CN113036583B - 一种锥棒激光放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种锥棒激光放大器，属于固体激光器领域，包括泵浦源，和依次同轴设置的种子源、发散透镜、锥棒增益介质及准直透镜，锥棒增益介质的入射端面和出射端面为同轴且球心均位于发散透镜的焦点处的球面圆锥的球冠，满足：
Figure 933547DEST_PATH_IMAGE001
；本发明还提出了由多级锥棒增益介质组成的轮廓呈球面圆锥状的锥棒增益介质组，及锥棒增益介质本身兼具发散透镜的功能的改进的锥棒激光放大器，使得种子光能最大效率提取锥棒增益介质内反转粒子数的储能，使锥棒激光放大器工作在接近饱和的状态；本发明提出的锥棒激光放大器体积小、结构简单。

Description

一种锥棒激光放大器
技术领域
本发明属于固体激光器领域，具体涉及一种激光放大器。
背景技术
固体激光放大器是获得高功率、高光束质量激光输出的有效途径，目前固体激光器中采用的激光增益介质形状为板条或棒状，其中棒状增益介质有着价格低廉、结构简单以及可实现高功率激光输出的优点而被广泛的使用在工业、科研等领域。
为了从棒状增益介质中提取更多的能量，放大器常使用双程或多程结构，导致激光放大器的结构复杂、体积较大、调试困难。提高光-光转换效率能增加单次从增益介质中获得的增益，一定程度上可以避免使用双程或多程结构，对小型的激光器而言，或者当需要缩小激光器体积时，寻找一种结构简单并且能获得更高光-光转换效率的放大器是很必要的。并且传统圆棒增益介质无法使光功率密度和反转粒子数能量在全部区域中匹配，当光功率密度不足以完全提取反转粒子数储能时，反转粒子数储能向激光能量的转换效率降低；当反转粒子数储能不足够为光提供足够的能量时，激光获得的增益不足。
发明内容
本发明提出了一种锥棒激光放大器，以解决无法完全利用现有圆棒增益介质储能或储能无法提供足够增益的问题，尤其适用于无需冷却、高脉冲能量、低重频输出的小型激光器。
本发明具体技术方案如下：
一种锥棒激光放大器，包括泵浦源，和依次同轴设置的种子源、发散透镜及准直透 镜；其特征在于，所述锥棒激光放大器还包括同轴设置于发散透镜和准直透镜之间的锥棒 增益介质，所述锥棒增益介质的入射端面和出射端面为同轴且球心均位于发散透镜的焦点 处的球面圆锥的球冠，满足：
Figure 385617DEST_PATH_IMAGE001
；其中，
Figure 521063DEST_PATH_IMAGE002
分别为入 射端面和出射端面的底的半径，
Figure 865457DEST_PATH_IMAGE003
分别为入射端面和出射端面对应球面圆锥的半径，
Figure 629013DEST_PATH_IMAGE004
分别为入射端面和出射端面的高，
Figure 556254DEST_PATH_IMAGE005
为种子源发出的种子光通过发散透镜后的扩散 角。
进一步地，所述锥棒增益介质替换为由多级锥棒增益介质组成的锥棒增益介质 组，锥棒增益介质组整体轮廓呈球面圆锥状；各级锥棒增益介质的入射端面和出射端面为 同轴且球心均位于发散透镜的焦点处的球面圆锥的球冠，满足：
Figure 38051DEST_PATH_IMAGE001
；其中，
Figure 186136DEST_PATH_IMAGE002
分别为入射端面和出射端面的底的半 径，
Figure 804199DEST_PATH_IMAGE003
分别为入射端面和出射端面对应球面圆锥的半径，
Figure 153272DEST_PATH_IMAGE004
分别为入射端面和出 射端面的高，
