CN105375253B - 一种高效率多空间角度双z型板条结构激光放大装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，通过沿z向在板条状激光介质(1)上表面和下表面之间的Z型传输可有效补偿z向的温度梯度，通过沿x向的Z型往返传输，可使入射激光多程通过板条状激光介质(1)，再加上采用激光引出装置，将激光以不同空间角度多次入射，多次实现双Z型运转，充分增加填充因子，有效提取增益介质中的能量，获得高效率与高增益的激光功率放大。特别适用于小功率种子激光或增益较低波长激光的功率放大，从而实现高效率、高增益的激光放大。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体激光放大装置，特别涉及一种适用于小功率种子激光或较低增益波长激光的功率放大，实现高效率高增益的多空间角度双Z型板条结构放大装置。
背景技术
一般从激光谐振腔中输出的功率较小，为进一步提高输出功率，常采用主振荡——功率放大(MOPA)方案进行功率放大。功率放大器的增益介质可以是棒状介质，也可以是盘片状介质或板条状介质。棒状激光放大器，由于径向温度梯度大，热透镜效应严重，激光放大功率有限；盘片放大器由于厚度薄，轴向增益低，难于实现高效率放大。板条放大器对板条增益介质的大面进行冷却，制冷效果好，热效应小，可以很好的保持光束质量，同时能够保持很好的激光偏振度，适用于较大功率的激光放大。
板条放大器目前主要有Z型板条放大器和部分端泵直通板条放大器两种。Z型板条放大器最早由W.S.Martin等人于1972年提出，典型结构如图1所示。其z轴为板条的长度方向，x轴为板条的宽度方向，y轴为板条的厚度方向。一般采用板条的大面(平行于xz平面)冷却，如果使光线沿着zig-zag光路传播，理论上就可消除板中的圆柱聚焦，如图3-1。在zig-zag光路中，光束与xz平面成一定角度入射，入射后光束在介质的上下表面来回全反射向前传播，整个光路呈“Z”型结构。在理想的条件下，当光束从板条的一个表面反射到另一个表面时，热畸变效应在基质材料内可以得到充分补偿。美国诺格公司利用放大系统，获得25kW的高功率激光输出。在第一种板条放大类型基础上，只要入射角满足全反射要求，由于可选择的入射角不唯一，如图2所示，且无论选择哪一角度入射，不存在偏离晶体中心造成增益下降和热变形等问题，所以可实现高光束质量的输出。利用恰当的光学器件组合，使光束以多个角度反复入射增益介质，就可以实现多程放大，即多角度放大。Stephen Palese等人设计了板条介质的四程放大器，光束以两个角度四次入射进板条，实现四程放大，最后得到150W，平均光束质量因子1.25的线偏光输出。然而，此方案中板条介质的通光面大，导致入射种子激光功率密度较低，难于实现低功率的种子激光的高效率放大。因此，1998年德国Fraunhofer Institute for Laser Technology(夫朗和费激光技术研究所)的杜克明等人提出部分端泵多程直通板条放大器(Innoslab放大器)。泵浦光被整形成一条光强分布均匀的横截面为长方形的细线入射至晶体端面，泵浦光只是泵浦了晶体的一部分，在晶体中央构成了薄片状的增益层，并与激光模式体积有较好的匹配，可提高光-光转换效率。同时，入射种子激光整形为小口径光束，通过Z型光路沿x向多次往返直接通过板条介质，由于种子激光光束口径小、功率密度高、且多程往返放大，因此可实现高功率与高效率放大，如图3-2所示。Zhu Peng等人用880nm激光二极管结合共焦混合腔结构，获得了165W的1.06um激光输出，两个方向的M2因子分别为1.7和1.4。然而此方案中由于在板条z向上存在温度梯度，将产生热透镜效应，直通放大会导致光束质量下降，同时降低了入射激光与泵浦增益区的填充因子，影响了放大效率的提高。技术人员彭钦军等人发明了一种双Z型运转的固体激光板条放大装置(CN103259181A)，其将Z型板条放大器和部分端泵直通板条放大器相结合，但增益介质的能量还有很大的利用空间。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题就是如何提供一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，解决现有Z型板条放大器难于实现低功率或低增益波长种子激光的高效率放大的问题，克服部分端泵多程直通板条放大器存在径向热透镜效应的不足。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，包括板条状激光介质，所述板条状激光介质包括左右两端的第一端面和第二端面、前后两侧的第一侧面和第二侧面、上表面和下表面；
将板条状激光介质的长度方向定义为z向，宽度方向定义为x向，厚度方向定义为y向；
半导体泵浦源，位于所述板条状激光介质的第一端面或第二端面的外侧，或对称地位于所述第一端面和第二端面的外侧，或位于第一侧面或第二侧面的外侧，或对称地位于所述第一侧面和第二侧面的外侧，或位于上表面或下表面的外侧；
两个腔镜，分别是位于所述第二端面外侧的第一腔镜，及位于所述第一端面外侧的第二腔镜；
