自双程角度复用板条激光增益介质及激光增益模块

摘要

本发明公开了一种自双程角度复用板条激光增益介质及激光增益模块。自双程角度复用板条激光增益介质，包括：本体部，本体部包括依次首位相连的第一侧面、第一端面、第二侧面、以及第二端面，第一侧面与第二侧面平行，第一端面与第二侧面的夹角α1为45°，第二端面与第一侧面的夹角α2根据公式：其中，L表示第一端面的中心点与第二端面的中心点之间的距离，d表示第一侧面与第二侧面之间的距离，N1表示光束从第一端面进入本体部后，光束在第一端面至第二端面的方向上反射的次数，N2表示光束从第一端面进入本体部后，光束在第二端面至第一端面的方向上反射的次数。采用本发明，可以大幅度简化光路结构，提高可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种自双程角度复用板条激光增益介质及激光增益模块。

背景技术

常用的固体激光增益介质有三种结构：棒状结构、片状结构、和板条结构。其中，光束在板条结构的增益介质中以“之”字形传输，可以补偿由于温度梯度所造成的波前畸变和偏振特性变化，有利于提高输出功率，有利于获得良好的光束质量。目前采用板条结构增益介质的固体激光器在连续运转或脉冲运转等方面，都得到了广泛应用。

相关技术中，板条结构可以采用角度复用的方式实现多程放大。一般板条激光模块有若干分立的角度可以作为入射角。通常的做法是在激光以入射角1单程通过板条后，通过几个镜片折叠光路，再以入射角2进入板条，实现双程放大，然后再利用激光偏振特性，实现四程放大。但这种结构比较复杂，尤其是为了实现角度复用，采用了三片反射镜和两片透镜才能实现，不能满足新一代各类固体激光器对板条放大器所提出的更高光束质量、更高效率、更小体积、更高可靠性的迫切要求。

发明内容

本发明实施例提供一种自双程角度复用板条激光增益介质及激光增益模块，用以解决现有技术中现有技术中的板条放大器结构体积大、结构复杂的问题。

根据本发明实施例的自双程角度复用板条激光增益介质，包括：

本体部，所述本体部包括依次首位相连的第一侧面、第一端面、第二侧面、以及第二端面，所述第一侧面与所述第二侧面平行，所述第一端面与所述第二侧面的夹角α1为45°，所述第二端面与所述第一侧面的夹角α2根据公式1-公式3计算：

其中，L表示第一端面的中心点与第二端面的中心点之间的距离，d表示第一侧面与第二侧面之间的距离，N1表示光束从第一端面进入本体部后，光束在第一端面至第二端面的方向上反射的次数，N2表示光束从第一端面进入本体部后，光束在第二端面至第一端面的方向上反射的次数。

根据本发明的一些实施例，所述自双程角度复用板条激光增益介质，还包括：

第一消倏逝波膜，设于所述第一侧面；

第二消倏逝波膜，设于所述第二侧面；

激光增透膜，设于所述第一端面；

激光反射膜，设于所述第二端面。

根据本发明的一些实施例，所述第一消倏逝波膜与所述第二消倏逝波膜的厚度均为3μm。

根据本发明的一些实施例，所述第一消倏逝波膜与所述第二消倏逝波膜均为二氧化硅材料件。

根据本发明的一些实施例，β1≥53.3°，β2≥53.3°。

根据本发明的一些实施例，所述本体部为激光晶体、激光玻璃件、或者激光陶瓷件。

根据本发明的一些实施例，所述本体部包括：

第一白YAG区，所述第一端面位于所述第一白YAG区；

第二白YAG区，所述第二端面位于所述第一白YAG区；

掺杂YAG区，位于所述第一白YAG区与所述第一白YAG区之间。

根据本发明的一些实施例，所述掺杂YAG区的激活离子为Nd、Yb、Er、或者Tm。

根据本发明实施例的双程激光增益模块，包括：

增益介质，为如上所述的自双程角度复用板条激光增益介质；

微通道热沉，设于所述增益介质的周壁；

第一泵浦结构，靠近所述增益介质的一端设置；

第二泵浦结构，靠近所述增益介质的另一端设置，且所述第二泵浦结构与所述第一泵浦结构分别位于所述增益介质的两侧。

根据本发明实施例的四程激光增益模块，包括：

双程激光增益模块，为如上所述的双程激光增益模块；

偏振片，与所述增益介质同轴且间隔设置；

第一反射镜，位于所述偏振片与所述增益介质之间；

透镜，与所述第一反射镜间隔设置，所述透镜与所述第一反射镜的连线垂直于所述增益介质的中心轴；

λ/4波片，与所述透镜同轴且间隔设置；

第二反射镜，与所述λ/4波片同轴且间隔设置。

采用本发明实施例，通过对板条激光增益介质的几何构型合理设计，使单次通过板条激光增益介质的激光在另一个端面处反射，改变角度后再次穿过增益介质，同时满足全反射和整数次光程两个条件，从而可以大幅度简化光路结构，减少了三片反射镜的折叠光路和两片透镜组成的像传递系统，这样在降低激光放大链路调试难度的同时，大大压缩了体积，还因为减少了光学元件的使用，使得整个系统的静态光学畸变减少，可靠性提高。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例中自双程角度复用板条激光增益介质结构示意图；

