CN102681197A - 一种空间滤波器及采用该空间滤波器的激光放大装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空间滤波器，沿纵轴延伸，其具有第一窗口片和第二窗口片，激光束从第一窗口片入射并从第二窗口片透射出空间滤波器，其中至少第一窗口片和第二窗口片之一与所述纵轴非垂直。本发明还提供一种具有上述空间滤波器的激光放大装置。

Description

一种空间滤波器及采用该空间滤波器的激光放大装置

技术领域

本发明属于光学领域，尤其涉及一种空间滤波器及采用该空间滤波器的激光放大装置，尤其是高增益多程激光放大装置。

背景技术

对于多程激光放大装置，其一般包括空间滤波器、激光放大器以及反射镜。图1中为现有技术激光放大装置中的光路的示意图。在高能量激光***中,空间滤波器是其中关键的技术单元之一，其光学结构比较简单，由一对共焦正透镜和在公共焦点处的一个小孔光阑组成。空间滤波器承担着消除激光束中的高频调制，抑制后续主放大器中的小尺度自聚焦效应，对光束进行像传递的任务。通过空间滤波器实现像传递，可减少衍射效应，从而提高光束质量。此外，空间滤波器还被用来扩大光束口径，将能量逐级变高的激光束的能量密度控制在光学破坏阈值之下。同时，空间滤波器的小孔光阑还具有一定的光隔离能力，有利于抑制自激振荡和反向激光束。

传统的空间滤波器中窗口片按图1所示放置，窗口片与空间滤波器的轴线垂直，这样放置的缺点是，因为窗口片的透射率不可能达到100%，总会有一些残余的反射，当入射激光束沿着空间滤波器的轴线传播时，空间滤波器的两个窗口片分别与激光放大器后的反射镜形成谐振腔，激光光束在空间滤波器的窗口片与激光放大器后的反射镜之间来回反射，产生自激振荡。

在高增益多程激光放大装置中，自激振荡消耗了大量的反转粒子，当激光再次通过激光介质时，会出现激光介质中反转粒子数变少而出现增益不够的情况。由于自激振荡的出现，该激光放大装置内就会出现大能量的原本不需要的激光，这会对激光放大装置以及所在***的一些光学器件带来毁灭性损伤，可能会使整个激光放大装置受到毁灭性损伤。尤其对高增益的多程激光放大***，这种现象带来的损害更大，使得该激光放大装置可靠性较低。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种空间滤波器，可消除空间滤波器所在的激光放大装置中的自激振荡。

本发明提供一种空间滤波器，沿纵轴延伸，其具有第一窗口片和第二窗口片，激光束从第一窗口片入射并从第二窗口片透射出空间滤波器，其中至少第一窗口片和第二窗口片之一与所述纵轴非垂直。

根据本发明提供的空间滤波器，其中第一窗口片与第二窗口片均与所述纵轴非垂直。

根据本发明提供的空间滤波器，其中第一窗口片的法线与第二窗口片的法线在同一平面内。

根据本发明提供的空间滤波器，其中第一窗口片的法线与第二窗口片的法线在不同的平面内。

根据本发明提供的空间滤波器，其中第一窗口片的法线与第二窗口片的法线向不同的方向倾斜。

根据本发明提供的空间滤波器，其中第一窗口片的法线与第二窗口片的法线向相同的方向倾斜。

根据本发明提供的空间滤波器，其中第一窗口片与所述纵轴之间的夹角以及第二窗口片与所述纵轴之间的夹角被设置为使第一或第二窗口片的剩余反射形成的反射激光束不会入射到另一个窗口片上。

根据本发明提供的空间滤波器，其中第一窗口片与所述纵轴之间的夹角θ满足tan2θ≥d/l，或者第二窗口片与所述纵轴之间的夹角α满足tan2α≥d/l，或者同时满足tan2θ≥d/l、tan2α≥d/l，其中l为空间滤波器的长度，d为空间滤波器的口径。

本发明还提供一种具有上述空间滤波器的激光放大装置。

本发明在空间滤波器中采用了非垂直的窗口片，可有效地避免激光自激振荡的形成，且操作容易、极易实现。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为现有技术中的激光放大装置的结构示意图；

