CN117394119A - 多程盘式激光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多程盘式激光放大器，其包括近端和远端，泵浦激光束、种子激光束、第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜、激光增益介质、第一偏转光学棱镜组和第二偏转光学棱镜组，所述激光增益介质包括一介质反射面；位于所述近端的所述泵浦激光束经过第一光束准直器对准位于所述远端的所述第一抛物面反射镜入射；位于所述近端的所述种子激光束经过第二光束准直器后对准位于所述远端的所述第二抛物面反射镜入射。本发明相比于传统的多程盘式激光放大器，具有更简单的结构，更短的放大光程，跟紧凑的体积和更高的系统稳定性。并且通过改变泵浦光路设计棱镜的结构，可以实现12程，24程，36程，48程等多程放大。

Description

多程盘式激光放大器

技术领域

本发明属于盘式激光器领域，具体涉及到一种多程盘式激光放大器。

背景技术

近年来，利用超短激光脉冲进行材料加工已成为一个快速发展的领域。激光作为重要的加工工具，在工业加工领域体现出了其特有的优势。作为激光加工领域的一个重要分支，几MHz，微焦量级超短脉冲激光精细加工广泛应用于柔性电路板制造，晶圆切割，心血管支架及太阳能电池制造等，这些领域对加工精度有极高的要求，最大限度的减少加工过程中的热扩散是提高加工精度的关键方法。另一个超快激光加工分支是，毫焦量级超快激光加工的应用，例如，一种非常有前景的应用是碳纤维增强塑料(CFRP)的切割和结构化。在这里，高平均输出功率导致更高的处理速度，百kHz重复频率，mJ范围内的脉冲能量为处理更大光点和多光点并行处理提供了可能性。

对于以上提出两种类型激光器(几MHz，微焦量级和百kHz，毫焦量级)，目前实现的基本原理是：首先通过种子源产生超短脉冲，重复频率在100MHz以内，然后对种子光进行放大，重频频率可以通过选脉冲方式进行调整。常见的放大器增益介质形式有，棒状增益介质，板条状增益介质，光纤放大，以及盘式状增益介质。棒状增益介质放大效率一般为三倍左右，因为热效应产生的热透镜和热褪偏效应比较严重，放大后的光束质量不高。板条状增益介质放大结构，采用上下面冷却，散热效果好，放大效率高。单输出光斑为长条状，光斑波前畸变严重，需要整形系统进行光斑整形，这就使整套放大系统变得复杂。光纤放大器，适合高重复频率，低单脉冲能量放大，目前采用芯径80um的棒状光纤可以放大到百微焦量级，但是整套系统体积比较大，失去紧凑型优势。盘式增益介质，因为厚度只有200um左右，晶体一面水冷，热效应基本可以忽略。同时泵浦光多次在盘式增益介质上反射，吸收效率可以达到80％以上。泵浦光斑为超高斯型，所以放大后光束质量非常优秀。所以盘式激光放大方式是目前获得高重复频率，高单脉冲能量，同时保证优秀的光斑质量的首选方案。