图2是本发明实施例中自双程角度复用板条激光增益介质结构示意图；

图3是本发明实施例中双程激光增益模块结构示意图；

图4是本发明实施例中四程激光增益模块结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1-图2所示，根据本发明实施例的自双程角度复用板条激光增益介质1，包括：

本体部，本体部包括依次首位相连的第一侧面S3、第一端面S1、第二侧面S4、以及第二端面S2，第一侧面S3与第二侧面S4平行，第一端面S1与第二侧面S4的夹角α1为45°，第二端面S2与第一侧面S3的夹角α2根据公式1-公式3计算：

其中，L表示第一端面S1的中心点与第二端面S2的中心点之间的距离，d表示第一侧面S3与第二侧面S4之间的距离，N1表示光束从第一端面S1进入本体部后，光束在第一端面S1至第二端面S2的方向上反射的次数，N2表示光束从第一端面S1进入本体部后，光束在第二端面S2至第一端面S1的方向上反射的次数。

采用本发明实施例，通过对自双程角度复用板条激光增益介质1的几何构型合理设计，使单次通过自双程角度复用板条激光增益介质1的激光在另一个端面处反射，改变角度后再次穿过增益介质，同时满足全反射和整数次光程两个条件，从而可以大幅度简化光路结构，减少了三片反射镜的折叠光路和两片透镜组成的像传递系统，这样在降低激光放大链路调试难度的同时，大大压缩了体积，还因为减少了光学元件的使用，使得整个系统的静态光学畸变减少，可靠性提高。

在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

根据本发明的一些实施例，自双程角度复用板条激光增益介质1，还包括：

第一消倏逝波膜，设于第一侧面S3；

第二消倏逝波膜，设于第二侧面S4；

激光增透膜，设于第一端面S1；

激光反射膜，设于第二端面S2。

根据本发明的一些实施例，第一消倏逝波膜与第二消倏逝波膜的厚度均为3μm。

根据本发明的一些实施例，第一消倏逝波膜与第二消倏逝波膜均为二氧化硅材料件。

根据本发明的一些实施例，β1≥53.3°，β2≥53.3°。

根据本发明的一些实施例，本体部为激光晶体、激光玻璃件、或者激光陶瓷件。

如图2所示，根据本发明的一些实施例，本体部包括：

第一白YAG区10，第一端面S1位于第一白YAG区10；

第二白YAG区11，第二端面S2位于第一白YAG区10；

掺杂YAG区12，位于第一白YAG区10与第一白YAG区10之间。

根据本发明的一些实施例，掺杂YAG区12的激活离子为Nd、Yb、Er、或者Tm。

如图3所示，根据本发明实施例的双程激光增益模块2，包括：

增益介质1，为如上所述的自双程角度复用板条激光增益介质；

微通道热沉22，设于增益介质1的周壁；

第一泵浦结构20，靠近增益介质1的一端设置；

第二泵浦结构21，靠近增益介质1的另一端设置，且第二泵浦结构21与第一泵浦结构20分别位于增益介质1的两侧。

采用本发明实施例，通过对板条激光增益介质1的几何构型合理设计，使单次通过板条激光增益介质1的激光在另一个端面处反射，改变角度后再次穿过增益介质，同时满足全反射和整数次光程两个条件，从而可以大幅度简化光路结构，减少了三片反射镜的折叠光路和两片透镜组成的像传递系统，这样在降低激光放大链路调试难度的同时，大大压缩了体积，还因为减少了光学元件的使用，使得整个系统的静态光学畸变减少，可靠性提高。

如图2所示，第一泵浦结构20包括激光二极管阵列201、第一透镜202、第二透镜203，第一透镜202、第二透镜203构成泵浦耦合透镜组。激光二极管阵列201、第一透镜202、第二透镜203同轴间隔设置，且第一透镜202位于激光二极管阵列201与第二透镜203之间。

如图2所示，在本发明的一些实施例中，第一泵浦结构20的中心轴线与增益介质1的中心轴线的夹角为锐角。第二泵浦结构21的中心轴线与增益介质1的中心轴线垂直。

如图3所示，根据本发明实施例的四程激光增益模块3，包括：

双程激光增益模块2，为如上所述的双程激光增益模块；

偏振片31，与增益介质1同轴且间隔设置；

第一反射镜32，位于偏振片31与增益介质1之间；

透镜33，与第一反射镜32间隔设置，透镜33与第一反射镜32的连线垂直于增益介质1的中心轴；

λ/4波片34，与透镜33同轴且间隔设置；

第二反射镜35，与λ/4波片34同轴且间隔设置。

采用本发明实施例，通过对板条激光增益介质1的几何构型合理设计，使单次通过板条激光增益介质1的激光在另一个端面处反射，改变角度后再次穿过增益介质，同时满足全反射和整数次光程两个条件，从而可以大幅度简化光路结构，减少了三片反射镜的折叠光路和两片透镜组成的像传递系统，这样在降低激光放大链路调试难度的同时，大大压缩了体积，还因为减少了光学元件的使用，使得整个系统的静态光学畸变减少，可靠性提高。