Figure 856786DEST_PATH_IMAGE005
为种子源发出的种子光通过发散透镜后的扩散角。
进一步地，种子源发出的种子光通过发散透镜后的扩散角
Figure 542982DEST_PATH_IMAGE006
，其中，
Figure 422076DEST_PATH_IMAGE007
为种子源发出的种子光的光斑尺寸，
Figure 535526DEST_PATH_IMAGE008
为发散柱透镜的焦距。
进一步地，所述锥棒增益介质的基质材料包括晶体、玻璃或陶瓷，掺杂离子包括稀土离子和过渡金属离子。
进一步地，所述种子源发出的种子光平行于轴线入射。
进一步地，所述扩散角的角度范围为0.5~15°。
进一步地，所述扩散角的角度优选为5°。
进一步地，所述泵浦源位于锥棒增益介质的侧面或出射端面，对锥棒增益介质进行泵浦。
进一步地，所述锥棒激光放大器还包括用于冷却锥棒增益介质的热沉；当泵浦源位于锥棒增益介质的出射端面时，热沉位于锥棒增益介质的侧面；当泵浦源位于锥棒增益介质的部分侧面时，热沉位于锥棒增益介质的剩余侧面。
本发明还提出了一种锥棒激光放大器，包括泵浦源和种子源；其特征在于，所述锥 棒激光放大器还包括与种子源同轴设置的锥棒增益介质，所述锥棒增益介质的入射端面和 出射端面分别为同轴的球面圆锥A和球面圆锥B的球冠，侧面为圆台侧面；种子源发出的种 子光经锥棒增益介质的入射端面折射后的发散角为
Figure 726336DEST_PATH_IMAGE009
，其中，
Figure 357168DEST_PATH_IMAGE010
为球面圆锥A的曲率半径，
Figure 949824DEST_PATH_IMAGE007
为种子源发 出的种子光的光斑尺寸，
Figure 499754DEST_PATH_IMAGE011
为锥棒增益介质的折射率；所述球面圆锥A和球面圆锥B的球心均 位于入射端面靠近种子源一侧的种子源发出的种子光的光轴上，入射端面的底的直径大于 等于种子光的光斑尺寸，出射端面的底的直径满足：
Figure 53226DEST_PATH_IMAGE012
，其中，
Figure 81225DEST_PATH_IMAGE013
为球面圆锥B的曲率半 径，d为出射端面的底的直径，L为球面圆锥A的球心和球面圆锥B的球心的距离。
进一步地，经出射端面出射的光发散、汇聚或准直为平行光。
进一步地，所述各级锥棒增益介质的基质材料包括晶体、玻璃或陶瓷，掺杂离子包括稀土离子和过渡金属离子。
进一步地，所述种子源发出的种子光平行于轴线入射。
本发明的有益效果为：
1.本发明提出了一种锥棒激光放大器，通过设置发散透镜和特定结构的的增益介质，使得种子光被发散后，在被泵浦的锥棒增益介质的整个种子光通过的区域（即增益区域）内，光功率密度能保持稳定，并且完全消耗反转粒子数，提高增益介质储能转变为输出激光能量的提取效率，使锥棒激光放大器整体工作在接近饱和状态；
2.通过发散种子光降低光功率密度，避免种子光在增益介质中被放大后，光功率密度达到增益介质的损伤阈值，造成对增益介质的损伤；
本发明所得锥棒激光放大器体积小、结构简单；优选地，在改进的锥棒激光放大器中，锥棒增益介质本身兼具发散透镜的功能，进一步减少元件、简化结构。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的锥棒激光放大器的结构示意图；
图2为本发明实施例2提出的多级的锥棒激光放大器的结构示意图；
图3为本发明实施例3提出的改进的锥棒激光放大器的结构示意图；
附图标记：
1.种子源；2.锥棒增益介质；2’.锥棒增益介质组；3.发散透镜；4.准直透镜；5.泵浦源；6.热沉；7.双色镜。