目前，采用盘式激光增益介质获得几十MHz几十微焦量级的超短脉冲，其中一种常见的方法是直接搭建盘式超短脉冲振荡器，不要额外放大器，直接获得目标参数。目前苏黎世联邦理工学院的U.Ke l l er组已经成功设计出高功率输出SESAM锁模盘式振荡器，输出平均功率210W，单脉冲能量19J，脉宽780fs。总体所占面积为长1.4m，宽0.8m。但是功率再升高一些就会对墙内原件造成压力，因为脉宽窄，非线性会随着腔内的功率的升高而增强，导致光学器件损坏，所以该类型振荡器对提升单脉冲能量有一定的局限性。对于采用盘式激光增益介质模块获得高重复频率(百kHz)，高单脉冲能量(mJ量级)的主要方案是，首先通过盘式激光再生放大器将展宽后的种子源nJ量级脉冲进行放大，从1kHz到百kHz单脉冲能量可以直接放大到大于100mJ～1mJ量级。为了获得更高单脉冲能量，同时获得高的重复频率，再生放大器后会继续进行盘式激光多程放大。目前德国的Trumpf公司以及斯图加特大学在盘式激光多程放大器的研究上获得了很好的成果。2020年，德国Trumpf公司研发出1kHz，720mJ，920fs激光系统，结构包括种子源。其中两级双盘式激光多程放大器将再生放大输出的240mJ，放大到800mJ，压缩后获得720mJ。该系统中多程放大器是通过多个全反镜来实现光束在盘式激光晶体上多次反射，实现多程的目的。其特点是多程次数越多，能量提取效率越高，同时所用反射镜也越多，这样整套系统的体积也会越大，所以该类多程放大器的体积往往不会那么紧凑。2020年，Trumpf公司研发出1.5kW，400kHz盘式激光系统，其结构为两级盘式36程放大系统对种子脉冲序列直接放大，每个多程放大系统均放置于真空仓中，体积分为长5.74m，宽2m，体积庞大。同样该公司在2021年，采用盘式激光多程放大方案实现了800kHz，1950W，10ps的输出。2021年，华中科技大学朱晓老师课题组，模拟了双盘式激光头，双抛面镜结构的放大模块，体积紧凑，放大效率高，但是需要两个泵浦源，使整套系统变得复杂。

发明内容

针对传统的盘式激光多程放大系统结构复杂，体积庞大，光程特别长的缺陷，本发明的目的在于提供一种改进的多程盘式激光放大器。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多程盘式激光放大器，其包括近端和远端，包括：泵浦激光束、种子激光束、第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜、激光增益介质、第一偏转光学棱镜组和第二偏转光学棱镜组，所述激光增益介质包括一介质反射面；

位于所述近端的所述泵浦激光束经过第一光束准直器后对准位于所述远端的所述第一抛物面反射镜入射，以在所述第一偏转光学棱镜组、第一抛物面反射镜和介质反射面之间经过多次反射，并多次经过所述激光增益介质以被所述激光增益介质吸收并形成泵浦光斑；

位于所述近端的所述种子激光束经过第二光束准直器后对准位于所述远端的所述第二抛物面反射镜入射，以在所述第二偏转光学棱镜组、第二抛物面反射镜和介质反射面之间经过多次反射，并多次经过所述泵浦光斑而被放大；

其中，所述第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜上均设置有若干个反射曲面，所述反射曲面均为抛物面；

所述第一偏转光学棱镜组和第二偏转光学棱镜组均包括若干个棱镜对，每个所述棱镜对均包括两个棱镜、且两所述棱镜具有相互成90°夹角的反射平面。

优选的，所述激光增益介质、介质反射面均为圆形，所述第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜均为环形；所述介质反射面、第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜同轴，且第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜上的全部反射曲面的焦点均位于所述介质反射面上；所述激光增益介质位于所述介质反射面和第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜之间。

优选的，且第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜上的反射曲面均具有相同的等效焦距。

优选的，所述第一偏转光学棱镜组和第二偏转光学棱镜组均是由多个所述棱镜对组成的环形结构；所述第一偏转光学棱镜组和第二偏转光学棱镜组位于所述近端和远端之间且同轴，全部所述棱镜对的反射平面均朝向所述远端呈环形均匀分布。

优选的，所述第一偏转光学棱镜组还包括一平面反射镜，用以将入射的所述泵浦激光束沿原路返回。

优选的，所述第二偏转光学棱镜组还包括一角锥反射棱镜，用以将入射的所述种子激光束沿原路返回；还包括薄膜偏振片和四分之一波片，所述种子激光束为P偏振光，经过第二光束准直器，从所述薄膜偏振片透射后，被所述四分之一波片转换成圆偏振光，然后射入所述第二偏转棱镜；被放大后的所述种子激光束经过所述四分之一波片后，由圆偏振光变成了S偏振光，并且由所述薄膜偏振片翻转90°后输出。

