专利名称：一种多光程薄片式激光振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学技术领域，具体地涉及了一种多光程薄片式激光振荡器。
技术背景
薄片式固体激光器及光纤激光器是当前激光技术的两个最重大的进展。激光介质 的热效应是限制固体激光器进展的最重要的因素，高的功率(能量)与高的光束质量是一 对互相制约的矛盾参量。当前灯泵浦或半导体激光器(LD)侧面泵浦的棒状固体激光器可 以达到千瓦量级的激光功率，但光束质量却很差；要获得较好的光束质量，可采用LD端面 泵浦，但其功率却不能太大，一般在数十瓦之内，因而既具有高功率(能量)又有高的光束 质量的激光器一直是很难实现。较为普遍的办法是采用高质量小型激光器加上激光振荡器 的办法。激光振荡器对于实现高功率激光具有重要的应用价值，是一种重要的方法。
薄片激光器的概念及最早设计都是由德国斯图加特大学(Muttgart University)提出的。激光增益介质(％:YAG和NchYVO4等晶体)一般为圆盘状，厚度为 0. 2mm左右。薄片粘贴在热沉上，冷却效率极高，其热梯度为一维分布，热梯度方向沿光束方 向，因而减小了在横向截面上的热透镜效应、激光晶体热畸变、光束热偏折和双折射效应等 热致效应。目前德国通快公司已生产了 SkW的连续(CW)激光器。
由于增益介质横向相位畸变小，因而偏振、单频、锁模、频率调谐、超短脉冲、频率 变换等都可以在薄片式激光系统的平台上进行，这些是一般固体激光器难以实现的。现在 已有商品化的薄片激光器。德国的ELS公司的Versa Disk激光器功率可以达到5W_100W，M2 < 1. 1，偏振比达100 LMono Disk激光器功率达到5W_50W，M2 < 1. 1。Trumpf公司的薄 片激光器功率已经达到了 lkW-8kW，BPP为8mm .mrad,每片Disk可产生的功率为3kW_4kW。
基于以上原因，发明一种薄片式激光器结构和多光程激光振荡器相结合的多光程 激光振荡器的需求已成为本技术领域中亟待解决的技术问题。发明内容
为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提出一种多光程薄片式激光振荡 器，该发明解决了传统激光器的高功率和高的光束质量互相制约的问题，优化了泵浦光和 激光的模式匹配，提高了泵浦效率和有效增益，从而提高激光器输出功率。
为解决上述技术问题，达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案
一种多光程薄片式激光振荡器，包括一振荡光路系统，所述振荡光路系统包括在 第一光路上依次安置的泵浦光源、光学耦合系统、双色分束镜、抛物面反射镜、激光增益介 质薄片，其中，所述光路上，在激光增益介质薄片之后还依次安置有双直角反射棱镜组和耦 合输出腔镜，所述双直角反射棱镜组和耦合输出腔镜在所述双直角反射棱镜组由第一直角 反射棱镜和第二个直角反射棱镜构成，所述直角反射棱镜包括第一反射面、第二反射面和 上表面，所述第一反射面和所述第二反射面相互垂直，所述第一反射面、所述第二反射面和 所述上表面三个面交于点P ；所述直角反射棱镜包括第三反射面、第四反射面、第一切割面和第二切割面，所述第三反射面和所述第四反射面相互垂直，所述第一切割面和所述第二 切割面分别与底面成α角度，且关于所述第二直角反射棱镜的中间轴对称分布，所述第一 切割面和所述第二切割面交于点0 ；所述第一直角反射棱镜的点P和所述第二个直角反射 棱镜的点0相抵合，所述上表面与所述第一切割面重合构成所述双直角反射棱镜组。
优选的，所述泵浦光源为半导体激光器。
优选的，所述泵浦光源为光纤耦合输出的半导体激光器。
优选的，所述第一反射面、所述第二反射面、所述第三反射面、所述第四反射面均 经过镀膜处理。
优选的，所述光学耦合系统为透镜。
优选的，所述双色分束镜呈45°放置。
优选的，所述激光增益介质薄片的一面设置有热沉系统。
优选的，所述双直角反射棱镜组为角锥棱镜。
本发明的多光程薄片式激光振荡器的工作流程如下
