一种基于碟片晶体的激光放大方法与固体激光放大器与流程

本发明是2017年5月31提交的专利申请cn201710396015.8一种基于碟片晶体的激光放大方法与固体激光放大器的分案，属于激光技术领域，更具体地，涉及一种基于碟片晶体的激光放大方法与固体激光放大器。

背景技术：

碟片晶体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，种子光每经过碟片晶体一次，会被放大两次。碟片晶体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。

cn103996965公开了一种基于双碟片串接的激光多程放大器，该激光放大器采用共轭设置的抛物面镜，双碟片固定于两端的抛物面镜中心，而反射光必须通过中间两个抛物面镜中心的开孔。虽然该专利能够通过双碟片设置能够提高泵浦光利用率，并通过共轭设置的抛物面镜增大光程，但仍具有下列缺点：

1、由于反射光必须通过中间两个抛物面镜的中心孔，只能根据事先设定的放大次数定制抛物面镜的尺寸参数，无法根据种子光的光斑大小进行适应性调整。如果目标光斑尺寸大于中间两个抛物面镜的中心孔尺寸，则超出尺寸限制的部分会被反射，无法透过中心孔，不能进一步放大，即该方案不具有通用性，只能根据使用场合订制不同镜片。

2、由于该放大器只能事先订制镜片尺寸，即中间两个抛物面镜的中心孔尺寸一旦加工完毕就无法更改，而所有光线要经过两个碟片晶体放大都必须通过中心孔，导致四个抛物面镜的相对位置也被限制，且光路的反射范围也仅限于四个抛物面镜之间，导致一旦加工成型，就无法再通过增加其他光学元件的方式对光路进行扩展，最多只能放大40次。

3、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，而抛物镜面的受热变形会影响泵浦光的光斑形状，一方面，光斑变形本身就会导致光束质量变差；另一方面，变形的光斑如果超出中心孔的尺寸限制，超出的部分同样无法通过中心孔，不能被继续放大，从而影响碟片晶体的放大性能，同样会导致放大器输出的种子光的光束质量变差。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明旨在通过串接两个共用碟片晶体的放大单元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，并且得到整形的高斯光束或者具有偏振特性的光束。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于碟片晶体的激光放大方法，其中，两个放大单元共用一个碟片晶体d，种子光在其中一个放大单元中经碟片晶体d放大后，先进行准直扩束，再传递到另一个放大单元中，经碟片晶体d进一步放大。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种基于碟片晶体的固体激光放大器，包括：第一放大单元、第二放大单元以及准直扩束单元；准直扩束单元连接第一放大单元和第二放大单元，用于将第一放大单元输出的光准直扩束后输入第二放大单元；其中，第一放大单元和第二放大单元共用一个碟片晶体d。

进一步地，第一放大单元、第二放大单元中的至少一个包括：第一抛物面镜-直角棱镜组件和第二抛物面镜-直角棱镜组件，第一抛物面镜-直角棱镜组件和第二抛物面镜-直角棱镜组件分别位于碟片晶体d法线两侧；

第一抛物面镜-直角棱镜组件包括抛物面镜c1和直角棱镜b1；直角棱镜b1的斜面正对抛物面镜c1，且垂直于碟片晶体d的法线；

第二抛物面镜-直角棱镜组件包括抛物面镜c2和直角棱镜b2；直角棱镜b2的斜面正对抛物面镜c2，且垂直于碟片晶体d的法线；

其中，抛物面镜c1、抛物面镜c2、直角棱镜b1、直角棱镜b2、抛物面镜c1、抛物面镜c2以及碟片晶体d沿种子光的传播路径布置；

种子光的部分传播路径为：入射→d→c1→b1→c1→d→c2→b2→c2→出射。

进一步地，抛物面镜c1和抛物面镜c2所在的抛物面重合。

进一步地，第一放大单元、第二放大单元中的至少一个包括：平面反射镜a2、平面反射镜a3、平面反射镜a4、平面反射镜a5以及球面反射镜e1；平面反射镜a2～a5以及球面反射镜e1沿种子光的传播路径布置；其中，

