CN104917039A - 多程全反射激光放大模块 - Google Patents

Abstract

一种多程全反射激光放大模块，包括：长方体激光增益介质、光纤耦合半导体泵浦源、种子源、平面二色镜。本发明装置的优点是：放大模块体积很小，种子激光和泵浦光在增益介质中的传播光程比较大，泵浦光能够完全被吸收，泵浦光与种子激光的模匹配较好，种子激光可以得到完全放大，光-光转换效率较高；同时，板条增益介质厚度很小，大面积冷却，减小了板条厚度方向的温度梯度。该装置有利于同时获得高功率和高光束质量激光输出。

Description

多程全反射激光放大模块

技术领域

本发明涉及激光放大，特别是一种多程全反射激光放大模块。

背景技术

小型化的激光装置在航空、太空探索等方面有着广泛的应用，激光装置既要满足小型化，还要实现高功率和高光束质量的输出。但是单一的振荡级激光器很难同时满足这两个要求，为此通常采用主振荡和多级放大来获得高功率、高能量和高光束质量的激光器。

激光放大器装置的结构通常包括种子激光，泵浦光和增益介质三个主要部分。种子激光的输出功率较低，但是光束质量很好，接近衍射极限。放大增益介质，按照增益介质的类型可以分为染料、气体、晶体、陶瓷和玻璃；按照形状可以分为棒状、板条、碟片和光纤等；泵浦光系统通常由半导体激光器或闪光灯构成。然而，增益介质由于自身的物理和化学特性，很少晶体的尺寸和掺杂浓度等多方面适合采用传统的板条、棒状和光纤结构难以实现高功率、高光束质量并且小型化的激光器。另外，其他的多程放大器(如图2所示，参见CN101877454B)的方案，因为其为多片镜片共同组成的系统，增加了系统的复杂性和不稳定性，并且种子激光在其入射面和出射面同时存在两种激光通过，种子激光的尺寸受到限制；全反射放大模块如图3所示(参见CN102916327A)的方案仅仅可以应用于正方体模块，不能够根据实际的晶体形状来选择板条放大介质的形状，而且使用过程中种子激光在出射面有能量损失。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种多程全反射激光放大模块，该装置的优点是：放大模块体积很小，种子激光和泵浦光在增益介质中的传播光程比较大，泵浦光能够完全被吸收，泵浦光与种子激光的模匹配较好，种子激光可以得到完全放大，光-光转换效率较高；同时，板条增益介质厚度很小，大面积冷却，减小了板条厚度方向的温度梯度。该装置有利于同时获得高功率和高光束质量激光输出。

本发明的技术解决方案如下：

一种多程全反射激光放大模块，包括增益介质、种子激光源和光纤耦合半导体泵浦源，其特点在于，所述的增益介质为长方体板条增益介质，该长方体板条增益介质的两个角各切去一直角三棱柱作为激光的入射面和出射面，在所述的入射面的入射光方向设置所述的种子源，在所述的出射面的输出光方向依次设置双色平面镜和所述的光纤耦合半导体泵浦源，所述的双色平面镜的前表面镀有对种子激光的高反膜和对泵浦光的增透膜，在所述的双色平面镜的后表面镀有对泵浦光的增透膜；所述的入射面镀有对种子激光的0°增透膜和对泵浦光的0°全反膜，所述的出射面镀有对种子激光和泵浦光的0°增透膜，所述的长方体板条增益介质的左侧面、右侧面、上侧面和下侧面和两个大面均镀有对种子激光的0°增透膜，所述的种子源输出的种子激光垂直于所述的入射面进入所述的长方体板条增益介质，在所述的长方体板条增益介质的上侧面、下侧面、左侧面和右侧面发生全反射，放大后的种子激光经所述的出射面、双色平面镜的前表面反射输出，所述的光纤耦合半导体泵浦源输出的整形后的泵浦光，经所述的双色平面镜和出射面进入所述的长方体板条增益介质，泵浦光的传播路径和种子激光的传播路径相同但传播方向相反。

所述的种子激光在上侧面、下侧面的反射角为θ_l，在左侧面、右侧面的反射角为90°-θ_l，所述的长方体板条增益介质(10)的长度为L，宽度为W，在上侧面、下侧面的最多反射次数为n，在左侧面、右侧面最多反射次数为m，W＝2ma，a为宽边两相邻全反射点之间的距离，根据几何关系所述的长方体板条增益介质10的长度L＝(2n+1)btanθ₁，b为长方体板条增益介质10的长边两相邻全反射点之间的距离。

