专利名称：具有多次反射折叠光路结构的激光放大器及激光谐振腔的制作方法
技术领域：
本发明属于光学领域，尤其涉及激光放大器及激光谐振。
背景技术：
由于多次反射折叠光路结构具有能减小光学长度、增加光束在介质内通过的路程及覆盖率、适用于对各种材料的等优点，因而折叠方法得到深入的研究和广泛的应用。多次反射的光路，在激光领域最早多用于气体激光器的折叠波导腔中，后来随着INNOSLAB新型固体激光器(参见Optics Letters，Vol.23，No.18，370～372)的出现，也开始用于固体激光器中。目前各种折叠光路在激光放大器及激光谐振腔的方案主要有以下三种方案方案一，采用平面镜结构，由两片或两片以上平面镜组成反射系统。光束在上述反射镜之间多次反射形成折叠光路(参见第4703491、6654163号美国专利)。
方案二，采用两片或两片以上光学镜片组成望远系统的结构。第6256332号美国专利描述了一种望远系统，其谐振腔由4片光学镜片构成，光轴在激光增益介质外部。第6442186号美国专利描述了多种望远系统采用4片光学镜片构成光路结构，并且在其中1片光学镜片中打孔或者局部镀膜来实现激光输出；还描述了三种共焦或近共焦的望远系统，并采用3片光学镜片构成光路结构；也有采用4片光学镜片构成光路结构的。
方案三，采用两片或两片以上光学镜片组成其他结构的单程反射光路。第6654163号美国专利描述了采用2片光学镜片构成的光路结构，激光光束在其中单程折叠反射通过激光增益介质。第10156081号德国专利描述了采用4片光学镜片构成的光路结构，激光光束在其中单程折叠反射通过激光增益介质。
此外，还有使用平面与曲面反射镜结合的多镜折叠光路系统，可以认为是上述三种方案中各方案的结合(参见第20040076210号美国专利)。
对于激光放大器及激光谐振腔而言，上述方案均有相应的不足之处方案一中，平面反射镜对装调、对准误差以及外界扰动较为敏感，并且每次反射后，光束的反射角和宽度都会扩大一定倍数，不利于进行多次反射及控制输出光束质量。
方案二中，实现光路折叠的光学镜片需要构成望远系统(又称为共焦结构)，其调节需要精确保证各光学镜片的间距、位置、角度等，因此，激光放大器及激光谐振腔的装调精度要求很高，对装调误差和外界扰动较为敏感，工作稳定性和可靠性较低。其中，某些光路结构由3片、4片及更多光学镜片组成，结构复杂，装调更为困难。
方案三中，实现光路折叠的光学镜片也同样需要构成望远系统(又称为共焦结构)，由于结构的限制，激光仅能在腔内单程折叠反射，单程通过激光增益介质，吸收不够充分，激光放大器及激光谐振腔的工作效率较低。同样，某些光路结构山3片、4片及更多光学镜片组成，结构复杂，装调更为困难。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有多次反射折叠光路结构的激光放大器及激光谐振腔。通过这种新型的光路结构，克服现有技术的缺点，能够普遍适用于激光放大器及激光谐振腔或别的光学系统。现有技术的激光放大器，采用望远结构或共焦结构，结构复杂，装调困难，不能形成往返双程反射，激光放大不够充分；现有技术的激光谐振腔，采用望远结构或共焦结构，结构复杂，装调困难，对装调误差和外界扰动较为敏感，工作稳定性和可靠性较低，不能形成往返双程反射，激光振荡效率不高。本发明提出的激光放大器及谐振腔，其中，激光光束随反射次数增加扩大或缩小不严重；激光光束在增益介质中往返双程通过，吸收充分，效率高；光学镜片数量少，结构简单，装调容易，对由装调过程和使用过程中产生的误差和干扰不敏感，激光放大器及谐振腔工作稳定，可靠性高。
本发明提出的激光放大器，具有多次反射折叠光路结构，该光路结构包括两片曲面反射镜，以及位于两片曲面反射镜之间的激光增益介质；两片曲面反射镜相对倾斜放置，构成非望远非共焦结构；射入多次反射折叠光路结构的激光光束通过两个曲面反射镜多次反射，形成折叠光路，多次经过增益介质。
上述的激光放大器中，光路结构中两片曲面反射镜的放置，使得激光光束在两片曲面反射镜的其中一片上沿其光轴正入射并被反射，沿原光路返回，从而激光光束在曲面反射镜上的反射次数增加一倍，在增益介质中往返双程通过。
