專利名稱：一種全反射式板條激光放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光放大器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種全反射式板條激光放大器。
背景技術(shù)：
激光器是利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質(zhì)中放大或振蕩發(fā)射的器件。用光、電及其它辦法對激光工作物質(zhì)進行激勵，使得其中一部分粒子激發(fā)到能級較高的狀態(tài)，當這種狀態(tài)的粒子數(shù)大于能級較低狀態(tài)的粒子數(shù)時，由于受激輻射，物質(zhì)就能對某一波長的光輻射產(chǎn)生放大作用，也就是這種波長的光輻射通過激光工作物質(zhì)時，激光工作物質(zhì)會發(fā)射強度放大并與入射光相位、頻率和偏振方向一致的光福射，這就是激光放大器的工作原理。 若把激發(fā)的物質(zhì)放置于共振腔內(nèi)，光輻射在共振腔內(nèi)沿軸線方向往復反射傳播，多次通過激光工作物質(zhì)，光輻射被放大許多倍，形成一束強度大的、方向集中的光束-“激光”，這就是激光振蕩器的工作原理。激光振蕩器主要由以下部分構(gòu)成I、激光工作物質(zhì)。它是指用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系，有時也稱為激光增益媒質(zhì)，它們可以是固體(晶體、玻璃)、氣體(原子氣體、離子氣體、分子氣體)、半導體和液體等媒質(zhì)。2.激勵抽運系統(tǒng)。它是指為使激光工作物質(zhì)實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而提供能量來源的機構(gòu)或裝置。3.光學共振腔。它通常是由具有一定幾何形狀和光學反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成。在很多應用場合下，單純靠一臺激光振蕩器所提供的輸出激光能量或功率水平往往還是不夠高的；為此，可采用一級或多級激光放大器系統(tǒng)對激光信號進一步加以放大。激光放大器的結(jié)構(gòu)與激光振蕩器基本相似，只不過前者不需要激光共振腔系統(tǒng)。它通常是采取使輸入激光輻射單次通過放大器內(nèi)增益媒質(zhì)的方式獲得單次行波放大。在某些特殊情況下，輸入激光輻射亦可采取多次偏折通過放大器內(nèi)增益媒質(zhì)的方式使得激光在增益媒介內(nèi)的光程大大增加，從而獲得多道行波放大；此時，要求在放大器系統(tǒng)內(nèi)配備特殊的光路多次折疊反射裝置，它通常可由兩塊互成一定夾角的反射鏡或特殊設(shè)計的反射棱鏡所組成。如圖I所示，是一種緊縮折疊結(jié)構(gòu)放大器。它也是通過激光在板條增益媒介中的反射原理來增加激光在板條增益媒介中的光程而放大激光功率(能量)的。但是，激光只能在板條的兩個平面內(nèi)來回反射，所以增加的光程有限。如果想增加激光在有限大小的板條中的光程，只能使激光在板條中反射時的入射角或反射角減小，從而使單位長度的板條里的激光光程增加。但是，如果想用激光在板條內(nèi)的全反射原理進行反射，那么激光在板條內(nèi)反射時的入射角或反射角就必須大于或等于全反射臨界角，所以用激光在激光板條內(nèi)的全反射原理進行反射時，單位長度板條內(nèi)的激光光程也是很有限的。如果不是靠激光在板條內(nèi)的全反射進行反射，就只能通過在板條的反射面鍍上相應波長的全反射膜進行反射。但是，即使是全反射膜，也只有在相應的波長垂直入射到全反射膜時，才能使相應波長的反射率取最大值，而且一般情況下往往是小于I的。要想使激光前進并從激光板條出射，那么入射角必須大于0，不能垂直入射到全反射膜。理論上來說，入射角可以做到很小，使激光在單位長度的激光板條里的光程大大提高。但是，這種鍍?nèi)瓷淠さ姆瓷浞绞揭灿蟹浅４蟮娜毕?。首先，全反射膜必須在激光的兩個平行反射平面上都鍍上，由于兩個平行反射平面的寬度都比較小，所以使鍍膜技術(shù)的難度增加，而且成本也較貴。