CN106099634A

CN106099634A - 一种碟片固体激光放大器

Info

Publication number: CN106099634A
Application number: CN201610618803.2A
Authority: CN
Inventors: 朱广志; 宋恩茂; 朱晓; 王海林; 齐丽君; 赵文广
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2016-08-01
Filing date: 2016-08-01
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2036-08-01
Also published as: CN106099634B

Abstract

本发明公开了一种碟片固体激光放大器。所述碟片固体激光放大器包括凸透镜组单元，碟片晶体单元，第一反射单元以及第二反射单元；所述碟片晶体单元包括第1碟片晶体至第N－1碟片晶体，所述凸透镜组单元包括第1凸透镜组至第N凸透镜组，且每个凸透镜都包括第一焦点以及第二焦点；N为大于等于2的任意整数，所述碟片晶体与所述凸透镜组交错设置；所述第一反射单元设置于第1凸透镜组的第一焦点处，所述第二反射单元设置于第N凸透镜组的第二焦点处，第i凸透镜组的第二焦点与第i+1凸透镜组的第一焦点重合，且第i碟片晶体设置于该重合的焦点处，i为1～N－1的任意整数。本发明通过相互串接的碟片晶体以及凸透镜组来对种子光进行放大，解决了现有技术中的激光放大器放大次数低，光束质量差的技术问题。

Description

一种碟片固体激光放大器

技术领域

本发明属于激光技术领域，更具体地，涉及一种碟片固体激光放大器。

背景技术

碟片固体激光放大器是一种新型的固体激光放大器，该装置能够将一束高质量的种子光多次通过处于粒子数反转状态下的碟片晶体，从而使输出的光束既具备种子光的高质量，又能够获得较高的功率和能量。碟片固体激光放大器与其它激光放大器的本质区别就在于其激光工作物质为碟片晶体，碟片晶体的厚度很薄，约为100μm～400μm，直径约为5mm～30mm，其上表面镀有对泵浦光与入射种子光的高增透膜，下表面镀有对泵浦光和种子光的高反膜，并封装在金属热沉上。通过对热沉背面高效的冷却，实现了一维的温度梯度，极大地减小了碟片晶体的热畸变，从而保证了入射种子光在光放大的过程中，保持较好的光束质量。

碟片激光放大系统器可分为再生式碟片激光放大系统和多程式碟片激光放大系统。其中多程式碟片激光放大系统的机理就是通过在泵浦结构外面仅搭建反射镜、透镜组合实现种子光多次通过处于粒子数反转状态的碟片晶体，从而实现高能输出。

专利文献CN103996965公开了一种基于双碟片串接的激光多程放大器，该激光放大器的性能受到抛物镜的尺寸和参数的限制，从而具有下列缺点：第一、由于抛物镜的尺寸影响泵浦光的反射位点，使得该放大器的放大次数受限，最高只能实现40次的放大；其次，该放大器只能为事先限定的放大次数定制抛物镜面，无法在原有的放大结构上进行扩充，也无法根据种子光的光斑大小进行适应性调整，且抛物镜面的尺寸的微小误差即会影响放大器的性能；第三、在该放大器中，种子光和泵浦光都在共轭双抛物面镜上进行反射，而抛物镜面的受热会影响泵浦光的光斑形状，从而影响碟片晶体的放大性能，进而使放大器输出的种子光的光束质量变差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种碟片固体激光放大器，其目的在于通过相互串接的碟片晶体以及凸透镜组来对种子光进行放大，由此解决现有技术中种子光放大次数低，光束质量差的技术问题。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种碟片固体激光放大器，包括凸透镜组单元，碟片晶体单元，第一反射单元以及第二反射单元；

所述碟片晶体单元包括第1碟片晶体至第N－1碟片晶体，所述凸透镜组单元包括第1凸透镜组至第N凸透镜组，且每个凸透镜组都包括第一焦点以及第二焦点；N为大于等于2的任意整数，所述碟片晶体与所述凸透镜组交错设置；

所述第一反射单元设置于第1凸透镜组的第一焦点处，所述第二反射单元设置于第N凸透镜组的第二焦点处，第i凸透镜组的第二焦点与第i+1凸透镜组的第一焦点重合，且第i碟片晶体设置于该重合的焦点处，i为1～(N－1)的任意整数；

所述凸透镜组用于将种子光从凸透镜组的第一焦点传播至第二焦点，或者从第二焦点传播至第一焦点；所述碟片晶体用于将种子光放大；所述第一反射单元用于将第1凸透镜组从第一焦点输出的种子光反射回所述第1凸透镜组，所述第二反射单元用于将第N凸透镜组从第二焦点输出的种子光反射回所述第N凸透镜组，使种子光反复在凸透镜组以及碟片晶体之间传播，而使碟片晶体放大种子光的次数加倍。

