CN113054518B - 一种曲面板条激光放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种曲面板条激光放大器，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、发散柱透镜、曲面板条介质及准直柱透镜，曲面板条介质的上大面和下大面相互平行，且分别与入射端面、出射端面的交线为圆心均位于发散柱透镜焦线上的圆弧；各圆弧的曲率半径满足：R1‑R2=R3‑R4，或R1‑R2=R4‑R3；各圆弧的中点均位于发散柱透镜的焦线与同轴轴线构成的平面上，且各圆弧的弧长
Figure 780910DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 232751DEST_PATH_IMAGE002
=1,2,3,4，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为种子光的扩散角。本发明提出的曲面板条介质在激光放大时，将反转粒子数储能转换为激光能量，对种子光进行最大化的有效放大，显著提升整体反转粒子数储能的提取效率。

Description

一种曲面板条激光放大器
技术领域
本发明属于固体激光器领域，具体涉及一种曲面板条激光放大器。
背景技术
大功率激光器在工业、军事、医疗等领域具有广泛的应用，然而从激光器谐振腔输出的激光功率大多较小，使用激光放大器可以对较小功率的激光放大，以获得更高的输出能量或功率。常见的激光放大器包括多程放大器和再生放大器，多程放大器利用透镜使种子光在板条晶体内的不同区域多次通过，再生放大器利用电光晶体、偏振片使种子光在板条晶体内多次往返，均为了从板条晶体处获得更多的能量，然而这种方式会使得激光放大器结构复杂、体积较大、调试困难。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-光转换效率的激光放大器是很必要的。
为了达到光-光转换效率最大，通常激光放大器被设计工作在饱和状态。为此，除了需要实现泵浦光向板条晶体反转粒子数能量的更高转换，还需要实现反转粒子数储能向输出激光的能量的更高转换。然而，传统的板条晶体的两个大面、两个端面和两个侧面均为相互平行的平面，对板条晶体均匀泵浦时，当种子光恰好消耗完板条晶体内靠近入射端面区域的反转粒子数时，此时该区域反转粒子数储能恰好转换为激光能量；由于种子光被放大，当继续在板条晶体中传播时，尤其在靠近出射端面区域，反转粒子数密度已不足以对种子光进行有效的放大。而如果先将种子光扩束，降低光功率密度，以使得在出射端面区域的反转粒子数储能恰好转化为激光能量，那么种子光在入射端面区域将无法完全消耗反转粒子数，导致反转粒子数储能未完全转换成激光能量。
发明内容
针对上述现有技术中无法完全利用现有板条介质储能的问题，本发明提出了一种曲面板条激光放大器，显著提高板条介质利用率。
本发明具体技术方案如下：
一种曲面板条激光放大器，包括泵浦源，和依次同轴设置的种子源、发散柱透镜及 准直柱透镜；其特征在于，所述曲面板条激光放大器还包括同轴设置于发散柱透镜和准直 柱透镜之间的曲面板条介质，所述曲面板条介质的上大面和下大面相互平行，且分别与入 射端面、出射端面的交线为圆心均位于发散柱透镜的焦线上的圆弧；各圆弧的曲率半径满 足：R1-R2=R3-R4，或R1-R2=R4-R3，其中，R1为上大面与入射端面的交线的曲率半径，R2为下大 面与入射端面的交线的曲率半径，R3为上大面与出射端面的交线的曲率半径，R4为下大面与 出射端面的交线的曲率半径；各圆弧的中点均位于发散柱透镜的焦线与同轴轴线构成的平 面上，且各圆弧的弧长
Figure 378065DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 107118DEST_PATH_IMAGE002
=1,2,3,4 ，其中，
Figure 827949DEST_PATH_IMAGE003
为种子光的扩散角
Figure 258931DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 356200DEST_PATH_IMAGE005
为种子源发出的种子光的光斑尺寸，
Figure 199479DEST_PATH_IMAGE006
