一种可用于小型化板条激光器的UR90腔结构、UR90腔变形结构以及板条激光器的制作方法

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种可用于小型化板条激光器的板条激光器的ur90腔结构以及板条激光器。

背景技术：

高功率固体激光以其高峰值功率、高光束质量、结构紧凑等特点在民用、军用和空间通信方面展示出重要的应用前景。板条状激光器由于其特殊的平板状结构，可以有效地降低激光器的热畸变效应，从而得到比棒状工作物质更好的光束质量和更高的平均输出功率。由于板条状激光器理论上仅受限于激光介质的应力极限，从而可以开发出一些因有严重热透镜效应如：一阶热聚焦、应力双折射和退偏效应，而不宜做成棒状的激光玻璃和晶体介质；并且传统的棒状固体激光器在热负荷条件下运转时，激光介质有严重的热畸变，从而使光束质量降低，并限制了激光器的输出水平和高重复频率运转，而板条激光器则具有能够大幅度减小热感生的光学畸变，改进激光性能所具有的能力。基于这些优点板条激光器得到各国科研工作者的重视。目前，国内外的激光研究工作者对于板条状固体激光器的工作物质种类、热效应、泵浦方式，谐振腔腔型等诸多方面进行了许多研究。

早期的板条激光器利用闪光灯泵浦，因此大都采用面泵浦的结构；闪光灯泵浦基本能实现均匀泵浦，因此工作物质内温度梯度是一维分布的，只存在垂直于用于水冷的介质大面的方向(y方向)上，这种一维的热场分布，不易产生热致双折射，从而防止热退偏，但会在竖直方向上产生热透镜效应；为了消除热透镜的影响，通常需要将两个供振荡激光通过的端面切割成绕x方向倾斜的布儒斯特角，并将截至的两个大面也抛光使得振荡激光在板条介质内部的两个大面的全内反射而呈“z”字形传播，所以也称作zigzag激光器(zigzaglaser)；使激光在y方向上不同区域的不均匀热影响相互抵消，从而达到减弱甚至消除热透镜效应的目的。

又由于激光器的能量(功率)提取效率主要由光腔决定，且激光器的输出光束质量也与光腔有关，所以固体激光器的研究中，光学谐振腔受到广泛重视。板条激光器最大的问题是其两维热焦距不一样，导致两维发散角不同，会影响激光器的光束质量，打坏元件。

为实现高功率，高光束质量和高稳定工作，ur90腔光线运行轨迹与近光轴的初始光点不在一个平面内，以螺旋展开方式渐离光轴，光束沿环形腔运行一周，其截面光斑将绕轴旋转90°，有效地改善了两维热焦距不均匀的问题，可以提高光束质量，实现大功率输出；但是ur90腔在光束提升或下降的过程中是离轴的，其像差大，为了减小像差，只能通过拉长腔长的方法，故并不适用于小型激光器。

技术实现要素：

鉴于已有ur90腔不能应用到小型化板条激光器的缺陷，本发明的目的是要提供一种可用于小型化板条激光器的ur90腔结构，其利用单面曲率柱面镜在水平和竖直方向分别扩束，有效解决了像差问题且可缩短腔长，特别适用于小型激光器。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种可用于小型化板条激光器的ur90腔结构，其特征在于，包括：

板条激光晶体，其用以输出激光光束；

第一扩束系统，其用以在水平方向上对所述激光光束所对应的激光光斑进行第一次扩束；

第一高反镜组，其用以使经第一次扩束后的激光光束绕光轴方向转动90°；

刮刀镜，其用以刮去经第一高反镜组后所述激光光束所对应的某一侧的激光光斑并输出剩余部分激光光束，剩余部分激光光束传输至第二扩束系统；

第二扩束系统，其用以在垂直方向上对所述激光光束所对应的激光光斑进行第二次扩束以使得经第二次扩束后的激光光斑尺寸为板条激光晶体所输出的激光光束所对应的激光光斑尺寸；

以及第二高反镜组，其用以改变经第二次扩束后的激光光束的光束方向以使得所述激光光束能够再次通过板条激光晶体以完成激光光束的一个传播周期；

其中，通过板条激光晶体所输出的初始的激光光束，经第一扩束系统水平方向上进行第一次扩束后，通过第一高反镜组使激光光束绕光轴方向转动90°后由刮刀镜刮去上面部分激光光束，剩余部分激光光束再通过第二扩束系统在垂直方向上进行第二次扩束后使得激光光斑尺寸为板条激光晶体所输出的激光光束所对应的激光光斑尺寸；最后通过第二高反镜组再次改变光束方向后通过板条激光晶体完成激光光束的一个传播周期。

