CN117477333B - 一种用于激光的多程放大装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光的多程放大装置及方法，包括：泵浦增益组件，所述泵浦增益组件包括为装置提供泵浦增益能量的半导体泵浦源、设于所述半导体泵浦源输出端的泵浦整形模块以及设于所述泵浦整形模块输出端的激光增益晶体；反射组件，所述反射组件包括对向设置的第一梯形反射镜和第二梯形反射镜，使种子光在二者之间反复反射；调节组件，所述调节组件包括设于所述第一梯形反射镜上的第一等腰直角棱镜和第三等腰直角棱镜、以及设于所述第二梯形反射镜上的第二等腰直角棱镜，使种子光发生横向反射进入下一放大光路。简化了激光放大装置的结构，提升了激光放大提取效率，减少了光学元件的使用，降低了元件的调节难度，提升了装置操作的容错率。

Description

一种用于激光的多程放大装置及方法

技术领域

本发明属于激光放大技术领域，更具体地，涉及一种用于激光的多程放大装置及方法。

背景技术

随着科技发展和经济增长，激光技术广泛应用于工业、科研、生物和医疗等领域，随着应用对激光功率/能量的需求不断提升，在激光源的功率等级和能量等级不断提升的同时，对激光源的工程化和装备化发展的需求更为紧迫。基于这种需求，提升激光放大提取效率的途径包括：1.提升泵浦功率；2.提升注入种子光的功率/能量；3.增加放大程数。前两种途径受限于客观条件限制提升难度较高，因此采用多程放大方案来增加放大程数成为了较为理想的提高放大提取效率的方式。

目前市面上的多程放大方案大多采用多组反射镜进行光路折叠的方案增加光程，公开号为CN116865086A的中国专利公开了一种多程放大薄片激光器，包括热沉，内部设有冷却流道；泵浦光巴条阵列，设于所述热沉的外周面；整形透镜，设于所述热沉的外周面，并位于所述泵浦光巴条阵列的光路下游；激光增益晶体，设于所述热沉的端面，位于所述整形透镜的光路下游，所述激光增益晶体包括键合连接的无掺杂基质和薄片增益介质，所述激光增益晶体的底面与侧面之间具有预设倾角，所述激光增益晶体的底面与所述热沉的端面连接，所述泵浦光巴条阵列发出的泵浦光经所述整形透镜，由所述底面进入所述激光增益晶体；多个全反射镜，间隔分布于所述激光增益晶体的光路下游。种子光通过在激光增益晶体和多个全反射镜之间多次反射，进行多程放大后输出激光，实现了激光器的高功率、高效率及高光束质量输出。

但是，公开号为CN116865086A的中国专利中使用的光学元件过多，同时带来了光路结构复杂以及光路调节难度大的问题，在实际使用过程中，会造成设备调试困难、检修过程复杂、操作容错率低等不可避免的问题，因此，急需一种具有简单光路的多程放大装置，降低元件的调节难度，以满足激光源的工程化以及装备化的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种用于激光的多程放大装置及方法，将用于反射的多个光学元件替换为一组反射组件，使用调节组件使种子光产生横向位移，增加在反射组件之间的反射程数，使种子光在调节组件的作用下，于反射组件中反复反射放大，实现仅用一组反射元件完成激光的多程放大。简化了激光放大装置的结构，简化了激光放大光路，提升了激光放大提取效率，同时减少了光学微元件的使用，降低了元件的调节难度，增大了装置操作的容错率。

按照本发明实施例的第一方面，提供一种用于激光的多程放大装置，包括：

泵浦增益组件，所述泵浦增益组件包括为装置提供泵浦增益能量的半导体泵浦源、设于所述半导体泵浦源输出端的泵浦整形模块以及设于所述泵浦整形模块输出端的激光增益晶体；

反射组件，所述反射组件包括对向设置的第一梯形反射镜和第二梯形反射镜，种子光在二者之间反复反射；

以及调节组件，所述调节组件包括设于所述第一梯形反射镜上的第一等腰直角棱镜和第三等腰直角棱镜、以及设于所述第二梯形反射镜上的第二等腰直角棱镜，使种子光产生横向位移，增加在所述反射组件之间的反射程数，使种子光在调节组件的作用下，于反射组件中反复反射放大，实现仅用一组反射元件完成激光的多程放大。

