一種多光程薄片式雷射振蕩器的製作方法

2023-07-02 23:18:11

專利名稱：一種多光程薄片式雷射振蕩器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學技術領域，具體地涉及了一種多光程薄片式雷射振蕩器。
技術背景
薄片式固體雷射器及光纖雷射器是當前雷射技術的兩個最重大的進展。雷射介質 的熱效應是限制固體雷射器進展的最重要的因素，高的功率(能量)與高的光束質量是一 對互相制約的矛盾參量。當前燈泵浦或半導體雷射器(LD)側面泵浦的棒狀固體雷射器可 以達到千瓦量級的雷射功率，但光束質量卻很差；要獲得較好的光束質量，可採用LD端面 泵浦，但其功率卻不能太大，一般在數十瓦之內，因而既具有高功率(能量)又有高的光束 質量的雷射器一直是很難實現。較為普遍的辦法是採用高質量小型雷射器加上雷射振蕩器 的辦法。雷射振蕩器對於實現高功率雷射具有重要的應用價值，是一種重要的方法。
薄片雷射器的概念及最早設計都是由德國斯圖加特大學(Muttgart University)提出的。雷射增益介質(％:YAG和NchYVO4等晶體)一般為圓盤狀，厚度為 0. 2mm左右。薄片粘貼在熱沉上，冷卻效率極高，其熱梯度為一維分布，熱梯度方向沿光束方 向，因而減小了在橫向截面上的熱透鏡效應、雷射晶體熱畸變、光束熱偏折和雙折射效應等 熱致效應。目前德國通快公司已生產了 SkW的連續(CW)雷射器。
由於增益介質橫向相位畸變小，因而偏振、單頻、鎖模、頻率調諧、超短脈衝、頻率 變換等都可以在薄片式雷射系統的平臺上進行，這些是一般固體雷射器難以實現的。現在 已有商品化的薄片雷射器。德國的ELS公司的Versa Disk雷射器功率可以達到5W_100W，M2 < 1. 1，偏振比達100 LMono Disk雷射器功率達到5W_50W，M2 < 1. 1。Trumpf公司的薄 片雷射器功率已經達到了 lkW-8kW，BPP為8mm .mrad,每片Disk可產生的功率為3kW_4kW。
基於以上原因，發明一種薄片式雷射器結構和多光程雷射振蕩器相結合的多光程 雷射振蕩器的需求已成為本技術領域中亟待解決的技術問題。發明內容
為克服現有技術中的不足，本發明的目的在於提出一種多光程薄片式雷射振蕩 器，該發明解決了傳統雷射器的高功率和高的光束質量互相制約的問題，優化了泵浦光和 雷射的模式匹配，提高了泵浦效率和有效增益，從而提高雷射器輸出功率。
為解決上述技術問題，達到上述技術目的，本發明採用如下技術方案
一種多光程薄片式雷射振蕩器，包括一振蕩光路系統，所述振蕩光路系統包括在 第一光路上依次安置的泵浦光源、光學耦合系統、雙色分束鏡、拋物面反射鏡、雷射增益介 質薄片，其中，所述光路上，在雷射增益介質薄片之後還依次安置有雙直角反射稜鏡組和耦 合輸出腔鏡，所述雙直角反射稜鏡組和耦合輸出腔鏡在所述雙直角反射稜鏡組由第一直角 反射稜鏡和第二個直角反射稜鏡構成，所述直角反射稜鏡包括第一反射面、第二反射面和 上表面，所述第一反射面和所述第二反射面相互垂直，所述第一反射面、所述第二反射面和 所述上表面三個面交於點P ；所述直角反射稜鏡包括第三反射面、第四反射面、第一切割面和第二切割面，所述第三反射面和所述第四反射面相互垂直，所述第一切割面和所述第二 切割面分別與底面成α角度，且關於所述第二直角反射稜鏡的中間軸對稱分布，所述第一 切割面和所述第二切割面交於點0 ；所述第一直角反射稜鏡的點P和所述第二個直角反射 稜鏡的點0相抵合，所述上表面與所述第一切割面重合構成所述雙直角反射稜鏡組。
優選的，所述泵浦光源為半導體雷射器。
優選的，所述泵浦光源為光纖耦合輸出的半導體雷射器。
優選的，所述第一反射面、所述第二反射面、所述第三反射面、所述第四反射面均 經過鍍膜處理。
優選的，所述光學耦合系統為透鏡。
優選的，所述雙色分束鏡呈45°放置。
優選的，所述雷射增益介質薄片的一面設置有熱沉系統。
優選的，所述雙直角反射稜鏡組為角錐稜鏡。
本發明的多光程薄片式雷射振蕩器的工作流程如下