优选地，所述第一反射单元以及第二反射单元为平面镜或碟片晶体。

优选地，所述凸透镜组包括平行设置的第一凸透镜以及第二凸透镜，所述第一凸透镜的背离所述第二凸透镜的焦点作为所述凸透镜组的第一焦点，所述第二凸透镜的背离所述第一凸透镜的焦点作为所述凸透镜组的第二焦点，所述第一凸透镜的光轴作为所述凸透镜组的第一光轴，所述第二凸透镜的光轴作为所述凸透镜组的第二光轴，所述第一光轴与所述第二光轴平行或重合。

作为进一步优选地，所述碟片固体激光放大器还包括入射单元以及出射单元，所述入射单元用于将入射的种子光反射为平行于所述第j凸透镜组的光轴方向传播的种子光，所述出射单元用于将平行于所述第j凸透镜组的光轴方向传播的放大后的种子光反射出所述碟片固体激光放大器，j为1～N的任意整数。

作为更进一步优选地，所述入射单元以及出射单元为平面镜，所述入射单元以及出射单元设置于第1凸透镜组的第一凸透镜与第二凸透镜之间。

作为进一步优选地，所述第一反射单元与所述第1凸透镜组的第一光轴的夹角为(arccot(D/2f),π/2)，其中，D为第1凸透镜组的第一凸透镜的直径，f为第1凸透镜组的第一凸透镜的焦距；所述第一反射单元还用于使第1凸透镜组从第一焦点输出的种子光与向第一焦点输入的种子光发生偏移，从而使得在凸透镜表面的种子光的光斑分散，使得所述光斑的中心点之间的距离大于1mm～10mm，以免光斑重叠从而导致凸透镜的热畸变效应。

作为进一步优选地，所述第j凸透镜组的第一光轴与第二光轴的间距为d，d小于等于所述第j凸透镜组的第一凸透镜以及第二凸透镜的半径的最小值；所述第j凸透镜组还用于使种子光在水平方向或垂直方向发生偏移，从而使得在凸透镜表面的种子光的光斑分散，j为1～N的任意整数。

作为进一步优选地，所述碟片固体激光放大器还包括直角反射镜，所述直角反射镜设置于所述第N凸透镜组的第一凸透镜与第二凸透镜之间，且与第N凸透镜组的第二凸透镜相对放置；所述直角反射镜用于使种子光在水平方向或垂直方向发生偏移，从而增加所述碟片固体激光放大器的放大次数，分散种子光在凸透镜表面的光斑。

作为更进一步优选地，所述直角反射镜为直角反射棱镜或两个相对设置呈π/2的平面镜。

优选地，所述碟片固体激光放大器还包括泵浦光发生单元，所述泵浦光发生单元包括第1泵浦光发生单元至第N－1泵浦光发生单元，第i泵浦光发生单元用于向第i碟片晶体发出泵浦光，使得传播至第i碟片晶体的种子光的能量放大。

优选地，所述碟片晶体的前表面具有增透膜，所述碟片晶体的后表面具有反射膜。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过将凸透镜组与碟片晶体交错设置，种子光的传播路径跟设定的器件的数量相关，从而延长了种子光的传播路径，增加了种子光的放大次数，经验证，放大次数可达40次以上；

2、种子光的传播路径不受器件尺寸的严格限制，可通过器件的位置或者角度的调整纠正器件尺寸与种子光光斑大小的不符合，灵活性更高；

3、通过调整第一反射单元与凸透镜组的光轴的夹角，以及凸透镜组的光轴的间距，可以使得种子光在凸透镜表面的光斑分散，避免了凸透镜的热畸变效应；

4、通过在凸透镜组中设置直角反射镜，使种子光在水平方向或垂直方向发生偏移，从而增加了所述碟片固体激光放大器的放大次数，分散种子光在凸透镜表面的光斑；

5、本发明通过将碟片晶体设置在凸透镜的焦点处，可以保证在碟片晶体处的种子光的光斑尺寸在每次放大过程相同，保证了种子光和泵浦光模式的最佳匹配，可最大限度的提取泵浦光的能量，实现最高的放大效率和输出光质量。

