一种碟片固体激光放大器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种碟片固体激光放大器。所述碟片固体激光放大器包括凸透镜组单元，碟片晶体单元，第一反射单元以及第二反射单元；所述碟片晶体单元包括第1碟片晶体至第N－1碟片晶体，所述凸透镜组单元包括第1凸透镜组至第N凸透镜组，且每个凸透镜都包括第一焦点以及第二焦点；N为大于等于2的任意整数，所述碟片晶体与所述凸透镜组交错设置；所述第一反射单元设置于第1凸透镜组的第一焦点处，所述第二反射单元设置于第N凸透镜组的第二焦点处，第i凸透镜组的第二焦点与第i+1凸透镜组的第一焦点重合，且第i碟片晶体设置于该重合的焦点处，i为1～N－1的任意整数。本发明通过相互串接的碟片晶体以及凸透镜组来对种子光进行放大，解决了现有技术中的激光放大器放大次数低，光束质量差的技术问题。
【专利说明】
-种碟片固体激光放大器
技术领域
[0001] 本发明属于激光技术领域，更具体地，设及一种碟片固体激光放大器。
【背景技术】
[0002] 碟片固体激光放大器是一种新型的固体激光放大器，该装置能够将一束高质量的 种子光多次通过处于粒子数反转状态下的碟片晶体，从而使输出的光束既具备种子光的高 质量，又能够获得较高的功率和能量。碟片固体激光放大器与其它激光放大器的本质区别 就在于其激光工作物质为碟片晶体，碟片晶体的厚度很薄，约为10化m~400皿，直径约为 5mm~30mm，其上表面锻有对累浦光与入射种子光的高增透膜，下表面锻有对累浦光和种子 光的高反膜，并封装在金属热沉上。通过对热沉背面高效的冷却，实现了一维的溫度梯度， 极大地减小了碟片晶体的热崎变，从而保证了入射种子光在光放大的过程中，保持较好的 光束质量。
[0003] 碟片激光放大系统器可分为再生式碟片激光放大系统和多程式碟片激光放大系 统。其中多程式碟片激光放大系统的机理就是通过在累浦结构外面仅搭建反射镜、透镜组 合实现种子光多次通过处于粒子数反转状态的碟片晶体，从而实现高能输出。
[0004] 专利文献CN103996965公开了一种基于双碟片串接的激光多程放大器，该激光放 大器的性能受到抛物镜的尺寸和参数的限制，从而具有下列缺点:第一、由于抛物镜的尺寸 影响累浦光的反射位点，使得该放大器的放大次数受限，最高只能实现40次的放大;其次， 该放大器只能为事先限定的放大次数定制抛物镜面，无法在原有的放大结构上进行扩充， 也无法根据种子光的光斑大小进行适应性调整，且抛物镜面的尺寸的微小误差即会影响放 大器的性能;第=、在该放大器中，种子光和累浦光都在共辆双抛物面镜上进行反射，而抛 物镜面的受热会影响累浦光的光斑形状，从而影响碟片晶体的放大性能，进而使放大器输 出的种子光的光束质量变差。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本发明提供了一种碟片固体激光放大器， 其目的在于通过相互串接的碟片晶体W及凸透镜组来对种子光进行放大，由此解决现有技 术中种子光放大次数低，光束质量差的技术问题。
[0006] 为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种碟片固体激光放大器，包 括凸透镜组单元，碟片晶体单元，第一反射单元W及第二反射单元；
[0007] 所述碟片晶体单元包括第1碟片晶体至第N-I碟片晶体，所述凸透镜组单元包括 第1凸透镜组至第N凸透镜组，且每个凸透镜组都包括第一焦点W及第二焦点;N为大于等于 2的任意整数，所述碟片晶体与所述凸透镜组交错设置；
[000引所述第一反射单元设置于第1凸透镜组的第一焦点处，所述第二反射单元设置于 第N凸透镜组的第二焦点处，第i凸透镜组的第二焦点与第i+1凸透镜组的第一焦点重合，且 第i碟片晶体设置于该重合的焦点处，i为1~(N-I)的任意整数；
[0009] 所述凸透镜组用于将种子光从凸透镜组的第一焦点传播至第二焦点，或者从第二 焦点传播至第一焦点;所述碟片晶体用于将种子光放大;所述第一反射单元用于将第1凸透 镜组从第一焦点输出的种子光反射回所述第1凸透镜组，所述第二反射单元用于将第N凸透 镜组从第二焦点输出的种子光反射回所述第N凸透镜组，使种子光反复在凸透镜组W及碟 片晶体之间传播，而使碟片晶体放大种子光的次数加倍。
[0010] 优选地，所述第一反射单元W及第二反射单元为平面镜或碟片晶体。
[0011] 优选地，所述凸透镜组包括平行设置的第一凸透镜W及第二凸透镜，所述第一凸 透镜的背离所述第二凸透镜的焦点作为所述凸透镜组的第一焦点，所述第二凸透镜的背离 所述第一凸透镜的焦点作为所述凸透镜组的第二焦点，所述第一凸透镜的光轴作为所述凸 透镜组的第一光轴，所述第二凸透镜的光轴作为所述凸透镜组的第二光轴，所述第一光轴 与所述第二光轴平行或重合。