上述的激光放大器中，光路结构中两片曲面反射镜的放置，使得激光光束在两片曲面反射镜上沿其光轴斜入射并被反射，激光光束在增益介质中单程通过。
本发明提出的激光谐振腔，具有多次反射折叠光路结构，该光路结构包括两片曲面反射镜，位于两片曲面反射镜之间的激光增益介质，以及位于光路结构之外的谐振腔腔镜；两片曲面反射镜相对倾斜放置，构成非望远非共焦结构；射入多次反射折叠光路结构的激光光束通过两个曲面反射镜多次反射，形成折叠光路，多次经过增益介质。
上述的激光谐振腔中，光路结构中两片曲面反射镜的放置，使得激光光束在两片曲面反射镜的其中一片上沿其光轴正入射并被反射，沿原光路返回，从而激光光束在曲面反射镜上的反射次数增加一倍，在增益介质中往返双程通过，折叠次数增加一倍。
上述的激光谐振腔中，光路结构中的两片曲面反射镜的放置，使得激光光束在两片曲面反射镜上沿其光轴斜入射并被反射，激光光束在增益介质中单程通过。
上述的激光谐振腔中，谐振腔腔镜是凸透镜或凹透镜。
上述的激光谐振腔中，在多次反射折叠光路结构与谐振腔腔镜之间，还设置倍频器件、调Q器件、锁模器件，构成相应的激光光路。
本发明与现有技术相比，具有以下优点本发明的激光放大器及激光谐振腔中的光路结构采用曲面反射镜相对倾斜放置，构成非望远非共焦结构的折叠光路，结构简单，使用光学元件少，对于两个曲面反射镜地位置、距离和角度，要求不严格，装调容易，对误差和扰动不敏感，实际操作性强；激光光束在较小的激光增益介质的体积内可实现往返双程多次反射，多次通过增益介质，并且经过多次反射后光束宽度变化不大，更易于实现高功率及高光束质量的输出；能够同时适用于激光放大器及激光谐振腔。
图1为本发明提出的激光谐振腔的第一实施例的示意图。
图2为本发明提出的激光谐振腔的第二实施例的示意图。
图3为本发明提出的激光谐振腔的第三实施例的示意图。
图4为本发明提出的激光谐振腔的第四实施例的示意图。
图5为本发明提出的激光谐振腔的第五实施例的示意图。
图6为本发明提出的激光谐振腔的第六实施例的示意图。
图7为本发明提出的激光谐振腔的第七实施例的示意图。
图8为本发明提出的激光谐振腔的第八实施例的示意图。
图9为本发明提出的激光放大器的第一实施例的示意图。
图10为本发明提出的激光放大器的第二实施例的示意图。
具体实施例方式
本发明提出的具有多次反射折叠光路结构的激光谐振腔如图1所示，包括反射镜1、反射镜1的法线光轴2、腔镜6、激光增益介质7、反射镜8、反射镜8的法线光轴3，其中，5、10表示激光光束，4、9、11指示泵浦光泵浦方向。其中，凸面反射镜8的法线光轴3水平放置，凹面反射镜1的法线光轴2倾斜放置，构成非望远非共焦光路结构。在凸面反射镜8和凹面反射镜1构成的非望远非共焦多次折叠光路结构之外，垂直于光束5放置腔镜6，构成激光谐振腔。在腔镜6与光路结构之间，也可放入其他器件，如倍频器件、调Q器件、锁模器件等。
法线光轴2、3相交于凹面反射镜1的中心，交角为α，假设光轴3为水平方向，且激光光束5与光轴3成0角，则二者应满足如下公式所述的关系。设反射镜1半径R1，反射镜8半径R2，反射镜1与反射镜8的中心间距L，光束5与反射镜8的交点与光轴3距离h，经过N个来回(一个来回定义为首先经过反射镜8反射，经过传播L距离到反射镜1，然后经反射镜1反射，再次传播L距离至反射镜8)。光束5最终正入射到反射镜8上面，沿方向光轴3传播并被反射，又反方向沿方向光轴3传播，最后反方向沿着原光路折叠传播，形成往返的两次折叠光路。采用矩阵光学传输理论，反射镜l的传输矩阵M1、自由空间传输L的传输矩阵M2、反射镜8的传输矩阵M3分别为M1=10-2/R11,]]>M2=1L01,]]>M3=10-2/R21.]]>共轴时传播一个来回传输矩阵M满足M＝M3M2M1M2N次反射后在凸面镜前的光束矩阵满足h′θ′=MNhθ]]>采用增广矩阵方法表示反射镜1倾斜的影响，由于反射镜1初始失调量为 经过N次反射后，在反射镜8中心前的高度失调量Δh和角度失调量Δθ为