附图说明

图1是实施例1的单碟片种子光多程传输系统示意图；

图2是实施例1放大系统的俯视图；

图3是实施例1各个凸透镜上种子光光斑的传输示意图；

图4是实施例2的单碟片种子光多程传输系统示意图；

图5是实施例2放大系统的俯视图；

图6是实施例2各个凸透镜上种子光光斑的传输示意图；

图7是实施例3的多碟片种子光多程传输系统示意图；

图8是实施例3放大系统的俯视图；

图9是实施例3各个凸透镜上种子光光斑的传输示意图；

图10是实施例4的单碟片种子光多程传输系统示意图；

图11是实施例4放大系统的俯视图；

图12是实施例4各个凸透镜上种子光光斑的传输示意图；

图13是实施例5的单碟片种子光多程传输系统示意图；

图14是实施例5放大系统的俯视图；

图15是实施例5各个凸透镜上种子光光斑的传输示意图；

图16是实施例6的多碟片种子光多程传输系统示意图；

图17是实施例6放大系统的俯视图；

图18是实施例6各个凸透镜上种子光光斑的传输示意图；

图19是实施例7的单碟片种子光多程传输系统示意图；

图20是实施例7放大系统的俯视图；

图21是实施例7各个凸透镜上种子光光斑的传输示意图；

图22是实施例8单碟片种子光多程传输系统示意图；

图23是实施例8放大系统的俯视图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：A1-第一碟片晶体，A2-第一凸透镜，A3-第一直角反射镜，A4-第二直角反射镜，A5-种子光入射处，A6-种子光出射处，A7-第一平面反射镜，A8-第二凸透镜，A9-薄膜偏振片，A10-种子光输出端全反镜，A11-λ/4波片，A12-λ/2波片，B9-第二平面反射镜，B10-第三凸透镜，B11-第二直角棱镜，B12-第一直角棱镜，B13-第四凸透镜，C14-第五凸透镜，C15-第六凸透镜，C16-第二碟片晶体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的一个方面，提供了一种碟片固体激光放大器，包括入射单元，出射单元，凸透镜组单元，碟片晶体单元，第一反射单元以及第二反射单元；其中，所述碟片晶体单元包括第1碟片晶体至第N－1碟片晶体，所述凸透镜组单元包括第1凸透镜组至第N凸透镜组，N为大于等于2的任意整数，所述碟片晶体与所述凸透镜组依次交错设置；

所述凸透镜组包括平行设置的第一凸透镜以及第二凸透镜，所述第一凸透镜的背离所述第二凸透镜的焦点作为所述凸透镜组的第一焦点，所述第二凸透镜的背离所述第一凸透镜的焦点作为所述凸透镜组的第二焦点，所述第一凸透镜的光轴作为所述凸透镜组的第一光轴，所述第二凸透镜的光轴作为所述凸透镜组的第二光轴，所述第一光轴与所述第二光轴平行或重合；所有凸透镜组的光轴，均平行于水平方向；

所述第一反射单元设置于第1凸透镜组的第一焦点处，所述第二反射单元设置于第N凸透镜组的第二焦点处，第i凸透镜组的第二焦点与第i+1凸透镜组的第一焦点重合，且第i碟片晶体设置于该重合的焦点处，i为1～N－1的任意整数；

所述入射单元以及出射单元各自独立地设置于第j凸透镜组的第一凸透镜以及第二凸透镜之间，所述入射单元用于将入射的种子光反射为平行于所述第j凸透镜组的第一光轴方向传播的种子光，所述出射单元用于将平行于所述第j凸透镜组的光轴方向传播的放大后的种子光反射出所述碟片固体激光放大器，j为1～N的任意整数；

所述凸透镜组用于将种子光从凸透镜组的第一焦点传播至第二焦点，或者从第二焦点传播至第一焦点；所述碟片晶体用于将种子光放大；所述第一反射单元用于将第1凸透镜组从第一焦点输出的种子光反射回所述第1凸透镜组，所述第二反射单元用于将第N凸透镜组从第二焦点输出的种子光反射回所述第N凸透镜组，使种子光反复在凸透镜组以及碟片晶体之间传播，而使碟片晶体放大种子光的次数加倍，种子光每从第一反射单元经第1凸透镜组，第1碟片晶体…，第N凸透镜组，第二反射单元，第N凸透镜组，…，最后返回第一反射单元，就经过了2(N－1)次碟片晶体的放大。

如果所有凸透镜镜的第一光轴和第二光轴均重合，且第一反射单元和第二反射单元完全与光轴垂直，则种子光每次传播，在凸透镜上投影的光斑的位置都相同，这会使得光斑重叠从而导致凸透镜的热畸变效应。由于一般种子光的光斑直径为1mm～10mm，因此在本发明中，需要用角度偏差法，或离轴偏差法使得凸透镜上的光斑分散。

所述角度偏差法为：将第一反射单元与所述第1凸透镜组的第一光轴的夹角设置为(arccot(D/2f),π/2)，其中，D为第1凸透镜组的第一凸透镜的直径，f为第1凸透镜组的第一凸透镜的焦距；该方法可使得第1凸透镜组从第一焦点输出的种子光与输入的种子光发生偏移，从而分散种子光在凸透镜表面的光斑，使凸透镜上光斑中心点之间的距离大于1mm～10mm，以免光斑重叠从而导致凸透镜的热畸变效应；同样，也可将第二反射单元与第N凸透镜的光轴的夹角进行设置，以获得同样的效果。

