一种碟片固体激光放大器的制作方法

本发明属于激光技术领域，更具体地，涉及一种碟片固体激光放大器。

背景技术：

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100μm～400μm，直径约为5mm～30mm，其上表面镀有对泵浦光与入射种子光的高增透膜，下表面镀有对泵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，实现了一维的温度梯度，极大地减小了碟片晶体的热畸变，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。

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泵浦结构外面仅搭建反射单元、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。

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泵浦光的反射位点，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；第三、在该放大器中，种子光和泵浦光都在共轭双抛物面镜上进行反射，而抛物镜面的受热会影响泵浦光的光斑形状，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。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于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以及透镜-直角透镜组合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。

本发明提供了一种碟片固体激光放大器，包括：碟片晶体单元，反射单元、直角反射镜和2n个反射聚焦单元，每个反射聚焦单元由一个透镜和一个直角棱镜构成，且各个反射聚焦单元中透镜的一个焦点互相重合；两个反射聚焦单元构成一对，其透镜的轴线关于碟片晶体中心的法线对称；所述碟片晶体单元的中心位于每个反射聚焦单元重合的焦点处；所述反射单元位于所述反射聚焦单元周围，用于光的导入与导出；所述直角反射镜位于所述反射聚焦单元中的透镜与直角棱镜之间，所述直角反射镜的两光学反射面与直角棱镜斜面夹角为45度，n为大于等于2的整数。

更进一步地，所述碟片晶体单元包括：薄片状碟片晶体，用于将种子光进行放大。

更进一步地，所述反射单元包括：入射单元、出射单元和中间单元，所述入射单元用于将入射的种子光的传播方向反射为平行于透镜的光轴方向，所述出射单元用于将放大后的种子光反射后导出，所述中间单元用于将从某一对反射聚焦单元出射的光导入到另外一对反射聚焦单元。

更进一步地，当直角棱镜C2的初始状态为直角棱镜C1与直角棱镜C2关于碟片单元反射面轴线L₀平面对称时，轴线L₂与轴线L₀之间夹角β为(arccot(D/2f)，π/2)，其中，D为透镜B2的直径，f为透镜组B2焦距。

更进一步地，透镜B2的光轴与直角棱镜C2横截面对称轴两平行线的间距为d，d小于等于透镜的半径。

更进一步地，碟片晶体放大的次数N与间距d和直角棱镜斜边长度L之间关系为：

当d＝L/2n(n＝1，2，3….)时，碟片晶体放大的次数为N＝2*(2n+1)次；

当d＝L/(2n+1)(n＝1，2，3….)时，碟片晶体放大的次数为N＝2*(2n+2)次；

当L/(2n+1)＜d＜L/2n(n＝1，2，3….)时，棱镜对内平行传输的光线分为两个部分，分别对应d＝L/2n和d＝L/(2n+1)时光束的传输特性。

更进一步地，碟片晶体放大的次数与θ之间的关系为；如果θ可以被π整除那么m的值取1，如果θ不能被π整除，则改变m的数值使其满足整除关系；θ为锐角或直角。

更进一步地，所述碟片固体激光放大器还包括：泵浦光发生单元，所述泵浦光发生单元用于向碟片晶体发出泵浦光，使得传播至碟片晶体的种子光的能量放大。

更进一步地，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。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明通过将透镜与直角棱镜交错设置构成反射聚焦单元，种子光的传播路径跟设定的器件偏移参数相关，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次以上；

(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。

(3)通过调整碟片晶体单元与透镜光轴的夹角，以及透镜的光轴与对应直角棱镜横截面对称轴的间距，可以使得种子光在透镜表面的光斑分散，避免了透镜的热畸变效应；

(4)仅仅需要一对反射聚焦单元就可以将光线束缚其中并且不断经过碟片晶体被放大，大大节省了实验器材和缩小了激光器体积空间。如果需要更大的放大倍数，可在另外的维度上扩大透镜上的光斑的分布，让透镜表面尽可能分布光斑；或者增加更多对反射聚焦单元，具体可见实施例；

