一种基于角锥棱镜的阵列激光自约束多程折叠谐振腔的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于角锥棱镜的阵列激光自约束多程折叠激光谐振腔，包括角锥棱镜、激光介质、角隅棱镜、谐振腔输出镜和谐振腔尾镜，按照设定位置结构排布，使得光路能够实现空间多程折叠自约束，从而大大缩小传统多级串接振荡光路的体积。同时，由于采用了角锥棱镜，大大提高了系统的抗失调特性，是获得小型化、高可靠性、高功率/大能量、高光束质量激光输出的谐振腔。本发明光路简明、结构紧凑，而且容易扩展，调节方便，特别适合对激光性能、结构空间和高可靠性均有要求的工程实用场合。
【专利说明】
一种基于角锥棱镜的阵列激光自约束多程折叠谐振腔
技术领域
[0001]本发明属于激光技术领域，特别涉及一种基于角锥棱镜的阵列激光自约束多程折叠谐振腔，适用于先进激光加工和军用激光领域。
【背景技术】
[0002]高功率/大能量、高光束质量、小型化和高可靠性激光器在科学研究、先进工业加工和国防军事等领域具有重要的应用。目前，有多种实现高功率/大能量输出的方案，但在小型化、高可靠和高光束质量方面还存在诸多问题。大功率化学激光器、热容固体激光器等已实现了几十kW量级的高功率输出，但是系统体积庞大、造价昂贵，并且可靠性、稳定性及综合性能难以令人满意。
[0003]主振荡功率放大(MOPA)技术由于将激光器的激光特性与输出功率/能量分别实现，主振荡器获得激光器的光束质量、重频、脉宽等激光特性，功率放大器在保持激光特性的同时实现高功率/能量放大，得到了国内外激光研究人员的高度关注，获得了极大的发展。然而，该技术结构复杂，在实现高功率/大能量上难以实现小型化和高可靠。
[0004]多路激光相干合成技术将多个中小功率/能量的激光器通过主动或被动锁相的方式实现远场相干合成，获得高功率/大能量输出，是国内外激光技术领域的研究热点。然而，其远场光斑的旁瓣分散了合成光束的大部分能量，且结构复杂，限制了其进一步的发展和应用。
[0005]角锥棱镜也称定向反射棱镜，其自准直后向反射特性广为人知，即不管入射光线与其底面成何种角度入射，光线经棱镜的三个相互垂直的反射面依次全内反射后，出射光线始终是反向平行于入射光线，并以角锥顶点呈中心对称分布，其关系为物像和镜像关系。角锥三个反射面的棱边及其像将其分割成空间上对称分离的6个子区域，基于其后向反射特性，入射光线和出射光线将永远处在对称的两子区域上。
[0006]
【申请人】长期从事军用固体激光器的可靠性研究，首次将角锥棱镜应用于固体激光器，作为激光谐振腔的后腔镜，发明了《免调试固体激光装置》，专利号:CN1195214A，利用角锥棱镜的自准直后向反射特性实现了固体激光器的抗失调免调试。经过进一步研究，将角锥棱镜谐振腔应用于圆棒介质的电光调Q激光器，设计了《一种可用于电光调Q的免调试固体激光器》，专利号:ZL 200520095538.1，实现了电光调Q激光器的高可靠运转。
[0007]
【申请人】在已有研究成果的基础上，将多个角锥棱镜用于激光谐振腔，发明了阵列激光的多程折叠约束谐振腔，实现自组织、自约束、紧凑型、小型化、高可靠性、抗失调、易于装配调试的激光装置，并获得高功率/大能量、高光束质量激光输出。目前，这方面的研究还未见报道。
[0008]
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种基于角锥棱镜的阵列激光自约束多程折叠谐振腔。位于角锥棱镜对称区域激光的利用角锥棱镜自准直后向反射特性作为自约束谐振腔振荡光路的折叠元件，利用多个角锥棱镜实现阵列激光二维方向的自约束折叠抗失调，实现小型高可靠阵列激光自约束多程折叠激光谐振腔。本发明光路简洁、结构紧凑，而且容易扩展，调节方便，特别适合对激光性能、结构空间和高可靠性均有要求的工程实用场合。