所述离轴偏差法为：将第j凸透镜组的第一光轴与第二光轴的间距设置为d，d小于等于所述第j凸透镜组的第一凸透镜以及第二凸透镜的半径的最小值；从而使输入第j凸透镜组的种子光与输出第j凸透镜组的种子光在水平方向或垂直方向发生偏移，从而分散种子光在凸透镜表面的光斑，j为1～N的任意整数。

在第j凸透镜组的第一凸透镜与第二凸透镜之间，还可以设置一个或多个直角反射镜，所述直角反射镜可与第j凸透镜组的第一凸透镜或第二凸透镜相对放置，用于使从该凸透镜出射的种子光在水平方向或垂直方向发生偏移再反射回该凸透镜，从而增加所述碟片固体激光放大器的放大次数，分散种子光在凸透镜表面的光斑；所述直角反射镜为直角反射棱镜，或两个呈π/2相对放置的平面镜。

角度偏差法，离轴偏差法还有直角反射镜可相互结合，在分散种子光在凸透镜表面的光斑的同时，充分利用凸透镜的反射表面，在不增加装置的情况下增加种子光的反射次数；例如，可用角度偏差法在增加种子光在水平方向上的偏移，而用直角反射镜增加种子光在垂直方向上的位移，使种子光通过该激光放大器的次数达到6次或以上。

碟片晶体的背面设置有泵浦光发生单元，用于向碟片晶体发出泵浦光，在泵浦光多次泵浦条件下，由于受激吸收的作用，碟片晶体内部的激活粒子吸收泵浦光，从基态跃迁到激发态，然后在种子光的作用下，在激活粒子能级间发生受激辐射，从而使种子光能量得到提高。泵浦光发生单元通常由一到两个半导体激光器以及抛物面反射镜组成，抛物面反射镜将半导体激光器发出的泵浦光反射至碟片晶体的背面。所述碟片晶体的前表面具有增透膜，所述碟片晶体的后表面具有反射膜，因此每次种子光经过碟片晶体，都会经其前表面传播至后表面，再反射至前表面，从而经过两次放大。所述第一反射单元以及第二反射单元可以为平面镜或碟片晶体，当使用碟片晶体作为反射单元时，可使该碟片激光放大器的放大次数进一步增加。

该激光放大器受器件参数(如尺寸)的限制较小，因此可根据实际情况进行调整，以适应种子光的参数。例如，在初始状态下，可将所有器件设置成与水平方向垂直，所有凸透镜的中心调整至同一高度，所有光轴位于同一平面上，第一反射单元与第二反射单元均与相应的凸透镜平行，碟片晶体与光轴交点的法向量平分通过该碟片晶体的光轴；然后根据种子光的光斑大小r，选择角度偏差法或离轴偏差法对激光放大器进行调整，为操作简便考虑，通常以第1凸透镜组或第N凸透镜组作为调整目标，例如，当采用离轴偏差法时，通过调整凸透镜的高度，可将第1凸透镜组的第一光轴和第二光轴在水平方向或垂直方向的距离调整为r/2以上，同时，还可以设置直角反射镜，使得种子光在不同的方向发生偏移，进一步提高了种子光的传播次数。

入射单元和出射单元可选用平面镜，为操作简便考虑，可设置于第1凸透镜组的第一凸透镜和第二凸透镜之间，使其与凸透镜呈π/4相对放置，即可将与光轴垂直的种子光引入该激光放大器，同时将平行与光轴方向传播的放大后的种子光引出该激光放大器。

为了对以上内容进行说明，故进一步列举以下实施例：

实施例1

图1为实施例1的碟片激光放大器结构示意图，包括种子光入射全反镜A6，种子光出射全反镜A5，第一碟片晶体A1，第一平面反射镜A7，第二平面反射镜B9，第一凸透镜A2，第二凸透镜A8，第三凸透镜B10以及第四凸透镜B13；所有凸透镜的直径均为D，焦距均为f，且光轴均位于水平面Ω上，所有装置的反射面或透射面，均与水平方向垂直；第一碟片晶体A1的正面具有增透膜，背面具有全反膜；其背面相对设置有抛物面反射镜，用于将半导体激光器输出的泵浦光反射至碟片晶体的背面。通过对碟片晶体内部的泵浦模块或者对凸透镜的参数进行选取，可以使得泵浦光的光斑大小与种子光相同。当碟片晶体内部的激活粒子吸收泵浦光，从基态跃迁到激发态，然后在种子光的作用下，在激活粒子能级间发生受激辐射，从而使种子光能量得到提高，种子光从碟片晶体的正面传播到背面，又在背面的全反膜下进行反射而传输到正面，因此，种子光每经过一次碟片晶体，能经过两次放大。

