基于稳定腔的离轴的碟片激光器多通光路系统及调节方法

本发明属于激光器领域，涉及多通光路系统，具体是一种基于稳定腔的离轴的碟片激光器多通光路系统及调节方法。

背景技术：

1、从激光出现开始，产生高质量，高输出指标的激光便一直众多高校和研究机构的重要研究方向。因为高功率、高能量输出的激光可以作为精密加工工具满足工业加工领域对加工精度愈发严苛的要求。其中固体激光器具有高输出功率、高光束质量等特点，在工业加工、医疗器械制备等领域的应用越来越成熟。

2、随着技术进步，碟片构型激光晶体的出现进一步提高了固体激光器的输出性能，相较于传统棒状激光晶体，碟片构型的晶体具有极大的径厚比，这使得晶体可以忽略径向热梯度，仅考虑轴向热梯度，这可以极大地提高了晶体的冷却效率，抑制晶体的热效应，缓解热透镜、热畸变效应对激光晶体的影响。然而，激光晶体具有较大的径厚比也会带来一些问题，例如其轴向的薄厚度(通常在100-400μm)会导致信号光单次放大效率低，因此需要提高信号光经过激光晶体的次数。

3、现有技术中，往往使用再生放大光路对振荡器出射的信号光进行放大，使信号光可以多次通过激光晶体，凭借放大通数的提高来补偿单次放大的低效率，这也是目前最成熟的手段。但是，传统共轴再生放大光路中需要使用非线性光学器件作为隔离器和光开关，其中所说的非线性光学器件包括：法拉第旋转器，普克尔盒。非线性器件使用β-相偏硼酸钡，铽镓石榴石晶体等非线性晶体，这会给再生放大光路带来三个问题，其一，非线性晶体的功率损伤阈值远低于光路中其他反射镜、透镜等器件的材料，过强的泵浦光或信号光会降低非线性晶体的性能，甚至损伤毁坏非线性晶体，导致整个再生放大光路失去作用，这是限制信号光进一步放大的最主要因素；其二，信号光通过非线性器件会发生如自聚焦、自相位调制等非线性效应，意味着非线性晶体的使用势必会对信号光进行非线性调制，常见的表现形式之一是引入啁啾，使得需要后续光路设计中对信号光进行补偿；其三，非线性器件本身价格昂贵，容易损坏，驱动电压高，具有一定安全隐患，同时会使得整个再生放大光路变得更加复杂，不易调整。

4、基于上述问题，对于碟片固体激光器，需要一种可以绕开非线性器件自身局限，简单而有效的光路方法，来对激光晶体进行泵浦或对信号光进行多通放大。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于稳定腔的离轴的碟片激光器多通光路系统及调节方法，解决现有技术中传统共轴再生放大光路中由于非线性器件使用导致的信号光放大倍率受限、非线性效应影响大、系统复杂、灵活性不佳的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

3、一种基于稳定腔的离轴的碟片激光器多通光路系统，包括一个碟片激光晶体、m通光路和n个平面反射镜，每一通所述的光路中均设置有角度可调的一号凹面反射镜和二号凹面反射镜，所述的一号凹面反射镜和二号凹面反射镜的焦距相等；

4、每一通所述的光路设置有平面反射镜，第i通所述的光路的二号凹面反射镜到平面反射镜的距离等于该平面反射镜到第i+1通光路的一号凹面反射镜的距离；

5、其中，i的取值范围是1～m-1；

6、m为大于等于2的整数；

7、n＝m-1。

8、本发明还包括以下技术特征：

9、所述的一号凹面反射镜和二号凹面反射镜的面型为球面或非球面。

10、所述的非球面至少包括抛物面、二次曲面和自由曲面。

11、所有所述的一号凹面反射镜和二号凹面反射镜的中心位于同一平面内，该平面上呈圆形中心对称分布或者矩形中心对称分布。

12、所述的碟片激光晶体的前表面镀有增透膜，后表面镀有高反膜。

13、所述的凹面反射镜的焦距r与稳定腔的腔长l的关系由公式(1)确定：所述的稳定腔为由凹面反射镜、碟片激光晶体和平面反射镜组成的光学腔中满足公式(2)光学腔；

14、

15、

16、其中：

17、l表示凹面反射镜到碟片激光晶体的距离以及凹面反射镜到平面反射镜的距离之和；

18、a，d由光腔的abcd矩阵提供。

19、一种基于的稳定腔的离轴的碟片激光器多通光路系统的调节方法，具体包括以下步骤：

20、步骤一，调整第i通光路中的一号凹面反射镜、碟片激光晶体和二号凹面反射镜空间位置，以及一号凹面反射镜和二号凹面反射镜的俯仰偏转角度，使通过第i通光路中的一号凹面反射镜后的泵浦光或信号光以θ1入射碟片激光晶体，光程为d1，经过碟片激光晶体后的泵浦光或信号光以θ1入射进入第i通光路中的二号凹面反射镜中，光程为d2；