以耦合输出腔镜为起点，对激光在谐振腔的往返振荡过程进行说明激光经过 45°放置的双色分束镜反射，入射到抛物面反射镜，所述的抛物面反射镜、增益介质薄片、 双直角反射棱镜的共同作用使激光多次通过增益介质薄片后，沿原路返回到耦合输出腔 镜，形成激光的闭环振荡。激光振荡的光功率由光在腔内一次闭环传输的总增益及总损耗 决定，而总增益由于η次折返变为如&1，其中为一次穿过薄片的小信号增益系数，1为增 益介质薄片厚度，而总损耗仍然主要是耦合输出的透过损耗和每次穿过薄片的损耗以及镜 面反射损耗。激光输出功率就取决于一次闭环传输中总增益(如&1)与总损耗之比。常规 的单程谐振腔结构的总增益为2&1，与之相比，本发明提出的谐振腔结构的总增益是常规 结构的2η倍，而损耗变化很小，所以该谐振腔结构的输出功率将大大增加。
所述的泵浦腔和激光振荡腔中由抛物面反射镜、增益介质薄片和双直角反射棱镜 组组成的结构，使得泵浦光和激光每次经过双直角反射棱镜组的反射时入射面发生旋转， 从而使得泵浦光和激光经过抛物面反射镜聚焦后入射到增益介质薄片时的入射面和反射 面(入射面和反射面共面)发生旋转。一个往返过程中，泵浦光和激光在增益介质薄片的 入射面均勻地分布，相邻两个入射面之间的夹角全部相同，所以泵浦光和激光能够均勻地 多光程通过增益介质薄片，有利于增益介质薄片对泵浦光进行均勻地充分地吸收，提高泵 浦光利用效率，充分地提高反转粒子数，有利于提高增益介质薄片的利用效率，充分地消耗 反转粒子数，同时有利于消除热效应，有利于提高光束质量。
泵浦光路和振荡光路的区别在于，泵浦光经过几次或者几十次增益介质吸收后将 被完全消耗掉，而振荡光单程经过增益介质次数越多，其增益越高，振荡功率越高。
激光谐振腔增益和损耗的计算。假设一次激光闭环振荡过程中，振荡激光在增益 介质后表面经过2η次反射，即振荡激光共如次通过增益介质。设单次通过增益介质的小信 号增益系数为&，1为增益介质薄片厚度，则一次激光闭环振荡过程中的总的增益为如&1。 而损耗主要为耦合输出、增益介质吸收，以及抛物面反射镜、增益介质薄片和双直角反射棱 镜组的多次镜面反射损耗，其中耦合输出在损耗中占主要部分，其余损耗均远远小于耦合 输出损耗，所以振荡激光的多光程即经过增益介质的次数对往返损耗影响不大。
本发明所提出的激光振荡器中，其激光输出功率P满足关系4
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其中α &为一次闭环传输中光的总损耗，包括耦合输出损耗α 、腔内吸收损耗 及镜面反射损耗。一般腔内吸收及镜面反射损耗远比耦合输出损耗小。由于多光程，谐振 腔结构的总增益是常规结构的2η倍，因而输出功率大大增加。
关于本发明提出的多光程激光振荡器稳定性分析。将激光振荡光路展开，利 用激光传输ABCD矩阵理论，对所述的多光程激光振荡器的稳定性进行分析。所述谐振 腔的等效腔是一个平凹腔，经计算表明，实现多光程过程中产生的较长的有效腔长为-Id^Yll-If2Yi，其中Cl1为耦合输出腔镜到振荡激光第一次入射到增益介质薄片时的光 /=1程；1 < i < η-1时，Ii为单程过程中振荡激光第i次从增益介质薄片出射到第i+Ι次入射 到增益介质薄片时的光程；ln为单程过程中振荡激光第η次从增益介质薄片出射到入射到 双直角反射棱镜组中一个直角反射棱镜的反射脊(即两个成直角的反射面的交线)时的光 程；f2为抛物面反射镜的焦距。将展开后的各光程带入ABCD，计算因子可以得到，有效η腔长2為+Σ2(—2/一在很大的范围内，能实现激光振荡。因此，多光程谐振腔的有效腔长很长，可以实现大的单模体积，充分利用大面积的增益介质薄片。
与现有技术相比，本发明的多光程薄片式激光振荡器具有如下优点
1、提高泵浦效率。设单程有η次被薄片反射，一个往返振荡过程后穿过增益介质 薄片次数为如次，是常规的谐振腔的增益的2η倍，即增益介质吸收次数增加2η倍，使得增 益介质能够充分地吸收泵浦光，提高泵浦光利用效率。同时弥补了增益介质薄片厚度小、对 泵浦光单次吸收效率低的缺点。
2、采用泵浦光路和激光光路重合后，决定功率的一个往返振荡的增益系数与振荡 激光单次通过增益介质相比较增加了如倍。
