应用于端泵激光放大器的多程放大装置

1.一种应用于端泵激光放大器的多程放大装置，所述端泵激光放大器包括激光工作介质，其靠近泵浦源的一侧镀有反射膜，该反射膜反射需被放大的激光；
该多程放大装置包括：
第一环路结构，用于接收来自反射膜的激光，并将激光反射回反射膜，所述第一环路结构包括两块反射镜；
第二环路结构，用于接收来自第一环路结构经反射膜反射的激光，并将激光反射回反射膜，所述第二环路结构包括两块反射镜；和
反射结构，用于接收来自第二环路结构经反射膜反射的激光，并将该激光按照入射方向的反方向反射回激光工作介质，所述反射结构包括一块反射镜；
其中，所述反射膜的法向量与第一方向之间存在不为零的夹角，所述需被放大的激光的入射方向为第一方向，所述环路结构内的两块反射镜设置成在二者之间反射的激光行进方向为第二方向，该第二方向与所述第一方向垂直；
第i环路结构中的所述两块反射镜与第二方向的夹角γ为：
γ=45°+i×θ
反射结构中的反射镜与第二方向的夹角ρ为：
ρ=2θ×（1+I）
其中，θ表示所述反射膜的法向量与第一方向之间的夹角，i为1或2，I=2。
2.根据权利要求1所述的多程放大装置，其中，
所述第一环路结构内的两块反射镜分别为第一反射镜和第二反射镜，所述第二环路结构内的两块反射镜分别为第三反射镜和第四反射镜，所述反射结构内的反射镜为第五反射镜；
所述第一反射镜用于接收来自反射膜的激光，并将该激光反射到第二反射镜；
所述第二反射镜用于接收来自第一反射镜的激光，并将该激光反射到反射膜；
所述反射膜还用于将激光再次反射到第三反射镜；
所述第三反射镜用于接收来自反射膜的激光，并将该激光反射到第四反射镜；
所述第四反射镜用于接收来自第三反射镜的激光，并将该激光反射到反射膜；
所述反射膜还用于将激光再次反射到第五反射镜；
所述第五反射镜用于接收来自反射膜的激光，并将该激光反射到反射膜。
3.根据权利要求1所述的多程放大装置，其中，夹角θ为4°～8°。

应用于端泵激光放大器的多程放大装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及激光放大器领域，尤其涉及一种应用于端泵激光放大器的多程放大装置。\n背景技术\n[0002] 随着激光技术的发展，人们对激光器输出能量的要求越来越高，同时激光装置逐渐向结构紧凑的方向发展。\n[0003] 传统的端泵放大器结构如图1所示，由于激光工作介质靠近泵浦源的一侧镀有与需被放大的激光波长相同的反射膜，需被放大的激光两次经过工作介质，称激光在激光工作介质内部走“两程”。\n[0004] 其缺点是，没有充分利用泵浦源泵浦激光工作介质释放出的能量，能量利用率低。\n如果要使需被放大的激光输出更高的能量，只有在下级放大器中增加类似结构，这样使激光放大器整体的空间增加，不利于激光放大器向小型化的趋势发展。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的是提供一种应用于端泵激光放大器的多程放大装置，提高泵浦源泵浦激光工作介质释放出的能量的利用率。\n[0006] 根据本发明的一个方面，提供一种应用于端泵激光放大器的多程放大装置，所述端泵激光放大器包括激光工作介质，其靠近泵浦源的一侧镀有反射膜，该反射膜反射所述需被放大的激光；\n[0007] 该多程放大装置包括：\n[0008] 第一环路结构，用于接收来自反射膜的激光，并将激光反射回反射膜；\n[0009] 第二环路结构，用于接收来自第一环路结构经反射膜反射的激光，并将激光反射回反射膜；和\n[0010] 反射结构，用于接收来自第二环路结构经反射膜反射的激光，并将该激光按照入射方向的反方向反射回激光工作介质；\n[0011] 其中，所述反射膜的法向量与第一方向之间存在不为零的夹角；所述需被放大的激光的入射方向为第一方向。