具有多次反射摺疊光路結構的雷射放大器及雷射諧振腔的製作方法
2023-04-27 00:26:51 1
專利名稱：具有多次反射摺疊光路結構的雷射放大器及雷射諧振腔的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學領域，尤其涉及雷射放大器及雷射諧振。
背景技術：
由於多次反射摺疊光路結構具有能減小光學長度、增加光束在介質內通過的路程及覆蓋率、適用於對各種材料的等優點，因而摺疊方法得到深入的研究和廣泛的應用。多次反射的光路，在雷射領域最早多用於氣體雷射器的摺疊波導腔中，後來隨著INNOSLAB新型固體雷射器(參見Optics Letters，Vol.23，No.18，370～372)的出現，也開始用於固體雷射器中。目前各種摺疊光路在雷射放大器及雷射諧振腔的方案主要有以下三種方案方案一，採用平面鏡結構，由兩片或兩片以上平面鏡組成反射系統。光束在上述反射鏡之間多次反射形成摺疊光路(參見第4703491、6654163號美國專利)。
方案二，採用兩片或兩片以上光學鏡片組成望遠系統的結構。第6256332號美國專利描述了一種望遠系統，其諧振腔由4片光學鏡片構成，光軸在雷射增益介質外部。第6442186號美國專利描述了多種望遠系統採用4片光學鏡片構成光路結構，並且在其中1片光學鏡片中打孔或者局部鍍膜來實現雷射輸出；還描述了三種共焦或近共焦的望遠系統，並採用3片光學鏡片構成光路結構；也有採用4片光學鏡片構成光路結構的。
方案三，採用兩片或兩片以上光學鏡片組成其他結構的單程反射光路。第6654163號美國專利描述了採用2片光學鏡片構成的光路結構，雷射光束在其中單程摺疊反射通過雷射增益介質。第10156081號德國專利描述了採用4片光學鏡片構成的光路結構，雷射光束在其中單程摺疊反射通過雷射增益介質。
此外，還有使用平面與曲面反射鏡結合的多鏡摺疊光路系統，可以認為是上述三種方案中各方案的結合(參見第20040076210號美國專利)。
對於雷射放大器及雷射諧振腔而言，上述方案均有相應的不足之處方案一中，平面反射鏡對裝調、對準誤差以及外界擾動較為敏感，並且每次反射後，光束的反射角和寬度都會擴大一定倍數，不利於進行多次反射及控制輸出光束質量。
方案二中，實現光路摺疊的光學鏡片需要構成望遠系統(又稱為共焦結構)，其調節需要精確保證各光學鏡片的間距、位置、角度等，因此，雷射放大器及雷射諧振腔的裝調精度要求很高，對裝調誤差和外界擾動較為敏感，工作穩定性和可靠性較低。其中，某些光路結構由3片、4片及更多光學鏡片組成，結構複雜，裝調更為困難。
方案三中，實現光路摺疊的光學鏡片也同樣需要構成望遠系統(又稱為共焦結構)，由於結構的限制，雷射僅能在腔內單程摺疊反射，單程通過雷射增益介質，吸收不夠充分，雷射放大器及雷射諧振腔的工作效率較低。同樣，某些光路結構山3片、4片及更多光學鏡片組成，結構複雜，裝調更為困難。
發明內容