3、由于泵浦光和激光光束在增益介质中的入射主平面不断旋转，使泵浦光和激光 在增益介质薄片中均勻分布，克服了由于热效应引起的不均勻或双折射效应的影响，有利 于提高光束质量。
4、所述谐振腔的等效腔是一个平凹腔，计算表明有效腔长为2為+$2/, -2/2 可/=1以很长，可以实现大的单模体积，充分利用大面积的增益介质薄片。
5、所述谐振腔等效为一种棱镜反射腔，因而可以抗腔失调(由于温度梯度不均勻 或机械原因引起的光纤偏离光轴)。
6、由于泵浦光与激光振荡腔为同一个腔，泵浦光与振荡光达到最佳匹配，大大提 高泵浦光到激光的转换效率，提高输出的激光光束质量。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的泵浦腔和激光振荡腔的结构示意图。
图加是本发明的第一直角反射棱镜701的结构示意图。
图2b是本发明的第二直角反射棱镜702的结构示意图。
图3a是本发明的双直角反射棱镜组的安装过程第一步的正视图。
图北是本发明的双直角反射棱镜组的安装过程第二步的正视图。
图3c是本发明的双直角反射棱镜组的安装过程第三步的正视图。
图4是本发明的n = 3，α = 30°时双直角反射棱镜组立体效果图。
图5是本发明的η = 3，α = 30°时泵浦腔和激光振荡结构的立体示意图的立体 结构示意图。
图6是本发明的n = 3，α = 30°时抛物面反射镜横截面上的光点分布图。
图7是基于图1的η = 3，α = 30°时泵浦腔的泵浦光光路展开示意图。
图8是基于图1的η = 3，α = 30°时激光振荡腔的激光光路展开示意图。
图9a是本发明的振荡器的η = 1时抛物面反射镜的横截面上的光点分布图。
图9b是本发明的振荡器的η = 2时抛物面反射镜的横截面上的光点分布图。
图9c本发明的振荡器的η = 4时抛物面反射镜的横截面上的光点分布图。
图9d本发明的振荡器的η = 5时抛物面反射镜的横截面上的光点分布图。
图9e本发明的振荡器的η = 6时抛物面反射镜的横截面上的光点分布图。
图9f本发明的振荡器的η = 6时抛物面反射镜的横截面上的光点分布图。
图9g本发明的振荡器的η = 6时抛物面反射镜的横截面上的光点分布图。
图中标号说明101泵浦光源，102光学耦合系统，103双色分束镜，104抛物面反射 镜，105激光增益介质薄片，106激光增益介质薄片的热沉或冷却系统，107双直角反射棱镜 组，108耦合输入腔镜，，701第一直角反射棱镜，702第二个直角反射棱镜，Sl第一反射面、 S2第二反射面，S3上表面，S4第一切割面，S5第二切割面，S6第三反射面、S7第四反射面。
a箭头表示激光的输入，b箭头表示激光的输出。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的介绍。
如图1所示，本发明提出的泵浦腔和激光振荡腔合二为一的系统主要包括泵浦光 源101，泵浦光源的光学耦合系统102，45°放置的双色分束镜103，抛物面反射镜104，激光 增益介质薄片105，激光增益介质薄片的热沉或冷却系统106，双直角反射棱镜组107，激光 振荡腔的耦合输出腔镜108。所述系统中可以加入偏振片、调Q器件、非线性晶体等其它光 学器件。
如图1所示，所述的激光振荡腔是由耦合输出腔镜108，45°放置的双色分束镜 103，抛物面反射镜104，增益介质薄片105，双直角反射棱镜组107组成。以耦合输出腔镜 108为激光振荡起点，结合图1，对激光在谐振腔的往返振荡过程进行说明激光经过45° 放置的双色分束镜103反射，入射到抛物面反射镜104，所述的抛物面反射镜104、增益介质 薄片105、双直角反射棱镜组107的共同作用使激光多次通过增益介质薄片105后，沿原路 返回到耦合输出腔镜108，形成激光的闭环振荡。所述的激光谐振腔的两个腔镜分别为耦合 输出腔镜108和双直角反射棱镜组107。所述的双直角反射棱镜107中起到谐振腔腔镜作 用的点或者区域，可以通过一些措施，例如将该区域挖空，让激光通过，然后在外部加一个 常规的腔镜，这种方式适合于某些应用场合，但其将光程数减少了一半。6