以耦合輸出腔鏡為起點，對雷射在諧振腔的往返振蕩過程進行說明雷射經過 45°放置的雙色分束鏡反射，入射到拋物面反射鏡，所述的拋物面反射鏡、增益介質薄片、 雙直角反射稜鏡的共同作用使雷射多次通過增益介質薄片後，沿原路返回到耦合輸出腔 鏡，形成雷射的閉環振蕩。雷射振蕩的光功率由光在腔內一次閉環傳輸的總增益及總損耗 決定，而總增益由於η次折返變為如&1，其中為一次穿過薄片的小信號增益係數，1為增 益介質薄片厚度，而總損耗仍然主要是耦合輸出的透過損耗和每次穿過薄片的損耗以及鏡 面反射損耗。雷射輸出功率就取決於一次閉環傳輸中總增益(如&1)與總損耗之比。常規 的單程諧振腔結構的總增益為2&1，與之相比，本發明提出的諧振腔結構的總增益是常規 結構的2η倍，而損耗變化很小，所以該諧振腔結構的輸出功率將大大增加。
所述的泵浦腔和雷射振蕩腔中由拋物面反射鏡、增益介質薄片和雙直角反射稜鏡 組組成的結構，使得泵浦光和雷射每次經過雙直角反射稜鏡組的反射時入射面發生旋轉， 從而使得泵浦光和雷射經過拋物面反射鏡聚焦後入射到增益介質薄片時的入射面和反射 面(入射面和反射面共面)發生旋轉。一個往返過程中，泵浦光和雷射在增益介質薄片的 入射面均勻地分布，相鄰兩個入射面之間的夾角全部相同，所以泵浦光和雷射能夠均勻地 多光程通過增益介質薄片，有利於增益介質薄片對泵浦光進行均勻地充分地吸收，提高泵 浦光利用效率，充分地提高反轉粒子數，有利於提高增益介質薄片的利用效率，充分地消耗 反轉粒子數，同時有利於消除熱效應，有利於提高光束質量。
泵浦光路和振蕩光路的區別在於，泵浦光經過幾次或者幾十次增益介質吸收後將 被完全消耗掉，而振蕩光單程經過增益介質次數越多，其增益越高，振蕩功率越高。
雷射諧振腔增益和損耗的計算。假設一次雷射閉環振蕩過程中，振蕩雷射在增益 介質後表面經過2η次反射，即振蕩雷射共如次通過增益介質。設單次通過增益介質的小信 號增益係數為&，1為增益介質薄片厚度，則一次雷射閉環振蕩過程中的總的增益為如&1。 而損耗主要為耦合輸出、增益介質吸收，以及拋物面反射鏡、增益介質薄片和雙直角反射稜 鏡組的多次鏡面反射損耗，其中耦合輸出在損耗中佔主要部分，其餘損耗均遠遠小於耦合 輸出損耗，所以振蕩雷射的多光程即經過增益介質的次數對往返損耗影響不大。
本發明所提出的雷射振蕩器中，其雷射輸出功率P滿足關係4
？實《輸出』錯誤！未找到引用源。V a& J
其中α &為一次閉環傳輸中光的總損耗，包括耦合輸出損耗α 、腔內吸收損耗 及鏡面反射損耗。一般腔內吸收及鏡面反射損耗遠比耦合輸出損耗小。由於多光程，諧振 腔結構的總增益是常規結構的2η倍，因而輸出功率大大增加。
關於本發明提出的多光程雷射振蕩器穩定性分析。將雷射振蕩光路展開，利 用雷射傳輸ABCD矩陣理論，對所述的多光程雷射振蕩器的穩定性進行分析。所述諧振 腔的等效腔是一個平凹腔，經計算表明，實現多光程過程中產生的較長的有效腔長為-Id^Yll-If2Yi，其中Cl1為耦合輸出腔鏡到振蕩雷射第一次入射到增益介質薄片時的光 /=1程；1 < i < η-1時，Ii為單程過程中振蕩雷射第i次從增益介質薄片出射到第i+Ι次入射 到增益介質薄片時的光程；ln為單程過程中振蕩雷射第η次從增益介質薄片出射到入射到 雙直角反射稜鏡組中一個直角反射稜鏡的反射脊(即兩個成直角的反射面的交線)時的光 程；f2為拋物面反射鏡的焦距。將展開後的各光程帶入ABCD，計算因子可以得到，有效η腔長2為+Σ2(—2/一在很大的範圍內，能實現雷射振蕩。因此，多光程諧振腔的有效腔長很長，可以實現大的單模體積，充分利用大面積的增益介質薄片。
與現有技術相比，本發明的多光程薄片式雷射振蕩器具有如下優點
1、提高泵浦效率。設單程有η次被薄片反射，一個往返振蕩過程後穿過增益介質 薄片次數為如次，是常規的諧振腔的增益的2η倍，即增益介質吸收次數增加2η倍，使得增 益介質能夠充分地吸收泵浦光，提高泵浦光利用效率。同時彌補了增益介質薄片厚度小、對 泵浦光單次吸收效率低的缺點。
2、採用泵浦光路和雷射光路重合後，決定功率的一個往返振蕩的增益係數與振蕩 雷射單次通過增益介質相比較增加了如倍。
3、由於泵浦光和雷射光束在增益介質中的入射主平面不斷旋轉，使泵浦光和雷射 在增益介質薄片中均勻分布，克服了由於熱效應引起的不均勻或雙折射效應的影響，有利 於提高光束質量。
