CN116526281A - 一种回形反射拉曼激光放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种回形反射拉曼激光放大器，所述放大器包括：梯形棱镜、激光晶体模块、五边形棱镜，梯形棱镜的下底面紧贴且平行激光晶体模块的端面，梯形棱镜的上表面为激光出射方向；五边形棱镜的底面平行于激光晶体模块的端面，五边形棱镜的第一五边形棱镜侧面与激光晶体模块的侧面平行且对齐；种子光耦合镜组与种子光模块，设于五边形棱镜的一侧。第一基频光模块与第二基频光模块，置于五边形棱镜的底面一侧，基频光沿水平方向传播，从五边形棱镜的底面垂直入射，穿过激光晶体模块与梯形棱镜后出射。本发明可以大幅度的提高激光器的输出功率，并且实现输入与输出种子光的同向。
Description
技术领域
本发明涉及固体激光放大器，尤其涉及一种回形反射拉曼激光放大器。
背景技术
随着激光器的广泛应用，对于大功率激光输出的需求越来越高。由于在高功率泵浦激光下，激光晶体会产生严重的热效应，甚至于超过激光晶体的损伤阈值，造成器件的损坏。为了减缓热效应，提高激光器的输出功率，人们改进了冷却系统，使用水冷和液氮冷却激光晶体，或通过设计激光晶体形状结构，来达到改善晶体散热能力的目的，其中一种是将激光截面变小来加强散热能力，即板条激光放大器，同时加长晶体长度就是光纤放大器，若将晶体长度变短则是叠片激光放大器，但对最高输出功率的提高有限。而激光放大器可以进一步提高激光的输出功率。
激光放大器基本的物理过程相同，但激光放大器相比与激光器是没有谐振器。通过激光放大器可以达到更高的激光输出，并且在放大过程中可以得到较好的光束质量。故激光放大器是得到高功率激光输出的常用技术手段。
目前放大器大多是通过利用种子光通过激光晶体，将泵浦激光转换为种子光，提高种子光的激光输出功率。于是发展出了多阶放大，将种子光通过多个激光晶体，进行多次增益放大过程，此种方式每经过一次激光晶体进行一阶激光放大，都可以对种子光的光斑进行整形或脉宽压窄等，结构较为灵活，但是体积大，单次放大效率有限；于是在此基础上，发展出了同轴的多程放大，利用偏振光的特性，使种子光在谐振腔内多次通过激光晶体，这种方式提高了放大效率，但是结构依然较为复杂，体积大；进一步通过在增益介质两侧设置两片种子光反射镜，种子光通过一定的角度入射，可以在多次通过增益介质提高增益效率，实现更强的激光放大，虽然多次反射增加了通过晶体的次数，但是种子光与泵浦光之间存在一定的角度，使单次的激光增益降低了。
基于拉曼效应的拉曼放大器，其基频光光子入射到拉曼晶体当中，与晶体中的声子发生非弹性碰撞，使得频率为νl的基频光将大量分子激励到“虚”态能级u上，形成了粒子反转数后发生激光作用，辐射出频率为νs1的一阶斯托克斯光，如果以一阶斯托克斯光为基频光，重复上述过程，便可产生更高阶的斯托克斯光。而νl与νs1之间称为拉曼频移。现阶段固体拉曼激光器放大器除光纤激光器多为同轴放大器，旁轴或多程的固体拉曼激光放大器相对较少。
发明内容
本发明提供了一种回形反射拉曼激光放大器，本发明针对目前激光放大器的不足以及拉曼激光放大器的技术空白，提出了一种拉曼激光放大器，有多程激光放大的增益次数的优势，并且种子光与基频光在晶体中同向平行，本发明可以大幅度的提高激光器的输出功率，并且实现输入与输出种子光的同向，详见下文描述：
一种回形反射拉曼激光放大器，所述放大器包括：梯形棱镜、激光晶体模块、五边形棱镜，
梯形棱镜的下底面紧贴且平行激光晶体模块的端面，梯形棱镜的上表面为激光出射方向；
五边形棱镜的底面平行于激光晶体模块的端面，五边形棱镜的第一五边形棱镜侧面与激光晶体模块的侧面平行且对齐；
种子光耦合镜组与种子光模块，设于五边形棱镜的一侧；