平面反射镜a3、a4、a5分布在碟片晶体d法线一侧，平面反射镜a2分布在碟片晶体d法线另一侧两侧，并且，平面反射镜a4和平面反射镜a5相对于球面反射镜e1设置；

种子光的部分传播路径为：入射→a2→d→a3→e1→a4→e1→a5→d→出射。

进一步地，第一放大单元、第二放大单元中的至少一个包括：平面反射镜a11、平面反射镜a12、平面反射镜a13、球面反射镜e4、薄膜偏振片tfp1、薄膜偏振片tfp2、半波片f1、四分之一波片f2、法拉第旋光器fr以及泡克尔盒f3，均沿种子光的传播路径设置；其中，

tfp1和tfp2的镀膜面与种子光的入射光夹角为布儒斯特角，f1、f2、f3和fr均垂直于种子光的入射光放置；

种子光的部分传播路径为：入射→tfp1(p)→fr(s)→f1(p)→tfp2(p)→f2→f3→a11→f3→f2(s)→tfp2(s)→a12(s)→d(s)→e4(s)→a13(s)→e4(s)→d(s)→a12(s)→tfp2(s)→f2→f3→a11→f3→f2(p)→tfp2(p)→f1(s)→fr(s)→tfp1(s)→出射；

括号中，s表示对应光学元件的出射光线偏振态为s光，p表示对应光学元件的出射光线偏振态为p光。

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、本发明的方法通过使用两个共用碟片晶体d的放大单元，将低能量级的种子光放大后，经准直扩束再进一步放大，一方面避免了直接一次性放大导致尖峰功率过高，损伤仪器和元件，另一方面输出光束趋于平坦，达到整形的效果；而且，两个放大单元中不同尺寸的光斑传递至同一个碟片晶体d上获得增益，大大提高了碟片晶体d增益区域的利用率。

2、本发明的装置将共用一个碟片晶体d的两个放大单元用准直扩束单元串接起来，放大次数大大提高，解决了种子光放大次数少、低光束质量差的问题；并且，通过准直扩束单元将小光斑光束扩束为大光斑光束后再放大，使得输出光束趋于平坦，达到整形的效果。

3、考虑到不同光斑尺寸传递至碟片晶体d上对应的光焦度不同，为两个放大单元设计了三种不同的光学元件组件，可以根据不同光斑选择不同的光学元件组件与之匹配，固体激光放大器器的稳定性很高，并极大利用了碟片晶体d的增益区域。

4、本发明通过将抛物面镜与直角棱镜组合，种子光在传播过程中被不断平移，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；

5、本发明通过将一系列平面反射镜和球面反射镜组合，种子光被不断地反射，从而多次经过碟片晶体d，多次放大；镜片越多，反射次数就越多，从而放大次数就越多，最终可以获得最大的增益；

6、本发明的平面反射镜a11、平面反射镜a12、平面反射镜a13、球面反射镜e4、薄膜偏振片tfp1、薄膜偏振片tfp2、半波片f1、四分之一波片f2、法拉第旋光器fr、泡克尔盒f3共同构成多程放大单元，而抛物面镜与直角棱镜组合或一系列平面反射镜和球面反射镜组合均可以构成再生放大单元，第一放大单元和第二放大单元分别采用再生放大单元和多程放大单元，既可以得到更高输出的脉冲光，又具有一定的偏振特性。

附图说明

图1是多程抛物面镜-直角棱镜组件示意图；

图2是多程平面反射镜-球面反射镜组件示意图；

图3是再生放大单元示意图；

图4是内腔为平面反射镜-球面反射镜组件，外腔为抛物面镜-直角棱镜组件激光放大器示意图；

图5是内外腔均为抛物面镜-直角棱镜组件激光放大器示意图；

图6是内腔为再生放大单元，外腔为抛物面镜-直角棱镜组件激光放大器示意图。

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。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。

本发明的主要构思在于，提供了一种单碟片晶体双腔固体激光放大器，包括两个放大单元、准直扩束单元以及辅助反射单元，两个放大单元共用一个碟片晶体d。准直扩束单元用于连接两个放大单元，将从其中一个放大单元输出的光准直扩束输入到另一个放大单元。辅助反射单元起辅助作用，用于辅助种子光入射到放大单元或准直扩束系统。

准直扩束单元包括一系列透镜或球面反射镜组成，形式多样，最简单由两片镜子构成，典型的有凹透镜和凸透镜组合，本专利实施例则是凹面镜和凸透镜的组合。准直扩束单元作用主要是将从其中一个放大单元输出的光准直并扩束，用于模式匹配入射到另一个放大单元。两个放大单元分别位于放大器的内腔和外腔。

