CN102684051A - 一种碟片激光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碟片固体激光放大器，包括同轴共轭放置的两抛物面反射镜，形成抛物面反射镜组，每个抛物面反射镜的顶点处设置有一碟片激光晶体，两碟片激光晶体的端面法线分别与其对应的抛物面反射镜的中轴呈一定倾角，且两个倾角不相等，泵浦光和种子激光分别从抛物面反射镜上的泵浦光入口和激光入口平行于光轴射入到由所述反射镜组的两抛物面反射镜形成的聚光腔中，并在该聚光腔中多次反射后交替会聚于两碟片激光晶体上，实现对两碟片激光晶体的多次泵浦和对激光的多次放大。本发明的碟片固体激光放大器对泵浦光束吸收效率高，可以对种子激光实现高效的放大，并保持较好的光束质量，并且整体系统结构简单、易于安装、调试。

Description

一种碟片激光放大器

技术领域

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种碟片激光放大器。

背景技术

激光技术自上世纪六十年代至今高速发展，同时，又与其他高新技术相互渗透，在材料加工、医疗、军事、测量及科学实验研究等众多领域有越来越广泛的应用。其中，固体激光器具有体积小，重量轻，成本低，使用维护方便等优势，成为激光器家族中独特的一个分支，并向着高平均功率、高光束质量、高转换效率的方向快速发展。然而传统的棒状固体激光器和棒状固体激光放大器，由于其侧面泵浦的结构和冷却方式的局限性，导致了晶体内部产生径向温度场分布，引起了热透镜效应、热应力双折射等问题，造成输出激光光束质量的下降，不利于在激光加工技术等领域的应用。为获得高光束质量激光输出，往往采用提高基模体积、增大谐振腔损耗等手段抑制高阶模式的产生，相同条件下，这样的工作模式获得输出功率一般明显低于多模(低光束质量)工作模式，因此在获得高光束质量的种子光源后，利用激光放大器对入射激光进行放大，可以在保持较高的光束质量的同时获得更高的输出功率。

传统激光放大器一般采用棒状增益介质或板条状增益介质，种子激光再通过被泵浦的增益介质过程中被放大。为了获得较高的输出功率，往往需要多级棒状增益介质，或采用复杂的光学系统使被放大激光多次通过板条状增益介质。这两种激光放大器均存在以下问题：激光晶体内部温度梯度方向与被放大激光传播方向垂直，显著的热透镜效应会在放大过程中不断劣化被放大激光光束质量。不易同时获得高功率、高光束质量的激光输出。其次，被放大激光在传播过程中，光束截面尺寸不断变化，实现泵浦区域尺寸与被放大激光尺寸相匹配是十分困难的。

作为新型的激光增益介质，碟片状激光晶体作为增益介质在碟片固体激光器上已取得了极大成功。这种类型的激光晶体也适用于激光放大器。因为其特殊的几何结构，客服了传统放大器中棒状增益介质固有的显著的热透镜效应，特别是以三价Yb离子掺杂的YAG碟片激光晶体，具有生热率小，导热率高等特点。碟片状晶体一般采用端面泵浦方式，晶体中热流方向与光轴方向平行。由于激光晶体厚度很小，因而即使在泵浦功率密度很高时，晶体内部的升温也不会很大，晶体内部增益区内温度径向均匀分布，极大消除了晶体的热形变。因为碟片状激光晶体具有可承受泵浦功率高，热畸变小等优势，相比传统棒状增益介质，以这种碟片状激光晶体作为增益介质的激光放大器，可以在实现较高增益系数，获得较高的放大效率的同时，有效的避免波前畸变和脉冲形状畸变。

碟片激光晶体厚度一般为几百微米，若采用传统的端面单次泵浦，因为吸收长度小，所以吸收效率较低；在激光放大中，采用传统的单程放大，因为放大长度小，所以不易获得较大的放大倍率和较高的能量提取效率。为了使泵浦光被充分吸收，并实现较高的放大倍率，高效的多次泵浦技术和多次放大技术是碟片激光放大器的关键技术。这两项关键技术均是要利用一定的光学系统使特定光束多次聚焦于碟片晶体上并被吸收或放大。

S.Erhard等人提出的单抛物面光束空间旋转多次泵浦技术的方案，可以实现16次或32次泵浦过程，并成功的应用于高功率碟片固体激光器和碟片激光放大器中，但是这种多次泵浦技术存在的主要问题是机械结构复杂，光学调整难度较高。而且这种方案下，对输入泵浦光束的光束质量要求较高。同时这种多次泵浦技术在空间上只允许一路光束多次聚焦于碟片，很难同时实现多次泵浦和多次放大，不易实用于高效的激光放大器。

德国斯图加特大学A.Giesen等人采用上述S.Erhard等人发明的多次泵浦方案泵浦的碟片激光晶体作为增益介质，发明了一种基于多反射镜阵列的碟片激光放大器，其设计思想是，经过准直的种子激光入射碟片激光晶体并被放大、发射，被反射的激光束被特定位置、特定角度放置的平面反射镜和曲面反射镜反射，使其再次入射至碟片激光晶体，实现多次放大。被放大的次数与所放置的反射镜个数、即其放置的位置、角度相关。这种碟片激光放大器实现了利用碟片状激光晶体对种子激光多次放大。但是，反射镜阵列中，每个反射镜角度均不相同，安装、调试难度大。光束在放大、传播过程中，截面尺寸不断增加，无法保证各次放大过程中均与碟片激光晶体的泵浦区域相匹配。

