专利名称：一种激光晶体及采用该激光晶体的激光放大器的制作方法
技术领域：
本发明属于光学领域，尤其涉及ー种激光晶体及采用该激光晶体的激光放大器，更具体涉及ー种高增益多程激光放大器。
背景技术：
对于多程激光放大器，其激光晶体一般为条形，如图I所示，该激光晶体的两个端面互相平行，且均与该条形激光晶体的轴向垂直。光束垂直于ー个端面地入射到激光晶体， 并从激光晶体的另ー个端面出射。光束通过该激光晶体时，消耗该激光晶体内的反转粒子，从而使得光束经过该激光晶体时被能量放大。为了提高光束的透过率，该激光晶体的端面上通常涂布有增透膜。但由于任何增透膜都不能使得光百分之百的通过，因此在端面处，光束会发生反射现象。激光在激光晶体的两端面之间多次反射会形成自激振荡。在高増益多程激光放大器中，自激振荡消耗了大量的反转粒子，当激光再次通过此激光介质时，会出现激光介质中反转粒子数变少而出现增益不够的情況。另ー方面，自激振荡产生的大能量激光会对光学元件造成毁灭性损伤。此外，由于自激振荡的出现，该激光晶体内就会出现大能量的原本不需要的激光，这会对激光晶体以及激光晶体所在的激光放大器系统的ー些光学器件带来毁灭性损伤，可能会使整个激光放大系统受到毁灭性损伤。对高增益的多程激光放大系统，这种现象带来的损害更大，使得该激光放大系统可靠性较低。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供ー种激光晶体，可消除激光晶体中的自激振荡。本发明提供ー种激光晶体，沿纵轴延伸，其具有第一端面和第二端面，激光束从第一端面入射并从第二端面透射出激光晶体，其中至少第一端面和第二端面之一与所述纵轴非垂直。根据本发明提供的激光晶体，其中第一端面与第二端面均与所述纵轴非垂直。根据本发明提供的激光晶体，其中第一端面的法线与第二端面的法线在同一平面内。根据本发明提供的激光晶体，其中第一端面的法线与第二端面的法线在不同的平面内。根据本发明提供的激光晶体，其中第一端面的法线与第二端面的法线向不同的方向傾斜。根据本发明提供的激光晶体，其中第一端面的法线与第二端面的法线向相同的方向傾斜。根据本发明提供的激光晶体，其中第一端面与所述纵轴之间的夹角以及第ニ端面与所述纵轴之间的夹角被设置为使穿过第一端面进入激光晶体的激光束被第二端面反射而形成的反射激光束直接透射出激光晶体之外。根据本发明提供的激光晶体，其中第一端面与所述纵轴之间的夹角以及第ニ端面与所述纵轴之间的夹角被设置为使穿过第一端面进入激光晶体的激光束被第二端面反射后再经过第一端面的反射而形成的反射激光束直接透射出激光晶体之外。根据本发明提供的激光晶体，其中第一端面与所述纵轴之间的夹角Θ满足tan2 Θ > d/1,或者第二端面与所述纵轴之间的夹角α满足tan2 a > d/1,或者同时满足tan2 Θ ^ d/l> tan2 α > d/1。本发明还提供ー种具有上述激光晶体的激光放大器。本发明在激光晶体中采用了非垂直的端面，可有效地避免激光自激振荡的形成，且操作容易、极易实现。
以下參照附图对本发明实施例作进ー步说明，其中 图I为现有技术中的激光晶体的结构示意图；图2为根据本发明的实施例I的激光晶体的结构示意图；图3为根据本发明的实施例2的激光晶体的结构示意图；图4为根据本发明的实施例3的激光晶体的结构示意图；图5为根据本发明的实施例4的激光晶体的结构示意图；图6为根据本发明的实施例5的激光晶体的结构示意图；图7为根据本发明的又ー实施例的激光晶体的结构示意图。
具体实施例方式实施例I本实施例提供ー种激光晶体1，其结构如图2所示，该激光晶体I为沿纵轴A延伸的棒状，其具有端面SI (入射端面)和S2 (出射端面)，其中端面SI垂直于纵轴A，即端面SI的法线与纵轴A平行，而端面S2与纵轴A非垂直，即端面S2的法线N与纵轴A呈ー夹角Θ (0° < Θ < 90° )，其中该图2为沿着端面S2的法线N与纵轴A所在的平面切割该激光晶体I而得到的截面示意图。从图2中可知，当入射激光束L垂直于端面SI地入射到激光晶体中后，入射激光束L沿纵轴A方向传播并入射到端面S2上，入射激光束L中的一部分透射穿过端面S2成为透射激光束Lt，另一部分由于端面S2的反射而成为反射激光束Lr，由于端面S2的法线N与纵轴A之间具有夹角Θ，因此反射激光束Lr与入射激光束L之间具有夹角2 Θ，而并不是原路返回，因此不会在激光晶体I中来回振荡，从而有效地避免了激光自激振荡的形成。