CN105406338A - 一种基于角锥棱镜的小型多级放大激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于角锥棱镜的小型多级放大激光装置，包括角锥棱镜、泵浦系统、激光介质、调Q模块、转折棱镜组、直角棱镜以及输出镜，其中角锥棱镜、激光介质及转折棱镜组应按照特定位置排布，使得光路能够实现空间多程折叠，从而大大缩小传统多级放大结构的体积，同时，由于采用了角锥棱镜，也大大提高了系统的抗失调特性，是获得小型化、高可靠性、高功率/大能量、高光束质量激光输出的理想装置。本发明光路简明、结构紧凑，而且容易扩展，调节方便，既可作为独立激光器应用，也可作为激光放大器应用，特别适合对激光性能、结构空间和高可靠性均有要求的工程实用场合。

Description

一种基于角锥棱镜的小型多级放大激光装置

技术领域

本发明属于激光技术领域，特别涉及一种基于角锥棱镜的小型多级放大激光装置，适用于激光加工和军用激光领域。

背景技术

高功率、高光束质量和高可靠性激光器在科学研究、工业加工和军事武器等领域具有重要的应用。但要同时实现这“三高”还存在诸多困难，这是因为提高激光器的输出功率与其它指标（如小型化、高重复频率、窄脉宽、高光束质量、高效率等）相互影响，相互制约。利用调Q或锁模技术，可以获得极高的峰值功率，但这种高峰值功率的激光器实际上所输出的能量往往并不一定很大。因此，为了获得性能优良的大能量激光，采用种子源主振放大技术（MOPA）成为一种理想选择。光束脉宽、发散角和光谱宽度由主振荡器谐振腔决定，脉冲能量通过放大器放大提高。主振荡器低功率工作，具有较高的光束质量，利用多程激光放大及位相共扼技术，在功率放大的同时有效补偿热效应引起的激光波前畸变，保持放大后的大能量激光具有较高的光束质量。

基于MOPA技术的优良特性，各国研究人员都对该技术全方位的开发表现出了极大的热情，将其广泛的应用于固体激光器、光纤激光器；微弱脉冲放大、高功率放大等等。基本上可以说，不论何种激光放大技术，本质上都是MOPA结构的扩展。

在现有的MOPA结构激光系统中，大多都采用单程多级放大，但这种结构一般体积都较庞大，为了保证高功率输出的同时尽量减小系统体积，也出现了许多单级多程结构的研究，但这种多程的效果一般都是通过角度入射加反射实现的，相对单程结构而言极大的增加了系统安装调试的难度，而且对系统的稳定性也提出了更高的要求，系统的高可靠性难以保证。

角锥棱镜也称定向反射棱镜，其定向反射特性是广为人知的，即不管入射光线与其底面成何种角度入射，光线经棱镜的三个反射面上依次全反射后，出射光线始终是反向平行于入射光线，并以锥顶呈中心对称分布，其关系为物像和镜像关系。角锥三个反射面的棱边及其像将其分割成空间上对称分离的6个子区域，基于其定向反射特性，入射光线和出射光线将永远处在对称的两子区域上。利用这一特性，申请人将该棱镜创新性的应用于MOPA结构中，起多级放大折叠光路的作用，同时配合几个转折棱镜，实现紧凑型、小型化、高可靠性、抗失调、易于装配调试的多级激光放大，从而获得高功率、高光束质量和高可靠性的激光输出。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种基于角锥棱镜的小型多级放大激光装置。

利用角锥棱镜的定向反射特性作为放大光路转折元件，结合转折棱镜组构成三维抗失调的多程光路，实现小型多级放大激光装置。本发明光路简明、结构紧凑，而且容易扩展，调节方便，既可作为独立激光器应用，也可作为激光放大器应用，特别适合对激光性能、结构空间和高可靠性均有要求的工程实用场合。

实施本发明的技术方案如下：

一种基于角锥棱镜的小型多级放大激光装置，包括泵浦系统，还包括角锥棱镜和转折棱镜组，角锥棱镜的各个反射面均分别划分为若干个子区域，角锥棱镜的各个侧面的子区域在角锥棱镜的底面上的投影子区域以角锥棱镜的锥点在角锥棱镜的底面上的投影点为中心两两中心对称，激光入射其中一个子区域从投影对称的子区域出射，在各个子区域的入射或出射光路上设置有激光介质，其中一个激光介质一端设置有调Q模块和直角棱镜，另一端设置有输出镜，转折棱镜组将子区域的出射激光转折反射至未遍历的子区域。

如上所述的角锥棱镜的每个侧面均等分为两个子区域，各个子区域顺时针依次为第一子区域、第二子区域、第三子区域、第四子区域、第五子区域和第六子区域；以角锥棱镜的锥点在角锥棱镜的底面上的投影点为中心，第一子区域的投影子区域与第四子区域的投影子区域中心对称，第二子区域的投影子区域与第五子区域的投影子区域中心对称，第三子区域的投影子区域与第六子区域的投影子区域中心对称。

