CN107946890A - 一种基于Zig‑Zag板条的光阑结构 - Google Patents

一种基于Zig‑Zag板条的光阑结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Zig‑Zag板条的光阑结构，在Zig‑Zag板条的反射面上设有与激光光束入射方向平行的光阑一、光阑二和光阑三，所述的光阑二和光阑三以及光阑三和光阑一之间沿与激光光束垂直的方向依次设置有光阑四和光阑五；本发明利用Zig‑Zag板条激光器内的全反射“Z”形光路将光阑集成在Zig‑Zag板条的全反射面上，通过阻止需限制区域的全反射的方法限制光束孔径；利用Zig‑Zag板条的全反射特性和几何关系，精确限制光束边缘，无需在光路中进行在线调试和对准，无需占用激光谐振腔内的空间，并且可以有效抑制Zig‑Zag板条激光器的自发辐射效应，具有装调工艺简单，稳定性高，结构紧凑等优点，可广泛应用于各种类型的Zig‑Zag板条激光器。

Description

一种基于Zig-Zag板条的光阑结构
技术领域
本发明属于激光器领域，具体涉及一种用于Zig-Zag板条激光器的光阑结构。
背景技术
光阑是一种控制光束通过多少的设备，在激光器中，光阑有抑制高阶震荡模式、空间滤波和光束整形等多种用途。为了获得更高的光束质量，激光器中往往都会加入光阑对激光光束进行限制，滤除不需要的高阶模式，使光束发散角更小，光斑形状更规整。在激光器中，光阑一般会按照具体需求设计成各种形状的通光孔，让需要的光束部分通过，并遮挡不需要的光束部分。在光阑安装过程中，光阑孔所在平面一般与激光传播方向垂直，光阑中心一般需要与激光束的中心进行精确对准，因此，光阑的安装与调试存在一定的技术难度。
对于高能量或高功率板条激光器，光阑的失调往往会造成激光器性能的急剧下降，有时，光阑中心的偏移甚至会导致光阑边缘被强激光损坏，直至污染激光器中其他光学元件，造成激光器中多个光学元件损坏。
Zig-Zag板条激光器最早是在1972年由W. S. Martin等人提出，其特点是：激光光束进入增益板条时，激光光束并非垂直进入板条端面，而是存在一定入射角，入射后激光光束在板条的上下表面来回全反射向前传播，整个光路成“Z”形结构。在Zig-Zag板条激光器中，当激光光束从板条一个表面反射到另一个表面时，光束波前的所有部分都渡越了板条体内相同的温度梯度，使板条的热畸变效应在基质材料内可以得到充分补偿。Zig-Zag板条可以有效减小热效应对激光输出的负面影响，因此Zig-Zag板条被广泛应用于高功率固体激光器中。
在Zig-Zag板条激光器中，由于激光光束要在增益介质中震荡通过，激光光束在谐振腔中的位置与Zig-Zag板条的结构和空间位置紧密相关。并且，在某些Zig-Zag板条激光器中，进入板条的激光光束和出射板条的激光光束存在一定偏移，并且激光光束可能未填充整个板条端面。在Zig-Zag板条激光器中，由于Zig-Zag光路的复杂性，若要设计传统光阑对激光光束进行约束，在光阑的对准、调制、抗损伤、稳定性等方面都存在较大技术难度。
发明内容
为了解决Zig-Zag板条激光器中光阑装调技术难度大的问题，本发明设计了一种用于Zig-Zag板条激光器的全新光阑结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于Zig-Zag板条的光阑结构，所述的Zig-Zag板条为具有上下两个全反射面的平行四边形结构，所述的上反射面沿激光光束入射方向依次设置有光阑二、光阑三和光阑一，所述的光阑二和光阑三之间，以及光阑三和光阑一之间沿与激光光束垂直的方向均依次设置有光阑四和光阑五，所述的光阑四和光阑五分别位于反射面左右两端；其中，光阑一的尺寸为L 1×W、光阑二的尺寸为L 2×W、光阑三的尺寸为L 3×W、光阑四的尺寸为L 4×W 1、光阑五的尺寸为L 4×W 2，且满足如下关系式：
，
式中T为Zig-Zag板条的厚度，L为Zig-Zag板条上反射面的长度，α和β分别为激光光束的入射角、折射角，γ为激光光束在Zig-Zag板条上下反射面上的反射角，其满足如下关系式：
，
式中n为Zig-Zag板条的折射率，θ为Zig-Zag板条的切割角θ。
