CN107834353A - 一种基于碟片与板条结构的复合激光放大器 - Google Patents

一种基于碟片与板条结构的复合激光放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于碟片与板条结构的复合激光放大器，包括：入射单元、转向单元、板条状晶体、第一抛物镜、第一碟片晶体和出射单元；入射单元，用于将入射的种子光反射为平行光线；转向单元，用于将入射单元反射的平行光线进行180°转向；板条状晶体，用于将转向后的平行光线进行放大；第一抛物镜，用于将经板条状晶体放大后的平行光线聚焦入射至第一碟片晶体；第一碟片晶体，用于将经第一抛物镜聚焦入射的光线放大反射至第一抛物镜，经由第一抛物镜反射为平行光线；出射单元，用于将满足预设放大要求的种子光反射出复合激光放大器。可以解决现有碟片固体激光放大器输出的激光能量低、功率低以及光束质量较差的技术问题。

Description

一种基于碟片与板条结构的复合激光放大器
技术领域
本发明属于激光技术领域，更具体地，涉及一种基于碟片与板条结构的复合激光放大器。
背景技术
碟片固体激光放大器是一种高端的固体激光放大器，它与传统的激光放大器的本质区别在于激光工作物质的形状，碟片固体激光放大器没有采用传统的棒状晶体而是选择使用厚度很薄，约为0.2mm～0.4mm，直径约为5mm～30mm的碟片晶体。放大器工作过程中会产生大量的热，过量的废热会导致放大器的晶体增益介质出现热致双折射现象，使得激光出现热畸变，并且在激光多次经过放大器后进一步恶化，最终使得输出激光能量降低、功率下降、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，本发明提供了一种基于碟片与板条结构的复合激光放大器，由此解决现有碟片固体激光放大器输出的激光能量低、功率低以及光束质量较差的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于碟片与板条结构的复合激光放大器，包括：入射单元、转向单元、板条状晶体、第一抛物镜、第一碟片晶体和出射单元，所述板条状晶体位于所述第一抛物镜与所述转向单元之间；
所述入射单元，用于将入射的种子光反射为平行光线；
所述转向单元，用于将所述入射单元反射的平行光线进行180°转向；
所述板条状晶体，用于将转向后的平行光线进行放大；
所述第一抛物镜，用于将经所述板条状晶体放大后的平行光线聚焦入射至所述第一碟片晶体；
所述第一碟片晶体，用于将经所述第一抛物镜聚焦入射的光线放大反射至所述第一抛物镜，经由所述第一抛物镜反射为平行光线后依次进入所述板条状晶体和所述转向单元；
所述出射单元，用于将满足预设放大要求的种子光反射出所述复合激光放大器。
优选地，所述第一碟片晶体的中心位于所述第一抛物镜的焦点处。
优选地，所述第一碟片晶体的轴线与光轴的夹角在范围内调整，其中，h1表示所述板条状晶体最低处的高度值，h2表示所述板条状晶体最高处的高度值，p表示所述抛物镜的焦点到准线的距离。
优选地，所述转向单元包括直角棱镜，或者由第二抛物镜加上位于所述第二抛物镜焦点处的第二碟片晶体构成。
优选地，所述第一抛物镜和所述第一碟片晶体分别与所述第二抛物镜和所述第二碟片晶体对称。
优选地，所述第一碟片晶体的轴线与光轴的夹角与所述第二碟片晶体的轴线与光轴的夹角不同，或者，所述第一抛物镜的位置与所述第二抛物镜的位置不同。
优选地，所述第二碟片晶体的轴线与光轴的夹角在范围内调整。
优选地，所述复合激光放大器还包括泵浦光发生单元；
所述泵浦光发生单元用于向所述第一碟片晶体、所述第二碟片晶体和所述板条状晶体发出泵浦光，以使传播至所述第一碟片晶体和所述第二碟片晶体的种子光的能量放大。
优选地，所述第一碟片晶体在泵浦光入射的一面镀有高透膜，另外一面镀有全反膜。
优选地，所述第二碟片晶体在泵浦光入射的一面镀有高透膜，另外一面镀有全反膜。
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)种子光的传播路径和设定的碟片晶体轴线与光轴的夹角α有关，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，放大次数最高可达90次以上；
