一種基于角錐棱鏡的陣列激光自約束多程折疊諧振腔的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于角錐棱鏡的陣列激光自約束多程折疊激光諧振腔，包括角錐棱鏡、激光介質(zhì)、角隅棱鏡、諧振腔輸出鏡和諧振腔尾鏡，按照設(shè)定位置結(jié)構(gòu)排布，使得光路能夠?qū)崿F(xiàn)空間多程折疊自約束，從而大大縮小傳統(tǒng)多級(jí)串接振蕩光路的體積。同時(shí)，由于采用了角錐棱鏡，大大提高了系統(tǒng)的抗失調(diào)特性，是獲得小型化、高可靠性、高功率/大能量、高光束質(zhì)量激光輸出的諧振腔。本發(fā)明光路簡(jiǎn)明、結(jié)構(gòu)緊湊，而且容易擴(kuò)展，調(diào)節(jié)方便，特別適合對(duì)激光性能、結(jié)構(gòu)空間和高可靠性均有要求的工程實(shí)用場(chǎng)合。
【專利說(shuō)明】
一種基于角錐棱鏡的陣列激光自約束多程折疊諧振腔
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于角錐棱鏡的陣列激光自約束多程折疊諧振腔，適用于先進(jìn)激光加工和軍用激光領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率/大能量、高光束質(zhì)量、小型化和高可靠性激光器在科學(xué)研究、先進(jìn)工業(yè)加工和國(guó)防軍事等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。目前，有多種實(shí)現(xiàn)高功率/大能量輸出的方案，但在小型化、高可靠和高光束質(zhì)量方面還存在諸多問(wèn)題。大功率化學(xué)激光器、熱容固體激光器等已實(shí)現(xiàn)了幾十kW量級(jí)的高功率輸出，但是系統(tǒng)體積龐大、造價(jià)昂貴，并且可靠性、穩(wěn)定性及綜合性能難以令人滿意。
[0003]主振蕩功率放大(MOPA)技術(shù)由于將激光器的激光特性與輸出功率/能量分別實(shí)現(xiàn)，主振蕩器獲得激光器的光束質(zhì)量、重頻、脈寬等激光特性，功率放大器在保持激光特性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率/能量放大，得到了國(guó)內(nèi)外激光研究人員的高度關(guān)注，獲得了極大的發(fā)展。然而，該技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實(shí)現(xiàn)高功率/大能量上難以實(shí)現(xiàn)小型化和高可靠。
[0004]多路激光相干合成技術(shù)將多個(gè)中小功率/能量的激光器通過(guò)主動(dòng)或被動(dòng)鎖相的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)相干合成，獲得高功率/大能量輸出，是國(guó)內(nèi)外激光技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，其遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的旁瓣分散了合成光束的大部分能量，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。
[0005]角錐棱鏡也稱定向反射棱鏡，其自準(zhǔn)直后向反射特性廣為人知，即不管入射光線與其底面成何種角度入射，光線經(jīng)棱鏡的三個(gè)相互垂直的反射面依次全內(nèi)反射后，出射光線始終是反向平行于入射光線，并以角錐頂點(diǎn)呈中心對(duì)稱分布，其關(guān)系為物像和鏡像關(guān)系。角錐三個(gè)反射面的棱邊及其像將其分割成空間上對(duì)稱分離的6個(gè)子區(qū)域，基于其后向反射特性，入射光線和出射光線將永遠(yuǎn)處在對(duì)稱的兩子區(qū)域上。
[0006]