发明内容

本发明的目的在于为了克服上述现有技术存在的问题及缺点，提供一种碟片激光放大器，该碟片激光放大器对泵浦光束吸收效率高，对泵浦源、泵浦光束复合准直整形要求低，利用独特的光学结构，同时实现对泵浦光的多次吸收和对激光的多次放大。系统机械结构简单、紧凑，制造、装配容易，可以对种子激光实现高效的放大，并保持其较好的光束质量。

本发明的技术方案为：

一种碟片固体激光放大器，包括同轴共轭放置的两抛物面反射镜，形成抛物面反射镜组，其中每个抛物面反射镜的顶点处设置有一碟片激光晶体，两碟片激光晶体的端面法线分别与其对应的抛物面反射镜的光轴呈一定倾角，且两个倾角不相等，泵浦光和种子激光分别从抛物面反射镜上的泵浦光入口和激光入口平行于光轴射入到由所述两抛物面反射镜形成的聚光腔中，并在该聚光腔中多次反射后交替会聚于两碟片激光晶体上，实现对两碟片激光晶体的多次泵浦和对激光的多次放大。

冷却系统用于碟片状激光晶体的冷却，面形函数相同的二个抛物面反射镜同轴共轭放置，其中一个抛物面反射镜的顶点位于另一个抛物面反射镜的焦点处。

第一碟片激光晶体被连接在一定的冷却结构上并放置于第一抛物面反射镜的顶点处，且第一碟片激光晶体端面法线与第一抛物面反射镜的光轴之间的倾角β为1-5度；第二碟片激光晶体被连接在一定的冷却结构上并放置于第二抛物面反射镜的顶点处，且第二碟片激光晶体与第二抛物面反射镜的光轴之间的倾角α为1-5度，且α≠β；一个条形泵浦光入口被设计在第一抛物面反射镜上，且其几何中心相对第一碟片激光晶体沿慢轴正方向偏移一定距离，

一个圆形或矩形激光入口设计在第一或二抛物面反射镜上，且其几何中心相对第一、第二碟片激光晶体沿慢轴负方向偏移一定距离；或者两个条形泵浦光入口设计在第一抛物面反射镜上，且其几何中心沿慢轴正方向对称的分布于第一碟片激光晶体两侧；或者两个条形泵浦光入口设计在第一抛物面反射镜上，且其几何中心沿慢轴正方向对称的分布于第一碟片激光晶体两侧，一个圆形或矩形激光入口设计在第一或二抛物面反射镜上，且其几何中心相对第一、第二碟片激光晶体沿快轴方向偏移较小距离；一个圆形或矩形激光出口设计在第二抛物面反射镜上，且其几何中心相对激光入口沿快轴方向偏移一定距离；一组或两组半导体激光器叠阵发出的泵浦光经光束复合器复合、泵浦光束准直器准直，从条形泵浦光入口进入由第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜、第一碟片激光晶体、第二碟片激光晶体组成的多次泵浦聚光腔，在多次泵浦聚光腔内，由所述的第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜、第一碟片激光晶体、第二碟片激光晶体聚焦、准直、偏转多次会聚于第一碟片激光晶体、第二碟片激光晶体上；种子激光直接或先经过预放大级经过一定的光学系统以与准直泵浦光束近似的发散角由激光入口进入由一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜、第一碟片激光晶体、第二碟片激光晶体组成多次放大腔，被多次放大的激光由激光出口输出。

通过平面全反镜或曲面全反镜将多个多次泵浦(放大)聚光腔串接并构成多级激光放大器，增加种子激光通过碟片状激光晶体的总次数，即增大了放大长度，以获得更高功率的激光输出。

所述的碟片状激光晶体面向腔体的一面镀有对泵浦光和被放大激光波长高反射膜层，另一面镀有对泵浦光和放大激光波长的高透射膜层。

所述的冲击冷却系统主要构件有制冷机、水泵、水箱、冷却室、进水管道及回水通道；冷却室可以位于碟片状激光晶体所在的抛物面反射镜的内部，也可以作为独立零件与抛物面反射镜分离；碟片可以焊接、钳接或粘接与冷却系统上，也可以作为冷却室的一部分并使其镀有高反膜的一面直接与冷却液接触并被高效冷却。冷却室内可以安装喷嘴、喷嘴阵列与制冷机、水泵、进水管道及回水通道构成射流冲击冷却系统。冷却室也可以为微通道冷却器或半导体制冷装置实现对碟片状激光晶体的冷却。

具体而言，本发明具有以下优点：

(1)半导体激光器叠阵组泵浦的方式，效率高、寿命长，设备维护方便。

(2)采用碟片状激光晶体作为增益介质，晶体热畸变小，在对种子激光功率放大过程中，可以较好的保持其光束质量。最终获得高光束质量高功率激光输出。

(3)双抛物面反射镜和两个碟片状激光晶体组成的多次泵浦聚光腔，降低了泵浦光整形、准直器的复杂性，不需要对半导体激光器叠阵快慢轴方向显著的光参数积差异进行圆化。高效的实现多次泵浦，泵浦光斑面积合理，功率密度分布均匀；双抛物面反射镜和两个碟片状激光晶体组成的多次放大腔，提高了激光放大倍率和能量提取效率，降低了入射激光的预放大要求。在激光放大过程中，激光光束多次反射、传输，但均被抛物面会聚于焦点，对入射激光光束的准直性要求低。