需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

下面参照图1-图4以一个具体的实施例详细描述本发明实施例的自双程角度复用板条激光增益介质及激光增益模块。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图1-图2所示，本发明实施例的自双程角度复用板条激光增益介质1，包括：

本体部，本体部包括依次首位相连的第一侧面S3、第一端面S1、第二侧面S4、以及第二端面S2，第一侧面S3与第二侧面S4平行，第一端面S1与第二侧面S4的夹角α1为45°，第二端面S2与第一侧面S3的夹角α2根据公式1-公式3计算：

其中，L表示第一端面S1的中心点与第二端面S2的中心点之间的距离，d表示第一侧面S3与第二侧面S4之间的距离，N1表示光束从第一端面S1进入本体部后，光束在第一端面S1至第二端面S2的方向上反射的次数，N2表示光束从第一端面S1进入本体部后，光束在第二端面S2至第一端面S1的方向上反射的次数。

可以理解的是，自双程角度复用板条激光增益介质1的一个端头α1优选采用45°角切割，另一个端头的切割角满足关系式：

本体部为非平行四边形结构，锐角可以在对角也可以在同侧。换言之，角α1与角α2可以在同侧，也可以在对角侧。

第一侧面S3与第二侧面S4均镀有3μm左右厚的消倏逝波膜，使激光能够实现全内反射，消倏逝波膜通常采用二氧化硅材料，折射率与石英折射率近似，约为1.46，可以计算出全反射角β≥53.3°，因此应该设定合适的反射次数N以满足这一条件。第一端面S1镀激光增透膜，第二端面S2镀小角度激光反射膜。

本体部为激光晶体、激光玻璃件、或者激光陶瓷件。

本体部为端面泵浦结构，本体部的两个端面键合有白YAG，中间为掺杂YAG区12。掺杂YAG区12的激活离子为Nd、Yb、Er、或者Tm。各个激活离子的浓度可以根据需要进行设计。

本发明实施例的自双程角度复用板条激光增益介质1适用于LD单端泵浦或双端泵浦的激光增益模块，端面角度α1为45°时，单端泵浦垂直于板条大面，双端泵浦时为了保证泵浦光在晶体内平行于大面，因此泵浦光需要斜角入射，入射角为2*(α2-45°)。

利用自双程角度复用板条激光增益介质1组成的激光增益模块可以直接实现激光的双程放大，如图3所示，种子光在左端面注入自双程增益板条激光增益介质1后经过“Z”字形光路照射在右端面上，右端面按照设计角度将单程放大的激光以另一个角度反射回来，最后在左端面输出。

在双程放大装置基础上也可以实现四程放大，如图4所示，要求种子光为线偏振激光，经过偏振片后首先进行双程放大，然后将利用波片将偏振态旋转90°后重新注入自双程增益板条激光增益介质1，经过四程放大后沿种子光光路反向输出，在偏振片处全反射将四程放大后的激光与种子光分离。

本发明实施例的自双程角度复用板条激光增益介质，可以采用传导冷却技术进行冷却，也可以采用冷却液直接冷却。

本发明实施例的自双程角度复用板条激光增益介质1，泵浦耦合设计可以采用端面泵浦，也可以采用大面泵浦。

本发明实施例的自双程角度复用板条激光增益介质1，该种结构板条两个端面角度需要严格满足数学关系，以保证整数次光程和全反射角，同时兼顾交叠效率。

本发明实施例的自双程角度复用板条激光增益介质1，可以用在谐振腔中，连续运转，脉冲运转，调Q运转；也可以作为放大器使用，采用行波放大、再生放大以及多程放大各种工作方式放大各种运转方式的激光束。

本发明实施例的自双程角度复用板条激光增益介质1按照上述尺寸加工成型后配合适当的泵浦耦合技术、冷却技术、谐振腔技术可以实现大于1KW的激光输出。

采用本发明实施例的自双程角度复用板条激光增益介质1可以大幅度简化光路结构，减少了三片反射镜的折叠光路和两片透镜组成的像传递系统，这样在降低激光放大链路调试难度的同时，大大压缩了体积，还因为减少了光学元件的使用，使得整个系统的静态光学畸变减少，可靠性提高。

对申请文件的说明：除特殊说明外，本申请中涉及到的名词作如下解释：Nd：钕；Yb：镱；Er：铒；Tm：铥；YAG：钇铝石榴石；Nd：YAG：掺钕钇铝石榴石。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。