4、所述諧振腔的等效腔是一個平凹腔，計算表明有效腔長為2為+$2/, -2/2 可/=1以很長，可以實現大的單模體積，充分利用大面積的增益介質薄片。
5、所述諧振腔等效為一種稜鏡反射腔，因而可以抗腔失調(由於溫度梯度不均勻 或機械原因引起的光纖偏離光軸)。
6、由於泵浦光與雷射振蕩腔為同一個腔，泵浦光與振蕩光達到最佳匹配，大大提 高泵浦光到雷射的轉換效率，提高輸出的雷射光束質量。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。
圖1是本發明的泵浦腔和雷射振蕩腔的結構示意圖。
圖加是本發明的第一直角反射稜鏡701的結構示意圖。
圖2b是本發明的第二直角反射稜鏡702的結構示意圖。
圖3a是本發明的雙直角反射稜鏡組的安裝過程第一步的正視圖。
圖北是本發明的雙直角反射稜鏡組的安裝過程第二步的正視圖。
圖3c是本發明的雙直角反射稜鏡組的安裝過程第三步的正視圖。
圖4是本發明的n = 3，α = 30°時雙直角反射稜鏡組立體效果圖。
圖5是本發明的η = 3，α = 30°時泵浦腔和雷射振蕩結構的立體示意圖的立體 結構示意圖。
圖6是本發明的n = 3，α = 30°時拋物面反射鏡橫截面上的光點分布圖。
圖7是基於圖1的η = 3，α = 30°時泵浦腔的泵浦光光路展開示意圖。
圖8是基於圖1的η = 3，α = 30°時雷射振蕩腔的雷射光路展開示意圖。
圖9a是本發明的振蕩器的η = 1時拋物面反射鏡的橫截面上的光點分布圖。
圖9b是本發明的振蕩器的η = 2時拋物面反射鏡的橫截面上的光點分布圖。
圖9c本發明的振蕩器的η = 4時拋物面反射鏡的橫截面上的光點分布圖。
圖9d本發明的振蕩器的η = 5時拋物面反射鏡的橫截面上的光點分布圖。
圖9e本發明的振蕩器的η = 6時拋物面反射鏡的橫截面上的光點分布圖。
圖9f本發明的振蕩器的η = 6時拋物面反射鏡的橫截面上的光點分布圖。
圖9g本發明的振蕩器的η = 6時拋物面反射鏡的橫截面上的光點分布圖。
圖中標號說明101泵浦光源，102光學耦合系統，103雙色分束鏡，104拋物面反射 鏡，105雷射增益介質薄片，106雷射增益介質薄片的熱沉或冷卻系統，107雙直角反射稜鏡 組，108耦合輸入腔鏡，，701第一直角反射稜鏡，702第二個直角反射稜鏡，Sl第一反射面、 S2第二反射面，S3上表面，S4第一切割面，S5第二切割面，S6第三反射面、S7第四反射面。
a箭頭表示雷射的輸入，b箭頭表示雷射的輸出。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的介紹。
如圖1所示，本發明提出的泵浦腔和雷射振蕩腔合二為一的系統主要包括泵浦光 源101，泵浦光源的光學耦合系統102，45°放置的雙色分束鏡103，拋物面反射鏡104，雷射 增益介質薄片105，雷射增益介質薄片的熱沉或冷卻系統106，雙直角反射稜鏡組107，雷射 振蕩腔的耦合輸出腔鏡108。所述系統中可以加入偏振片、調Q器件、非線性晶體等其它光 學器件。
如圖1所示，所述的雷射振蕩腔是由耦合輸出腔鏡108，45°放置的雙色分束鏡 103，拋物面反射鏡104，增益介質薄片105，雙直角反射稜鏡組107組成。以耦合輸出腔鏡 108為雷射振蕩起點，結合圖1，對雷射在諧振腔的往返振蕩過程進行說明雷射經過45° 放置的雙色分束鏡103反射，入射到拋物面反射鏡104，所述的拋物面反射鏡104、增益介質 薄片105、雙直角反射稜鏡組107的共同作用使雷射多次通過增益介質薄片105後，沿原路 返回到耦合輸出腔鏡108，形成雷射的閉環振蕩。所述的雷射諧振腔的兩個腔鏡分別為耦合 輸出腔鏡108和雙直角反射稜鏡組107。所述的雙直角反射稜鏡107中起到諧振腔腔鏡作 用的點或者區域，可以通過一些措施，例如將該區域挖空，讓雷射通過，然後在外部加一個 常規的腔鏡，這種方式適合於某些應用場合，但其將光程數減少了一半。6