辅助反射单元包括一系列平面反射镜，主要起到辅助连接的作用。例如，利用平面反射镜反射将入射光注入其中一个放大单元，从该放大单元出射的光经过平面反射镜反射进入准直扩束单元，经过准直扩束后的光经过平面反射镜反射进入另一个放大单元。

由于碟片晶体d不同区域光焦度(热焦距的倒数)是不一样的，一般为负值。以碟片晶体d中心为圆心，半径较小值的圆形区域光焦度要较大。那么光斑半径小的光束传递至碟片晶体中心区域对应光焦度较大，而大光斑尺寸的光传递至碟片晶体中心区域对应光焦度则较小。而光束经过准直扩束之后，形成的光斑由小变大，对应在碟片晶体上的光焦度会由大变小，因此，可以在同一碟片晶体d上照射两种大小的光斑，扩大了碟片晶体d的有效利用面积。

放大单元按照不同的结构形式可以分为再生放大单元和多程放大单元，而多程放大单元又分为抛物面镜-直角棱镜组合、平面反射镜-球面反射镜组合两种不同的构成形式。

以第一放大单元设于内腔、第二放大单元设于外腔为例，本发明针对两种放大单元设计了三种优选的光学组件构成形式。

【第一种光学组件】

抛物面镜-直角棱镜组合如图1所示，包括两组抛物面镜-直角棱镜组件和碟片晶体，两组抛物面镜-直角棱镜组件位于碟片晶体法线两侧。碟片晶体作用是将种子光放大，抛物面镜作用是使平行入射抛物面镜的光均聚焦到碟片晶体。等腰直角棱镜最大的侧面垂直于碟片晶体法线，正对于抛物面镜，其作用在于将种子光在抛物面镜上平移，也就是说从对应抛物面镜上我们可以看到光斑在平移，光斑分布在一条线上，使得种子光在腔内多次反射的同时，光斑能够在抛物面镜上平移，以免光斑重叠从而导致抛物面镜的热畸变效应。

具体地，第一抛物面镜-直角棱镜组件包括抛物面镜c1和直角棱镜b1。直角棱镜b1的斜面正对抛物面镜c1，且垂直于碟片晶体d的法线。第二抛物面镜-直角棱镜组件包括抛物面镜c2和直角棱镜b2。直角棱镜b2的斜面正对抛物面镜c2，且垂直于碟片晶体d的法线。其中，抛物面镜c1、抛物面镜c2、直角棱镜b1、直角棱镜b2、抛物面镜c1、抛物面镜c2以及碟片晶体d沿种子光的传播路径布置。抛物面镜c1和抛物面镜c2所在的抛物面重合，作为本实施例的优选方案，两个抛物面镜c1、c2实际上是一整块焦点在碟片晶体中心的抛物面镜截断中间部分所得。

图1中，种子光的部分传播路径为：入射→d→c1→b1→c1→d→c2→b2→c2→出射。在其他实施例中(未图示)，可以基于此反射路径的原理，通过增加相应的镜片来增加反射次数，提升放大能力。

【第二种光学组件】

平面反射镜-球面反射镜组件如图2所示，包括一系列平面反射镜以及至少一个球面反射镜和碟片晶体d。平面反射镜分布在碟片晶体法线两侧，用于将种子光反射到下一个元件，球面反射镜分布在平面反射镜附近，也用于传播路径的转换，种子光在腔内经过多次反射从而被放大。平面反射镜越多，放大的次数也就越多。

具体地，平面反射镜-球面反射镜组件包括：平面反射镜a2、平面反射镜a3、平面反射镜a4、平面反射镜a5以及球面反射镜e1。平面反射镜a2～a5以及球面反射镜e1沿种子光的传播路径布置。其中，平面反射镜a3、a4、a5分布在碟片晶体d法线一侧，平面反射镜a2分布在碟片晶体d法线另一侧两侧，并且，平面反射镜a4和平面反射镜a5相对于球面反射镜e1设置。

图2中，种子光的部分传播路径为：入射→a2→d→a3→e1→a4→e1→a5→d→出射。在其他实施例中(未图示)，可以基于此反射路径的原理，通过增加相应的镜片来增加反射次数，提升放大能力。

【第三种光学组件】

再生放大单元如图3所示，包括：一系列平面反射镜、球面反射镜、两个薄膜偏振片(缩写为tfp)(也可以用偏振分光棱镜，缩写为pbs)、四分之一波片、半波片、法拉第旋光器(缩写为fr)、泡克尔盒(电光晶体)。图3中，tfp1、半波片和法拉第旋光器fr构成了一个输入-隔离-输出部分。光按偏振可分为p光(平行于入射平面，图3中用箭头表示)和s光(垂直于入射平面，图3中用圆心点表示)，tfp镀膜面与入射光线夹角为布儒斯特角，那么tfp镀膜面对于p光有较高的透过率，而s光则会反射。