所述的种子激光在所述的长方体板条增益介质的上侧面和下侧面的反射角为θ₁，在左侧面和右侧面的反射角为θ_w，θ_w和θ₁入射角必须大于全反射角θ_r，增益介质的折射率为n₁，外界环境的折射率为n₀，这里空气作为外界环境，所以n₀＝1，则又θ_w+θ_l＝90°，所以θ_r＜θ_w＜90°-θ_r。

所述的入射面和出射面的相对位置是长方体板条增益介质四个棱角的其中两个。

所述的长方体板条增益介质的长度为L，宽度为W，厚度为H，种子激光在上侧面、下侧面的反射角为θ₁，在左侧面、右侧面的反射角为θ_w，在上侧面、下侧面的反射次数为n1和n2，在左侧面、右侧面的反射次数为m1和m2，不考虑切角的造成光程大小减小，种子激光在所述的长方体板条增益介质内的传播总光程为：

$(\frac{n_1+n_2}{{\mathrm{sin\θ}}_l}L+\frac{m_1+m_2}{{\mathrm{sin\θ}}_w}W+L+W)/2.$

所述的长方体板条增益介质为掺钕钇铝石榴石、掺镱钇铝石榴石、掺钕氟化锂钇、掺钕钒酸钇或掺钛蓝宝石。

所述的种子激光为脉冲激光或者连续激光。

其实现方法1：如图1所示，选用长方体板条增益介质，在沿对角线的两端得到两个切面作为入射面和出射面，所述的长方体板条增益介质还包括上侧面、下侧面、左侧面和右侧面。入射面镀对种子激光的增透膜和对泵浦光的高反膜，出射面镀有对种子激光和泵浦光的增透膜。种子激光从入射面进入所述的长方体板条增益介质，在上侧面、下侧面、左侧面和右侧面发生全反射，经过所述的长方体增益介质放大后从出射面输出。泵浦光从出射面进入到所述的长方体板条增益介质内，泵浦光的传播路径与种子激光传播路径相同，但是传播方向相反。泵浦光在长方体板条增益介质内的传播路径足够长，泵浦光可以被完全吸收。种子激光和泵浦光的模匹配较好，可以实现较高的光-光转换效率。

本发明多程全反射激光放大模块，具有以下优点：

1)长方体板条增益介质的尺寸小，但是，种子激光在其中的传播光程长，种子激光在增益介质中的填充因子高。

2)种子激光和泵浦光模匹配较大，种子激光能够得到完全的放大，光-光转换效率高。

3)种子激光在板条内部可以实现多次反射，对掺杂浓度低和尺寸较小的介质，泵浦功率也被完全吸收，种子激光被放大到很高的功率。

4)长方体板条增益介质的厚度很小，采用大面积冷却，减小了温度梯度，热效应小，输出光束质量比较好。

5)本发明多程放大板条增益模块只需要很少的镜片，减小了光学系统的复杂性，并且提高了系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明多程全反射激光放大模块实施例1的结构示意图

图2是现有多程放大板条增益模块之一示意图

图3是现有多程放大板条增益模块之二示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理，结构和实施办法作进一步说明。

先请参阅图1，图1是本发明多程全反射激光放大模块实施例1的的结构示意图，由图可见，本发明多程全反射激光放大模块，包括增益介质10、种子激光源7和光纤耦合半导体泵浦源9，所述的增益介质10为长方体板条增益介质10，该长方体板条增益介质10的两个対角各切去一直角三棱柱作为激光的入射面1和出射面2，在所述的入射面1的入射光方向设置所述的种子源7，在所述的出射面2的输出光方向依次设置双色平面镜8和所述的光纤耦合半导体泵浦源9，所述的双色平面镜8的前表面镀有对种子激光的高反膜和对泵浦光的增透膜，在所述的双色平面镜8的后表面镀有对泵浦光的增透膜；所述的入射面1镀有对种子激光的0°增透膜和对泵浦光的0°全反膜，所述的出射面2镀有对种子激光和泵浦光的0°增透膜，所述的长方体板条增益介质10的左侧面3、右侧面5、上侧面6和下侧面4和两个大面均镀有对种子激光的0°增透膜，所述的种子源7输出的种子激光垂直于所述的入射面1进入所述的长方体板条增益介质10，在所述的长方体板条增益介质10的上侧面6、下侧面4、左侧面3和右侧面5发生全反射，放大后的种子激光经所述的出射面2、双色平面镜8的前表面反射输出，所述的光纤耦合半导体泵浦源9输出的整形后的泵浦光，经所述的双色平面镜8和出射面2进入所述的长方体板条增益介质10，泵浦光的传播路径和种子激光的传播路径相同但传播方向相反。