实施例2本实施例提供ー种激光晶体2，其结构如图3所示，该激光晶体2为沿纵轴A延伸的棒状，其具有端面SI (入射端面)和S2 (出射端面)，其中端面S2垂直于纵轴A，即端面S2的法线与纵轴A平行，而端面SI与纵轴A非垂直，即端面SI的法线N与纵轴A呈ー夹角Θ (0° < Θ <90° )，其中该图3为沿着端面SI的法线N与纵轴A所在的平面切割该激光晶体2而得到的截面示意图。从图3中可知，当入射激光束L平行于纵轴A地入射到激光晶体中后，由于折射率的作用入射激光束L稍稍偏离纵轴A方向传播，并入射到端面S2上，入射激光束L中的一部分透射穿过端面S2成为透射激光束Lt，另一部分由于端面S2的反射而成为反射激光束Lr，反射激光束Lr被反射到端面SI上，由于端面SI的法线N与纵轴A之间具有夹角Θ，因此反射激光束Lr被偏转约2 Θ角度，而并不是原路返回，因此不会在激光晶体2中来回振荡，从而有效地避免了激光自激振荡的形成。另外，入射激光束L沿纵轴A入射到端面SI吋，也会有一部分光被端面SI反射，形成反射激光束L’，由于端面SI的法线N与纵轴A之间具有夹角Θ，因此反射激光束L’被偏转2Θ角度，而并不是原路返回，因此不会在激光晶体与激光晶体以外的其他光学器件之间来回振荡，从而有效地避免了激光自激振荡的形成。实施例3本实施例提供ー种激光晶体3，其结构如图4所示，该激光晶体3为沿纵轴A延伸的棒状，其具有端面SI (入射端面)和S2 (出射端面)，其中端面SI和SI均与纵轴A非垂直，端面SI的法线NI与纵轴A呈ー夹角Θ (0° < Θ < 90° )，端面S2的法线N2与纵轴 A呈ー夹角α (0° < α <90° )，其中端面SI的法线NI、端面S2的法线Ν2在同一平面上，其中该图4为沿着法线NI、法线N2、纵轴A所在的平面切割该激光晶体3而得到的截面示意图。从图4中可知，当入射激光束L平行于纵轴A地入射到激光晶体中后，由于折射率的作用入射激光束L稍稍偏离纵轴A方向传播，并入射到端面S2上，入射激光束L中的一部分透射穿过端面S2成为透射激光束Lt，另一部分由于端面S2的反射而成为反射激光束Lr，由于端面S2的法线N2与纵轴A之间具有夹角α，因此反射激光束Lr被偏转约2 α角度，而并不是原路返回，因此不会在激光晶体3中来回振荡，从而有效地避免了激光自激振荡的形成。另外，入射激光束L沿纵轴A入射到端面SI吋，也会有一部分光被端面SI反射，形成反射激光束L’，由于端面SI的法线N与纵轴A之间具有夹角Θ，因此反射激光束L’被偏转2Θ角度，而并不是原路返回，因此不会在激光晶体与激光晶体以外的其他光学器件之间来回振荡，从而有效地避免了激光自激振荡的形成。根据本发明的其他实施例，其中端面SI的法线NI与纵轴A之间的夹角Θ与端面S2的法线Ν2与纵轴A之间的夹角α可以相等，也可以不相等，但优选为θ=α，这样可校正由于激光晶体的折射率而产生的传播方向偏离，使透射激光束Lt与入射激光束L的传播方向完全相同。实施例4本实施例提供ー种激光晶体4，其结构如图5所示，该激光晶体4为沿纵轴A延伸的棒状，其具有端面SI (入射端面)和S2 (出射端面)，其中端面SI和SI均与纵轴A非垂直，端面SI的法线NI与纵轴A呈ー夹角Θ (0° < Θ < 90° )，端面S2的法线Ν2与纵轴A呈ー夹角α (0° < α < 90° )，与实施例3中的激光晶体的区别在于端面SI和端面S2的倾斜方向相同，其中端面SI的法线NI、端面S2的法线N2在同一平面上，其中该图5为沿着法线NI、法线N2、纵轴A所在的平面切割该激光晶体4而得到的截面示意图，为平行四边形。从图5中可知，当入射激光束L平行于纵轴A地入射到激光晶体中后，由于折射率的作用入射激光束L稍稍偏离纵轴A方向在激光晶体中传播，并入射到端面S2上，入射激光束L中的一部分透射穿过端面S2成为透射激光束Lt，另一部分由于端面S2的反射而成为反射激光束Lr，由于端面S2的法线N2与纵轴A之间具有夹角α，因此反射激光束Lr被偏转约2 α角度，而并不是原路返回，因此不会在激光晶体4中来回振荡，从而有效地避免了激光自激振荡的形成。