图2为根据本发明的实施例1的空间滤波器的结构示意图；

图3为根据本发明的实施例2的空间滤波器的结构示意图；

图4为根据本发明的实施例3的空间滤波器的结构示意图；

图5为根据本发明的实施例4的空间滤波器的结构示意图；

图6为根据本发明的实施例5的空间滤波器的结构示意图；

图7为根据本发明的又一实施例的空间滤波器的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种空间滤波器1，其结构如图2所示，该空间滤波器1为沿纵轴A延伸的棒状，其具有窗口片S1（入射窗口片）和S2（出射窗口片），其中窗口片S1垂直于纵轴A，即窗口片S1的法线与纵轴A平行，而窗口片S2与纵轴A非垂直，即窗口片S2的法线N与纵轴A呈一夹角θ(0°＜θ＜90°)，其中该图2为沿着窗口片S2的法线N与纵轴A所在的平面切割该空间滤波器1而得到的截面示意图。

从图2中可知，当入射激光束L垂直于窗口片S1地入射到空间滤波器中后，入射激光束L沿纵轴A方向传播并从窗口片S2射出，最后入射到与纵轴A垂直的反射镜R上，在入射到反射镜R之前，还像图1中所示的那样经过了激光晶体，因为激光晶体不改变激光束的方向，因此为了清晰起见在图2中省略了激光放大器。入射激光束L在被反射镜R反射后成为反射激光束Lr1，反射激光束Lr1原路返回并入射到窗口片S2上，由于窗口片S2的剩余反射而形成反射激光束Lr2，因为窗口片S2的法线N与纵轴A之间具有夹角θ，因此反射激光束Lr2与反射激光束Lr1之间具有夹角2θ，而并不是原路返回，因此不会在空间滤波器1的出射窗口片与反射镜之间来回振荡，从而有效地避免了激光自激振荡的形成。

实施例2

本实施例提供一种空间滤波器2，其结构如图3所示，该空间滤波器2为沿纵轴A延伸的棒状，其具有窗口片S1（入射窗口片）和S2（出射窗口片），其中窗口片S2垂直于纵轴A，即窗口片S2的法线与纵轴A平行，而窗口片S1与纵轴A非垂直，即窗口片S1的法线N与纵轴A呈一夹角θ(0°＜θ＜90°)，其中该图3为沿着窗口片S1的法线N与纵轴A所在的平面切割该空间滤波器2而得到的截面示意图。

从图3中可知，当入射激光束L平行于纵轴A地入射到空间滤波器中后，入射激光束L沿纵轴A方向传播并从窗口片S2射出，最后入射到与纵轴A垂直的反射镜R上，在入射到反射镜R之前，还像图1中所示的那样经过了激光晶体，因为激光晶体不改变激光束的方向，因此为了清晰起见在图3中省略了激光放大器。入射激光束L在被反射镜R反射后成为反射激光束Lr1，反射激光束Lr1原路返回并透过窗口片S2而入射到窗口片S1上，由于窗口片S1的剩余反射而形成反射激光束Lr2，因为窗口片S1的法线N与纵轴A之间具有夹角θ，因此反射激光束Lr2与反射激光束Lr1之间具有夹角2θ，而并不是原路返回，因此不会在空间滤波器1的入射窗口片与反射镜之间来回振荡，从而有效地避免了激光自激振荡的形成。

实施例3

本实施例提供一种空间滤波器3，其结构如图4所示，该空间滤波器3为沿纵轴A延伸的棒状，其具有窗口片S1（入射窗口片）和S2（出射窗口片），其中窗口片S1和S1均与纵轴A非垂直，窗口片S1的法线N1与纵轴A呈一夹角θ(0°＜θ＜90°)，窗口片S2的法线N2与纵轴A呈一夹角α(0°＜α＜90°)，其中窗口片S1的法线N1、窗口片S2的法线N2在同一平面上，其中该图4为沿着法线N1、法线N2、纵轴A所在的平面切割该空间滤波器3而得到的截面示意图。

