光。

根据上述对泵浦光光路实施过程，该实施例中，即n＝2，α＝45°时，一次泵浦光的完整传输过程，泵浦光经激光增益介质薄片105反射4次，共8次通过激光增益介质薄片105，即激光增益介质薄片105共吸收泵浦光8次，即4n次(本实施例中n＝2)。因此，泵浦光在放大器中的传输过程，使得相对于常规的放大器，激光增益介质薄片105对泵浦光的吸收次数大大增加，等效于增加了增益介质薄片105的有效吸收厚度，增益介质薄片105能够充分地吸收泵浦光，提高泵浦光的利用效率，弥补了增益介质薄片厚度小、对泵浦光单次吸收少的缺点。多光程中泵浦光多次经过抛物面反射镜104、增益介质薄片105和双直角反射棱镜组107的反射引入一定的损耗，但这些损耗均很小，且泵浦光多次通过增益介质薄片105大大增大了泵浦光的吸收和利用效率，完全可以忽略上述损耗。

激光放大过程分析。如图5，6，8所示，以输入镜108为激光放大过程的起点，激光经沿箭头所示方向(如图5所示)入射，首先平行于抛物面反射镜104的光轴入射到抛物面反射镜104的点1上，经抛物面反射镜104聚焦到激光增益介质薄片105，并进入激光增益介质薄片105，激光消耗激光增益介质薄片105的反转粒子数，获得单次增益。激光在激光增益介质薄片105后表面发生镜面反射，再次通过激光增益介质薄片105，激光再次消耗激光增益介质薄片105的反转粒子数，再次获得增益。激光经由激光增益介质薄片105出射后，斜入射到抛物面反射镜104的点2上，经抛物面反射镜104反射后，平行于抛物面反射镜104的光轴入射到直角反射棱镜701的S1面，经S1面反射到直角反射棱镜701的S2面，再平行入射到抛物面反射镜104的点3上。经抛物面反射镜104反射，聚焦到激光增益介质薄片105上，经过消耗激光增益介质薄片105的反转粒子数获得增益、后表面镜面反射和再次消耗激光增益介质薄片105的反转粒子数再次获得增益，斜入射到抛物面反射镜104的点4上。经抛物面反射镜104反射后，平行于抛物面反射镜104的光轴入射到直角反射棱镜702的S6面，经S6面反射到直角反射棱镜702的S7面，再平行入射到抛物面反射镜104的点5上(点5与点4未重合，重合只是其一种特殊情况，下面的特殊实施例中将详述)。经抛物面反射镜104反射，聚焦到激光增益介质薄片105上，经过消耗激光增益介质薄片105的反转粒子数获得增益、后表面镜面反射和再次消耗激光增益介质薄片105的反转粒子数再次获得增益，斜入射到抛物面反射镜104的点6上(点6与点3未重合，重合只是其一种特殊情况，下面的特殊实施例中将详述)。经抛物面反射镜104反射后，平行于抛物面反射镜104的光轴入射到直角反射棱镜701的S2面上，经直角反射棱镜701的直角反射，入射到直角反射棱镜701的S1面，再平行入射到抛物面反射镜104的点7上(点7与点2未重合，重合只是其一种特殊情况，下面的特殊实施例中将详述)。经抛物面反射镜104反射，聚焦到激光增益介质薄片105上，经过消耗激光增益介质薄片105的反转粒子数获得增益、后表面镜面反射和再次消耗激光增益介质薄片105的反转粒子数再次获得增益，斜入射到抛物面反射镜104的点8上(点8与点1未重合，重合只是其一种特殊情况，下面的特殊实施例中将详述)。然后经抛物面反射镜104的在点8处的反射后，平行于抛物面反射镜104的光轴输出，同样平行于种子激光的入射光路，但与其分离开(重合是一种特殊情况，下面的特殊实施例中将详述)。经过多光程放大后的激光，最终经过输出镜109输出。

结合上述对激光谐振过程的详细分析，该实施例中，即n＝2，α＝45°时，一次完整的激光多光程放大过程，激光经激光增益介质薄片105反射4次，共8次通过激光增益介质薄片105，即激光共获得8次增益，即4n次(本实施例中n＝4)。因此，一次完整的激光放大过程中，激光在增益介质后表面经过2n次反射，即激光共4n次通过增益介质，则一次完整的激光放大过程中的总的小信号增益为4ng₀l。决定激光放大功率的总的增益是激光单次通过增益介质的4n倍。而损耗主要为增益介质105的吸收损耗，以及抛物面反射镜104、增益介质薄片105和双直角反射棱镜组107的反射损耗，而相对于多光程引入的数倍或者数十倍的高增益，这些损耗均很小，所以振荡激光的多光程即经过增益介质薄片105的次数对往返损耗影响不大。根据上述公式(1.1)可得，本发明提出的泵浦光路和激光光路合二为一的放大器结构，能够有效提高放大过程的总增益，而损耗保持不变，则激光输出功率成指数增长。