进一步地，所述第一梯形反射镜为梯形台体结构，以斜面为镜面；

所述第二梯形反射镜与第一梯形反射镜结构相同。

进一步地，所述第一梯形反射镜和第二梯形反射镜其中一个上下底面倒置，二者的反射面处于平行状态；

所述第一梯形反射镜和第二梯形反射镜上下底之间错位设置，且二者之间留有一定空隙形成放大反射腔。

进一步地，所述第一梯形反射镜底部锐角α与激光反射角θ之间的关系为：

θ=π-2α

其中，所述第一梯形反射镜根据设计要求调整底部锐角α的大小，以改变激光在激光增益晶体中的放大程数。

进一步地，所述半导体泵浦源成对使用，二者之间形成泵浦叠阵；

所述泵浦整形模块也成对使用，将泵浦光整形为激光晶体小面；

所述激光增益晶体设于所述泵浦整形模块之间，将泵浦能量转化为种子光的能量，对其进行放大。

进一步地，所述激光增益晶体还设于所述放大反射腔中，与所述第一梯形反射镜和第二梯形反射镜的上下底面垂直设置。

进一步地，所述第一等腰直角棱镜为全反射镜，且为三角台体结构，整体为高透玻璃，底面通透，两斜面为反射面，激光由底面射进，经过两个斜面反射后再由底面射出；

所述第二等腰直角棱镜和第三等腰直角棱镜与所述第一等腰直角棱镜结构相同。

进一步地，所述调节组件中的等腰直角棱镜根据需求设置数量，均设于所述反射组件上距离激光增益晶体较远的一端，且于第一梯形反射镜和第二梯形反射镜上并排布置，两个梯形反射镜上的等腰直角棱镜错位排布。

进一步地，还包括设于两套装置之间用于连接二者的导光棱镜；

所述导光棱镜为等腰梯形台体结构，该台体的大底面为通透面，两斜面为反射面，两反射面分别设于两套装置的输出口与输入口；

根据设计要求需多套装置串联使用时，利用所述导光棱镜于装置之间进行两两相连，使激光在导光棱镜内横向平移进入下一多程放大装置中。

按照本发明实施例的第二方面，提供一种用于激光的多程放大方法，包括以下步骤：

S100、调整装置位置，使第一梯形反射镜与第二梯形反射镜的反射面完全平行，激光增益晶体于两个梯形反射镜之间且与两边夹角相同，所有等腰直角棱镜并排对向交错固定于梯形反射镜上且入射玻璃面为与激光增益晶体平行；

S200、接通半导体泵浦源、泵浦整形模块以及激光增益晶体电源，调整输出参数，由装置的输入端注入种子光，该种子光在两个梯形反射镜之间多次反射，每次反射均经过激光增益晶体完成一次放大，直至种子光行进至梯形反射镜边缘；

S300、种子光于梯形反射镜边缘进入第一等腰直角棱镜一侧，经过横向反射后，由另一侧射出，且于入射激光平行，再次进入反射组件，进行多次反射放大，经过多次循环，直至由输出端射出。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明的一种用于激光的多程放大装置及方法，将用于反射的多个光学元件替换为一组反射组件，使用调节组件使种子光产生横向位移，增加在反射组件之间的反射程数，使种子光在调节组件的作用下，于反射组件中反复反射放大，实现仅用一组反射元件完成激光的多程放大。简化了激光放大装置的结构，简化了激光放大光路，提升了激光放大提取效率，同时减少了光学微元件的使用，降低了元件的调节难度，增大了装置操作的容错率。

2.本发明的泵浦整形模块接收半导体泵浦源输出的泵浦增益能量，并对该泵浦脉冲的时间、频率以及空间进行调控，通过整形泵浦输出能量来优化能量的传递过程，实现泵浦源与激光介质之间的最大传递效率，确保最佳的激光放大效果。

3.本发明的一种用于激光的多程放大装置，使用多个半导体泵浦源1以及泵浦整形模块2为种子光提供放大能量，增加装置能量输入，有效增加了激光放大的功率，使激光单程放大获得的能量增大，明显增加了激光的放大效果。

4.本发明的一种用于激光的多程放大装置，将反射镜设计为梯形台体，具有两个平行的底面，使用过程中，能够更好的对两个反射镜进行调整定位，使其保持平行，以控制激光的反射路径，保证反射组件的反射效果，且结构稳定不易受外界环境干扰，一次调整后可永久使用，无需多次调整，且放大光路结构不存在光路回光，无需光隔离器，具有定标放大特点。

附图说明

图1为本发明实施例一种用于激光的多程放大装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一种用于激光的多程放大装置的光路示意图；

