专利名称：一种多程激光放大方法及其增益模块的制作方法
技术领域：
一种涉及多程激光放大方法及其增益模块，属于激光器设计领域，主要涉及固体 激光器的增益介质。
背景技术：
目前采用板条状增益介质的激光放大器泵浦方式多采用侧面泵浦，这会使边缘温 度高，中心温度低，导致板条侧面边缘与中心产生温度梯度；上下两个大面进行冷却，则使 表面温度低，中心温度相对高，因此厚度方向也会出现温度梯度，温度梯度，导致不同厚度 位置折射率不同，一束激光中的不同部位经历的折射率不同，就会导致光程差。种子源激光 光路主要有以下几种类型。直通式光路；两个大面之间的之字形光路，如图2所示；两个较 大侧面之间的之字形光路。如图3所示。直通式光路结构比较简单，被放大激光以直线传播形式从板条一个端面进入，从 另一个端面出射，缺点是由于板条的热效应，光线会产生光程差，从而形成热透镜效应，使 光束波前畸变，严重影响光束质量。而且直通式光路在板条内所通过区域较小，能量提取率 较低。在两个大面之间全反射的之字形光路，这种放大结构的泵浦方式一般采用上下两 个大面为泵浦面，在抵消温度梯度造成的光程差方面有很好的效果，但从图2可以看出光 路只占据了板条的中部，其余大部分泵浦区域的能量没有被利用，能量提取率依然不够高。在两个侧面之间反射的之字形光路均勻分布于板条的全部区域，光路也比较长， 能量提取率高，若采用大面作为泵浦面，无法弥补两个大面之间的温度梯度造成的光程差， 在此方向会产生热透镜效应，使光束质量变坏。
发明内容
针对现有放大器中种子光能量提取率低，同时存在温度梯度引起的光程差，使光 束质变差的不足，本发明提供了一种多程激光放大方法及其增益模块，使种子光有较长的 传播路径，充分吸收泵浦能量，并有效抵消温度梯度带来的光程差，提高光束质量。为了实现上述目的，本发明提出了一种多程激光放大方法及其增益模块，适用于 采用固体材料作为增益介质的固体激光器。其实现方法1为如图3，采用长方体形的板条增益介质1，该长方体为两个大面， 四个侧面，其长、宽、厚的尺寸可实现如下功能将位于一个大面上的四个顶角倒角成四个 等边三角形面5、6、7、8，且四个三角形面5、6、7、8镀种子光波长的增透膜，板条增益介质1 的两个大面镀种子光波长的45°全反膜，板条增益介质1的四个侧面镀种子光波长的全反 膜与泵浦光波长增透膜；在其中三个等边三角形面5、6、7外设置全反镜2、3、4 ；较长的两个 侧面作为泵浦面；激光器中的振荡器发出的种子光13垂直于三角面8入射，在上下两个大 面之间以之字形传播，种子光依次到达侧面10，侧面11，侧面12，侧面9，侧面10，之后从三 角面7射出，这是种子光在板条中的第一次放大，经全反镜4反射到达全反镜3，垂直于三角面6入射板条，同样在上下两个大面之间以之字形传播，种子光依次先到达侧面12，侧面 9，侧面10，侧面11，侧面12，之后从三角面5射出，这是种子光在板条内的第二次放大，之 后被全反镜2原路返回，这样沿着上述两次放大的光路逆行，最后被放大的光沿着最初的 入射光光路从三角面8出射，经四次放大离开板条。板条增益介质1的尺寸通过光学软件 Tracepro进行光路模拟，确定最佳的符合要求的尺寸。按照方法1设置多程激光放大增益模块将板条增益介质1制成长方体形，即包括 两个大面，四个侧面9、10、11、12，其长、宽、厚的尺寸按上述方法确定；将位于一个大面上 的四个顶角倒角成四个等边三角形面5、6、7、8，且四个三角形面5、6、7、8镀种子光波长的 增透膜，板条增益介质1的两个大面镀种子光波长的45°全反膜，板条增益介质1的四个侧 面镀种子光波长的全反膜与泵浦光波长增透膜；在其中三个等边三角形面5、6、7外对应设 置全反镜2、3、4，其中，全反镜2平行于等边三角形面5设置，全反镜3、4设置成能使垂直于 三个等边三角形面6或7出射的光线反射至全反镜4或3再垂直入射于三个等边三角形面 (7 或 6)。其实现方法2为如图4，采用长、宽值接近的近正方体形的板条增益介质22，该近 正方体为两个大面，四个侧面，其长、宽、厚的尺寸可实现如下功能将近正方体侧面的四条 棱切去，截面成四个矩形面23、24、25、26，四个矩形面镀种子光波长的增透膜，板条增益介 质22的四个侧面镀种子光波长的全反膜与泵浦光波长增透膜；在其中三个矩形面24、25、 26外设置全反镜27、28、29，其中全反镜27、29为直角三棱镜，且两个直角三棱镜的斜面平 行于两个相对的矩形面设置，全反镜28为平面镜，且平行于矩形面25设置；将侧面用作泵 浦面，激光器中的振荡器发出的种子光13垂直于未设全反镜的矩形面入射板条增益介质 22，在板条增益介质22的四个侧面及两个直角三棱镜间多次反射，从矩形面25出射，再经 全反镜28反射，原路返回，最终从未设全反镜的矩形面出射23。