本發明的目的在於提出一種具有多次反射摺疊光路結構的雷射放大器及雷射諧振腔。通過這種新型的光路結構，克服現有技術的缺點，能夠普遍適用於雷射放大器及雷射諧振腔或別的光學系統。現有技術的雷射放大器，採用望遠結構或共焦結構，結構複雜，裝調困難，不能形成往返雙程反射，雷射放大不夠充分；現有技術的雷射諧振腔，採用望遠結構或共焦結構，結構複雜，裝調困難，對裝調誤差和外界擾動較為敏感，工作穩定性和可靠性較低，不能形成往返雙程反射，雷射振蕩效率不高。本發明提出的雷射放大器及諧振腔，其中，雷射光束隨反射次數增加擴大或縮小不嚴重；雷射光束在增益介質中往返雙程通過，吸收充分，效率高；光學鏡片數量少，結構簡單，裝調容易，對由裝調過程和使用過程中產生的誤差和幹擾不敏感，雷射放大器及諧振腔工作穩定，可靠性高。
本發明提出的雷射放大器，具有多次反射摺疊光路結構，該光路結構包括兩片曲面反射鏡，以及位於兩片曲面反射鏡之間的雷射增益介質；兩片曲面反射鏡相對傾斜放置，構成非望遠非共焦結構；射入多次反射摺疊光路結構的雷射光束通過兩個曲面反射鏡多次反射，形成摺疊光路，多次經過增益介質。
上述的雷射放大器中，光路結構中兩片曲面反射鏡的放置，使得雷射光束在兩片曲面反射鏡的其中一片上沿其光軸正入射並被反射，沿原光路返回，從而雷射光束在曲面反射鏡上的反射次數增加一倍，在增益介質中往返雙程通過。
上述的雷射放大器中，光路結構中兩片曲面反射鏡的放置，使得雷射光束在兩片曲面反射鏡上沿其光軸斜入射並被反射，雷射光束在增益介質中單程通過。
本發明提出的雷射諧振腔，具有多次反射摺疊光路結構，該光路結構包括兩片曲面反射鏡，位於兩片曲面反射鏡之間的雷射增益介質，以及位於光路結構之外的諧振腔腔鏡；兩片曲面反射鏡相對傾斜放置，構成非望遠非共焦結構；射入多次反射摺疊光路結構的雷射光束通過兩個曲面反射鏡多次反射，形成摺疊光路，多次經過增益介質。
上述的雷射諧振腔中，光路結構中兩片曲面反射鏡的放置，使得雷射光束在兩片曲面反射鏡的其中一片上沿其光軸正入射並被反射，沿原光路返回，從而雷射光束在曲面反射鏡上的反射次數增加一倍，在增益介質中往返雙程通過，摺疊次數增加一倍。
上述的雷射諧振腔中，光路結構中的兩片曲面反射鏡的放置，使得雷射光束在兩片曲面反射鏡上沿其光軸斜入射並被反射，雷射光束在增益介質中單程通過。
上述的雷射諧振腔中，諧振腔腔鏡是凸透鏡或凹透鏡。
上述的雷射諧振腔中，在多次反射摺疊光路結構與諧振腔腔鏡之間，還設置倍頻器件、調Q器件、鎖模器件，構成相應的雷射光路。
本發明與現有技術相比，具有以下優點本發明的雷射放大器及雷射諧振腔中的光路結構採用曲面反射鏡相對傾斜放置，構成非望遠非共焦結構的摺疊光路，結構簡單，使用光學元件少，對於兩個曲面反射鏡地位置、距離和角度，要求不嚴格，裝調容易，對誤差和擾動不敏感，實際操作性強；雷射光束在較小的雷射增益介質的體積內可實現往返雙程多次反射，多次通過增益介質，並且經過多次反射後光束寬度變化不大，更易於實現高功率及高光束質量的輸出；能夠同時適用於雷射放大器及雷射諧振腔。
圖1為本發明提出的雷射諧振腔的第一實施例的示意圖。
圖2為本發明提出的雷射諧振腔的第二實施例的示意圖。
圖3為本發明提出的雷射諧振腔的第三實施例的示意圖。
圖4為本發明提出的雷射諧振腔的第四實施例的示意圖。
圖5為本發明提出的雷射諧振腔的第五實施例的示意圖。
圖6為本發明提出的雷射諧振腔的第六實施例的示意圖。
圖7為本發明提出的雷射諧振腔的第七實施例的示意圖。
圖8為本發明提出的雷射諧振腔的第八實施例的示意圖。
圖9為本發明提出的雷射放大器的第一實施例的示意圖。
