CN118249180A - 一种多程激光放大器及激光放大方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多程激光放大器和激光放大方法，多程激光放大器包括楔形块状的增益介质，在增益介质的前后表面分别设置前特殊镀膜和后特殊镀膜，前特殊镀膜具有前临界角，后特殊镀膜具有后临界角，通过设置前临界角、后临界角及激光Ls与增益介质的入射角θ，使激光Ls在增益介质中经历多次反射，实现激光在增益介质中的多程放大。本申请中的多程激光放大器结构紧凑、大幅度减少了激光放大器内的光学元件、降低了多程激光放大器的制作成本，有效提高了单块增益介质的增益。本发明中的激光放大方法，通过确定多程激光放大器的参数来确定增益介质的表面特殊膜层，从而使激光Ls在增益介质中经历多次反射，实现激光在增益介质中的多程放大。

Description

一种多程激光放大器及激光放大方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其设计一种多程激光放大器及激光放大方法。

背景技术

固体激光振荡器，受增益、模式匹配、口径、光束质量等因素限制，输出激光能量或功率往往偏低，为获得更高的能量或功率，可采用一级或多级激光放大器对激光信号进一步加以放大，其实质是将低亮度的泵浦光能量存储于增益材料中，通过受激辐射方式将信号光放大，形成高亮度激光光源。固态激光放大器已广泛应用于各类高能激光器以及面向基础研究的大型激光装置，如激光惯性约束聚变驱动器、超短拍瓦激光装置等。

固体激光放大器为获得高的增益，一般采用再生放大或多程放大构型，其中再生放大需要采用电光开关，限制了激光器输出脉冲能量和功率；多程放大则一般需要在放大链路中插入多面镜子，使光束多次以不同角度入射到同一块增益材料中，以充分提取增益材料中储存的泵浦光能量，由于光路排布的复杂几何结构使得系统庞大，成本高昂，适用性受到一定的限制，研制紧凑、高效固体激光放大器是很多激光技术应用的迫切需求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本申请提供一种多程激光放大器及激光放大方法，以解决现有技术中多程放大器几何光路排布复杂、放大链路中光学元件数量过多的技术问题。

为了达到上述发明的目的，本申请提供的技术方案如下：

一种多程激光放大器，包括楔形块状的增益介质和泵浦光Lp，所述泵浦光Lp照射增益介质以放大激光Ls，增益介质的楔角为α，增益介质的折射率为n，增益介质相对激光Ls的入射方向倾斜放置，激光Ls从空气中入射增益介质，增益介质的厚度沿着激光Ls的入射方向逐渐增大，激光Ls依次经过的增益介质的表面分别为前表面、后表面，前表面与后表面的夹角即为增益介质的楔角；

增益介质的前表面设置有前特殊镀膜，前特殊镀膜朝向对空气的前表面具有前临界角γ_fc，激光Ls从空气入射增益介质前表面时，若激光Ls在增益介质内的折射角度小于或等于前临界角γ_fc，则激光Ls透射前特殊镀膜，若激光Ls在增益介质1内的折射角度大于前临界角γ_fc，则激光Ls从前特殊镀膜上反射；当激光Ls从增益介质中入射增益介质前表面时，激光Ls与前特殊镀膜的入射角小于或等于前临界角γ_fc时激光Ls透射前特殊镀膜，激光Ls与前特殊镀膜的入射角大于前临界角γ_fc时激光Ls从前特殊镀膜上反射。

增益介质的后表面设置有后特殊镀膜，后特殊镀膜具有后临界角γ_bc，在增益介质中，激光Ls入射后特殊镀膜的入射角大于或等于后临界角γ_bc射时，激光从后特殊镀膜上透射，激光Ls入射后特殊镀膜的入射角小于后临界角γ_bc时，激光Ls从后特殊镀膜上反射；

激光Ls从空气中入射增益介质前表面时，激光Ls与前特殊镀膜的入射角为θ，折射角为γ,设置：γ<γ_fc<γ+2α，γ+(N-2)α≤γ_bc<γ+Nα，其中N为激光Ls在增益介质中的程数，N为大于或等于3的奇数。