从图4中可知，当入射激光束L平行于纵轴A地入射到空间滤波器中后，入射激光束L沿纵轴A方向传播并从窗口片S2射出，最后入射到与纵轴A垂直的反射镜R上，在入射到反射镜R之前，还像图1中所示的那样经过了激光晶体，因为激光晶体不改变激光束的方向，因此为了清晰起见在图4中省略了激光放大器。入射激光束L在被反射镜R反射后成为反射激光束Lr1，反射激光束Lr1原路返回并依次透过窗口片S2和窗口片S1，在此过程中由于窗口片S2的剩余反射而形成反射激光束Lr2、由于窗口片S1的剩余反射而形成反射激光束Lr3。因为窗口片S2的法线N2与纵轴A之间具有夹角α，因此反射激光束Lr2与反射激光束Lr1之间具有夹角2α，而并不是原路返回，因此不会在空间滤波器1的出射窗口片S2与反射镜之间来回振荡，从而有效地避免了激光自激振荡的形成。同样地，因为窗口片S1的法线N1与纵轴A之间具有夹角θ，因此反射激光束Lr2与反射激光束Lr1之间具有夹角2θ，而并不是原路返回，因此也不会在空间滤波器1的入射窗口片S1与反射镜之间来回振荡，从而有效地避免了激光自激振荡的形成。

根据本发明的其他实施例，其中窗口片S1的法线N1与纵轴A之间的夹角θ与窗口片S2的法线N2与纵轴A之间的夹角α可以相等，也可以不相等。

实施例4

本实施例提供一种空间滤波器4，其结构如图5所示，该空间滤波器4为沿纵轴A延伸的棒状，其具有窗口片S1（入射窗口片）和S2（出射窗口片），其中窗口片S1和S1均与纵轴A非垂直，窗口片S1的法线N1与纵轴A呈一夹角θ(0°＜θ＜90°)，窗口片S2的法线N2与纵轴A呈一夹角α(0°＜α＜90°)，与实施例3中的空间滤波器的区别在于窗口片S1和窗口片S2的倾斜方向相同，其中窗口片S1的法线N1、窗口片S2的法线N2在同一平面上，其中该图5为沿着法线N1、法线N2、纵轴A所在的平面切割该空间滤波器4而得到的截面示意图，为平行四边形。

从图5中可知，当入射激光束L平行于纵轴A地入射到空间滤波器中后，入射激光束L沿纵轴A方向传播并从窗口片S2射出，最后入射到与纵轴A垂直的反射镜R上，在入射到反射镜R之前，还像图1中所示的那样经过了激光晶体，因为激光晶体不改变激光束的方向，因此为了清晰起见在图5中省略了激光放大器。入射激光束L在被反射镜R反射后成为反射激光束Lr1，反射激光束Lr1原路返回并依次透过窗口片S2和窗口片S1，在此过程中由于窗口片S2的剩余反射而形成反射激光束Lr2、由于窗口片S1的剩余反射而形成反射激光束Lr3。因为窗口片S2的法线N2与纵轴A之间具有夹角α，因此反射激光束Lr2与反射激光束Lr1之间具有夹角2α，而并不是原路返回，因此不会在空间滤波器1的出射窗口片S2与反射镜之间来回振荡，从而有效地避免了激光自激振荡的形成。同样地，因为窗口片S1的法线N1与纵轴A之间具有夹角θ，因此反射激光束Lr2与反射激光束Lr1之间具有夹角2θ，而并不是原路返回，因此也不会在空间滤波器1的入射窗口片S1与反射镜之间来回振荡，从而有效地避免了激光自激振荡的形成。

根据本发明的其他实施例，其中窗口片S1的法线N1与纵轴A之间的夹角θ与窗口片S2的法线N2与纵轴A之间的夹角α可以相等，也可以不相等。

实施例5

在上述实施例中，提供了几种不同的窗口片倾斜方式，均能够有效地避免激光自激振荡的形成。但是当入射窗口片的倾斜角度较小时，由于入射窗口片的剩余反射而形成的反射激光束可能会入射到出射窗口片上，这时如果出射窗口片的倾斜角度也较小，则出射窗口片的剩余反射而形成的反射激光束也可能又会入射到出射窗口片上，窗口片之间的这种多次反射并非原路返回，因此不会发生自激振荡，但尽管如此，在实际应用中，还是优选为使反射激光束在空间滤波器中尽可能较少次数地被窗口片反射。