\n[0012] 可选的，所述环路结构包括两块反射镜，所述反射结构包括一块反射镜。\n[0013] 可选的，所述第一环路结构内的两块反射镜分别为第一反射镜和第二反射镜，所述第二环路结构内的两块反射镜分别为第三反射镜和第四反射镜，所述反射结构内的反射镜为第五反射镜；\n[0014] 所述第一反射镜用于接收来自反射膜的激光，并将该激光反射到第二反射镜；\n[0015] 所述第二反射镜用于接收来自第一反射镜的激光，并将该激光反射到反射膜；\n[0016] 所述反射膜还用于将激光再次反射到第三反射镜；\n[0017] 所述第三反射镜用于接收来自反射膜的激光，并将该激光反射到第四反射镜；\n[0018] 所述第四反射镜用于接收来自第三反射镜的激光，并将该激光反射到反射膜；\n[0019] 所述反射膜还用于将激光再次反射到第五反射镜；\n[0020] 所述第五反射镜用于接收来自反射膜的激光，并将该激光反射到反射膜。\n[0021] 可选的，所述环路结构内的两块反射镜设置成在二者之间反射的激光行进方向为第二方向，该第二方向与所述第一方向垂直；\n[0022] 第i环路结构中的反射镜与第二方向的夹角γ为：\n[0023] γ＝45°+i×θ\n[0024] 反射结构中的反射镜与第二方向的夹角ρ为：\n[0025] ρ＝2θ×(1+I)\n[0026] 其中，θ表示所述反射膜的法向量与第一方向之间的夹角，I表示环路结构数量。\n[0027] 可选的，所述夹角θ为4°～8°。\n[0028] 与现有技术相比，本发明优点包括：(1)可充分利用泵浦源泵浦激光工作介质释放出的能量，提高能量利用率；(2)本发明结构紧凑，利于激光放大器向小型化的趋势发展；(3)利于本发明装置通过实验验证，激光器输出的能量非常稳定。\n附图说明\n[0029] 图1是现有技术中的端泵放大器结构示意图；\n[0030] 图2是本发明一个实施例中提供的端泵放大器多程放大装置的结构示意图；\n[0031] 图3是本发明另一个实施例中提供的不包括环路结构的端泵放大器多程放大装置的结构示意图；\n[0032] 图4是本发明另一个实施例中提供的包括一个环路结构的端泵放大器多程放大装置的结构示意图；\n[0033] 图5a是图4所示的实施例的一个具体的例子，其中激光工作介质沿垂直方向的倾斜角度为5°；\n[0034] 图5b是图5a的简图；\n[0035] 图6是本发明另一个实施例中提供的包括两个环路结构的端泵放大器多程放大装置的结构示意图；\n[0036] 图7a是图6所示的实施例的一个具体的例子，激光工作介质沿垂直方向的倾斜角度为5°；\n[0037] 图7b是图6所示的实施例的角度分析示意图。\n具体实施方式\n[0038] 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，对本发明进一步详细说明。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。\n[0039] 为了解决现有技术中的技术问题，发明人经过研究发现，可以通过使需要放大的激光多次经过激光工作介质，来达到提高能量利用率的目的。\n[0040] 基于上述分析，根据本发明一个实施例，提供一种多程放大装置。如图2所示，该装置包括：\n[0041] 激光工作介质201，其靠近泵浦源的一侧镀有与需被放大的激光波长相同的反射膜202；\n[0042] 环路结构203，接收来自反射膜202的激光，并将激光反射回激光工作介质201，然后激光经反射膜202后，将不再进入该环路结构203；\n[0043] 反射结构204，接收来自反射膜202的激光，并将激光按照入射方向的反方向反射回激光工作介质201。