CN113594840B - 一种多程放大系统的种子光光路结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多程放大系统的种子光光路结构，属于固体激光器领域，包括依次设置的全反镜、激光增益介质、直角梯形棱镜和近直角棱镜，种子光从直角梯形棱镜的斜腰一侧射入，直角腰一侧射出，经激光增益介质放大后入射至全反镜，再被反射回激光增益介质放大，经直角梯形棱镜入射至近直角棱镜，反射后再次经直角梯形棱镜入射至激光增益介质放大，以此实现多程放大。本发明中种子光以光轴附近3°范围内的入射角多次通过激光增益介质，对同一区域多次提取，利于提取激光增益介质储能；并设置直角梯形棱镜，对应调整近直角棱镜的顶角角度，使其间相邻光线间角度变大，实现种子光以较小的角度差注入激光增益介质的同时，缩短放大系统的尺寸。

Description

一种多程放大系统的种子光光路结构
技术领域
本发明属于固体激光器领域，具体涉及一种多程放大系统的种子光光路结构。
背景技术
激光放大系统是激光器的重要组成部分，这是由于仅从谐振腔获得的激光能量较弱，常常需要将其进行放大后，才能实际应用。激光放大系统一般包括再生放大和行波放大，其中行波放大技术将欲放大的光信号以行波的形式一次通过放大器，但其放大倍数较小，通常只有3~6倍。
从谐振腔出射的种子光能量很弱，难以实现单次通过激光增益介质就完全提取储能，因此，为了提升效率前级放大通常需要使种子光多次通过激光增益介质。再生放大通过调节种子光注入和腔倒空时间，使种子光多次通过激光增益介质，从而尽可能提取储能，但其结构较为复杂，需要搭配精准的电路控制系统。
目前种子光多程放大的研究较为广泛，已出现仅靠简单光学元件就实现多程放大的结构。例如，中国专利（CN 110932077 A）提出调节反射镜使种子光多次注入，实现种子光的分离，但多次注入的角度差别较大，种子光的在激光增益介质表面的透过率大幅降低，严重影响放大效果。或者使种子光以较小的角度差注入，但需要在很远的位置设置反射镜进行调整，这不仅导致放大系统尺寸较大，结构稳定性也较差。中国专利（CN 104319603 A）提出将种子光以一定角度入射到双色镜之间的激光晶体，并在双色镜之间来回反射，该结构虽实现了在激光晶体中多程放大，结构简单，尺寸小，但会使得激光晶体尺寸很大，并且其实质是种子光从激光晶体的不同位置提取储能，无法多次通过激光晶体同一位置，对于能量较弱的种子光，不能完全提取激光晶体储能。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种多程放大系统的种子光光路结构，仅利用简单的光学元件实现种子光多次从激光增益介质中提取能量，并压缩放大系统的尺寸，可用作激光器的前级放大。
本发明的具体技术方案如下：
一种多程放大系统的种子光光路结构，其特征在于，包括依次设置的全反镜，激光增益介质，至少一个直角梯形棱镜，及近直角棱镜；种子光从直角梯形棱镜的斜腰一侧射入，直角腰一侧射出，经激光增益介质放大后入射至全反镜，再被反射回激光增益介质放大，经直角梯形棱镜入射至近直角棱镜，反射后再次经直角梯形棱镜入射至激光增益介质放大，以此实现多程放大；
定义垂直于全反镜的光线在种子光光路结构中的传播路径为种子光光路结构的光轴，传播路径具体为：垂直于全反镜的光线经激光增益介质射出后，垂直入射至直角梯形棱镜的直角腰一侧，从斜腰一侧出射；
多程放大过程中，种子光在激光增益介质的入射角均位于光轴附近3°范围内；直 角梯形棱镜的腰角γ为arccos(
Figure 533095DEST_PATH_IMAGE001