如上所述的角锥棱镜可以是实心角锥或空心角锥。

本发明相对于现有技术具有以下优点：

1、结构简洁紧凑，三维抗失调，可靠性高；

2、调节方便，只需简单改变主振荡器谐振腔镜位置就可调节装置放大倍数，或作为独立激光器应用；

3、扩展性强，放大级数仅受装置横向排布结构限制。

附图说明

图1（a）是角锥棱镜的形状示意图；

图1（b）是角锥棱镜光学特性；

图2（a）是圆底角锥棱镜的形状示意图；

图2（b）为角锥棱镜三个反射面划分的子区域在角锥棱镜底面的投影：第一子区域1-1、第二子区域1-2、第三子区域1-3、第四子区域1-4、第五子区域1-5、第六子区域1-6六个子区域的示意图。

图3（a）是角锥棱镜和转折棱镜构成的3维6程抗失调折叠光路示意。

图3（b）是由角锥棱镜圆形底面看到的3维6程抗失调折叠光路示意。

图4是一种基于角锥棱镜的小型多级放大激光装置的光路示意。

图5是一种基于角锥棱镜的小型多级放大激光装置的18路扩展示意。

图6是一种基于角锥棱镜的小型多级放大激光装置的结构示意图。

其中：1-角锥棱镜；2-泵浦系统；3-激光介质；4-调Q模块；5-转折棱镜组；6-直角棱镜；7-输出镜。

图7是一种基于角锥棱镜的小型多级放大激光装置的简化结构示意图。

其中：3-1、第一激光介质；3-2、第二激光介质；3-3、第三激光介质；3-4、第四激光介质；3-5、第五激光介质；3-6、第六路光介质；

5-1、第一块转折棱镜；5-2、第二块转折棱镜。

图8（a）和图8（b）分别是两种泵浦系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明不限于这些实施例。

本发明利用角锥棱镜的后向反射特性作为光路转折元件，结合转折棱镜组5构成多维多程抗失调折叠光路。

一种基于角锥棱镜的小型多级放大激光装置，包括泵浦系统2，还包括角锥棱镜1和转折棱镜组5，角锥棱镜1的各个反射面均分别划分为若干个子区域，角锥棱镜1的各个侧面的子区域在角锥棱镜1的底面上的投影子区域以角锥棱镜1的锥点在角锥棱镜1的底面上的投影点为中心两两中心对称，激光入射其中一个子区域从投影对称的子区域出射，在各个子区域的入射或出射光路上设置有激光介质3，其中一个激光介质3一端设置有调Q模块4和直角棱镜6，另一端设置有输出镜7，转折棱镜组5将子区域的出射激光转折反射至未遍历的子区域。

作为一种可选方案，如图2（a）和图2（b）所示，角锥棱镜1的每个侧面均等分为两个子区域，各个子区域顺时针依次为第一子区域1-1、第二子区域1-2、第三子区域1-3、第四子区域1-4、第五子区域1-5和第六子区域1-6；以角锥棱镜1的锥点在角锥棱镜1的底面上的投影点为中心，第一子区域1-1的投影子区域与第四子区域1-4的投影子区域中心对称，第二子区域1-2的投影子区域与第五子区域1-5的投影子区域中心对称，第三子区域1-3的投影子区域与第六子区域1-6的投影子区域中心对称。

角锥棱镜1可以是实心角锥或空心角锥。

角锥棱镜也称定向棱镜，是典型的正四面体光学棱镜，其形状类似于正立方体切下的一个角，如图1（a）所示，它的三个空间反射面互相垂直，其出射光线与入射光线在同一个子午面内，方向转折180°对称于锥顶分布。光线从任意方向由角锥底入射角锥棱镜，经三个反射面全内反射后，出射光线一定沿入射光线方向返回，如图1（b）所示，这一特性称为后向反射特性。随着应用场合的拓展，角锥棱镜的形态也有了多样化的发展，从单一的正四面体，到圆底角锥、球面角锥、空心角锥等，这里以原底角锥为例进行说明，圆底角锥如图2（a）所示。

如图2（b）所示，从角锥棱镜1的圆形底面看过去，角锥棱镜1三个反射面均等分为两个子区，顺时针依次为第一子区域1-1、第二子区域1-2、第三子区域1-3、第四子区域1-4、第五子区域1-5和第六子区域1-6域。因其特有的定向反射特性，每一束入射激光在经角锥棱镜1反射后都会在其投影子区域对称的投影子区域对应的子区域输出，即在第一子区域1-1入射的光线经角锥棱镜1后会由第四子区域1-4射出，如图2（b）所示。同样的，第二子区域1-2对应第五子区域1-5，第三子区域1-3对应第六子区域1-6。结合这一特性，在第三子区域1-3、第四子区域1-4之间，在第五子区域1-5、第六子区域1-6之间放置转折棱镜组5，使第四子区域1-4出射的光线进入第三子区域1-3，第六子区域1-6出射的光线进入第五子区域1-5。则由第一子区域1-1入射的光线，经角锥棱镜1后由第四子区域1-4射出，经转转折棱镜组5翻转后，再由第三子区域1-3入射到角锥棱镜1，经角锥棱镜1后，由第六子区域1-6输出，同样的经转折棱镜组5翻转后，进入第五子区域1-5，最后经角锥棱镜1后由第二子区域1-2输出，形成一3维6程光路，传输光路如图3（a）～3（b）所示。