(4)在单个多次泵浦腔中对称位置放置两块碟片状激光晶体，在实现对泵浦光束高效吸收的同时，减小了单个碟片的多次泵浦次数，降低了对泵浦光源光束质量的要求，简化了准直系统。减少了多次泵浦过程中抛物面反射镜对泵浦光的吸收，提高了泵浦光的利用效率。同时，种子激光在两块碟片状激光晶体上均被有效放大，提高了放大效率。

(5)碟片状激光晶体可以直接焊接、粘接或钳接于冷却室上，也可以作为冷却室腔体的一部分直接和冷却液接触并被冷却。可以灵活采用多种高效的冷却方式，冷却效率高，结构简单，对冷却液、水泵、冷却器等设备要求低。同时，碟片状激光晶体温度较低、增益区内径向温度梯度小，在具体实现中，可以根据被放大激光波长等具体参数灵活应用Yb³⁺、Nd³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺等新型激光增益材料，实现高效率、高光束质量的激光放大。

(7)容易实现模块化，并能将多个独立多次泵浦(放大)腔模块串接，获得更大的放大倍率和更高功率的输出。

(6)设备体积较小、机械结构简单紧凑，安装、调节和维护容易、质量较轻，便于工业应用。

附图说明

图1a、图1b是本发明第一种具体实现方式的结构示意图。

图2a是图1中多次泵浦聚光腔部分主视图。

图2b是图1中多次泵浦聚光腔部分俯视图。

图3a、图3b是本发明第一种、第二种具体实现方式中泵浦光束和第一种具体实现方式中激光光束在第一抛物面、第二抛物面上的反射位置。

图4是本发明第二种具体实现方式的结构示意图。

图5是本发明第三种具体实现方式的结构示意图。

图6是本发明第四种具体实现方式的结构示意图。

图7a、图7b是本发明第五种具体实现方式的结构示意图。

图8a、图8b是本发明第三种、第四种、第五种具体实现方式中泵浦光束和第五种具体实现方式中激光光束在第一抛物面、第二抛物面上的反射位置。

图9a是本发明基于第一种具体实现方式的多模块串接放大实现方式。

图9b是本发明基于第五种具体实现方式的多模块串接放大实现方式。

具体实施方式

本发明采用一个或若干个半导体激光器叠阵作为泵浦源，一台输出光束质量较好的激光器作为种子光源，双抛物面反射镜、和两块碟片状激光晶体组成多次泵浦(放大)聚光腔，利用共轭放置的双抛物面反射镜的准直、聚焦特性，实现对泵浦光束多次吸收和对种子激光的多次放大。在具体实现方式中，一个条形泵浦光入口设计在第一抛物面反射镜上，且其几何中心相对第一碟片激光晶体沿慢轴正方向偏移一定距离，一个圆形或矩形激光入口设计在第二或第一抛物面反射镜上，且其几何中心相对第二碟片状激光晶体沿慢轴负方向偏移一定距离；或者两个条形泵浦光入口设计在第一抛物面反射镜上，且其几何中心沿慢轴正方向对称的分布于第一碟片激光晶体两侧；或者两个条形泵浦光入口设计在第一抛物面反射镜上，且其几何中心沿慢轴正方向对称的分布于第一碟片激光晶体两侧，一个圆形或矩形激光入口设计在第一或二抛物面反射镜上，且其几何中心相对第一、第二碟片激光晶体沿快轴方向偏移较小距离；一个圆形或矩形激光出口设计在第二抛物面反射镜上，且其几何中心相对激光入口沿快轴方向偏移一定距离；被冷却系统高效冷却的第一碟片激光晶体和第二碟片激光晶体分别在第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜顶点处，并分别相对抛物面中轴倾斜一定角度且两块碟片晶体的倾斜角度不同。准直泵浦光束先被聚焦在第二碟片激光晶体上，未被吸收的部分在聚光腔内被多次反射，并被第一碟片激光晶体、第二碟片激光晶体交替吸收，泵浦光束在泵浦腔内的空间位置逐次平移，实现对碟片激光晶体的多次泵浦，提高增益介质对泵浦光的吸收效率和激活粒子的能级反转深度。由种子激光器发出的种子激光经过一定的光学系统，变换为一定发散角的准直光束经过激光入口被聚焦于第一或第二碟片激光晶体上，并被放大反射，被放大激光在放大腔内被多次反射，并被第二碟片激光晶体、第一碟片激光晶体交替放大，被放大激光光束在放大腔内的空间位置逐次平移，实现若干次放大后，由激光出口输出。在具体实现中，可以将多个上述多次泵浦(放大)单元模块串联组成的多级放大系统，以提高最大输出功率，并获得较好的光束质量。