第一基频光模块与第二基频光模块，置于五边形棱镜的底面一侧，基频光沿水平方向传播，从五边形棱镜的底面垂直入射，穿过激光晶体模块与梯形棱镜后出射。
其中，所述梯形棱镜的侧腰在底边的映射长度为：
其中，l1-2为梯形棱镜下底面长度；l1-1为梯形棱镜上表面长度。
其中，所述种子光距第二五边形棱镜侧面为y0×tan45°＝y0，与入射时的种子光相比竖直方向平移了Δy，满足公式：
△y＝y0+y1
其中，y0为水平入射的种子光距离晶体竖直方向下端面的距离，y1为水平入射的种子光距离五边形棱镜的第二五边形棱镜侧面的距离。
进一步地，所述放大次数n为：
其中，所述激光晶体模块由n块晶体并排放置组成。
进一步地，所述梯形棱镜的上下底面镀有对种子和基频光的高透膜，左右侧表面镀有对种子光的45°高反膜，及对基频光的高透膜。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、通过梯形棱镜与五边形棱镜，使得种子光多次在晶体中通过，实现多程放大增益，最终出射光还可以达到与入射光同向输出，这种结构简单，工艺与调节复杂程度低，稳定性较好容易实现；
2、首先梯形棱镜和五边形棱镜的底边长度越长，种子光的反射次数越多，其次水平入射的种子光与梯形棱镜、五边形棱镜在竖直方向上底角之间的距离越小，种子光每一周的平移间隔越小，同样会使得反射次数越多，提高对种子光的放大效果；对于体积较小的晶体，可以通过将多块晶体并排使用的方式，来实现多程放大，例如：金刚石晶体，解决了晶体尺寸对于激光放大效率的限制；
3、在增加晶体数量后，放大器的结构并没有因此变的更加复杂；
4、本发明的多程方式，相较于同轴放大，种子光在晶体中分布可以更为均匀，有利于冷却方式的针对性设计，达到较好的散热效果，减缓热效应。
附图说明
图1为一种回形反射拉曼激光放大器的整体俯视结构示意图；
图2为一种回形反射拉曼激光放大器的另一整体俯视结构示意图；
图3为本发明的梯形棱镜的45°俯视示意图及俯视标注图；
图4为本发明的五边形棱镜的俯视示意图及俯视标注图；
图5为一种回形反射拉曼激光放大器的整体3D结构示意图；
图6为种子光反射一周的光路图；
图7为种子光反射两周的光路图。
附图中，各部件代表的列表如下：
1：梯形棱镜； 2：激光晶体模块；
2-1：第一激光晶体模块； 2-2：第二激光晶体模块；
3：五边形棱镜； 4：第一基频光模块耦合镜组；
5：第二基频光模块耦合镜组； 6：第一基频光模块；
7：第二基频光模块； 8：种子光模块耦合镜组；
9：种子光模块； 10：梯形棱镜下底面；
11：梯形棱镜上表面； 12：第一梯形棱镜45°侧表面；
13：第二梯形棱镜45°侧表面； 14：五边形棱镜底面；
15：第一五边形棱镜前端表面； 16：第二五边形棱镜前端表面；
17：第二五边形棱镜侧面； 18：第一五边形棱镜侧面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
一种回形反射拉曼激光放大器，包括：梯形棱镜1、激光晶体模块2、第一激光晶体模块2-1、第二激光晶体模块2-2、五边形棱镜3、第一基频光模块耦合镜组4、第二基频光模块耦合镜组5、第一基频光模块6、第二基频光模块7、种子光耦合镜组8、种子光模块9。
为叙述方便设图1所示的坐标轴，以通光方向x轴为水平方向，y轴为竖直方向。
激光晶体模块2为激光放大器的拉曼增益介质，设于梯形棱镜1与五边形棱镜3之间，激光晶体宽高面均镀有对基频光与种子光的高透膜，晶体尺寸为a×b×c mm3。晶体可用多块晶体并排放置，晶体可为金刚石、钒酸钇、钨酸钆钾、硝酸钡、碘酸锂其中的一种。
种子光耦合镜组8与种子光模块9，设于五边形棱镜3的一侧，种子光模块9的输出种子光波长为λ2，经过种子光耦合镜组8对光斑整型后沿水平方向输出。