)或arctan(n1)；近直角棱镜的底面为等腰三角形，等 腰三角形的顶角为90°-arcsin(sinα/n2)；其中，n1为直角梯形棱镜的折射率；n2为近直角棱 镜的折射率；α为种子光在近直角棱镜的入射角，依据多程放大次数、种子光在激光增益介 质的入射角范围、γ和n1确定。
进一步地，所述种子光光路结构包括多个直角梯形棱镜时，光轴垂直于各直角梯形棱镜的直角腰一侧，并且从前一个直角梯形棱镜的直角腰一侧射出的光，入射至下一个直角梯形棱镜的斜腰一侧，以此传播。
进一步地，所述光轴与激光增益介质入射面法线的夹角β为0°或布儒斯特角或45°。
进一步地，β为0°时，所述激光增益介质为棒状或者薄片型激光增益介质；β为布儒斯特角时，所述激光增益介质为尖角角度为布儒斯特角的余角的板条激光增益介质；β为45°时，所述激光增益介质为尖角角度为45°的板条激光增益介质。
进一步地，所述种子光光路结构还包括位于种子光入射处的偏振片和位于前四程 放大后直角梯形棱镜出射处的λ/4波片，其中，λ/4波片用于改变种子光的偏振态，偏振片用 于分离入射的种子光和出射的放大光；此时β为0°或45°，并且直角梯形棱镜的腰角γ为 arccos(
Figure 787490DEST_PATH_IMAGE001
)。
进一步地，所述种子光光路结构还包括依次位于种子光入射处的隔离器和偏振片，其中，隔离器用于改变出射的放大光的偏振态，以便分离入射的种子光和出射的放大光；偏振片用于分离入射的种子光和出射的放大光。
进一步地，当种子光光路结构仅包括一个直角梯形棱镜时，多程放大的次数为4的整数倍，近直角棱镜的顶角为90°-arcsin(sinα/n2)，2α=arcsin(sin(90°-γ-arcsin(sin(Δθ)/n1))×n1)-arcsin(sin(arcsin(90°-γ-sin(3Δθ)/n1))×n1)，其中，α为种子光在近直角棱镜的入射角；n2为近直角棱镜的折射率；Δθ为种子光在激光增益介质多程放大过程中最大入射角与β的差值的1/3。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出了一种多程放大系统的种子光光路结构，种子光可以以光轴附近3°范围内的入射角多次通过激光增益介质，实现对同一区域位置的多次提取，有利于提取激光增益介质储能，提高放大倍数，并且激光增益介质的尺寸较小；
2、通过在激光增益介质和近直角棱镜之间设置直角梯形棱镜，并对应调整近直角棱镜的顶角角度，使得其间相邻光线间的角度变大，实现种子光以较小的角度差注入激光增益介质的同时，缩短放大系统的尺寸，如在300 mm的范围内利用光学元件调控种子光的传播方向，进而实现种子光多次提取激光晶体储存能量。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的多程放大系统的种子光光路结构的结构及光路示意图；
图2为本发明实施例1中第一直角梯形棱镜的结构及通过光路示意图；
图3为本发明实施例1中第一近直角棱镜的结构及通过光路示意图；
图4为本发明实施例2提出的多程放大系统的种子光光路结构的结构及前四程放大光路示意图；
图5为本发明实施例3提出的多程放大系统的种子光光路结构的结构及前四程放大光路示意图；
附图标记如下：
1为第一全反镜；2为第一激光增益介质；3为第一直角梯形棱镜；4为第二直角梯形棱镜；5为第一近直角棱镜；6为第二全反镜；7为第二激光增益介质；8为第三直角梯形棱镜；9为第二近直角棱镜；10为第三全反镜；11为隔离器；12为第一偏振片；13为第四全反镜；14为第三激光增益介质；15为第四直角梯形棱镜；16为第三近直角棱镜；17为第五全反镜；18为λ/4波片；19为第二偏振片。
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