如图1所示，所述的泵浦系统是由泵浦光源101，光学耦合系统102，45°放置的双 色分束镜103，抛物面反射镜104，增益介质薄片105和双直角反射棱镜组107组成。泵浦 光经45°放置的双色分束镜103进入上面所述的谐振腔内，入射到抛物面反射镜104，所述 的抛物面反射镜104、增益介质薄片105、双直角反射棱镜组107的共同作用使泵浦光多次 通过增益介质薄片105而被增益介质充分吸收，沿原光路返回的泵浦光相对于初始泵浦光 是小量。
如图2所示，所述的双直角反射棱镜组107由直角反射棱镜701和基于直角反射 棱镜701切割后的直角反射棱镜702组成。
如图2(a)所示，图1中所示的双直角反射棱镜组107中一个直角反射棱镜701，其 Sl和S2是两个相互垂直的反射面，S3是直角反射棱镜701的上表面。其中，Sl和S2两个 面进行镀膜处理，以尽量降低泵浦光和激光在直角反射棱镜701上反射时的损耗。
如图2(b)所示，图1中所示的双直角反射棱镜组107中第二个直角反射棱镜702， 以及基于图2(a)所示的直角反射棱镜701得到该直角反射棱镜702的切割示意图。S4和 S5是直角棱镜702的切割面，分别与底面成α角度，而且关于直角棱镜的中间轴对称分布。 所述切割角度是泵浦光路和振荡激光实现多光程的关键因素，决定了多光程的次数。所述 切割角度α与单程振荡过程中激光在增益介质薄片上的反射次数η的关系为η α =90°。 S6和S7是直角棱镜702的两个相互垂直的反射面，S6和S7需要进行镀膜处理，以尽量降 低泵浦光和激光在直角反射棱镜702上反射时的损耗。
如图3所示，利用图2(a)和图2(b)所示的两个直角反射棱镜组成双直角反射棱 镜组的安装过程。第一步，直角反射棱镜701的点P和直角反射棱镜702的点0重合，同时 保证直角反射棱镜701的两个反射面分别与直角反射棱镜702的两个反射面共面，即Sl与 S6共面，S2与S67共面；然后绕接触点(点P和点0)转α角度，使直角反射棱镜701的上 表面S3与直角反射棱镜702的切割面S4重合，且使S3的一边与S4的一边重合。形成的 立体示意图如图4所示。
如图4所示，η = 3，α =30°时双直角反射棱镜组立体效果图。直角反射棱镜 701与直角反射棱镜702组成了图1中的双直角反射棱镜组107。其中Si，S2，S6，S7四个 面是双直角反射棱镜组107中关键的部分，起到将光的入射面不断地旋转的作用。
如图5所示，η = 3, α = 30°时谐振腔结构关键部分的立体示意图。泵浦腔和激 光振荡腔在图5所示的部分相同。图中箭头表示泵浦光或者激光的传输方向，便于对本发 明进行详述。激光增益介质薄片105的中心和双直角反射棱镜组107的中心均位于抛物面 反射镜104的轴线上。激光增益介质薄片105还位于抛物面反射镜104的焦点上。而且， 考虑了激光增益介质薄片105表面的折射效应后，抛物面反射镜104的焦点准确地位于激 光增益介质薄片105的后表面的中心，以便于平行于抛物球面镜104的光轴入射到抛物球 面镜104上时能够准确地聚焦在激光增益介质薄片105的后表面的中心，并发生镜面反射。
如图5所示，由于激光和泵浦光光路相同，所以以激光在图5所示的结构中传输为 例。由于抛物面反射镜104、增益介质薄片105和双直角反射棱镜组107(由直角反射棱镜 701和直角反射棱镜702组成)组成的结构，使得激光每次经过双直角反射棱镜组107的反 射时激光的入射主平面发生旋转，从而使得激光经过抛物面反射镜104聚焦后入射到增益 介质薄片105时的入射面和反射面(入射面和反射面共面)发生旋转。如图5所示，η = 3，α =30°时的实施例中，激光经过直角反射棱镜701反射两次，在直角反射棱镜702反射 两次，因此激光在双直角反射棱镜组107上共产生两次入射面旋转。如图5所示，激光共在 增益介质薄片105上反射3次，每一次的反射面之间夹角为60°，所以激光能够均勻地多光 程通过增益介质薄片，有利于提高增益介质薄片105的利用效率，充分地消耗反转粒子数， 同时有利于消除热效应，有利于提高光束质量。