为发散柱透镜的焦距，L1为上大面 与入射端面的交线的弧长，L2为下大面与入射端面的交线的弧长，L3为上大面与出射端面的 交线的弧长，L4为下大面与出射端面的交线的弧长。
进一步地，所述曲面板条介质的厚度为（R1-R2）/ n，其中，n为曲面板条介质的折射率。
进一步地，所述曲面板条介质的基质材料包括晶体、玻璃或陶瓷中的一种，掺杂离子包括稀土离子或过渡金属离子。
进一步地，所述曲面板条介质的上大面和下大面与同轴轴线之间的距离相等。
进一步地，所述扩散角的角度范围为0.5~30°。
进一步地，所述扩散角的角度优选为15°。
进一步的，采用出射具有扩散角的种子光的调制后种子源替换种子源和发散柱透镜。
进一步地，所述泵浦源位于曲面板条介质的上大面、下大面、入射端面或出射端面，对曲面板条介质进行泵浦；其中，当泵浦源位于曲面板条介质的入射端面时，在种子源和发散柱透镜之间设置有双色镜，泵浦源发出的泵浦光经双色镜反射后与种子光合束，泵浦光与种子光经发散柱透镜扩散后，同方向入射至曲面板条介质入射端面，从而泵浦光在曲面板条介质的入射端面对曲面半条介质进行泵浦；当泵浦源位于曲面板条介质的出射端面时，泵浦源发出的泵浦光经准直柱透镜与种子光反方向入射至曲面板条介质出射端面，从而在曲面板条介质的出射端面对曲面板条介质进行泵浦。
进一步地，所述曲面板条激光放大器还包括用于冷却曲面板条介质的热沉；当泵浦源位于曲面板条介质的上大面时，热沉位于下大面；当泵浦源位于下大面时，热沉位于上大面；当泵浦源位于入射端面或出射端面时，热沉位于上大面或/和下大面。
本发明的有益效果为：
1. 本发明提出了一种曲面板条激光放大器，种子光经发散柱透镜发散后，光功率密度逐渐降低，通过设置特定结构的曲面板条介质，使得种子光提取曲面板条介质中光通过的区域（增益区域）的反转粒子数储能，以逐渐提高光功率密度，进而保持曲面板条介质中光通过的区域的光功率密度稳定，且该光功率密度下种子光能最大程度的提取反转粒子数储能；与传统板条介质相比，能显著提升板条介质整体反转粒子数储能的提取效率，使放大器整体工作在接近饱和状态；
2. 本发明通过设置发散柱透镜，使种子光发散传播，避免种子光在板条介质中被放大后，功率密度达到板条介质的损伤阈值，对板条介质的造成损伤；
本发明所得曲面板条激光放大器的体积小、结构简单。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的曲面板条激光放大器的结构示意图；
图2为本发明实施例1提出的曲面板条激光放大器的同轴轴线示意图；
图3为本发明实施例1中某条种子光在曲面板条激光放大器中的路径图；
图4为本发明实施例2提出的曲面板条激光放大器的结构示意图；
图5为本发明实施例2提出的曲面板条激光放大器的同轴轴线示意图；
图6为本发明实施例2中某条种子光在曲面板条激光放大器中的路径图；
附图标记：
1.种子源；2. 曲面板条介质；3.发散柱透镜；4.泵浦源；5.热沉；6.准直柱透镜。
具体实施方式
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曲面板条激光放大器，包括泵浦源4，热沉5，和依次同轴设置的种子源1、发散柱透镜3、曲面板条介质2及准直柱透镜6，其结构如图1和图3所示，泵浦源4发出的泵浦光入射在曲面板条介质2的下大面，对曲面板条介质2进行泵浦，热沉5位于曲面板条介质2的上大面，对曲面板条介质2进行冷却。
所述种子源1发出的种子光的光斑为1.5mm*1.5mm的方形光斑，平行入射至发散柱透镜3。
所述发散柱透镜3使种子光发散，种子光的扩散角
Figure 91211DEST_PATH_IMAGE007
=15°，其中一条 发散路径见如图1所示的虚线。
所述曲面板条介质2采用Nd3+掺杂浓度为0.8%的Nd：YAG晶体；曲面板条介质2的上 大面和下大面相互平行，且上大面和下大面的两侧边的夹角均为15°；曲面板条介质2的上 大面和下大面分别与入射端面、出射端面的交线为圆心均位于发散柱透镜3的焦线上的圆 弧，各圆弧的中点均位于发散柱透镜3的焦线与同轴轴线构成的平面上；其中，上大面与入 射端面的交线的曲率半径R1为15.73 mm，圆弧弧长为4.12 mm；下大面与入射端面的交线的 曲率半径R2为13 mm，圆弧弧长为3.4 mm；上大面与出射端面的交线的曲率半径R3为110.20 mm，圆弧弧长为28.85 mm；下大面与出射端面的交线的曲率半径R4为107.47 mm，圆弧弧长 为28.14 mm。各圆弧弧长