[0012] 作为进一步优选地，所述碟片固体激光放大器还包括入射单元W及出射单元，所 述入射单元用于将入射的种子光反射为平行于所述第j凸透镜组的光轴方向传播的种子 光，所述出射单元用于将平行于所述第j凸透镜组的光轴方向传播的放大后的种子光反射 出所述碟片固体激光放大器，j为1~N的任意整数。
[0013] 作为更进一步优选地，所述入射单元W及出射单元为平面镜，所述入射单元W及 出射单元设置于第1凸透镜组的第一凸透镜与第二凸透镜之间。
[0014] 作为进一步优选地，所述第一反射单元与所述第1凸透镜组的第一光轴的夹角为 (arccot(D/2f)，3t/2)，其中，D为第1凸透镜组的第一凸透镜的直径，f为第1凸透镜组的第一 凸透镜的焦距;所述第一反射单元还用于使第1凸透镜组从第一焦点输出的种子光与向第 一焦点输入的种子光发生偏移，从而使得在凸透镜表面的种子光的光斑分散，使得所述光 斑的中屯、点之间的距离大于Imm~10mm，W免光斑重叠从而导致凸透镜的热崎变效应。
[0015] 作为进一步优选地，所述第j凸透镜组的第一光轴与第二光轴的间距为d，d小于等 于所述第j凸透镜组的第一凸透镜W及第二凸透镜的半径的最小值;所述第j凸透镜组还用 于使种子光在水平方向或垂直方向发生偏移，从而使得在凸透镜表面的种子光的光斑分 散，j为1~N的任意整数。
[0016] 作为进一步优选地，所述碟片固体激光放大器还包括直角反射镜，所述直角反射 镜设置于所述第N凸透镜组的第一凸透镜与第二凸透镜之间，且与第N凸透镜组的第二凸透 镜相对放置;所述直角反射镜用于使种子光在水平方向或垂直方向发生偏移，从而增加所 述碟片固体激光放大器的放大次数，分散种子光在凸透镜表面的光斑。
[0017] 作为更进一步优选地，所述直角反射镜为直角反射棱镜或两个相对设置呈V2的 平面镜。
[0018] 优选地，所述碟片固体激光放大器还包括累浦光发生单元，所述累浦光发生单元 包括第1累浦光发生单元至第N-I累浦光发生单元，第i累浦光发生单元用于向第i碟片晶 体发出累浦光，使得传播至第i碟片晶体的种子光的能量放大。
[0019] 优选地，所述碟片晶体的前表面具有增透膜，所述碟片晶体的后表面具有反射膜。
[0020] 总体而言，通过本发明所构思的W上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：
[0021] 1、本发明通过将凸透镜组与碟片晶体交错设置，种子光的传播路径跟设定的器件 的数量相关，从而延长了种子光的传播路径，增加了种子光的放大次数，经验证，放大次数 可达40次W上；
[0022] 2、种子光的传播路径不受器件尺寸的严格限制，可通过器件的位置或者角度的调 整纠正器件尺寸与种子光光斑大小的不符合，灵活性更高；
[0023] 3、通过调整第一反射单元与凸透镜组的光轴的夹角，W及凸透镜组的光轴的间 距，可W使得种子光在凸透镜表面的光斑分散，避免了凸透镜的热崎变效应；
[0024] 4、通过在凸透镜组中设置直角反射镜，使种子光在水平方向或垂直方向发生偏 移，从而增加了所述碟片固体激光放大器的放大次数，分散种子光在凸透镜表面的光斑；
[0025] 5、本发明通过将碟片晶体设置在凸透镜的焦点处，可W保证在碟片晶体处的种子 光的光斑尺寸在每次放大过程相同，保证了种子光和累浦光模式的最佳匹配，可最大限度 的提取累浦光的能量，实现最高的放大效率和输出光质量。
【附图说明】
[0026] 图1是实施例1的单碟片种子光多程传输系统示意图；
[0027] 图2是实施例1放大系统的俯视图；
[0028] 图3是实施例1各个凸透镜上种子光光斑的传输示意图；
[0029] 图4是实施例2的单碟片种子光多程传输系统示意图；
[0030] 图5是实施例2放大系统的俯视图；
[0031 ]图6是实施例2各个凸透镜上种子光光斑的传输示意图；
[0032] 图7是实施例3的多碟片种子光多程传输系统示意图；
[0033] 图8是实施例3放大系统的俯视图；
[0034] 图9是实施例3各个凸透镜上种子光光斑的传输示意图；
[0035] 图10是实施例4的单碟片种子光多程传输系统示意图；
[0036] 图11是实施例4放大系统的俯视图；
[0037] 图12是实施例4各个凸透镜上种子光光斑的传输示意图；
[0038] 图13是实施例5的单碟片种子光多程传输系统示意图；
[0039] 图14是实施例5放大系统的俯视图；
[0040] 图15是实施例5各个凸透镜上种子光光斑的传输示意图；
[0041 ]图16是实施例6的多碟片种子光多程传输系统示意图；
[0042] 图17是实施例6放大系统的俯视图；
[0043] 图18是实施例6各个凸透镜上种子光光斑的传输示意图；
[0044] 图19是实施例7的单碟片种子光多程传输系统示意图；