优选的，所述第一抛物面反射镜的反射曲面镀有对于所述泵浦激光束具有高反射率的第一介质膜，所述第二抛物面反射镜的反射曲面镀有对于所述种子激光束具有高反射率的第二介质膜；所述第一偏转光学棱镜组的反射平面均镀有所述第一介质膜；所述第一偏转光学棱镜组的反射平面均镀有所述第二介质膜。

优选的，所述激光增益介质的厚度为0.15～0.35mm，其包括朝向所述第一抛物面反射镜的前表面，以及背向所述第一抛物面反射镜的后表面；所述前表面镀有对于所述泵浦激光束和所述种子激光束增透的第三介质膜；其后表面镀有对于所述泵浦激光束和所述种子激光束具有高反射率的第四介质膜以形成所述介质反射面。

优选的，所述激光增益介质通过焊接、胶粘或键合的工艺固定在热沉上，所述热沉的另一面与射流冷却液接触以实现对所述激光增益介质的冷却，所述热沉由钨铜，金刚石，蓝宝石，碳化硅或氮化铝陶瓷制成。

优选的，所述种子激光束的光斑直径为所述泵浦激光束的光斑直径的75％～85％。

本发明的有益效果是：相比于传统的多程盘式激光放大器，具有更简单的结构，更短的放大光程，跟紧凑的体积和更高的系统稳定性。并且通过改变泵浦光路设计棱镜的结构，可以实现12程，24程，36程，48程等多程放大。

附图说明

图1是本发明第一实施例的结构以及光路示意图；

图2是第一实施例的第一偏转光学棱镜组、第二偏转光学棱镜组和激光增益介质的位置关系示意图；

图3是第一实施例的第一偏转光学棱镜组和激光增益介质的位置关系示意图；

图4是第一实施例的第二偏转光学棱镜组和激光增益介质的位置关系示意图；

图5是第一实施例的泵浦激光束和种子激光束的光路示意图，圆形表示各个光斑最大的直径；

图6是第一实施例的泵浦激光束的光路示意图；

图7是第一实施例的种子激光束的光路示意图；

图8是另一实施例的种子激光束的光路示意图；

图9是另一实施例的泵浦激光束和种子激光束的光路示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“远”、“近”、“内”、“外”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至图9所示，本发明的一种多程盘式激光放大器，其以进光处(图1中的左侧)为近来区分近端和远端。

其具体结构包括：泵浦激光束11、种子激光束12、第一抛物面反射镜1、第二抛物面反射镜2、激光增益介质6、第一偏转光学棱镜组3和第二偏转光学棱镜组4，激光增益介质6包括一介质反射面。

位于近端的泵浦激光束11经过第一光束准直器7后对准位于远端的第一抛物面反射镜1入射，以在第一偏转光学棱镜组3、第一抛物面反射镜1和介质反射面之间经过多次反射，并多次经过激光增益介质6以被激光增益介质6吸收并形成泵浦光斑；

位于近端的种子激光束12经过第二光束准直器8后对准位于远端的第二抛物面反射镜2入射，以在第二偏转光学棱镜组4、第二抛物面反射镜2和介质反射面之间经过多次反射，并多次经过泵浦光斑而被放大；

其中，第一抛物面反射镜1和第二抛物面反射镜2上均设置有若干个反射曲面，反射曲面均为抛物面。

第一偏转光学棱镜组3和第二偏转光学棱镜组4均包括若干个多个棱镜对，每个棱镜对均包括两个棱镜、且两棱镜具有相互成90°夹角的反射平面。

通过上述结构，即可实现种子激光束12的多程放大。

其中，本发明第一实施例中，具体采用如下结构：

还包括薄膜偏振片9和四分之一波片10，种子激光束12为P偏振光，经过第二光束准直器8，从薄膜偏振片9透射后，被四分之一波片10转换成圆偏振光，然后射入第二抛物面反射镜2；被放大后的种子激光束12经过四分之一波片10后，由圆偏振光变成了S偏振光，并且由薄膜偏振片9相对于原入射的种子激光束12翻转90°后输出。