图3为本发明实施例一种用于激光的多程放大装置的光路俯视图；

图4为本发明实施例一种用于激光的多程放大装置的光路侧视图；

图5为本发明实施例一种用于激光的多程放大装置的等腰直角棱镜光路示意图；

图6为本发明实施例一种用于激光的多程放大装置的组合使用示意图；

图7为本发明实施例一种用于激光的多程放大方法的步骤示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-半导体泵浦源、2-泵浦整形模块、3-激光增益晶体、4-第一梯形反射镜、5-第二梯形反射镜、6-第一等腰直角棱镜、7-第二等腰直角棱镜、8-第三等腰直角棱镜、9-导光棱镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

如图1-3所示，本实施例提供一种用于激光的多程放大装置，包括：为激光放大提供能量的泵浦增益组件、用于反射种子光的反射组件以及用于调整种子光放大位置的调节组件。将用于反射的多个光学元件替换为一组反射组件，使用调节组件使种子光产生横向位移，增加在反射组件之间的反射程数，使种子光在调节组件的作用下，于反射组件中反复反射放大，实现仅用一组反射元件完成激光的多程放大。简化了激光放大装置的结构，简化了激光放大光路，提升了激光放大提取效率，同时减少了光学微元件的使用，降低了元件的调节难度，增大了装置操作的容错率。

所述泵浦增益组件包括为装置提供泵浦增益能量的半导体泵浦源1、设于所述半导体泵浦源1输出端的泵浦整形模块2以及设于所述泵浦整形模块2输出端的激光增益晶体3。其中，所述半导体泵浦源1成对使用，且输出端相向设置。所述泵浦整形模块2也为成对使用，分别设于所述半导体泵浦源1的输出端，接收其输出的泵浦增益能量，并对该泵浦脉冲的时间、频率以及空间进行调控，通过整形泵浦输出能量来优化能量的传递过程，实现泵浦源与激光介质之间的最大传递效率，确保最佳的激光放大效果。所述激光增益晶体3设于所述泵浦整形模块2输出端之间，接收所有泵浦整形模块2的输出增益能量，并将该能量传递给激光。使用多个半导体泵浦源1以及泵浦整形模块2为种子光提供放大能量，增加装置能量输入，有效增加了激光放大的功率，使激光单程放大获得的能量增大，明显增加了激光的放大效果。

如图4所示，所述反射组件包括对向设置的第一梯形反射镜4和第二梯形反射镜5。其中，所述第一梯形反射镜4为梯形台体结构，以斜面为镜面，所述第一梯形反射镜4的底部锐角为α；所述第二梯形反射镜5结构与第一梯形反射镜4相同。所述第一梯形反射镜4和第二梯形反射镜5斜面相对设置，其中一个上下底面倒置，使两个反射镜的反射面处于平行状态，二者之间错位设置，且留有一定空隙形成放大反射腔，所述激光增益晶体3位于该放大反射腔中，与两个反射镜的上下底面垂直设置。梯形台体具有两个平行的底面，使用过程中，能够更好的对两个反射镜进行调整定位，使其保持平行，以控制激光的反射路径，保证反射组件的反射效果。

优选的，所述第一梯形反射镜4和第二梯形反射镜5设置为梯形台体仅为本发明的较优实施例，保证两个反射面相互平行的任何可行组合，均可作为本发明的反射组件。

通过调整所述第一梯形反射镜4和第二梯形反射镜5上反射面的倾斜程度以调整与激光增益晶体3之间的夹角，达到调节激光放大光程的目的。激光进入所述放大反射腔中，经过激光增益晶体3获得能量被放大，到达对向反射面以θ角度反射回放大反射腔中，再经过激光增益晶体3获得能量被放大，到达另一反射面以θ角度反射，如此反复，使激光在所述放大反射腔中多次放大。仅需一对光学元件便实现对激光的多次放大，第一梯形反射镜4和第二梯形反射镜5对一条光路进行调整完成后，后续光路也同时调整完成，简化了装置的调节步骤，降低了装置的调节难度，提高了装置的空间利用率，实现了在紧凑空间内完成对激光的多次放大。

其中，所述第一梯形反射镜4底部锐角α与激光反射角θ之间的关系为：

θ=π-2α

优选的，所述第一梯形反射镜4和第二梯形反射镜5的底部锐角α可根据应用需求进行调整，以改变激光在二者之间的反射次数，进而改变激光在激光增益晶体3中的放大程数，进一步增加激光的放大功率。