如圖1所示，所述的泵浦系統是由泵浦光源101，光學耦合系統102，45°放置的雙 色分束鏡103，拋物面反射鏡104，增益介質薄片105和雙直角反射稜鏡組107組成。泵浦 光經45°放置的雙色分束鏡103進入上面所述的諧振腔內，入射到拋物面反射鏡104，所述 的拋物面反射鏡104、增益介質薄片105、雙直角反射稜鏡組107的共同作用使泵浦光多次 通過增益介質薄片105而被增益介質充分吸收，沿原光路返回的泵浦光相對於初始泵浦光 是小量。
如圖2所示，所述的雙直角反射稜鏡組107由直角反射稜鏡701和基於直角反射 稜鏡701切割後的直角反射稜鏡702組成。
如圖2(a)所示，圖1中所示的雙直角反射稜鏡組107中一個直角反射稜鏡701，其 Sl和S2是兩個相互垂直的反射面，S3是直角反射稜鏡701的上表面。其中，Sl和S2兩個 面進行鍍膜處理，以儘量降低泵浦光和雷射在直角反射稜鏡701上反射時的損耗。
如圖2(b)所示，圖1中所示的雙直角反射稜鏡組107中第二個直角反射稜鏡702， 以及基於圖2(a)所示的直角反射稜鏡701得到該直角反射稜鏡702的切割示意圖。S4和 S5是直角稜鏡702的切割面，分別與底面成α角度，而且關於直角稜鏡的中間軸對稱分布。 所述切割角度是泵浦光路和振蕩雷射實現多光程的關鍵因素，決定了多光程的次數。所述 切割角度α與單程振蕩過程中雷射在增益介質薄片上的反射次數η的關係為η α =90°。 S6和S7是直角稜鏡702的兩個相互垂直的反射面，S6和S7需要進行鍍膜處理，以儘量降 低泵浦光和雷射在直角反射稜鏡702上反射時的損耗。
如圖3所示，利用圖2(a)和圖2(b)所示的兩個直角反射稜鏡組成雙直角反射稜 鏡組的安裝過程。第一步，直角反射稜鏡701的點P和直角反射稜鏡702的點0重合，同時 保證直角反射稜鏡701的兩個反射面分別與直角反射稜鏡702的兩個反射面共面，即Sl與 S6共面，S2與S67共面；然後繞接觸點(點P和點0)轉α角度，使直角反射稜鏡701的上 表面S3與直角反射稜鏡702的切割面S4重合，且使S3的一邊與S4的一邊重合。形成的 立體示意圖如圖4所示。
如圖4所示，η = 3，α =30°時雙直角反射稜鏡組立體效果圖。直角反射稜鏡 701與直角反射稜鏡702組成了圖1中的雙直角反射稜鏡組107。其中Si，S2，S6，S7四個 面是雙直角反射稜鏡組107中關鍵的部分，起到將光的入射面不斷地旋轉的作用。
如圖5所示，η = 3, α = 30°時諧振腔結構關鍵部分的立體示意圖。泵浦腔和激 光振蕩腔在圖5所示的部分相同。圖中箭頭表示泵浦光或者雷射的傳輸方向，便於對本發 明進行詳述。雷射增益介質薄片105的中心和雙直角反射稜鏡組107的中心均位於拋物面 反射鏡104的軸線上。雷射增益介質薄片105還位於拋物面反射鏡104的焦點上。而且， 考慮了雷射增益介質薄片105表面的折射效應後，拋物面反射鏡104的焦點準確地位於激 光增益介質薄片105的後表面的中心，以便於平行於拋物球面鏡104的光軸入射到拋物球 面鏡104上時能夠準確地聚焦在雷射增益介質薄片105的後表面的中心，並發生鏡面反射。
如圖5所示，由於雷射和泵浦光光路相同，所以以雷射在圖5所示的結構中傳輸為 例。由於拋物面反射鏡104、增益介質薄片105和雙直角反射稜鏡組107(由直角反射稜鏡 701和直角反射稜鏡702組成)組成的結構，使得雷射每次經過雙直角反射稜鏡組107的反 射時雷射的入射主平面發生旋轉，從而使得雷射經過拋物面反射鏡104聚焦後入射到增益 介質薄片105時的入射面和反射面(入射面和反射面共面)發生旋轉。如圖5所示，η = 3，α =30°時的實施例中，雷射經過直角反射稜鏡701反射兩次，在直角反射稜鏡702反射 兩次，因此雷射在雙直角反射稜鏡組107上共產生兩次入射面旋轉。如圖5所示，雷射共在 增益介質薄片105上反射3次，每一次的反射面之間夾角為60°，所以雷射能夠均勻地多光 程通過增益介質薄片，有利於提高增益介質薄片105的利用效率，充分地消耗反轉粒子數， 同時有利於消除熱效應，有利於提高光束質量。