激光以第一空间角度从第一端面射入所述板条状激光介质，经过所述板条状激光介质的上表面和下表面之间进行全内反射，且沿z向做Z型传输之后，从第二端面输出，射到第一腔镜后进行反射，反射光又从第二端面输入所述板条状激光介质的x方向的另一位置，同样原理经过第二腔镜，激光在两腔镜间反射，从而又实现沿x向的Z型往返传输，直到激光从第一端面或者第二端面射出，实现第一种空间角度入射下的双Z型激光放大，得到第一次放大激光；
其中，第一空间角度为：激光与xz面夹角为Φ1、与yz面夹角为θ1，且Φ1及θ1满足
其中，n1为空气介质的折射率，n2为板条状激光介质的折射率，n3为板条状激光介质上表面和下表面镀有的膜层折射率或冷却介质的折射率，α为板条状激光介质第一端面、第二端面的楔角大小，L1为激光光束的横截面尺寸，t为板条状激光介质的厚度大小，w为板条状激光介质的宽度大小，l为板条状激光介质的长度大小；
还包括激光引出装置，和上述腔镜以外至少两个腔镜，其中包括位于所述第二端面外侧的第三腔镜，及位于所述第一端面外侧的第四腔镜；
为使板条状激光介质的y、z方向的填充因子进一步提高，所述激光引出装置改变所述第一次放大激光的光路，使其以第二空间角度再次从板条状激光介质的第一端面或第二端面射入，与第一空间角度入射情况原理相同，激光在板条状激光介质的上表面和下表面之间进行全内反射，同时在第三腔镜及第四腔镜间反射，实现第二种空间角度入射下的双Z型激光放大；
其中第二空间角度满足：激光与xz面夹角为Φ2、与yz面夹角为θ2，且Φ2与θ2满足
Φ2不同于Φ1，θ2可以与θ1相同；
为使板条状激光介质的y、z方向的填充因子更高，经过第N个激光引出装置后的激光，以第N+1空间角度从板条状激光介质的第一端面或第二端面射入，射入后其传输原理与前N次入射的激光的传输原理相同，激光在板条状激光介质的上表面和下表面之间进行全内反射，同时在第2N+1腔镜及第2(N+1)腔镜间反射，实现第N+1种空间角度入射下的双Z型激光放大；
其中第N+1空间角度满足：激光与xz面夹角为ΦN+1、与yz面夹角为θN+1，且ΦN+1与θN+1满足
ΦN+1不同于Φ1、Φ2…ΦN，θN+1可以与θ1、θ2…θN相同；
其中N为大于或等于1的自然数。
本发明还提供一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，包括板条状激光介质，所述板条状激光介质包括左右两端的第一端面和第二端面、前后两侧的第一侧面和第二侧面、上表面和下表面；
将板条状激光介质的长度方向定义为z向，宽度方向定义为x向，厚度方向定义为y向；
半导体泵浦源，位于所述板条状激光介质的第一端面或第二端面的外侧，或对称地位于所述第一端面和第二端面的外侧，或位于第一侧面或第二侧面的外侧，或对称地位于所述第一侧面和第二侧面的外侧，或位于上表面或下表面的外侧；
至少两个腔镜，其中包括位于所述第二端面外侧的第一腔镜及位于所述第一端面外侧的第二腔镜；
激光以第一空间角度从第一端面射入所述板条状激光介质，经过所述板条状激光介质的上表面和下表面之间进行全内反射，且沿z向做Z型传输之后，从第二端面输出，射到第一腔镜后进行反射，反射光又从第二端面输入所述板条状激光介质的x方向的另一位置，同样原理经过第二腔镜，激光在两腔镜间反射，从而又实现沿x向的Z型往返传输，直到激光从第一端面或者第二端面射出，实现第一种空间角度入射下的双Z型激光放大，得到第一次放大激光；
其中，第一空间角度为：激光与xz面夹角为Φ1、与yz面夹角为θ1，且Φ1及θ1满足
其中，n1为空气介质的折射率，n2为板条状激光介质的折射率，n3为板条状激光介质上表面和下表面镀有的膜层折射率或冷却介质的折射率，α为板条状激光介质第一端面、第二端面的楔角大小，L1为激光光束的横截面尺寸，t为板条状激光介质的厚度大小，w为板条状激光介质的宽度大小，l为板条状激光介质的长度大小；
还包括激光引出装置；
为使板条状激光介质的y、z方向的填充因子进一步提高，所述激光引出装置改变所述第一次放大激光的光路，使其以第二空间角度再次从板条状激光介质的第一端面或第二端面射入，与第一空间角度入射情况原理相同，激光在板条状激光介质(1)的上表面和下表面之间进行全内反射，同时仍在第一腔镜及第二腔镜间反射，或者在其他位于所述第二端面外侧的腔镜与第一端面外侧的腔镜之间进行反射，实现第二种空间角度入射下的双Z型激光放大；
其中，第二空间角度为：激光与xz面夹角为Φ2、与yz面夹角为θ2，且Φ2及θ2满足
Φ2等于Φ1，θ2不同于θ1；
为使板条状激光介质的y、z方向的填充因子更高，经过第N个激光引出装置后的激光，以第N+1空间角度从板条状激光介质的第一端面或第二端面射入，射入后其传输原理与前N次入射的激光的传输原理相同，激光在板条状激光介质的上表面和下表面之间进行全内反射，同时仍在第一腔镜及第二腔镜间反射，或者在其他位于所述第二端面外侧的腔镜与第一端面外侧的腔镜之间进行反射，实现第N+1种空间角度入射下的双Z型激光放大；
其中，第N+1空间角度为：激光与xz面夹角为ΦN+1、与yz面夹角为θN+1，且ΦN+1及θN+1满足
Φ1、Φ2、…ΦN+1相等，θN+1不同于θ1、θ2…θN；
其中N为大于或等于1的自然数。
优选地，所述腔镜为四个，分别是位于所述第二端面外侧的第一腔镜和第三腔镜，及位于所述第一端面外侧的第二腔镜和第四腔镜。