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

本发明的第一种实现方式如图1a、1b所示，这种碟片固体激光放大器包括半导体激光器叠阵组1、光束复合器2、泵浦光束准直器3、第一抛物面反射镜4、第二抛物面反射镜5、第一碟片激光晶体6、第二碟片激光晶体7、碟片晶体冷却系统8，种子激光器10，预放大系统11，激光准直系统12等结构，其中，第一抛物面反射镜4和第二抛物面反射镜5为共轭放置；条形泵浦光入口9位于第一抛物面反射镜4上，且其几何中心相对第一碟片激光晶体6沿慢轴(y轴)正方向偏移一定距离，半导体激光器叠阵组1发射的泵浦光束经过光束复合器2复合，泵浦光准直器3准直后进入由第一抛物面反射镜4、第二抛物面反射镜5、第一碟片激光晶体6、第二碟片激光晶体7构成的多次泵浦聚光腔，实现对两块碟片晶体多次、高效、均匀的泵浦；激光入口13设计在第二抛物面反射镜5上，且其几何中心相对第二碟片激光晶体7沿慢轴负方向偏移一定距离，由种子激光器10输出的种子激光或先被预放大系统11预放大，或直接由激光准直系统12变换为一定发散角的准直光束由激光入口13进入由第一抛物面反射镜4、第二抛物面反射镜5、第一碟片激光晶体6、第二碟片激光晶体7构成的多次放大腔，实现对其的多次放大，放大若干次后经激光出口14输出。工作过程中，冷却系统8A、8B分别对第一碟片晶体6、第二碟片晶体7高效冷却。

半导体激光器叠阵1作为碟片固体激光器的泵浦源，此光束在快轴和慢轴的发散角以及光斑尺寸均不同，慢轴方向的光参数积BPP远大于快轴方向的光参数积BPP。具体的，半导体激光器叠阵1输出光束截面为矩形，快轴方向为20mm左右，慢轴方向为10mm左右；同时快轴方向各巴条在出射面附近已被预准直，这一方向的发散角在1mrad以下，而慢轴方向发散角一般大于50mrad。整体而言，半导体激光器叠阵1的光束质量较差。在说明书和说明书附图中，快轴即为x轴，慢轴即为y轴，与x轴、y轴构成平面垂直的方向即抛物面中轴，下文中简称中轴。

泵浦光束准直器3将经过光束复合器2复合的由半导体激光器叠阵1所发出的截面为矩形的光束进行准直，在位于第一抛物面反射镜4下部的泵浦光入口9处获得长条形光斑，此光斑x方向尺寸远小于y方向尺寸，并且准直后的泵浦光束x、y方向发散角较小且相等。这里被泵浦光束准直器3准直的光束可以是由单个半导体激光器叠阵发出，也可以是由多个半导体激光器叠阵发出后再经过光束复合器复合获得。

第一抛物面反射镜4、第二抛物面反射镜5、第一碟片激光晶体6、第二碟片激光晶体7构成多次泵浦聚光腔，图2给出了聚光腔内各部件的位置关系。其中第一抛物面15、第二抛物面16分别为第一抛物面反射镜4、第二抛物面反射镜5的反射面。第一抛物面15、第二抛物面16具有相同的抛物线函数，焦距均为P，顶点相距P/2且同轴。第一抛物面15的焦点与第二抛物面16的顶点重合；第二抛物面16的焦点与第一抛物面15的顶点重合，所以说两个抛物面反射镜共轭放置。

第一碟片激光晶体6和第二碟片激光晶体7是厚度为0.1mm-1mm，直径为4mm-20mm的碟片状晶体，它们作为激光器的激活介质。两块碟片激光晶体尺寸、掺杂浓度可以相同、也可以不同。两块晶体远离腔体的一面均镀有对泵浦光和种子激光波长的高反射膜层，因为第一碟片激光晶体6和第二碟片激光晶体7以特定角度放置，该膜层反射泵浦光和被放大激光并偏转光束传输方向与中轴的夹角；另一面镀有对泵浦光和输出激光的高透膜层，以减少泵浦光和激光的反射损耗。碟片状激光晶体6被连接在冷却系统8A上，并位于第一抛物面15的顶点区域，即第二抛物面16的焦点区域，安装中可以适当地离焦，其反射面面法线相对中轴沿快轴方向偏转一定夹角β，β为1-5度。第二碟片激光晶体7被连接在冷却系统8B上，并位于第二抛物面16的顶点区域，即第一抛物面15的焦点区域。其反射面法线方向绕y轴旋转，安装中可以适当地离焦，其反射面面法线相对中轴沿快轴方向偏转一定夹角α，α为1-5度，且α≠β。

放置在第二抛物面16焦点区域的第一碟片激光晶体6，放置在第一抛物面15焦点区域的第二碟片激光晶体7及共轭放置的第一抛物面15、第二抛物面16对于泵浦光构成多次泵浦腔，同时，对于放大激光构成多次放大腔。它们共同实现将从泵浦光入口9进入的已准直的泵浦光束和从激光入口13进入的已准直种子激光交替会聚于第一碟片激光晶体6、第二碟片激光晶体7上，分别实现多次泵浦吸收和多次放大，有效地提高了泵浦光的功率密度、吸收效率与均匀性，并高效的实现了对种子激光的放大。实现多次泵浦和多次放大的具体方案在下文有详细介绍。