(2)种子光的传播路径不受器件尺寸的严格限制，可以通过器件的位置或者角度的改变来调整，灵活性高。同时通过调整碟片晶体的轴线与光轴的夹角或者直角棱镜的位置，可以使得种子光入射在板条状晶体的激光分散，利用率获得提高的同时也可以一定程度上减轻板条状晶体的热畸变效应；
(3)仅需要一块抛物镜和直角棱镜配合碟片晶体和板条状晶体就可以将光线束缚在其中并且不断的经过增益介质晶体被放大，大大节省了实验器材和缩小了激光器的体积空间；
(4)通过将碟片晶体设置在抛物镜焦点处，可以保证在碟片晶体处的光的光斑尺寸在每次放大过程中相同，保证了种子光和泵浦光的最佳匹配，可以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为本发明的一种基于碟片与板条结构的复合激光放大器的结构示意图；
图2为种子光在系统内循环次数随碟片角度的变化情况；
图3为碟片晶体角度为66.03°时种子光子系统的循环次数随直角棱镜向上平移距离的变化情况；
图4为碟片晶体D1角度固定为66.03°，种子光子系统的循环次数随碟片晶体D2角度变化而变化情况；
图5为碟片D1、D2角度固定为66.03°，种子光子系统的循环次数随碟片D2和抛物镜面C2同步向下移动距离变化而变化情况；
图6为实施例1的种子光多程传输系统平面示意图；
图7为实施例1放大系统的空间示意图；
图8为实施例2的种子光多程传输系统平面示意图；
图9为实施例2放大系统的空间示意图；
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：
D、D1、D2代表碟片晶体，Ds代表板条状晶体，C、C1、C2代表抛物镜，M代表直角棱镜，I代表入射单元，O代表出射单元。
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。
本发明提供了一种基于碟片与板条结构的复合激光放大器，包括：入射单元、转向单元、板条状晶体、第一抛物镜、第一碟片晶体和出射单元，板条状晶体位于第一抛物镜与转向单元之间；入射单元，用于将入射的种子光反射为平行光线；转向单元，用于将入射单元反射的平行光线进行180°转向；板条状晶体，用于将转向后的平行光线进行放大；第一抛物镜，用于将经板条状晶体放大后的平行光线聚焦入射至第一碟片晶体；第一碟片晶体，用于将经第一抛物镜聚焦入射的光线放大反射至第一抛物镜，经由第一抛物镜反射为平行光线后依次进入板条状晶体和转向单元；出射单元，用于将满足预设放大要求的种子光反射出复合激光放大器。
在本发明实施例中，在光线经第一抛物镜反射为平行光线后依次进入板条状晶体和转向单元后，经由转向单元转向后再次进入板条状晶体，循环执行上述的光路过程，直至得到满足预设放大要求的种子光，其中，预设放大要求可以根据实际情况进行确定。
在一个可选的实施方式中，第一碟片晶体的中心位于第一抛物镜的焦点处。
在一个可选的实施方式中，第一碟片晶体的轴线与光轴的夹角在范围内调整，其中，h1表示板条状晶体最低处的高度值，h2表示板条状晶体最高处的高度值，p表示抛物镜的焦点到准线的距离。
在一个可选的实施方式中，转向单元包括直角棱镜，或者由第二抛物镜加上位于第二抛物镜焦点处的第二碟片晶体构成。
在一个可选的实施方式中，第一抛物镜和第一碟片晶体分别与第二抛物镜和第二碟片晶体对称。
在一个可选的实施方式中，第一碟片晶体的轴线与光轴的夹角与第二碟片晶体的轴线与光轴的夹角不同，或者，第一抛物镜的位置与第二抛物镜的位置不同。
在一个可选的实施方式中，第二碟片晶体的轴线与光轴的夹角在范围内调整。
在一个可选的实施方式中，复合激光放大器还包括泵浦光发生单元；
泵浦光发生单元用于向第一碟片晶体、第二碟片晶体和板条状晶体发出泵浦光，以使传播至第一碟片晶体和第二碟片晶体的种子光的能量放大。
在一个可选的实施方式中，第一碟片晶体在泵浦光入射的一面镀有高透膜，另外一面镀有全反膜。
在一个可选的实施方式中，第二碟片晶体在泵浦光入射的一面镀有高透膜，另外一面镀有全反膜。
以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种基于碟片与板条结构的复合激光放大器，包括入射单元、出射单元、碟片晶体、板条状晶体、转向单元和抛物镜。