同理，对于泵浦光，由于抛物面反射镜104、增益介质薄片105和双直角反射棱镜 组107 (由直角反射棱镜701和直角反射棱镜702组成)组成的结构，使得泵浦光每次通过 增益介质薄片105时入射面发生旋转。在如图5所示，η = 3，α =30°时的实施例中，泵 浦光共在增益介质薄片105上反射3次，每一次的反射面之间夹角为60°，所以泵浦光能够 均勻地多光程通过增益介质薄片，有利于增益介质薄片105对泵浦光进行均勻地充分地吸 收，提高泵浦光利用效率，充分地提高反转粒子数。
而本发明提出的如图5所示的结构的一个关键的优点是，泵浦光路和激光光路在 图5所示的结构中完全重合，结合泵浦光和激光在图5所示的结构中的入射面反转的优势， 使得泵浦光和激光的模式匹配更有优化，更加有利于提高光光转换效率，提高光束质量。
如图6所示，η = 3, α = 30°时抛物面反射镜104的横截面上的光点分布图。
如图7所示η = 3，α = 30°时泵浦光光路展开图。
如图8所示，η = 3，α = 30°时激光振荡光路展开图。
下面结合图5，6，7，8对η = 3，α = 30°时的本实施例进行详述。
泵浦光光路实施过程。如图5，6，7所示，泵浦光沿箭头所示方向(如图5所示)入 射，首先平行于抛物面反射镜104的光轴入射到抛物面反射镜104的点1上，经抛物面反射 镜104聚焦到激光增益介质薄片105，并进入激光增益介质薄片105，泵浦光被激光增益介 质薄片105吸收，用于产生增益介质中的粒子数反转。泵浦光在激光增益介质薄片105后 表面发生镜面反射，再次通过激光增益介质薄片105，激光增益介质薄片105对泵浦光再次 进行吸收用于粒子数反转。泵浦光经由激光增益介质薄片105出射后，斜入射到抛物面反 射镜104的点2上，经抛物面反射镜104反射后，平行于抛物面反射镜104的光轴入射到直 角反射棱镜701的Sl面，经Sl面反射到直角反射棱镜701的S2面，再平行入射到抛物面 反射镜104的点3上。经抛物面反射镜104反射，聚焦到激光增益介质薄片105上，经过激 光增益介质薄片105吸收、后表面镜面反射和激光增益介质薄片105再吸收，斜入射到抛物 面反射镜104的点4上。经抛物面反射镜104反射后，平行于抛物面反射镜104的光轴入 射到直角反射棱镜702的S6面，经S6面反射到直角反射棱镜702的S7面，再平行入射到 抛物面反射镜104的点5上。经抛物面反射镜104反射，聚焦到激光增益介质薄片105上， 经过激光增益介质薄片105吸收、后表面镜面反射和激光增益介质薄片105再吸收，斜入射 到抛物面反射镜104的点6上。经抛物面反射镜104反射后，平行于抛物面反射镜104的 光轴入射到直角反射棱镜701的脊上，即Sl面与S2面的交线，此时为泵浦腔的单程过程。 如图7所示，经直角反射棱镜701的脊反射后，泵浦光原路返回，依次通过抛物面反射镜104 的点6、增益介质薄片105、抛物面反射镜104的点5、增益介质薄片105、抛物面反射镜104 的点4，增益介质薄片105、抛物面反射镜104的点3、增益介质薄片105、抛物面反射镜104 的点2，增益介质薄片105、抛物面反射镜104的点1后，形成完整的泵浦光传输过程。其中 泵浦光准确地入射到直角反射棱镜701的脊，反射后原路返回，这需要通过调整泵浦光的入射位置来实现。
根据上述对泵浦光光路实施过程，该实施例中，即η = 3, α = 30°时，一次单程激 光传输过程，泵浦光经激光增益介质薄片105反射3次，共6次通过激光增益介质薄片105， 即激光增益介质薄片105共吸收泵浦光6次，即2η次(本实施例中η =幻；一次往返过程， 泵浦光共12次通过激光增益介质薄片105，即激光增益介质薄片105共吸收泵浦光12次， 即如次(本实施例中η =幻。因此，泵浦光在泵浦腔的传输过程，使得相对于常规谐振腔， 激光增益介质薄片105对泵浦光的吸收次数提高2η倍，等效于增加了增益介质薄片105的 有效吸收厚度，增益介质薄片105能够充分地吸收泵浦光，提高泵浦光利用效率，弥补了增 益介质薄片厚度小、对泵浦光单次吸收效率低的缺点。多光程中泵浦光多次经过抛物面反 射镜104、增益介质薄片105和双直角反射棱镜组107的反射引入一定的损耗，但这些损耗 远远小于增益增加，且泵浦光多次通过增益介质薄片105大大增大了泵浦光的吸收和利用 效率，完全可以忽略上述损耗。