其中，第一凸透镜A2和第二凸透镜A8共光轴且间距约为2D，第三凸透镜B10和第四凸透镜B13共光轴且间距也约为2D；第一平面反射镜A7与第二凸透镜A8的光轴的交点为第二凸透镜A8的焦点，且第一平面反射镜A7在该焦点处的法向量也位于水平面Ω上，且在该水平面Ω上，第一平面反射镜A7与第二凸透镜A8的光轴的夹角θ₁约为θ₁≈arctan(D/15f)；第一凸透镜A2与第四凸透镜B13共焦点，且光轴之间的夹角约为θ₀≈π/3，第一碟片晶体A1位于该共同焦点处，且第一碟片晶体A1在该共同焦点处的法向量平分第一凸透镜A2与第四凸透镜B13光轴之间的夹角；第二平面反射镜B9设置于第三凸透镜B10远离第四凸透镜B13方向的焦点处，且与第三凸透镜B10平行。

种子光入射全反镜A6以及种子光出射全反镜A5为平面反射镜，且设置于第一凸透镜A2和第二凸透镜A8之间，其分别与第一凸透镜A2和第二凸透镜A8之间呈π/4的角度放置；种子光入射全反镜A6用于将垂直于第一凸透镜A2的光轴入射的种子光沿平行于所述光轴的方向引入第一凸透镜A2；同样的，种子光出射全反镜A5用于将从第二凸透镜A8出射的平行于所述光轴的方向的放大后的种子光，从垂直于光轴的方向反射出所述碟片激光放大器。

图2为实施例1的种子光传播过程示意图，经过准直后的种子光(光束直径约为D/15)从种子光入射全反镜A6沿与第二凸透镜A的光轴平行的方向入射到碟片激光放大器中，在第二凸透镜A8的入射点1到第二凸透镜中心的垂直距离约为h≈D/12，水平距离为0；然后聚焦至第二凸透镜A8的焦点的第一平面反射镜A7处；由于夹角θ₁的引入，经第一平面反射镜A7反射后到达第二凸透镜上的2处的种子光与1处相比，在水平方向的偏移量约为ΔY₁≈f·θ₁，在竖直方向的偏移量约为ΔX₁≈2h，如图3所示；然后种子光再入射到第一凸透镜A2的3处，再汇聚到第一碟片晶体A1与第一凸透镜A2的交点；由于且第一碟片晶体A1的法向量平分第一凸透镜A2与第四凸透镜B13光轴之间的夹角，种子光经第一碟片晶体A1反射放大后到达第四凸透镜B13的4处，准直后到达第三凸透镜B10的5处；聚焦到第二平面反射镜B9中心处，第二平面反射镜B9的光轴与第三凸透镜B10的光轴重合，根据光线反射原理，反射光入射到第三凸透镜B10的6处；同样的，第三凸透镜10上5处和6处光斑沿水平方向的距离为ΔY₂，且满足ΔY₂＝2ΔY₁，沿竖直方向的距离为ΔX₂，且满足ΔX₂≈2h。最后依次循环往复，最终从种子光出射全反镜A6输出放大后的种子光。

在本实施例中，种子光的传输过程具体为：A5→1(A8)→A7→2(A8)→3(A2)→A1→4(B13)→5(B10)→B9→6(B10)→7(B13)→A1→8(A2)→9(A8)→A7→10(A8)→11(A2)→A1→12(B13)→13(B10)→B9→14(B10)→15(B13)→A1→16(A2)→17(A8)→A7→18(A8)→19(A2)→A1→20(B13)→21(B10)→B9→22(B10)→23(B13)→A1→24(A2)→A6。可以看出，该过程共经过了第一碟片晶体A1 6次，实现了12次的放大。

实施例2

图4为实施例2的碟片激光放大器结构示意图，与实施例1的区别在于：第一凸透镜A2和第二凸透镜A8之间，还设置有呈π/2的夹角相对设置的第一直角反射镜A3和第二直角反射镜A4，两者皆与第一凸透镜A2相对放置，且与水平面Ω的夹角为π/4；其共同作用在于，将从第一凸透镜A2的42处的出射光，从43处反射回第一凸透镜A2。第三凸透镜B10与第四凸透镜B13之间，还设置有相同大小的第一直角棱镜B11和第二直角棱镜B12，第一直角棱镜B11和第二直角棱镜B12与第三凸透镜B10相对放置，第一直角棱镜B11的入射方向与图3中22处(B10)的出射方向相对，而第一直角棱镜B11的出射方向则与入射方向相比，高度降低了约D/6，第二直角棱镜B12与第一直角棱镜B11沿水平面方向对称。而由于本实施例放大后的种子光最终由第二凸透镜A8出射，种子光出射全反镜A6也与第二凸透镜A8呈π/4的角度相对放置，如图5所示。

