CN110021872B - 单个增益介质的多程光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单个增益介质的多程光放大器，包括光导入镜、至少一组转折镜组、增益介质、反射镜和光转出镜，增益介质设置在转折镜组与反射镜之间，靠近转折镜组的一侧设有光导入镜和光转出镜，光导入镜将光束引入且依次通过增益介质的增益区域、反射镜及转折镜组的所有转折镜，光转出镜将放大后的光束转出，以实现光束在两个或更多不同的平面内多次通过增益介质的泵浦增益区域中心轴线继而被有效放大。本发明的有益效果是：光束在经过增益介质的多次放大经过中，保持和增益介质增益中心区域较适当有效的耦合，可以比较有效地和端面泵浦的增益区域重叠，使得通过的光束被有效地放大，并具有较好的光束转换效率和光斑质量特性。

Description

单个增益介质的多程光放大器

技术领域

本发明涉及高功率光放大领域，更具体地说涉及一种单个增益介质的多程光放大器。

背景技术

光放大器的主要作用是对光束进行能量放大的系统，主要功能是为了产生能达到应用所需要光束的功率或者脉冲能量，是一种被广泛应用的激光放大器件。

激光放大器技术主要分为再生放大器和线性多程放大器两种。再生放大器是利用一个共振腔体，通过激光光束脉冲的引入，对激光脉冲进行多次来回放大，在达到一定的峰值脉冲能量时，通过电子控制系统快速将所述放大的光脉冲导出，达到放大激光脉冲能量的目的，通过再生放大器进行放大激光脉冲所能够达到的最佳脉冲平均功率，一般来说在十瓦左右。线性多程放大器是通过安排激光束穿过增益介质单次或多次过程时对光束分别进行单次或多次放大，通过线性放大器进行放大的光束能够达到的平均功率，一般可以比再生放大器所能够达到的平均输出功率大，如百瓦、千瓦或万瓦级别。在固体或光纤大功率激光应用中，线性放大器在产生高功率光束的应用中比较广泛。固体激光放大器中，使用多程放大可以达到较高的输出功率。因此，线性多程激光放大器备受重视。

一般的单个多程放大器，比较多的是安排二程放大，明显多于二程放大的放大过程比较难在简单的放大器装置中得到实现。主要原因是二程以上的放大，很难将放大的光束多次引入到同一个增益介质的有效泵浦增益区域，如在端泵浦情况下保持较小的夹角而和泵浦区域有效重叠，达到较高的放大器效率。一种以板状为放大器介质侧面泵浦的增益介质，引导激光在板条内经过多次的来回搓开经过有效放大区域的激光放大器，大多数是单程或二程经过局部的有效泵浦区域，部分地解决了大功率放大器的需求。然而，多数板条放大装置所能够输出的激光束质量不会很好，或放大装置有总体效率不高的弊端。

Sterling Backus等人在美国专利US5,644,424中阐述了一种使用三个镜子就能够有效地对激光束进行多次的循环放大的方法。然而，这个专利所用的方法的增益介质是放置在曲面镜的焦点上，限制了光束在焦点的大小，从而对更高的输出光功率要求的放大效果来说，比较难以达到很高的转换效率，或由于多次经过增益介质而会因为在重叠区域的能量提取太多而引起光斑质量变差的弱点。有关先前其他发明的多程线性放大器，可以参考美国专利US3,365,671或者US4,156,852等。

因此，需要有更加大输出功率的线性多程放大，能达到应用所需的输出特性放大器的设计要求。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种单个增益介质的多程光放大器。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

一种单个增益介质的多程光放大器，其特征在于：包括光导入镜、至少一组转折镜组、增益介质、反射镜和光转出镜，所述增益介质设置在所述转折镜组与所述反射镜之间，靠近所述转折镜组的一侧设有所述光导入镜和所述光转出镜，所述光导入镜将光束引入且依次通过所述增益介质的增益区域、所述反射镜及所述转折镜组的所有转折镜，所述光转出镜将放大后的光束转出，以实现所述光束在两个或更多不同的平面内多次通过所述增益介质的增益区域继而被有效放大。