所述调节组件包括设于所述第一梯形反射镜4上的第一等腰直角棱镜6和第三等腰直角棱镜8、以及设于所述第二梯形反射镜5上的第二等腰直角棱镜7。所述第一等腰直角棱镜6与第三等腰直角棱镜8设于所述第一梯形反射镜4短底一端的端面上，以反射面朝向所述放大反射腔并排设置，所述第二等腰直角棱镜7设于所述第二梯形反射镜5短底一端的端面上，以反射面朝向所述放大反射腔设于该端面中间。其中，所述第一等腰直角棱镜6为全反射镜，且为三角台体结构，整体为高透玻璃，底面通透，两斜面为反射面，激光由底面射进，经过两个斜面反射后再由底面射出，减小光学元件表面的光损耗，并有效地控制和导引激光光束。所述第二等腰直角棱镜7与第三等腰直角棱镜8结构与所述第一等腰直角棱镜6相同。

如图5所示，激光由所述第一等腰直角棱镜6的底部通透面垂直射入台体中，在台体内部一个斜反射面上反射到另外一个斜反射面，经过两个反射面的反射，出射激光按照平行于入射激光且方向相反的路径射出，使激光在装置内横向平移进入下一程放大光路中，再由所述反射组件进行反复反射放大，种子光不断在两块梯形反射镜之间反射放大以及经过等腰直角棱镜转折进入下一程放大，直至经过全部的增益介质后射出。在有限长度的反射组件中增加几倍的光程，提升了反射组件的利用率，实现了在简单结构中完成激光的多程放大。

优选的，该装置以所述第二等腰直角棱镜7的一侧作为输入端、以其另一端为输出端，激光经输入端进入反射组件间进行多次反射放大，到达装置底端后由所述第一等腰直角棱镜6或第三等腰直角棱镜8横向反射至下一程放大光路，并平行于原光路反方向再次于反射组件间进行多次反射放大，如此反复，直至经过全部增益介质，最终由装置输出端射出。

优选的，所述调节组件中的等腰直角棱镜可根据需求设置数量，均设于所述反射组件上距离激光增益晶体3较远的一端，且于第一梯形反射镜4和第二梯形反射镜5上并排布置，两个梯形反射镜上的等腰直角棱镜错位排布。

实施例2

如图6所示，本实施例将至少两套实施例1中所述装置组合使用，利用导光棱镜9进行连接。所述导光棱镜9为等腰梯形台体结构，该台体的大底面为通透面，两斜面为反射面，两反射面分别设于两套装置的输出口与输入口。于上套装置中完成放大的激光在导光棱镜9的作用下，进入下一套装置中，以相同的方式继续进行放大。激光由所述导光棱镜9的底部通透面垂直射入台体中，在台体内部一个斜反射面上反射到另外一个斜反射面，经过两个反射面的反射，出射激光按照平行于入射激光且方向相反的路径射出，使激光在导光棱镜9内横向平移进入下一多程放大装置中。

优选的，根据激光放大的需求设置装置的数量选用不同规格的导光棱镜9，依据相邻两个装置之间的距离设置所述导光棱镜9的长度，使激光在多个装置之间稳定传输，达到持续放大的目的。

实施例3

如图7所示，本发明实施例提供一种用于激光的多程放大方法，包括：

S100、调整装置位置，使第一梯形反射镜4与第二梯形反射镜5的反射面完全平行，激光增益晶体3于两个梯形反射镜之间且与两边夹角相同，所有等腰直角棱镜并排对向交错固定于梯形反射镜上且入射玻璃面为与激光增益晶体3平行；

S200、接通半导体泵浦源1、泵浦整形模块2以及激光增益晶体3电源，调整输出参数，由装置的输入端注入种子光，该种子光在两个梯形反射镜之间多次反射，每次反射均经过激光增益晶体3完成一次放大，直至种子光行进至梯形反射镜边缘；

S300、种子光于梯形反射镜边缘进入第一等腰直角棱镜6一侧，经过横向反射后，由另一侧射出，且于入射激光平行，再次进入反射组件，进行多次反射放大，经过多次循环，直至由输出端射出。

实施例4

本实施例在实施例3中一种用于激光的多程放大方法的基础上，于所述步骤S100后还包括：

S400、根据设计需求，将多套装置串联在一起，并合理设置好各装置之间位置、距离等空间关系，并在串联前后的装置之间用导光棱镜9进行光路连接。

于所述步骤S300后还包括：

S500、由装置输出端射出的激光，垂直进入导光棱镜9的一侧，经过横向反射后，由另一侧射出，进入下一装置的输出端，开始下一个放大循环。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于激光的多程放大装置，其特征在于，包括：

泵浦增益组件，所述泵浦增益组件包括为装置提供泵浦增益能量的半导体泵浦源（1）、设于所述半导体泵浦源（1）输出端的泵浦整形模块（2）以及设于所述泵浦整形模块（2）输出端的激光增益晶体（3）；