根据上述泵浦光传输过程和激光放大过程，并结合图4，5，6，对于n＝2，α＝45°时的实施例，对于抛物面反射镜上光线的入射点1，2，3，4，5，6，7，8进行说明。它们之间存在如下固定的关系：1与2关于增益介质薄片105对称分布；2与3关于直角反射棱镜701的脊(即S1与S2面的交线)对称分布；3与4关于增益介质薄片105对称分布；4与5关于直角反射棱镜702的脊(即S6与S7面的交线)对称分布；5与6关于增益介质薄片105对称分布；6与7关于直角反射棱镜701的脊对称分布；7与8关于增益介质薄片105对称分布。而通过调节点1的位置，可以使1与8、2与7、3与6、4与5之间的距离产生变化。当点1靠近图6所示阴影部分中心线时，1与8、2与7、3与6、4与5之间的距离将逐渐减小；当当点1位于图6所示阴影部分中心线时，1与8重合、2与7重合、3与6重合、4与5重合，该特殊的光点分布图如图10所示和该特殊实施例如图11所示；图6所示阴影部分中心线将阴影部分分为两部分，当点1位于其中一部分的中心时(图6所示的情况)，1与8、2与7、3与6、4与5之间的距离相等，且点1，2，3，4，5，6，7，8均匀地分布抛物面反射镜104上，此时对于泵浦光和激光在增益介质薄片105中的入射面都均匀地、等间隔地分布，该情况下对于减少热效应的效果最好，有利于提高光束质量。

图9a至9e展示了n＝1，3，4，5，6的抛物面镜的横截面上的光点分布图。结合上述对n＝2，α＝45°时的实施例详述过程和图2-8，可分析出各实施例中的泵浦光传输过程和激光放大过程。所述的n与切割角度α存在关系nα＝90°。下面简要分析如下：

如图9a所示，n＝1时，直角反射棱镜702的切割角度α＝90°，即双直角反射棱镜组107仅采用一块直角反射棱镜701。本实施例中，一次完整的激光放大过程中，泵浦光在激光增益介质薄片105后表面发生镜面反射2次，共4次通过激光增益介质薄片105，即激光增益介质薄片105共吸收泵浦光4次，即4n次(本实施例中n＝1)；一次完整的激光放大过程中，激光在激光增益介质薄片105后表面经过2次反射，即激光共4次通过激光增益介质薄片105，获得4次增益，即4n次(本实施例中n＝1)，则一次完整的激光放大过程中的总的小信号增益为4g₀l。

如图9b所示，n＝3时，直角反射棱镜702的切割角度α＝30°。本实施例中，一次往返过程中，泵浦光在激光增益介质薄片105后表面发生镜面反射6次，共12次通过激光增益介质薄片105，即激光增益介质薄片105共吸收泵浦光12次，即4n次(本实施例中n＝2)；一次完整的激光放大过程中，激光在激光增益介质薄片105后表面经过6次反射，即激光共12次通过激光增益介质薄片105，获得12次增益，即4n次(本实施例中n＝3)，则一次完整的激光放大过程中的总的小信号增益为8g₀l。

如图9c所示，n＝4时，直角反射棱镜702的切割角度α＝22.5°。本实施例中，一次完整的激光放大过程中，泵浦光在激光增益介质薄片105后表面发生镜面反射8次，共16次通过激光增益介质薄片105，即激光增益介质薄片105共吸收泵浦光16次，即4n次(本实施例中n＝4)；一次完整的激光放大过程中，激光在激光增益介质薄片105后表面经过8次反射，即激光共16次通过激光增益介质薄片105，获得16次增益，即4n次(本实施例中n＝4)，则一次完整的激光放大过程中的总的小信号增益为16g₀l。

如图9d所示，n＝5时，直角反射棱镜702的切割角度α＝18°。本实施例中，一次往返过程中，泵浦光在激光增益介质薄片105后表面发生镜面反射10次，共20次通过激光增益介质薄片105，即激光增益介质薄片105共吸收泵浦光20次，即4n次(本实施例中n＝5)；一次完整的激光放大过程中，激光在激光增益介质薄片105后表面经过10次反射，即激光共20次通过激光增益介质薄片105，获得20次增益，即4n次(本实施例中n＝5)，则一次完整的激光放大过程中的总的小信号增益为20g₀l。

如图9e所示，n＝6时，直角反射棱镜702的切割角度α＝15°。本实施例中，一次往返过程中，泵浦光在激光增益介质薄片105后表面发生镜面反射12次，共24次通过激光增益介质薄片105，即激光增益介质薄片105共吸收泵浦光24次，即4n次(本实施例中n＝6)；一次完整的激光放大过程中，激光在激光增益介质薄片105后表面经过12次反射，即激光共24次通过激光增益介质薄片105，获得24次增益，即4n次(本实施例中n＝6)，则一次完整的激光放大过程中的总的小信号增益为24g₀l。

如图10所示，对于n＝2，α＝45°时，当点1位于图6所示阴影部分中心线时，1与8重合、2与7重合、3与6重合、4与5重合，即输入的泵浦光c或者输入的种子激光a在放大器中传输时形成一个折返过程，折返点为直角反射棱镜702的脊(即S6与S7面的交线)。激光垂直入射到直角反射棱镜702的脊时能够原路返回。