一种基于Zig-Zag板条的光阑结构，所述的Zig-Zag板条为具有上下两个全反射面的等腰梯形结构，所述的上反射面沿激光光束入射方向依次设置有光阑二、光阑三和光阑二，所述的下反射面前后端分别设置有一个光阑一，所述的光阑二和光阑三之间沿与激光光束垂直的方向均依次设置有光阑四和光阑五，所述的光阑四和光阑五分别位于反射面左右两端；其中光阑二的尺寸为L 2×W、光阑三的尺寸为L 3×W、光阑四的尺寸为L 4×W 1、光阑五的尺寸为L 4×W 2，Zig-Zag板条上反射面的长度为L，光阑二、光阑三、光阑四的尺寸满足关系式：，且满足如下关系式：
，
，
式中T为Zig-Zag板条（6）的厚度，L为Zig-Zag板条上反射面的长度，α和β分别为激光光束的入射角、折射角，γ为激光光束在Zig-Zag板条上下反射面上的反射角，其满足如下关系式：
，
式中n为Zig-Zag板条的折射率，θ为Zig-Zag板条的切割角θ。
所述的一种基于Zig-Zag板条的光阑结构，其Zig-Zag板条为Nd:YAG板条。
进一步，所述的光阑一、光阑二、光阑三、光阑四、光阑五为对1064nm激光具备强吸收的Cr4+:YAG薄片，即基质材料与Zig-Zag板条6相同，通过键合的方式固定在Zig-Zag板条上。
进一步，所述的光阑一、光阑二、光阑三、光阑四、光阑五为对1064nm激光具备强吸收的Si薄片，即基质材料与Zig-Zag板条6不相同，通过粘接的方式固定在Zig-Zag板条上。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本光阑结构利用Zig-Zag板条的全反射特性和几何关系，精确限制光束边缘，无需在光路中进行在线调试和对准，无需占用激光谐振腔内的空间，并且可以有效抑制Zig-Zag板条激光器的自发辐射效应，具有装调工艺简单，稳定性高，结构紧凑等优点，可广泛应用于各种类型的Zig-Zag板条激光器。
附图说明
图1 是本发明基本实施例的结构示意图；
图2 是本发明光阑沿激光谐振方向尺寸及安装位置示意图；
图3 是本发明光阑垂直激光谐振方向尺寸及安装位置示意图；
图4是本发明第一实施例的结构示意图；
图5是本发明第二实施例的结构示意图。
各附图标记为：1—光阑一，2—光阑二，3—光阑三，4—光阑四，5—光阑五，6—Zig-Zag板条，7—激光光束。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施过程作进一步说明。
作为基本实施例，本发明公开了一种基于Zig-Zag板条的光阑结构，如图1所示，由光阑一1、光阑二2、光阑三3、光阑四4、光阑五5组成，其中所述的上反射面沿激光光束7入射方向依次设置有光阑二2、光阑三3和光阑一1，所述的光阑一1和光阑二2分别位于反射面前后两端，下反射面沿激光光束7入射方向依次设置有光阑一1、光阑三3和光阑二2，光阑二2和光阑三3之间以及光阑三3和光阑一1之间沿与激光光束7垂直的方向均依次设置有光阑四4和光阑五5，所述的光阑四4和光阑五5分别位于反射面左右两端，光阑一1、光阑二2、光阑三3、光阑四4、光阑五5均为对谐振光具有强吸收特性的材料。
以常用的Nd:YAG板条为例，光阑一1、光阑二2、光阑三3、光阑四4、光阑五5可以是Cr4+:YAG或Si等对1064nm激光具备强吸收的材料。
光阑一1、光阑二2、光阑三3、光阑四4、光阑五5按照设计的尺寸和数量粘接或键合至Zig-Zag板条6上下两个全反射面的特定区域上，其中Zig-Zag板条6为平行四边形结构，这样激光光束7在被覆盖有光阑结构的区域会被吸收，无法产生全反射，因此，激光光束7无法在光阑一1、光阑二2、光阑三3、光阑四4、光阑五5的区域形成激光震荡，激光光束7被限制在未被光阑一1、光阑二2、光阑三3、光阑四4、光阑五5覆盖的区域内通光，光阑一1、光阑二2、光阑三3、光阑四4、光阑五5组成的结构起到了光阑作用。
所述光阑结构中，光阑一、光阑二、光阑三的尺寸、位置、及数量可通过激光光束7与Zig-Zag板条6的几何关系计算得到。参照文献“Zig-Zag激光板条的结构设计”（光学与光电技术，第10卷，第6期，2012年12月）中描述的计算方法可以得到光阑一、光阑二、光阑三、光阑四、光阑五与激光光束7的位置关系。如果激光光束7谐振方向与Zig-Zag板条6上下全反射面平行，Zig-Zag板条6的切割角θ、激光光束7的入射角α、激光光束7的折射角β、激光光束7在Zig-Zag板条6上下反射面上的反射角γ之间有如下关系（见图2）：
，
式中n为Zig-Zag板条6的折射率，Zig-Zag板条6的切割角θ和折射率n为已知参数，因此，激光光束7的入射角α、激光光束7的折射角β、激光光束7在Zig-Zag板条6上下反射面上的反射角γ均可通过上式算出。