如图2a、图2b、图3a、图3b所示，在这种实现方式中，位于第一抛物面反射镜4即第一抛物面15上的泵浦光入口9为长条状，长短边分别平行于y轴、x轴，且x方向尺寸远小于y方向尺寸。其中心位于中轴与y轴构成的平面上，且相对第一碟片激光晶体6沿y正方向有一定位移。经过准直的泵浦光由此进入多次泵浦聚光腔。位于第二抛物面反射镜5即第二抛物面16上的激光入口13为圆形或矩形，其中心位于两抛物面中轴与y轴构成的平面上，且相对第二碟片激光晶体7沿y负方向有一定位移。经过准直的种子激光由此进入多次放大腔。位于第二抛物面反射镜5即第二抛物面16上的激光出口14为圆形或矩形，其中心相对激光入口13沿x负方向有一定位移。

如图1a、图1b所示，经过准直的泵浦光从泵浦光入口9进入后首先射向第二抛物面反射镜5，根据抛物面反射镜能将平行于中轴的准直光束反射会聚于焦点的原理，泵浦光被会聚于第一碟片激光晶体6上；激光晶体吸收一部分泵浦光，未被吸收的部分被第一碟片激光晶体6的高反膜反射并射向第二抛物面反射镜5，因为激光晶体反射面法线与抛物面中轴有一定夹角β，故水平入射的光束被第一碟片反射后出射光束方向与中轴在快轴方向有夹角2β，光束到达第二抛物面反射镜5的位置在沿快轴方向发生位移以避开激光入口13；第二抛物面反射镜5将从其焦点射出的发散光束反射准直为平行于中轴的光束并射向第一抛物面反射镜4；第一抛物面反射镜4又将光束会聚于其焦点处即第二碟片激光晶体7上，泵浦光束被第二碟片激光晶体7部分吸收，未被吸收的部分被第二碟片激光晶体7的高反膜反射并射向第一抛物面反射镜4，因为第二碟片激光晶体7反射面法线相对中轴有夹角α，故经过第二碟片激光晶体7反射后，出射光线与中轴在快轴方向夹角相对入射时改变2α，即出射光线方向与中轴在快轴方向有夹角2(β-α)，光束到达第一抛物面反射镜4的位置在沿快轴方向发生位移以避开泵浦光入口9；光束在相对泵浦光入口9沿快轴方向存在一定空间位移处被反射准直为平行于中轴的光束射向第二抛物面反射镜5；这一光束继续在多次泵浦聚光腔中聚焦、准直、偏转，重复上述传播过程，第一碟片激光晶体6和第二碟片激光晶体7不断偏转其出射光束的方向，光束在抛物面反射镜上的位置也沿着快轴方向不断平移，每个吸收周期的位移量和第一碟片激光晶体6、第二碟片激光晶体7倾斜角度差值β-α相关。传播过程中光束多次会聚于第一碟片激光晶体6和第二碟片激光晶体7上并被吸收，实现了多次泵浦，提高泵浦光的利用率。在具体实现中，可以将第一碟片激光晶体6、第二碟片激光晶体7适当地离焦安装，每次会聚在激光晶体上的光斑会发生微小地位移、变形和扭转，多次泵浦光斑叠加，可以提高泵浦区域内功率密度空间分布的均匀性。

相似的，由激光准直系统12变换为一定发散角的准直种子激光光束从激光入口13进入多次放大腔，首先被第一抛物面反射镜4反射聚焦于第二碟片激光晶体7上，被放大后，这一光束被第二碟片激光晶体7背面的高反膜反射并沿快轴方向偏转2α角度射向第一抛物面反射镜4，光束到达第一抛物面反射镜4的位置在沿快轴方向发生位移以避开泵浦光入口9；光束被第一抛物面反射镜4准直为平行光束平行于中轴方向到达第二抛物面反射镜5，激光被第二抛物面反射镜5聚焦于第一碟片激光晶体6上，并被放大，反射且偏转2β。即出射光线方向与中轴在快轴方向有夹角2(α-β)，光束到达第二抛物面反射镜5的位置在沿快轴方向发生位移以避开激光入口13；光束在相对激光入口13沿快轴方向存在一定空间位移处被反射准直为平行于中轴的光束射向第二抛物面反射镜5；这一光束继续在多次放大聚光腔中聚焦、准直、偏转，重复上述传播过程，第一碟片激光晶体6和第二碟片激光晶体7不断偏转其出射光束的方向，光束在抛物面反射镜上的位置也沿着快轴方向不断平移，每个吸收周期的位移量和第二碟片激光晶体7、第一碟片激光晶体6倾斜角度差值α-β相关。传播过程中被放大激光多次会聚于第一碟片激光晶体6和第二碟片激光晶体7上并被放大，实现了多次放大，提高放大倍率和能量提取效率。

在实际应用中种子激光的发散角被激光准直系统12变换为和入射泵浦光束发散角相同或相似。以实现在第一碟片激光晶体6和第二碟片激光晶体7上被放大激光光束截面与泵浦增益区面积的匹配。为了进一步提高能力提取效率，可以先利用预放大器对种子激光预放大后再将其注入多次放大腔。