Figure 275068DEST_PATH_IMAGE008
均满足
Figure 926760DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 614094DEST_PATH_IMAGE002
=1,2,3,4 。
所述曲面板条介质2的厚度h=（R1-R2）/ n=1.5mm，其中n为板条介质折射率，等于1.82。
所述曲面板条介质2的上大面和下大面与同轴轴线等距，两个侧面与同轴轴线夹角角度相等，同轴轴线如图2所示的虚线，曲面板条介质2关于发散柱透镜3的焦线与同轴轴线构成的平面呈镜面对称。
所述平行入射的种子光通过发散柱透镜3后入射至曲面板条介质2的入射端面时的光斑，与入射端面的尺寸一致。
所述准直柱透镜6为聚焦柱透镜，使从曲面板条介质2出射的光被准直为平行光。
由于曲面板条介质2满足R1-R2=R3-R4，因此各条种子光在曲面板条介质2中沿路径方向的侧剖图为平行四边形，且该平行四边形的夹角角度为arctan（h/（R1-R2）），等于布儒斯特角的余角28.79°；其中，某条种子光在曲面板条激光放大器中的路径如图1、图3所示：沿曲面板条激光放大器的同轴轴线方向传播的种子光，被发散柱透镜3发散后偏离同轴轴线方向，入射至曲面板条介质2的入射端面A点后，继续在A点所在沿路径方向的平行四边形侧剖面内呈zigzag传播，传播至曲面板条介质2的出射端面B点后出射，然后被准直柱透镜6准直后沿同轴轴线方向传播。
当不考虑曲面板条介质2对种子光的放大作用时，种子光以发散的形式在曲面板条介质2中传播，因此种子光传播到曲面板条介质2不同的位置时光功率密度不同，靠近入射端面区域的光功率密度比靠近出射端面区域的大，即光功率密度会随着传播距离的增加而降低。当考虑到曲面板条介质2对种子光的放大作用，并且对曲面板条介质2进行泵浦时，种子光恰好能完全消耗靠入射端面的增益区域的反转粒子数，最大效率的使反转粒子数储能转换为激光能量，种子光被放大、光功率密度变大；但由于种子光在曲面板条介质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增益区域的反转粒子数，种子光又被放大继续传播，因此种子光在曲面板条介质的增益区域内光功率密度保持稳定，并且在该光功率密度下，能实现种子光最大程度提取反转粒子数储能，使曲面板条激光放大器工作在接近饱和状态。
另一方面，种子光的发散传播导致光功率密度降低，避免光放大时，光功率密度达到曲面板条介质的损伤阈值，避免对曲面板条介质造成损伤。
实施例2
本实施例提供了一种曲面板条激光放大器，包括泵浦源4，热沉5，和依次同轴设置的种子源1、发散柱透镜3、曲面板条介质2及准直柱透镜6，其结构如图4和图6所示，泵浦源4发出的泵浦光入射在曲面板条介质2的下大面靠尖角的位置，对曲面板条介质2进行泵浦，热沉5位于曲面板条介质2的上大面和下大面未被泵浦区域，对曲面板条介质2进行冷却。
所述种子源1发出的种子光的光斑为1.5mm*1.5mm的方形光斑，平行入射至发散柱透镜3。
所述发散柱透镜3使种子光发散，种子光的扩散角
Figure 942307DEST_PATH_IMAGE007
=15°，其中一条 发散路径见如图4所示的虚线。
所述曲面板条介质2采用Nd3+掺杂浓度为0.8%的Nd：YAG晶体；曲面板条介质2的上 大面和下大面相互平行，且上大面和下大面的两侧边的夹角均为16.7°；曲面板条介质2的 上大面和下大面分别与入射端面、出射端面的交线为圆心均位于发散柱透镜3的焦线上的 圆弧，各圆弧的中点均位于发散柱透镜3的焦线与同轴轴线构成的平面上；其中，上大面与 入射端面的交线的曲率半径R1为18.005 mm，圆弧弧长为12.162 mm；下大面与入射端面的 交线的曲率半径R2为12.000 mm，圆弧弧长为10.833 mm；上大面与出射端面的交线的曲率 半径R3为100.315 mm，圆弧弧长为36.056 mm；下大面与出射端面的交线的曲率半径R4为 106.320 mm，圆弧弧长为38.148 mm。各圆弧弧长
Figure 82301DEST_PATH_IMAGE008
均满足