为了便于理解，我们可以建立坐标系，以抛物镜O点为原点，过碟片晶体中心的直线为x轴，垂直x轴的直线为y轴，板条状晶体最低处和最高处的y值分别为h1和h2，抛物镜的抛物线方程式为y2＝2px，其焦点，即碟片晶体中心点的坐标为
入射单元I以及出射单元O各自独立的设置于透镜组和转向单元之间，入射单元用于将入射的种子光反射为平行于x轴方向传播的种子光，出射单元用于将平行于x轴传播的放大后的种子光反射出复合激光放大器。
抛物镜用于将从转向单元出射的光聚焦传播到焦点上，即碟片晶体，或者从碟片晶体反射的光扩束平行射入到板条状晶体和转向单元；碟片晶体和板条状晶体用于将种子光放大；转向单元用于将入射至其中的光平行出射，即方向旋转180°出射，配合抛物镜的聚焦和扩束以及碟片晶体的反射，使种子光反复在放大器内传播，从而使碟片晶体和板条状晶体放大种子光的次数加倍。
入射光经入射单元I平行入射至转向单元的光滑面，通过转向单元的180°转向作用，平行于x轴的光射入板条状晶体放大，出射光平行入射至抛物镜，经聚焦射入碟片晶体，经碟片晶体反射入射至抛物镜得到准直，平行于x轴出射，再经过板条状晶体放大和转向单元，180°转向后射入板条状晶体和抛物镜，然后第二次聚焦到碟片晶体，再重复上述过程直至第N次进入碟片晶体后出射，就经过了2N次的放大。
种子光通过入射单元I平行射入转向单元，经转向单元转向后光线所处位置的高度为h2-Δh2，对应的抛物镜的坐标为该点反射到抛物镜焦点，此时光线与x轴的夹角为碟片晶体的轴线与x轴的夹角在范围内，于是经碟片晶体反射后的光线对于x轴的倾角此时对应的抛物镜的坐标为于是存在等式：
在图1中的转向单元为直角棱镜时(可以参考图6)，如图2所示为种子光在系统内循环次数随碟片角度的变化情况，如图可以得到，存在角度使得种子光在系统内循环次数达到48次，即种子光获得了96次的放大。
在图1中的转向单元为直角棱镜时，如图3所示，碟片晶体角度为66.03°时种子光子系统的循环次数随直角棱镜向上平移距离的变化情况，可知当固定一个碟片晶体角度的时候，上下平移直角棱镜也会影响种子光在系统内的循环次数。
从图3中可以看出，原本只能循环6次的系统随着平移距离的变化出现了次数的线增大后减小。其实平移直角棱镜的目的与改变碟片角度的目的一致，都是为了使种子光在一次循环后的光线与最初的光线距离差值做到尽可能小。
进一步地，可以采用其他的组合形式来实现光放大：将图1中的转向单元替换为与图1中碟片晶体D1和抛物镜C1对称的碟片晶体D2和抛物镜C2，可以参考图8。该方案的原理与图1的原理类似，同时也增加了光放大次数。可以通过固定一侧碟片晶体的角度和抛物镜的位置，改变另一侧的碟片晶体角度或抛物镜位置来实现光放大。
如图4所示为碟片晶体D1角度固定为66.03°，种子光子系统的循环次数随碟片晶体D2角度变化而变化情况。
从图4可以看出，存在角度使得种子光在系统内循环次数达到33次，即种子光获得了66次的放大的情况，此时腔内循环一次经过碟片晶体的次数为4次，板条状晶体次数为2次。
若碟片D1，D2角度固定，抛物镜C1位置固定，上下同步移动抛物镜C2和碟片D2的位置也可以改变种子光在腔内的放大次数。一个最简单的模型便是两块碟片角度(指锐角)相同的情况下，上下同步移动抛物镜面C2与碟片D2的位置，如图5所示为碟片D1、D2角度固定为66.03°，种子光子系统的循环次数随碟片D2和抛物镜面C2同步向下移动距离变化而变化情况。
从图5可以看出，存在种子光在系统内循环次数高达60次，即种子光获得了120次的放大的情况，此时腔内循环一次经过碟片晶体的次数为4次，板条状晶体次数为2次。
实施例1
图6为实施例1的碟片激光放大器结构平面示意图，包括碟片晶体D，板条状晶体Ds，直角棱镜M，抛物镜面C和入射出射单元I、O；抛物镜的焦点位于碟片晶体的中心处；碟片晶体的正面具有增透膜，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的选取，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。板条状晶体则可采用侧面泵浦的方式对种子光进行放大。
图7为实施例1的碟片激光器结构空间示意图，经过准直的种子光通过入射单元，正入射直角棱镜M，经过直角棱镜的转向作用，经过板条状晶体Ds，放大后平行射入抛物镜面C，利用抛物镜面的聚焦作用射入碟片晶体D，再经D反射后回到抛物镜面，再次进入板条状晶体放大后入射至直角棱镜M，转向后即为一个循环……最终从板条状晶体Ds射入后经过出射单元反射到处激光器外。