为进一步描述多次泵浦、多次放大的过程，多次泵浦聚光腔即多次放大聚光腔内，泵浦光束、激光光束多次到达第一抛物面15和第二抛物面16的位置如图3a、图3b所示。泵浦光束由半导体激光器叠阵1组发出，经过光束复合器2合束和泵浦光准直器3准直从泵浦光入口9进入多次泵浦聚光腔；首先在第二抛物面16上的P01区域被反射，聚焦于第一碟片激光晶体6；倾斜放置的碟片将没有被吸收的部分反射到第二抛物面16上的P02区域并又被反射为平行于光轴方向的准直光束射向第一抛物面15上的P03区域，第一抛物面15将该光束聚焦于第二碟片激光晶体7上，因为第二碟片激光晶体7倾斜方向与第一碟片激光晶体6相反且倾斜角不同，所以上述光束被第二碟片激光晶体7反射后不会射向泵浦光入口9，而是射向第一抛物面15上的P04区域，光束在第一抛物面15的P04区域被反射，类似于从9入射的已准直泵浦光，平行于抛物面中轴方向射向第二抛物面16，继续在多次泵浦聚光腔中被聚焦、准直、偏转、矫正，并在之后的传播过程中多次会聚于第一碟片激光晶体6和第二碟片激光晶体7，直到完全被吸收或光斑移出第二抛物面16孔径范围即逃离聚光腔。相似的，被放大种子激光由预放大器11预放大，再由激光准直系统12变换其发散角使之与入射泵浦光相匹配由激光入口13进入多次放大聚光腔，这一光束首先在第一抛物面15上的L01区域被反射，聚焦于第二碟片激光晶体7；被泵浦光激励且倾斜放置的碟片将其放大并反射到第一抛物面15上的L02区域并又被反射为平行于光轴方向的准直光束射向第二抛物面16上的L03区域，第二抛物面16将该光束聚焦于第一碟片激光晶体6上，因为也被泵浦光激励的第二碟片激光晶体7倾斜方向与第一碟片激光晶体6相反且倾斜角不同，所以上述光束被第二碟片激光晶体7放大、反射后不会射向激光入口13，而是射向第二抛物面16上的L04区域，光束在第二抛物面16的L04区域被反射，类似于从13入射的种子激光，平行于抛物面中轴方向射向第一抛物面15，继续在多次放大聚光腔中被聚焦、准直、偏转、矫正，并在之后的传播过程中多次会聚于第一碟片激光晶体6和第二碟片激光晶体7上被交替放大。若干次后，第二碟片激光晶体7对该光束最后一次放大并将其反射至第一抛物面15上，被放大激光经第一抛物面15反射准直为平行于中轴的光束由第二抛物面16上的激光出口14输出。

这一发明的第二种实现方式如图4所示，这种实现方式两抛物面关系、两块碟片位置、角度均与上述第一种实现方式相同。不同的是：激光入口13也位于第一抛物面反射镜4上，且其几何中心沿慢轴方向相对第一碟片激光晶体6有一定位移，且其位移方向与泵浦光入口9相反。这种实现方式泵浦光束多次吸收路径与图1所示方案相同，但激光多次放大路径有所不同，即经准直变换的种子激光首先被第二抛物面16反射后聚焦于第一碟片激光晶体6并被第一次放大，之后，这一光束在多次放大聚光腔中被聚焦、准直、偏转、矫正，依次被第二碟片激光晶体7和第一碟片激光晶体6交替放大，被多次放大若干次后，激光由激光出口输出，激光出口可以位移第一抛物面4上，也可以位移第二抛物面5上，其几何中心沿快轴方向相对激光入口13有若干位移。

这一发明的第三种实现方式如图5所示，两个泵浦光入口9在第一抛物面4上并沿慢轴方向对称的分布在第一碟片激光晶体两侧，两组半导体激光器叠阵1分别被两组光束复合器2复合和泵浦光束准直器3准直，从两个泵浦光入口9进入多次泵浦聚光腔，两组光束首先被第二抛物面16反射后聚焦于第一碟片激光晶体6并被第一次吸收并反射，之后，这一光束在多次放大聚光腔中被聚焦、准直、偏转、矫正，依次被第二碟片激光晶体7和第一碟片激光晶体6被交替吸收。具体的，一路泵浦光束传输路径与图3a、图3b所属的泵浦光束传输路径相同。另一路泵浦光束的传输路径与图3a、图3b所属的泵浦光束传输路径相对两碟片连线与快轴构成平面成镜像关系。即两组泵浦光束在慢轴方向上相对两抛物面中心对称的对第一碟片激光晶体6和第二碟片激光晶体7实现多次泵浦。这样的泵浦方式在之后第五种实现方式中将被详细介绍。被放大种子激光一般具有较好的光束质量，即光束传输因子积BPP较小，其被激光准直系统12变换为发散角与泵浦光束相匹配的光束后光束截面远小于泵浦光束，只要泵浦光入口慢轴方向尺寸略大于泵浦光束截面尺寸，被放大种子激光可以从一个泵浦光入口9边缘区域进入多次放大聚光腔，即一路泵浦光束与种子激光可以从同一个泵浦光入口9的不同空间位置进入多次(泵浦)放大聚光腔。种子激光进入多次放大聚光腔后完成与第二种实现方式相同的多次放大过程。

这种实现方式实现了两路泵浦光束同时注入多次泵浦聚光腔完成对两块碟片激光晶体的多次泵浦。这种方式一方面，可以注入更高的泵浦功率，使增益介质具有更高的增益系数，更高效的对种子激光进行放大，获得更高功率的激光输出；另一方面，可以有效的简化光束复合器2的复杂度，并且光束对称的聚焦于碟片上，提高了泵浦的均匀性，降低碟片因为泵浦不均匀引起的热效应，提高了激光放大器工作的安全性和稳定性。