第二，畢竟入射角不等于0，所以還是會有部分激光從板條內(nèi)出射到板條外面，從而造成了功率(能量)的損失。第三，由于兩個平行反射平面都鍍上了全反射膜，所以會在兩個鍍膜平面之間形成寄生振蕩，從而使激光功率(能量)損失相當部分。如圖2所示，為“角抽運全固態(tài)激光器的研究進展”(劉歡，清華大學精密儀器與機 械學系，光子與電子技術(shù)研究中心，中國激光，第36卷，第7期，2009年7月)中公開的一種復合板條，圖中中間的長方形即激光增益介質(zhì)，上下2片對稱的介質(zhì)不是增益介質(zhì)，是為了讓泵浦光在激光材料中進行全反射而鍵合上去的，兩個大面是冷卻面。這種結(jié)構(gòu)的復合板條可以防止板條的變形，進而有利于激光增益介質(zhì)的散熱，提高了泵浦光的吸收效率，保證了泵浦光吸收的均勻性。激光在增益介質(zhì)中產(chǎn)生的熱效應對增益介質(zhì)的影響大大減小了，從而提升了輸出激光的光束質(zhì)量。這種復合板條既可以做激光振蕩器，也可以做激光放大器。當它作為激光放大器時，信號光從左端注入，從右端輸出，而泵浦光從4個角上注入，在里面作全反射，從而使泵浦光被增益介質(zhì)充分的吸收利用。但是，信號光在增益介質(zhì)中通過的增益光程也是很短的，導致信號光的放大情況不是很理想。因此，它適合做為激光振蕩器來使用，而不是做為激光放大器來使用。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種全反射式板條激光放大器，通過使入射的信號光在激光板條中進行多次全反射后出射，能夠提高信號光的放大倍數(shù)。本發(fā)明的一種全反射式板條激光放大器，該放大器的激光板條是將平板型的長方體從高和寬所在的一個側(cè)面的兩端分別切去一個直三棱柱所形成的結(jié)構(gòu)，定義該平板型的長方體的長、寬和高分別為a、c和b ;長方體上形成的兩個切面分別作為激光光線的入射面和出射面，入射面和出射面與長方體長度方向成135°角，定義入射面所在長邊的剩余長度為a'，則a' =b;入射面用于接收垂直入射的激光信號光，入射面積大小滿足能完全接收入射的激光信號光；經(jīng)放大后的激光從出射面垂直出射，出射面大小滿足能使激光完全出
射；放大器中的激光板條由激光材料加工而成，其折射率滿足式中min(nn)
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表示頻率是ω的激光在激光板條中沿所有方向的折射率中最小的折射率值;max(n2i)表示頻率是ω的激光在激光板條的外圍介質(zhì)中沿所有方向的折射率中最大的折射率值。在入射面和反射面上鍍有與入射激光波長相對應的增透膜。本發(fā)明的一種全反射式板條激光放大器，通過采用特定的結(jié)構(gòu)，使得輸入的激光信號在激光板條中的多次全反射過程中通過的增益光程大大增加，從而使激光信號的功率(能量)得到很大程度的放大；使入射面上的長邊的剩余長度a' = b，保證進入激光板條的入射光線全部從出射面出射而不會造成任何損失，由此進一步提高出射激光的功率(能量)。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)中緊縮折疊結(jié)構(gòu)放大器原理圖。圖2為現(xiàn)有技術(shù)中一種板條激光放大器原理圖。圖3為本發(fā)明的放大器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖4本發(fā)明的放大器的正視圖。
圖5為本發(fā)明的一條激光光線在放大器中傳播方向原理圖，其中編號1-11表示入射的激光信號在放大器中被反射的次數(shù)。圖6為本發(fā)明的激光光束在放大器中傳播的立體示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。本發(fā)明提供了一種全反射式板條激光放大器，如圖3所示，該放大器的激光板條是將平板型的長方體從高和寬所在的一個側(cè)面的兩端分別切去一個直三棱柱所形成的結(jié)構(gòu)，定義該平板型的長方體的長、寬和高分別為a、c和b ;長方體上形成的兩個切面分別作為激光光線的入射面和出射面，入射面和出射面與長方體長度方向成135°角，定義入射面所在長邊的剩余長度為a'，則a' =b;入射面用于接收垂直入射的激光信號光，入射面積大小滿足能完全接收入射的激光信號光；經(jīng)放大后的激光從出射面垂直出射，出射面大小滿足能使激光完全出射；放大器中的激光板條由激光材料加工而成，其折射率滿足