(5)本发明通过将碟片晶体设置在透镜的焦点处，可以保证在碟片晶体处的光的光斑尺寸在每次放大过程相同，保证了种子光和泵浦光模式的最佳匹配，可最大限度的提取泵浦光的能量，实现最高的放大效率和输出光质量。

附图说明

图1是碟片晶体单元与反射聚焦单元间位置关系示意图；

图2是反射聚焦系统中直角棱镜初始位置平面示意图

图3是实施例1的单碟片种子光多程传输系统平面示意图；

图4是实施例1放大系统的空间示意图；

图5是实例1种子光在各透镜表面和直角棱镜路迹顺序图；

图6是实施例2的单碟片种子光多程传输系统平面示意图；

图7是实施例2放大系统的空间示意图；

图8是实例2种子光在各透镜表面和直角棱镜路迹顺序图；

图9是实施例3放大系统的空间示意图；

图10是实施例3放大系统的空间示意图；

图11是实例3种子光在各透镜表面和直角棱镜路迹顺序图；

图12是实施例4放大系统的空间示意图；

图13是实例4种子光在各透镜表面和直角棱镜路迹顺序图。

所有附图中，A代表碟片晶体，B1代表第一反射聚焦单元透镜，B2代表第二反射聚焦单元透镜，C1代表第一反射聚焦单元直角棱镜，C2代表第二反射聚焦单元直角棱镜，I代表入射口，O代表出射口，R0代表直角反射镜，M1代表入射单元处的反射镜，M2代表出射单元处的反射镜，B3代表第三反射聚焦单元透镜，B4代表第四反射聚焦单元透镜，C3代表第三反射聚焦单元直角棱镜，C4代表第四反射聚焦单元直角棱镜，M3-M6为反射单元的中间单元的反射镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以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以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，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以及透镜-直角透镜组合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，

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：碟片晶体单元，n对反射聚焦单元，反射单元和直角反射镜；n对反射聚焦单元包括2n个反射聚焦单元，即第1反射聚焦单元到第2n反射聚焦单元，n为大于等于2的整数。每个反射聚焦单元由一个透镜和一个直角棱镜构成，并且每个反射聚焦单元的透镜的一个焦点互相重合；所述碟片晶体单元中心位于每个反射聚焦单元重合的焦点处；图1为任意一个反射聚焦单元与碟片晶体单元的示意图，其中直线L为透镜Lens的轴线，M为所述直角棱镜，面ABFE垂直于面CDEF，棱镜的斜面ABCD垂直直线L，透镜Lens的焦点为O，也是碟片晶体中心。两个反射聚焦单元构成一对，其透镜Lens的轴线关于碟片晶体中心的法线对称；所述反射单元位于反射聚焦单元周围，用于光的导入与导出；所述直角反射镜位于反射聚焦单元透镜与直角棱镜之间，两光学反射面与图1直角棱镜斜面夹角为45度。

碟片晶体单元包括薄片状碟片晶体，所述碟片晶体用于将种子光放大；所述每个反射聚焦单元包括一个透镜和一个直角棱镜，如图1所示，透镜用于将从直角棱镜出射的光D’C’聚焦到焦点处，即碟片晶体单元，或者把从碟片晶体单元反射的光OA’准直射入直角棱镜；如图1所示，直角棱镜将入射到直角棱镜的光线A’B’方向旋转180度出射，即光线D’C’，配合透镜的聚焦和扩束和碟片晶体的反射，使种子光反复在透镜、直角棱镜以及碟片晶体之间传播；所述反射单元包括入射单元、出射单元以及中间单元，均是平面反射镜，此反射单元的作用有3个：1，用来将入射的种子光导入；2，将放大后的激光导出；3，将从某一对反射聚焦单元出射的光导入到另外一对反射聚焦单元。