具体实施例
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本方明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例提供了一种锥棒激光放大器，包含泵浦源5，和依次同轴设置的种子源1、发散透镜3、锥棒增益介质2及准直透镜4，种子源1和泵浦源5分别发出种子光和泵浦光，结构如图1所示。
所述发散透镜3将3mm*3mm（或
Figure 793966DEST_PATH_IMAGE014
3mm）的平行入射的种子光发散，扩散角为5°。
所述锥棒增益介质2使用Nd：YAG晶体，Nd3+掺杂浓度为0.8%，长度为85 mm；锥棒增益介质2的入射端面为球面圆锥A的球冠，球面圆锥A的球半径为45 mm，球心与发散透镜的焦点重合，入射端面的底的半径为4 mm，高为0.18 mm；出射端面为球面圆锥B的球冠，球面圆锥B的球半径为130 mm，球心与发散透镜的焦点重合，入射端面的底的半径为6.97 mm，高为0.19 mm；球面圆锥A和球面圆锥B同轴且同球心。所述锥棒增益介质2的侧面投影的夹角比种子光通过发散透镜3后的扩散角小，为4°。
进而，锥棒增益介质2的入射端面的尺寸大于种子光入射至入射端面的光斑尺寸，出射端面的尺寸大于种子光入射至出射端面的光斑尺寸，一方面确保种子光能完全进入锥棒增益介质2，另一方面防止出现由于端面尺寸太小导致加工困难或使用时易磕碰受损的问题。并且，种子光通过发散透镜3后在入射端面以各点的法线方向入射，在出射端面以各点的法线方向出射。
所述泵浦光对锥棒增益介质2的侧面进行泵浦。
所述准直透镜4为聚焦透镜，设置在锥棒增益介质2的出射端面处，使从锥棒增益介质2出射的光被准直为平行光。
当不考虑锥棒增益介质2对种子光的放大作用时，光以发散的形式在锥棒增益介质2中传播，因此光传播到锥棒增益介质2不同的位置时光功率密度不同，靠近入射端面的增益区域（即锥棒增益介质2中光通过的区域）的光功率密度比靠近出射端面的增益区域的大。当考虑到锥棒增益介质2对种子光的放大作用时，并对锥棒增益介质2进行泵浦，种子光恰好能完全消耗靠近入射端面的增益区域的反转粒子数，种子光被放大、光功率密度变大；但由于种子光在锥棒增益介质2中发散传播，传播到下一区域时，种子光光功率密度下降到种子光也恰好能完全消耗下一区域的反转粒子数，种子光又被放大继续传播。种子光发散传播使得光功率密度降低，而通过增益介质的光放大又使得光功率密度提高，从而使得种子光的光功率密度在增益介质内传播时始终保持稳定，并且该光功率密度下，种子光能实现对反转粒子数储能的最大效率提取，使锥棒激光放大器工作在接近饱和状态。
种子光发散传播，使光功率密度降低，避免种子光在锥棒增益介质2中被放大后，功率密度达到增益介质损伤阈值，造成增益介质损伤。
实施例2
本实施例提供了一种多级的锥棒激光放大器，包含泵浦源5，热沉6，双色镜7，和依次同轴设置的种子源1、发散透镜3、锥棒增益介质组2’及准直透镜4，种子源1和泵浦源5分别发出种子光和泵浦光，结构如图2所示。
所述发散透镜3将
Figure 390163DEST_PATH_IMAGE014
3mm的平行入射的种子光发散，扩散角为5°。
所述锥棒增益介质组2’由多级锥棒增益介质构成，整体轮廓呈球面圆锥状，采用Nd：YAG晶体，其中Nd3+掺杂浓度为0.8%；各级锥棒增益介质的入射端面和出射端面均为球面圆锥的球冠，其球心均与发散透镜3的焦点重合，且球心角相等，各级锥棒增益介质的长度均为20 cm，相邻锥棒增益介质的间距为5 mm，第一级锥棒增益介质的入射端面对应的球面圆锥A的半径为45 mm，入射端面的底的半径为0.98 mm，恰好等于种子光发散后入射到该面时的光斑尺寸。所述锥棒增益介质组2’中各级锥棒增益介质的入射端面和出射端面同轴且同球心。各级锥棒增益介质的侧面投影的夹角角度均等于种子光通过发散透镜3后的扩散角，为5°。