激光经过反射结构之后，将按照原路返回，并最终按照初始方向的反方向离开装置。\n[0044] 首先，为便于说明，以激光初次入射方向为水平方向，以平面内垂直于该水平方向的方向为垂直方向。\n[0045] 其中，激光工作介质201与入射的需被放大的激光不再如图1所示垂直放置，激光工作介质201沿垂直方向倾斜小角度θ(例如0.1°～25°，优选1°～15°，更优选4°～\n8°)放置，该θ角在图中标记为夹角。\n[0046] 其中，环路结构203可以有一个或多个。前一个环路结构203出射的激光经过反射膜202反射后，进入下一个环路结构203，直到进入反射结构204。\n[0047] 根据本发明另一个实施例，提供一种多程放大装置，其中不包括环路结构。\n[0048] 如图3所示，该多程放大装置包括：\n[0049] 激光工作介质501，其靠近泵浦源的一侧镀有与需被放大的激光波长相同的反射膜502；激光工作介质501与入射的需被放大的激光不再如图1所示垂直放置，激光工作介质501沿垂直方向倾斜小角度放置；和\n[0050] 反射镜503，用于使得入射的需被放大的激光多次经过激光工作介质501，并在放大后沿入射方向的反方向返回。\n[0051] 为方便理解光路，在图3中，以虚线标记的①②表示前半段的光路，后半段的光路沿原路返回。具体过程如下：\n[0052] 1)入射的需被放大的激光进入激光工作介质501，放大第1程；\n[0053] 2)由于激光工作介质501镀有反射膜502，需被放大的激光被反射，放大第2程；\n[0054] 3)由于激光工作介质501沿垂直方向倾斜，被反射的需被放大的激光不再按原路返回，而是入射到反射镜503上(入射光线与反射镜503的法线的夹角为0°)，再经反射镜1反射，再次进入激光工作介质，放大第3程；\n[0055] 4)经激光工作介质的反射膜502反射，放大第4程；最后，放大后的激光沿最初入射方向的反方向返回。\n[0056] 经过上述光路过程，入射的需被放大的激光4次经过激光工作介质，即四程放大。\n[0057] 如果激光工作介质沿垂直方向的倾斜角度为5°，则反射镜与垂直方向的夹角为\n10°。\n[0058] 根据本发明另一个实施例，提供一种多程放大装置，其中包括一个环路结构。\n[0059] 如图4所示，该多程放大装置包括：\n[0060] 激光工作介质，其靠近泵浦源的一侧镀有与需被放大的激光波长相同的反射膜；\n激光工作介质与入射的需被放大的激光不再如图1所示垂直放置，激光工作介质沿垂直方向倾斜小角度(例如，4°～8°，采用较小的角度是因为要考虑泵浦光和激光工作介质的角度)放置；和\n[0061] 在光路中依次放置的反射镜1、反射镜2、反射镜3，用于使得入射的需被放大的激光多次经过激光工作介质，并在放大后沿入射方向的反方向返回。\n[0062] 为方便理解光路，在图4中，以虚线标记的①②③④⑤表示前半段的光路，后半段的光路沿原路返回。具体过程如下：\n[0063] 1)入射的需被放大的激光进入激光工作介质，放大第1程；\n[0064] 2)由于激光工作介质镀有反射膜，需被放大的激光被反射，放大第2程；\n[0065] 3)由于激光工作介质沿垂直方向倾斜，被反射的需被放大的激光不再按原路返回，而是入射到反射镜1上，再经反射镜2反射，再次进入激光工作介质，放大第3程；\n[0066] 4)经激光工作介质反射膜反射，放大第4程；\n[0067] 5)被反射的需被放大的激光入射到反射镜3上，反射回的需被放大的激光入射到激光工作介质上，放大第5程；\n[0068] 6)经激光工作介质反射膜反射，放大第6程；\n[0069] 7)需被放大的激光放大第6程后，入射到反射镜2上，再经反射镜1反射，再次进入激光工作介质，放大第7程；\n[0070] 8)经激光工作介质反射膜反射，放大第8程；最后，放大后的激光沿最初入射方向的反方向返回。