所述的种子激光在上侧面、下侧面的反射角为θ_l，在左侧面、右侧面的反射角为90°-θ_l，所述的长方体板条增益介质(10)的长度为L，宽度为W，在上侧面、下侧面的最多反射次数为n，在左侧面、右侧面最多反射次数为m，W＝2ma，a为宽边两相邻全反射点之间的距离，根据几何关系所述的长方体板条增益介质10的长度L＝(2n+1)btanθ₁，b为长方体板条增益介质10的长边两相邻全反射点之间的距离。

所述的种子激光在所述的长方体板条增益介质10的上侧面4和下侧面6的反射角为θ₁，在左侧面3和右侧面5的反射角为θ_w，θ_w和θ₁入射角必须大于全反射角θ_r，增益介质的折射率为n₁，外界环境的折射率为n₀，这里空气作为外界环境，所以n₀＝1，则又θ_w+θ_l＝90°，所以θ_r＜θ_w＜90°-θ_r。

所述的长方体板条增益介质的长度为L，宽度为W，厚度为H，种子激光在上侧面、下侧面的反射角为θ₁，在左侧面、右侧面的反射角为θ_w，在上侧面、下侧面的反射次数为n1和n2，在左侧面、右侧面的反射次数为m1和m2，不考虑切角的造成光程大小减小，种子激光在所述的长方体板条增益介质内的传播总光程为：

$(\frac{n_1+n_2}{{\mathrm{sin\θ}}_l}L+\frac{m_1+m_2}{{\mathrm{sin\θ}}_w}W+L+W)/2.$

所述的长方体板条增益介质10为掺钕钇铝石榴石、掺镱钇铝石榴石、掺钕氟化锂钇、掺钕钒酸钇或掺钛蓝宝石。

所述的种子激光为脉冲激光或者连续激光。

所述的种子光源7输出的种子激光垂直于入射面1进入所述的长方体板条增益介质10，在所述的长方体板条板条增益介质10的上侧面6、下侧面4、左侧面3和右侧面5发生全反射，放大后的种子激光经所述的出射面2、双色平面镜8的前表面反射输出，所述的光纤耦合半导体泵浦源9输出的整形后的泵浦光，经所述的双色平面镜8和出射面2进入所述的长方体板条增益介质10，泵浦光的传播路径和种子激光的相同但传播方向相反。本实施例，种子光源7:波长为1064nm，输出功率为2W；长方体板条增益模块10选择掺杂浓度较低约为0.1at.％的Nd:YAG，板条的长度为11mm，宽度为7mm，厚度为1mm；输出总功率为400W，数值孔径角为0.22，直径为200μm的光纤耦合半导体激光器9。整形后的泵浦光束的直径为0.8mm，泵浦光在其中的填充因子为78％。入射面1和出射面2的尺寸宽度方向为1mm，切角度为45°，入射面1的镀膜有对808nm0°高反膜和对1064nm的0°增透膜，出射面2镀膜类型为对1064nm和808nm的0°增透膜；双色平面镜8镀有对808nm增透膜，对1064nm高反膜，Nd:YAG的折射率为1.82，空气的折射率为1，因此要在Nd:YAG的侧面发生全反射必须满足的角度范围为33.3°～56.7°。种子激光的光斑直径为0.7mm,种子激光垂直通过入射面1进入到Nd:YAG晶体内部，在上侧面6和下侧面和4的反射角大小恰好为45°，满足全反射条件，同样的，种子激光在左侧面3和右侧面5的反射角为45°，同样满足全反射条件，泵浦光通过双色平面镜8，通过出射面2进入到增益介质内部。泵浦光的传播路径同种子激光的相同，传播方向相反，实际上泵浦光在晶体内传播的路径足够长，泵浦光可以被完全吸收，不用担心泵浦光会被反射回LD模块。种子激光在传播的光程大小约为113.7mm，同样的泵浦光在增益介质内的传播长度也为108.9mm。泵浦光第一次通过晶体后被吸收了99.8％，泵浦光可以完全被吸收。种子激光被放大之后的可以获得279W的输出功率，光-光转化效率达到69.5％。