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)期從事軍用固體激光器的可靠性研究，首次將角錐棱鏡應(yīng)用于固體激光器，作為激光諧振腔的后腔鏡，發(fā)明了《免調(diào)試固體激光裝置》，專利號(hào):CN1195214A，利用角錐棱鏡的自準(zhǔn)直后向反射特性實(shí)現(xiàn)了固體激光器的抗失調(diào)免調(diào)試。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究，將角錐棱鏡諧振腔應(yīng)用于圓棒介質(zhì)的電光調(diào)Q激光器，設(shè)計(jì)了《一種可用于電光調(diào)Q的免調(diào)試固體激光器》，專利號(hào):ZL 200520095538.1，實(shí)現(xiàn)了電光調(diào)Q激光器的高可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0007]
【申請(qǐng)人】在已有研究成果的基礎(chǔ)上，將多個(gè)角錐棱鏡用于激光諧振腔，發(fā)明了陣列激光的多程折疊約束諧振腔，實(shí)現(xiàn)自組織、自約束、緊湊型、小型化、高可靠性、抗失調(diào)、易于裝配調(diào)試的激光裝置，并獲得高功率/大能量、高光束質(zhì)量激光輸出。目前，這方面的研究還未見(jiàn)報(bào)道。
[0008]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種基于角錐棱鏡的陣列激光自約束多程折疊諧振腔。位于角錐棱鏡對(duì)稱區(qū)域激光的利用角錐棱鏡自準(zhǔn)直后向反射特性作為自約束諧振腔振蕩光路的折疊元件，利用多個(gè)角錐棱鏡實(shí)現(xiàn)陣列激光二維方向的自約束折疊抗失調(diào)，實(shí)現(xiàn)小型高可靠陣列激光自約束多程折疊激光諧振腔。本發(fā)明光路簡(jiǎn)潔、結(jié)構(gòu)緊湊，而且容易擴(kuò)展，調(diào)節(jié)方便，特別適合對(duì)激光性能、結(jié)構(gòu)空間和高可靠性均有要求的工程實(shí)用場(chǎng)合。
[0010]實(shí)施本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種基于角錐棱鏡的陣列激光自約束多程折疊諧振腔，包括角錐棱鏡、激光介質(zhì)、角隅棱鏡、諧振腔輸出鏡和諧振腔尾鏡;角錐棱鏡的每個(gè)反射側(cè)面均分別劃分為若干個(gè)子區(qū)域，角錐棱鏡的各個(gè)側(cè)面的子區(qū)域在角錐棱鏡的底面上的投影子區(qū)域以角錐棱鏡的錐點(diǎn)在角錐棱鏡的底面上的投影點(diǎn)為中心兩兩中心對(duì)稱，其中一個(gè)子區(qū)域的作為出射子區(qū)域，從出射子區(qū)域出射的激光沿出射子區(qū)域?qū)?yīng)的諧振光路經(jīng)諧振腔輸出鏡部分出射，剩余激光經(jīng)諧振腔輸出鏡反射后經(jīng)出射子區(qū)域?qū)?yīng)的諧振光路入射到出射子區(qū)域；出射子區(qū)域相鄰的一個(gè)子區(qū)域作為尾部子區(qū)域，從尾部子區(qū)域反射的激光沿尾部子區(qū)域?qū)?yīng)的諧振光路經(jīng)諧振腔尾鏡全反射后沿尾部子區(qū)域?qū)?yīng)的諧振光路入射尾部子區(qū)域，入射到子區(qū)域的激光反射至中心對(duì)稱的子區(qū)域，非出射子區(qū)域和非尾部子區(qū)域的子區(qū)域反射的激光經(jīng)角隅棱鏡入射到相鄰的非出射子區(qū)域和非尾部子區(qū)域的子區(qū)域，各個(gè)子區(qū)域?qū)?yīng)的諧振光路上設(shè)置有激光介質(zhì)。
[0011]如上所述的角錐棱鏡的每個(gè)側(cè)面均等分為兩個(gè)子區(qū)域，各個(gè)子區(qū)域順時(shí)針依次為第一子區(qū)域、第二子區(qū)域、第三子區(qū)域、第四子區(qū)域、第五子區(qū)域和第六子區(qū)域；以角錐棱鏡的錐點(diǎn)在角錐棱鏡的底面上的投影點(diǎn)為中心，第一子區(qū)域的投影子區(qū)域與第四子區(qū)域的投影子區(qū)域中心對(duì)稱，第二子區(qū)域的投影子區(qū)域與第五子區(qū)域的投影子區(qū)域中心對(duì)稱，第三子區(qū)域的投影子區(qū)域與第六子區(qū)域的投影子區(qū)域中心對(duì)稱，第一子區(qū)域作為出射子區(qū)域；第二子區(qū)域做為尾部子區(qū)域。
[0012]如上所述的角錐棱鏡是實(shí)心角錐或空心角錐，角隅棱鏡是角隅棱鏡或者直角棱鏡或者其他折光器件。
[0013]如上所述的諧振腔輸出鏡和諧振腔尾鏡是兩個(gè)獨(dú)立的腔鏡或者一體化的陰陽(yáng)鏡。
[0014]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、整個(gè)陣列激光光路構(gòu)成一個(gè)自組織、自約束穩(wěn)定諧振腔，三維抗失調(diào)，調(diào)節(jié)方便，可靠性尚;
