CN102916327A - 一种全反射式板条激光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全反射式板条激光放大器，该放大器的激光板条是将平板型的长方体从高和宽所在的一个侧面的两端分别切去一个直三棱柱所形成的结构，通过采用特定的结构，使得输入的激光信号在激光板条中的多次全反射过程中通过的增益光程大大增加，从而使激光信号的功率（能量）得到很大程度的放大；使入射面上的长边的剩余长度a′＝b，保证进入激光板条的入射光线全部从出射面出射而不会造成任何损失，由此进一步提高出射激光的功率（能量）。

Description

一种全反射式板条激光放大器

技术领域

本发明涉及激光放大器技术领域，具体涉及一种全反射式板条激光放大器。

背景技术

激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。

用光、电及其它办法对激光工作物质进行激励，使得其中一部分粒子激发到能级较高的状态，当这种状态的粒子数大于能级较低状态的粒子数时，由于受激辐射，物质就能对某一波长的光辐射产生放大作用，也就是这种波长的光辐射通过激光工作物质时，激光工作物质会发射强度放大并与入射光相位、频率和偏振方向一致的光辐射，这就是激光放大器的工作原理。

若把激发的物质放置于共振腔内，光辐射在共振腔内沿轴线方向往复反射传播，多次通过激光工作物质，光辐射被放大许多倍，形成一束强度大的、方向集中的光束-“激光”，这就是激光振荡器的工作原理。

激光振荡器主要由以下部分构成:

1、激光工作物质。它是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。

2.激励抽运系统。它是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。

3.光学共振腔。它通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成。

在很多应用场合下，单纯靠一台激光振荡器所提供的输出激光能量或功率水平往往还是不够高的；为此，可采用一级或多级激光放大器系统对激光信号进一步加以放大。

激光放大器的结构与激光振荡器基本相似,只不过前者不需要激光共振腔系统。它通常是采取使输入激光辐射单次通过放大器内增益媒质的方式获得单次行波放大。在某些特殊情况下，输入激光辐射亦可采取多次偏折通过放大器内增益媒质的方式使得激光在增益媒介内的光程大大增加，从而获得多道行波放大；此时，要求在放大器系统内配备特殊的光路多次折叠反射装置，它通常可由两块互成一定夹角的反射镜或特殊设计的反射棱镜所组成。

如图1所示，是一种紧缩折叠结构放大器。它也是通过激光在板条增益媒介中的反射原理来增加激光在板条增益媒介中的光程而放大激光功率（能量）的。但是，激光只能在板条的两个平面内来回反射，所以增加的光程有限。如果想增加激光在有限大小的板条中的光程，只能使激光在板条中反射时的入射角或反射角减小，从而使单位长度的板条里的激光光程增加。

但是，如果想用激光在板条内的全反射原理进行反射，那么激光在板条内反射时的入射角或反射角就必须大于或等于全反射临界角，所以用激光在激光板条内的全反射原理进行反射时，单位长度板条内的激光光程也是很有限的。

如果不是靠激光在板条内的全反射进行反射，就只能通过在板条的反射面镀上相应波长的全反射膜进行反射。但是，即使是全反射膜，也只有在相应的波长垂直入射到全反射膜时，才能使相应波长的反射率取最大值，而且一般情况下往往是小于1的。要想使激光前进并从激光板条出射，那么入射角必须大于0，不能垂直入射到全反射膜。理论上来说，入射角可以做到很小，使激光在单位长度的激光板条里的光程大大提高。但是，这种镀全反射膜的反射方式也有非常大的缺陷。首先，全反射膜必须在激光的两个平行反射平面上都镀上，由于两个平行反射平面的宽度都比较小，所以使镀膜技术的难度增加，而且成本也较贵。第二，毕竟入射角不等于0，所以还是会有部分激光从板条内出射到板条外面，从而造成了功率（能量）的损失。第三，由于两个平行反射平面都镀上了全反射膜，所以会在两个镀膜平面之间形成寄生振荡，从而使激光功率（能量）损失相当部分。

如图2所示，为“角抽运全固态激光器的研究进展”（刘欢，清华大学精密仪器与机械学系，光子与电子技术研究中心，中国激光，第36卷，第7期，2009年7月）中公开的一种复合板条，图中中间的长方形即激光增益介质，上下2片对称的介质不是增益介质，是为了让泵浦光在激光材料中进行全反射而键合上去的，两个大面是冷却面。这种结构的复合板条可以防止板条的变形，进而有利于激光增益介质的散热，提高了泵浦光的吸收效率，保证了泵浦光吸收的均匀性。激光在增益介质中产生的热效应对增益介质的影响大大减小了，从而提升了输出激光的光束质量。