按照方法2设置多程激光放大增益模块将板条增益介质22制成近正方体形，即 包括两个大面，四个侧面，其长、宽、厚的尺寸按方法2的要求设置；将正方体侧面的四条棱 切去，截面成四个矩形面23、24、25、26，且四个矩形面镀种子光波长的增透膜，板条增益介 质22的四个侧面镀种子光波长的全反膜与泵浦光波长增透膜；在其中三个矩形面24、25、 26外设置全反镜27、28、29，其中全反镜27、29为直角三棱镜，两个直角三棱镜分别位于两 个相对的矩形面外、其斜面平行于矩形面设置，全反镜28为平面镜，位于另外两个矩形面 中的一个矩形面外，且平行于该矩形面设置。本发明的有益效果本发明的板条多程激光放大方法采用的光路，使种子激光在 板条介质内均勻分布，提高了能量提取率，同时有效抵消了温度梯度，减缓了热透镜效应和 应力双折射效应。由于光路的多次折叠反射，板条增益介质的尺寸大大减小，使结构更加紧凑。
图1是现有增益模块的直通式光路工作方式示意图；图2是现有增益模块的之字形光路工作方式示意图；图3是本发明优选实施例中的增益模块的结构示意图；图4是本发明另一种实施例中的增益模块的结构示意图5是为本发明优选实施例中的增益模块应用于主振荡功率放大器中的结构示 意图。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明的原理，结构，实施方法。图3是体现本发明设计思想的优选实施例，激光放大器光路系统由板条形增益介 质1，全反镜2，3，4构成。条形增益介质1为长27mm，宽20mm，高5. 6mm，将其四个顶角如图 切成边长为6mm三角面5、6、7、8。三角面5、6、7、8镀种子光的高透射膜，其余面镀种子光的 高反射膜。在三角面5、6、7处设置全反镜2、3、4。振荡器发出的种子光13垂直于三角面8入射，在上下两个大面之间以之字形传 播。种子光依次到达侧面10，侧面11，侧面12，侧面9，侧面10，之后从三角面7射出，这是 种子光在板条中的第一次放大，经全反镜4反射到达全反镜3，垂直于三角面6入射板条，同 样在上下两个大面之间以之字形传播，种子光依次先到达侧面12，侧面9，侧面10，侧面11， 侧面12，之后从三角面5射出，这是种子光在板条内的第二次放大，之后被全反镜2原路返 回，这样沿着上述两次放大的光路逆行，最后被放大的光沿着最初的入射光光路从三角面8 出射，经四次放大离开板条。从图中可看出光路在板条内侧面之间多次反射，充分提取了能 量，同时之字形光路可以有效抵消厚度方向温度梯度带来的光程差，减弱热透镜效应。图4是体现本发明设计思想的另一种实施例，如图4所示，所用板条22的长度为 25mm,宽度为22mm，厚度为4mm，四个棱切去，截面是5 X 4mm2的矩形面23、24、25、26。在其 中三个矩形面24、25、26外如图设置三个全反镜27、28、29，全反镜27、29为反射棱镜，全反 镜28为平面镜。本实施例中的增益介质厚度较小，若忽略厚度方向上的温度梯度，则不采 用厚度方向上的之字形光路，只采用各侧面全反射以增加光程，同时抵消侧向温度梯度。图中可以看出，种子光13进入板条，多次全反射后，充分提取能量，从面25输出， 再经全反镜28反射，则被放大的光被反射原路返回，再次进入板条被放大，光程增加一倍， 最终从最初入射方向输出。这种结构减小了增益介质的体积，提高了能量提取率，实施起来 比较简单。图5是将本发明的优选实施例中的放大增益模块用于构成一个主振荡功率放大 器，种子源激光器21输出的种子光13，经过偏振片20，二分之一波片19，法拉第旋光器18， 偏振片16，四分之一波片15后被反射镜5反射进入板条。最终经过八程放大后，放大光14 从偏振片20输出。这里板条采用侧面泵浦，可以用单个LD bar条或LD阵列从侧面10与 侧面12泵浦，将泵浦光用柱透镜耦合进入板条。上下两个大面为冷却面，可以采用水冷却 或电制冷。
权利要求