第一偏转光学棱镜组3和第二偏转光学棱镜4组均包括5个棱镜对，为了更好描述光路，沿光路其反射平面依次被记为：A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11，以及B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10、B11。

本发明的第一实施例如图5至图7所示：

第一光束准直器7将泵浦激光束11准直后入射到第一抛物面反射镜1上的A1位置；该第一抛物面反射镜1将泵浦激光束11聚焦到激光增益介质6的介质反射面上，反射至第一抛物面反射镜1的A2位置处，并再次被第一抛物面反射镜1反射至第一偏转光学棱镜组3；第一偏转光学棱镜组3的两个棱镜P1、P2将泵浦光束11传输方向偏转180°后重新反射回第一抛物面反射镜1的A3位置处；

依此类推，泵浦激光束11的反射和偏转光路的路径为：

A1→激光增益介质6→A2→A3→激光增益介质6→A4→A5→激光增益介质6→A6→A7→激光增益介质6→A8→A9→激光增益介质6→A10→A11→激光增益介质6→A12→平面反射镜5，然后经过平面反射镜沿原光路返回至A1。

泵浦激光束11在第一偏转光学棱镜组3和第一抛物面反射镜1的作用下，多次入射在激光增益介质6上，并到达平行于盘状激光增益介质6的平面反射镜5，经过反射后，沿原光路返回，并再次多次入射到盘状激光增益介质6上；最终泵浦激光束11被激光增益介质6反射12次，即24次通过激光增益介质6而被吸收，在其上形成泵浦光斑。

种子激光束12经过第二光束准直器8后，可透射过薄膜偏振片9，进而被四分之一波片10转换成圆偏振光，并入射在第二抛物面反射镜2上的B1位置处，被聚焦反射到激光增益介质6的反射面上的泵浦光斑中，获得放大；并被其反射到第二抛物面反射镜2的B2位置处，进而被反射到第二偏转光学棱镜组4上；第二偏转光学棱镜组4将种子激光束12的传输方向偏转180°后重新反射回第二抛物面反射镜2的B3位置处；

依此类推，种子激光束12的反射和偏转光路的路径为：

B1→激光增益介质6→B2→B3→激光增益介质6→B4→B5→激光增益介质6→B6→B7→激光增益介质6→B8→B9→激光增益介质6→B10→B11→激光增益介质6→B12→由角锥反射棱镜P5、P6，然后沿原光路返回至B1。

种子激光束12在第二偏转光学棱镜组4和第二抛物面反射镜2的作用下，在激光增益介质6上被反射了6次，到达第二抛物面反射镜2上的B12位置处，随即入射在两块相互成90°夹角的棱镜之间，这两块棱镜形成一个角锥反射棱镜P5、P6，将种子激光束12镜像翻转180°后，沿原光路返回；并再次多次入射激光增益介质6上；最终种子激光束12被激光增益介质6反射了12次，即24次通过激光增益介质6而被放大。

本发明的种子激光束12光路的第二实施例如图8所示：

第二偏转棱镜组4在B12位置处可以不形成角锥反射棱镜，而是直接留有出光口，放大后的激光直接从B12位置处输出。

当没有角锥反射棱镜时，可以取消薄膜偏振片9和四分之一波片10，并且此时，种子激光束12将被放大12次，即在激光增益介质6上获得6次反射。

种子激光束12的反射和偏转光路的路径为：

B1→激光增益介质6→B2→B3→激光增益介质6→B4→B5→激光增益介质6→B6→B7→激光增益介质6→B8→B9→激光增益介质6→B10→B11→激光增益介质6→B12，然后直接反射至出光口。