2、在結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧的空間內(nèi)獲得大能量和高光束質(zhì)量；
3、能在一個(gè)很小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)陣列激光自約束多程折疊激光輸出，由于角錐棱鏡自身的對(duì)稱性，也很容易的在一臺(tái)激光器的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多路陣列激光的擴(kuò)展，可以在較小的空間的實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)諧振光路。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1(a)是角錐棱鏡的形狀結(jié)構(gòu)示意圖；
圖1 (b)是角錐棱鏡自準(zhǔn)直后向反射光學(xué)特性；
圖2(a)是圓底角維棱鏡的形狀不意圖；
圖2(b)為角錐棱鏡三個(gè)反射面的子區(qū)域在角錐棱鏡底面投影的六個(gè)子區(qū)域的示意圖: 圖3是角錐棱鏡和角隅棱鏡構(gòu)成的三維6路陣列激光自約束多程折疊諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖4(a)是由角錐棱鏡圓形底面看到的三維6路陣列激光自約束多程折疊諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖4(b)是一種基于角錐棱鏡的的18路陣列激光擴(kuò)展示意。
[0018]其中:1-角錐棱鏡;2-激光介質(zhì);3-角隅棱鏡；
1-1、第一子區(qū)域；1-2、第二子區(qū)域;1-3、第三子區(qū)域；1-4、第四子區(qū)域；1-5、第五子區(qū)域;1-6、第六子區(qū)域；
2-1、第一激光介質(zhì);2-2、第二激光介質(zhì);2-3、第三激光介質(zhì);2-4、第四激光介質(zhì);2-5、第五激光介質(zhì);2-6、第六激光介質(zhì)；
3-1、第一角隅棱鏡;3-2、第二角隅棱鏡；
4-1、諧振腔輸出鏡;4-2、諧振腔尾鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明不限于本實(shí)施例。
[0020]本發(fā)明利用角錐棱鏡的自準(zhǔn)直后向反射特性作為光路互注入轉(zhuǎn)折元件，結(jié)合角隅棱鏡3構(gòu)成陣列激光自約束多維抗失調(diào)折疊光路。
[0021]—種基于角錐棱鏡的陣列激光自約束多程折疊諧振腔，包括角錐棱鏡1、激光介質(zhì)
2、角隅棱鏡3、諧振腔輸出鏡4-1和諧振腔尾鏡4-2，角錐棱鏡I的每個(gè)反射側(cè)面均分別劃分為若干個(gè)子區(qū)域，角錐棱鏡I的各個(gè)側(cè)面的子區(qū)域在角錐棱鏡I的底面上的投影子區(qū)域以角錐棱鏡I的錐點(diǎn)在角錐棱鏡I的底面上的投影點(diǎn)為中心兩兩中心對(duì)稱，其中一個(gè)子區(qū)域的作為出射子區(qū)域，從出射子區(qū)域出射的激光沿出射子區(qū)域?qū)?yīng)的諧振光路經(jīng)諧振腔輸出鏡4-1部分出射，剩余激光經(jīng)諧振腔輸出鏡4-1反射后經(jīng)出射子區(qū)域?qū)?yīng)的諧振光路入射到出射子區(qū)域；出射子區(qū)域相鄰的一個(gè)子區(qū)域作為尾部子區(qū)域，從尾部子區(qū)域反射的激光沿尾部子區(qū)域?qū)?yīng)的諧振光路經(jīng)諧振腔尾鏡4-2全反射后沿尾部子區(qū)域?qū)?yīng)的諧振光路入射尾部子區(qū)域，入射到子區(qū)域的激光反射至中心對(duì)稱的子區(qū)域，非出射子區(qū)域和非尾部子區(qū)域的子區(qū)域反射的激光經(jīng)角隅棱鏡3入射到相鄰的非出射子區(qū)域和非尾部子區(qū)域的子區(qū)域，各個(gè)子區(qū)域?qū)?yīng)的諧振光路上設(shè)置有激光介質(zhì)2。
[0022]處于角錐棱鏡I底面投影對(duì)稱位置的兩路激光由于角錐棱鏡I的自準(zhǔn)直后向反射特性實(shí)現(xiàn)自約束互注入;處于角錐棱鏡I底面投影相鄰位置的兩路激光由于角隅棱鏡3的自準(zhǔn)直后向反射特性實(shí)現(xiàn)自約束互注入，從而實(shí)現(xiàn)陣列激光的自組織、自約束；角錐棱鏡I底面投影其中一對(duì)相鄰位置的另一端設(shè)置有諧振腔鏡，使整個(gè)陣列激光形成閉環(huán)反饋，并輸出激光。