作为进一步优选地，如图2所示，我们定义直角棱镜C2初始状态为直角棱镜C1与直角棱镜C2关于碟片单元反射面轴线L₀平面对称。轴线L₂与轴线L₀之间夹角β为(arccot(D/2f)，π/2)，其中，D为透镜B2的直径，f为透镜组B2焦距；所述碟片晶体单元还用于使透镜从焦点(碟片晶体)输出的光与向焦点(碟片晶体)输入的光发生偏移，从而使得在透镜表面的光斑分散，使得所述光斑的中心点之间的距离大于1mm～10mm，以免光斑重叠从而导致透镜的热畸变效应。

作为进一步优选地，如图3所示，反射单元中的入射单元M1用于将入射的种子光的传播方向反射为平行于所述透镜的光轴方向，所述入射单元M1设置于透镜B1与直角棱镜C1之间。所述出射单元用于将放大之后的种子光经M2反射，导出所述碟片固体激光放大器，出射单元设置于透镜B2与直角棱镜C2之间。

作为进一步优选地，如图3，所述透镜B2的光轴与直角棱镜C2，横截面对称轴两平行线的间距为d，d小于等于所述透镜的半径，L为直角棱镜斜边长度；所述透镜还用于使光在水平方向或垂直方向发生偏移，从而使得在透镜表面的种子光的光斑分散。最多放大次数N与d和L之间关系决定：

当d＝L/2n(n＝1，2，3….)时，碟片晶体放大的次数为N＝2*(2n+1)次；

当d＝L/(2n+1)(n＝1，2，3….)时，碟片晶体放大的次数为N＝2*(2n+2)次；

当L/(2n+1)＜d＜L/2n(n＝1，2，3….)时，棱镜对内平行传输的光线分为两个部分，分别对应d＝L/2n和d＝L/(2n+1)时光束的传输特性。

作为进一步优选的，如图2，初始状态下的C2绕轴线L₂旋转一定角度θ，θ为锐角或直角，使得光斑在透镜以及直角棱镜表面呈现环状分布，从而光斑分散。最多放大次数与θ之间的关系为；如果θ可以被π整除那么m的值取1，例如θ角度值为90度，那么N＝4；如果θ不能被π整除，则改变m的数值使其满足整除关系，例如如果θ角度值为40度，不能被180度整除但能被360度整除，那么需要180度乘以2，即m取值取2，那么N＝18。

优选地，所述碟片固体激光放大器还包括泵浦光发生单元，所述泵浦光发生单元用于向碟片晶体发出泵浦光，使得传播至碟片晶体的种子光的能量放大。

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。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以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以解释本发明，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涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图3和图4所示，本发明的一个方面，提供了一种碟片固体激光放大器，包括反射聚焦单元，碟片晶体单元，直角反射镜、反射单元；

为了便于理解，我们可以建立坐标系，以碟片中心为原点O，两透镜B1、B2光轴分别为x轴和y轴，两直角棱镜C1、C2斜边所在侧面分别与x轴和y轴垂直，两透镜的夹角即为x轴与y轴的夹角，但为了考虑问题的方便，我们将其设为90度，后面的实施例也是如此，那么我们建立了空间直角坐标系。

入射单元M1以及出射单元M2各自独立地设置于透镜和直角棱镜之间，所述入射单元用于将入射的种子光反射为平行于所述透镜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透镜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；

入射光沿平行于透镜B1光轴方向射入直角棱镜C1的光滑面，通过C1的180度转向的作用，平行于B1的光轴入射B1，经聚焦射入碟片晶体A，经碟片晶体A反射入射透镜B2得到准直，平行于B2光轴方向出射，再经过C2的180度反向再次入射B2，然后第二次聚焦到碟片晶体A，通过碟片的反射入射到B1然后B1光轴方向射入C1，通过C1的180度反向(记为一次循环)……第N次经过碟片晶体后出射，就经过了2N次放大。

如果所有交错放置的透镜的光轴与直角棱镜横截面的对称轴重合，则种子光经过一次循环传播，在凸透镜上投影的光斑的位置都相同，这会使得光斑重叠从而导致凸透镜的热畸变效应。由于一般种子光的光斑直径为1mm～10mm，因此在本发明中，需要用旋转偏差法，或平移偏差法使得凸透镜上的光斑分散。