半波片、四分之一波片以及泡克尔盒和fr均垂直于入射光放置，他们的作用是改变光的偏振特性，半波片可以将p光转变为s光(同理也可以将s光变为p光)；fr作用和半波片类似，图3中光从右边入射到fr，可等效为半波片，若从左边入射，fr不起作用或者等效为全波片；光两次经过四分之一波片，则四分之一波片作用等效为半波片，即可以将p光转变为s光或者将s光变为p光，如果光四次经过四分之一波片，则偏振状态不改变；泡克尔盒的作用是通过所加载的电压来控制种子光的偏振状态的切换，配合tfp2的偏振透过特性，改变种子光的传输路径，使得种子光能够在腔内来回震荡，不断被放大，最终以腔倒空的形式将放大的光输出腔外。如果对泡克尔盒施加周期性的电压，则可以使种子光以脉冲的形式输出；也可以根据实际需求自主选择泡克尔盒的工作时机从而控制种子光的出射时机。

具体地，本实施例的再生放大单元包括：平面反射镜a11、平面反射镜a12、平面反射镜a13、球面反射镜e4、薄膜偏振片tfp1、薄膜偏振片tfp2、半波片f1、四分之一波片f2、法拉第旋光器fr以及泡克尔盒f3，均沿种子光的传播路径设置。其中，tfp1和tfp2的镀膜面与种子光的入射光夹角为布儒斯特角，f1、f2、f3和fr均垂直于种子光的入射光放置。

种子光的部分传播路径为：入射→tfp1(p)→fr(s)→f1(p)→tfp2(p)→f2→f3→a11→f3→f2(s)→tfp2(s)→a12(s)→d(s)→e4(s)→a13(s)→e4(s)→d(s)→a12(s)→tfp2(s)→f2→f3→a11→f3→f2(p)→tfp2(p)→f1(s)→fr(s)→tfp1(s)→出射。括号中，s表示对应光学元件的出射光线偏振态为s光，p表示对应光学元件的出射光线偏振态为p光。

另外，在其他实施例中(未图示)，若要实现更多次的放大，对于抛物面镜-直角棱镜组合我们可以适当调整两直角棱镜b1、b2的间距(保持一个不动)以及适当增大斜边的长度，也可以加入直角反射镜让光束在垂直纸面方向平移。对于平面反射镜-球面反射镜组件，可以增加更多地平面反射镜和球面反射镜，让种子光反射更多次。对于再生放大单元，可以加入更多地tfp(或者pbs)连接更多的结构，使得种子光在腔内震荡更多次。

本发明的碟片晶体固体激光放大器还包括：泵浦光发生单元，泵浦光发生单元用于向碟片晶体d发出泵浦光，使得传播至碟片晶体d的种子光的能量放大。碟片晶体d的前表面具有增透膜，碟片晶体d的后表面具有反射膜。

在泵浦光多次泵浦条件下，由于受激吸收的作用，碟片晶体d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d的背面。所述碟片晶体d的前表面具有增透膜，所述碟片晶体d的后表面具有反射膜，因此每次种子光经过碟片晶体d，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】

请参照图4，本实施例中，第一放大单元和第二放大单元都为多程放大单元。其中，内腔的第一放大单元采用图2所示的结构，外腔的第二放大单元采用图1所示的结构。凹面镜e2、凸透镜e3组成准直扩束单元，平面镜a1、a6和a7为辅助反射单元。

在本实施例中，种子光经a1反射，进入内腔传递至a2上，然后反射到碟片晶体d，经过碟片晶体反射到了a3，然后再到凸面镜e1，被反射到a4再到e1，种子光传递至a5，然后再次传递至碟片晶体上，被反射到a6然后经a6反射进入准直扩束单元，依次经过凹面镜e2、凸透镜e3从而被准直扩束，经a7反射进入外腔，首先扩束后的光传递至碟片晶体上被反射传递至抛物面镜c1，由于是从焦点发出的光，经抛物面镜后将会平行(于碟片晶体法线)出射，垂直进入等腰直角棱镜b1，光束在竖直方向被平移一段距离，平行于入射b1方向从b1出射，光传递至c1上，则会聚焦到碟片晶体d，被反射到达c2，然后再经过b2的平移……最终光从c1出射。