这种复合板条既可以做激光振荡器，也可以做激光放大器。当它作为激光放大器时，信号光从左端注入，从右端输出，而泵浦光从4个角上注入，在里面作全反射，从而使泵浦光被增益介质充分的吸收利用。但是，信号光在增益介质中通过的增益光程也是很短的，导致信号光的放大情况不是很理想。因此，它适合做为激光振荡器来使用，而不是做为激光放大器来使用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种全反射式板条激光放大器，通过使入射的信号光在激光板条中进行多次全反射后出射,能够提高信号光的放大倍数。

本发明的一种全反射式板条激光放大器，该放大器的激光板条是将平板型的长方体从高和宽所在的一个侧面的两端分别切去一个直三棱柱所形成的结构，定义该平板型的长方体的长、宽和高分别为a、c和b；长方体上形成的两个切面分别作为激光光线的入射面和出射面，入射面和出射面与长方体长度方向成135°角，定义入射面所在长边的剩余长度为a′，则a′＝b；入射面用于接收垂直入射的激光信号光，入射面积大小满足能完全接收入射的激光信号光；经放大后的激光从出射面垂直出射，出射面大小满足能使激光完全出射；放大器中的激光板条由激光材料加工而成，其折射率满足式中min(n_1i)表示频率是ω的激光在激光板条中沿所有方向的折射率中最小的折射率值；max(n_2i)表示频率是ω的激光在激光板条的外围介质中沿所有方向的折射率中最大的折射率值。

在入射面和反射面上镀有与入射激光波长相对应的增透膜。

本发明的一种全反射式板条激光放大器，通过采用特定的结构，使得输入的激光信号在激光板条中的多次全反射过程中通过的增益光程大大增加，从而使激光信号的功率（能量）得到很大程度的放大；使入射面上的长边的剩余长度a′＝b，保证进入激光板条的入射光线全部从出射面出射而不会造成任何损失，由此进一步提高出射激光的功率（能量）。

附图说明

图1为现有技术中紧缩折叠结构放大器原理图。

图2为现有技术中一种板条激光放大器原理图。

图3为本发明的放大器的立体结构示意图。

图4本发明的放大器的正视图。

图5为本发明的一条激光光线在放大器中传播方向原理图，其中编号1-11表示入射的激光信号在放大器中被反射的次数。

图6为本发明的激光光束在放大器中传播的立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种全反射式板条激光放大器，如图3所示，该放大器的激光板条是将平板型的长方体从高和宽所在的一个侧面的两端分别切去一个直三棱柱所形成的结构，定义该平板型的长方体的长、宽和高分别为a、c和b；长方体上形成的两个切面分别作为激光光线的入射面和出射面，入射面和出射面与长方体长度方向成135°角，定义入射面所在长边的剩余长度为a′，则a′＝b；入射面用于接收垂直入射的激光信号光，入射面积大小满足能完全接收入射的激光信号光；经放大后的激光从出射面垂直出射，出射面大小满足能使激光完全出射；放大器中的激光板条由激光材料加工而成，其折射率满足

式中n_2i为频率是ω的激光在激光板条的外围光疏介质中沿某一个传播方向的折射率；n_1i为频率是ω的激光在激光板条中沿某一个传播方向的折射率；min(n_1i)表示频率是ω的激光在激光板条中沿所有方向的折射率中最小的折射率值；max(n_2i)表示频率是ω的激光在激光板条的外围光疏介质中沿所有方向的折射率中最大的折射率值。

如图5所示，当频率为ω的激光垂直入射到放大器的入射面后，由于入射面与高度方向成135°角，根据几何关系可知，入射激光入射到放大器底面（即第一个反射面）的入射角为45°，根据反射原理，反射角也为45度，第一次反射激光入射到右侧面（即第二个反射面）的入射角也为45°，依次推知，激光光线在放大器中的反射角和入射角都为45°。为了防止激光在反射时从反射面折射出去，该频率为ω的激光的全反射临界角需要大于45度，设频率为ω的激光在激光介质中的折射率为n₁，在激光介质周围介质中的折射率为n₂，激光从激光介质入射到激光外围介质。如果要在分界面进行全反射，则必须使激光介质为光密介质，激光周围介质为光疏介质。设激光从激光介质入射到介质分界面的入射角为θ₁，折射角为θ₂，全反射临界角为θ_c。根据公式n₁×sinθ₁＝n₂×sinθ₂，当入射角θ₁≥θ_c时，激光会在激光介质中进行全反射，此时θ₂＝90°,sinθ₂＝1。所以，此时