旋转偏差法为：如图2和图3，在此基础上将B2绕横截面对称轴(也就是y轴)旋转一定角设度θ设置为锐角或直角，该方法可使得B2从碟片晶体输出的种子光与输入的种子光发生偏移，从而分散种子光在透镜表面的光斑，呈环状分布。使透镜上光斑中心点之间的距离大于1mm～10mm，以免光斑重叠从而导致透镜的热畸变效应。

上述情况为一对反射聚焦单元，我们也可以在此基础上引入n-1对反射聚焦单元，并且每一对反射聚焦单元中直角棱镜旋转的角度θ也可以不同，根据实际需要调整，这样也会大大增加碟片晶体单元对种子光的放大次数。

平移偏差法为：将B2的光轴(y轴)与C2横截面对称轴的x轴方向间距设置为d，d小于等于B2的半径，从而使输入B2的种子光与输出B2的种子光在水平方向或垂直方向发生偏移，从而分散种子光在透镜表面的光斑。

在透镜和直角棱镜之间，还可以设置一个或多个直角反射镜，所述直角反射镜可与透镜相对放置，用于使从该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π/2相对放置的平面镜。

旋转偏差法，平移偏差法还有直角反射镜可相互结合，在分散种子光在透镜表面的光斑的同时，充分利用透镜的反射表面，在不增加装置的情况下增加种子光的反射次数；

碟片晶体的背面设置有泵浦光发生单元，用于向碟片晶体发出泵浦光，在泵浦光多次泵浦条件下，由于受激吸收的作用，碟片晶体内部的激活粒子吸收泵浦光，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辐射，从而使种子光能量得到提高。泵浦光发生单元通常由一到两个半导体激光器以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泵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。

实施例1

图3为实施例1的碟片激光放大器结构平面示意图，包括碟片晶体A，透镜B1，透镜B2，直角棱镜C1，直角棱镜C2，所有透镜的直径均为D，焦距均为f，且光轴均位于水平面xOy上，所有装置的反射面或透射面，均与水平方向垂直；碟片晶体A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泵浦光反射至碟片晶体的背面。通过对碟片晶体内部的泵浦模块或者对透镜的参数进行选取，可以使得泵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泵浦光，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辐射，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。

其中碟片晶体A中心位于坐标轴原点，并且法向量平分两坐标轴夹角，B1光轴(x轴)与C1主截面的对称轴重合，B2光轴(y轴)与C2主截面的对称轴x轴方向上距离为d，并且取d＝L/6(L为直角棱镜底面直角三角形斜边棱长)。种子光从C1和B1之间入射，方向沿B1光轴方向，最终从C2和B2之间出射，入射单元和出射单元作用分别是将光引入激光器和导出激光器，都是利用与凸透镜呈45度角的平面反射镜实现。关于B1与C1间的距离以及B2与C间的距离，根据理论可知是可以任取的，但是考虑到实际激光器谐振腔体积需要，距离要取合适，在这里我们将两个距离取相等，为D/2。

图4为实施例1的碟片激光器结构空间示意图，经过准直后的种子光(光束直径约为D/15)通过入射单元，正入射进入直角棱镜C1，经过直角棱镜的转向作用，种子光沿光轴方向射入透镜B1，聚焦到碟片晶体A，经过A反射种子光射向透镜B2，由于是从焦点发出的光线，从B2出射种子光方向平行于透镜B2光轴的方向，然后射入直角透镜C2，同样经过直角透镜转向，反向平行与B2光轴方向射向透镜B2，然后再次聚焦到碟片晶体A，然后经过A反射种子光射向透镜B1，然后平行于B1的光轴方向射出，射向直角透镜C1，此为一个循环……最终从透镜B2射出后经过平面镜反射导出激光器外。