优选地，所述腔镜为两个，分别是位于所述第二端面外侧的第一腔镜和位于所述第一端面外侧的第二腔镜。
优选地，所述位于板条状激光介质第一端面一侧的腔镜，用第一曲面腔镜来代替，所述位于板条状激光介质第二端面一侧的腔镜，用第二曲面腔镜来代替；
所述第一曲面腔镜在激光入射到腔镜的位置处的面法线方向与相应的位于板条状激光介质第一端面一侧的腔镜的法线方向相同；
所述第二曲面腔镜在激光入射到腔镜的位置处的面法线方向与相应的位于板条状激光介质第二端面一侧的腔镜的法线方向相同；
所述第一曲面腔镜、第二曲面腔镜可实现中四个以上腔镜能实现的两个空间角度的双Z型激光放大。
优选地，所述装置还包括光束整形系统，位于所述半导体泵浦源与所述板条状激光介质之间；
所述光束整形系统为圆透镜或柱面透镜，该透镜镀有对泵光波长高透过率的介质膜。
优选地，所述板条状激光介质为矩形板条结构、以布儒斯特角切割或其他角度切割的平行四边形板条结构或梯形板条结构；
所述板条状激光介质为掺杂Nd离子的晶体、掺杂Nd离子的玻璃、掺杂Nd离子的陶瓷，掺杂Yb离子的晶体、掺杂Yb离子的玻璃、或掺杂Yb离子的陶瓷；
所述掺杂Nd离子的晶体为掺钕钇铝石榴石、掺钕钒酸钇、掺钕钆鎵石榴石、掺钕氟化钇锂、掺钕铝酸钇或掺钕氟磷酸锶；
所述掺杂Yb离子的晶体为掺镱钇铝石榴石、掺镱钒酸钇、掺镱钆鎵石榴石、掺镱氟化钇锂、掺镱铝酸钇或镱氟磷酸锶。
优选地，所述腔镜上均镀有对激光波长高反射率的介质膜。
优选地，所述激光引出装置包括两对45°高反镜或两组互为余角的高反镜或一对45°高反镜；
所述高反镜上镀有同时对激光波长高反和对泵光波长增透的介质膜；
所述两对45°高反镜中的一个45°高反镜放在第一腔镜之后，一个45°高反镜放在第四腔镜外侧，另两个45°高反镜位于板条状激光介质的上表面或下表面一侧；
所述两组互为余角高反镜的位置与两对45°高反镜的位置基本相同；
所述一对45°高反镜中的一个放在第一腔镜之后，一个45°高反镜放在第三腔镜之后。
优选地，当所述半导体泵浦源置于所述第一端面或第二端面的外侧，或对称地置于所述第一端面和第二端面的外侧时，所述一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置还包括一对45°高反镜；该一对45°高反镜中的一个45°高反镜放在第一端面外侧的腔镜与光束整形系统之间，另一个45°高反镜放在第二端面外侧的腔镜与光束整形系统之间；所述腔镜上均镀有同时对激光波长高反和对泵光波长增透的膜。
(三)有益效果
本发明的一种高效率多空间双角度Z型板条结构激光放大装置，通过沿z向在板条状激光介质上表面和下表面之间的Z型传输可有效补偿z向的温度梯度，通过沿x向的Z型往返传输，可使入射激光多程通过板条状激光介质，采用激光引出装置，将激光以不同空间角度多次入射，多次实现双Z型运转，充分增加填充因子，有效提取增益介质中的能量，获得高效率与高增益的激光功率放大。特别适用于小功率种子激光或增益较低的波长激光的功率放大，从而实现高效率、高增益的激光放大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：板条激光介质的结构示意图；
图2：激光从板条激光介质端面入射的工况示意图；
图3-1：zig-zag板条激光器装置的结构示意图；
图3-2：Innoslab板条激光器装置的结构示意图；
图4-1：本发明实施例1的激光器装置的俯视示意图；
图4-2：本发明实施例1的激光器装置的主视示意图；
图5-1：本发明实施例2的激光器装置的俯视示意图；
图5-2：本发明实施例2的激光器装置的主视示意图；
图6-1：本发明实施例3的激光器装置的俯视示意图；
图6-2：本发明实施例3的激光器装置的主视示意图；
图7-1：本发明实施例4的激光器装置的俯视示意图；
图7-2：本发明实施例4的激光器装置的主视示意图；
图8-1：本发明实施例5的激光器装置的俯视示意图；
图8-2：本发明实施例5的激光器装置的主视示意图；
图9-1：本发明实施例6的激光器装置的俯视示意图；
图9-2：本发明实施例6的激光器装置的主视示意图；
图10-1：本发明实施例7的激光器装置的俯视示意图；
图10-2：本发明实施例7的激光器装置的主视示意图；
图11：本发明实施例8的激光器装置的主视示意图；
图12：本发明的一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的结构立体示意图；
图中：1、板条状激光介质；2、半导体泵浦源；3、光束整形系统；4、泵浦激光；5、输出激光；6、第一腔镜；7、第二腔镜；8、第三腔镜；9、第四腔镜；10、冷却装置；11、第五腔镜；12、第六腔镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。
本发明提供的一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，包括板条状激光介质1，所述板条状激光介质1包括左右两端的第一端面和第二端面、前后两侧的第一侧面和第二侧面、上表面和下表面；
将板条状激光介质1的长度方向定义为z向，宽度方向定义为x向，厚度方向定义为y向；