实施例2，所述的入射面和出射面的位于所述的长方体板条增益介质的上侧面或下侧面的两端。

实施例3，所述的入射面和出射面的位于所述的长方体板条增益介质的右侧面或左侧面的两端。

实施例4，所述的长方体板条增益介质可选择不同掺杂浓度和不同尺寸的晶体。

实验表明，本发明装置具有下列优点：放大模块体积可以很小，种子激光和泵浦光在增益介质中的传播光程比较大，泵浦光能够完全被吸收，泵浦光与种子激光的模匹配较好，种子激光可以得到完全放大，光-光转换效率较高；同时，板条增益介质厚度很小，大面积冷却，减小了板条厚度方向的温度梯度。该装置有利于同时获得高功率和高光束质量激光输出。

Claims (7)

1.一种多程全反射激光放大模块，包括增益介质(10)、种子激光源(7)和光纤耦合半导体泵浦源(9)，其特征在于，所述的增益介质(10)为长方体板条增益介质(10)，该长方体板条增益介质(10)的两个角各切去一直角三棱柱作为激光的入射面(1)和出射面(2)，在所述的入射面(1)的入射光方向设置所述的种子源(7)，在所述的出射面(2)的输出光方向依次设置双色平面镜(8)和所述的光纤耦合半导体泵浦源(9)，所述的双色平面镜(8)的前表面镀有对种子激光的高反膜和对泵浦光的增透膜，在所述的双色平面镜(8)的后表面镀有对泵浦光的增透膜；所述的入射面(1)镀有对种子激光的0°增透膜和对泵浦光的0°全反膜，所述的出射面(2)镀有对种子激光和泵浦光的0°增透膜，所述的长方体板条增益介质(10)的左侧面(3)、右侧面(5)、上侧面(6)和下侧面(4)和两个大面均镀有对种子激光的0°增透膜，所述的种子源(7)输出的种子激光垂直于所述的入射面(1)进入所述的长方体板条增益介质(10)，在所述的长方体板条增益介质(10)的上侧面(6)、下侧面(4)、左侧面(3)和右侧面(5)发生全反射，放大后的种子激光经所述的出射面(2)、双色平面镜(8)的前表面反射输出，所述的光纤耦合半导体泵浦源(9)输出的整形后的泵浦光，经所述的双色平面镜(8)和出射面(2)进入所述的长方体板条增益介质(10)，泵浦光的传播路径和种子激光的传播路径相同但传播方向相反。

2.根据权利要求1所述的多程全反射激光放大模块，其特征在于，所述的种子激光在上侧面、下侧面的反射角为θ_l，在左侧面、右侧面的反射角为90°-θ_l，所述的长方体板条增益介质(10)的长度为L，宽度为W，在上侧面、下侧面的最多反射次数为n，在左侧面、右侧面最多反射次数为m，W＝2ma，a为宽边两相邻全反射点之间的距离，根据几何关系所述的长方体板条增益介质10的长度L＝(2n+1)btanθ₁，b为长方体板条增益介质10的长边两相邻全反射点之间的距离。

3.根据权利要求1所述的多程全反射激光放大模块，其特征在于，所述的种子激光在所述的长方体板条增益介质(10)的上侧面(4)和下侧面(6)的反射角为θ_l，在左侧面(3)和右侧面(5)的反射角为θ_w，θ_w和θ_l入射角必须大于全反射角θ_r，增益介质的折射率为n₁，外界环境的折射率为n₀，这里空气作为外界环境，所以n₀＝1，则又θ_w+θ_l＝90°，所以θ_r＜θ_w＜90°-θ_r。

4.根据权利1所述的多程全反射激光放大模块，其特征在于，所述的入射面和出射面的相对位置是长方体板条增益介质四个棱角的其中两个。

5.根据权利要求1所述的多程全反射激光放大模块，其特征在于，所述的长方体板条增益介质的长度为L，宽度为W，厚度为H，种子激光在上侧面、下侧面的反射角为θ_l，在左侧面、右侧面的反射角为θ_w，在上侧面、下侧面的反射次数为n1和n2，在左侧面、右侧面的反射次数为m1和m2，不考虑切角的造成光程大小减小，种子激光在所述的长方体板条增益介质内的传播总光程为：

$(\frac{n_1+n_2}{{\mathrm{sin\θ}}_l}L+\frac{m_1+m_2}{{\mathrm{sin\θ}}_w}W+L+W)/2.$

6.根据权利要求1所述的多程全反射激光放大模块，其特征在于，所述的长方体板条增益介质(10)为掺钕钇铝石榴石、掺镱钇铝石榴石、掺钕氟化锂钇、掺钕钒酸钇或掺钛蓝宝石。

7.根据权利要求1至6任一项所述的多程全反射激光放大模块，其特征在于，所述的种子激光为脉冲激光或者连续激光。