一种多程激光放大方法，适用于采用固体材料作为增益介质的固体激光器，其特征在于采用长方体形的板条增益介质(1)，该长方体为两个大面，四个侧面，其长、宽、厚的尺寸可实现如下功能将位于一个大面上的四个顶角倒角成四个等边三角形面(5、6、7、8)，且四个三角形面(5、6、7、8)镀种子光波长的增透膜，板条增益介质(1)的两个大面镀种子光波长的45°全反膜，板条增益介质(1)的四个侧面镀种子光波长的全反膜与泵浦光波长增透膜；在其中三个等边三角形面(5、6、7)外设置全反镜(2、3、4)；将侧面用作泵浦面，激光器中的振荡器发出的种子光13垂直于三角面8入射，在上下两个大面之间以之字形传播，种子光依次到达侧面10，侧面11，侧面12，侧面9，侧面10，之后从三角面7射出，这是种子光在板条中的第一次放大，经全反镜4反射到达全反镜3，垂直于三角面6入射板条，同样在上下两个大面之间以之字形传播，种子光依次先到达侧面12，侧面9，侧面10，侧面11，侧面12，之后从三角面5射出，这是种子光在板条内的第二次放大，之后被全反镜2原路返回，这样沿着上述两次放大的光路逆行，最后被放大的光沿着最初的入射光光路从三角面8出射，经四次放大离开板条。
2.如权利要求1所述的一种多程激光放大方法，其特征在于侧面(10、12)作为泵浦
3.一种多程激光放大方法，适用于采用固体材料作为增益介质的固体激光器，其特征 在于采用近正方体形的板条增益介质(22)，该近正方体为两个大面，四个侧面，其长、宽 值接近，长、宽、厚的尺寸可实现如下功能将正方体侧面的四条棱切去成四个矩形面(23、 24、25、26)，其中一个为矩形面(25)，且四个矩形面镀种子光波长的增透膜，板条增益介质 (22)的四个侧面镀种子光波长的全反膜与泵浦光波长增透膜；在其中三个矩形面(24、25、 26)外设置全反镜(27、28、29)，其中全反镜(27、29)为直角三棱镜，且两个直角三棱镜的斜 面平行于两个相对的矩形面设置，全反镜(28)为平面镜，且平行于矩形面(25)设置；将侧 面用作泵浦面，激光器中的振荡器发出的种子光(13)垂直于未设全反镜的矩形面入射板 条增益介质(22)，在板条增益介质(22)的四个侧面及两个直角三棱镜间多次反射，从矩形 面(25)出射，再经全反镜(28)反射，原路返回，最终从未设全反镜的矩形面出射(23)。
4.按如权利要求1所述的一种多程激光放大方法设置的多程激光放大增益模块，其 特征在于将板条增益介质(1)制成长方体形，即包括两个大面，四个侧面(9、10、11、12)， 其长、宽、厚的尺寸按权利要求1的要求设置；将位于一个大面上的四个顶角倒角成四个等 边三角形面(5、6、7、8)，且四个三角形面(5、6、7、8)镀种子光波长的增透膜，板条增益介质 (1)的两个大面镀种子光波长的45°全反膜，板条增益介质(1)的四个侧面镀种子光波长 的全反膜与泵浦光波长增透膜；在其中三个等边三角形面(5、6、7)外对应设置全反镜(2、 3、4)，其中，全反镜(2)平行于等边三角形面(5)设置，全反镜(3、4)设置成能使垂直于三 个等边三角形面(6或7)出射的光线反射至全反镜(4或3)再垂直入射于三个等边三角形 面(7或6)。
5.按如权利要求3所述的一种多程激光放大方法设置的多程激光放大增益模块，其特 征在于将板条增益介质(22)制成近正方体形，即包括两个大面，四个侧面，其长、宽、厚的 尺寸按权利要求3的要求设置；将正方体侧面的四条棱切去成四个矩形面(23、24、25、26)， 且四个矩形面镀种子光波长的增透膜，板条增益介质(22)的四个侧面镀种子光波长的全 反膜与泵浦光波长增透膜；在其中三个矩形面(24、25、26)外设置全反镜(27、28、29)，其中全反镜(27、29)为直角三棱镜，两个直角三棱镜分别位于两个相对的矩形面外、其斜面平 行于矩形面设置，全反镜(28)为平面镜，位于另外两个矩形面中的一个矩形面外，且平行 于该矩形面设置。
全文摘要
一种多程激光放大方法及其增益模块，属于激光器设计领域，涉及固体激光器中的增益介质的设计。本发明利用四个顶角倒角的板条增益介质，种子光板条两个大面之间沿之字形光路传播，在板条四个侧面之间多次全反射，可以在较小体积的增益介质中增加激光路径的传播长度，更加充分提取能量，同时可以抵消由于温度梯度造成的光程差，在一定程度上克服了由于光程差而导致的光束质量差的缺点。
文档编号H01S3/06GK101877454SQ20101015245
公开日2010年11月3日 申请日期2010年4月16日 优先权日2010年4月16日
发明者李港, 樊仲维, 牛岗, 艾庆康, 陈檬, 麻云凤 申请人:北京工业大学;北京国科世纪激光技术有限公司