[0045] 图20是实施例7放大系统的俯视图；
[0046] 图21是实施例7各个凸透镜上种子光光斑的传输示意图；
[0047] 图22是实施例8单碟片种子光多程传输系统示意图；
[0048] 图23是实施例8放大系统的俯视图；
[0049] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：A1-第一碟片 晶体，A2-第一凸透镜，A3-第一直角反射镜，A4-第二直角反射镜，A5-种子光入射处，A6-种 子光出射处，A7-第一平面反射镜，A8-第二凸透镜，A9-薄膜偏振片，AlO-种子光输出端全反 镜，Al 1-V4波片，A12-V2波片，B9-第二平面反射镜，Bio-第S凸透镜，BI I-第二直角棱镜， B12-第一直角棱镜，B13-第四凸透镜，C14-第五凸透镜，C15-第六凸透镜，C16-第二碟片晶 体。
【具体实施方式】
[0050] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所设及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可W相互组合。
[0051] 本发明的一个方面，提供了一种碟片固体激光放大器，包括入射单元，出射单元， 凸透镜组单元，碟片晶体单元，第一反射单元W及第二反射单元;其中，所述碟片晶体单元 包括第1碟片晶体至第N-I碟片晶体，所述凸透镜组单元包括第1凸透镜组至第N凸透镜组， N为大于等于2的任意整数，所述碟片晶体与所述凸透镜组依次交错设置；
[0052] 所述凸透镜组包括平行设置的第一凸透镜W及第二凸透镜，所述第一凸透镜的背 离所述第二凸透镜的焦点作为所述凸透镜组的第一焦点，所述第二凸透镜的背离所述第一 凸透镜的焦点作为所述凸透镜组的第二焦点，所述第一凸透镜的光轴作为所述凸透镜组的 第一光轴，所述第二凸透镜的光轴作为所述凸透镜组的第二光轴，所述第一光轴与所述第 二光轴平行或重合;所有凸透镜组的光轴，均平行于水平方向；
[0053] 所述第一反射单元设置于第1凸透镜组的第一焦点处，所述第二反射单元设置于 第N凸透镜组的第二焦点处，第i凸透镜组的第二焦点与第i+1凸透镜组的第一焦点重合，且 第i碟片晶体设置于该重合的焦点处，i为1~N-I的任意整数；
[0054] 所述入射单元W及出射单元各自独立地设置于第j凸透镜组的第一凸透镜W及第 二凸透镜之间，所述入射单元用于将入射的种子光反射为平行于所述第j凸透镜组的第一 光轴方向传播的种子光，所述出射单元用于将平行于所述第j凸透镜组的光轴方向传播的 放大后的种子光反射出所述碟片固体激光放大器，j为1~N的任意整数；
[0055] 所述凸透镜组用于将种子光从凸透镜组的第一焦点传播至第二焦点，或者从第二 焦点传播至第一焦点;所述碟片晶体用于将种子光放大;所述第一反射单元用于将第1凸透 镜组从第一焦点输出的种子光反射回所述第1凸透镜组，所述第二反射单元用于将第N凸透 镜组从第二焦点输出的种子光反射回所述第N凸透镜组，使种子光反复在凸透镜组W及碟 片晶体之间传播，而使碟片晶体放大种子光的次数加倍，种子光每从第一反射单元经第1凸 透镜组，第1碟片晶体…，第N凸透镜组，第二反射单元，第N凸透镜组，…，最后返回第一反射 单元，就经过了 2 (N-1)次碟片晶体的放大。
[0056] 如果所有凸透镜镜的第一光轴和第二光轴均重合，且第一反射单元和第二反射单 元完全与光轴垂直，则种子光每次传播，在凸透镜上投影的光斑的位置都相同，运会使得光 斑重叠从而导致凸透镜的热崎变效应。由于一般种子光的光斑直径为1mm~10mm，因此在本 发明中，需要用角度偏差法，或离轴偏差法使得凸透镜上的光斑分散。
[0057] 所述角度偏差法为:将第一反射单元与所述第1凸透镜组的第一光轴的夹角设置 为(arccot(D/2f) ,31/2)，其中，D为第1凸透镜组的第一凸透镜的直径，f为第1凸透镜组的第 一凸透镜的焦距;该方法可使得第1凸透镜组从第一焦点输出的种子光与输入的种子光发 生偏移，从而分散种子光在凸透镜表面的光斑，使凸透镜上光斑中屯、点之间的距离大于Imm ~IOmm, W免光斑重叠从而导致凸透镜的热崎变效应；同样，也可将第二反射单元与第N凸 透镜的光轴的夹角进行设置，W获得同样的效果。
[005引所述离轴偏差法为:将第j凸透镜组的第一光轴与第二光轴的间距设置为d，d小于 等于所述第j凸透镜组的第一凸透镜W及第二凸透镜的半径的最小值;从而使输入第j凸透 镜组的种子光与输出第j凸透镜组的种子光在水平方向或垂直方向发生偏移，从而分散种 子光在凸透镜表面的光斑，j为1~N的任意整数。