在一种实施方案中，所述包含单块增益介质。

在一种实施方案中，所述包含两块以上增益介质。。

在一种实施方案中，所述增益介质的可为同种增益材料，也可为多种不同类增益材料。

在一种实施方案中，所述增益介质的材料为掺钕磷酸盐玻璃、掺钕铝石榴石或掺镱铝石榴石。

在一种实施方案中，还包括隔离器和反射镜，所述隔离器和反射镜与所述增益介质串联，使激光Ls经过增益介质后再原路反射再次通过增益介质。

在一种实施方案中，通过设置前特殊薄膜的膜系和厚度以设置前临界角，通过设置后特殊薄膜的膜系和厚度以设置后临界角。

在一种实施方案中，所述前特殊镀膜和/或后特殊镀膜为Rugate薄膜或多层介质膜。

本申请还提供一种激光放大方法，采用如上述的多程激光放大器，包括以下步骤：

S1，确定多程激光放大器的参数；

S2，根据步骤S1中确定的参数，确定增益介质前特殊镀膜和和后特殊镀膜；

S3，在增益介质1的前表面设置S2确定的前特殊镀膜，在增益介质的后表面设置S2确定的后特殊镀膜，激光Ls入射增益介质，泵浦光Lp照射增益介质放大激光Ls。

基于上述技术方案，本发明取得了如下有益效果：

本发明中的多程激光放大器包括楔形块状的增益介质，在增益介质的前后表面分别设置前特殊镀膜和后特殊镀膜，前特殊镀膜具有前临界角，激光Ls从空气入射增益介质前表面时，若激光Ls在增益介质内的折射角度小于或等于前临界角γ_fc，则激光Ls透射前特殊镀膜，若激光Ls在增益介质内的折射角度大于前临界角γ_fc，则激光Ls从前特殊镀膜上反射；当激光Ls从增益介质中入射增益介质前表面时，激光Ls与前特殊镀膜的入射角小于或等于前临界角γ_fc时激光Ls透射前特殊镀膜，激光Ls与前特殊镀膜的入射角大于前临界角γ_fc时激光Ls从前特殊镀膜上反射。后特殊镀膜具有后临界角γ_bc，激光Ls与后特殊镀膜的入射夹角大于或等于后临界角γ_bc时可透射后特殊镀膜，激光Ls与后特殊镀膜的入射夹角小于后临界角γ_bc时可从后特殊镀膜上反射，设置θ≤前临界角γ_fc＜γ+2α，γ+(N-2)α＜后临界角γ_bc≤γ+Nα，通过前临界角、后临界角及激光Ls与增益介质的入射角θ的关系，使激光Ls在增益介质中经历多次反射，实现激光在增益介质中的多程放大。本申请中的多程激光放大器结构紧凑、大幅度减少了激光放大器内的光学元件、降低了成本，有效提高了单块增益介质的增益。本发明中的激光放大方法，通过确定多程激光放大器的参数来确定增益介质的表面特殊膜层，从而使激光Ls在增益介质中经历多次反射，实现激光在增益介质中的多程放大。

附图说明

图1是本申请实施例一中具有双块楔形块增益材料的多程激光放大器结构示意图；

图2是本申请实施例二中具有多个楔形块增益材料的多程激光放大器结构示意图。

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明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语,不能理解为指示或暗示相对重要性。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述。

本发明提供一种多程激光放大器，包括楔形块状的增益介质1和泵浦光Lp17，泵浦光Lp照射增益介质1以放大激光Ls2，增益介质的楔角为α，增益介质1的折射率为n，增益介质1相对激光Ls的入射方向倾斜放置，激光L2s从空气中入射增益介质1，增益介质1的厚度沿着激光Ls的入射方向逐渐增大，激光Ls2依次经过的增益介质1的表面分别为前表面、后表面，前表面与后表面的夹角即为增益介质的楔角α。

增益介质1的前表面设置有前特殊镀膜，前特殊镀膜具有前临界角γ_fc，激光Ls2从空气入射增益介质前表面时，激光Ls2在增益介质1内的折射角度小于或等于前临界角γ_fc时，激光Ls透射前特殊镀膜，激光Ls从空气入射增益介质前表面时，激光Ls2在增益介质1内的折射角度大于前临界角γ_fc时激光Ls从前特殊镀膜上反射；当激光Ls从增益介质中入射增益介质前表面时，激光Ls与前特殊镀膜的入射角小于或等于前临界角γ_fc时激光Ls透射前特殊镀膜，激光Ls与前特殊镀膜的入射角大于前临界角γ_fc时激光Ls从前特殊镀膜上反射。