本实施例提出了一种多程放大系统的种子光光路结构，如图1所示，包括依次设置的第一全反镜1、棒状的第一激光增益介质2、第一直角梯形棱镜3、第二直角梯形棱镜4和第一近直角棱镜5。
所述第一激光增益介质2为Nd：YAG晶体，对1064 nm种子光的折射率为1.82；所述第一直角梯形棱镜3和第二直角梯形棱镜4均为纯YAG晶体，对1064 nm种子光的折射率n1为1.82，其底面的一个腰角γ均为布儒斯特角arctan(n1)=61.21°，如图2所示；所述第一近直角棱镜5的底面为等腰三角形，顶角角度为90°-arcsin(sinα/n2)，其中，n2=1.56，为第一近直角棱镜5的折射率，α为光线在第一近直角棱镜5的入射角，进而光线经第一近直角棱镜5射出后，其射入、射出光线间角度差为2α，如图3所示。在本实施例中，第一近直角棱镜5的顶角角度为88.86°，可以将入射光反向并改变2α=arcsin(sin(arcsin(sin(arctan(n)-arcsin(sin(90°-γ-arcsin(sin(Δθ)/n1) )×n1))/n1)+90°-arctan(n1) )×n1)-arcsin(sin(arcsin(sin(arctan(n1)-arcsin(sin(90°-γ-arcsin(sin(3Δθ)/n1) )×n1))/n1)+90°-arctan(n1) )×n1)=66.42°-62.87°=3.55°。
定义垂直于第一全反镜1的光线在种子光光路结构中的传播路径为种子光光路结构的光轴，传播路径具体为：垂直于第一全反镜1的光线垂直入射至第一激光增益介质2，垂直射出后，垂直入射至第一直角梯形棱镜3的直角腰一侧，从斜腰一侧以布儒斯特角61.21°出射后，又垂直入射至第二直角梯形棱镜4的直角腰一侧，从斜腰一侧以布儒斯特角61.21°出射。
种子光在本实施例提出的种子光光路结构中实现多程放大的过程具体为：
种子光以56.37°入射至第二直角梯形棱镜4的斜腰一侧，以2.85°折射角从直角腰一侧出射，并以64.07°入射至第一直角梯形棱镜3的斜腰一侧，以3Δθ=1.5°折射角从直角腰一侧出射；之后以1.5°入射角入射至第一激光增益介质2，经放大后，又以1.5°折射角出射并入射至第一全反镜1，此时反射角为1.5°，至此实现了第一程放大；
被第一全反镜1反射后，种子光以1.5°入射角入射至第一激光增益介质2，经放大后，以1.5°折射角出射；之后以1.5°入射角入射第一直角梯形棱镜3，以58.59°折射角出射，并以2.63°入射至第二直角梯形棱镜4，以66.42°折射角出射；随后入射至第一近直角棱镜5，至此实现了第二程放大；
种子光经第一近直角棱镜5后，传播方向反向并偏转3.54°；以62.87°入射至第二直角梯形棱镜4，以0.88°折射角出射，并以60.34°入射至第一直角梯形棱镜3，以Δθ=0.5°的折射角出射；之后以0.5°入射角入射至第一激光增益介质2，经放大后，又以0.5°折射角出射并入射至第一全反镜1，此时反射角为0.5°，至此实现了第三程放大；
被第一全反镜1反射后，种子光以0.5°入射角入射至第一激光增益介质2，经放大后，以0.5°折射角出射；之后以0.5°入射角入射第一直角梯形棱镜3，以62.15°折射角出射，并以0.92°入射至第二直角梯形棱镜4，以59.58°的折射角出射；至此共计实现了种子光的四程放大，得到放大光。
本实施例中种子光多次以光轴附近1.5°范围内的角度入射第一激光增益介质2，p偏振态的种子光有很高的透过率；种子光以布儒斯特角61.21°附近的小角度（本实施例中角度在56.37°-66.42°）入射第一直角梯形棱镜3和第二直角梯形棱镜4，p偏振态的种子光均能实现很高的透过率，透过率均在99.2%以上，损耗小。