[0059] 在第j凸透镜组的第一凸透镜与第二凸透镜之间，还可W设置一个或多个直角反 射镜，所述直角反射镜可与第j凸透镜组的第一凸透镜或第二凸透镜相对放置，用于使从该 凸透镜出射的种子光在水平方向或垂直方向发生偏移再反射回该凸透镜，从而增加所述碟 片固体激光放大器的放大次数，分散种子光在凸透镜表面的光斑;所述直角反射镜为直角 反射棱镜，或两个呈V2相对放置的平面镜。
[0060] 角度偏差法，离轴偏差法还有直角反射镜可相互结合，在分散种子光在凸透镜表 面的光斑的同时，充分利用凸透镜的反射表面，在不增加装置的情况下增加种子光的反射 次数;例如，可用角度偏差法在增加种子光在水平方向上的偏移，而用直角反射镜增加种子 光在垂直方向上的位移，使种子光通过该激光放大器的次数达到6次或W上。
[0061] 碟片晶体的背面设置有累浦光发生单元，用于向碟片晶体发出累浦光，在累浦光 多次累浦条件下，由于受激吸收的作用，碟片晶体内部的激活粒子吸收累浦光，从基态跃迁 到激发态，然后在种子光的作用下，在激活粒子能级间发生受激福射，从而使种子光能量得 到提高。累浦光发生单元通常由一到两个半导体激光器W及抛物面反射镜组成，抛物面反 射镜将半导体激光器发出的累浦光反射至碟片晶体的背面。所述碟片晶体的前表面具有增 透膜，所述碟片晶体的后表面具有反射膜，因此每次种子光经过碟片晶体，都会经其前表面 传播至后表面，再反射至前表面，从而经过两次放大。所述第一反射单元W及第二反射单元 可W为平面镜或碟片晶体，当使用碟片晶体作为反射单元时，可使该碟片激光放大器的放 大次数进一步增加。
[0062] 该激光放大器受器件参数(如尺寸）的限制较小，因此可根据实际情况进行调整， W适应种子光的参数。例如，在初始状态下，可将所有器件设置成与水平方向垂直，所有凸 透镜的中屯、调整至同一高度，所有光轴位于同一平面上，第一反射单元与第二反射单元均 与相应的凸透镜平行，碟片晶体与光轴交点的法向量平分通过该碟片晶体的光轴;然后根 据种子光的光斑大小r，选择角度偏差法或离轴偏差法对激光放大器进行调整，为操作简便 考虑，通常W第1凸透镜组或第N凸透镜组作为调整目标，例如，当采用离轴偏差法时，通过 调整凸透镜的高度，可将第1凸透镜组的第一光轴和第二光轴在水平方向或垂直方向的距 离调整为r/2W上，同时，还可W设置直角反射镜，使得种子光在不同的方向发生偏移，进一 步提高了种子光的传播次数。
[0063] 入射单元和出射单元可选用平面镜，为操作简便考虑，可设置于第1凸透镜组的第 一凸透镜和第二凸透镜之间，使其与凸透镜呈V4相对放置，即可将与光轴垂直的种子光引 入该激光放大器，同时将平行与光轴方向传播的放大后的种子光引出该激光放大器。
[0064] 为了对W上内容进行说明，故进一步列举W下实施例：
[00化]实施例1
[0066] 图I为实施例1的碟片激光放大器结构示意图，包括种子光入射全反镜A6,种子光 出射全反镜A5，第一碟片晶体Al，第一平面反射镜A7，第二平面反射镜B9，第一凸透镜A2，第 二凸透镜A8,第S凸透镜BlOW及第四凸透镜B13;所有凸透镜的直径均为D，焦距均为f，且 光轴均位于水平面Q上，所有装置的反射面或透射面，均与水平方向垂直;第一碟片晶体Al 的正面具有增透膜，背面具有全反膜;其背面相对设置有抛物面反射镜，用于将半导体激光 器输出的累浦光反射至碟片晶体的背面。通过对碟片晶体内部的累浦模块或者对凸透镜的 参数进行选取，可W使得累浦光的光斑大小与种子光相同。当碟片晶体内部的激活粒子吸 收累浦光，从基态跃迁到激发态，然后在种子光的作用下，在激活粒子能级间发生受激福 射，从而使种子光能量得到提高，种子光从碟片晶体的正面传播到背面，又在背面的全反膜 下进行反射而传输到正面，因此，种子光每经过一次碟片晶体，能经过两次放大。
[0067] 其中，第一凸透镜A2和第二凸透镜A8共光轴且间距约为2D，第S凸透镜BlO和第四 凸透镜B13共光轴且间距也约为2D;第一平面反射镜A7与第二凸透镜A8的光轴的交点为第 二凸透镜A8的焦点，且第一平面反射镜A7在该焦点处的法向量也位于水平面Q上，且在该 水平面Q上，第一平面反射镜A7与第二凸透镜A8的光轴的夹角目1约为目i>arctan(D/15f); 第一凸透镜A2与第四凸透镜B13共焦点，且光轴之间的夹角约为0〇>3t/3,第一碟片晶体Al 位于该共同焦点处，且第一碟片晶体Al在该共同焦点处的法向量平分第一凸透镜A2与第四 凸透镜B13光轴之间的夹角;第二平面反射镜B9设置于第S凸透镜BlO远离第四凸透镜B13 方向的焦点处，且与第=凸透镜BlO平行。
[0068] 种子光入射全反镜A6W及种子光出射全反镜A5为平面反射镜，且设置于第一凸透 镜A2和第二凸透镜A8之间，其分别与第一凸透镜A2和第二凸透镜A8之间呈V4的角度放置； 种子光入射全反镜A6用于将垂直于第一凸透镜A2的光轴入射的种子光沿平行于所述光轴 的方向引入第一凸透镜A2;同样的，种子光出射全反镜A5用于将从第二凸透镜A8出射的平 行于所述光轴的方向的放大后的种子光，从垂直于光轴的方向反射出所述碟片激光放大 器。