[0023]作為一種可選方案，如圖2(a)和圖2(b)所示，角錐棱鏡I的每個(gè)側(cè)面均等分為兩個(gè)子區(qū)域，各個(gè)子區(qū)域順時(shí)針依次為第一子區(qū)域1-1、第二子區(qū)域1-2、第三子區(qū)域1-3、第四子區(qū)域1-4、第五子區(qū)域1-5和第六子區(qū)域1-6;以角錐棱鏡I的錐點(diǎn)在角錐棱鏡I的底面上的投影點(diǎn)為中心，第一子區(qū)域1-1的投影子區(qū)域與第四子區(qū)域1-4的投影子區(qū)域中心對(duì)稱，第二子區(qū)域1-2的投影子區(qū)域與第五子區(qū)域1-5的投影子區(qū)域中心對(duì)稱，第三子區(qū)域1-3的投影子區(qū)域與第六子區(qū)域1-6的投影子區(qū)域中心對(duì)稱，第一子區(qū)域1-1作為出射子區(qū)域;第二子區(qū)域1-2做為尾部子區(qū)域。
[0024]角錐棱鏡I可以是實(shí)心角錐或空心角錐。
[0025]角錐棱鏡也稱定向棱鏡，是典型的正四面體光學(xué)棱鏡，其形狀類似于正立方體切下的一個(gè)角，如圖1(a)所示，它的三個(gè)空間反射面互相垂直，其出射光線與入射光線在同一個(gè)子午面內(nèi)，方向轉(zhuǎn)折180°相對(duì)于錐頂對(duì)稱分布。光線從任意方向由角錐底面入射進(jìn)入角錐棱鏡，經(jīng)三個(gè)反射面全內(nèi)反射后，出射光線一定沿入射光線方向返回，如圖1(b)所示，這一特性稱為后向反射特性。隨著應(yīng)用需求的拓展，角錐棱鏡的形狀也有了多樣化的發(fā)展，從單一的正四面體，到圓底角錐、球面角錐、空心角錐、角隅棱鏡等，這里以圓底角錐為例進(jìn)行說(shuō)明，圓底角錐如圖2(a)所示。
[0026]如圖2(b)所示，從角錐棱鏡I的圓形底面看過(guò)去，角錐棱鏡I三個(gè)反射面均等分為兩個(gè)子區(qū)，順時(shí)針依次為第一子區(qū)域1-1、第二子區(qū)域1-2、第三子區(qū)域1-3、第四子區(qū)域1-4、第五子區(qū)域1-5和第六子區(qū)域1-6域。因其特有的自準(zhǔn)直后向反射特性，每一個(gè)子區(qū)域產(chǎn)生的激光在經(jīng)角錐棱鏡I反射后都會(huì)注入到其投影子區(qū)域?qū)ΨQ的投影子區(qū)域?qū)?yīng)的子區(qū)域輸出，即在第一子區(qū)域1-1產(chǎn)生的激光經(jīng)角錐棱鏡I后注入到第四子區(qū)域1-4，第四子區(qū)域1-4產(chǎn)生的激光經(jīng)角錐棱鏡I后同樣會(huì)注入到第一子區(qū)域1-1，如圖2(b)所示。同理，第二子區(qū)域1-2對(duì)應(yīng)第五子區(qū)域1-5，第三子區(qū)域1-3對(duì)應(yīng)第六子區(qū)域1-6。結(jié)合這一特性，在第三子區(qū)域1-3、第四子區(qū)域1-4對(duì)應(yīng)的諧振光路的端部放置第二角隅棱鏡3-2，在第五子區(qū)域1-5、第六子區(qū)域1-6對(duì)應(yīng)的諧振光路的端部放置第一角隅棱鏡3-1，使第四子區(qū)域1-4產(chǎn)生的激光與第三子區(qū)域1-3產(chǎn)生的激光相互注入，第六子區(qū)域1-6產(chǎn)生的激光與第五子區(qū)域1-5產(chǎn)生的激光相互注入。在第一子區(qū)域1-1的對(duì)應(yīng)的諧振光路的端部放置諧振腔輸出鏡4-1、第二子區(qū)域1-2的對(duì)應(yīng)的諧振光路的端部放置諧振腔尾鏡4-2，使整個(gè)光路形成閉環(huán)反饋振蕩，并輸出激光。
[0027]這樣，只要在該光路與角錐棱鏡I端面垂直的六條諧振光路上分別設(shè)置激光介質(zhì)2(第一激光介質(zhì)2-1?第六激光介質(zhì)2-6)，就能在一個(gè)很小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)陣列激光自約束多程折疊激光輸出，如圖3所示。同時(shí)，由于角錐棱鏡自身的對(duì)稱性，也很容易的在一臺(tái)激光器的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多路陣列激光的擴(kuò)展，如在一個(gè)子區(qū)域內(nèi)排布3路激光介質(zhì)2，如圖4(b)所不O