半导体泵浦源2，位于所述板条状激光介质1的第一端面或第二端面的外侧，或对称地位于所述第一端面和第二端面的外侧，或位于第一侧面或第二侧面的外侧，或对称地位于所述第一侧面和第二侧面的外侧，或位于上表面或下表面的外侧；
两个腔镜，分别是位于所述第二端面外侧的第一腔镜6，及位于所述第一端面外侧的第二腔镜7；
激光以第一空间角度从第一端面射入所述板条状激光介质1，经过所述板条状激光介质1的上表面和下表面之间进行全内反射，且沿z向做Z型传输之后，从第二端面输出，射到第一腔镜6后进行反射，反射光又从第二端面输入所述板条状激光介质1的x方向的另一位置，同样原理经过第二腔镜7，激光在两腔镜间反射，从而又实现沿x向的Z型往返传输，直到激光从第一端面或者第二端面射出，实现第一种空间角度入射下的双Z型激光放大，得到第一次放大激光；
其中，第一空间角度为：激光与xz面夹角为Φ1、与yz面夹角为θ1，且Φ1及θ1满足
其中，n1为空气介质的折射率，n2为板条状激光介质1的折射率，n3为板条状激光介质1上表面和下表面镀有的膜层折射率或冷却介质的折射率，α为板条状激光介质1第一端面、第二端面的楔角大小，L1为激光光束的横截面尺寸，t为板条状激光介质1的厚度大小，w为板条状激光介质1的宽度大小，l为板条状激光介质1的长度大小；
还包括激光引出装置，和上述腔镜以外至少两个腔镜，其中包括位于所述第二端面外侧的第三腔镜8，及位于所述第一端面外侧的第四腔镜9；
为使板条状激光介质1的y、z方向的填充因子进一步提高，所述激光引出装置改变所述第一次放大激光的光路，使其以第二空间角度再次从板条状激光介质1的第一端面或第二端面射入，与第一空间角度入射情况原理相同，激光在板条状激光介质1的上表面和下表面之间进行全内反射，同时在第三腔镜8及第四腔镜9间反射，实现第二种空间角度入射下的双Z型激光放大；
其中第二空间角度满足：激光与xz面夹角为Φ2、与yz面夹角为θ2，且Φ2与θ2满足
Φ2不同于Φ1，θ2可以与θ1相同；
为使板条状激光介质1的y、z方向的填充因子更高，经过第N个激光引出装置后的激光，以第N+1空间角度从板条状激光介质1的第一端面或第二端面射入，射入后其传输原理与前N次入射的激光的传输原理相同，激光在板条状激光介质1的上表面和下表面之间进行全内反射，同时在第2N+1腔镜及第2(N+1)腔镜间反射，实现第N+1种空间角度入射下的双Z型激光放大；
其中第N+1空间角度满足：激光与xz面夹角为ΦN+1、与yz面夹角为θN+1，且ΦN+1与θN+1满足
ΦN+1不同于Φ1、Φ2…ΦN；
其中N为大于或等于1的自然数。
其中半导体泵浦源2发出的种子激光，如图2中光线①，为与xz面夹角Φ1、及与yz面夹角θ1的两个平面的交线，种子激光以此方向角度，由板条状激光介质1的第一端面某一部位入射，在板条状激光介质1的上表面和下表面之间进行全内反射之后从板条状激光介质1第二端面输出，到达第一腔镜6后被反射，再从板条状激光介质1第二端面另一部位入射，在上表面和下表面之间再进行全内反射，并从板条激光介质1第一端面输出，到达第二腔镜7后被反射，再次进入板条激光介质1的另一部位，如此多次反射直至从第一端面或第二端面输出；激光经激光引出装置，以不同于第一次入射的空间角度再次从板条状激光介质1的第一端面或第二端面入射，如图2中光线②，其是与xz面夹角为Φ2、与yz面夹角为θ2的两个平面的交线的方向，在板条状激光介质1的上表面和下表面之间进行全内反射之后从板条状激光介质1第二端面或第一端面输出，到达第三腔镜8后被反射，再从板条状激光介质1第二端面或第一端面入射，在上表面和下表面之间再进行全内反射，并从板条激光介质1第一端面或第二端面输出，到达第四腔镜9后被反射，再次进入板条激光介质1，激光传输过程参照第一种空间角度入射时的情形，如此多次反射直至从第一端面或第二端面输出；还可以再次将光引出来，以不同于第一次入射的空间角度及第二次入射的空间角度再次从板条状激光介质1的第一端面或第二端面入射，与xz面夹角ΦN+1、及与yz面夹角θN+1的两个平面的交线的方向，重复上述过程，可实现种子激光以多种空间角度入射在板条激光介质1内部沿x轴和z轴的双方向Z型多程传输，充分提取介质中的能量,从而实现对小功率种子激光或较低增益波长激光的高效率高增益的功率放大。
上述激光从第一端面输入与从第二端面输入的原理完全一样，因此本发明中仅描述从第一端面输入的情况，但是不能因此而得出从第二端面输入的情况不包含在发明的保护范围内的结论。
本发明还提供一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，与上述装置不同的是：
1)激光引出装置改变所述第一次放大激光的光路后，使其以第二空间角度再次从板条状激光介质1的第一端面或第二端面射入，与第一空间角度入射情况原理相同，激光在板条状激光介质1的上表面和下表面之间进行全内反射，同时仍在第一腔镜6及第二腔镜7间反射，或者在其他位于所述第二端面外侧的腔镜与第一端面外侧的腔镜之间进行反射，实现第二种空间角度入射下的双Z型激光放大；因此本方案可以有包括两个腔镜的情况。
2)第二空间角度与xz面的夹角Φ2等于Φ1，与yz面夹角为θ2不同于θ1；第N+1空间角度与xz面夹角ΦN+1与Φ1、Φ2、…相等，与yz面夹角θN+1不同于θ1、θ2…θN.