在本实施例中，种子光的传输过程如图6所示，具体过程为：A5→1(A8)→A7→2(A8)→3(A2)→A1→4(B13)→5(B10)→B9→6(B10)→7(B13)→A1→8(A2)→9(A8)→A7→10(A8)→11(A2)→A1→12(B13)→13(B10)→B9→14(B10)→15(B13)→A1→16(A2)→17(A8)→A7→18(A8)→19(A2)→A1→20(B13)→21(B10)→B9→22(B10)→B11→23(B10)→B9→24(B10)→25(B13)→A1→26(A2)→27(A8)→A7→28(A8)→29(A2)→A1→30(B13)→31(B10)→B9→32(B10)→33(B13)→A1→34(A2)→35(A8)→A7→36(A8)→37(A2)→A1→38(B13)→39(B10)→B9→40(B10)→41(B13)→A1→42(A2)→A3→A4→43(A2)→A1→44(B13)→45(B10)→B9→46(B10)→47(B13)→A1→48(A2)→49(A8)→A7→50(A8)→51(A2)→A1→52(B13)→53(B10)→B9→54(B10)→55(B13)→A1→56(A2)→57(A8)→A7→58(A8)→59(A2)→A1→60(B13)→61(B10)→B9→62(B10)→B12→63(B10)→B9→64(B10)→65(B13)→A1→66(A2)→67(A8)→A7→68(A8)→69(A2)→A1→70(B13)→71(B10)→B9→72(B10)→73(B13)→A1→74(A2)→75(A8)→A7→76(A8)→77(A2)→A1→78(B13)→79(B10)→B9→80(B10)→81(B13)→A1→82(A2)→83(A8)→A7→84(A8)→A6。可以看出，该过程共经过了第一碟片晶体A120次，实现了40次的放大。

实施例3

图7为实施例3的碟片激光放大器结构示意图，与实施例2的区别在于：还包括第五凸透镜C14，第六凸透镜C15以及第二碟片晶体C16；而第五凸透镜C14以及第六凸透镜C15，与第二碟片晶体C16，第一直角棱镜B11，第二直角棱镜B12，第二平面反射镜B9的相对位置；与实施例2中的第四凸透镜B13，第三凸透镜B10，第一碟片晶体A1，第一直角棱镜B11，第二直角棱镜B12，第二平面反射镜B9的相对位置基本相同，而第一直角棱镜B11和第二直角棱镜B12与第五凸透镜C14相对放置。第三凸透镜B10与第五凸透镜C14光轴之间的夹角约为θ₀≈π/3，第二碟片晶体C16与第五凸透镜C14的光轴的交点位于第三凸透镜B10与第五凸透镜C14的共同焦点处，且第二碟片晶体C16的法向量平分第三凸透镜B10与第五凸透镜C14的光轴之间的夹角。

如图8所示，经过准止后的种子光(光束直径约为D/15)从种子光入射处A5入射到放大系统中，经平面反射镜反射到第二凸透镜A8的1处，然后聚焦到第一平面反射镜A7中心处，由于倾角θ₁的引入，使得反射后的光到达第二凸透镜A8的2处，光束经过准直之后入射到第一凸透镜A2的3处，再汇聚到第一碟片晶体A1的中心，反射后到达第四凸透镜B13的4处，准直后到达第三凸透镜B10的5处，聚焦到第二碟片晶体C16的中心，根据光线反射原理，传播到第五凸透镜C14的6处，准直到第六凸透镜C15的7处，经第六凸透镜C15的聚焦，汇聚到第二平面反射镜B9的中心，再根据光线反射原理，光线反射到第六凸透镜C15的8处，依次循环往复。

当种子光经过第一碟片晶体A1传输到第一凸透镜A2的58处，种子光通过第一凸透镜A2和第二凸透镜A8之间的第一直角反射镜A3和第二直角反射镜A4平行反射回到第一凸透镜A2的59处，然后聚焦到第一碟片晶体A1的中心，再进行传播。当种子光从第三凸透镜B10的29处聚焦到第二碟片晶体C16的中心，反射后到达第五凸透镜C14的30处，经准直后通过第五凸透镜C14和第六凸透镜C15之间的第二直角棱镜B11平行反射到第五凸透镜C14的31处，同理，种子光传播到第五凸透镜C14的86处后，会经过第一直角棱镜B12反射到第五凸透镜C14的87处。

图9为本实施例种子光传播路径示意图，可知，实施例3的种子光的传播路径跟实施例2类似，但由于每一次循环经过了第一碟片晶体A1以及第二碟片晶体C16，放大次数为实施例2的2倍，即80次。

实施例4

图10为实施例4的碟片激光放大器结构示意图，所有装置的结构与实施例1相同，区别在于，第一凸透镜A2与第二凸透镜A8光轴在垂直方向的偏移量为d₁≈D/15，如图11所示，而第一平面反射镜A7与第二凸透镜A平行。