Figure 537684DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 79524DEST_PATH_IMAGE002
=1,2,3, 4 。此时，曲面板条介质2两侧面与上大面夹角角度为93°。
所述曲面板条介质2的厚度h=（R1-R2）/n=3.300 mm，其中n为板条介质折射率，等于1.82。
所述曲面板条介质2的上大面和下大面与同轴轴线等距，两个侧面与同轴轴线夹角角度相等，同轴轴线如图5所示的虚线，曲面板条介质2关于发散柱透镜3的焦线与同轴轴线构成的平面呈镜面对称。
所述平行入射的种子光通过发散柱透镜3后入射至曲面板条介质2的入射端面时的光斑比入射端面的尺寸小。
所述准直柱透镜6为聚焦柱透镜，使从曲面板条介质2出射的光被准直为平行光。
由于曲面板条介质2满足R1-R2=R4-R3，因此各条种子光在曲面板条介质2中沿路径方向的侧剖图为等腰梯形，且该等腰梯形的夹角角度为arctan（h/（R1-R2）），等于布儒斯特角的余角28.79°；其中，某条种子光在曲面板条激光放大器中的路径如图4、图6所示：沿曲面板条激光放大器的同轴方向传播的种子光，被发散柱透镜3发散后偏离中心轴方向，入射至曲面板条介质2的入射端面A’点后，继续在A’点所在沿路径方向的等腰梯形，侧剖图内呈zigzag传播，传播至曲面板条介质2的出射端面B’点后出射，然后被准直柱透镜6准直后沿中心轴方向传播。

Claims (9)

1.一种曲面板条激光放大器，包括泵浦源，和依次同轴设置的种子源、发散柱透镜及准直柱透镜；其特征在于，所述曲面板条激光放大器还包括同轴设置于发散柱透镜和准直柱透镜之间的曲面板条介质，曲面板条介质的上大面和下大面相互平行，且分别与入射端面、出射端面的交线为圆心均位于发散柱透镜的像方焦线上的圆弧；各圆弧的曲率半径满足：R1-R2=R3-R4，或R1-R2=R4-R3，其中，R1、R2、R3和R4分别为上大面与入射端面、下大面与入射端面、上大面与出射端面和下大面与出射端面的交线的曲率半径；各圆弧的中点均位于发散柱透镜的焦线与同轴轴线构成的平面上，且各圆弧的弧长
Figure DEST_PATH_IMAGE002
=1,2,3,4 ，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为种子源发出的种子光通过发散透镜后的扩散角，L1、L2、L3和L4分别为上大面与入射端面、下大面与入射端面、上大面与出射端面和下大面与出射端面的交线的弧长。
2.根据权利要求1所述曲面板条激光放大器，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 DEST_PATH_IMAGE006
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为种子源发出的种子光的光斑尺寸，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为发散柱透镜的焦距。
3.根据权利要求1所述曲面板条激光放大器，其特征在于，所述曲面板条介质的厚度为（R1-R2）/ n，其中，n为曲面板条介质的折射率。
4.根据权利要求1所述曲面板条激光放大器，其特征在于，所述曲面板条介质的上大面和下大面与同轴轴线之间的距离相等。
5.根据权利要求1所述曲面板条激光放大器，其特征在于，所述曲面板条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或过渡金属离子。
6.根据权利要求1所述曲面板条激光放大器，其特征在于，
Figure 823605DEST_PATH_IMAGE004
的角度范围为0.5~30°。
7.根据权利要求1所述曲面板条激光放大器，其特征在于，采用出射具有扩散角的种子光的调制后种子源替换种子源和发散柱透镜。
8.根据权利要求1所述曲面板条激光放大器，其特征在于，所述泵浦源位于曲面板条介质的上大面、下大面、入射端面或出射端面，对曲面板条介质进行泵浦。
9.根据权利要求1所述曲面板条激光放大器，其特征在于，还包括热沉；当泵浦源位于曲面板条介质的上大面时，热沉位于下大面；当泵浦源位于下大面时，热沉位于上大面；当泵浦源位于入射端面或出射端面时，热沉位于上大面或/和下大面。
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