即一束光进入角锥棱镜1后，将往返传播5次后才会输出，这样，只要在该传输光路与角锥棱镜1垂直的六条支路上分别设置激光介质3（第一激光介质3-1～第六激光介质3-6），就能在一个很小的空间内实现多级串接放大，如图4所示。同时，由于角锥棱镜自身的对称性，也很容易的在一台激光器的体积内实现更多级放大的扩展，如在一个子区域内金字塔形排布多支激光介质，如图5所示。

如图6所示，本发明包括主振荡器，主振荡器包括直角棱镜6、调Q模块4、泵浦系统2、第一激光介质3-1以及输出镜7。本发明还包括放大器，放大器包括角锥棱镜1、泵浦系统2、转折棱镜组5以及除第一激光介质3-1外余下的激光介质3。主振荡器中，泵浦系统2均匀泵浦第一激光介质3-1产生激光，在直角棱镜6和输出镜7构成的谐振腔中振荡，经调Q模块调制后由输出镜7输出高光束质量高峰值功率的小能量激光。

泵浦系统2作为整个系统的动力源均匀泵浦激光介质3产生激光，图8（a）和图8（b）中分别给出了六根激光棒情况下闪光灯泵浦模块和LD泵浦模块的结构示意。这里为便于描述激光在激光介质中的振荡情况在图7里将其隐去。

图7中，主振荡器输出光由输出镜7输出，由第一子区域1-1进入角锥棱镜1，经角锥棱镜1转折反射，由第四子区域1-4输出，进入放置在第四子区域1-4的第四激光介质3-4进行一级放大，再经第一块转折棱镜5-1转折反射，进入放置在第三子区域1-3的第三激光介质3-3进行二级放大，再由第三子区域1-3进入角锥棱镜1，经角锥棱镜1转折反射，由第六子区域1-6输出，进入放置在第六子区域1-6的第六激光介质3-6中进行三级放大，经第二块转折棱镜5-2转折反射，进入放置在第五子区域1-5的第五激光介质3-5进行四级放大，再由第五子区域1-5进入角锥棱镜1，再次经角锥棱镜1转折反射，由第二子区域1-2输出，进入放置在第二子区域1-2的第二激光介质3-2进行五级放大后输出。

在上述步骤中，角锥棱镜1可以是实心角锥或空心角锥；泵浦装置2可以是灯泵浦或LD泵浦，灯或LD的数量没有限制，保证均匀泵浦即可；激光介质3结构可以是圆棒或板条等，材料可以根据需要选取，数量可以是大于等于2的任意自然数；调Q模块4可以是被动调Q或主动调Q，但选用偏振调Q器件时要搭配偏振器一起使用；转折棱镜组5可以是任意起转折光路光学组件；直角棱镜6可以是任意具有全反功能的光学元件；输出镜7的透过率可以是不同的值，其形态可以为任意形状的镜片或膜层。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种基于角锥棱镜的小型多级放大激光装置，包括泵浦系统（2），其特征在于，还包括角锥棱镜（1）和转折棱镜组（5），角锥棱镜（1）的各个反射面均分别划分为若干个子区域，角锥棱镜（1）的各个侧面的子区域在角锥棱镜（1）的底面上的投影子区域以角锥棱镜（1）的锥点在角锥棱镜（1）的底面上的投影点为中心两两中心对称，激光入射其中一个子区域从投影对称的子区域出射，在各个子区域的入射或出射光路上设置有激光介质（3），其中一个激光介质（3）一端设置有调Q模块（4）和直角棱镜（6），另一端设置有输出镜（7），转折棱镜组（5）将子区域的出射激光转折反射至未遍历的子区域。

2.根据权利要求1所述的一种基于角锥棱镜的小型多级放大激光装置，其特征在于，所述的角锥棱镜（1）的每个侧面均等分为两个子区域，各个子区域顺时针依次为第一子区域（1-1）、第二子区域（1-2）、第三子区域（1-3）、第四子区域（1-4）、第五子区域（1-5）和第六子区域（1-6）；以角锥棱镜（1）的锥点在角锥棱镜（1）的底面上的投影点为中心，第一子区域（1-1）的投影子区域与第四子区域（1-4）的投影子区域中心对称，第二子区域（1-2）的投影子区域与第五子区域（1-5）的投影子区域中心对称，第三子区域（1-3）的投影子区域与第六子区域（1-6）的投影子区域中心对称。

3.根据权利要求1所述的一种基于角锥棱镜的小型多级放大激光装置，其特征在于，所述的角锥棱镜（1）可以是实心角锥或空心角锥。