[0028]在上述步驟中，角錐棱鏡I可以是實(shí)心角錐或空心角錐;激光介質(zhì)2結(jié)構(gòu)可以是圓棒或板條等，材料可以根據(jù)需要選取，數(shù)量可以是大于等于2的任意自然數(shù);角隅棱鏡3可以是角隅棱鏡或其它起后向轉(zhuǎn)折光路的光學(xué)組件;諧振腔鏡4的透過(guò)率可以是不同的值，從而形成單孔徑輸出或雙孔徑輸出，其形態(tài)可以為任意形狀的鏡片或膜層。
[0029]本發(fā)明對(duì)激光晶體的栗浦系統(tǒng)不作要求。
[0030]本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于角錐棱鏡的陣列激光自約束多程折疊諧振腔，包括角錐棱鏡(1)、激光介質(zhì)(2)、角隅棱鏡(3)、諧振腔輸出鏡(4-1)和諧振腔尾鏡(4-2);其特征在于:角錐棱鏡(I)的每個(gè)反射側(cè)面均分別劃分為若干個(gè)子區(qū)域，角錐棱鏡(I)的各個(gè)側(cè)面的子區(qū)域在角錐棱鏡(I)的底面上的投影子區(qū)域以角錐棱鏡(I)的錐點(diǎn)在角錐棱鏡(I)的底面上的投影點(diǎn)為中心兩兩中心對(duì)稱，其中一個(gè)子區(qū)域的作為出射子區(qū)域，從出射子區(qū)域出射的激光沿出射子區(qū)域?qū)?yīng)的諧振光路經(jīng)諧振腔輸出鏡(4-1)部分出射，剩余激光經(jīng)諧振腔輸出鏡(4-1)反射后經(jīng)出射子區(qū)域?qū)?yīng)的諧振光路入射到出射子區(qū)域；出射子區(qū)域相鄰的一個(gè)子區(qū)域作為尾部子區(qū)域，從尾部子區(qū)域反射的激光沿尾部子區(qū)域?qū)?yīng)的諧振光路經(jīng)諧振腔尾鏡(4-2)全反射后沿尾部子區(qū)域?qū)?yīng)的諧振光路入射尾部子區(qū)域，入射到子區(qū)域的激光反射至中心對(duì)稱的子區(qū)域，非出射子區(qū)域和非尾部子區(qū)域的子區(qū)域反射的激光經(jīng)角隅棱鏡(3)入射到相鄰的非出射子區(qū)域和非尾部子區(qū)域的子區(qū)域，各個(gè)子區(qū)域?qū)?yīng)的諧振光路上設(shè)置有激光介質(zhì)(2)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于角錐棱鏡的陣列激光自約束多程折疊諧振腔，其特征在于:所述的角錐棱鏡(I)的每個(gè)側(cè)面均等分為兩個(gè)子區(qū)域，各個(gè)子區(qū)域順時(shí)針依次為第一子區(qū)域(1-1)、第二子區(qū)域(1-2)、第三子區(qū)域(1-3)、第四子區(qū)域(1-4)、第五子區(qū)域(1-5)和第六子區(qū)域(1-6);以角錐棱鏡(I)的錐點(diǎn)在角錐棱鏡(I)的底面上的投影點(diǎn)為中心，第一子區(qū)域(1-1)的投影子區(qū)域與第四子區(qū)域(1-4)的投影子區(qū)域中心對(duì)稱，第二子區(qū)域(1-2)的投影子區(qū)域與第五子區(qū)域(1-5)的投影子區(qū)域中心對(duì)稱，第三子區(qū)域(1-3)的投影子區(qū)域與第六子區(qū)域(1-6)的投影子區(qū)域中心對(duì)稱，第一子區(qū)域(1-1)作為出射子區(qū)域;第二子區(qū)域(1-2)做為尾部子區(qū)域。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于角錐棱鏡的陣列激光自約束多程折疊諧振腔，角錐棱鏡(I)是實(shí)心角錐或空心角錐，角隅棱鏡(3)是角隅棱鏡(3)或者直角棱鏡或者其他折光器件。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于角錐棱鏡的陣列激光自約束多程折疊諧振腔，諧振腔輸出鏡(4-1)和諧振腔尾鏡(4-2)是兩個(gè)獨(dú)立的腔鏡或者一體化的陰陽(yáng)鏡。
【文檔編號(hào)】H01S3/08GK105958309SQ201610535129
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年7月7日
【發(fā)明人】程勇, 朱孟真, 劉旭, 萬(wàn)強(qiáng), 陳霞, 譚朝勇, 魏勁松, 黃國(guó)俊, 初華, 田方濤
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍武漢軍械士官學(xué)校