激光介质和外围介质都可能是各向异性介质，所以在介质中的同一点沿不同方向的折射率可能不全都一样。设激光介质在介质分界面的任意一点的折射率为n_1i，激光外围介质在对应的同一点的折射率为n_2i，相应的临界角为θ_ci。所以，有关系式：即此公式包含的取值范围是sinθ_ci的值的集合。

激光在任意平面的任意一点进行全反射时的入射角都是45°，所以必须保证45°≥θ_ci，即它是说

必须大于等于sinθ_ci的集合的任意值。

所以有关系式 $\frac{\min \left(n_{2i}\right)}{\max \left(n_{1i}\right)}\≤{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{ci}}=\frac{n_{2i}}{n_{1i}}\≤\frac{\max \left(n_{2i}\right)}{\min \left(n_{1i}\right)}\≤\frac{\sqrt{2}}{2},$ 因此得出 $\frac{\max \left(n_{2i}\right)}{\min \left(n_{1i}\right)}\≤\frac{\sqrt{2}}{2}.$

根据光学模拟软件进行光线追迹的结果显示，如图4、5和6所示，只有a′＝b，才能使入射光线在激光板条里进行的全反射有规律可循。这个规律显示光线从进入激光板条开始，光线每射到激光板条内左侧反射面一次，这个光线和左侧反射面的反射交点就比上一次光线和左侧反射面的交点离出射面越近，并且射往左侧反射面的光线绝对不会和激光板条内下侧反射面相交，最终会保证进入激光板条的入射光线全部从足够大的出射面出射而不会造成任何损失。

根据光学模拟软件进行光线追迹的结果显示，如果a′≠b，那么光线从进入激光板条开始进行的全反射无规律可循，即不能保证所有光线入射到左侧反射面的交点比上次相应的交点离出射面更近，也不能保证光线入射到底面的交点比上次相应的交点离出射面更近。模拟结果还显示有部分光线进入激光板条后，在经过若干次全反射后，会重新返回到激光板条的入射面，并且垂直入射面出射，这就导致了进入激光板条的入射光线不能全部从激光板条的出射面出射，会有部分损失。

本发明中设计的该结构的激光板条就是为了使入射到激光板条里的信号光在被放大后全部从出射面出射，并且没有任何损失。所以，只能使a′＝b。

为了提高激光的透射率，在入射面和反射面上镀有与入射激光波长相对应的增透膜。

如图5所示，激光在放大器中经过多次反射后，从而很大程度上增加了激光在放大器中的光程，从而使得该激光得到充分放大，最终具有较高能量的激光从左下角的出射面出射。如图6所示，为本发明的一个实施例，激光板条的长方体的长、高和宽分别为18mm、16.3mm和2.9mm；为形成入射面而切下的直三棱柱的直角边为1.7mm、高为2.9mm，为形成出射面而切下的直三棱柱的直角边为2.2mm、高为2.9mm，从入射面入射的激光信号在激光板条中多次反射，得到放大后从出射面出射。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种全反射式板条激光放大器，其特征在于，该放大器的激光板条是将平板型的长方体从高和宽所在的一个侧面的两端分别切去一个直三棱柱所形成的结构，定义该平板型的长方体的长、宽和高分别为a、c和b；长方体上形成的两个切面分别作为激光光线的入射面和出射面，入射面和出射面与长方体长度方向成135°角，定义入射面所在长边的剩余长度为a′，则a′＝b；入射面用于接收垂直入射的激光信号光，入射面积大小满足能完全接收入射的激光信号光；经放大后的激光从出射面垂直出射，出射面大小满足能使激光完全出射；放大器中的激光板条由激光材料加工而成，其折射率满足

式中min(n_1i)表示频率是ω的激光在激光板条中沿所有方向的折射率中最小的折射率值；max(n_2i)表示频率是ω的激光在激光板条的外围介质中沿所有方向的折射率中最大的折射率值。

2.如权利要求1所述的一种全反射式板条激光放大器，其特征在于，在入射面和反射面上镀有与入射激光波长相对应的增透膜。

3.如权利要求1所述的一种全反射式板条激光放大器，其特征在于，长方体的长、高和宽分别为18mm、16.3mm和2.9mm；为形成入射面而切下的直三棱柱的直角边为1.7mm、高为2.9mm，为形成出射面而切下的直三棱柱的直角边为2.2mm、高为2.9mm。

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