[0069] 图2为实施例1的种子光传播过程示意图，经过准直后的种子光(光束直径约为D/ 15)从种子光入射全反镜A6沿与第二凸透镜A的光轴平行的方向入射到碟片激光放大器中， 在第二凸透镜A8的入射点巧Ij第二凸透镜中屯、的垂直距离约为h>D/12,水平距离为0;然后 聚焦至第二凸透镜A8的焦点的第一平面反射镜A7处；由于夹角01的引入，经第一平面反射 镜A7反射后到达第二凸透镜上的2处的种子光与1处相比，在水平方向的偏移量约为A Yi^ f ?目1，在竖直方向的偏移量约为AXi^化，如图3所示;然后种子光再入射到第一凸透镜A2 的3处，再汇聚到第一碟片晶体Al与第一凸透镜A2的交点；由于且第一碟片晶体Al的法向量 平分第一凸透镜A2与第四凸透镜B13光轴之间的夹角，种子光经第一碟片晶体Al反射放大 后到达第四凸透镜B13的4处，准直后到达第S凸透镜BlO的5处;聚焦到第二平面反射镜B9 中屯、处，第二平面反射镜B9的光轴与第S凸透镜BlO的光轴重合，根据光线反射原理，反射 光入射到第=凸透镜BlO的6处；同样的，第=凸透镜10上5处和6处光斑沿水平方向的距离 为A Y2,且满足A Y2 = 2 A Yi,沿竖直方向的距离为A X2,且满足A X2>2h。最后依次循环往 复，最终从种子光出射全反镜A6输出放大后的种子光。
[0070] 在本实施例中，种子光的传输过程具体为:A5一I(AS)一A7一2(A8)一3(A2)一Al一 4(B13) 一 5(B10) 一 B9 一 6(B10) 一 7(B13) 一 Al一 8(A2) 一 9(A8) 一 A7 一 IO(AS)一 11(A2) 一 Al 一12(B13)一13(B10)一B9一H(BlO)一15(B13)一Al一16(A2)一17(A8)一A7一18(A8)一19 (A2) 一 Al 一 20(B13) 一 21(810)一89一22(810)一23(813)一41一24(42)一46。可^看出，该 过程共经过了第一碟片晶体Al 6次，实现了 12次的放大。
[0071] 实施例2
[0072] 图4为实施例2的碟片激光放大器结构示意图，与实施例1的区别在于:第一凸透镜 A2和第二凸透镜A8之间，还设置有呈V2的夹角相对设置的第一直角反射镜A3和第二直角 反射镜A4,两者皆与第一凸透镜A2相对放置，且与水平面Q的夹角为V4;其共同作用在于， 将从第一凸透镜A2的42处的出射光，从43处反射回第一凸透镜A2。第S凸透镜BlO与第四凸 透镜B13之间，还设置有相同大小的第一直角棱镜Bll和第二直角棱镜B12,第一直角棱镜 Bll和第二直角棱镜B12与第=凸透镜BlO相对放置，第一直角棱镜Bll的入射方向与图3中 22处(B10)的出射方向相对，而第一直角棱镜B11的出射方向则与入射方向相比，高度降低 了约D/6,第二直角棱镜B12与第一直角棱镜Bir沿水平面方向对称。而由于本实施例放大后 的种子光最终由第二凸透镜A8出射，种子光出射全反镜A6也与第二凸透镜A8呈3t/4的角度 相对放置，如图5所示。
[0073] 在本实施例中，种子光的传输过程如图6所示，具体过程为:A5^1(A8)^A7^2 (A8) 一 3(A2) 一 Al 一 4(B13) 一 5(B10) 一 B9 一 6(B10) 一 7(B13) 一 Al 一 8(A2) 一 9(A8) 一 A7 一 10 (A8)一11(A2)一Al一12(B13)一13(B10)一B9一H(BlO)一15(B13)一Al一16(A2)一17(A8) 一 A7 一 18(A8) 一 19(A2) 一 Al 一 20(B13) 一 21(810)一89一22(810)一611一23(810)一89一24 (B10)^25(B13)^A1^26(A2)^27(A8)^A7^28(A8)^29(A2)^A1^30(B13)^31 (BlO) 一B9一32(B10)一33(B13)一Al一34(A2)一35(A8)一A7一36(A8)一37(A2)一Al一38(B13)一 39(B10) 一 B9 一 40(B10) 一 4UB13) 一 Al 一 42(A2) 一 A3 一 A4 一 43(A2) 一 Al 一 44(B13) 一 45 (BlO)一B9一46(B10)一47(B13)一Al一48(A2)一49(A8)一A7一50(A8)一51(A2)一Al一52 (B13)一53(B10)一B9一54(B10)一55(B13)一Al一56(A2)一57(A8)一A7一58(A8)一59(A2) 一 Al 一 60(B13) 一 61(810)一89一62(810)一812一63(810)一89一64(810)一65(813)一41一 66(A2) 一67(A8) 一A7一68(A8) 一69(A2) 一Al 一 70(B13) 一71(810)一89一72(810)一73 (B13)一Al一74(A2)一75(A8)一A7一76(A8)一77(A2)一Al一78(B13)一79(B10)一B9一80 (BlO)一81(B13)一Al一82(A2)一83(A8)一A7一84(A8)一A6。可 W看出，该过程共经过了第 一碟片晶体Al 20次，实现了 40次的放大。