其他的工作情况与上述技术方案相同。
本发明还提供一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，与上述两个技术方案不同的是，所述位于板条状激光介质1第一端面一侧的腔镜，用第一曲面腔镜来代替，所述位于板条状激光介质1第二端面一侧的腔镜，用第二曲面腔镜来代替；
所述第一曲面腔镜在激光入射到腔镜的位置处的面法线方向与相应的位于板条状激光介质第一端面一侧的腔镜的法线方向相同；
所述第二曲面腔镜在激光入射到腔镜的位置处的面法线方向与相应的位于板条状激光介质第二端面一侧的腔镜的法线方向相同；
所述第一曲面腔镜、第二曲面腔镜可实现上述发明中四个以上腔镜能实现的两个空间角度的双Z型激光放大，当然也包括两个以上腔镜能实现的两个空间角度的双Z型激光放大。
本发明中，还包括置于所述板条状激光介质1与所述半导体泵浦源2之间的光束整形系统3，所述光束整形系统3可以是圆透镜或柱面透镜，该透镜镀有对泵光波长高透过率的介质膜。
本发明中，所述板条状激光介质1为矩形板条结构、以布儒斯特角切割，或以其他角度例如45°切割的平行四边形板条结构或梯形板条结构。
本发明中，所述腔镜上均镀有对激光波长高反射率的介质膜。
本发明中，所述半导体泵浦源2为半导体激光器或半导体激光器阵列。
本发明中，还包括用于冷却所述板条状激光介质1的冷却装置10；冷却装置10由表面镀金的热沉和置于热沉内的装有冷却介质的冷却通道组成，冷却介质为液体冷却介质。
实施例1
本实施例具体结构参考图4-1和图4-2：
图4-1为本实施例的高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的俯视图；图4-2为本实施例的高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的主视图；由图可知，本实施例的高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，其包括：
板条状激光介质1选用掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体，Nd离子掺杂浓度为0.6％，其尺寸为80mm×12mm×2mm的梯形板条，板条的上表面和下表面平行，第一端面和第二端面，与上表面或下表面成布儒斯特角；我们将晶体切割成双端梯形布儒斯特角，使p偏振的激光进入板条晶体内部得到放大。根据Nd:YAG晶体的折射率1.82，算得它的布儒斯特角为61.2°，对应板条晶体端面楔角为28.8°。
半导体泵浦源2包含2个泵浦面阵，每个面阵由24个半导体激光(LD)列阵组成，按8行3列排列，每个LD输出功率20W，波长808nm；半导体泵源2发射的泵浦激光4由光束整形系统3整形为70mm×1.5mm口径的光束从板条状激光介质1的一侧端面进入板条状激光介质1；
光束整形系统3由两个焦距为150mm的柱透镜构成，将LD快轴方向聚焦成1.5mm，慢轴方向直接进入板条状激光介质1左侧端面，两个半导体泵浦源2在板条状激光介质1两侧面对称泵浦；板条状激光介质1上表面和下表面分别镀有SiO2倏逝波膜，使激光在板条状激光介质1的上表面和下表面之间进行全内反射，实现Z型传输；倏逝波膜上再镀有金膜，则通过铟焊将板条激光介质1焊接在冷却装置10上；冷却装置10为紫铜加工的热沉，表面镀有金膜，内部有水冷通道，由循环水进行冷却，由此对板条状激光介质1进行冷却；板条状激光介质1左右两端面分别镀有1064nm增透膜分别作为激光输入端和激光输出端，第二腔镜7、第四腔镜9和第一腔镜6、第三腔镜8分别位于板条状激光介质1的第一端面和第二端面外侧，且均镀有1064nm的高反膜。使入射种子激光与xz面成56.28°，从板条左端入射，在板条上表面和下表面之间完成27次全反射后到达腔镜6，被腔镜6反射后再次进入板条，同样进行27次全反射，到达腔镜7，再被腔镜7反射进入板条左端面的另一位置，最后从板条的右端面输出，完成在板条状激光介质1内部的以第一种空间角度入射情形下的沿x轴和z轴的双方向Z型多程传输，实现激光放大。通过图4-2中4个45°1064nm高反射率的平面镜将激光引出，再次入射到板条左端面，使入射种子激光与xz面成62.64°，在板条两个大面之间完成25次全反射，激光传输过程参照上述第一种空间角度入射时的情形。这样，在激光增益介质1中实现了两种空间角度入射下的沿x轴和z轴的双Z型多程板条结构激光放大。当入射1064nm种子激光功率为1W、光束口径为1.5mm时，经Nd:YAG板条状激光介质1第一空间角度入射放大后，输出激光5的功率可达157.8W，提取效率可达16.3％；经两次空间角度入射放大后，输出激光5的功率可提高到483W，提取效率可提高到50.2％。也可将双侧泵浦改为单侧泵浦，即将图4-1和图4-2中的半导体泵浦源2去掉其中一个，其它条件不变。当入射1064nm种子激光功率为1W、光束口径为1.5mm时，经Nd:YAG板条状激光介质1第一空间角度入射放大后，输出激光5的功率可达22W，提取效率可达4.4％；经两次空间角度入射放大后，输出激光5的功率可提高到153W，提取效率可提高到31.7％。
实施例2
本实施例具体结构参考图5-1和图5-2：
图5-1为本实施例的高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的俯视图；图5-2为本实施例的高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的主视图；由图可知，本实施例与实施例1的不同之处在于以第一空间角度入射时，沿x方向的Z型由3程改为5程，以第二空间角度入射时，沿x方向的Z型仍为3程，其余不变。当入射1064nm种子激光功率为1W、光束口径为1.5mm时，经Nd:YAG板条状激光介质1第一空间角度入射放大后，输出激光5的功率可达193.6W，提取效率可达20.1％；经两次空间角度入射放大后，输出激光5的功率可达603.8W，提取效率近62.8％。
实施例3
本实施例具体结构参考图6-1和图6-2：