图4中，种子传播路径径为：入射→a1→a2→d→a3→e1→a4→e1→a5→d→a6→e2→e3→a7→d→c1→b1→c1→d→c2→b2→c2→d→c1→出射，共有10次放大。

【实施例2】

图5是内外腔均为抛物面镜-直角棱镜组件的固体激光放大器示意图；其中内腔和外腔均采用抛物面镜-直角棱镜组合，均为多程放大单元。同样，e2、e3组成准直扩束单元，a8、a9、a10为辅助反射单元。

种子传播路径径与实施例1中外腔的路径类似，入射光首先经过a8被反射进入内腔，传递至c3上，然后被聚焦到d，被d反射传递至c4上平行(于碟片晶体法线)出射。接下来与实施例1外腔类似，经过b4再次传递至c4，然后聚焦到d，光被反射到c3，再经过b3再次传递至c3上，然后在聚焦到d，传递至c4上并由c4反射出内腔，经过a9反射进入准直扩束单元，经过e2和e3准直扩束后的光经过a10反射进入外腔，入射到d，传递至c1出射，经过b1再次传递至c1上，然后聚焦到d，再打到c2，然后经过b2再回到c2，再聚焦到d，然后传递至c1出射。

图5中，种子传播路径径为：入射→a8→c3→d→c4→b4→c4→d→c3→b3→d→c4→a9→e2→e3→a10→d→c1→b1→c1→d→c2→b2→c2→d→c1→出射，共放大10次。

【实施例3】

图6是内腔为再生放大单元，外腔为抛物面镜-直角棱镜组件激光放大器示意图；本实施例内腔采用再生放大单元，外腔采用抛物面镜-直角棱镜组件，实际上是多程放大与再生放大的结合，同样的e2、e3组成准直扩束单元，a15为辅助反射单元。

入射光偏振态包括p光(箭头)和s光(圆心点)所示，经过tfp1只有p光透过，从右往左经过fr后偏振态改变，变为s光，再经过半波片，s光变为p光，然后将会再次通过tfp2，然后经过f2；f3此时不工作，光线从右向左透过f3，经a11反射后，再次通过f3(未工作)和f2，此时，由于种子光两次通过f2，偏振状态由p光变为s光；此时，种子光不能通过tfp2，将被tfp2反射传递至a12，然后经碟片晶体d反射到e4，再由a4反射到a13；然后，被a13反射后沿原路返回，再依次经过e4、d、a12，由于此时偏振状态仍为s光，被tfp2反射，再次依次经过f2、f3；此时，f3处于工作状态，种子光透过f3并被a13反射，沿原路返回后再次经过f3、f2；由于此时f3已经开始工作，它将控制种子光往返在a11、f3、f2、tfp2、a12、d、e4、a13之间，不断经过碟片晶体d放大，直到控制f3再次不工作，使得种子光经过f3、f2后光的偏振态为p光，这时可以通过tfp2，经过半波片f1变为s光，然后从右往左进入fr，光的偏振不改变仍为s光，则会被tfp1反射，从而出射出内腔。经过a14反射进入准直扩束单元，经过e2、e3准直扩束后，经过a15反射进入外腔。传递至碟片晶体d上反射，经c1平行(于碟片晶体法线)射入b1，然后回到c1，聚焦到d，再打到c2上，经过b2再次回到c2，然后聚焦到d，打到c1，最终经c1反射后出射。

图5中，种子光的路径为：入射(p，s)→tfp1(p)→fr(s)→f1(p)→tfp2(p)→f2→f3→a11→f3→f2(s)→tfp2(s)→a12(s)→d(s)→e4(s)→a13(s)→e4(s)→d(s)→a12(s)→tfp2(s)→f2→f3→…→f3→f2(p)→tfp2(p)→f1(s)→fr(s)→tfp1(s)→a14→e2→e3→a15→d→c1→b1→c1→d→c2→b2→c2→d→c1→出射。括号里的p代表光的偏振态为p光，s为s光，我们标记了内腔的光的偏振改变便于直观反映传播路径的迹。

其中，省略号表示f3处于工作状态时，种子光往返在a11、f3、f2、tfp2、a12、d、e4、a13之间，不断经过碟片晶体d被放大；如果f3不工作，则种子光会直接通过f3，此时省略号位置即为a11。

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。