[0074] 实施例3
[0075] 图7为实施例3的碟片激光放大器结构示意图，与实施例2的区别在于:还包括第五 凸透镜C14,第六凸透镜C15W及第二碟片晶体C16;而第五凸透镜C14W及第六凸透镜C15， 与第二碟片晶体C16,第一直角棱镜Bll，第二直角棱镜B12,第二平面反射镜B9的相对位置； 与实施例2中的第四凸透镜B13，第=凸透镜B10，第一碟片晶体A1，第一直角棱镜B11，第二 直角棱镜B12,第二平面反射镜B9的相对位置基本相同，而第一直角棱镜Bll和第二直角棱 镜B12与第五凸透镜C14相对放置。第立凸透镜BlO与第五凸透镜C14光轴之间的夹角约为0〇 >31/3,第二碟片晶体C16与第五凸透镜C14的光轴的交点位于第=凸透镜BlO与第五凸透镜 C14的共同焦点处，且第二碟片晶体C16的法向量平分第=凸透镜BlO与第五凸透镜C14的光 轴之间的夹角。
[0076] 如图8所示，经过准止后的种子光(光束直径约为D/15)从种子光入射处A5入射到 放大系统中，经平面反射镜反射到第二凸透镜AS的I处，然后聚焦到第一平面反射镜A7中屯、 处，由于倾角01的引入，使得反射后的光到达第二凸透镜A8的2处，光束经过准直之后入射 到第一凸透镜A2的3处，再汇聚到第一碟片晶体Al的中屯、，反射后到达第四凸透镜B13的4 处，准直后到达第=凸透镜BlO的5处，聚焦到第二碟片晶体C16的中屯、，根据光线反射原理， 传播到第五凸透镜C14的6处，准直到第六凸透镜C15的7处，经第六凸透镜C15的聚焦，汇聚 到第二平面反射镜B9的中屯、，再根据光线反射原理，光线反射到第六凸透镜C15的8处，依次 循环往复。
[0077] 当种子光经过第一碟片晶体Al传输到第一凸透镜A2的58处，种子光通过第一凸透 镜A2和第二凸透镜A8之间的第一直角反射镜A3和第二直角反射镜A4平行反射回到第一凸 透镜A2的59处，然后聚焦到第一碟片晶体Al的中屯、，再进行传播。当种子光从第S凸透镜 BlO的29处聚焦到第二碟片晶体C16的中屯、，反射后到达第五凸透镜C14的30处，经准直后通 过第五凸透镜C14和第六凸透镜C15之间的第二直角棱镜Bll平行反射到第五凸透镜C14的 31处，同理，种子光传播到第五凸透镜C14的86处后，会经过第一直角棱镜B12反射到第五凸 透镜C14的87处。
[0078] 图9为本实施例种子光传播路径示意图，可知，实施例3的种子光的传播路径跟实 施例2类似，但由于每一次循环经过了第一碟片晶体Al W及第二碟片晶体C16,放大次数为 实施例2的2倍，即80次。
[00巧]实施例4
[0080] 图10为实施例4的碟片激光放大器结构示意图，所有装置的结构与实施例1相同， 区别在于，第一凸透镜A2与第二凸透镜A8光轴在垂直方向的偏移量为di>D/15,如图11所 示，而第一平面反射镜A7与第二凸透镜A平行。
[0081] 入射后的种子光在第二凸透镜A8的入射点1到第二凸透镜A8中屯、的高度为h^D/ 12。由于偏移量di的引入，使得第二凸透镜A8上的光斑1和光斑2沿水平方向的偏移量为A Yi =2山，第=凸透镜B10上5处和6处光斑沿水平方向的距离为A Y2，且满足A Y2 = 2 A Yi，沿竖 直方向的距离为A拉，且满足A拉>化。
[0082] 该实施例的种子光传播路径和放大次数与实施例1基本相同，如图12所示。
[0083] 实施例5
[0084] 图13为实施例5的碟片激光放大器结构示意图，与实施例4的区别在于:第一凸透 镜A2和第二凸透镜A8之间，还设置有第一直角反射镜A3和第二直角反射镜A4,皆与第一凸 透镜A2呈V4的角度相对放置，其作用在于，将从第一凸透镜A2的42处的出射光，从43处反 射回第一凸透镜A2。第S凸透镜BlO与第四凸透镜B13之间，还设置有相同的第一直角棱镜 Bll和第二直角棱镜B12,第一直角棱镜Bll和第二直角棱镜B12与第=凸透镜BlO相对放置， 第一直角棱镜Bll的入射方向与图3中22处(BlO)的出射方向相对，而第一直角棱镜Bll的出 射方向则与入射方向相比，高度降低了约D/6,第二直角棱镜B12与第一直角棱镜Bll沿水平 方向对称。