[0010]实施本发明的技术方案如下:
一种基于角锥棱镜的阵列激光自约束多程折叠谐振腔，包括角锥棱镜、激光介质、角隅棱镜、谐振腔输出镜和谐振腔尾镜;角锥棱镜的每个反射侧面均分别划分为若干个子区域，角锥棱镜的各个侧面的子区域在角锥棱镜的底面上的投影子区域以角锥棱镜的锥点在角锥棱镜的底面上的投影点为中心两两中心对称，其中一个子区域的作为出射子区域，从出射子区域出射的激光沿出射子区域对应的谐振光路经谐振腔输出镜部分出射，剩余激光经谐振腔输出镜反射后经出射子区域对应的谐振光路入射到出射子区域；出射子区域相邻的一个子区域作为尾部子区域，从尾部子区域反射的激光沿尾部子区域对应的谐振光路经谐振腔尾镜全反射后沿尾部子区域对应的谐振光路入射尾部子区域，入射到子区域的激光反射至中心对称的子区域，非出射子区域和非尾部子区域的子区域反射的激光经角隅棱镜入射到相邻的非出射子区域和非尾部子区域的子区域，各个子区域对应的谐振光路上设置有激光介质。
[0011]如上所述的角锥棱镜的每个侧面均等分为两个子区域，各个子区域顺时针依次为第一子区域、第二子区域、第三子区域、第四子区域、第五子区域和第六子区域；以角锥棱镜的锥点在角锥棱镜的底面上的投影点为中心，第一子区域的投影子区域与第四子区域的投影子区域中心对称，第二子区域的投影子区域与第五子区域的投影子区域中心对称，第三子区域的投影子区域与第六子区域的投影子区域中心对称，第一子区域作为出射子区域；第二子区域做为尾部子区域。
[0012]如上所述的角锥棱镜是实心角锥或空心角锥，角隅棱镜是角隅棱镜或者直角棱镜或者其他折光器件。
[0013]如上所述的谐振腔输出镜和谐振腔尾镜是两个独立的腔镜或者一体化的阴阳镜。
[0014]本发明相对于现有技术具有以下优点:
1、整个阵列激光光路构成一个自组织、自约束稳定谐振腔，三维抗失调，调节方便，可靠性尚;
2、在结构紧凑、体积小巧的空间内获得大能量和高光束质量；
3、能在一个很小的空间内实现阵列激光自约束多程折叠激光输出，由于角锥棱镜自身的对称性，也很容易的在一台激光器的体积内实现更多路阵列激光的扩展，可以在较小的空间的实现长谐振光路。
【附图说明】
[0015]图1(a)是角锥棱镜的形状结构示意图；
图1 (b)是角锥棱镜自准直后向反射光学特性；
图2(a)是圆底角维棱镜的形状不意图；
图2(b)为角锥棱镜三个反射面的子区域在角锥棱镜底面投影的六个子区域的示意图: 图3是角锥棱镜和角隅棱镜构成的三维6路阵列激光自约束多程折叠谐振腔结构示意图。
[0016]图4(a)是由角锥棱镜圆形底面看到的三维6路阵列激光自约束多程折叠谐振腔结构示意图。
[0017]图4(b)是一种基于角锥棱镜的的18路阵列激光扩展示意。
[0018]其中:1-角锥棱镜;2-激光介质;3-角隅棱镜；
1-1、第一子区域；1-2、第二子区域;1-3、第三子区域；1-4、第四子区域；1-5、第五子区域;1-6、第六子区域；
2-1、第一激光介质;2-2、第二激光介质;2-3、第三激光介质;2-4、第四激光介质;2-5、第五激光介质;2-6、第六激光介质；
3-1、第一角隅棱镜;3-2、第二角隅棱镜；
4-1、谐振腔输出镜;4-2、谐振腔尾镜。
【具体实施方式】
[0019]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明不限于本实施例。
[0020]本发明利用角锥棱镜的自准直后向反射特性作为光路互注入转折元件，结合角隅棱镜3构成阵列激光自约束多维抗失调折叠光路。
[0021]—种基于角锥棱镜的阵列激光自约束多程折叠谐振腔，包括角锥棱镜1、激光介质