梯形棱镜1的下底面10，紧贴且平行激光晶体模块2的端面，梯形棱镜1的上表面11为激光出射方向，如图3所示，为侧腰β2＝45°的等腰梯形，有l1-3＝l1-4。其上下底面镀有对种子和基频光的高透膜，左右侧表面镀有对种子光的45°高反膜，及对基频光的高透膜。并且侧腰在底边的映射长度l1-5如公式(1)所示：
五边形棱镜3的底面14同样平行于激光晶体模块2的端面，五边形棱镜3的第一五边形棱镜侧面18与激光晶体模块2的侧面平行且对齐，如图4所示，竖直方向的第一五边形棱镜侧面18和第二五边形棱镜侧面17相等且平行，即l2-4＝l2-5，l2-4‖l2-5，两面同时均垂直于底边即l2-4⊥l2-3、l2-5⊥l2-3，五边形棱镜3的水平方向，第一五边形棱镜前端表面15和第二五边形棱镜前端表面16相等且相互垂直，即l2-1＝l2-2，l2-1⊥l2-2。五边形棱镜3的后端与前端均镀有基频光高透膜，第一第二前端上下两表面同时还镀有对种子光的高反膜，五边形棱镜3的竖直方向上下两侧面镀有对基频光的高反膜。
忽略光束的发散效果。将种子光的传播路径，等效为线段，此时如图6所示，水平入射的种子光距离晶体竖直方向下端面的距离为y0，距离五边形棱镜3的第二五边形棱镜侧面17的距离为y1，种子光沿x轴水平方向垂直入射并穿过激光晶体模块2，随后从梯形棱镜1的底面10垂直入射，在第一梯形棱镜45°侧表面12反射。反射角度如图6所示，通过几何关系可得：
依据几何关系得反射角β为45°，故种子光45°反射后会竖直向上传播，此时种子光距梯形棱镜下底面10为y0×tan45°＝y0，在接触到第二梯形棱镜45°侧表面13后，以45°角反射，种子光沿x轴负方向水平传播，此时种子光距激光晶体模块2的上表面为y0×tan45°＝y0，种子光二次穿过激光晶体模块2后，在第一五边形棱镜前端表面15上45°反射，后种子光竖直向下传播距前端如图6所示为y0×tan45°＝y0，后在第二五边形棱镜前端表面16上45°反射，种子光重新沿x轴正方向水平传播，此刻种子光距第二五边形棱镜侧面17为y0×tan45°＝y0，与入射时的种子光相比竖直方向平移了Δy，其满足公式：
△y＝y0+y1 (3)
此时种子光完成了一周的反射放大，这种反射四次完成一周放大过程，光路形似回字，为方便叙述称其为回形反射放大。
此后种子光重复之前的过程继续，以45°角在梯形棱镜侧腰和五边形棱镜3的前端面反射，与第一周光束的位置相距Δy如图7所示，之后种子光将重复此相似过程，由于每一周反射放大后进入下一周时，种子光都会在竖直正方向上产生平移，直到种子光从梯形棱镜上端面出射，出射的种子光与入射种子光同向且平行，此时完成了放大过程。放大次数n符合公式(3)：
上式中y0+y1﹥0，为满足实际意义n的余数舍去不进一，并且增大l1-2，减小Δy＝y0+y1和l1-1，可以提高放大次数，进而提高放大效率。
第一基频光模块6与第二基频光模块7，输出波长为λ1，同第一基频光模块耦合镜组4和第二基频光模块耦合镜组5，置于五边形棱镜3的底面一侧，基频光出射沿水平方向传播，经过第一基频光模块耦合镜组4和第二基频光模块耦合镜组5对光斑整型后，从五边形棱镜3的底面14垂直入射，穿过激光晶体模块2与梯形棱镜1后出射。
种子光与基频光在激光晶体模块2共线相互作用发生频率平移，即种子光频率ν2(ν2＝1/λ2)和基频光频率ν1(ν1＝1/λ1)满足公式(4)：
式中，为普朗克常数，Δν为拉曼介质的频移。种子光在激光晶体模块2中与泵浦光相互作用，发生拉曼平移与能量转换，实现种子光的激光放大。
实施例1