在本实施例中，位于第一激光增益介质2和第一直角梯形棱镜3之间多程种子光之间的最大夹角为6Δθ=3°，而经过第一直角梯形棱镜3后，如图2所示，第一直角梯形棱镜3和第二直角梯形棱镜4之间多程种子光之间的最大夹角为6Δθ’= arcsin(sin(90°-γ+arcsin(sin(3Δθ)/n1) )×n1)-arcsin(sin(arcsin(90°-γ-sin(3Δθ）/n1) )×n1)=64.07°-58.59°=5.48°。由此可见多程种子光之间的最大夹角经第一直角梯形棱镜3后，增大近1.83倍，表明当仅使用第一直角梯形棱镜3时，在250 mm远的位置，相邻光线已分开8mm。第一直角梯形棱镜3使得相邻光线之间的夹角增大，有利于在有限的距离，如300 mm的范围内实现利用光学元件调控种子光的传播方向，进而实现种子光多次提取激光晶体储存能量。
种子光虽多次经过第一激光增益介质2放大，但角度变化小，因此相较于单程放大时采用的激光增益介质，本发明采用的第一激光增益介质2尺寸相当，不会要求第一激光增益介质2尺寸明显变大。
实施例2
本实施例提出了一种多程放大系统的种子光光路结构，如图4所示，包括第二全反镜6、板条状的第二激光增益介质7、第三直角梯形棱镜8、第二近直角棱镜9、第三全反镜10、隔离器11和第一偏振片12。
所述第二激光增益介质7为Nd：YAG晶体，切角角度为28.79°，对1064 nm种子光的折射率为1.82；所述第三直角梯形棱镜8为纯YAG晶体，对1064 nm种子光的折射率n1为1.82，其底面的一个腰角γ为arctan(n1)=61.21°；所述第二近直角棱镜9的底面为等腰三角形，顶角角度为90°-arcsin(sinα/n2)，其中，n2=1.56，为第二近直角棱镜9的折射率，α为光线在第二近直角棱镜9的入射角，进而光线经第二近直角棱镜9射出后，其射入、射出光线间角度差为2α。在本实施例中，2α=arcsin(sin(90°-γ-arcsin(sin(Δθ)/n1))×n1)-arcsin(sin(arcsin(90°-γ-sin(3Δθ)/n1))×n1)，其中，Δθ=0.4°，因此2α=1.4°，顶角角度为89.55°。
定义垂直于第二全反镜6的光线在种子光光路结构中的传播路径为种子光光路结构的光轴，传播路径具体为：垂直于第二全反镜6的光线，以布儒斯特角61.21°的入射角入射至第二激光增益介质7，以布儒斯特角61.21°射出后，垂直入射至第三直角梯形棱镜8的直角腰一侧，从斜腰一侧出射。
种子光在本实施例提出的种子光光路结构中实现多程放大的过程具体为：
p偏振态的种子光透过第一偏振片12，经隔离器11后，偏振态不改变，以63.48°入射至第三直角梯形棱镜8的斜腰一侧，以3Δθ=1.2°的折射角从直角腰一侧出射；随后，以62.41°（布儒斯特角61.21°+3Δθ）入射角入射至第二激光增益介质7，经zigzag路线传播后，以62.41°折射角出射，入射至第二全反镜6，此时反射角为1.2°，至此实现了第一程放大；
被第二全反镜6反射后，种子光以60.01°（布儒斯特角61.21°-3Δθ）入射角入射至第二激光增益介质7，经zigzag路线传播后，以60.01°折射角出射，之后以1.2°入射角入射第三直角梯形棱镜8，以59.10°出射，入射至第二近直角棱镜9，至此实现了第二程放大；
种子光经第二近直角棱镜9后传播方向偏转1.4°，以60.50°入射至第三直角梯形棱镜8后并以0.4°的折射角出射第三直角梯形棱镜8；之后以60.81°（布儒斯特角61.21°-Δθ）入射角入射至第二激光增益介质7，经zigzag路线传播后，以60.81°折射角出射，入射至第二全反镜6，此时反射角为0.4°，至此实现了第三程放大；