进一步，所述转折镜组至少由两个光学镜面组成，所述光学镜面呈角度相对安排。

进一步，所述增益介质通过端面或者侧面泵浦产生所述增益区域。

进一步，所述光束通过单个增益介质的次数大于两次。

进一步，所述光束在所述增益区域的中心轴线处上下左右部分或全部重叠分布。

进一步，每次经过所述转折镜组后相继放大的各组光束确定的面与其他组光束确定的面可以不在同一平面内。

进一步，每次经过所述转折镜组后相继放大的光束确定的面与其他组光束确定的面有交叉部分且所述交叉部分与所述增益区域重叠。

本发明的有益效果为：用一组或多组转折镜和单一放大增益介质部件，多于二次往返经过增益介质增益区域，达到光束之间左右上下的安排，使得光束在经过增益介质的多次放大经过中，保持和增益介质增益中心区域适当有效的耦合，可以比较有效地和端面泵浦的增益区域重叠，使得通过的光束被有效地放大，并具有较好的光转换效率和光斑质量特性。

附图说明

图1是实施例1的结构示意图；

图2是实施例2的结构示意图；

图中：

1为输入光束；2、3、4、5、6和7为经过增益介质的光束；100为光导入镜；

200为增益介质；300为反射镜；400和500及6070为转折镜组；

800为光转出镜；21为被光转出镜转出的光束；1000为曲面镜。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种单个增益介质的多程光放大器，包括光导入镜100、至少一组转折镜组400，500、增益介质200、反射镜300和光转出镜800，增益介质200设置在转折镜组400、500与反射镜300之间，靠近转折镜组400、500的一侧设有光导入镜100和光转出镜800，光导入镜100将输入光束1引入且依次通过增益介质200的增益区域、反射镜300及转折镜组400、500的所有转折镜400、500，光转出镜800将放大后的光束21转出，以实现光束1在两个或更多不同的平面内多次通过增益介质200的泵浦增益区域而被有效放大，为达到理想效果，光束1多次通过所述增益介质的泵浦增益区域时，分布在泵浦增益区域中心轴线处，即所需放大光束1相对于所述增益区域的中心轴线上下左右分布。

转折镜组至少由两个光学镜面400、500组成，其呈角度相对安排，光学镜面400、500可以为前后设置也可以为上下任意设置；

增益介质200通过端面或者侧面泵浦产生所述增益区域；光束1通过增益介质200的次数大于两次。

每次经过所述转折镜组后相继放大的各组光束4、5确定的面与其他组光束2、3确定的面可以不在同一平面内；另一种情况，每次经过所述转折镜组后相继放大的光束确定的面与其他组光束确定的面有交叉部分且所述交叉部分与所述增益区域重叠。

具体工作过程如下：光导入镜100引入输入光束1转向为光束2到增益介质200的增益区域，光束2被第一次放大后，通过反射镜300折返成为光束3，经过增益介质200被第二次放大，经过转折镜组400和500将光束3转折为光束4。转折镜组的转折镜400、500将光束4安排在不同于光束2和光束3所决定的一个平面里，使得光束4经过增益介质200被第三次放大后，经过反射镜300反射后成为光束5，通过增益介质200被第四次放大。光束2和3，与4和5并非在同一个入射平面内，以至于它们相互间在增益区域部分重叠和部分错开，有效地吸取泵浦区域的泵浦能量，并控制放大光束2、3、4和5的重叠区域的泵浦能量的适当吸取，保持和泵浦光束之间的适当重叠，从而达到放大光束有较高的效率和较好的光斑质量。

进一步解释放大的过程，如图1所示所需放大的光束1被光入转折镜100引进到放大器里，光束2通过放大增益介质200转向到反射镜300上，被反射镜300反射，被反射光束3并穿过增益介质200而被第二次放大，放大后的光束3入射到转折镜400后反射到镜面500，转折变成为光束4反射到增益介质200被第三次放大，经由反射镜300反射后，再次经过增益介质200被第四次放大，成为光束5，经过光出转向镜800，转向成为输出光束21离开放大器。