本发明的种子激光束12光路的第三实施例如图9所示：

第二偏转棱镜组4的结构可以与第一偏转棱镜组3的结构相同，其平面反射镜14将种子激光束12沿原路反射回B1位置处。

种子激光束12的反射和偏转光路的路径为：

B1→激光增益介质6→B2→B3→激光增益介质6→B4→B5→激光增益介质6→B6→B7→激光增益介质6→B8→B9→激光增益介质6→B10→B11→激光增益介质6→B12→平面反射镜14，然后经由平面反射镜14反射后，沿原光路返回至B1。

激光增益介质6、介质反射面均为圆形，第一抛物面反射镜1和第二抛物面反射镜2均为环形；介质反射面、第一抛物面反射镜1和第二抛物面反射镜2同轴，且第一抛物面反射镜1和第二抛物面反射镜2上的全部反射曲面的焦点均位于介质反射面上；激光增益介质6位于介质反射面和第一抛物面反射镜1和第二抛物面反射镜2之间。

且第一抛物面反射镜1和第二抛物面反射镜2上的反射曲面均具有相同的等效焦距，以实现反射需要。

第一偏转光学棱镜组3和第二偏转光学棱镜组4均是由多个棱镜对组成的环形结构；第一偏转光学棱镜组3和第二偏转光学棱镜4组位于近端和远端之间且同轴，全部棱镜对的反射平面均朝向远端呈环形均匀分布。

第一偏转光学棱镜组3还包括一平面反射镜5，用以将入射的泵浦激光束11沿原路返回。

第二偏转光学棱镜组还包括一角锥反射棱镜P5、P6，用以将入射的种子激光束12沿原路返回；

第一抛物面反射镜1的反射曲面镀有对于泵浦激光束11具有高反射率的第一介质膜，第二抛物面反射镜2的反射曲面镀有对于种子激光束12具有高反射率的第二介质膜；第一偏转光学棱镜组3的反射平面均镀有第一介质膜；第一偏转光学棱镜组4的反射平面均镀有第二介质膜。

激光增益介质6的厚度为0.15～0.35mm，其包括朝向第一抛物面反射镜1的前表面，以及背向第一抛物面反射镜1的后表面；前表面镀有对于泵浦激光束11和种子激光束12增透的第三介质膜；其后表面镀有对于泵浦激光束11和种子激光束12具有高反射率的第四介质膜以形成介质反射面。

本发明的采用第一介质膜、第二介质膜、第三介质膜和第四介质膜是指具有增加反射功能的光学薄膜，其为本领域常用技术手段，可为金属反射膜、全电介质反射膜或两者结合起来的金属电介质反射膜。其型号的选择以及如何涂覆均为业界的常用技术手段，且其本身非本发明的创新点所在，因而未详细表述。

激光增益介质6通过焊接、胶粘或键合的工艺固定在热沉上，热沉的另一面与射流冷却液接触以实现对激光增益介质6的冷却，热沉由钨铜，金刚石，蓝宝石，碳化硅或氮化铝陶瓷制成。

种子激光束12的光斑直径为泵浦激光束11的光斑直径的75％～85％，以满足模式匹配条件。

本发明的泵浦激光束11采用的是外圈波长为940nm的泵浦激光、内圈波长为1030nm的输出激光，泵浦激光与输出激光二合一，无须谐振腔。而现有的其他专利，大多采用如940nm或者969nm波长的泵浦激光，并不包含波长为1030nm的激光。

本发明采用第一偏转光学棱镜组3和第二偏转光学棱镜组4的双环结构，对激光进行放大，而现有激光器能够通过单环棱镜吸收激光，并不能将激光放大，参考对比文件申请号为CN208904395U，发明名称为一种柱面棱镜全反射多冲程泵浦吸收碟片激光器。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多程盘式激光放大器，其包括近端和远端，其特征在于，包括：泵浦激光束、种子激光束、第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜、激光增益介质、第一偏转光学棱镜组和第二偏转光学棱镜组，所述激光增益介质包括一介质反射面；