[0085] 根据图14所示，种子光在第二凸透镜A8的入射点1到该凸透镜中屯、的高度为 D/12)。由于偏移量山的引入，使得第二凸透镜A8上的光斑1和光斑2沿水平方向的偏移量为 AYi, A Yi = 2 ? di，第二凸透镜上23处和24光斑沿X轴距离为mH>D/2)。第S凸透镜BlO上5 处和6处光斑沿水平方向的距离为A Y2，且满足A Y2 = 2 ? A Yi，沿竖直方向的距离为A X2， 且满足AX2 = 2 ? h，第S凸透镜Bio上22处和23处光斑沿竖直方向的距离为1(1>D/6)，1的 大小由第二直角棱镜11的参数决定。
[0086] 该实施例的种子光传播路径和放大次数与实施例2基本相同，如图15所示。
[0087] 实施例6
[0088] 图16为实施例6的碟片激光放大器结构示意图，所有装置的结构与实施例3相同， 区别在于，第一凸透镜A2与第二凸透镜A8光轴在垂直方向的偏移量为di(di>D/15)，如图17 所示，而第一平面反射镜A7与第二凸透镜A平行。
[0089] 该碟片激光放大器的传播路径和放大次数与实施例3基本相同，如图18所示。
[0090] 实施例7
[0091] 图19为本发明实施例7的激光放大器，其与实施例2的结构类似，区别在于，第一平 面反射镜A7与第二凸透镜A8的光轴的夹角01约为0i>arctan(D/16f);第一凸透镜A2与第二 凸透镜A8在水平方向上的光轴的偏移量为山(山>0/16)，如图20所示。第一凸透镜A2、第二 凸透镜A8、第S凸透镜B10、第四凸透镜B13,其上种子光光斑传输及分布情况如图21所示。
[0092] 根据图21所示，种子光在第二凸透镜A8的入射点1到该凸透镜中屯、的高度为 D/12)。由于偏移量di、0i的引入，使得第二凸透镜A8上的光斑1和光斑2沿水平方向的偏移量 为A Yi, A Yi = di+f目1，第二凸透镜上23处和24光斑沿X轴距离为mH>D/2)。第S凸透镜BlO 上5处和6处光斑沿水平方向的距离为AY2,且满足AY2 = 2 ? AYi,沿竖直方向的距离为A X2,且满足A拉=2 ? h，第S凸透镜BlO上22处和23处光斑沿竖直方向的距离为1(1>D/6)，1 的大小由第二直角棱镜11的参数决定。
[0093] 该激光放大器中种子光的传播路径和放大次数与实施例2相同，如图21所示。
[0094] 实施例8
[0095] 图22为实施例8的碟片激光放大器结构示意图，所有装置的结构与实施例4基本相 同，区别在于，在第一凸透镜A2和第二凸透镜A8之间，设置有第S平面反射镜W及第四平面 反射镜，其分别与第一凸透镜A2和第二凸透镜呈V4相对放置;其中，第四平面反射镜的入 射端依次设置有薄膜偏振片A9W及V2波片A12,从种子光入射端A5发出的种子光经V2波 片A12后转换为偏振方向为巧的线偏振光，通过调整薄膜偏振片与V2波片A12的距离，使得 该线偏振光能够透过薄膜偏振片A9,然后经第四平面反射镜进入放大器进行种子光放大；
[0096] 种子光经放大器放大12次后，传播至第=平面反射镜处，第=平面反射镜的出射 处依次设置V4波片W及种子光输出端全反镜A10,使种子光经过12次放大之后依次经过V 4波片All、种子光输出端全反镜AlO、A/4波片All，从而使放大后的种子光的偏振方向为 cp+n/4+71/4,并沿原路返回，又经过12次放大之后，到达薄膜偏振片A9,由于此时种子光的偏 振方向为q>+n/2,与入射时的编偏振光的偏振方向q)互相垂直，种子光无法透过薄膜偏振片 只能反射，从而导致种子光从种子光出射处A6输出激光。
[0097] 种子光放大过程中凸透镜上光斑传输情况与实施例4的情况类似，如图12所示，区 别在于，本实例能够实现种子光能按原路返回，并从种子光输入端输出激光。在本实施例 中，种子光的传输过程具体为:A5一A12一A9一I(AS)一A7一2(A8)一3(A2)一Al一4(B13)一5 (BlO) 一 B9……一 B9 一 22(B10) 一 23(B13) 一 Al 一 24(A2) 一 All 一 AlO 一 All 一 24(A2) 一 Al 一 23(B13)一22(B10)一B9……一2(A8)一A7一I(AS)一A9一A6。可 W看出，该过程共经过了第 一碟片晶体Al 12次，实现了 24次的放大。
[009引实施例9
[0099] 实施例9的装置的结构与实施例1的区别在于，第S凸透镜BlO的光轴的高度高于 第四凸透镜A8的光轴约D/15;因此，输入该放大装置的种子光首先经过第一平面反射镜A7， 从而在水平方向产生偏移，然后经过第=凸透镜BlOW及第二平面反射镜，再传播回第四凸 透镜A別寸，又进一步在垂直方向上产生偏移，从而使凸透镜上的光斑分散，该实施例的放大 次数与实施例1相同，都为12次。