进而，各级锥棒增益介质的入射端面的尺寸与种子光入射至该入射端面的光斑尺寸相当，出射端面的尺寸与种子光入射至该出射端面的光斑尺寸相当，种子光在各级锥棒增益介质的入射端面以各点的法线方向入射，在出射端面以各点的法线方向出射。
所述准直透镜4为聚焦透镜，设置在锥棒增益介质组2’的出射端面处，使从锥棒增益介质组2’出射的光被准直为平行光。
所述双色镜7倾斜设置在准直透镜4的出射光侧，透射种子光，反射泵浦光。泵浦光入射至双色镜7靠近准直透镜4的一面，经双色镜7反射后，平行入射至准直透镜4，被准直透镜4聚焦至锥棒增益介质组2’的出射端面，以对锥棒增益介质组2’进行端面泵浦。
所述热沉6对锥棒增益介质组2’进行侧面冷却。
种子光在锥棒增益介质组2’的传播过程中能实现对反转粒子数储能的最大效率提取，使多级的锥棒激光放大器在接近饱和状态工作。并且避免种子光在锥棒增益介质组2’中被放大后，功率密度达到增益介质损伤阈值，造成增益介质损伤。
实施例3
本实施例提供了一种改进的锥棒激光放大器，包括泵浦源5，和同轴设置的种子源1及锥棒增益介质2，种子源1和泵浦源5分别发出种子光和泵浦光，结构如图3所示。
所述锥棒增益介质2为Nd：YAG晶体，Nd3+掺杂浓度为0.8%，折射率n=1.82；所述锥棒 增益介质2为轴旋转对称图形，其入射端面为球面圆锥A的球冠，出射端面为球面圆锥B的球 冠，侧面为圆台侧面；其中，球面圆锥A与球面圆锥B的球心同轴，且均位于入射或出射端面 靠近种子源一侧的旋转对称轴上；球面圆锥A的球半径为15.53mm，入射端面的底的直径为 4mm，大于种子源1发出的种子光的光斑尺寸
Figure 555565DEST_PATH_IMAGE015
mm，入射端面的高为0.13 mm ，种子光平 行入射至入射端面后被发散，扩散角γ为5°；球面圆锥B的球半径为70 mm，出射端面的底的 直径为14.81 mm，出射端面的高为0.39 mm，经出射端面出射的光发散，发散角1.2°；在旋转 对称轴上，球面圆锥A和球面圆锥B的球心距离为45.53mm，锥棒增益介质2的实际长度为100 mm，侧面投影的夹角角度为6.2°。
进而，所述锥棒增益介质2的入射端面的尺寸略大于种子光入射至入射端面的光斑尺寸，出射端面的尺寸略大于种子光入射至出射端面的光斑尺寸，以确保种子光能完全入射、出射。
所述泵浦光对锥棒增益介质2进行侧面泵浦，可根据实际需要进行冷却。
综上所述，锥棒增益介质2的入射端面使种子光发散，因此可以不使用发散透镜，简化结构。本实施例适用于对光束质量要求不高而对体积要求小的应用。

Claims (9)

1.一种锥棒激光放大器，包括泵浦源，和依次同轴设置的种子源、发散透镜及准直透 镜；其特征在于，还包括同轴设置于发散透镜和准直透镜之间的锥棒增益介质，所述锥棒增 益介质的入射端面和出射端面为同轴且球心均位于发散透镜的像方焦点处的球面圆锥的 球冠，满足：
Figure 374590DEST_PATH_IMAGE001
；其中，
Figure 984563DEST_PATH_IMAGE002
分别为入射端面和出射端面的 底的半径，
Figure 682873DEST_PATH_IMAGE003
分别为入射端面和出射端面对应球面圆锥的半径，
Figure 861045DEST_PATH_IMAGE004
分别为入射端 面和出射端面的高，