被第二全反镜6反射后，种子光以61.61°（布儒斯特角61.21°+Δθ）入射角入射至第二激光增益介质7，经zigzag路线传播后，以61.61°折射角出射，后以0.4°入射角入射第三直角梯形棱镜8并以61.96°出射，入射至第三全反镜10，至此实现了第四程放大；
经全反镜5反射后，逆原光路方向传播，依次实现四程放大，共计八程放大，获得放大光。最后传播至隔离器11，p偏振态的放大光变为s偏振态的放大光，被第一偏振片12反射，实现种子光和放大光的分离。
位于第二激光增益介质7和第三直角梯形棱镜8间的多程种子光之间最大夹角为6Δθ=2.4°，而通过第三直角梯形棱镜8后，多程种子光之间最大夹角为4.38°，增大1.825倍。
实施例3
本实施例提出了一种多程放大系统的种子光光路结构，如图5所示，包括第四全反镜13、第三激光增益介质14、第四直角梯形棱镜15、第三近直角棱镜16、第五全反镜17、λ/4波片18和第二偏振片19。
所述第三激光增益介质14为Nd：YAG晶体，切角角度为45°，对1064 nm种子光的折 射率为1.82，并在第三激光增益介质14的两个端面镀p偏振态及s偏振态的角度为43°~47° 的1064 nm波长的增透膜；所述第四直角梯形棱镜15为纯YAG晶体，对1064 nm种子光的折射 率n1为1.82，其底面的一个腰角γ为arccos(
Figure 352202DEST_PATH_IMAGE001
)=67.14°，并在第四直角梯形棱镜15的斜 腰一侧镀p偏振态及s偏振态的角度为43°~47°的1064 nm波长的增透膜；所述第三近直角棱 镜16的底面为等腰三角形，顶角角度为90°-arcsin(sinα/n2)，其中，n2=1.56，为第三近直角 棱镜16的折射率，α为光线在第三近直角棱镜16的入射角，进而光线经第三近直角棱镜16射 出后，其射入、射出光线间角度差为2α。在本实施例中，2α=arcsin(sin(90°-γ-arcsin(sin (Δθ)/n1))×n1)-arcsin(sin(arcsin(90°-γ-sin(3Δθ)/n1))×n1)，其中，Δθ=0.4°，因 此2α=3.1°，顶角角度为89°。
定义垂直于第四全反镜13的光线在种子光光路结构中的传播路径为种子光光路结构的光轴，传播路径具体为：垂直于第四全反镜13的光线，以布儒斯特角61.21°的入射角入射至第三激光增益介质14，以布儒斯特角61.21°射出后，垂直入射至第四直角梯形棱镜15的直角腰一侧，从斜腰一侧出射。
种子光在本实施例提出的种子光光路结构中实现多程放大的过程具体为：
p偏振态的种子光透过第二偏振片19，以46.58°入射至第四直角梯形棱镜15的斜腰一侧后，以3Δθ=1.2°的折射角从直角腰一侧出射；随后，以46.2°（45°+3Δθ）入射角入射至第三激光增益介质14，经zigzag路线传播后，以46.2°折射角出射，入射至第四全反镜13，此时反射角为1.2°，至此实现了第一程放大；
被第四全反镜13反射后，种子光以43.8°（45°-3Δθ）入射角入射至第三激光增益介质14，经zigzag路线传播后，以43.8°折射角出射，之后以1.2°入射角入射第四直角梯形棱镜15，以43.45°出射，入射至第三近直角棱镜16，至此实现了第二程放大；
种子光经第三近直角棱镜16后传播方向偏转3.1°，以44.47°入射至第四直角梯形棱镜15，以0.4°的折射角出射第四直角梯形棱镜15；之后以44.60°（45°-Δθ）入射角入射至第三激光增益介质14，经zigzag路线传播后，以44.60°折射角出射，入射至第四全反镜13，此时反射角为0.4°，至此，实现了第三程放大；