这一发明的第四种实现方式如图6所示，这种实现方式中，其泵浦光入口和泵浦光多次吸收的传输路径与第三种实现方式相同；被放大种子激光也从一个泵浦光入口9进入多次放大聚光腔；一个具有波长选择性镀膜的平面镜17放置于一路泵浦光束截面的中心，且镜面法线方向与两抛物面中轴夹角为45度。平面镜17在种子激光波长为全反射镜，在泵浦光波长为高透射镜；泵浦光束经过平面镜17不改变传输方向和发散角；种子激光光束在两抛物面中轴和平面镜17法线构成的平面上沿相对平面镜17法线45度方向射向平面镜17，其被平面镜17反射后沿泵浦光传播方向同这路泵浦光从同一个泵浦光入口9的相同空间位置进入多次(泵浦)放大聚光腔；种子激光进入多次放大聚光腔后传输方式与这一发明的第二种实现方式相同。激光光束多次放大和一路泵浦光束多次吸收的路径相同，若干次后，被放大激光经过多次放大，具有较高的功率，从位于第一抛物面4或第二抛物面5上相对种子激光经过的泵浦光入口9沿快轴方向有若干位移的激光出口14输出，一路被多次吸收泵浦光束也会从激光出口14逃离多次泵浦聚光腔，但其绝大多数功率已被吸收，能量损失十分微弱。

这一发明的第五种实现方式如图7a、图7b所示，其泵浦光入口和泵浦光多次吸收的传输路径与第三种、第四种实现方式相同。激光入口13位于第二抛物面反射镜5上，且其相对第二碟片激光晶体7沿快轴方向有较小的位移，激光出口14沿快轴方向相对激光入口13有若干位移。具体实现中，激光入口13也可以位于第一抛物面反射镜4上；激光出口14位于第一抛物面反射镜4或第二抛物面反射镜5上均可。可以根据所需输出光束方向和空间尺寸要求灵活设计安排。具体的，泵浦光束在多次泵浦聚光腔中多次吸收和种子激光在多次放大聚光腔中多次放大过程中，光束在第一抛物面15和第二抛物面16上的位置分别如图8a和图8b所示。两路被复合、准直的泵浦光束经过两个泵浦光入口9进入多次泵浦聚光腔，其传输过程和图3a、图3b所描述的第一种实现方式中的传输过程是相似的，区别是图8a、图8b所述方式泵浦光为两路，传输过程中其空间位置沿快轴方向相对两碟片对称分布。这一发明的第三种、第四种实现方式中的泵浦光传输路径与第五种实现方式是相同的。种子激光由快轴方向相对第二碟片激光晶体7有较小位移的激光入口进入多次泵浦聚光腔，其首先在第一抛物面15上的L01区域被反射并被聚焦于第二碟片激光晶体7，其入射第二碟片激光晶体7的入射角相对中轴沿慢轴方向为0，沿快轴方向为γ，因为第二碟片激光晶体7反射面法线相对中轴有夹角α，故经过第二碟片激光晶体7反射后，出射光线与中轴在快轴方向夹角相对入射时改变2α，即出射光线方向与中轴在快轴方向的夹角为2α+γ，这一光束射向第一抛物面15上的L02区域并被反射准直为传输方向与中轴的平行的光束，该光束又射向第一抛物面16上的L03区域，该光束被第一抛物面16反射后传输方向沿快轴方向与中轴的夹角为2α+γ，并被聚焦于第一碟片激光晶体6上，因为第一碟片激光晶体6反射面法线相对中轴有夹角β，故经过第一碟片激光晶体6反射后，出射光线与中轴在快轴方向夹角相对入射时改变2β，即出射光线方向与中轴在快轴方向的夹角为2(α-β)+γ，这样的光束射向第二抛物面16的L04区域，有效的避开了激光入口13，并继续在多次放大聚光腔中聚焦、准直、偏转，重复上述传播过程，第一碟片激光晶体6和第二碟片激光晶体7不断偏转其出射光束的方向，光束在抛物面反射镜上的位置也沿着快轴方向不断平移，每个吸收周期的位移量和第二碟片激光晶体7、第一碟片激光晶体6倾斜角度差值α-β相关。即光束入射、出射碟片晶体的张角逐次增大。传播过程中被放大激光多次会聚于第一碟片激光晶体6和第二碟片激光晶体7上并被放大，直到若干次放大后，光束被位移到在第一抛物面15上的激光出口14区域，被放大激光输出。这种实现方式中，激光传输路径均在两碟片中轴与慢轴构成的平面上，即入射角慢轴成分总为0，这样的方式更方便与调节和安装，并实现了泵浦光与被放大激光空间上的分离；同时，其结构紧凑，也方便于下面将介绍的多模块串接方案的实现。

基于这一发明第一种实现方式的多模块串接方式如图9a所示，第一个多次泵浦(放大)聚光腔模块由泵浦光入口注入被复合、准直的泵浦光束，由激光入口注入被预放大、准直变换的种子激光，同前文介绍的第一种实现方式，这一模块中的第一碟片激光晶体6A、第二碟片激光晶体7A由一组半导体激光器叠阵组1A发出的泵浦光束高效均匀的泵浦，并对入射种子激光实现多次放大。种子激光被多次放大后经过激光出口14A输出，输出的激光由平面反射镜、曲面反射镜、透镜或棱镜构成的光学系统18转折、变换后从第二个多次泵浦(放大)聚光腔模块的激光入口注入第二个模块，第二个多次泵浦(放大)聚光腔模块由一组半导体激光器叠阵组1B发出的泵浦光束高效均匀的泵浦，并进一步对被放大激光进行多次放大，被放大激光由14B输出。具体实现中，从14B输出的激光可以作为这一激光放大器的输出激光，也可以进入下一个如前所述的多次泵浦(放大)聚光腔模块被继续放大，实现更多个模块的串接。