我们可以把种子光的路径描述出来，从入射单元开始
I→M→Ds→C→D→C→Ds→M→Ds→C→D→C→Ds→M→Ds→O出射单元出射，统计得出一共经过碟片晶体2次，放大次数4次；经过板条状晶体4次，放大次数4次。根据相关模拟，我们知道理论上改变碟片角度和上下平移直角棱镜是可以改变循环次数的，最高可超过48次循环，也就是碟片晶体和板条状晶体分别放大96次。再图中由于考虑到光斑的大小，只是画出其中的示意图。
实施例2
图8为实施例2的碟片激光放大器的平面结构示意图。除了将直角棱镜换成抛物镜面加上碟片晶体之外，其余装置结构与实施例1相同。值得注意的是，虽然抛物镜面C1和碟片晶体D1与抛物镜面C2和碟片晶体D2镜面对称，但是碟片晶体的角度或者抛物镜面的上下位置必须有一项不同，否则种子光进入激光放大器后只能重复一条路线的轨迹，不能充分利用板条状晶体的同时也无法实现种子光的多次放大。
图9为实施例2的碟片激光放大器的结构空间示意图，我们可以得到种子光的具体传播路线为：
I→C2→D2→C2→Ds→C1→D1→C1→Ds→C2→D2→C2
→Ds→C1→D1→C1→Ds→C2→D2→C2→Ds→O
共经过碟片晶体5次，放大次数10次；经过板条状晶体5次，放大次数5次。
如果想要继续提高放大次数，可以调整碟片角度D2或者上下平移抛物镜面C2。这样可以最大化利用板条状晶体，光斑几乎可以打在板条状晶体的每个位置。
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 (10)

1.一种基于碟片与板条结构的复合激光放大器，其特征在于，包括：入射单元、转向单元、板条状晶体、第一抛物镜、第一碟片晶体和出射单元，所述板条状晶体位于所述第一抛物镜与所述转向单元之间；
所述入射单元，用于将入射的种子光反射为平行光线；
所述转向单元，用于将所述入射单元反射的平行光线进行180°转向；
所述板条状晶体，用于将转向后的平行光线进行放大；
所述第一抛物镜，用于将经所述板条状晶体放大后的平行光线聚焦入射至所述第一碟片晶体；
所述第一碟片晶体，用于将经所述第一抛物镜聚焦入射的光线放大反射至所述第一抛物镜，经由所述第一抛物镜反射为平行光线后依次进入所述板条状晶体和所述转向单元；
所述出射单元，用于将满足预设放大要求的种子光反射出所述复合激光放大器。
2.根据权利要求1所述的复合激光放大器，其特征在于，所述第一碟片晶体的中心位于所述第一抛物镜的焦点处。
3.根据权利要求1或2所述的复合激光放大器，其特征在于，所述第一碟片晶体的轴线与光轴的夹角在范围内调整，其中，h1表示所述板条状晶体最低处的高度值，h2表示所述板条状晶体最高处的高度值，p表示所述抛物镜的焦点到准线的距离。
4.根据权利要求3所述的复合激光放大器，其特征在于，所述转向单元包括直角棱镜，或者由第二抛物镜加上位于所述第二抛物镜焦点处的第二碟片晶体构成。
5.根据权利要求4所述的复合激光放大器，其特征在于，所述第一抛物镜和所述第一碟片晶体分别与所述第二抛物镜和所述第二碟片晶体对称。
6.根据权利要求5所述的复合激光放大器，其特征在于，所述第一碟片晶体的轴线与光轴的夹角与所述第二碟片晶体的轴线与光轴的夹角不同，或者，所述第一抛物镜的位置与所述第二抛物镜的位置不同。
7.根据权利要求4至6任意一项所述的复合激光放大器，其特征在于，所述第二碟片晶体的轴线与光轴的夹角在范围内调整。
8.根据权利要求7所述的复合激光放大器，其特征在于，所述复合激光放大器还包括泵浦光发生单元；
所述泵浦光发生单元用于向所述第一碟片晶体、所述第二碟片晶体和所述板条状晶体发出泵浦光，以使传播至所述第一碟片晶体和所述第二碟片晶体的种子光的能量放大。
9.根据权利要求8所述的复合激光放大器，其特征在于，所述第一碟片晶体在泵浦光入射的一面镀有高透膜，另外一面镀有全反膜。
10.根据权利要求8所述的复合激光放大器，其特征在于，所述第二碟片晶体在泵浦光入射的一面镀有高透膜，另外一面镀有全反膜。
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