2、角隅棱镜3、谐振腔输出镜4-1和谐振腔尾镜4-2，角锥棱镜I的每个反射侧面均分别划分为若干个子区域，角锥棱镜I的各个侧面的子区域在角锥棱镜I的底面上的投影子区域以角锥棱镜I的锥点在角锥棱镜I的底面上的投影点为中心两两中心对称，其中一个子区域的作为出射子区域，从出射子区域出射的激光沿出射子区域对应的谐振光路经谐振腔输出镜4-1部分出射，剩余激光经谐振腔输出镜4-1反射后经出射子区域对应的谐振光路入射到出射子区域；出射子区域相邻的一个子区域作为尾部子区域，从尾部子区域反射的激光沿尾部子区域对应的谐振光路经谐振腔尾镜4-2全反射后沿尾部子区域对应的谐振光路入射尾部子区域，入射到子区域的激光反射至中心对称的子区域，非出射子区域和非尾部子区域的子区域反射的激光经角隅棱镜3入射到相邻的非出射子区域和非尾部子区域的子区域，各个子区域对应的谐振光路上设置有激光介质2。
[0022]处于角锥棱镜I底面投影对称位置的两路激光由于角锥棱镜I的自准直后向反射特性实现自约束互注入;处于角锥棱镜I底面投影相邻位置的两路激光由于角隅棱镜3的自准直后向反射特性实现自约束互注入，从而实现阵列激光的自组织、自约束；角锥棱镜I底面投影其中一对相邻位置的另一端设置有谐振腔镜，使整个阵列激光形成闭环反馈，并输出激光。
[0023]作为一种可选方案，如图2(a)和图2(b)所示，角锥棱镜I的每个侧面均等分为两个子区域，各个子区域顺时针依次为第一子区域1-1、第二子区域1-2、第三子区域1-3、第四子区域1-4、第五子区域1-5和第六子区域1-6;以角锥棱镜I的锥点在角锥棱镜I的底面上的投影点为中心，第一子区域1-1的投影子区域与第四子区域1-4的投影子区域中心对称，第二子区域1-2的投影子区域与第五子区域1-5的投影子区域中心对称，第三子区域1-3的投影子区域与第六子区域1-6的投影子区域中心对称，第一子区域1-1作为出射子区域;第二子区域1-2做为尾部子区域。
[0024]角锥棱镜I可以是实心角锥或空心角锥。
[0025]角锥棱镜也称定向棱镜，是典型的正四面体光学棱镜，其形状类似于正立方体切下的一个角，如图1(a)所示，它的三个空间反射面互相垂直，其出射光线与入射光线在同一个子午面内，方向转折180°相对于锥顶对称分布。光线从任意方向由角锥底面入射进入角锥棱镜，经三个反射面全内反射后，出射光线一定沿入射光线方向返回，如图1(b)所示，这一特性称为后向反射特性。随着应用需求的拓展，角锥棱镜的形状也有了多样化的发展，从单一的正四面体，到圆底角锥、球面角锥、空心角锥、角隅棱镜等，这里以圆底角锥为例进行说明，圆底角锥如图2(a)所示。
[0026]如图2(b)所示，从角锥棱镜I的圆形底面看过去，角锥棱镜I三个反射面均等分为两个子区，顺时针依次为第一子区域1-1、第二子区域1-2、第三子区域1-3、第四子区域1-4、第五子区域1-5和第六子区域1-6域。因其特有的自准直后向反射特性，每一个子区域产生的激光在经角锥棱镜I反射后都会注入到其投影子区域对称的投影子区域对应的子区域输出，即在第一子区域1-1产生的激光经角锥棱镜I后注入到第四子区域1-4，第四子区域1-4产生的激光经角锥棱镜I后同样会注入到第一子区域1-1，如图2(b)所示。同理，第二子区域1-2对应第五子区域1-5，第三子区域1-3对应第六子区域1-6。结合这一特性，在第三子区域1-3、第四子区域1-4对应的谐振光路的端部放置第二角隅棱镜3-2，在第五子区域1-5、第六子区域1-6对应的谐振光路的端部放置第一角隅棱镜3-1，使第四子区域1-4产生的激光与第三子区域1-3产生的激光相互注入，第六子区域1-6产生的激光与第五子区域1-5产生的激光相互注入。在第一子区域1-1的对应的谐振光路的端部放置谐振腔输出镜4-1、第二子区域1-2的对应的谐振光路的端部放置谐振腔尾镜4-2，使整个光路形成闭环反馈振荡，并输出激光。