同理，對於泵浦光，由於拋物面反射鏡104、增益介質薄片105和雙直角反射稜鏡 組107 (由直角反射稜鏡701和直角反射稜鏡702組成)組成的結構，使得泵浦光每次通過 增益介質薄片105時入射面發生旋轉。在如圖5所示，η = 3，α =30°時的實施例中，泵 浦光共在增益介質薄片105上反射3次，每一次的反射面之間夾角為60°，所以泵浦光能夠 均勻地多光程通過增益介質薄片，有利於增益介質薄片105對泵浦光進行均勻地充分地吸 收，提高泵浦光利用效率，充分地提高反轉粒子數。
而本發明提出的如圖5所示的結構的一個關鍵的優點是，泵浦光路和雷射光路在 圖5所示的結構中完全重合，結合泵浦光和雷射在圖5所示的結構中的入射面反轉的優勢， 使得泵浦光和雷射的模式匹配更有優化，更加有利於提高光光轉換效率，提高光束質量。
如圖6所示，η = 3, α = 30°時拋物面反射鏡104的橫截面上的光點分布圖。
如圖7所示η = 3，α = 30°時泵浦光光路展開圖。
如圖8所示，η = 3，α = 30°時雷射振蕩光路展開圖。
下面結合圖5，6，7，8對η = 3，α = 30°時的本實施例進行詳述。
泵浦光光路實施過程。如圖5，6，7所示，泵浦光沿箭頭所示方向(如圖5所示)入 射，首先平行於拋物面反射鏡104的光軸入射到拋物面反射鏡104的點1上，經拋物面反射 鏡104聚焦到雷射增益介質薄片105，並進入雷射增益介質薄片105，泵浦光被雷射增益介 質薄片105吸收，用於產生增益介質中的粒子數反轉。泵浦光在雷射增益介質薄片105後 表面發生鏡面反射，再次通過雷射增益介質薄片105，雷射增益介質薄片105對泵浦光再次 進行吸收用於粒子數反轉。泵浦光經由雷射增益介質薄片105出射後，斜入射到拋物面反 射鏡104的點2上，經拋物面反射鏡104反射後，平行於拋物面反射鏡104的光軸入射到直 角反射稜鏡701的Sl面，經Sl面反射到直角反射稜鏡701的S2面，再平行入射到拋物面 反射鏡104的點3上。經拋物面反射鏡104反射，聚焦到雷射增益介質薄片105上，經過激 光增益介質薄片105吸收、後表面鏡面反射和雷射增益介質薄片105再吸收，斜入射到拋物 面反射鏡104的點4上。經拋物面反射鏡104反射後，平行於拋物面反射鏡104的光軸入 射到直角反射稜鏡702的S6面，經S6面反射到直角反射稜鏡702的S7面，再平行入射到 拋物面反射鏡104的點5上。經拋物面反射鏡104反射，聚焦到雷射增益介質薄片105上， 經過雷射增益介質薄片105吸收、後表面鏡面反射和雷射增益介質薄片105再吸收，斜入射 到拋物面反射鏡104的點6上。經拋物面反射鏡104反射後，平行於拋物面反射鏡104的 光軸入射到直角反射稜鏡701的脊上，即Sl面與S2面的交線，此時為泵浦腔的單程過程。 如圖7所示，經直角反射稜鏡701的脊反射後，泵浦光原路返回，依次通過拋物面反射鏡104 的點6、增益介質薄片105、拋物面反射鏡104的點5、增益介質薄片105、拋物面反射鏡104 的點4，增益介質薄片105、拋物面反射鏡104的點3、增益介質薄片105、拋物面反射鏡104 的點2，增益介質薄片105、拋物面反射鏡104的點1後，形成完整的泵浦光傳輸過程。其中 泵浦光準確地入射到直角反射稜鏡701的脊，反射後原路返回，這需要通過調整泵浦光的入射位置來實現。
根據上述對泵浦光光路實施過程，該實施例中，即η = 3, α = 30°時，一次單程激 光傳輸過程，泵浦光經雷射增益介質薄片105反射3次，共6次通過雷射增益介質薄片105， 即雷射增益介質薄片105共吸收泵浦光6次，即2η次(本實施例中η =幻；一次往返過程， 泵浦光共12次通過雷射增益介質薄片105，即雷射增益介質薄片105共吸收泵浦光12次， 即如次(本實施例中η =幻。因此，泵浦光在泵浦腔的傳輸過程，使得相對於常規諧振腔， 雷射增益介質薄片105對泵浦光的吸收次數提高2η倍，等效於增加了增益介質薄片105的 有效吸收厚度，增益介質薄片105能夠充分地吸收泵浦光，提高泵浦光利用效率，彌補了增 益介質薄片厚度小、對泵浦光單次吸收效率低的缺點。多光程中泵浦光多次經過拋物面反 射鏡104、增益介質薄片105和雙直角反射稜鏡組107的反射引入一定的損耗，但這些損耗 遠遠小於增益增加，且泵浦光多次通過增益介質薄片105大大增大了泵浦光的吸收和利用 效率，完全可以忽略上述損耗。