ΔhΛθ=Σk=1NMk0α]]>加入倾斜后，应满足00=MNhθ+ΔhΔθ]]>经计算，当L＝25mm，R1＝625mm，R2＝516mm，h＝9mm时，调节θ和α可使激光光束在反射镜1上反射6次，即激光光束10方向传播至激光光束5方向一共通过增益介质14次，且在增益介质上部较为密集，以板条形固体增益介质为例，泵浦光可以从增益介质上部沿泵浦方向11注入，以达到较高的系统效率。泵浦光也可以从水平泵浦方向4、9注入增益介质。
图2为本发明提出的具有多次反射折叠光路结构的激光谐振腔的第二实施例，包括反射镜1、反射镜1的法线光轴2、腔镜6、激光增益介质7、反射镜8、反射镜8的法线光轴3，其中，5、10表示激光光束，4、9、11指示泵浦光泵浦方向。其中，凸面反射镜8的法线光轴3水平放置，凹面反射镜1的法线光轴2倾斜放置，构成非望远非共焦光路结构。在凸面反射镜8和凹面反射镜1构成的非望远非共焦多程折叠光路结构之外，腔镜6垂直于激光光束5放置，构成激光谐振腔。在腔镜6与光路结构之间，也可放入其他器件，如倍频器件、调Q器件、锁模器件等，实现激光输出。
其中，h、θ和α应满足00=MN-1M3hθ+ΣMk0α]]>同样，在L＝25mm，R1＝625mm，R2＝516mm，h＝9mm的条件下，调节θ和α可使激光光束在凹面镜上反射7次，即激光光束11方向传播至激光光束5方向一共通过增益介质16次，且增益介质上部较为密集，以板条形固体增益介质为例，泵浦光可以从增益介质上部沿泵浦方向11注入，以达到较高的系统效率，另外，泵浦光也可以从水平泵浦方向4、9注入增益介质。
对于上述2个实施例，反射镜1和反射镜8的相对位置、激光光束5的出射方向等的改变，激光谐振腔的光路结构对应有其他多种组合情况(图3～图8)，同样可以采用所述矩阵光学理论进行类似的分析和计算。图3～图8的具体描述，与图1～图2类似。其中，凸面反射镜8与凹面反射镜1的法线光轴相对倾斜放置，构成非望远非共焦光路结构。在凸面反射镜8和凹面反射镜1构成的非望远非共焦多程折叠光路结构之外，腔镜6垂直于激光光束5放置，构成激光谐振腔。在腔镜6与光路结构之间，也可放入其他器件，如倍频器件、调Q器件、锁模器件等，实现激光输出。图3中，凹面反射镜1的法线光轴倾斜放置，激光光束5从光路结构的左边出射，多次反射后的激光光束正入射至凹面反射镜1，反射后沿原光路返回；图4中，凸面反射镜8的法线光轴倾斜放置，激光光束5从光路结构的左边出射，多次反射后激光光束正入射至凸面反射镜8，反射后沿原光路返回；图5中，凹面反射镜1的法线光轴倾斜放置，激光光束5从光路结构的右边出射，多次反射后激光光束正入射至凹面反射镜1，反射后沿原光路返回；图6中，凸面反射镜8的法线光轴倾斜放置，激光光束5从光路结构的右边出射，多次反射后激光光束正入射至凹面反射镜1，反射后沿原光路返回；图7中，凹面反射镜1的法线光轴倾斜放置，激光光束5从光路结构的右边出射，多次反射后激光光束正入射至凸面反射镜8，反射后沿原光路返回；图8中，凸面反射镜8的法线光轴倾斜放置，激光光束5从光路结构的右边出射，多次反射后激光光束正入射至凸面反射镜8，反射后沿原光路返回。其他具体细节在此不再赘述。
上述8个实施例中，所描述的激光谐振腔的多次反射折叠光路结构同样适用于激光放大器，可以构成相对应的激光放大器。以图1所示的本发明提出的第一实施例为例，图9给出该实施例对应的激光放大器的第一实施例。
图9中，凸面反射镜8的法线光轴3水平放置，凹面反射镜1的法线光轴2倾斜放置，构成非望远非共焦光路结构。在凸面反射镜8和凹面反射镜1构成的非望远非共焦多程折叠光路结构之外，待放大的主振荡器的激光光束12，通过偏振反射镜13、λ/2波片15，法拉第旋转器16，射入多次反射折叠光路结构的激光放大器，折叠光路结构的具体参数同图1中所示一致，因此由偏振反射镜反射输出，如激光光束14所示，同样，泵浦光可沿方向4、激光光束经过放大后沿激光光束12原路返回，再次经过法拉第旋转器16，λ/2波片15，9或方向11注入。
与此类似，对于本发明的其他7个实施例，分别对应激光放大器的实施例，在此不再逐一赘述。