若没有光阑限制，激光光束7在y方向上的宽度T 0与Zig-Zag板条6的厚度T一致。若加上光阑，激光光束7上边缘距Zig-Zag板条6上反射面的距离为T 2，激光光束7下边缘距Zig-Zag板条6下反射面的距离为T 1，光阑一在z方向上的长度为L 1，光阑二在z方向上的长度为L 2，光阑三在z方向上的长度为L 3，激光光束7在Zig-Zag板条6反射面上通光部分z方向上的长度为L 4，L 1、L 2、L 3、L 4与T、T 0、T 1、T 2之间的关系为（见图2）：
，
因此，激光光束7在y方向上的位置和尺寸可以通过上式确定。可以根据对激光光束7 y方向上限制的条件确定光阑一、光阑二、光阑三的具体位置和尺寸。
若没有光阑限制，激光光束7在x方向上的宽度W 0与Zig-Zag板条6的厚度W一致。若加上光阑，激光光束7左边缘距Zig-Zag板条6左侧的距离W 1即为光阑6的宽度，激光光束7又边缘距Zig-Zag板条6左侧的距离W 2即为光阑7的宽度。光阑6和光阑7粘接或键合至Zig-Zag板条6上下两个反射面的全反射通光区域内，长度与激光光束7在Zig-Zag板条6反射面上通光部分z方向上的长度为L 4相同（见图3）。
光阑材质最好使用与Zig-Zag板条相同的基质材料。例如，对于Nd:YAG板条可使用高浓度的Cr4+:YAG薄片作为光阑。Cr4+:YAG薄片可以直接键合到Nd:YAG板条表面，稳定性高，但加工难度较大。如果使用Si片作为光阑，则需通过粘接的方式与Nd:YAG板条全反面连接，此时需要注意：尽量选用大折射率粘接剂或不透明粘接剂，破坏粘接区域内Nd:YAG板条的全反射条件。
终上所述，通过将特定尺寸的激光吸收体粘接或键合至Zig-Zag板条6全反射面的特定区域可组成Zig-Zag板条激光器的光阑结构，可对激光光束进行有效限制。所述Zig-Zag板条激光器的光阑结构可利用成熟的高精度光学加工工艺直接集成于Zig-Zag板条之上，无需占用激光器内部宝贵的空间，具备稳定性高、精度高、损伤阈值高、无需装调、结构紧凑等诸多优点，可广泛应用于各种类型的Zig-Zag板条激光器。
实施例1：如图4所示，本实施例基于Zig-Zag板条的光阑结构，由光阑一1、光阑二2、光阑三3、光阑四4、光阑五5组成，其中Zig-Zag板条6为平行四边形结构，上反射面沿激光光束7入射方向依次键合有光阑二2、光阑三3和光阑一1，所述的光阑一1和光阑二2分别位于上反射面前后两端，所述的光阑二2和光阑三3之间，以及光阑三3和光阑一1之间沿与激光光束7垂直的方向均依次设置有光阑四4和光阑五5，所述的光阑四4和光阑五5分别位于上反射面左右两端。
光阑一的尺寸为L 1×W、光阑二的尺寸为L 2×W、光阑三的尺寸为L 3×W、光阑四的尺寸为L 4×W 1、光阑五的尺寸为L 4×W 2，其中W为Zig-Zag板条6的宽度，且L 1、L 2、L 3需满足关系式：
。
其中T为Zig-Zag板条6的厚度，L为Zig-Zag板条6上反射面的长度。L 1、L 2、L 3、L 4中如果确定了L 1和L 4的值即可确定L 2和L 3的值。L 1决定了激光束在y方向的位置，L 4决定了激光束在y方向上的宽度。
光斑两边缘距Zig-Zag板条6左右两边缘的距离分别为W 1和W 2，由于光阑的限制，光斑在x方向的宽度W 0为：。
光斑在y方向的宽度T 0为：
。
光斑在y方向上下边缘距Zig-Zag板条6上下边缘的距离分别为：
。
实施例2：如图5所示，本实施例基于Zig-Zag板条的光阑结构，Zig-Zag板条6的上反射面沿激光光束7入射方向依次键合有光阑二2、光阑三3和光阑二2，所述的两个光阑二2分别位于上反射面前后两端，所述的下反射面前后端分别设置有一个光阑一1，所述的光阑二2和光阑三3之间沿与激光光束7垂直的方向均依次设置有光阑四4和光阑五5，所述的光阑四4和光阑五5分别位于上反射面左右两端，Zig-Zag板条6为梯形结构。
光阑二的尺寸为L 2×W、光阑三的尺寸为L 3×W、光阑四的尺寸为L 4×W 1、光阑五的尺寸为L 4×W 2，其中W为Zig-Zag板条6的宽度，且L 2、L 3需满足关系式：
，
其中L为Zig-Zag板条6上反射面的长度。L 2、L 3、L 4中如果确定了L 2和L 4的值即可确定L 3的值。L 2决定了激光束在y方向的位置，L 4决定了激光束在y方向上的宽度。
光斑两边缘距Zig-Zag板条6左右两边缘的距离分别为W 1和W 2，由于光阑的限制，光斑在x方向的宽度W 0为：。
光斑在y方向的宽度T 0为：
。