圖10為本發明提出的雷射放大器的第二實施例的示意圖。
具體實施例方式
本發明提出的具有多次反射摺疊光路結構的雷射諧振腔如圖1所示，包括反射鏡1、反射鏡1的法線光軸2、腔鏡6、雷射增益介質7、反射鏡8、反射鏡8的法線光軸3，其中，5、10表示雷射光束，4、9、11指示泵浦光泵浦方向。其中，凸面反射鏡8的法線光軸3水平放置，凹面反射鏡1的法線光軸2傾斜放置，構成非望遠非共焦光路結構。在凸面反射鏡8和凹面反射鏡1構成的非望遠非共焦多次摺疊光路結構之外，垂直於光束5放置腔鏡6，構成雷射諧振腔。在腔鏡6與光路結構之間，也可放入其他器件，如倍頻器件、調Q器件、鎖模器件等。
法線光軸2、3相交於凹面反射鏡1的中心，交角為α，假設光軸3為水平方向，且雷射光束5與光軸3成0角，則二者應滿足如下公式所述的關係。設反射鏡1半徑R1，反射鏡8半徑R2，反射鏡1與反射鏡8的中心間距L，光束5與反射鏡8的交點與光軸3距離h，經過N個來回(一個來回定義為首先經過反射鏡8反射，經過傳播L距離到反射鏡1，然後經反射鏡1反射，再次傳播L距離至反射鏡8)。光束5最終正入射到反射鏡8上面，沿方向光軸3傳播並被反射，又反方向沿方向光軸3傳播，最後反方向沿著原光路摺疊傳播，形成往返的兩次摺疊光路。採用矩陣光學傳輸理論，反射鏡l的傳輸矩陣M1、自由空間傳輸L的傳輸矩陣M2、反射鏡8的傳輸矩陣M3分別為M1=10-2/R11,]]>M2=1L01,]]>M3=10-2/R21.]]>共軸時傳播一個來回傳輸矩陣M滿足M＝M3M2M1M2N次反射後在凸面鏡前的光束矩陣滿足h=MNh]]>採用增廣矩陣方法表示反射鏡1傾斜的影響，由於反射鏡1初始失調量為 經過N次反射後，在反射鏡8中心前的高度失調量Δh和角度失調量Δθ為
h=k=1NMk0]]>加入傾斜後，應滿足00=MNh+h]]>經計算，當L＝25mm，R1＝625mm，R2＝516mm，h＝9mm時，調節θ和α可使雷射光束在反射鏡1上反射6次，即雷射光束10方向傳播至雷射光束5方向一共通過增益介質14次，且在增益介質上部較為密集，以板條形固體增益介質為例，泵浦光可以從增益介質上部沿泵浦方向11注入，以達到較高的系統效率。泵浦光也可以從水平泵浦方向4、9注入增益介質。
圖2為本發明提出的具有多次反射摺疊光路結構的雷射諧振腔的第二實施例，包括反射鏡1、反射鏡1的法線光軸2、腔鏡6、雷射增益介質7、反射鏡8、反射鏡8的法線光軸3，其中，5、10表示雷射光束，4、9、11指示泵浦光泵浦方向。其中，凸面反射鏡8的法線光軸3水平放置，凹面反射鏡1的法線光軸2傾斜放置，構成非望遠非共焦光路結構。在凸面反射鏡8和凹面反射鏡1構成的非望遠非共焦多程摺疊光路結構之外，腔鏡6垂直於雷射光束5放置，構成雷射諧振腔。在腔鏡6與光路結構之間，也可放入其他器件，如倍頻器件、調Q器件、鎖模器件等，實現雷射輸出。
其中，h、θ和α應滿足00=MN-1M3h+Mk0]]>同樣，在L＝25mm，R1＝625mm，R2＝516mm，h＝9mm的條件下，調節θ和α可使雷射光束在凹面鏡上反射7次，即雷射光束11方向傳播至雷射光束5方向一共通過增益介質16次，且增益介質上部較為密集，以板條形固體增益介質為例，泵浦光可以從增益介質上部沿泵浦方向11注入，以達到較高的系統效率，另外，泵浦光也可以從水平泵浦方向4、9注入增益介質。