激光谐振过程分析。如图5，6，8所示，以耦合输出腔镜108为激光在腔内振荡起 点，激光经沿箭头所示方向(如图5所示)入射，首先平行于抛物面反射镜104的光轴入 射到抛物面反射镜104的点1上，经抛物面反射镜104聚焦到激光增益介质薄片105，并进 入激光增益介质薄片105，振荡激光消耗激光增益介质薄片105的反转粒子数，获得单次增 益。振荡激光在激光增益介质薄片105后表面发生镜面反射，再次通过激光增益介质薄片 105，振荡激光再次消耗激光增益介质薄片105的反转粒子数，再次获得增益。振荡激光经 由激光增益介质薄片105出射后，斜入射到抛物面反射镜104的点2上，经抛物面反射镜 104反射后，平行于抛物面反射镜104的光轴入射到直角反射棱镜701的Sl面，经Sl面反 射到直角反射棱镜701的S2面，再平行入射到抛物面反射镜104的点3上。经抛物面反射 镜104反射，聚焦到激光增益介质薄片105上，经过消耗激光增益介质薄片105的反转粒子 数获得增益、后表面镜面反射和再次消耗激光增益介质薄片105的反转粒子数再次获得增 益，斜入射到抛物面反射镜104的点4上。经抛物面反射镜104反射后，平行于抛物面反射 镜104的光轴入射到直角反射棱镜702的S6面，经S6面反射到直角反射棱镜702的S7面， 再平行入射到抛物面反射镜104的点5上。经抛物面反射镜104反射，聚焦到激光增益介 质薄片105上，经过消耗激光增益介质薄片105的反转粒子数获得增益、后表面镜面反射和 再次消耗激光增益介质薄片105的反转粒子数再次获得增益，斜入射到抛物面反射镜104 的点6上。经抛物面反射镜104反射后，平行于抛物面反射镜104的光轴入射到直角反射 棱镜701的脊上，即Sl面与S2面的交线，此时为谐振腔的一次单程激光振荡过程。如图7 所示，经直角反射棱镜701的脊反射后，振荡激光沿原路返回，依次通过抛物面反射镜104 的点6、增益介质薄片105、抛物面反射镜104的点5、增益介质薄片105、抛物面反射镜104 的点4，增益介质薄片105、抛物面反射镜104的点3、增益介质薄片105、抛物面反射镜104 的点2，增益介质薄片105、抛物面反射镜104的点1后，形成一次往返过程。其中，振荡激 光准确地入射到直角反射棱镜701的脊，反射后沿原路返回，这是激光振荡实现自再现自 动选择的结果。
结合上述对激光谐振过程的详细分析，该实施例中，即η = 3，α = 30°时，一次 单程振荡过程，振荡激光经激光增益介质薄片105反射3次，共6次通过激光增益介质薄片 105，即振荡激光共获得6次增益，即2η次(本实施例中η = 3)；—次激光振荡往返过程，9振荡激光共12次通过激光增益介质薄片105，即振荡激光共获得12次增益，即如次(本 实施例中η =幻。因此，一次激光闭环振荡过程中，振荡激光在增益介质后表面经过2η次 反射，即振荡激光共如次通过增益介质，则一次激光闭环振荡过程中的总的小信号增益为 4ng0lo决定功率的一个往返振荡的增益是振荡激光单次通过增益介质的如倍。而损耗主 要为输出腔镜108的耦合输出、增益介质105的吸收损耗，以及抛物面反射镜104、增益介质 薄片105和双直角反射棱镜组107的反射损耗，其中输出腔镜108的耦合输出在损耗中占 主要部分，而其中耦合输出损耗是主要部分，其余损耗均为远远耦合输出损耗，所以振荡激 光的多光程即经过增益介质薄片105的次数对往返损耗影响不大。根据上述公式(1. 1)可 得，本发明提出的泵浦腔和激光谐振腔合二为一的结构，能够有效提高一次往返过程的增 益，而损耗保持不变，则激光输出功率大大增加。
根据上述泵浦光传输过程和激光闭环振荡过程，并结合图4，5，6，对于抛物面反射 镜上光线的入射点1，2，3，4，5，6进行说明。1与2关于增益介质薄片105对称分布；2与3 关于直角反射棱镜701的脊(即Sl与S2面的交线)对称分布；3与4关于增益介质薄片 105对称分布；4与5关于直角反射棱镜702的脊(即S6与S7面的交线)对称分布；5与 6关于增益介质薄片105对称分布。