雷射諧振過程分析。如圖5，6，8所示，以耦合輸出腔鏡108為雷射在腔內振蕩起 點，雷射經沿箭頭所示方向(如圖5所示)入射，首先平行於拋物面反射鏡104的光軸入 射到拋物面反射鏡104的點1上，經拋物面反射鏡104聚焦到雷射增益介質薄片105，並進 入雷射增益介質薄片105，振蕩雷射消耗雷射增益介質薄片105的反轉粒子數，獲得單次增 益。振蕩雷射在雷射增益介質薄片105後表面發生鏡面反射，再次通過雷射增益介質薄片 105，振蕩雷射再次消耗雷射增益介質薄片105的反轉粒子數，再次獲得增益。振蕩雷射經 由雷射增益介質薄片105出射後，斜入射到拋物面反射鏡104的點2上，經拋物面反射鏡 104反射後，平行於拋物面反射鏡104的光軸入射到直角反射稜鏡701的Sl面，經Sl面反 射到直角反射稜鏡701的S2面，再平行入射到拋物面反射鏡104的點3上。經拋物面反射 鏡104反射，聚焦到雷射增益介質薄片105上，經過消耗雷射增益介質薄片105的反轉粒子 數獲得增益、後表面鏡面反射和再次消耗雷射增益介質薄片105的反轉粒子數再次獲得增 益，斜入射到拋物面反射鏡104的點4上。經拋物面反射鏡104反射後，平行於拋物面反射 鏡104的光軸入射到直角反射稜鏡702的S6面，經S6面反射到直角反射稜鏡702的S7面， 再平行入射到拋物面反射鏡104的點5上。經拋物面反射鏡104反射，聚焦到雷射增益介 質薄片105上，經過消耗雷射增益介質薄片105的反轉粒子數獲得增益、後表面鏡面反射和 再次消耗雷射增益介質薄片105的反轉粒子數再次獲得增益，斜入射到拋物面反射鏡104 的點6上。經拋物面反射鏡104反射後，平行於拋物面反射鏡104的光軸入射到直角反射 稜鏡701的脊上，即Sl面與S2面的交線，此時為諧振腔的一次單程雷射振蕩過程。如圖7 所示，經直角反射稜鏡701的脊反射後，振蕩雷射沿原路返回，依次通過拋物面反射鏡104 的點6、增益介質薄片105、拋物面反射鏡104的點5、增益介質薄片105、拋物面反射鏡104 的點4，增益介質薄片105、拋物面反射鏡104的點3、增益介質薄片105、拋物面反射鏡104 的點2，增益介質薄片105、拋物面反射鏡104的點1後，形成一次往返過程。其中，振蕩激 光準確地入射到直角反射稜鏡701的脊，反射後沿原路返回，這是雷射振蕩實現自再現自 動選擇的結果。
結合上述對雷射諧振過程的詳細分析，該實施例中，即η = 3，α = 30°時，一次 單程振蕩過程，振蕩雷射經雷射增益介質薄片105反射3次，共6次通過雷射增益介質薄片 105，即振蕩雷射共獲得6次增益，即2η次(本實施例中η = 3)；—次雷射振蕩往返過程，9振蕩雷射共12次通過雷射增益介質薄片105，即振蕩雷射共獲得12次增益，即如次(本 實施例中η =幻。因此，一次雷射閉環振蕩過程中，振蕩雷射在增益介質後表面經過2η次 反射，即振蕩雷射共如次通過增益介質，則一次雷射閉環振蕩過程中的總的小信號增益為 4ng0lo決定功率的一個往返振蕩的增益是振蕩雷射單次通過增益介質的如倍。而損耗主 要為輸出腔鏡108的耦合輸出、增益介質105的吸收損耗，以及拋物面反射鏡104、增益介質 薄片105和雙直角反射稜鏡組107的反射損耗，其中輸出腔鏡108的耦合輸出在損耗中佔 主要部分，而其中耦合輸出損耗是主要部分，其餘損耗均為遠遠耦合輸出損耗，所以振蕩激 光的多光程即經過增益介質薄片105的次數對往返損耗影響不大。根據上述公式(1. 1)可 得，本發明提出的泵浦腔和雷射諧振腔合二為一的結構，能夠有效提高一次往返過程的增 益，而損耗保持不變，則雷射輸出功率大大增加。
根據上述泵浦光傳輸過程和雷射閉環振蕩過程，並結合圖4，5，6，對於拋物面反射 鏡上光線的入射點1，2，3，4，5，6進行說明。1與2關於增益介質薄片105對稱分布；2與3 關於直角反射稜鏡701的脊(即Sl與S2面的交線)對稱分布；3與4關於增益介質薄片 105對稱分布；4與5關於直角反射稜鏡702的脊(即S6與S7面的交線)對稱分布；5與 6關於增益介質薄片105對稱分布。