反射组件，所述反射组件包括对向设置的第一梯形反射镜（4）和第二梯形反射镜（5），种子光在二者之间反复反射；

以及调节组件，所述调节组件包括设于所述第一梯形反射镜（4）上的第一等腰直角棱镜（6）和第三等腰直角棱镜（8）、以及设于所述第二梯形反射镜（5）上的第二等腰直角棱镜（7），使种子光产生横向位移，增加在所述反射组件之间的反射程数，使种子光在调节组件的作用下，于反射组件中反复反射放大，实现仅用一组反射元件完成激光的多程放大；

所述第一梯形反射镜（4）为梯形台体结构，以斜面为镜面；所述第二梯形反射镜（5）与第一梯形反射镜（4）结构相同；二者之间留有一定空隙形成放大反射腔；

所述第一等腰直角棱镜（6）与第三等腰直角棱镜（8）设于所述第一梯形反射镜（4）短底一端的端面上，以反射面朝向所述放大反射腔并排设置，所述第二等腰直角棱镜（7）设于所述第二梯形反射镜（5）短底一端的端面上，以反射面朝向所述放大反射腔设于该端面中间。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光的多程放大装置，其特征在于，所述第一梯形反射镜（4）和第二梯形反射镜（5）其中一个上下底面倒置，二者的反射面处于平行状态；

所述第一梯形反射镜（4）和第二梯形反射镜（5）上下底之间错位设置，且二者之间留有一定空隙形成放大反射腔。

3.根据权利要求2所述的一种用于激光的多程放大装置，其特征在于，所述第一梯形反射镜（4）底部锐角α与激光反射角θ之间的关系为：

θ=π-2α

其中，激光反射角θ为激光反射光线与水平线之间的夹角；

其中，所述第一梯形反射镜（4）根据设计要求调整底部锐角α的大小，以改变激光在激光增益晶体（3）中的放大程数。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于激光的多程放大装置，其特征在于，所述半导体泵浦源（1）成对使用，二者之间形成泵浦叠阵；

所述泵浦整形模块（2）也成对使用，将泵浦光整形为激光晶体小面；

所述激光增益晶体（3）设于所述泵浦整形模块（2）之间，将泵浦能量转化为种子光的能量，对其进行放大。

5.根据权利要求4所述的一种用于激光的多程放大装置，其特征在于，所述激光增益晶体（3）还设于所述放大反射腔中，与所述第一梯形反射镜（4）和第二梯形反射镜（5）的上下底面垂直设置。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于激光的多程放大装置，其特征在于，所述第一等腰直角棱镜（6）为全反射镜，且为三角台体结构，整体为高透玻璃，底面通透，两斜面为反射面，激光由底面射进，经过两个斜面反射后再由底面射出；

所述第二等腰直角棱镜（7）和第三等腰直角棱镜（8）与所述第一等腰直角棱镜（6）结构相同。

7.根据权利要求6所述的一种用于激光的多程放大装置，其特征在于，所述调节组件中的等腰直角棱镜根据需求设置数量，均设于所述反射组件上距离激光增益晶体（3）较远的一端，且于第一梯形反射镜（4）和第二梯形反射镜（5）上并排布置，两个梯形反射镜上的等腰直角棱镜错位排布。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于激光的多程放大装置，其特征在于，还包括设于两套装置之间用于连接二者的导光棱镜（9）；

所述导光棱镜（9）为等腰梯形台体结构，该台体的大底面为通透面，两斜面为反射面，两反射面分别设于两套装置的输出口与输入口；

根据设计要求需多套装置串联使用时，利用所述导光棱镜（9）于装置之间进行两两相连，使激光在导光棱镜（9）内横向平移进入下一多程放大装置中。

9.一种用于激光的多程放大方法，利用如权利要求1-8中任一项所述的一种用于激光的多程放大装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

S100、调整装置位置，使第一梯形反射镜（4）与第二梯形反射镜（5）的反射面完全平行，激光增益晶体（3）于两个梯形反射镜之间且与两边反射面的夹角相同，所有等腰直角棱镜并排对向交错固定于梯形反射镜上且入射玻璃面为与激光增益晶体（3）平行；

S200、接通半导体泵浦源（1）、泵浦整形模块（2）以及激光增益晶体（3）电源，调整输出参数，由装置的输入端注入种子光，该种子光在两个梯形反射镜之间多次反射，每次反射均经过激光增益晶体（3）完成一次放大，直至种子光行进至梯形反射镜边缘；

S300、种子光于梯形反射镜边缘进入第一等腰直角棱镜（6）一侧，经过横向反射后，由另一侧射出，且于入射激光平行，再次进入反射组件，进行多次反射放大，经过多次循环，直至由输出端射出。