图9a至图9g展示了 η = 1，2，4，5，6，7，8的抛物面镜的横截面上的光点分布图。 结合上述对η = 3，α =30°时的实施例详述过程和图2_8，可分析出各实施例中的泵浦光 传输过程和激光谐振腔振荡过程。所述的η与切割角度α存在关系η α =90°。下面简 要分析如下
如图9a所示，η = 1时，直角反射棱镜702的切割角度α =90°，即双直角反射 棱镜组107仅采用一块直角反射棱镜701。本实施例中，一次往返过程中，泵浦光在激光增 益介质薄片105后表面发生镜面反射2次，共4次通过激光增益介质薄片105，即激光增益 介质薄片105共吸收泵浦光4次，即如次(本实施例中η = 1)；—次激光闭环振荡过程中， 振荡激光在激光增益介质薄片105后表面经过2次反射，即振荡激光共4次通过激光增益 介质薄片105，获得4次增益，即如次(本实施例中η= 1)，则一次激光闭环振荡过程中的 总的小信号增益为4&1。
如图9b所示，η = 2时，直角反射棱镜702的切割角度α = 45°。本实施例中， 一次往返过程中，泵浦光在激光增益介质薄片105后表面发生镜面反射4次，共8次通过激 光增益介质薄片105，即激光增益介质薄片105共吸收泵浦光8次，即如次(本实施例中η =2)；一次激光闭环振荡过程中，振荡激光在激光增益介质薄片105后表面经过4次反射， 即振荡激光共8次通过激光增益介质薄片105，获得8次增益，，即如次(本实施例中η = 2)，则一次激光闭环振荡过程中的总的小信号增益为8&1。
如图9c所示，η = 4时，直角反射棱镜702的切割角度α = 22.5°。本实施例 中，一次往返过程中，泵浦光在激光增益介质薄片105后表面发生镜面反射8次，共16次通 过激光增益介质薄片105，即激光增益介质薄片105共吸收泵浦光16次，即如次(本实施 例中n = 4)；一次激光闭环振荡过程中，振荡激光在激光增益介质薄片105后表面经过8次 反射，即振荡激光共16次通过激光增益介质薄片105，获得16次增益，，即如次(本实施例 中η = 4)，则一次激光闭环振荡过程中的总的小信号增益为16&1。
如图9d所示，η = 5时，直角反射棱镜702的切割角度α = 18°。本实施例中，一次往返过程中，泵浦光在激光增益介质薄片105后表面发生镜面反射10次，共20次通过 激光增益介质薄片105，即激光增益介质薄片105共吸收泵浦光20次，即如次(本实施例 中η =幻；一次激光闭环振荡过程中，振荡激光在激光增益介质薄片105后表面经过10次 反射，即振荡激光共20次通过激光增益介质薄片105，获得20次增益，，即如次(本实施例 中η = 5)，则一次激光闭环振荡过程中的总的小信号增益为20&1。
如图9e所示，η = 6时，直角反射棱镜702的切割角度α = 15°。本实施例中， 一次往返过程中，泵浦光在激光增益介质薄片105后表面发生镜面反射12次，共M次通过 激光增益介质薄片105，即激光增益介质薄片105共吸收泵浦光M次，即如次(本实施例 中η = 6)；—次激光闭环振荡过程中，振荡激光在激光增益介质薄片105后表面经过12次 反射，即振荡激光共M次通过激光增益介质薄片105，获得M次增益，即如次(本实施例 中η = 6)，则一次激光闭环振荡过程中的总的小信号增益为Μ&1。
如图9f所示，η = 7时，直角反射棱镜702的切割角度α = 12. 85°。本实施例 中，一次往返过程中，泵浦光在激光增益介质薄片105后表面发生镜面反射14次，共观次 通过激光增益介质薄片105，即激光增益介质薄片105共吸收泵浦光28次，即如次(本实 施例中η = 7)；—次激光闭环振荡过程中，振荡激光在激光增益介质薄片105后表面经过 14次反射，即振荡激光共观次通过激光增益介质薄片105，获得观次增益，，即如次(本 实施例中η = 7)，则一次激光闭环振荡过程中的总的小信号增益为观&1。
如图9g所示，η = 8时，直角反射棱镜702的切割角度α = 11. 25°。本实施例 中，一次往返过程中，泵浦光在激光增益介质薄片105后表面发生镜面反射16次，共32次 通过激光增益介质薄片105，即激光增益介质薄片105共吸收泵浦光32次，即如次(本实 施例中η = 8)；—次激光闭环振荡过程中，振荡激光在激光增益介质薄片105后表面经过 16次反射，即振荡激光共32次通过激光增益介质薄片105，获得32次增益，，即如次(本 实施例中η = 8)，则一次激光闭环振荡过程中的总的小信号增益为32&1。