基于上述方案，进一步优选的，

所述第一扩束系统由在垂直方向具有曲率的两个柱面镜构成；所述第二扩束系统由在水平方向具有曲率的两个柱面镜构成。

基于上述方案，进一步优选的，

使得所述第一扩束系统与所述第二扩束系统各自所对应的光轴方向正交。

基于上述方案，进一步优选的，

所述第一扩束系统与所述第二扩束系统所对应的扩大倍数均依据激光光斑尺寸在水平方向尺寸长与激光光斑在竖直方向尺寸高确定。

本发明另一目的是要提供一种可用于小型化板条激光器的ur90腔结构的变形结构，上述其特征在于，包括：

板条激光晶体，其用以输出激光光束；

第一高反镜组，使激光光斑绕光轴方向转动90°；

第一扩束系统，其用以在水平方向上对转动后的所述激光光束所对应的激光光斑进行第一次扩束；

刮刀镜，其用以使得经第一扩束系统后的所述激光光束所对应的某一侧的激光光斑并输出剩余部分激光光束，剩余部分激光光束通过传输至第二高反镜组；

第二高反镜组，其用以改变刮刀镜所输出的激光光束的光束方向；

以及第二扩束系统，其用以在垂直方向上对所述激光光束所对应的激光光斑进行第二次扩束以使得经第二次扩束后的激光光斑尺寸为板条激光晶体所输出的激光光束所对应的激光光斑尺寸以使得所述激光光束能够再次通过板条激光晶体以完成激光光束的一个传播周期；

其中，通过板条激光晶体所输出的初始的激光光束，经第一高反镜组激光光斑绕光轴方向转动90°，通过第一扩束系统在水平方向上进行第一次扩束后，通过由刮刀镜刮去一侧的激光光束，经第二高反镜组改变激光光束的光束方向后再通过第二扩束系统在垂直方向上进行第二次扩束后使得激光光斑尺寸为板条激光晶体所输出的激光光束所对应的激光光斑尺寸；最后通过板条激光晶体完成激光光束的一个传播周期。

基于上述方案，进一步优选的，

所述第一扩束系统由在垂直方向具有曲率的两个柱面镜构成；所述第二扩束系统由在水平方向具有曲率的两个柱面镜构成。

基于上述方案，进一步优选的，

使得所述第一扩束系统与所述第二扩束系统各自所对应的光轴方向正交。

基于上述方案，进一步优选的，

所述第一扩束系统与所述第二扩束系统所对应的扩大倍数均依据激光光斑尺寸在水平方向尺寸长与激光光斑在竖直方向尺寸高确定。

本发明另一目的是要提供一种具有上述任意一种ur90腔结构的板条激光器。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明有效解决了现有技术中ur90腔在光束提升或下降的过程中是离轴的，其像差大，为了减小像差只能通过拉长腔长的方法，故并不适用于小型激光器的问题，其通过在水平和竖直方向分别扩束，实现了独立调节两维像差，而且单面曲率不受倾角影响，其腔长可缩短，使得ur90腔能够应用于小型激光器，特别是板条激光器。

附图说明

图1为本发明所涉及可用于小型化板条激光器的ur90腔结构示意图；

图2为本发明所涉及可用于小型化板条激光器的ur90腔变形结构示意图；

图3为本发明所涉及r90腔结构的激光光束经过每个光学元件的激光光斑形状示意图；

图4a为本发明所涉及可用于小型化板条激光器的刮刀镜的不同实施方式侧视图；

图4b为本发明所涉及可用于小型化板条激光器的刮刀镜的不同实施方式主视图。

图1中所示的：1、板条激光晶体，2、第一扩束系统，3、第一高反镜组，4、刮刀镜，5、第二扩束系统，6、第二高反镜组；

图2中所示的：i、变形结构的板条激光晶体，ii、变形结构的第一高反镜组，iii、变形结构的第一扩束系统，iv、变形结构的刮刀镜，v、变形结构的第二高反镜组，vi、变形结构的第二扩束系统；

图3中所示的：11、经过激光板条晶体的激光光斑形状，21、经第一扩束系统的激光的光斑形状，31、经过第一高反镜组的激光光斑形状，41、经过刮刀镜的激光光斑形状，51经第二扩束系统的激光的光斑形状。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如上所述，现有的ur90腔结构往往面临着在光束提升或下降的过程中是离轴的，其像差大，为了减小像差只能通过拉长腔长的方法，故并不适用于小型激光器等问题。