图6-1为本实施例的高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的俯视图；图6-2为本实施例的高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的主视图；由图可知，本实施例与实施例1的不同之处在于在实施例1的基础上，将两次空间角度入射放大后的激光再次引出，以第三种空间角度，也即与xz面成71.07°角入射，在板条上表面和下表面之间完成23次全反射后到达腔镜11，被腔镜11反射后再次进入板条，同样进行23次全反射，到达腔镜12，再被腔镜12反射进入板条第一端面的另一位置，这样激光在第五腔镜11和第六腔镜12间来回反射，最后从板条的第二端面输出，在板条状激光介质1内部实现以第三种空间角度入射时的沿x轴和z轴的双Z型板条结构激光放大。新增的两个腔镜，第五腔镜11和第六腔镜12，其镀有对激光波长的高反射膜，其它不变。当入射1064nm种子激光功率为1W、光束口径为1.5mm时，经Nd:YAG板条状激光介质1第一空间角度入射放大后，输出激光5的功率可达157.8W，提取效率可达16.3％；经两次空间角度入射放大后，输出激光5的功率可提高到483W，提取效率可提高到50.2％；经三次空间角度入射放大后，输出激光5的功率可进一步提高到859W，提取效率进一步提高到89.4％。
实施例4
本实施例具体结构参考图7-1和图7-2：
图7-1为本实施例的高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的俯视图；图7-2为本实施例的高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的主视图；由图可知，本实施例与实施例1的不同之处在于泵浦方式由双侧泵改为双端泵，改动后，需在板条激光介质1的两端面上均镀上808nm的增透膜，第一腔镜6、第三腔镜8、第二腔镜7和第四腔镜9均需镀808nm的增透膜和1064nm的高反膜。半导体泵浦源2包含2个泵浦面阵，每个面阵由8个LD组成，每个LD输出功率20W，波长808nm；半导体泵浦源2发射的泵浦激光由光束整形系统3整形为10mm×1.5mm口径的光束从板条激光介质1端面进入板条激光介质1，光束整形系统3由两个焦距为150mm的柱透镜构成，将LD快轴方向聚焦到1.5mm，慢轴方向直接进入板条端面，两个半导体泵源2在板条激光介质1两端对称泵浦；另外，激光利用一组置于激光介质两端的45°高反镜11进行输入、45°高反镜12输出，45°高反镜上镀有1064nm的高反膜及808nm的增透膜，其余不变。当入射1064nm种子激光功率为1W、光束口径为1.5mm时，经Nd:YAG板条状激光介质1第一空间角度入射放大后，输出激光5的功率可达8.4W，提取效率可达2.3％；经两次空间角度入射放大后，输出激光5的功率可提高到48.4W，提取效率可提高到14.8％。也可将双端泵浦改为单端泵浦，即将图7-1和图7-2中的半导体泵浦源2去掉其中一个，其它条件不变。其它条件不变。当入射1064nm种子激光功率为1W、光束口径为1.5mm时，经Nd:YAG板条状激光介质1第一空间角度入射放大后，输出激光5的功率可达2.94W，提取效率可达1.2％；经两次空间角度入射放大后，输出激光5的功率可提高到8.18W，提取效率可提高到4.5％。
实施例5
本实施例具体结构参考图8-1和图8-2：
图8-1为本实施例的高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的俯视图；图8-2为本实施例的高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的主视图；由图可知，本实施例与实施例1的不同之处在于泵浦方式由双侧泵改为上表面泵浦。改动后，半导体泵浦源2为1个由80个LD组成的泵浦面阵，每个LD输出功率20W，波长808nm。半导体泵源2发射的泵浦光由光束整形系统3整形为75×10mm口径的光束从板条的大面进入板条激光介质1，光束整形系统为一个焦距为400mm的柱透镜，将LD快轴方向聚焦到75mm，慢轴方向直接进入板条激光介质1大面，在板条激光介质1的下表面进行冷却，其余不变。当入射1064nm种子激光功率为1W、光束口径为1.5mm时，经Nd:YAG板条状激光介质1第一空间角度入射放大后，输出激光5的功率可达231W，提取效率可达14.4％；经两次空间角度入射放大后，输出激光5的功率可提高到881.8W，提取效率可提高到55％。
实施例6
本实施例具体结构参考图9-1和图9-2：
图9-1为本实施例的高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的俯视图；图9-2为本实施例的高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的主视图；由图可知，本实施例与实施例1的不同之处在于板条状激光介质1由梯形板条结构改为平行四边形板条结构，其它条件不变。当以第一空间角度入射时，在板条上表面和下表面之间完成26次全反射，第二空间角度入射时，在板条两个大面之间完成24次全反射。当入射1064nm种子激光功率为1W、光束口径为1.5mm时，经Nd:YAG板条状激光介质1第一空间角度入射放大后，输出激光5的功率可达153W，提取效率可达15.8％；经两次空间角度入射放大后，输出激光5的功率可提高到472.5W，提取效率可提高到49.1％。
实施例7
本实施例具体结构参考图10-1和图10-2：
图10-1为本实施例的高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的俯视图；图10-2为本实施例的高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的主视图；由图可知，本实施例与实施例1的不同之处在于板条状激光介质1由梯形板条结构改为矩形板条结构，其它条件不变。当以第一空间角度，即与板条上表面和下表面成69.45°角入射时，在板条两个大面之间完成24次全反射，第二空间角度与板条上表面成-69.45°角，与第一入射角关于xz平面对称入射时，在板条上表面和下表面之间完成24次全反射。当入射1064nm种子激光功率为1W、光束口径为1.5mm时，经Nd:YAG板条状激光介质1第一空间角度入射放大后，输出激光5的功率可达153W，提取效率可达15.8％；经两次空间角度入射放大后，输出激光5的功率可提高到461W，提取效率可提高到47.9％。
实施例8
本实施例具体结构参考图4-1和图11：