如图11所示，在图10所示的情况下的放大器结构图。放大后的激光与入射种子激光光路完全重合，加入四分之一波片后，使输入种子激光和放大后的激光偏振方向垂直，利用45°偏振分束镜将放大后的激光输出。

图12为一种特殊的实施例。通过改变图1所示的多光程激光放大器的结构得到不同的多光程形式。图12所示的结构是将激光入射到双直角反射棱镜组107的某块区域切除或挖空，使经过数次放大后的激光输出。具体地，对于n＝2，α＝45°时，在图6所示的结构中，相当于把直角反射棱镜702对应于点8的部分切除，使激光输出；如果将直角反射棱镜701对应于点6的部分切除，则激光经过6次放大后输出，减少了2次放大过程；如果将直角反射棱镜701对应于点4的部分切除，则激光经过4次放大后输出，减少了4次放大过程。

图12所述的实施例同样适用于在抛物面反射镜104相应的部分切割或挖空，使经过若干次放大后的激光输出。具体地，对于n＝2，α＝45°时，将抛物面反射镜104的点8区域挖空，使激光在点8处输出(但输出方向与种子激光输入方向不平行)，则在不减少对种子激光放大次数的基础上，改变了放大器的输出方式；将抛物面反射镜104的点7区域挖空，使激光在点7处输出，则放大后的激光平行于抛物面反射镜104的光轴输出，但激光经过增益介质薄片105的次数减少一次，放大次数减少两次。

因此，基于本发明提出的结构和思想的基础上，通过改变激光输入或者输出方式的结构都属于本发明的范畴。

其它相关的多光程激光放大器实施例，包括所述的双直角反射棱镜组107采用其它能够实现相同功能作用的光学器件或者组合代替；所述的谐振腔中加入其它光学元件例如非线性光学晶体、调Q晶体等；所述的泵浦系统中的泵浦光源101、光学耦合系统102、45°放置的双色分束镜103采用其它等效功能的器件和结构，均可采用上述说明进行相应分析，均在本发明所述的多光程激光放大器范围内。

Claims (7)

1.一种多光程薄片式激光放大器，其特征在于，激光放大器活性介质薄片的泵浦光路、被放大的注入激光光路皆处在同轴光路中，都经过一个多光程的反射传输过程，它包括一个泵浦光路系统和一个激光光路系统，其信号走向为：从泵浦光源(101)射出泵浦光束，穿透过光学耦合系统(102)和双色分束镜(103)，从与泵浦光束平行的方向射入激光光束，经输入镜(108)反射到双色分束镜(103)的表面，所述泵浦光束和激光光束在双色分束镜(103)的表面交汇，形成泵浦光和激光的重合光束，以平行于抛物面反射镜(104)光轴的方向入射到抛物面反射镜(104)上，再反射聚焦到激光增益介质薄片(105)的表面，通过镜面反射再斜射到抛物面反射镜(104)上，再经反射，以平行于抛物面反射镜(104)的光轴入射到双直角反射棱镜组(107)上，所述泵浦光和激光的重合光束经过在抛物面反射镜(104)、激光增益介质薄片(105)和双直角反射棱镜组(107)之间的折射和反射作用，最后以平行于入射光方向的输出光束，射到输出镜(109)上，通过反射作用，沿与抛物面反射镜(104)光轴垂直的方向输出。

2.根据权利要求1所述的多光程薄片式激光放大器，其特征在于，所述双直角反射棱镜组(107)由第一直角反射棱镜(701)和第二个直角反射棱镜(702)构成，所述直角反射棱镜(701)包括第一反射面(S1)、第二反射面(S2)和上表面(S3)，所述第一反射面(S1)和所述第二反射面(S2)相互垂直，所述第一反射面(S1)、所述第二反射面(S2)和所述上表面(S3)三个面交于点P；所述直角反射棱镜(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)与底面所呈的角度和所述第二切割面(S5)与底面所成的角度相等，皆为α，且关于所述第二直角反射棱镜(702)的中间轴对称分布，所述第一切割面(S4)和所述第二切割面(S5)交于点O；所述第一直角反射棱镜(701)的点P和所述第二个直角反射棱镜(702)的点O相抵合，所述上表面(S3)与所述第一切割面(S4)重合构成所述双直角反射棱镜组(107)。

3.根据权利要求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(S1)、所述第二反射面(S2)、所述第三反射面(S6)、所述第四反射面(S7)均经过镀膜处理。

4.根据权利要求1所述的多光程薄片式激光放大器，其特征在于，所述光学耦合系统(102)为透镜组。

5.根据权利要求1所述的多光程薄片式激光放大器，其特征在于，所述双色分束镜(103)呈45°放置。

6.根据权利要求1所述的多光程薄片式激光放大器，其特征在于，所述激光增益介质薄片(105)的另一面设置有热沉系统(106)。

7.根据权利要求1所述的多光程薄片式激光放大器，其特征在于，所述双直角反射棱镜组(107)为角锥棱镜。

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