圖9a至圖9g展示了 η = 1，2，4，5，6，7，8的拋物面鏡的橫截面上的光點分布圖。 結合上述對η = 3，α =30°時的實施例詳述過程和圖2_8，可分析出各實施例中的泵浦光 傳輸過程和雷射諧振腔振蕩過程。所述的η與切割角度α存在關係η α =90°。下面簡 要分析如下
如圖9a所示，η = 1時，直角反射稜鏡702的切割角度α =90°，即雙直角反射 稜鏡組107僅採用一塊直角反射稜鏡701。本實施例中，一次往返過程中，泵浦光在雷射增 益介質薄片105後表面發生鏡面反射2次，共4次通過雷射增益介質薄片105，即雷射增益 介質薄片105共吸收泵浦光4次，即如次(本實施例中η = 1)；—次雷射閉環振蕩過程中， 振蕩雷射在雷射增益介質薄片105後表面經過2次反射，即振蕩雷射共4次通過雷射增益 介質薄片105，獲得4次增益，即如次(本實施例中η= 1)，則一次雷射閉環振蕩過程中的 總的小信號增益為4&1。
如圖9b所示，η = 2時，直角反射稜鏡702的切割角度α = 45°。本實施例中， 一次往返過程中，泵浦光在雷射增益介質薄片105後表面發生鏡面反射4次，共8次通過激 光增益介質薄片105，即雷射增益介質薄片105共吸收泵浦光8次，即如次(本實施例中η =2)；一次雷射閉環振蕩過程中，振蕩雷射在雷射增益介質薄片105後表面經過4次反射， 即振蕩雷射共8次通過雷射增益介質薄片105，獲得8次增益，，即如次(本實施例中η = 2)，則一次雷射閉環振蕩過程中的總的小信號增益為8&1。
如圖9c所示，η = 4時，直角反射稜鏡702的切割角度α = 22.5°。本實施例 中，一次往返過程中，泵浦光在雷射增益介質薄片105後表面發生鏡面反射8次，共16次通 過雷射增益介質薄片105，即雷射增益介質薄片105共吸收泵浦光16次，即如次(本實施 例中n = 4)；一次雷射閉環振蕩過程中，振蕩雷射在雷射增益介質薄片105後表面經過8次 反射，即振蕩雷射共16次通過雷射增益介質薄片105，獲得16次增益，，即如次(本實施例 中η = 4)，則一次雷射閉環振蕩過程中的總的小信號增益為16&1。
如圖9d所示，η = 5時，直角反射稜鏡702的切割角度α = 18°。本實施例中，一次往返過程中，泵浦光在雷射增益介質薄片105後表面發生鏡面反射10次，共20次通過 雷射增益介質薄片105，即雷射增益介質薄片105共吸收泵浦光20次，即如次(本實施例 中η =幻；一次雷射閉環振蕩過程中，振蕩雷射在雷射增益介質薄片105後表面經過10次 反射，即振蕩雷射共20次通過雷射增益介質薄片105，獲得20次增益，，即如次(本實施例 中η = 5)，則一次雷射閉環振蕩過程中的總的小信號增益為20&1。
如圖9e所示，η = 6時，直角反射稜鏡702的切割角度α = 15°。本實施例中， 一次往返過程中，泵浦光在雷射增益介質薄片105後表面發生鏡面反射12次，共M次通過 雷射增益介質薄片105，即雷射增益介質薄片105共吸收泵浦光M次，即如次(本實施例 中η = 6)；—次雷射閉環振蕩過程中，振蕩雷射在雷射增益介質薄片105後表面經過12次 反射，即振蕩雷射共M次通過雷射增益介質薄片105，獲得M次增益，即如次(本實施例 中η = 6)，則一次雷射閉環振蕩過程中的總的小信號增益為Μ&1。
如圖9f所示，η = 7時，直角反射稜鏡702的切割角度α = 12. 85°。本實施例 中，一次往返過程中，泵浦光在雷射增益介質薄片105後表面發生鏡面反射14次，共觀次 通過雷射增益介質薄片105，即雷射增益介質薄片105共吸收泵浦光28次，即如次(本實 施例中η = 7)；—次雷射閉環振蕩過程中，振蕩雷射在雷射增益介質薄片105後表面經過 14次反射，即振蕩雷射共觀次通過雷射增益介質薄片105，獲得觀次增益，，即如次(本 實施例中η = 7)，則一次雷射閉環振蕩過程中的總的小信號增益為觀&1。