\n[0071] 经过上述光路过程，入射的需被放大的激光八次经过激光工作介质，即八程放大。\n其中反射镜1与反射镜2组成环路结构，反射镜3组成反射结构。\n[0072] 图4中所示实施例的一个具体例子如图5a所示(简图如图5b所示)。其中，激光工作介质沿垂直方向的倾斜角度为5°；入射的需被放大的激光口径为8mm；反射镜1的口径为20mm，厚度为5mm，沿垂直方向的倾斜角度是50°；反射镜2的口径为20mm，厚度为\n5mm，沿垂直方向的倾斜角度是50°；反射镜3的口径为15mm，厚度为5mm，沿垂直方向的倾斜角度为20°(图中的距离单位都是mm)。\n[0073] 根据本发明另一个实施例，提供一种多程放大装置，其中包括两个环路结构。\n[0074] 如图6所示，该多程放大装置包括：\n[0075] 激光工作介质，其靠近泵浦源的一侧镀有与需被放大的激光波长相同的反射膜；\n激光工作介质与入射的需被放大的激光不再如图1所示垂直放置，激光工作介质沿垂直方向倾斜小角度(例如，4°～8°)放置；和\n[0076] 第一回路结构，包括反射镜1、反射镜2，接收来自反射膜的激光，并将激光反射回激光工作介质，并且激光经反射膜反射后不再进入该环路结构；\n[0077] 第二回路结构，包括反射镜3、反射镜4，接收来第一回路结构的激光并将激光反射回激光工作介质，并且激光经反射膜反射后不再进入该环路结构；和\n[0078] 反射结构，包括反射镜5，接收来自第二回路结构的激光并将该激光沿原路反射回第二回路结构。\n[0079] 上述第一回路结构、第二回路结构和反射结构配合使需被放大的激光多次经过激光工作介质，并在放大后沿入射方向的反方向返回。\n[0080] 继续参考图6，该多程放大装置的光路描述如下：\n[0081] 1)入射的需被放大的激光进入激光工作介质，放大第1程；\n[0082] 2)由于激光工作介质镀有反射膜，需被放大的激光反射，放大第2程；\n[0083] 3)由于激光工作介质沿垂直方向有倾斜，1)中反射回的需被放大的激光不再按原路返回，1)中反射回的需被放大的激光入射到反射镜1上，再经反射镜2反射，再次进入激光工作介质，放大第3程；\n[0084] 4)激光经激光工作介质反射膜反射，放大第4程；\n[0085] 5)出射的需被放大的激光入射到反射镜3上，再经反射镜4反射，再次进入激光工作介质，放大第5程；\n[0086] 6)激光经激光工作介质反射膜反射，放大第6程。\n[0087] 7)出射的需被放大的激光入射到反射镜5上，经反射镜5反射，再次进入激光工作介质，放大第7程；\n[0088] 8)激光经激光工作介质反射膜反射，放大第8程。\n[0089] 9)需被放大的激光放大第8程后，入射到反射镜4上，经反射镜3反射，再次进入激光工作介质，放大第9程；\n[0090] 10)激光经激光工作介质反射膜反射，放大第10程。\n[0091] 11)出射的需被放大的激光入射到反射镜2上，经反射镜1反射，再次进入激光工作介质，放大第11程；\n[0092] 12)经激光工作介质反射膜反射，放大第12程。最后，按1)中沿入射的需被放大的激光反向返回。\n[0093] 图6中所示实施例的一个具体例子如图7a所示：激光工作介质沿垂直方向的倾斜角度为5°；反射镜1沿垂直方向的倾斜角度是50°；反射镜2沿垂直方向的倾斜角度是\n50°；反射镜3沿垂直方向的倾斜角度是55°；反射镜4沿垂直方向的倾斜角度是55°；\n反射镜5沿垂直方向的倾斜角度为30°。