21、其中，d1＝d2；

22、θ1表示泵浦光或信号光与碟片激光晶体的光轴之间的夹角；

23、步骤二，调整平面反射镜的空间位置，以及第i通光路中的二号凹面反射镜、第i+1通光路中的一号凹面反射镜、平面反射镜的俯仰偏转角度，使通过第i通光路中的二号凹面反射镜后的泵浦光或信号光以θ2入射平面反射镜，光程为d3，经过平面反射镜后以θ2出射进入第i+1通光路中的一号凹面反射镜光程为d4；

24、其中，d3＝d4＝d1＝d2；

25、θ2表示泵浦光或信号光与碟片激光晶体的光轴之间的夹角；

26、步骤三，判断是否i>m-1，是则结束，完成m通光路系统的搭建；否则令i＝i+1，返回步骤一。

27、本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

28、(ⅰ)本发明中的多通光路系使用离轴光路的设计，避免了非线性光学器件的使用，避免了非线性器件对信号光功率的限制，提升了系统对信号光的放大上限，提高了信号光最终出射的光功率，解决了现有技术中传统共轴再生放大光路中由于非线性器件使用导致的信号光放大倍率受限的技术问题。

29、(ⅱ)本发明使用稳定腔的设计，使信号光或泵浦光在光腔传播过程中可以出现类似自再现模的现象，保证每一次信号光或泵浦光传播到激光晶体上时，光斑大小基本一致，提高了系统光学稳定性以及输出激光的光束质量，解决了现有技术中传统共轴再生放大光路中由于非线性器件使用导致非线性效应影响大的技术问题。

30、(ⅲ)本发明中每个反射镜可以独立安装和调整，根据使用需要，通过改变反射镜数量、空间位置和角度来可以实现对光路多通通数的控制；该方法可以通过调整反射镜焦距以及光学腔腔长，灵活改变系统的空间大小，以满足不同现实情况下的需求，解决了现有技术中传统共轴再生放大光路中由于非线性器件使用导致的系统复杂、灵活性不佳的技术问题。

技术特征：

1.一种基于稳定腔的离轴的碟片激光器多通光路系统，其特征在于，包括一个碟片激光晶体、m通光路和n个平面反射镜，每一通所述的光路中均设置有角度可调的一号凹面反射镜和二号凹面反射镜，所述的一号凹面反射镜和二号凹面反射镜的焦距相等；

2.如权利要求1所述的基于稳定腔的离轴的碟片激光器多通光路系统，其特征在于，所述的一号凹面反射镜和二号凹面反射镜的面型为球面或非球面。

3.如权利要求2所述的基于稳定腔的离轴的碟片激光器多通光路系统，其特征在于，所述的非球面至少包括抛物面、二次曲面和自由曲面。

4.如权利要求1所述的基于稳定腔的离轴的碟片激光器多通光路系统，其特征在于，所有所述的一号凹面反射镜和二号凹面反射镜的中心位于同一平面内，该平面上呈圆形中心对称分布或者矩形中心对称分布。

5.如权利要求1所述的基于稳定腔的离轴的碟片激光器多通光路系统，其特征在于，所述的碟片激光晶体的前表面镀有增透膜，后表面镀有高反膜。

6.如权利要求1所述的基于稳定腔的离轴的碟片激光器多通光路系统，其特征在于，所述的凹面反射镜的焦距r与稳定腔的腔长l的关系由公式(1)确定：所述的稳定腔为由凹面反射镜、碟片激光晶体和平面反射镜组成的光学腔中满足公式(2)光学腔；

7.一种如权利要求1～6任一项所述的基于的稳定腔的离轴的碟片激光器多通光路系统的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于稳定腔的离轴的碟片激光器多通光路系统及调整方法，包括一个碟片激光晶体、m通光路和n个平面反射镜，每一通所述的光路中均设置有角度可调的一号凹面反射镜和二号凹面反射镜，每一通所述的光路设置有平面反射镜，第i通所述的光路的二号凹面反射镜到平面反射镜的距离等于该平面反射镜到第i+1通光路的一号凹面反射镜的距离；本发明中的多通光路系使用离轴光路的设计，避免了非线性光学器件的使用，避免了非线性器件对信号光功率的限制，提升了系统对信号光的放大上限，提高了信号光最终出射的光功率，解决了现有技术中传统共轴再生放大光路中由于非线性器件使用导致的信号光放大倍率受限的技术问题。

技术研发人员：张理奕,雷冰莹,林华,曹华保,付玉喜
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12