鉴于上述问题，如图1、图3，本发明提供了一种可用于小型化板条激光器的ur90腔结构，其特征在于，包括：

板条激光晶体1，其用以输出初始的激光光束；第一扩束系统2，其用以在水平方向上对所述激光光束所对应的激光光斑进行第一次扩束；第一高反镜组3，其用以改变经第一次扩束后的激光光束的光束方向；刮刀镜4，刮去经第一扩束系统后的所述激光光束所对应的某一侧(对应下例则为上侧)的激光光斑并输出剩余部分激光光束，剩余部分激光光束传输至第二高反镜组；第二扩束系统5，其用以在垂直方向上对所述激光光束所对应的激光光斑进行第二次扩束以使得经第二次扩束后的激光光斑尺寸为板条激光晶体所输出的激光光束所对应的激光光斑尺寸；以及第二高反镜组6，其用以改变经第二次扩束后的激光光束的光束方向以使得所述激光光束能够再次通过板条激光晶体以完成激光光束的一个传播周期；其中，如图3通过板条激光晶体1所输出的初始的激光光束，经第一扩束系统2水平方向上进行第一次扩束后，通过第一高反镜组3改变光束方向后由刮刀镜4刮去上面部分激光光束，剩余部分激光光束再通过第二扩束系统5在垂直方向上进行第二次扩束后使得激光光斑尺寸为板条激光晶体所输出的激光光束所对应的激光光斑尺寸；最后通过第二高反镜组6再次改变光束方向后通过板条激光晶体1完成激光光束的一个传播周期。

基于上述方案，进一步的优选例1，所述第一扩束系统2由在垂直方向具有曲率的两个柱面镜构成；所述第二扩束系统由在水平方向具有曲率的两个柱面镜构成，所述曲率值由激光光束所需的扩束倍数决定。在上述方案中，激光光束要分两步扩束，经第一扩束系统2和第二扩束系统5分别在水平方向和竖直方向扩束。两个柱面镜的焦距依据所要实现的扩大倍数决定。

基于上述优选例1，进一步的优选例2，所述第一扩束系统对应的光轴方向与所述第二扩束系统所对应的光轴方向正交。

基于上述优选例2，进一步的优选例3，所述第一扩束系统与所述第二扩束系统所对应的扩大倍数均依据激光光斑尺寸在水平方向尺寸长与激光光斑在竖直方向尺寸高确定，其中第一扩束系统的扩大倍数为(激光光斑尺寸在水平方向尺寸长比激光光斑在竖直方向尺寸高的1/2次方倍；通过刮刀镜4后剩余的激光光束通过第二扩束系统5只在水平方向扩大与第一扩束系统2相同的倍数，使得激光光斑尺寸变为最初的激光光斑尺寸。

基于上述优选例3，进一步的优选例4，所述第一高反镜组由两个与板条激光晶体互成45°角的平面镜组成，其能够使得激光光束绕光轴旋转90°；所述第二高反镜组由两个与板条激光晶体互成45°角的平面镜组成，且其中一个平面镜与板条激光晶体在同一平面以使得激光光束再次通过板条激光晶体完成激光光束的一个传播周期。

基于上述优选例4，进一步的优选例5，所述刮刀镜，刮去激光光束所对应的上侧的激光光斑(对应下例则为上侧)，剩余部分激光光斑的竖直方向尺寸为和原始激光光斑竖直方向尺寸相同。置于具体刮除哪一侧的激光光斑以具体实验要求为准。

如图2、图3，本发明另一目的是要提供一种可用于小型化板条激光器的ur90腔结构的变形结构，上述其特征在于，包括：

板条激光晶体i，其用以输出激光光束；

第一高反镜组ii，其用以使得激光光束绕光轴旋转90°；

第一扩束系统iii，其用以在水平方向上对变向后的所述激光光束所对应的激光光斑进行第一次扩束；

刮刀镜iv，其用以使得经第一扩束系统后的上侧的激光光斑刮去激光光束上面部分并输，剩余部分激光光束传输至第二高反镜组；

第二高反镜组v，其用以改变刮刀镜所输出的激光光束的光束方向；

以及第二扩束系统vi，其用以在垂直方向上对所述激光光束所对应的激光光斑进行第二次扩束以使得经第二次扩束后的激光光斑尺寸为板条激光晶体所输出的激光光束所对应的激光光斑尺寸以使得所述激光光束能够再次通过板条激光晶体以完成激光光束的一个传播周期；

其中，通过板条激光晶体所输出的初始的激光光束，经第一高反镜组改变光束方向后，通过第一扩束系统在水平方向上进行第一次扩束后，通过由刮刀镜刮去部分激光光束，经第二高反镜组再次改变光束方向后再通过第二扩束系统在垂直方向上进行第二次扩束后使得激光光斑尺寸为板条激光晶体所输出的激光光束所对应的激光光斑尺寸；最后通过板条激光晶体完成激光光束的一个传播周期。

基于上述方案，进一步的优选例1，所述第一扩束系统由在垂直方向具有曲率的两个柱面镜构成；所述第二扩束系统由在水平方向具有曲率的两个柱面镜构成。在上述方案中，激光光束要分两步扩束，经第一扩束系统和第二扩束系统分别在水平方向和竖直方向扩束。两个柱面镜的焦距依据所要实现的扩大倍数决定。