\n[0094] 更详细的分析参考图7b(为了方便显示，避免光路重叠，图7b中的第二环路结构的位置放置在第一环路结构之后)，反射镜1与反射镜2组成反射结构，反射镜1与反射镜\n2以水平线为对称轴，轴对称放置。\n[0095] 激光工作介质(反射膜)沿垂直方向的倾斜角度为5°(角度θ)。水平方向入射的激光(实心箭头)经过反射膜反射后，与水平方向夹角为10°(2θ)。\n[0096] 激光被反射到达第一环路结构的反射镜1后，沿垂直方向被反射到反射镜2，所以反射镜1的入射线和反射线之间的夹角为80°(90°-2θ)，所以反射镜1与垂直方向的夹角为50°( 即45°+θ)。\n[0097] 反射镜2与反射镜1以水平方向为对称轴轴对称放置，反射镜2与垂直方向的夹角也为50°，激光经过反射镜2反射(空心箭头)到反射膜，其与水平方向的夹角为\n10°，与反射膜的法线的夹角为15°(3θ)，经过反射膜反射的激光与水平方向夹角为\n20°(4θ)，到达第二环路结构的反射镜3。\n[0098] 激光被反射到达第二环路结构的反射镜3后，第二环路结构的反射镜3将该入射激光沿着垂直方向反射到反射镜4，所以反射镜3的入射和反射光线夹角为\n70°(90°-4θ)，反射镜3与垂直方向的夹角为55°( 即45°+2θ)。\n[0099] 反射镜4与反射镜3以水平方向为对称轴轴对称放置，反射镜4与垂直方向的夹角也为55°，激光经过反射镜4反射(双空心箭头)到反射膜，其与水平方向的夹角为20°，与反射膜的法线的夹角为25°(5θ)，经过反射膜反射的激光与水平方向夹角为\n30°(6θ)，到达反射结构的反射镜5。\n[0100] 由于反射结构的反射镜5将按照原路将入射激光反射回去，所以，其法线与入射激光的夹角为0°，其与垂直方向的夹角为30°(6θ)。\n[0101] 经过上述分析，当环路结构中包括两个以水平线为对称轴的轴对称设置的反射镜，可以总结出环路结构和反射结构中的反射镜的放置角度：\n[0102] 假设激光工作介质(反射膜)沿垂直方向的倾斜角度为θ，\n[0103] 第i环路结构中的反射镜与垂直方向的夹角γ为：\n[0104] γ＝45°+i×θ\n[0105] 反射结构中的反射镜与垂直方向的夹角ρ为：\n[0106] ρ＝2θ+I×2θ，即ρ＝2θ×(1+I)，\n[0107] 其中，I为装置中环路结构的总数量。\n[0108] 需要注意的是，上述实施例中，在环路结构内，两个反射镜之间的激光沿垂直方向行进不是必须的，这种环路内反射镜的对称结构是为了计算方便、机械方便，利于调光操作。在本发明其他实施例中，两个反射镜之间的激光也可以不沿着垂直方向，环路结构只要能够将接收到的激光反射回反射膜即可。\n[0109] 需要注意的是，上述实施例所示的环路结构由两个反射镜组成，在本发明其他实施例中，也可以由多个反射镜组成，或由其他光学元件组成，只要能够将接收到的激光反射回反射膜即可。\n[0110] 本领域技术人员可以理解，上述实施例中显示的四程、八程、十二程放大光路，以及在光路中激光工作介质沿垂直方向的倾斜角度为5°，都是为了体现本发明的思想的一种具体的实施方式，并不用于限定本发明的范围。多程放大装置中包含的环路结构的数量没有限制。\n[0111] 本发明提出一种应用于端泵激光放大器的多程放大装置，使需被放大激光在激光工作介质内部多次经过(即多走几程)，充分利用泵浦源泵浦激光工作介质释放出的能量，提高能量利用率，利于激光放大器向小型化的趋势发展，同时激光器输出的能量非常稳定。\n[0112] 应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。