光斑在y方向上下边缘距Zig-Zag板条6上下边缘的距离分别为：
。
本发明利用Zig-Zag板条激光器内的全反射“Z”形光路将光阑集成在Zig-Zag板条的全反射面上，通过阻止需限制区域的全反射的方法限制光束孔径。
利用Zig-Zag板条的全反射特性和几何关系，精确限制光束边缘，无需在光路中进行在线调试和对准，无需占用激光谐振腔内的空间，并且可以有效抑制Zig-Zag板条激光器的自发辐射效应，具有装调工艺简单，稳定性高，结构紧凑等优点，可广泛应用于各种类型的Zig-Zag板条激光器。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于Zig-Zag板条的光阑结构，其特征在于：所述的Zig-Zag板条（6）为具有上下两个全反射面的平行四边形结构，所述的上反射面沿激光光束（7）入射方向依次设置有光阑二（2）、光阑三（3）和光阑一（1），所述的光阑二（2）和光阑三（3）之间，以及光阑三（3）和光阑一（1）之间沿与激光光束（7）垂直的方向均依次设置有光阑四（4）和光阑五（5），所述的光阑四（4）和光阑五（5）分别位于反射面左右两端；
其中，光阑一（1）的尺寸为L 1×W、光阑二（2）的尺寸为L 2×W、光阑三（3）的尺寸为L 3×W、光阑四（4）的尺寸为L 4×W 1、光阑五（5）的尺寸为L 4×W 2，且满足如下关系式：
，
式中T为Zig-Zag板条（6）的厚度，L为Zig-Zag板条（6）上反射面的长度，α和β分别为激光光束（7）的入射角、折射角，γ为激光光束（7）在Zig-Zag板条（6）上下反射面上的反射角，其满足如下关系式：
，
式中n为Zig-Zag板条（6）的折射率，θ为Zig-Zag板条（6）的切割角θ。
2.一种基于Zig-Zag板条的光阑结构，其特征在于，所述的Zig-Zag板条（6）为具有上下两个全反射面的等腰梯形结构，所述的上反射面沿激光光束（7）入射方向依次设置有光阑二（2）、光阑三（3）和光阑二（2），所述的下反射面前后端分别设置有一个光阑一（1），所述的光阑二（2）和光阑三（3）之间沿与激光光束（7）垂直的方向均依次设置有光阑四（4）和光阑五（5），所述的光阑四（4）和光阑五（5）分别位于反射面左右两端；
其中光阑二（2）的尺寸为L 2×W、光阑三（3）的尺寸为L 3×W、光阑四（4）的尺寸为L 4×W 1、光阑五（5）的尺寸为L 4×W 2，Zig-Zag板条（6）上反射面的长度为L，光阑二（2）、光阑三（3）、光阑四（4）的尺寸满足关系式：，且满足如下关系式：
，
，
式中T为Zig-Zag板条（6）的厚度，L为Zig-Zag板条（6）上反射面的长度，α和β分别为激光光束（7）的入射角、折射角，γ为激光光束（7）在Zig-Zag板条（6）上下反射面上的反射角，其满足如下关系式：
，
式中n为Zig-Zag板条（6）的折射率，θ为Zig-Zag板条（6）的切割角θ。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于Zig-Zag板条的光阑结构，其特征在于，所述的Zig-Zag板条（6）为Nd:YAG板条。
4.根据权利要求3所述的一种基于Zig-Zag板条的光阑结构，其特征在于，所述的光阑一（1）、光阑二（2）、光阑三（3）、光阑四（4）、光阑五（5）为对1064nm激光具备强吸收的Cr4+:YAG薄片，通过键合的方式固定在Zig-Zag板条（6）上。
5.根据权利要求3所述的一种基于Zig-Zag板条的光阑结构，其特征在于，所述的光阑一（1）、光阑二（2）、光阑三（3）、光阑四（4）、光阑五（5）的为对1064nm激光具备强吸收的Si薄片，通过粘接的方式固定在Zig-Zag板条（6）上。
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CN112103760A (zh) * 2020-11-09 2020-12-18 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种控制放大的自发辐射和抑制寄生振荡装置及方法
CN112103760B (zh) * 2020-11-09 2021-04-20 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种控制放大的自发辐射和抑制寄生振荡装置及方法

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