图4-1为本实施例的多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的俯视图；图11为本实施例的多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的主视图；由图可知，本实施例的多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，其包括：本实施例与实施例1的不同之处在于在完成在板条状激光介质1内部实现第一种空间角度的双Z型板条结构激光放大之后，通过图11中2个45°对1064nm高反射率的平面镜将激光引出，直接从板条右端面入射，入射角仍与xz面成62.64°角，在板条上表面和下表面之间完成25次全反射。其它条件不变，当入射1064nm种子激光功率为1W、光束口径为1.5mm时，经Nd:YAG板条状激光介质1第一空间角度入射放大后，输出激光5的功率可达157.8W，提取效率可达16.3％；经两次空间角度入射放大后，输出激光5的功率可提高到483W，提取效率可提高到50.2％。
实施例9
本实施例具体结构参考图4-1和图4-2：
本实施例的多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，本实施例与实施例1的不同之处在于板条状激光介质1为Nd:YVO4晶体，Nd离子掺杂浓度为0.6％，其尺寸为65mm×12mm×2mm的梯形板条，实现对1342nm波长的放大；根据Nd:YVO4晶体的折射率2.154，算得它的布儒斯特角为65.1°，对应板条晶体端面楔角为24.9°；半导体泵浦源2包含2个泵浦面阵，每个面阵由24个半导体激光(LD)列阵组成，按8行3列排列，每个LD输出功率20W，波长808nm；半导体泵源2发射的泵浦激光4由光束整形系统3整形为60mm×1.5mm口径的光束从板条状激光介质1的一侧端面进入板条状激光介质1；本实施例中涉及的第一腔镜6、第二腔镜7、第三腔镜8、第四腔镜9及激光引出装置中的45°镜片均镀有对1342nm高反射率的介质膜，第一入射角为58.64°，在板条介质上表面和下表面间完成29次全反射，第二入射角为67.40°，在板条介质上表面和下表面间完成27次全反射，其它条件不变。当入射1342nm种子激光功率为1W、光束口径为1.5mm时，经Nd:YVO4板条状激光介质1第一空间角度入射放大后，输出激光5的功率可达196.8W，提取效率可达20.4％；经两次空间角度入射放大后，输出激光5的功率可提高到534.4W，提取效率可提高到55.6％。
上述实施例提供的多空间角度双Z型板条结构激光放大装置的立体图请参见图12。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，包括板条状激光介质(1)，所述板条状激光介质(1)包括左右两端的第一端面和第二端面、前后两侧的第一侧面和第二侧面、上表面和下表面；
将板条状激光介质(1)的长度方向定义为z向，宽度方向定义为x向，厚度方向定义为y向；
半导体泵浦源(2)，位于所述板条状激光介质(1)的第一端面或第二端面的外侧，或对称地位于所述第一端面和第二端面的外侧，或位于第一侧面或第二侧面的外侧，或对称地位于所述第一侧面和第二侧面的外侧，或位于上表面或下表面的外侧；
两个腔镜，分别是位于所述第二端面外侧的第一腔镜(6)，及位于所述第一端面外侧的第二腔镜(7)；
激光以第一空间角度从第一端面射入所述板条状激光介质(1)，经过所述板条状激光介质(1)的上表面和下表面之间进行全内反射，且沿z向做Z型传输之后，从第二端面输出，射到第一腔镜(6)后进行反射，反射光又从第二端面输入所述板条状激光介质(1)的x方向的另一位置，同样原理经过第二腔镜(7)，激光在两腔镜间反射，从而又实现沿x向的Z型往返传输，直到激光从第一端面或者第二端面射出，实现第一种空间角度入射下的双Z型激光放大，得到第一次放大激光；
其中，第一空间角度为：激光与xz面夹角为Φ1、与yz面夹角为θ1，且Φ1及θ1满足
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其中，n1为空气介质的折射率，n2为板条状激光介质(1)的折射率，n3为板条状激光介质(1)上表面和下表面镀有的膜层折射率或冷却介质的折射率，α为板条状激光介质(1)第一端面、第二端面的楔角大小，L1为激光光束的横截面尺寸，t为板条状激光介质(1)的厚度大小，w为板条状激光介质(1)的宽度大小，l为板条状激光介质(1)的长度大小；
其特征在于，还包括激光引出装置，和上述腔镜以外至少两个腔镜，其中包括位于所述第二端面外侧的第三腔镜(8)，及位于所述第一端面外侧的第四腔镜(9)；
所述激光引出装置改变所述第一次放大激光的光路，使其以第二空间角度再次从板条状激光介质(1)的第一端面或第二端面射入，与第一空间角度入射情况原理相同，激光在板条状激光介质(1)的上表面和下表面之间进行全内反射，同时在第三腔镜(8)及第四腔镜(9)间反射，实现第二种空间角度入射下的双Z型激光放大；
其中第二空间角度满足：激光与xz面夹角为Φ2、与yz面夹角为θ2，且Φ2与θ2满足
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Φ2不同于Φ1；
经过第N个激光引出装置后的激光，以第N+1空间角度从板条状激光介质(1)的第一端面或第二端面射入，射入后其传输原理与前N次入射的激光的传输原理相同，激光在板条状激光介质(1)的上表面和下表面之间进行全内反射，同时在第2N+1腔镜及第2(N+1)腔镜间反射，实现第N+1种空间角度入射下的双Z型激光放大；
其中第N+1空间角度满足：激光与xz面夹角为ΦN+1、与yz面夹角为θN+1，且ΦN+1与θN+1满足
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ΦN+1不同于Φ1、Φ2…ΦN；
其中N为大于或等于1的自然数。
2.一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，包括板条状激光介质(1)，所述板条状激光介质(1)包括左右两端的第一端面和第二端面、前后两侧的第一侧面和第二侧面、上表面和下表面；
将板条状激光介质(1)的长度方向定义为z向，宽度方向定义为x向，厚度方向定义为y向；
半导体泵浦源(2)，位于所述板条状激光介质(1)的第一端面或第二端面的外侧，或对称地位于所述第一端面和第二端面的外侧，或位于第一侧面或第二侧面的外侧，或对称地位于所述第一侧面和第二侧面的外侧，或位于上表面或下表面的外侧；
至少两个腔镜，其中包括位于所述第二端面外侧的第一腔镜(6)及位于所述第一端面外侧的第二腔镜(7)；