入射后的种子光在第二凸透镜A8的入射点1到第二凸透镜A8中心的高度为h≈D/12。由于偏移量d₁的引入，使得第二凸透镜A8上的光斑1和光斑2沿水平方向的偏移量为ΔY₁＝2d₁，第三凸透镜B10上5处和6处光斑沿水平方向的距离为ΔY₂，且满足ΔY₂＝2ΔY₁，沿竖直方向的距离为ΔX₂，且满足ΔX₂≈2h。

该实施例的种子光传播路径和放大次数与实施例1基本相同，如图12所示。

实施例5

图13为实施例5的碟片激光放大器结构示意图，与实施例4的区别在于：第一凸透镜A2和第二凸透镜A8之间，还设置有第一直角反射镜A3和第二直角反射镜A4，皆与第一凸透镜A2呈π/4的角度相对放置，其作用在于，将从第一凸透镜A2的42处的出射光，从43处反射回第一凸透镜A2。第三凸透镜B10与第四凸透镜B13之间，还设置有相同的第一直角棱镜B11和第二直角棱镜B12，第一直角棱镜B11和第二直角棱镜B12与第三凸透镜B10相对放置，第一直角棱镜B11的入射方向与图3中22处(B10)的出射方向相对，而第一直角棱镜B11的出射方向则与入射方向相比，高度降低了约D/6，第二直角棱镜B12与第一直角棱镜B11沿水平方向对称。

根据图14所示，种子光在第二凸透镜A8的入射点1到该凸透镜中心的高度为h(h≈D/12)。由于偏移量d₁的引入，使得第二凸透镜A8上的光斑1和光斑2沿水平方向的偏移量为ΔY₁，ΔY₁＝2·d₁，第二凸透镜上23处和24光斑沿X轴距离为H(H≈D/2)。第三凸透镜B10上5处和6处光斑沿水平方向的距离为ΔY₂，且满足ΔY₂＝2·ΔY₁，沿竖直方向的距离为ΔX₂，且满足ΔX₂＝2·h，第三凸透镜B10上22处和23处光斑沿竖直方向的距离为l(l≈D/6)，l的大小由第二直角棱镜11的参数决定。

该实施例的种子光传播路径和放大次数与实施例2基本相同，如图15所示。

实施例6

图16为实施例6的碟片激光放大器结构示意图，所有装置的结构与实施例3相同，区别在于，第一凸透镜A2与第二凸透镜A8光轴在垂直方向的偏移量为d₁(d₁≈D/15)，如图17所示，而第一平面反射镜A7与第二凸透镜A平行。

该碟片激光放大器的传播路径和放大次数与实施例3基本相同，如图18所示。

实施例7

图19为本发明实施例7的激光放大器，其与实施例2的结构类似，区别在于，第一平面反射镜A7与第二凸透镜A8的光轴的夹角θ₁约为θ₁≈arctan(D/16f)；第一凸透镜A2与第二凸透镜A8在水平方向上的光轴的偏移量为d₁(d₁≈D/16)，如图20所示。第一凸透镜A2、第二凸透镜A8、第三凸透镜B10、第四凸透镜B13，其上种子光光斑传输及分布情况如图21所示。

根据图21所示，种子光在第二凸透镜A8的入射点1到该凸透镜中心的高度为h(h≈D/12)。由于偏移量d₁、θ₁的引入，使得第二凸透镜A8上的光斑1和光斑2沿水平方向的偏移量为ΔY₁，ΔY₁＝d₁+fθ₁，第二凸透镜上23处和24光斑沿X轴距离为H(H≈D/2)。第三凸透镜B10上5处和6处光斑沿水平方向的距离为ΔY₂，且满足ΔY₂＝2·ΔY₁，沿竖直方向的距离为ΔX₂，且满足ΔX₂＝2·h，第三凸透镜B10上22处和23处光斑沿竖直方向的距离为l(l≈D/6)，l的大小由第二直角棱镜11的参数决定。

该激光放大器中种子光的传播路径和放大次数与实施例2相同，如图21所示。

实施例8

图22为实施例8的碟片激光放大器结构示意图，所有装置的结构与实施例4基本相同，区别在于，在第一凸透镜A2和第二凸透镜A8之间，设置有第三平面反射镜以及第四平面反射镜，其分别与第一凸透镜A2和第二凸透镜呈π/4相对放置；其中，第四平面反射镜的入射端依次设置有薄膜偏振片A9以及λ/2波片A12，从种子光入射端A5发出的种子光经λ/2波片A12后转换为偏振方向为的线偏振光，通过调整薄膜偏振片与λ/2波片A12的距离，使得该线偏振光能够透过薄膜偏振片A9，然后经第四平面反射镜进入放大器进行种子光放大；