對於上述2個實施例，反射鏡1和反射鏡8的相對位置、雷射光束5的出射方向等的改變，雷射諧振腔的光路結構對應有其他多種組合情況(圖3～圖8)，同樣可以採用所述矩陣光學理論進行類似的分析和計算。圖3～圖8的具體描述，與圖1～圖2類似。其中，凸面反射鏡8與凹面反射鏡1的法線光軸相對傾斜放置，構成非望遠非共焦光路結構。在凸面反射鏡8和凹面反射鏡1構成的非望遠非共焦多程摺疊光路結構之外，腔鏡6垂直於雷射光束5放置，構成雷射諧振腔。在腔鏡6與光路結構之間，也可放入其他器件，如倍頻器件、調Q器件、鎖模器件等，實現雷射輸出。圖3中，凹面反射鏡1的法線光軸傾斜放置，雷射光束5從光路結構的左邊出射，多次反射後的雷射光束正入射至凹面反射鏡1，反射後沿原光路返回；圖4中，凸面反射鏡8的法線光軸傾斜放置，雷射光束5從光路結構的左邊出射，多次反射後雷射光束正入射至凸面反射鏡8，反射後沿原光路返回；圖5中，凹面反射鏡1的法線光軸傾斜放置，雷射光束5從光路結構的右邊出射，多次反射後雷射光束正入射至凹面反射鏡1，反射後沿原光路返回；圖6中，凸面反射鏡8的法線光軸傾斜放置，雷射光束5從光路結構的右邊出射，多次反射後雷射光束正入射至凹面反射鏡1，反射後沿原光路返回；圖7中，凹面反射鏡1的法線光軸傾斜放置，雷射光束5從光路結構的右邊出射，多次反射後雷射光束正入射至凸面反射鏡8，反射後沿原光路返回；圖8中，凸面反射鏡8的法線光軸傾斜放置，雷射光束5從光路結構的右邊出射，多次反射後雷射光束正入射至凸面反射鏡8，反射後沿原光路返回。其他具體細節在此不再贅述。
上述8個實施例中，所描述的雷射諧振腔的多次反射摺疊光路結構同樣適用於雷射放大器，可以構成相對應的雷射放大器。以圖1所示的本發明提出的第一實施例為例，圖9給出該實施例對應的雷射放大器的第一實施例。
圖9中，凸面反射鏡8的法線光軸3水平放置，凹面反射鏡1的法線光軸2傾斜放置，構成非望遠非共焦光路結構。在凸面反射鏡8和凹面反射鏡1構成的非望遠非共焦多程摺疊光路結構之外，待放大的主振蕩器的雷射光束12，通過偏振反射鏡13、λ/2波片15，法拉第旋轉器16，射入多次反射摺疊光路結構的雷射放大器，摺疊光路結構的具體參數同圖1中所示一致，因此由偏振反射鏡反射輸出，如雷射光束14所示，同樣，泵浦光可沿方向4、雷射光束經過放大後沿雷射光束12原路返回，再次經過法拉第旋轉器16，λ/2波片15，9或方向11注入。
與此類似，對於本發明的其他7個實施例，分別對應雷射放大器的實施例，在此不再逐一贅述。
圖10為本發明提出的具有多次反射摺疊光路結構的雷射放大器的第二實施例，包括反射鏡1、反射鏡1的法線光軸2、雷射增益介質7、反射鏡8、反射鏡8的法線光軸3，其中，5、10表示雷射光束，6、9指示泵浦光泵浦方向。其中，凹面反射鏡1的法線光軸2水平放置，凸面反射鏡8的法線光軸3傾斜放置，構成非望遠非共焦光路結構。待放大的主振蕩器的雷射光束5，射入具有多次反射摺疊光路結構的雷射放大器，經過多次反射，雷射光束在雷射增益介質7中單程通過，沿雷射光束10輸出。
權利要求