[0027]这样，只要在该光路与角锥棱镜I端面垂直的六条谐振光路上分别设置激光介质2(第一激光介质2-1?第六激光介质2-6)，就能在一个很小的空间内实现阵列激光自约束多程折叠激光输出，如图3所示。同时，由于角锥棱镜自身的对称性，也很容易的在一台激光器的体积内实现更多路阵列激光的扩展，如在一个子区域内排布3路激光介质2，如图4(b)所不O
[0028]在上述步骤中，角锥棱镜I可以是实心角锥或空心角锥;激光介质2结构可以是圆棒或板条等，材料可以根据需要选取，数量可以是大于等于2的任意自然数;角隅棱镜3可以是角隅棱镜或其它起后向转折光路的光学组件;谐振腔镜4的透过率可以是不同的值，从而形成单孔径输出或双孔径输出，其形态可以为任意形状的镜片或膜层。
[0029]本发明对激光晶体的栗浦系统不作要求。
[0030]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【主权项】
1.一种基于角锥棱镜的阵列激光自约束多程折叠谐振腔，包括角锥棱镜(1)、激光介质(2)、角隅棱镜(3)、谐振腔输出镜(4-1)和谐振腔尾镜(4-2);其特征在于:角锥棱镜(I)的每个反射侧面均分别划分为若干个子区域，角锥棱镜(I)的各个侧面的子区域在角锥棱镜(I)的底面上的投影子区域以角锥棱镜(I)的锥点在角锥棱镜(I)的底面上的投影点为中心两两中心对称，其中一个子区域的作为出射子区域，从出射子区域出射的激光沿出射子区域对应的谐振光路经谐振腔输出镜(4-1)部分出射，剩余激光经谐振腔输出镜(4-1)反射后经出射子区域对应的谐振光路入射到出射子区域；出射子区域相邻的一个子区域作为尾部子区域，从尾部子区域反射的激光沿尾部子区域对应的谐振光路经谐振腔尾镜(4-2)全反射后沿尾部子区域对应的谐振光路入射尾部子区域，入射到子区域的激光反射至中心对称的子区域，非出射子区域和非尾部子区域的子区域反射的激光经角隅棱镜(3)入射到相邻的非出射子区域和非尾部子区域的子区域，各个子区域对应的谐振光路上设置有激光介质(2)。2.根据权利要求1所述的一种基于角锥棱镜的阵列激光自约束多程折叠谐振腔，其特征在于:所述的角锥棱镜(I)的每个侧面均等分为两个子区域，各个子区域顺时针依次为第一子区域(1-1)、第二子区域(1-2)、第三子区域(1-3)、第四子区域(1-4)、第五子区域(1-5)和第六子区域(1-6);以角锥棱镜(I)的锥点在角锥棱镜(I)的底面上的投影点为中心，第一子区域(1-1)的投影子区域与第四子区域(1-4)的投影子区域中心对称，第二子区域(1-2)的投影子区域与第五子区域(1-5)的投影子区域中心对称，第三子区域(1-3)的投影子区域与第六子区域(1-6)的投影子区域中心对称，第一子区域(1-1)作为出射子区域;第二子区域(1-2)做为尾部子区域。3.根据权利要求1所述的一种基于角锥棱镜的阵列激光自约束多程折叠谐振腔，角锥棱镜(I)是实心角锥或空心角锥，角隅棱镜(3)是角隅棱镜(3)或者直角棱镜或者其他折光器件。4.根据权利要求1所述的一种基于角锥棱镜的阵列激光自约束多程折叠谐振腔，谐振腔输出镜(4-1)和谐振腔尾镜(4-2)是两个独立的腔镜或者一体化的阴阳镜。
【文档编号】H01S3/08GK105958309SQ201610535129
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】程勇, 朱孟真, 刘旭, 万强, 陈霞, 谭朝勇, 魏劲松, 黄国俊, 初华, 田方涛
【申请人】中国人民解放军武汉军械士官学校