图10为本发明提出的具有多次反射折叠光路结构的激光放大器的第二实施例，包括反射镜1、反射镜1的法线光轴2、激光增益介质7、反射镜8、反射镜8的法线光轴3，其中，5、10表示激光光束，6、9指示泵浦光泵浦方向。其中，凹面反射镜1的法线光轴2水平放置，凸面反射镜8的法线光轴3倾斜放置，构成非望远非共焦光路结构。待放大的主振荡器的激光光束5，射入具有多次反射折叠光路结构的激光放大器，经过多次反射，激光光束在激光增益介质7中单程通过，沿激光光束10输出。
权利要求
1.一种激光放大器，其特征在于，所述激光放大器具有多次反射折叠光路结构，该光路结构包括两片曲面反射镜，以及位于两片曲面反射镜之间的激光增益介质；两片曲面反射镜相对倾斜放置，构成非望远非共焦结构；射入所述多次反射折叠光路结构的激光光束通过所述两个曲面反射镜多次反射，形成折叠光路，多次经过增益介质，同时满足以下关系00=MNhθ+ΔhΔθ,]]>M为传输一个来回的传输矩阵，N为传输的来回次数，h为光束5与反射镜8的交点与光轴3的距离，θ为激光光束5与光轴3的夹角，Δh为高度失调量和Δθ为角度失调量。
2.如权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述光路结构中两片曲面反射镜的放置，使得激光光束在所述两片曲面反射镜的其中一片上沿其光轴正入射并被反射，沿原光路返回，从而激光光束在曲面反射镜上的反射次数增加一倍，在增益介质中往返双程通过。
3.如权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述光路结构中两片曲面反射镜的放置，使得激光光束在所述两片曲面反射镜上沿其光轴斜入射并被反射，激光光束在增益介质中单程通过。
4.一种激光谐振腔，其特征在于所述激光谐振腔具有多次反射折叠光路结构，该光路结构包括两片曲面反射镜，位于两片曲面反射镜之间的激光增益介质，以及位于所述光路结构之外的谐振腔腔镜；两片曲面反射镜相对倾斜放置，构成非望远非共焦结构；射入所述多次反射折叠光路结构的激光光束通过所述两个曲面反射镜多次反射，形成折叠光路，多次经过增益介质，同时满足00=MN-1M3hθ+ΣMk0α,]]>M为传输一个来回的传输矩阵，N为传输的来回次数，M3为反射镜8的传输矩阵，h为光束5与反射镜8的交点与光轴3的距离，θ为激光光束5与光轴3的夹角，α为法线光轴2与法线光轴3的夹角。
5.如权利要求4所述的激光谐振腔，其特征在于，所述光路结构中的两片曲面反射镜的放置，使得激光光束在所述两片曲面反射镜的其中一片上沿其光轴正入射并被反射，沿原光路返回，从而激光光束在曲面反射镜上的反射次数增加一倍，在增益介质中往返双程通过，折叠次数增加一倍。
6.如权利要求4所述的激光谐振腔，其特征在于，所述光路结构中的两片曲面反射镜的放置，使得激光光束在所述两片曲面反射镜上沿其光轴斜入射并被反射，激光光束在增益介质中单程通过。
7.如权利要求4所述的激光谐振腔，其特征在于，所述谐振腔腔镜是凸透镜或凹透镜。
8.如权利要求4所述的激光谐振腔，其特征在于，在所述多次反射折叠光路结构与谐振腔腔镜之间，还设置倍频器件、调Q器件、锁模器件，构成相应的激光光路。
全文摘要
本发明属于激光放大器及激光谐振腔技术领域，其特征在于，包括两片曲面反射镜，以及位于两片曲面反射镜之间的激光增益介质，还可加有位于所述光路结构以外的谐振腔腔镜，该两片曲面反射镜相对倾斜放置，构成非望远非共焦结构，射入所述光路结构的激光束通过所述两个曲面反射镜多次反射形成折叠光路，多次经过增益介质，所述激光光束在所述两片曲面反射镜的其中一片上沿其光轴正入射并被反射，沿原光路返回，在增益介质中往返双程通过，也可斜入射并被反射，在增益介质中单程通过。本发明具有元件少，结构简单，装调容易，对误差和扰动不敏感，易于实现高效率及高光束质量的输出等优点。
文档编号H01S3/08GK101017954SQ200710001009
公开日2007年8月15日 申请日期2007年1月19日 优先权日2006年8月1日
发明者巩马理, 黄磊, 何发红, 柳强, 闫平, 陆丹, 王 琦 申请人:清华大学