种子光经放大器放大12次后，传播至第三平面反射镜处，第三平面反射镜的出射处依次设置λ/4波片以及种子光输出端全反镜A10，使种子光经过12次放大之后依次经过λ/4波片A11、种子光输出端全反镜A10、λ/4波片A11，从而使放大后的种子光的偏振方向为并沿原路返回，又经过12次放大之后，到达薄膜偏振片A9，由于此时种子光的偏振方向为与入射时的编偏振光的偏振方向互相垂直，种子光无法透过薄膜偏振片只能反射，从而导致种子光从种子光出射处A6输出激光。

种子光放大过程中凸透镜上光斑传输情况与实施例4的情况类似，如图12所示，区别在于，本实例能够实现种子光能按原路返回，并从种子光输入端输出激光。在本实施例中，种子光的传输过程具体为：A5→A12→A9→1(A8)→A7→2(A8)→3(A2)→A1→4(B13)→5(B10)→B9……→B9→22(B10)→23(B13)→A1→24(A2)→A11→A10→A11→24(A2)→A1→23(B13)→22(B10)→B9……→2(A8)→A7→1(A8)→A9→A6。可以看出，该过程共经过了第一碟片晶体A112次，实现了24次的放大。

实施例9

实施例9的装置的结构与实施例1的区别在于，第三凸透镜B10的光轴的高度高于第四凸透镜A8的光轴约D/15；因此，输入该放大装置的种子光首先经过第一平面反射镜A7，从而在水平方向产生偏移，然后经过第三凸透镜B10以及第二平面反射镜，再传播回第四凸透镜A8时，又进一步在垂直方向上产生偏移，从而使凸透镜上的光斑分散，该实施例的放大次数与实施例1相同，都为12次。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种碟片固体激光放大器，其特征在于，包括凸透镜组单元，碟片晶体单元，第一反射单元以及第二反射单元；

所述第i凸透镜组用于将种子光从第i凸透镜组的第一焦点传播至第二焦点，或者从第二焦点传播至第一焦点；所述碟片晶体用于将种子光放大；所述第一反射单元用于将第1凸透镜组从第一焦点输出的种子光反射回所述第1凸透镜组，所述第二反射单元用于将第N凸透镜组从第二焦点输出的种子光反射回所述第N凸透镜组，使种子光反复在凸透镜组以及碟片晶体之间传播，而使碟片晶体放大种子光的次数加倍。

2.如权利要求1所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述第一反射单元以及第二反射单元为平面镜或碟片晶体。

3.如权利要求1所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述凸透镜组包括相互平行设置的第一凸透镜以及第二凸透镜，所述第一凸透镜的背离所述第二凸透镜的焦点作为所述凸透镜组的第一焦点，所述第二凸透镜的背离所述第一凸透镜的焦点作为所述凸透镜组的第二焦点，所述第一凸透镜的光轴作为所述凸透镜组的第一光轴，所述第二凸透镜的光轴作为所述凸透镜组的第二光轴，所述第一光轴与所述第二光轴平行或重合。

4.如权利要求3所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述第一反射单元与所述第1凸透镜组的第一光轴的夹角小于π/2；所述第一反射单元还用于使第1凸透镜组从第一焦点输出的种子光与向第一焦点输入的种子光发生偏移，从而使得在凸透镜表面的种子光的光斑分散。

5.如权利要求3所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，作为进一步优选地，所述第j凸透镜组的第一光轴与第二光轴平行；所述第j凸透镜组还用于使输入第j凸透镜组的种子光与输出第j凸透镜组的种子光在水平方向或垂直方向发生偏移，从而使得在凸透镜表面的种子光的光斑分散，j为1～N的任意整数。

6.如权利要求3所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述碟片固体激光放大器还包括直角反射镜，所述直角反射镜设置于所述第N凸透镜组的第一凸透镜与第二凸透镜之间，且与第N凸透镜组的第二凸透镜相对放置；所述直角反射镜用于使种子光在水平方向或垂直方向发生偏移，从而增加所述碟片固体激光放大器的放大次数，分散种子光在凸透镜表面的光斑。

7.如权利要求1所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述碟片固体激光放大器还包括入射单元以及出射单元，所述入射单元用于将种子光引入碟片固体激光放大器，所述出射单元用于将放大后的种子光输出。

8.如权利要求1所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述碟片固体激光放大器还包括泵浦光发生单元，所述泵浦光发生单元包括第1泵浦光发生单元至第N－1泵浦光发生单元，第i泵浦光发生单元用于向第i碟片晶体发出泵浦光，使得传播至第i碟片晶体的种子光的能量放大。

9.如权利要求1所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述碟片晶体的前表面具有增透膜，所述碟片晶体的后表面具有反射膜。