位于所述近端的所述泵浦激光束经过第一光束准直器对准位于所述远端的所述第一抛物面反射镜入射，以在所述第一偏转光学棱镜组、第一抛物面反射镜和介质反射面之间经过多次反射，并多次经过所述激光增益介质以被所述激光增益介质吸收并形成泵浦光斑；

位于所述近端的所述种子激光束经过第二光束准直器后对准位于所述远端的所述第二抛物面反射镜入射，以在所述第二偏转光学棱镜组、第二抛物面反射镜和介质反射面之间经过多次反射，并多次经过所述泵浦光斑而被放大；

其中，所述第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜上均设置有若干个反射曲面，所述反射曲面均为抛物面；

所述第一偏转光学棱镜组和第二偏转光学棱镜组均包括若干个棱镜对，每个所述棱镜对均包括两个棱镜、且两所述棱镜均具有相互成90°夹角的反射平面。

2.根据权利要求1所述的多程盘式激光放大器，其特征在于：所述激光增益介质、介质反射面均为圆形，所述第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜均为环形；所述介质反射面、第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜同轴，且第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜上的全部反射曲面的焦点均位于所述介质反射面上；所述激光增益介质位于所述介质反射面和第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜之间。

3.根据权利要求2所述的多程盘式激光放大器，其特征在于：且第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜上的反射曲面均具有相同的等效焦距。

4.根据权利要求2或3其中之一所述的多程盘式激光放大器，其特征在于：所述第一偏转光学棱镜组和第二偏转光学棱镜组均是由多个所述棱镜对组成的环形结构；所述第一偏转光学棱镜组和第二偏转光学棱镜组位于所述近端和远端之间且同轴，全部所述棱镜对的反射平面均朝向所述远端呈环形均匀分布。

5.根据权利要求4所述的多程盘式激光放大器，其特征在于：所述第一偏转光学棱镜组还包括一平面反射镜，用以将入射的所述泵浦激光束沿原路返回。

6.根据权利要求4所述的多程盘式激光放大器，其特征在于：所述第二偏转光学棱镜组还包括一角锥反射棱镜，用以将入射的所述种子激光束沿原路返回；还包括薄膜偏振片和四分之一波片，所述种子激光束为P偏振光，经过第二光束准直器，从所述薄膜偏振片透射后，被所述四分之一波片转换成圆偏振光，然后射入所述第二偏转棱镜；被放大后的所述种子激光束经过所述四分之一波片后，由圆偏振光变成了S偏振光，并且由所述薄膜偏振片翻转90°后输出。

7.根据权利要求6所述的多程盘式激光放大器，其特征在于：所述第一抛物面反射镜的反射曲面镀有对于所述泵浦激光束具有高反射率的第一介质膜，所述第二抛物面反射镜的反射曲面镀有对于所述种子激光束具有高反射率的第二介质膜；所述第一偏转光学棱镜组的反射平面均镀有所述第一介质膜；所述第一偏转光学棱镜组的反射平面均镀有所述第二介质膜。

8.根据权利要求7所述的多程盘式激光放大器，其特征在于：所述激光增益介质的厚度为0.15～0.35mm，其包括朝向所述第一抛物面反射镜的前表面，以及背向所述第一抛物面反射镜的后表面；所述前表面镀有对于所述泵浦激光束和所述种子激光束增透的第三介质膜；其后表面镀有对于所述泵浦激光束和所述种子激光束具有高反射率的第四介质膜以形成所述介质反射面。

9.根据权利要求8所述的多程盘式激光放大器，其特征在于：所述激光增益介质通过焊接、胶粘或键合的工艺固定在热沉上，所述热沉的另一面与射流冷却液接触以实现对所述激光增益介质的冷却，所述热沉由钨铜，金刚石，蓝宝石，碳化硅或氮化铝陶瓷制成。

10.根据权利要求1所述的多程盘式激光放大器，其特征在于：所述种子激光束的光斑直径为所述泵浦激光束的光斑直径的75％～85％。