另外，入射激光束L沿纵轴A入射到端面SI吋，也会有一部分光被端面SI反射，形成反射激光束L’，由于端面SI的法线N与纵轴A之间具有夹角Θ，因此反射激光束L’被偏转2Θ角度，而并不是原路返回，因此不会在激光晶体与激光晶体以外的其他光学器件之间来回振荡，从而有效地避免了激光自激振荡的形成。根据本发明的其他实施例，其中端面SI的法线NI与纵轴A之间的夹角Θ与端面S2的法线Ν2与纵轴A之间的夹角α可以相等，也可以不相等，但优选为θ=α，这样可校正由于激光晶体的折射率而产生的传播方向偏离，使透射激光束Lt与入射激光束L的传播方向完全相同。在本实施例这种端面SI的法线NI与端面S2的法线Ν2在同一平面上且端面SI 与端面S2的倾斜方向相同的情况下，值得注意的ー种特殊情况是，当激光束L由于激光晶体的折射率而偏离纵轴A的角度等于S2的法线Ν2与纵轴A之间的夹角α时，激光束L将垂直入射到端面S2，被S2反射后原路返回到端面SI，但是由于端面SI的法线NI与纵轴A之间具有夹角Θ，因此反射激光束Lr被偏转2 Θ角度，而并不是原路返回，因此同样不会在激光晶体中来回振荡，从而有效地避免了激光自激振荡的形成。另外，入射激光束L沿纵轴A入射到端面SI时，也会有一部分光被端面SI反射，形成反射激光束L’，由于端面SI的法线N与纵轴A之间具有夹角Θ，因此反射激光束L’被偏转2Θ角度，而并不是原路返回，因此不会在激光晶体与激光晶体以外的其他光学器件之间来回振荡，从而有效地避免了激光自激振荡的形成。实施例5在上述实施例中，提供了几种不同的端面倾斜方式，均能够使激光束通过两个端面的一次或多次反射而最终离开激光晶体。在实际应用中，优选为使反射激光束在离开激光晶体前尽可能较少次数地被端面反射。 本实施例提供了ー种激光晶体5，通过限制端面的倾斜角度，使反射激光束可直接离开激光晶体，其结构与实施例I中的激光晶体的结构大致相同，如图6所示，该激光晶体5为沿纵轴A延伸的棒状，其具有端面SI (入射端面)和S2 (出射端面)，其中端面SI垂直于纵轴Α，即端面SI的法线与纵轴A平行，而端面S2与纵轴A非垂直，即端面S2的法线N与纵轴A呈ー夹角Θ (0° く Θ <90° )，其中该图6为沿着端面S2的法线N与纵轴A所在的平面切割该激光晶体5而得到的截面示意图。相对来说，入射激光束在贴近激光晶体的长度较小的ー边传播时，最不容易使端面S2反射的反射激光束Lr直接透射到激光晶体之外而不再被端面SI反射，因此如图6所示，以贴近激光晶体的长度较小的一边传播的入射激光束L为例来说明能够保证反射激光束Lr直接透射到激光晶体之外的边界条件。如图6所示，能够保证反射激光束Lr直接透射到激光晶体之外的边界条件为I， < 1，其中I为激光晶体的较短边的长度，I’为反射激光束Lr在激光晶体的纵轴方向上的投影的长度，由此可知，当I’ ( I时，反射激光束Lr可直接透射到激光晶体之外而不会入射到端面SI上。其中I’ =d’ /tan2 θ，因为入射激光束L贴近激光晶体的长度较小的ー边传播，因此d’ ^ d (d为激光晶体的直径)，由此I’ ^ d/tan2 Θ。由此可推出d/tan2 Θ ( I因此，tan2Θ 彡 d/1。其中由于激光晶体为棒状，其长度通常远大于其直径，因此可认为激光晶体的沿纵轴A的较长边和较短边的长度基本相等，统称为激光晶体的长度，因此可用I代表激光晶体的长度。例如，本实施例中，激光介质的直径为20mm,长度为360mm,则利用上述公式tan2 9 >d/l，计算出Θ >1.59°时，即可保证反射激光束Lr可直接透射到激光晶体之外 而不会入射到端面SI上。为了便于切割，可选择切割角度Θ =2°，即可避免激光的自激振荡。对于上述实施例3和实施例4中的激光晶体，尽管由于入射端面SI倾斜而导致入射激光束由于折射率的作用而稍稍偏离纵轴A，但是在实际应用中可近似地认为激光束与纵轴平行地传播，因此在实施例3和实施例4的情况中，也可以利用公式tan2 Θ > d/1来计算出使反射激光束Lr直接透射到激光晶体之外的Θ值的大致范围。