增益介质1的后表面设置有后特殊镀膜，后特殊镀膜具有后临界角γ_bc，在增益介质中，激光Ls2入射后特殊镀膜的入射角大于或等于后临界角γ_bc射时，激光从后特殊镀膜上透射，激光Ls2入射后特殊镀膜的入射角小于后临界角γ_bc时，激光Ls从后特殊镀膜上反射；

激光Ls2从空气中入射增益介质1前表面时，激光Ls与前特殊镀膜的入射角为θ，折射角为γ,设置：γ≤γ_fc<γ+2α，γ+(N-2)α≤γ_bc<γ+Nα，其中N为激光Ls在增益介质中的程数，N为大于或等于3的奇数。

折射角γ与入射角θ、折射率n的关系如式(1)所示:

上述等式为公知常识，在多程激光放大器中可根据激光Ls与前特殊镀膜的入射角为θ、增益介质1的折射率为n和楔角α，通过上述A式和不等式确定前临界角γ_fc和后临界角γ_bc的取值范围。

在具体实施方案中，多程激光放大器可采用单块增益材料，为了提高增益，也可以采用双块或多块增益介质1串联。

实施例一

如图1所示，本实施例采用双块楔形块状的增益介质1串联，双块楔形块状相对设置，沿着激光Ls2的入射方向，依次设置有第一增益介质101和第二增益介质102，第一增益介质101的第一楔角3为α₁，第一增益介质101的第一折射率为n₁，第一增益介质101的前表面设置有第一前特殊镀膜，第一增益介质101的后表面设置有第一后特殊镀膜，激光Ls2与第一增益介质101前表面的第一入射角4为θ1，激光Ls2进入第一增益介质101后的第一折射角5为γ₁，第一前特殊镀膜的临界角为第一前临界角第一后特殊镀膜的临界角为第一后临界角/>激光在第一增益介质101的程数N为三程，设置其中，

因第一折射角5γ₁小于或等于第一前临界角激光Ls2透射第一增益介质101的前表面至第一增益介质101内，激光Ls2第一次照射第一增益介质101的后表面，激光Ls2与第一增益介质101的后表面的第一反射角6为β₁，第一增益介质101为楔形块状，且第一增益介质101的厚度沿着激光Ls2的入射方向逐渐增大，所以β₁＝γ₁+α₁，因γ₁+α₁＜第一后临界角/>激光Ls2第一次照射第一增益介质101的后表面时反射至第一增益介质101的前表面，激光Ls2与第一增益介质101的前表面的第二反射角7为β₂，β₂＝γ₁+2α₁，因第一前临界角/>激光Ls2在第一增益介质101的前表面反射至第一增益介质101的后表面，激光Ls2与第一增益介质101的后表面的第三反射角8为β₁，β₃＝γ₁+3α₁，因第一后临界角所以激光Ls2穿过第一增益介质101的后表面，激光Ls2与第一增益介质101的后表面的出射角为第一出射角9t₁。

第二增益介质102的第二楔角10为α₂，第一增益介质102的第一折射率为n₂，第二增益介质102的前表面设置有第二前特殊镀膜，第二增益介质102的后表面设置有第二后特殊镀膜，激光Ls2与第二增益介质102前表面的第二入射角11为θ₂，激光Ls2进入第二增益介质102后的第二折射角12为γ₂，第二前特殊镀膜的临界角为第二前临界角第二后特殊镀膜的临界角为第二后临界角/>激光在第二增益介质102的程数N同样为三程，设置 其中，/>

激光Ls2在第二增益介质102中的多程放大过程与其在第一增益介质101中相同，因第二折射角12γ₂小于或等于第二前临界角激光Ls2透射第二增益介质102的前表面至第二增益介质102内，激光Ls2第一次照射第二增益介质102的后表面，激光Ls2与第二增益介质102的后表面的第四反射角13为β₄，β₁＝γ₂+α₂，因γ₂+α₂＜第二后临界角/>激光Ls2第一次照射第二增益介质102的后表面后反射至第二增益介质102的前表面，激光Ls2与第二增益介质102的前表面的第五反射角14为β₅，β₅＝γ₂+2α₂，因第二前临界角激光Ls2在第二增益介质102的前表面反射至第二增益介质102的后表面，激光Ls2与第二增益介质102的后表面的第六反射角15为β₆，β₆＝γ₁+3α₁，因第二后临界角所以激光Ls2穿过第二增益介质102的后表面，激光Ls2与第二增益介质102的后表面的出射角为第二出射角16t₂。