我们可以把种子光的路径描述出来，从入射单元开始I→C1→B1→A→B2→C2→B2→A→B1→C1→B1→A→O出射单元出射，统计得出总共经过碟片A3次，则放大次数为6次。根据相关理论，我们知道理论上(忽略光斑在直角棱镜边缘处的情况，看成一个点)，对于d＝L/2n(n＝1，2，3...)，最大放大次数为2*(2n+1)，在图一中由于考虑到光斑的大小，只是画出其中的示意图。图5为种子光在各个光学元件(透镜和直角棱镜)表面的路迹顺序图。

实施例2

图6为实施例2的碟片激光放大器结构俯视平面示意图，所有装置的结构与实施例1相同，区别在于，在原来出射单元M2位置我们换成一个直角反射镜，两反射平面交线平行于x轴，反射镜将光在z方向上平移了一段距离S并且将光传播反向逆转再次打入透镜C2继续震荡放大。并且根据光的反射理论容易知道，经过直角反射镜R0后，如果打在透镜B2上的光斑垂直距离(z方向)增加了S，那么经过碟片反射，打在透镜B1上的光斑在z方向减少了S。

图7所示施例2的碟片激光放大器结构空间示意图，我们可以得到种子光具体传播路线为：I→C1→B1→A→B2→C2→B2→A→B1→C1→B1→A→B2→R0→B2→A→B1→C1→B1→A→B2→C2→B2→A→B1→C1→O，共经过碟片晶体A6次，放大次数为12。

图8为种子光依次经过直角棱镜和透镜的顺序路迹，其中用黑框框起来即表示光从透镜B2出射被直角反射镜反射回来并且在垂直方向上抬高了一定距离，可以注意到最开始的种子光路迹和实例一中是一样的。

如果想要继续提高放大次数，可以在条件允许情况下，合理增加直角反射镜的个数，可放置于B1、C1之间或者B2、C2之间，那么可以最大化利用透镜表面空间，光斑几乎可以打在透镜表面每个位置。

实施例3

图9和图10所示施例3的碟片激光放大器结构空间示意图，实施例3相比实施例1的变化主要是，直角棱镜C2主截面的对称轴与透镜B2的光轴(y轴)重合，即水平距离d为0，而是在此基础上绕y轴旋转了一定角度θ，此实施例中为了分析的简单我们取为90度。(为了画图的方便仅在图9标注了直角棱镜C2旋转了90度的标注，以下图均省略)

同样的，种子光的传播路线为：I→C1→B1→A→B2→C2→B2→A→B1→C1→B1→A→B2→C2→O，共经过碟片晶体3次，放大次数为6。

图11为种子光光斑打在透镜B1、B2，直角棱镜C1、C2的顺序路迹。

实施例4

图12所示实施例4的碟片激光放大器结构的空间示意图，实施例4相比实施例3的变化是，在原来的基础上添加了一对反射聚焦单元(B3、C3、B4和C4)，唯一不同的是相比原来而言，在空间上旋转了90度，即是原xoy坐标系绕碟片中心法线为轴，旋转90度，得到x’oy’坐标系，再将光路通过反射单元串接起来。

那么最开始的光路和实施例3相同，从B4、C4间的入射单元反射沿平行于B4光轴方向正射入C4，最终经过一系列反射传播从B3、C3间反射镜导出，再经过几次平面反射镜反射最终将光线引入到第二对反射聚焦单元，沿平行于B2光轴方向正射入C2，过程和实施例3类似，最终从B1、C1间出射单元出射。

分析可以知道，实际上是将从一对反射聚焦单元经过放大的导出光再次引入到另一个反射聚焦单元，再次震荡放大，放大次数翻倍，所以最终经过碟片A6次，放大次数12次。

图13为种子光在各个光学元件(透镜和直角棱镜)表面的路迹顺序图，观察视角均是从碟片垂直于透镜表面的方向，即从碟片看B1、C1、B2、C2、B3、C3、B4、C4，可以看到其实和实施例3是一样的路迹。只是走了两次。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。