[0100] 本领域的技术人员容易理解，W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种碟片固体激光放大器，其特征在于，包括凸透镜组单元，碟片晶体单元，第一反 射单元以及第二反射单元； 所述碟片晶体单元包括第1碟片晶体至第N - 1碟片晶体，所述凸透镜组单元包括第1凸 透镜组至第N凸透镜组，且每个凸透镜组都包括第一焦点以及第二焦点;N为大于等于2的任 意整数，所述碟片晶体与所述凸透镜组交错设置； 所述第一反射单元设置于第1凸透镜组的第一焦点处，所述第二反射单元设置于第N凸 透镜组的第二焦点处，第i凸透镜组的第二焦点与第i+Ι凸透镜组的第一焦点重合，且第i碟 片晶体设置于该重合的焦点处，i为1~(N - 1)的任意整数； 所述第i凸透镜组用于将种子光从第i凸透镜组的第一焦点传播至第二焦点，或者从第 二焦点传播至第一焦点;所述碟片晶体用于将种子光放大;所述第一反射单元用于将第1凸 透镜组从第一焦点输出的种子光反射回所述第1凸透镜组，所述第二反射单元用于将第N凸 透镜组从第二焦点输出的种子光反射回所述第N凸透镜组，使种子光反复在凸透镜组以及 碟片晶体之间传播，而使碟片晶体放大种子光的次数加倍。2. 如权利要求1所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述第一反射单元以及第二 反射单元为平面镜或碟片晶体。3. 如权利要求1所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述凸透镜组包括相互平行 设置的第一凸透镜以及第二凸透镜，所述第一凸透镜的背离所述第二凸透镜的焦点作为所 述凸透镜组的第一焦点，所述第二凸透镜的背离所述第一凸透镜的焦点作为所述凸透镜组 的第二焦点，所述第一凸透镜的光轴作为所述凸透镜组的第一光轴，所述第二凸透镜的光 轴作为所述凸透镜组的第二光轴，所述第一光轴与所述第二光轴平行或重合。4. 如权利要求3所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述第一反射单元与所述第 1凸透镜组的第一光轴的夹角小于JI/2;所述第一反射单元还用于使第1凸透镜组从第一焦 点输出的种子光与向第一焦点输入的种子光发生偏移，从而使得在凸透镜表面的种子光的 光斑分散。5. 如权利要求3所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，作为进一步优选地，所述第j 凸透镜组的第一光轴与第二光轴平行;所述第j凸透镜组还用于使输入第j凸透镜组的种子 光与输出第j凸透镜组的种子光在水平方向或垂直方向发生偏移，从而使得在凸透镜表面 的种子光的光斑分散，j为1~N的任意整数。6. 如权利要求3所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述碟片固体激光放大器还 包括直角反射镜，所述直角反射镜设置于所述第N凸透镜组的第一凸透镜与第二凸透镜之 间，且与第N凸透镜组的第二凸透镜相对放置;所述直角反射镜用于使种子光在水平方向或 垂直方向发生偏移，从而增加所述碟片固体激光放大器的放大次数，分散种子光在凸透镜 表面的光斑。7. 如权利要求1所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述碟片固体激光放大器还 包括入射单元以及出射单元，所述入射单元用于将种子光引入碟片固体激光放大器，所述 出射单元用于将放大后的种子光输出。8. 如权利要求1所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述碟片固体激光放大器还 包括栗浦光发生单元，所述栗浦光发生单元包括第1栗浦光发生单元至第N - 1栗浦光发生 单元，第i栗浦光发生单元用于向第i碟片晶体发出栗浦光，使得传播至第i碟片晶体的种子 光的能量放大。9.如权利要求1所述的碟片固体激光放大器，其特征在于，所述碟片晶体的前表面具有 增透膜，所述碟片晶体的后表面具有反射膜。
【文档编号】H01S3/10GK106099634SQ201610618803
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月1日 公开号201610618803.2, CN 106099634 A, CN 106099634A, CN 201610618803, CN-A-106099634, CN106099634 A, CN106099634A, CN201610618803, CN201610618803.2
【发明人】朱广志, 宋恩茂, 朱晓, 王海林, 齐丽君, 赵文广
【申请人】华中科技大学