Figure 77262DEST_PATH_IMAGE005
为种子源发出的种子光通过发散透镜后的扩散角；所述像方焦点为平 行入射光经发散透镜偏折后发散传播，沿发散光线的反向延长线在入射光线一侧相交的 点。
2.根据权利要求1所述锥棒激光放大器，其特征在于，所述锥棒增益介质替换为由多级 锥棒增益介质组成的轮廓呈球面圆锥状的锥棒增益介质组；各级锥棒增益介质的入射端面 和出射端面为同轴且球心均位于发散透镜的焦点处的球面圆锥的球冠，满足：
Figure 366292DEST_PATH_IMAGE001
；其中，
Figure 922039DEST_PATH_IMAGE002
分别为入射端面和出射端面的底的半径，
Figure 395745DEST_PATH_IMAGE003
分别为入射端面和出射端面对应球面圆锥的半径，
Figure 974625DEST_PATH_IMAGE004
分别为入射端面和出射 端面的高，
Figure 926401DEST_PATH_IMAGE005
为种子源发出的种子光通过发散透镜后的扩散角。
3.一种锥棒激光放大器，包括泵浦源和种子源；其特征在于，还包括与种子源同轴设置 的锥棒增益介质，所述锥棒增益介质的入射端面和出射端面分别为同轴的球面圆锥A和球 面圆锥B的球冠，球心均位于入射端面靠近种子源一侧的种子光的光轴上；种子源发出的种 子光经入射端面折射后的发散角为
Figure 602233DEST_PATH_IMAGE006
，其中，
Figure 856628DEST_PATH_IMAGE007
为球面圆 锥A的曲率半径，
Figure 985121DEST_PATH_IMAGE008
为种子源发出的种子光的光斑尺寸，
Figure 740587DEST_PATH_IMAGE009
为锥棒增益介质的折射率；入射端 面的底的直径大于等于种子光的光斑尺寸，出射端面的底的直径d满足：
Figure 940100DEST_PATH_IMAGE010
，其中，
Figure 755609DEST_PATH_IMAGE011
为球面圆锥B的曲率半径，L为球面 圆锥A的球心和球面圆锥B的球心的距离。
4.根据权利要求1、2任一所述锥棒激光放大器，其特征在于，种子源发出的种子光通过 发散透镜后的扩散角
Figure 371398DEST_PATH_IMAGE012
，其中，
Figure 540343DEST_PATH_IMAGE008
为种子源发出的种子光的光斑尺寸，
Figure 253084DEST_PATH_IMAGE013
为发散 透镜的焦距。
5.根据权利要求1、2任一所述锥棒激光放大器，其特征在于，所述扩散角的角度范围为0.5~15°。
6.根据权利要求1~3任一所述锥棒激光放大器，其特征在于，所述锥棒增益介质的基质材料包括晶体、玻璃或陶瓷，掺杂离子包括稀土离子和过渡金属离子。
7.根据权利要求1~3任一所述锥棒激光放大器，其特征在于，所述泵浦源位于锥棒增益介质的侧面或出射端面。
8.根据权利要求1~3任一所述锥棒激光放大器，其特征在于，所述锥棒激光放大器还包括热沉；当泵浦源位于锥棒增益介质的出射端面时，热沉位于锥棒增益介质的侧面；当泵浦源位于锥棒增益介质的部分侧面时，热沉位于锥棒增益介质的剩余侧面。
9.根据权利要求1~3任一所述锥棒激光放大器，其特征在于，所述种子源发出的种子光平行于轴线入射。
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Citations (8)

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