首先，种子光模块9激发出波长为λ1＝1240nm种子光，1240nm种子光经过耦合透镜组8，沿水平方向传播从五边形棱镜3的第二五边形棱镜侧面17的表面掠过，如图1所示，在激光晶体模块2的右侧水平端面下方垂直入射，此时种子光在竖直方向上距离第二五边形棱镜侧面17的第二侧面为y1＝1.5mm，距离晶体下表面为y0＝0.5mm，第二五边形棱镜侧面17距离激光晶体模块2下表面的距离按照公式(2)计算为：
△y＝y0+y1＝2(mm)
种子光穿过激光晶体模块2后继续沿水平方向传播，在第一梯形棱镜45°侧表面12上45°反射后竖直向上传播，此时距梯形棱镜下底面10的水平方向y0＝0.5mm，在第二梯形棱镜45°侧表面13上45°反射，后沿x轴反方向水平传播，距激光晶体模块2上表面竖直方向y0＝0.5mm，再次穿过激光晶体模块2进行放大过程，在第一五边形棱镜前端表面15同样依据几何关系45°反射，沿y轴负方向竖直向下传播，至五边形棱镜前端表面16上时45°反射，后沿x轴正方向，水平向前传播，此时完成了第一周的回形反射放大，距第二五边形棱镜侧面17为y0＝0.5mm，而距离入射时的种子光反射一周后在竖直方向上平移了Δy＝2mm。
此后种子光重复之前的过程继续，每一周的反射放大种子光均平移了Δy＝2mm，每一周放大种子光都会两次通过激光晶体模块2进行放大，种子光通过激光晶体模块2的次数n由公式(3)可得。
其中，晶体尺寸为12×2×20mm3，于是有a＝l1-2＝12mm，梯形棱镜上表面11的长度l1-1＝1mm。种子光在激光晶体模块2中，从第一基频光模块6和第二基频光模块7出射波长为λ2＝1064nm的基频光，在激光晶体模块2中相遇。
种子光与基频光在激光晶体模块2中共线发生频率平移，即种子光频率ν2＝2.41*1014(ν2＝1/λ2)和基频光频率ν1＝2.81*1014(ν1＝1/λ1)满足公式(4)：
ν2＝ν1-△ν
式中，为普朗克常数，Δν为入射光子于晶体中声子碰撞产生的拉曼平移。种子光在激光晶体模块2中与泵浦光相互作用，发生拉曼平移与能量转换，实现种子光的激光放大。
实施例2
如图2所示，激光晶体模块2可以由n块晶体并排放置组成，这样可以打破晶体材料生长技术的限制，而梯形棱镜1和五边形棱镜3一般由石英材料构成，对材料的限制相对于晶体较低。
下面以两块激光晶体尺寸均为8×2×16mm3，同样的梯形棱镜下底面长度l1-2＝16mm，上表面长度不变l1-1＝1mm为例进行说明：
首先同样的种子光模块9激发出波长为λ1＝1240nm种子光，1240nm种子光经种子光耦合透镜组8，沿水平方向传播，从五边形棱镜3的第二五边形棱镜侧面17掠过后如图1所示，在第二激光晶体模块2-2的右侧水平端面下方垂直入射，此时种子光在竖直方向上距离第二五边形棱镜侧面17为y1＝0.5mm，距离第二激光晶体模块2-2下表面为y0＝0.5mm，第二五边形棱镜侧面17距离第二激光晶体模块2-2下表面的距离按照公式(2)计算为：
△y＝y0+y1＝1(mm)
如图2所示种子光穿过第二激光晶体模块2-2平方向传播，在第一梯形棱镜45°侧表面12上45°反射，后竖直向上传播，距梯形棱镜下底面10的水平方向y0＝0.5mm，传播至第二梯形棱镜45°侧表面13上按照几何关系45°反射，后沿x轴反方向水平传播，此时距激光晶体模块2上表面竖直方向y0＝0.5mm，穿过激光晶体模块2-1进行放大过程，在第一五边形棱镜前端表面15同样依据几何关系45°反射，沿y轴负方向竖直向下传播，在五边形棱镜前端表面16上45°反射，后沿x轴正方向水平向前传播，此时完成了第一周的回形反射放大，距第二五边形棱镜侧面17为y0＝0.5mm，而距离入射时的种子光反射一周后在竖直方向上平移了Δy＝1mm。
此后种子光重复之前的过程继续，每一周反射放大后的种子光均平移了Δy＝1mm，每一周放大种子光都会通过第一激光晶体模块2-1与第二晶体模块2-2进行放大，种子光放大次数n由公式(3)可得。