如圖9g所示，η = 8時，直角反射稜鏡702的切割角度α = 11. 25°。本實施例 中，一次往返過程中，泵浦光在雷射增益介質薄片105後表面發生鏡面反射16次，共32次 通過雷射增益介質薄片105，即雷射增益介質薄片105共吸收泵浦光32次，即如次(本實 施例中η = 8)；—次雷射閉環振蕩過程中，振蕩雷射在雷射增益介質薄片105後表面經過 16次反射，即振蕩雷射共32次通過雷射增益介質薄片105，獲得32次增益，，即如次(本 實施例中η = 8)，則一次雷射閉環振蕩過程中的總的小信號增益為32&1。
其它相關實施例，包括所述的雙直角反射稜鏡組採用其它能夠實現相同功能作用 的光學器件或者組合代替；所述的諧振腔中加入其它光學元件例如非線性光學晶體、調Q 晶體等；所述的泵浦系統中的泵浦光源、光學耦合系統、45°放置的雙色分束鏡可採用其它 等效功能的器件和結構，均可採用上述說明進行相應分析。1權利要求
1.一種多光程薄片式雷射振蕩器，包括在一光路上依次安置的泵浦光源(101)、光學 耦合系統(102)、雙色分束鏡(103)、拋物面反射鏡(104)、雷射增益介質薄片(105)，其特徵 在於雷射增益介質薄片的泵浦光路和產生的雷射振蕩光路為同一光路。所述光路上，在雷射增益介質薄片(10 之後還依次安置有雙直角反射稜鏡組(107) 和耦合輸出腔鏡(108)，所述雙直角反射稜鏡組(107)由第一直角反射稜鏡(701)和第二 個直角反射稜鏡(702)構成，所述直角反射稜鏡(701)包括第一反射面(Si)、第二反射面 (S2)和上表面(S3)，所述第一反射面(Si)和所述第二反射面(S2)相互垂直，所述第一反 射面(Si)、所述第二反射面(S2)和所述上表面(S3)三個面交於點P;所述直角反射稜鏡 (702)包括第三反射面(S6)、第四反射面(S7)、第一切割面(S4)和第二切割面(S5)，所述 第三反射面(S6)和所述第四反射面(S7)相互垂直，所述第一切割面(S4)和所述第二切割 面(SO分別與底面成α角度，且關於所述第二直角反射稜鏡(70 的中間軸對稱分布，所 述第一切割面(S4)和所述第二切割面(S5)交於點0;所述第一直角反射稜鏡(701)的點P 和所述第二個直角反射稜鏡(702)的點0相抵合，所述上表面(S3)與所述第一切割面(S4) 重合構成所述雙直角反射稜鏡組(107)。
2.根據權利要求1所述的多光程薄片式雷射振蕩器，其特徵在於，所述泵浦光源(101) 為半導體雷射器。
3.根據權利要求1所述的多光程薄片式雷射振蕩器，其特徵在於，所述泵浦光源(101) 為光纖耦合輸出的半導體雷射器。
4.根據權利要求1所述的多光程薄片式雷射振蕩器，其特徵在於，所述第一反射面 (Si)、所述第二反射面(S2)、所述第三反射面(S6)、所述第四反射面(S7)均經過鍍膜處理。
5.根據權利要求1所述的多光程薄片式雷射振蕩器，其特徵在於，所述光學耦合系統(102)為透鏡。
6.根據權利要求1所述的多光程薄片式雷射振蕩器，其特徵在於，所述雙色分束鏡(103)呈45°放置。
7.根據權利要求1所述的多光程薄片式雷射放大器，其特徵在於，所述雷射增益介質 薄片(105)的一面設置有熱沉系統(106)。
8.根據權利要求1所述的多光程薄片式雷射振蕩器，其特徵在於，所述雙直角反射稜 鏡組(107)為角錐稜鏡。
全文摘要
本發明公開了一種多光程薄片式雷射振蕩器，包括在一光路上依次安置的泵浦光源、光學耦合系統、雙色分束鏡、拋物面反射鏡、雷射增益介質薄片、其中，所述光路上，在雷射增益介質薄片之後還依次安置有雙直角反射稜鏡組和耦合輸出腔鏡，所述雙直角反射稜鏡組由第一直角反射稜鏡和第二個直角反射稜鏡構成。本發明的多光程雷射振蕩器結構將泵浦腔與雷射諧振腔合二為一，即泵浦光路和雷射振蕩光路合二為一，使泵浦光多次通過增益介質，提高了泵浦效率；又由于振蕩雷射多次通過增益介質薄片，使諧振腔中光束一次往返過程中的增益提高數倍甚至數十倍，從而提高了雷射器輸出功率。適合應用於科研和工業加工的雷射器中。
文檔編號H01S3/0941GK102044831SQ20101054443
公開日2011年5月4日 申請日期2010年11月16日 優先權日2010年11月16日
發明者孫明營, 朱健強, 王勇, 王憲濤, 王斌, 王裕民 申請人:蘇州大恆光學精密機械有限公司