进一步，通过增加更加多的转折镜组或者转折镜，可以使得被前面所述的放大过程放大的光束进一步返回通过增益介质，被更加多次地放大。同样，为了更好地和增益介质的增益区域重叠，假设增加第五次、第六次放大，那么第五次、第六次放大的入射和出射光束可以和原先的光束在增益区域的空间里有部分重叠和错开，从而，达到较好的光能量提取和保持好的光斑质量控制。在本使用新型专利申请的原理上，可以衍生出多种情形的放大器，达到放大光束的好效率和好光斑质量，装置简单实用的目的。

本实施例的放大器设计中，可以在光线通过的路径上，向光线路径里插入光阑，对激光光束加以控制达到较好光束质量或抑制杂散光或寄生光的产生。

实施例2

如图2所示的为在实施例1的原理上，另一种增加多程放大光线回路的方式。

其包括放大器增益介质200，反射镜300，一个曲面镜1000被放置在离反射镜300约为其曲面镜1000的曲率半径的距离位置，一个输入光束1经过曲面镜1000转向成为光束2到增益介质200的增益区域，光束2被第一次放大后，通过反射镜300折返成为光束3，经过增益介质200被第二次放大，经过转折镜组400和500和曲面镜1000后将光束3转折为光束6，使得光束6经过增益介质200被第三次放大后，经过反射镜300反射后成为光束7，通过增益介质200被第四次放大。光束2和3，与6和7并非一定在同一个入射平面，光束7经过转折镜组6070和曲面镜1000后，成为光束10和11第五和第六次经过增益介质被放大。这种安排，使得光束2和3，与6和7，10和11相互之间在增益介质的主要区域部分重叠和部分错开，有效地吸取泵浦区域的泵浦能量，并控制放大光束在重叠区域对泵浦能量的适当吸取，保持和泵浦光束之间的适当重叠，从而达到放大光束有较高的效率和较好的光斑质量。

本实施例2的放大器设计中，可以在光线通过的路径上，向光线路径里插入光阑，对激光光束加以控制达到较好光束质量或抑制杂散光或寄生光的产生。

如实施例1、实施例2所示所需放大的光束，在经过第一和第二次放大后，由于在第三和第四次放大路径中，光束在经过第二次放大后，被转折到另外一个入射面里时，可能会引起光束电场强度振荡方向，或称之为偏振方向的改变。这种偏振方向的改变可以通过在光束路径的某个需要纠正偏振方向的位置，添加一种对偏振方向有影响的光相位调节器件进行纠正或预先设定。这种光相位调节器件可以是一个或者一组相应波长的波片或一组镜片组成的光学部件，这组部件可以被安排在放大器里面或放大器前面或后面。这个部件安排设置方式并未在图1、图2中标示出来，但是对本领域技术人员而言，是公知的常识，不涉及技术改进。

如实施例1、实施例2所示的方法，可以被使用更加多次，增加光放大次数，对光束能量进行进一步的提升。具有一般光学设计经验的人，可以将本发明的方法，延展到其他相似的安排，增加放大次数和倍数或增加放大功率。

以上对本发明的两个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (2)

1.一种单个增益介质的多程光放大器，其特征在于：包括光导入镜、至少一组转折镜组、增益介质、反射镜和光转出镜，所述增益介质设置在所述转折镜组与所述反射镜之间，靠近所述转折镜组的一侧设有所述光导入镜和所述光转出镜，所述光导入镜将光束引入且依次通过所述增益介质的增益区域、所述反射镜及所述转折镜组的所有转折镜，所述光转出镜将放大后的光束转出，以实现所述光束在两个或更多不同的平面内多次通过所述增益介质的增益区域继而被有效放大；所述光束通过单个增益介质的次数大于两次；所述光束在所述增益区域的中心轴线处上下左右部分或全部重叠分布；每次经过所述转折镜组后相继放大的各组光束确定的面与其他组光束确定的面不在同一平面内，所述增益介质通过端面或者侧面泵浦产生所述增益区域。

2.根据权利要求1所述的单个增益介质的多程光放大器，其特征在于：所述转折镜组至少由两个光学镜面组成，所述光学镜面呈角度相对安排。