从第一基频光模块6和第二基频光模块7出射波长为λ2＝1064nm的基频光，在激光晶体模块2中相遇，种子光与基频光在第一激光晶体模块2-1与第二晶体模块2-2中共线发生频率平移，即种子光频率ν2＝2.41*1014(ν2＝1/λ2)和基频光频率ν1＝2.81*1014(ν1＝1/λ1)满足公式(4)：
ν2＝ν1-△ν
式中，为普朗克常数，Δν为拉曼介质的频移。种子光在第一激光晶体模块2-1与第二晶体模块2-2中与泵浦光相互作用，发生拉曼平移与能量转换，实现种子光的激光放大。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种回形反射拉曼激光放大器，其特征在于，所述放大器包括：梯形棱镜、激光晶体模块、五边形棱镜，
梯形棱镜的下底面紧贴且平行激光晶体模块的端面，梯形棱镜的上表面为激光出射方向；
五边形棱镜的底面平行于激光晶体模块的端面，五边形棱镜的第一五边形棱镜侧面与激光晶体模块的侧面平行且对齐；
种子光耦合镜组与种子光模块，设于五边形棱镜的一侧；
第一基频光模块与第二基频光模块，置于五边形棱镜的底面一侧，基频光沿水平方向传播，从五边形棱镜的底面垂直入射，穿过激光晶体模块与梯形棱镜后出射。
2.根据权利要求1所述的一种回形反射拉曼激光放大器，其特征在于，所述梯形棱镜的侧腰在底边的映射长度为：
其中，l1-2为梯形棱镜下底面长度；l1-1为梯形棱镜上表面长度。
3.根据权利要求2所述的一种回形反射拉曼激光放大器，其特征在于，所述种子光距第二五边形棱镜侧面为y0×tan45°＝y0，与入射时的种子光相比竖直方向平移了Δy，满足公式：
△y＝y0+y1
其中，y0为水平入射的种子光距离晶体竖直方向下端面的距离，y1为水平入射的种子光距离五边形棱镜的第二五边形棱镜侧面的距离。
4.根据权利要求3所述的一种回形反射拉曼激光放大器，其特征在于，所述放大次数n为：
5.根据权利要求1所述的一种回形反射拉曼激光放大器，其特征在于，所述激光晶体模块由n块晶体并排放置组成。
6.根据权利要求1所述的一种回形反射拉曼激光放大器，其特征在于，所述梯形棱镜的上下底面镀有对种子和基频光的高透膜，左右侧表面镀有对种子光的45°高反膜，及对基频光的高透膜。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
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| CN202310324077.3A CN116526281A (zh) | 2023-03-29 | 2023-03-29 | 一种回形反射拉曼激光放大器 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117239532A (zh) * | 2023-11-16 | 2023-12-15 | 长春理工大学 | 一种基于六角棱镜腔的基模光束控制装置及输出方法 |
| CN117477333A (zh) * | 2023-12-27 | 2024-01-30 | 武汉光谷航天三江激光产业技术研究院有限公司 | 一种用于激光的多程放大装置及方法 |
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| CN117239532B (zh) * | 2023-11-16 | 2024-01-30 | 长春理工大学 | 一种基于六角棱镜腔的基模光束控制装置及输出方法 |
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