被第四全反镜13反射后，种子光以45.40°（45°+Δθ）入射角入射至第三激光增益介质14，经zigzag路线传播后，以45.40°折射角出射，之后以0.4°入射角入射第四直角梯形棱镜15并以45.52°出射，至此，实现了第四程放大；
种子光继续传播经λ/4波片18入射至第五全反镜17，并反射回λ/4波片18，由于两次经过λ/4波片18，p偏振态的种子光转变为s偏振态；之后逆原光路方向传播，依次实现四程放大，共计八程放大，获得放大光。最后传播至第二偏振片19，被第二偏振片19反射，实现种子光和放大光的分离。
位于第三激光增益介质14和第四直角梯形棱镜15间的多程种子光之间最大夹角为6Δθ=2.4°，而通过第四直角梯形棱镜15后，多程种子光之间最大夹角增大1.3倍。

Claims (7)

1.一种多程放大系统的种子光光路结构，其特征在于，包括依次设置的全反镜，激光增益介质，至少一个直角梯形棱镜，及近直角棱镜；种子光从直角梯形棱镜的斜腰一侧射入，直角腰一侧射出，经激光增益介质放大后入射至全反镜，再被反射回激光增益介质放大，经直角梯形棱镜入射至近直角棱镜，反射后再次经直角梯形棱镜入射至激光增益介质放大，以此实现多程放大；
定义垂直于全反镜的光线在种子光光路结构中的传播路径为光轴，传播路径具体为：垂直于全反镜的光线经激光增益介质射出后，垂直入射至直角梯形棱镜的直角腰一侧，从斜腰一侧出射；
多程放大过程中，种子光在激光增益介质的入射角均位于光轴附近3°范围内；直角梯形棱镜的腰角γ为arccos(
Figure DEST_PATH_IMAGE002
)或arctan(n1)；近直角棱镜的底面为等腰三角形，顶角为90°-arcsin((sinα)/n2)；其中，n1为直角梯形棱镜的折射率；n2为近直角棱镜的折射率；α为种子光在近直角棱镜的入射角，依据多程放大次数、种子光在激光增益介质的入射角范围、γ和n1确定，且α>0。
2.根据权利要求1所述多程放大系统的种子光光路结构，其特征在于，所述种子光光路结构包括多个直角梯形棱镜时，光轴垂直于各直角梯形棱镜的直角腰一侧，并且从前一个直角梯形棱镜的直角腰一侧射出的光，入射至下一个直角梯形棱镜的斜腰一侧，以此传播。
3.根据权利要求1或2任一项所述多程放大系统的种子光光路结构，其特征在于，所述光轴与激光增益介质入射面法线的夹角β为0°或布儒斯特角或45°。
4.根据权利要求3所述多程放大系统的种子光光路结构，其特征在于，β为0°时，所述激光增益介质为棒状或者薄片型激光增益介质；β为布儒斯特角时，所述激光增益介质为尖角角度为布儒斯特角的余角的板条激光增益介质；β为45°时，所述激光增益介质为尖角角度为45°的板条激光增益介质。
5.根据权利要求3所述多程放大系统的种子光光路结构，其特征在于，所述种子光光路结构还包括位于种子光入射处的偏振片和位于前四程放大后直角梯形棱镜出射处的λ/4波片，此时β为0°或45°，并且直角梯形棱镜的腰角γ为arccos(
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
)。
6.根据权利要求3所述多程放大系统的种子光光路结构，其特征在于，所述种子光光路结构还包括依次位于种子光入射处的隔离器和偏振片。
7.根据权利要求3所述多程放大系统的种子光光路结构，其特征在于，当种子光光路结构仅包括一个直角梯形棱镜时，多程放大的次数为4的整数倍，种子光在近直角棱镜的入射角α满足：2α=arcsin((sin(90°-γ-arcsin((sin(Δθ))/n1)))×n1)-arcsin((sin(arcsin(90°-γ-(sin(3Δθ))/n1)))×n1)，其中，Δθ为种子光在激光增益介质多程放大过程中最大入射角与β的差值的1/3。
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