基于上述优选例5，进一步的优选例6，所述第一扩束系统对应的光轴方向与所述第二扩束系统所对应的光轴方向正交。

基于上述优选例6，进一步的优选例7，所述第一扩束系统与所述第二扩束系统所对应的扩大倍数均依据激光光斑尺寸在水平方向尺寸长与激光光斑在竖直方向尺寸高确定，其中第一扩束系统的扩大倍数为(激光光斑尺寸在水平方向尺寸长比激光光斑在竖直方向尺寸高的1/2次方倍；通过刮刀镜4后剩余的激光光束通过第二扩束系统5只在水平方向与第一扩束系统2扩大相同的倍数，使得激光光斑尺寸变为最初的激光光斑尺寸。

基于上述优选例7，进一步的优选例8，所述第一高反镜组由两个与板条激光晶体互成45°角的平面镜组成，其能够使得激光光束绕光轴旋转90°。所述第二高反镜组由两个与板条激光晶体互成45°角的平面镜组成，且其中一个平面镜与板条激光晶体在同一平面以使得激光光束再次通过板条激光晶体完成激光光束的一个传播周期；如图3，使用说明激光光束在传输一个周期的过程中，激光光斑的变化情况。

基于上述优选例8，进一步的优选例9，所述刮刀镜，刮去激光光束上侧激光，剩余部分激光光斑的竖直方向尺寸为和原始激光光斑竖直方向尺寸相同；如图4a、图4b所示的刮刀镜其镀有对应波长的高反膜的平面镜，与激光传输方向成一定倾角放置，通过上下调节高反镜使得经过板条晶体后激光光束上侧反射输出，下侧的激光光束通过；所述刮刀镜形状可以为矩形、平行四边形、梯形等。

本发明另一目的是还要提供一种具有上述任意一种ur90腔结构的板条激光器；

下面以实际实验实施例对上述方案作以说明：

实施例1：本例采用如图1所示ur90腔结构；具体的，首先使得808nm的泵浦激光通过高为40mm，长为160mm的nd:yag板条激光晶体1后输出1064nm的激光光束；通过第一扩束系统2扩束，其激光光斑在竖直方向尺寸扩大2倍((激光光斑水平方向尺寸长/激光光斑竖直方向高)^1/2＝(160/40)^1/2＝2倍)，激光光斑尺寸变为高为80mm，长为160mm；再通过第一高反镜组3改变方向使得激光光束绕轴旋转90°，此时激光光斑尺寸高为160mm，长为80mm，经刮刀镜4，刮去上部分即刮去的激光光斑尺寸为120mm(原始激光光斑水平尺寸长160mm-原始激光光斑竖直方向尺寸高40mm＝120mm)，只剩余的下部分激光通过，最终通过的激光光斑尺寸为在竖直方向尺寸高为40mm，在水平方向尺寸长为80mm，经第二扩束系统5在水平方向扩束2倍，使其激光光斑尺寸变为最初的激光光斑尺寸，最后通过第二高反镜组后进入板条激光晶体1，此时激光光束完成一个传播周期。

实施例2：本例采用如图2所示ur90腔变形结构；具体的，首先使得940nm的泵浦激光通过高为5mm，长为80mm的yb:yag板条激光晶体1后输出1030nm的激光光束，经第二高反镜组6使激光光束绕轴旋转90°，此时激光光斑尺寸为高80mm，长5mm，再通过第二扩束系统5扩束，使得激光光斑在水平方向尺寸扩大4倍((激光光斑水平方向尺寸长/激光光斑竖直方向高)^1/2＝(80/5)^1/2＝4倍)，激光光斑尺寸变为长为20mm，高为80mm，经刮刀镜4，刮去上部分即刮去的激光光斑尺寸为75mm(原始激光光斑水平尺寸长80mm-原始激光光斑竖直方向尺寸高5mm＝75mm)，只剩余的下部分激光通过，最终通过的激光光斑尺寸在竖直方向尺寸高为5mm，在水平方向尺寸长为20mm，经第一扩束系统2在竖直方向扩束4倍使其激光光斑尺寸变为长80mm，高5mm后激光光束完成一个传播周期。

综上所述，本发明所述ur90腔结构以及基于上述结构的板条激光器，其具有分别在一维方向进行两次扩束解决了传统ur90腔像差大，谐振腔长过长的弊端，实现了把ur90腔用在小型板条激光器中的目的。如其采用两组扩束系统都是只有一维有曲率，可以在水平和竖直方向分别扩束，分别调节；且分两步扩束可以在水平和竖直方向独立调节两维像差以减小像差；同时由于传统ur90腔中在光束提升和下降过程中由于离轴导致的像差大，必须通过拉长谐振腔长度降低相差，而发明所述ur90腔结构其单面曲率不受倾角影响，谐振腔长度可以做短，特别适用于小型激光器。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。