泵浦光17L_p照射第一增益介质101和第二增益介质102上，以三程放大激光Ls2。

多程激光放大器采用多块增益介质1串联时，增益介质1可为同种增益材料，也可为多种不同类增益材料。

增益介质1的材料为掺钕磷酸盐玻璃、掺钕铝石榴石或掺镱铝石榴石中的任意一种或多种。

在其他实施方案中，多程激光放大器还包括隔离器和反射镜，隔离器和反射镜与增益介质1串联，使激光Ls经过增益介质1后再原路反射再次通过增益介质1，从而进一步放大激光Ls2。

本实施例中可通过设置前特殊薄膜的膜系和厚度以设置前临界角，通过设置后特殊薄膜的膜系和厚度以设置后临界角，前特殊镀膜和/或后特殊镀膜为为Rugate薄膜或多程介质膜，可实现角度选通。。

实施例二

本实施例还提供一种激光放大方法，采用上述多程激光放大器装置，包括以下步骤：

S1，确定多程激光放大器的参数。

多程激光放大器装置的参数包括增益介质1的参数、激光Ls2的参数、激光Ls2放大的倍数、激光Ls2的总程数和泵浦光17L_p的参数；

其中，增益介质1的参数包括增益介质1的数量、激光Ls在增益介质1中的程数N、增益介质1的折射率n、增益介质1的材质、激光Ls2在增益介质中的程数及增益介质1的楔角α，激光Ls2的参数包括激光Ls2的中心波长和偏振态，激光Ls2与增益介质前表面的入射角θ，激光Ls2进入增益介质1后的折射角为γ。

S2，根据步骤S1中确定的参数，确定增益介质1前特殊镀膜和和后特殊镀膜。

根据S1确定的激光Ls2在的增益介质中的程数、激光Ls2与增益介质前表面的入射角θ，确定增益介质1前特殊镀膜和和后特殊镀膜，设置前特殊镀膜的前临界角和后特殊镀膜的后临界角，γ≤γ_fc<γ+2α，γ+(N-2)α≤γ_bc<γ+Nα,其中折射角γ与入射角θ、折射率n的关系如式(2)所示:

从而使激光Ls2照射增益介质1时，通过前后特殊膜层不同的透反特性和激光Ls与增益介质1的入射角度的配合，激光Ls2经过增益介质1时在前特殊镀膜和后特殊膜层之间经过多次反射，形成激光Ls2在增益介质1内的程数。

S3，在增益介质1的前表面设置S2确定的前特殊镀膜，在增益介质1的后表面设置S2确定的后特殊镀膜，激光Ls2入射增益介质1，泵浦光17Lp照射增益介质1放大激光Ls2。

如图2所示，本实施例在S1中确定增益介质1的为掺钕磷酸盐玻璃，多程激光放大器包含8片楔形片掺钕磷酸盐玻璃，8片楔形片增益介质1双双相对设置，激光Ls在每块增益介质1中通过3次，每块增益介质1折射率均为1.504，每块增益介质1的楔角为1°，激光Ls2中心波长为1053nm，线偏振光入射，激光Ls2与增益介质1的前表面入射角为56.4°，折射角度为33.6°。

在S2中，根据S1确定的激光Ls2在的增益介质中的程数、激光Ls2与增益介质前表面的入射角θ，确定增益介质1前特殊镀膜和和后特殊镀膜，设置前特殊镀膜的前临界角和后特殊镀膜的后临界角，33.6°≤前临界角γ_fc＜35.6°，34.6°＜后临界角γ_bc≤36.6,其中折射角γ与入射角θ、折射率n的关系如式A所示:

从而使激光Ls2照射增益介质1时，通过前后特殊膜层不同的透反特性和激光Ls与增益介质1的入射角度的配合，激光Ls2经过增益介质1时在前特殊镀膜和后特殊膜层之间经过2反射，形成激光Ls2在每块增益介质1内的3次通过。

在S2中，在每块增益介质1的前表面设置S2确定的前特殊镀膜，在每块增益介质1的后表面设置S2确定的后特殊镀膜，激光Ls2入射增益介质1，泵浦光17Lp照射增益介质1放大激光Ls2。

根据大口径钕玻璃增益材料特性，取小信号增益系数为0.05/cm,单片单程增益1.27，三程增益2.05，八片增益介质串联，小信号增益约310；光路增设一片反射镜20使光束原路反射再次通过增益介质，总增益约96000倍，饱和增益约4000倍，等效于48张单程钕玻璃放大增益介质。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种多程激光放大器，其特征在于，包括楔形块状的增益介质和泵浦光Lp，所述泵浦光Lp照射增益介质以放大激光Ls，增益介质的楔角为α，增益介质的折射率为n，增益介质相对激光Ls的入射方向倾斜放置，激光Ls从空气中入射增益介质，增益介质的厚度沿着激光Ls的入射方向逐渐增大，激光Ls依次经过的增益介质的表面分别为前表面、后表面，前表面与后表面的夹角即为增益介质的楔角；

增益介质的前表面设置有前特殊镀膜，前特殊镀膜具有前临界角γ_fc，激光Ls从空气入射增益介质前表面时，若激光Ls在增益介质内的折射角度小于或等于前临界角γ_fc，则激光Ls透射前特殊镀膜，若激光Ls在增益介质内的折射角度大于前临界角γ_fc，则激光Ls从前特殊镀膜上反射；当激光Ls从增益介质中入射增益介质前表面时，激光Ls与前特殊镀膜的入射角小于或等于前临界角)_fc时激光Ls透射前特殊镀膜，激光Ls与前特殊镀膜的入射角大于前临界角γ_fc时激光Ls从前特殊镀膜上反射。

增益介质的后表面设置有后特殊镀膜，后特殊镀膜具有后临界角γ_bc，在增益介质中，激光Ls入射后特殊镀膜的入射角大于或等于后临界角γ_bc射时，激光从后特殊镀膜上透射，激光Ls入射后特殊镀膜的入射角小于后临界角γ_bc时，激光Ls从后特殊镀膜上反射；

激光Ls从空气中入射增益介质前表面时，激光Ls与前特殊镀膜的入射角为θ，折射角为γ,设置：γ<γ_fc<γ+2α，γ+(N-2)α≤γ_bc<γ+Nα，其中N为激光Ls在增益介质中的程数，N为大于或等于3的奇数。

2.根据权利要求1所述的多程激光放大器，其特征在于，包含单块增益介质。

3.根据权利要求1所述的多程激光放大器，其特征在于，包含两块以上增益介质。

4.根据权利要求3所述的多程激光放大器，其特征在于，所述增益介质的可为同种增益材料，也可为多种不同类增益材料。

5.根据权利要求1所述的多程激光放大器，其特征在于，所述增益介质的材料为掺钕磷酸盐玻璃、掺钕铝石榴石或掺镱铝石榴石。

6.根据权利要求1所述的多程激光放大器，其特征在于，还包括隔离器和反射镜，所述隔离器和反射镜与所述增益介质串联，使激光Ls经过增益介质后再原路反射再次通过增益介质。

7.根据权利要求1所述的多程激光放大器，其特征在于，通过设置前特殊薄膜的膜系和厚度以设置前临界角，通过设置后特殊薄膜的膜系和厚度以设置后临界角。

8.根据权利要求1所述的多程激光放大器，其特征在于，所述前特殊镀膜和/或后特殊镀膜为Rugate薄膜或多层介质膜。

9.一种激光放大的方法，采用如权利要求1～8任一项所述的多程激光放大器，包括以下步骤：

S1，确定多程激光放大器的参数；

S2，根据步骤S1中确定的参数，确定增益介质前特殊镀膜和和后特殊镀膜；

S3，在增益介质1的前表面设置S2确定的前特殊镀膜，在增益介质的后表面设置S2确定的后特殊镀膜，激光Ls入射增益介质，泵浦光Lp照射增益介质放大激光Ls。