1.一種雷射放大器，其特徵在於，所述雷射放大器具有多次反射摺疊光路結構，該光路結構包括兩片曲面反射鏡，以及位於兩片曲面反射鏡之間的雷射增益介質；兩片曲面反射鏡相對傾斜放置，構成非望遠非共焦結構；射入所述多次反射摺疊光路結構的雷射光束通過所述兩個曲面反射鏡多次反射，形成摺疊光路，多次經過增益介質，同時滿足以下關係00=MNh+h,]]>M為傳輸一個來回的傳輸矩陣，N為傳輸的來回次數，h為光束5與反射鏡8的交點與光軸3的距離，θ為雷射光束5與光軸3的夾角，Δh為高度失調量和Δθ為角度失調量。
2.如權利要求1所述的雷射放大器，其特徵在於，所述光路結構中兩片曲面反射鏡的放置，使得雷射光束在所述兩片曲面反射鏡的其中一片上沿其光軸正入射並被反射，沿原光路返回，從而雷射光束在曲面反射鏡上的反射次數增加一倍，在增益介質中往返雙程通過。
3.如權利要求1所述的雷射放大器，其特徵在於，所述光路結構中兩片曲面反射鏡的放置，使得雷射光束在所述兩片曲面反射鏡上沿其光軸斜入射並被反射，雷射光束在增益介質中單程通過。
4.一種雷射諧振腔，其特徵在於所述雷射諧振腔具有多次反射摺疊光路結構，該光路結構包括兩片曲面反射鏡，位於兩片曲面反射鏡之間的雷射增益介質，以及位於所述光路結構之外的諧振腔腔鏡；兩片曲面反射鏡相對傾斜放置，構成非望遠非共焦結構；射入所述多次反射摺疊光路結構的雷射光束通過所述兩個曲面反射鏡多次反射，形成摺疊光路，多次經過增益介質，同時滿足00=MN-1M3h+Mk0,]]>M為傳輸一個來回的傳輸矩陣，N為傳輸的來回次數，M3為反射鏡8的傳輸矩陣，h為光束5與反射鏡8的交點與光軸3的距離，θ為雷射光束5與光軸3的夾角，α為法線光軸2與法線光軸3的夾角。
5.如權利要求4所述的雷射諧振腔，其特徵在於，所述光路結構中的兩片曲面反射鏡的放置，使得雷射光束在所述兩片曲面反射鏡的其中一片上沿其光軸正入射並被反射，沿原光路返回，從而雷射光束在曲面反射鏡上的反射次數增加一倍，在增益介質中往返雙程通過，摺疊次數增加一倍。
6.如權利要求4所述的雷射諧振腔，其特徵在於，所述光路結構中的兩片曲面反射鏡的放置，使得雷射光束在所述兩片曲面反射鏡上沿其光軸斜入射並被反射，雷射光束在增益介質中單程通過。
7.如權利要求4所述的雷射諧振腔，其特徵在於，所述諧振腔腔鏡是凸透鏡或凹透鏡。
8.如權利要求4所述的雷射諧振腔，其特徵在於，在所述多次反射摺疊光路結構與諧振腔腔鏡之間，還設置倍頻器件、調Q器件、鎖模器件，構成相應的雷射光路。
全文摘要
本發明屬於雷射放大器及雷射諧振腔技術領域，其特徵在於，包括兩片曲面反射鏡，以及位於兩片曲面反射鏡之間的雷射增益介質，還可加有位於所述光路結構以外的諧振腔腔鏡，該兩片曲面反射鏡相對傾斜放置，構成非望遠非共焦結構，射入所述光路結構的雷射束通過所述兩個曲面反射鏡多次反射形成摺疊光路，多次經過增益介質，所述雷射光束在所述兩片曲面反射鏡的其中一片上沿其光軸正入射並被反射，沿原光路返回，在增益介質中往返雙程通過，也可斜入射並被反射，在增益介質中單程通過。本發明具有元件少，結構簡單，裝調容易，對誤差和擾動不敏感，易於實現高效率及高光束質量的輸出等優點。
文檔編號H01S3/08GK101017954SQ200710001009
公開日2007年8月15日 申請日期2007年1月19日 優先權日2006年8月1日
發明者鞏馬理, 黃磊, 何發紅, 柳強, 閆平, 陸丹, 王 琦 申請人:清華大學