基于这一发明第五种实现方式的多模块串接方式如图9b所示，第一个多次泵浦(放大)聚光腔模块由泵浦光入口9A注入两路被复合、准直的泵浦光束，由激光入口13A注入被预放大、准直变换的种子激光，同前文介绍的第三种、第四种和第五种实现方式，这一模块中的第一碟片激光晶体6A、第二碟片激光晶体7A由两组半导体激光器叠阵组1A发出的泵浦光束高效均匀的泵浦，并对入射种子激光实现多次放大，种子激光被多次放大后经过激光出口14A输出，输出的激光由平面反射镜、曲面反射镜、透镜或棱镜构成的光学系统18转折、变换后从第二个多次泵浦(放大)聚光腔模块的激光入口13B注入第二个模块，第二个多次泵浦(放大)聚光腔模块由两组半导体激光器叠阵组1B发出的泵浦光束高效均匀的泵浦，并进一步对被放大激光进行多次放大，被放大激光由14B输出。具体实现中，从14B输出的激光可以作为这一激光放大器的输出激光，也可以进入下一个如前所述的多次泵浦(放大)聚光腔模块被继续放大，实现更多个模块的串接。

具体实现中，除了基于第一种、第五种实现方式的串接方式外，基于第二种、第三种、第四种实现方式也能通过由平面反射镜、曲面反射镜、透镜或棱镜构成的光学系统实现多模块串联。

在上述各种实现方式中，冷却系统8A和8B分别完成对第一碟片激光晶体6和第二碟片激光晶体7的冷却，提高泵浦吸收效率和粒子反转深度，实现较高的放大倍率、能量提取效率和较好的工作稳定性。根据放大器泵浦功率的大小，该系统可以选择射流冲击冷却系统、微通道冷却器、半导体制冷冷却器或其他形式的冷却形式。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (13)

1.一种碟片固体激光放大器，包括同轴共轭放置的两抛物面反射镜(4，5)，形成抛物面反射镜组，其中每个抛物面反射镜的顶点处设置有一碟片激光晶体(6，7)，两碟片激光晶体的端面法线分别与其对应的抛物面反射镜的中轴呈一定倾角，且两个倾角不相等，泵浦光和种子激光分别从抛物面反射镜上的泵浦光入口和激光入口平行于光轴射入到由所述两抛物面反射镜(4，5)形成的聚光腔中，并在该聚光腔中多次反射后交替会聚于两碟片激光晶体(6，7)上，实现对两碟片激光晶体(6，7)的多次泵浦和对激光的多次放大。

2.根据权利要求1所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述泵浦光入口(9)和激光入口(13)分别设置在所述两个抛物面反射镜中的第一抛物面反射镜(4)和第二抛物面反射镜(5)上。

3.根据权利要求1所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述泵浦光入口(9)和激光入口(13)均位于所述两个抛物面反射镜中的第一抛物面反射镜(4)或第二抛物面反射镜(5)上。

4.根据权利要求1-3之一所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述泵浦光入口(9)的几何中心和所述激光入口(13)的几何中心均相对碟片激光晶体(6，7)沿慢轴或快轴方向偏移一定距离。

5.根据权利要求2-4之一所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述泵浦光入口(9)有多个，对称设置在第一抛物面反射镜(4)或第二抛物面反射镜(5)中轴线两侧。

6.根据权利要求1、3、4或5所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，泵浦光入口(13)与激光入口(9)重合，泵浦光和种子激光从所述重合的入口入射到聚光腔。

7.根据权利要求6所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述泵浦光在泵浦光入口(9)前的光路上设置有平面镜(17)，且镜面法线方向与两抛物面中轴夹角为45度，泵浦光束经过平面镜(17)不改变传输方向和发散角；所述种子激光光束在两抛物面中轴和平面镜(17)法线构成的平面上沿相对平面镜(17)法线45度方向射向平面镜(17)，其被平面镜(17)反射后沿泵浦光传播方向同这路泵浦光从该泵浦光入口(9)的相同空间位置进入。

8.根据权利要求1-7之一所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述泵浦光由半导体激光器(1)生成，在入射到泵浦光入口(9)前，先经光束复合器(2)和泵浦光束准直器(3)进行准直。

9.根据权利要求1-8之一所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述半导体激光器(1)可以为多个。

10.根据权利要求1-9之一所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述种子激光由种子激光器(10)产生，经过准直系统(12)准直，且准直前可经过一预放大系统(11)放大。

11.根据权利要求1-10之一所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述两个抛物面反射镜的中心光轴上设置有碟片晶体冷却系统(8)，用于对碟片激光晶体(6，7)进行冷却。

12.根据权利要求1-11之一所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述两个抛物面反射镜中其中之一上还设有激光出口(14)，经多次放大后的激光从该激光出口(14)出射。

13.根据权利要求1-12之一所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述抛物面反射镜组有多个，各反射镜组并列布置。

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