其它相关实施例，包括所述的双直角反射棱镜组采用其它能够实现相同功能作用 的光学器件或者组合代替；所述的谐振腔中加入其它光学元件例如非线性光学晶体、调Q 晶体等；所述的泵浦系统中的泵浦光源、光学耦合系统、45°放置的双色分束镜可采用其它 等效功能的器件和结构，均可采用上述说明进行相应分析。1权利要求
1.一种多光程薄片式激光振荡器，包括在一光路上依次安置的泵浦光源(101)、光学 耦合系统(102)、双色分束镜(103)、抛物面反射镜(104)、激光增益介质薄片(105)，其特征 在于激光增益介质薄片的泵浦光路和产生的激光振荡光路为同一光路。所述光路上，在激光增益介质薄片(10 之后还依次安置有双直角反射棱镜组(107) 和耦合输出腔镜(108)，所述双直角反射棱镜组(107)由第一直角反射棱镜(701)和第二 个直角反射棱镜(702)构成，所述直角反射棱镜(701)包括第一反射面(Si)、第二反射面 (S2)和上表面(S3)，所述第一反射面(Si)和所述第二反射面(S2)相互垂直，所述第一反 射面(Si)、所述第二反射面(S2)和所述上表面(S3)三个面交于点P;所述直角反射棱镜 (702)包括第三反射面(S6)、第四反射面(S7)、第一切割面(S4)和第二切割面(S5)，所述 第三反射面(S6)和所述第四反射面(S7)相互垂直，所述第一切割面(S4)和所述第二切割 面(SO分别与底面成α角度，且关于所述第二直角反射棱镜(70 的中间轴对称分布，所 述第一切割面(S4)和所述第二切割面(S5)交于点0;所述第一直角反射棱镜(701)的点P 和所述第二个直角反射棱镜(702)的点0相抵合，所述上表面(S3)与所述第一切割面(S4) 重合构成所述双直角反射棱镜组(107)。
2.根据权利要求1所述的多光程薄片式激光振荡器，其特征在于，所述泵浦光源(101) 为半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的多光程薄片式激光振荡器，其特征在于，所述泵浦光源(101) 为光纤耦合输出的半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的多光程薄片式激光振荡器，其特征在于，所述第一反射面 (Si)、所述第二反射面(S2)、所述第三反射面(S6)、所述第四反射面(S7)均经过镀膜处理。
5.根据权利要求1所述的多光程薄片式激光振荡器，其特征在于，所述光学耦合系统(102)为透镜。
6.根据权利要求1所述的多光程薄片式激光振荡器，其特征在于，所述双色分束镜(103)呈45°放置。
7.根据权利要求1所述的多光程薄片式激光放大器，其特征在于，所述激光增益介质 薄片(105)的一面设置有热沉系统(106)。
8.根据权利要求1所述的多光程薄片式激光振荡器，其特征在于，所述双直角反射棱 镜组(107)为角锥棱镜。
全文摘要
本发明公开了一种多光程薄片式激光振荡器，包括在一光路上依次安置的泵浦光源、光学耦合系统、双色分束镜、抛物面反射镜、激光增益介质薄片、其中，所述光路上，在激光增益介质薄片之后还依次安置有双直角反射棱镜组和耦合输出腔镜，所述双直角反射棱镜组由第一直角反射棱镜和第二个直角反射棱镜构成。本发明的多光程激光振荡器结构将泵浦腔与激光谐振腔合二为一，即泵浦光路和激光振荡光路合二为一，使泵浦光多次通过增益介质，提高了泵浦效率；又由于振荡激光多次通过增益介质薄片，使谐振腔中光束一次往返过程中的增益提高数倍甚至数十倍，从而提高了激光器输出功率。适合应用于科研和工业加工的激光器中。
文档编号H01S3/0941GK102044831SQ20101054443
公开日2011年5月4日 申请日期2010年11月16日 优先权日2010年11月16日
发明者孙明营, 朱健强, 王勇, 王宪涛, 王斌, 王裕民 申请人:苏州大恒光学精密机械有限公司