对于上述实施例2中的激光晶体，由于入射端面SI倾斜而导致入射激光束由于折射率的作用而稍稍偏离纵轴A，并使反射激光束Lr在入射到端面SI之前稍稍偏离纵轴A，但是在实际应用中可近似地认为反射激光束Lr与纵轴平行地入射到端面SI上，因此，也可以利用公式tan2 Θ ^ d/1来计算出使反射激光束Lr仅经过端面SI的一次反射即透射到激光晶体之外的Θ值的大致范围。对于其他形状的激光晶体，本领域技术人员可以容易地推导出使反射激光束Lr直接透射到激光晶体之外，或仅经过端面的一次或两次或较少次反射即透射到激光晶体之外的Θ值的大致范围。根据本发明的其他实施例，其中激光晶体不限于棒状，也可以为其他条状，例如截面为矩形、椭圆形等的条状。根据本发明的其他实施例，其中激光晶体的两个端面的法线可以如上述实施例那样位于同一个平面内，也可以位于不同的平面内，例如如图7所示的那样，一个端面在上下方向倾斜，另一个端面朝左右方向倾斜。综上所述，对于条状激光晶体，只要入射端面和出射端面之一的法线相对于条状激光晶体的纵轴具有一定角度的倾斜，即可保证激光不会在激光晶体中来回振荡，有效避免激光自激振荡的形成。在优选实施例中，使入射端面和出射端面之一的法线相对于条状激光晶体的纵轴倾斜的角度Θ被设计为，使被出射端面反射的反射激光束在离开激光晶体前尽可能较少次数地被端面反射。在更优选实施例中，使入射端面和出射端面之一的法线相对于条状激光晶体的纵轴倾斜的角度Θ被设计为，使被出射端面反射的反射激光束直接透射出激光晶体。在更优选实施例中，使入射端面和出射端面之一的法线相对于条状激光晶体的纵轴倾斜的角度Θ被设计为，Θ满足tan2 0彡d/1。上述实施例中，本领域技术人员可以理解的是，在实际应用中，可根据需要在O至90 °之间选择激光晶体端面的法线与激光晶体纵轴之间的倾斜角度。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管參照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当 理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.ー种激光晶体，沿纵轴延伸，其具有第一端面和第二端面，激光束从第一端面入射并从第二端面透射出激光晶体，其中至少第一端面和第二端面之一与所述纵轴非垂直。
2.根据权利要求I所述的激光晶体，其中第一端面与第二端面均与所述纵轴非垂直。
3.根据权利要求2所述的激光晶体，其中第一端面的法线与第二端面的法线在同一平面内。
4.根据权利要求2所述的激光晶体，其中第一端面的法线与第二端面的法线在不同的平面内。
5.根据权利要求3所述的激光晶体，其中第一端面的法线与第二端面的法线向不同的方向傾斜。
6.根据权利要求3所述的激光晶体，其中第一端面的法线与第二端面的法线向相同的方向傾斜。
7.根据权利要求I所述的激光晶体，其中第一端面与所述纵轴之间的夹角以及第ニ端面与所述纵轴之间的夹角被设置为使穿过第一端面进入激光晶体的激光束被第二端面反射而形成的反射激光束直接透射出激光晶体之外。
8.根据权利要求I所述的激光晶体，其中第一端面与所述纵轴之间的夹角以及第ニ端面与所述纵轴之间的夹角被设置为使穿过第一端面进入激光晶体的激光束被第二端面反射后再经过第一端面的反射而形成的反射激光束直接透射出激光晶体之外。
9.根据权利要求I所述的激光晶体，其中第一端面与所述纵轴之间的夹角Θ满足tan2 Θ ≥d/1,或者第二端面与所述纵轴之间的夹角α满足tan2 a > d/1,或者同时满足tan2 Θ≥d/1、tan2 α≥d/1，其中d为激光晶体的直径，I为激光晶体的长度。
10.ー种具有根据权利要求1-9所述的激光晶体的激光放大器。
全文摘要
本发明提供一种激光晶体，沿纵轴延伸，其具有第一端面和第二端面，激光束从第一端面入射并从第二端面透射出激光晶体，其中至少第一端面和第二端面之一与所述纵轴非垂直。本发明还提供一种包括上述激光晶体的激光放大器。
文档编号H01S3/16GK102694338SQ201210158459
公开日2012年9月26日 申请日期2012年5月21日 优先权日2012年5月21日
发明者唐熊忻, 樊仲维, 邱基斯 申请人:北京国科世纪激光技术有限公司