ma， 今,式中n2i為頻率是ω的激光在激光板條的外圍光疏介質(zhì)中沿某一個傳播方
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向的折射率；ηπ為頻率是ω的激光在激光板條中沿某一個傳播方向的折射率；π η(ηπ)表示頻率是ω的激光在激光板條中沿所有方向的折射率中最小的折射率值;max(n2i)表示頻率是ω的激光在激光板條的外圍光疏介質(zhì)中沿所有方向的折射率中最大的折射率值。如圖5所示，當頻率為ω的激光垂直入射到放大器的入射面后，由于入射面與高度方向成135°角，根據(jù)幾何關(guān)系可知，入射激光入射到放大器底面(即第一個反射面)的入射角為45°，根據(jù)反射原理，反射角也為45度，第一次反射激光入射到右側(cè)面(即第二個反射面)的入射角也為45° ,依次推知,激光光線在放大器中的反射角和入射角都為45°。為了防止激光在反射時從反射面折射出去，該頻率為ω的激光的全反射臨界角需要大于45度，設(shè)頻率為ω的激光在激光介質(zhì)中的折射率為Ii1，在激光介質(zhì)周圍介質(zhì)中的折射率為H2，激光從激光介質(zhì)入射到激光外圍介質(zhì)。如果要在分界面進行全反射，則必須使激光介質(zhì)為光密介質(zhì)，激光周圍介質(zhì)為光疏介質(zhì)。設(shè)激光從激光介質(zhì)入射到介質(zhì)分界面的入射角為Q1，折射角為θ2，全反射臨界角為Θ。。根據(jù)公式Ii1Xsin Θ I = n2Xsin Θ 2，當入射角Q1S Θ。時，激光會在激光介質(zhì)中進行全反射，此時θ2 = 90°，Sin02= I。所以，此時
權(quán)利要求
1.一種全反射式板條激光放大器，其特征在于，該放大器的激光板條是將平板型的長方體從高和寬所在的一個側(cè)面的兩端分別切去一個直三棱柱所形成的結(jié)構(gòu)，定義該平板型的長方體的長、寬和高分別為a、c和b ;長方體上形成的兩個切面分別作為激光光線的入射面和出射面，入射面和出射面與長方體長度方向成135°角，定義入射面所在長邊的剩余長度為a'，則a' =b;入射面用于接收垂直入射的激光信號光，入射面積大小滿足能完全接收入射的激光信號光；經(jīng)放大后的激光從出射面垂直出射，出射面大小滿足能使激光完全出射；放大器中的激光板條由激光材料加工而成，其折射率滿足式 mini/;,.) 2中π η(ηπ)表示頻率是ω的激光在激光板條中沿所有方向的折射率中最小的折射率值；max(n2i)表示頻率是ω的激光在激光板條的外圍介質(zhì)中沿所有方向的折射率中最大的折射率值。
2.如權(quán)利要求I所述的一種全反射式板條激光放大器，其特征在于，在入射面和反射面上鍍有與入射激光波長相對應的增透膜。
3.如權(quán)利要求I所述的一種全反射式板條激光放大器，其特征在于，長方體的長、高和寬分別為18mm、16. 3mm和2. 9mm ;為形成入射面而切下的直三棱柱的直角邊為I. 7mm、高為.2.9mm,為形成出射面而切下的直三棱柱的直角邊為2. 2_、高為2. 9_。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全反射式板條激光放大器，該放大器的激光板條是將平板型的長方體從高和寬所在的一個側(cè)面的兩端分別切去一個直三棱柱所形成的結(jié)構(gòu)，通過采用特定的結(jié)構(gòu)，使得輸入的激光信號在激光板條中的多次全反射過程中通過的增益光程大大增加，從而使激光信號的功率(能量)得到很大程度的放大；使入射面上的長邊的剩余長度a′＝b，保證進入激光板條的入射光線全部從出射面出射而不會造成任何損失，由此進一步提高出射激光的功率(能量)。
文檔編號H01S3/06GK102916327SQ20121041310
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者錢燕雷, 趙長明, 徐鵬 申請人:北京理工大學