激光以第一空间角度从第一端面射入所述板条状激光介质(1)，经过所述板条状激光介质(1)的上表面和下表面之间进行全内反射，且沿z向做Z型传输之后，从第二端面输出，射到第一腔镜(6)后进行反射，反射光又从第二端面输入所述板条状激光介质(1)的x方向的另一位置，同样原理经过第二腔镜(7)，激光在两腔镜间反射，从而又实现沿x向的Z型往返传输，直到激光从第一端面或者第二端面射出，实现第一种空间角度入射下的双Z型激光放大，得到第一次放大激光；
其中，第一空间角度为：激光与xz面夹角为Φ1、与yz面夹角为θ1，且Φ1及θ1满足
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其中，n1为空气介质的折射率，n2为板条状激光介质(1)的折射率，n3为板条状激光介质(1)上表面和下表面镀有的膜层折射率或冷却介质的折射率，α为板条状激光介质(1)第一端面、第二端面的楔角大小，L1为激光光束的横截面尺寸，t为板条状激光介质(1)的厚度大小，w为板条状激光介质(1)的宽度大小，l为板条状激光介质(1)的长度大小；
其特征在于，还包括激光引出装置；
所述激光引出装置改变所述第一次放大激光的光路，使其以第二空间角度再次从板条状激光介质(1)的第一端面或第二端面射入，与第一空间角度入射情况原理相同，激光在板条状激光介质(1)的上表面和下表面之间进行全内反射，并在第一腔镜(6)及第二腔镜(7)间反射，或者在其他位于所述第二端面外侧的腔镜与第一端面外侧的腔镜之间进行反射，实现第二种空间角度入射下的双Z型激光放大；
其中，第二空间角度为：激光与xz面夹角为Φ2、与yz面夹角为θ2，且Φ2及θ2满足
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Φ2等于Φ1，θ2不同于θ1；
经过第N个激光引出装置后的激光，以第N+1空间角度从板条状激光介质(1)的第一端面或第二端面射入，射入后其传输原理与前N次入射的激光的传输原理相同，激光在板条状激光介质(1)的上表面和下表面之间进行全内反射，并在第一腔镜(6)及第二腔镜(7)间反射，或者在其他位于所述第二端面外侧的腔镜与第一端面外侧的腔镜之间进行反射，实现第N+1种空间角度入射下的双Z型激光放大；
其中，第N+1空间角度为：激光与xz面夹角为ΦN+1、与yz面夹角为θN+1，且ΦN+1及θN+1满足
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Φ1、Φ2、…ΦN+1相等，θN+1不同于θ1、θ2…θN；
其中N为大于或等于1的自然数。
3.根据权利要求1所述的一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，其特征在于，所述腔镜为四个，分别是位于所述第二端面外侧的第一腔镜(6)和第三腔镜(8)，及位于所述第一端面外侧的第二腔镜(7)和第四腔镜(9)。
4.根据权利要求2所述的一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，其特征在于，所述腔镜为两个，分别是位于所述第二端面外侧的第一腔镜(6)和位于所述第一端面外侧的第二腔镜(7)。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，其特征在于，所述位于板条状激光介质(1)第一端面一侧的所有腔镜，用第一曲面腔镜来代替，所述位于板条状激光介质(1)第二端面一侧的所有腔镜，用第二曲面腔镜来代替；
所述第一曲面腔镜在激光入射到腔镜的位置处的面法线方向与相应的位于板条状激光介质(1)第一端面一侧的腔镜的法线方向相同；
所述第二曲面腔镜在激光入射到腔镜的位置处的面法线方向与相应的位于板条状激光介质(1)第二端面一侧的腔镜的法线方向相同；
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，其特征在于，所述装置还包括光束整形系统(3)，位于所述半导体泵浦源(2)与所述板条状激光介质(1)之间；
所述光束整形系统(3)为圆透镜或柱面透镜，该透镜镀有对泵光波长高透过率的介质膜。
7.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，其特征在于，所述板条状激光介质(1)为矩形板条结构、以布儒斯特角切割或其他角度切割的平行四边形板条结构或梯形板条结构；
所述板条状激光介质(1)为掺杂Nd离子的晶体、掺杂Nd离子的玻璃、掺杂Nd离子的陶瓷，掺杂Yb离子的晶体、掺杂Yb离子的玻璃、或掺杂Yb离子的陶瓷；
所述掺杂Nd离子的晶体有掺钕钇铝石榴石、掺钕钒酸钇、掺钕钆鎵石榴石、掺钕氟化钇锂、掺钕铝酸钇或掺钕氟磷酸锶；
所述掺杂Yb离子的晶体有掺镱钇铝石榴石、掺镱钒酸钇、掺镱钆鎵石榴石、掺镱氟化钇锂、掺镱铝酸钇或掺镱氟磷酸锶。
8.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，其特征在于，所述腔镜上均镀有对激光波长高反射率的介质膜。
9.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，其特征在于，所述激光引出装置包括两对45°高反镜或两组互为余角的高反镜或一对45°高反镜；
所述高反镜上镀有同时对激光波长高反和对泵光波长增透的介质膜；
所述两对45°高反镜中的一个45°高反镜放在第一腔镜(6)之后，一个45°高反镜放在第四腔镜(9)外侧，另两个45°高反镜位于板条状激光介质(1)的上表面或下表面一侧；
所述两组互为余角高反镜的位置与两对45°高反镜的位置基本相同；
所述一对45°高反镜中的一个放在第一腔镜(6)之后，一个45°高反镜放在第三腔镜(8)之后。
10.根据权利要求6所述的一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置，其特征在于，当所述半导体泵浦源(2)置于所述第一端面或第二端面的外侧，或对称地置于所述第一端面和第二端面的外侧时，所述一种高效率多空间角度双Z型板条结构激光放大装置还包括一对45°高反镜；该一对45°高反镜中的一个45°高反镜放在第一端面外侧的腔镜与光束整形系统(3)之间，另一个45°高反镜放在第二端面外侧的腔镜与光束整形系统(3)之间；所述腔镜上均镀有同时对激光波长高反和对泵光波长增透的膜。
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