本实施例提供了一种空间滤波器5，通过限制入射窗口片的倾斜角度，使入射窗口片的剩余反射形成的反射激光束不会入射到出射窗口片上，其结构与实施例2中的空间滤波器的结构大致相同，如图6所示，该空间滤波器5为沿纵轴A延伸的棒状，其具有窗口片S1（入射窗口片）和S2（出射窗口片），其中窗口片S2垂直于纵轴A，即窗口片S2的法线与纵轴A平行，而窗口片S1与纵轴A非垂直，即窗口片S1的法线N与纵轴A呈一夹角θ(0°＜θ＜90°)，其中该图6为沿着窗口片S1的法线N与纵轴A所在的平面切割该空间滤波器5而得到的截面示意图。

相对来说，入射激光束在贴近空间滤波器的长度较小的一边传播时，最不容易使窗口片S1反射的反射激光束Lr2入射到窗口片S1上，因此如图6所示，以贴近空间滤波器的长度较小的一边传播的入射激光束L为例来说明能够保证反射激光束Lr2不会入射到窗口片S1上的边界条件。

如图6所示，能够保证反射激光束Lr2不会入射到窗口片S1上的边界条件为：

l’≤l，

其中l为空间滤波器的较短边的长度，l’为反射激光束Lr在空间滤波器的纵轴方向上的投影的长度，由此可知，当l’≤l时，反射激光束Lr2不会入射到窗口片S1上。

其中l’=d’/tan2θ，因为入射激光束L贴近空间滤波器的长度较小的一边传播，因此d’≈d（d为空间滤波器的口径），由此l’≈d/tan2θ。

由此可推出d/tan2θ≤l

因此，tan2θ≥d/l。

其中由于空间滤波器为棒状，其长度通常远大于其口径，因此可认为空间滤波器的沿纵轴A的较长边和较短边的长度基本相等，统称为空间滤波器的长度，因此可用l代表空间滤波器的长度。

同样地，对于上述实施例3和实施例4中的空间滤波器，也可以利用公式tan2θ≥d/l来计算出使反射激光束Lr2不会入射到窗口片S1上的θ值的大致范围。

对于上述实施例1中的空间滤波器，也可以利用公式tan2θ≥d/l来计算出使窗口片S1的剩余反射形成的反射激光束仅经过窗口片S2的一次反射，之后不会再入射到窗口片S1上的θ值的大致范围。

对于其他形状的空间滤波器，本领域技术人员可以容易地推导出使反射激光束在空间滤波器中尽可能较少次数地被窗口片反射的θ值的大致范围。

根据本发明的其他实施例，其中空间滤波器不限于棒状，也可以为其他条状，例如截面为矩形、椭圆形等的条状。

根据本发明的其他实施例，其中空间滤波器的两个窗口片的法线可以如上述实施例那样位于同一个平面内，也可以位于不同的平面内，例如如图7所示的那样，一个窗口片在上下方向倾斜，另一个窗口片朝左右方向倾斜。

在优选实施例中，使入射窗口片和出射窗口片之一的法线相对于条状空间滤波器的纵轴倾斜的角度θ被设计为，使反射激光束在空间滤波器中尽可能较少次数地被窗口片反射。

在更优选实施例中，使入射窗口片和出射窗口片之一的法线相对于条状空间滤波器的纵轴倾斜的角度θ被设计为，θ满足tan2θ≥d/l。

上述实施例中，本领域技术人员可以理解的是，在实际应用中，可根据需要在0至90°之间选择窗口片的法线与空间滤波器纵轴之间的倾斜角度。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种空间滤波器，沿纵轴延伸，其具有第一窗口片和第二窗口片，激光束从第一窗口片入射并从第二窗口片透射出空间滤波器，其中至少第一窗口片和第二窗口片之一与所述纵轴非垂直。

2.根据权利要求1所述的空间滤波器，其中第一窗口片与第二窗口片均与所述纵轴非垂直。

3.根据权利要求2所述的空间滤波器，其中第一窗口片的法线与第二窗口片的法线在同一平面内。

4.根据权利要求2所述的空间滤波器，其中第一窗口片的法线与第二窗口片的法线在不同的平面内。

5.根据权利要求3所述的空间滤波器，其中第一窗口片的法线与第二窗口片的法线向不同的方向倾斜。

6.根据权利要求3所述的空间滤波器，其中第一窗口片的法线与第二窗口片的法线向相同的方向倾斜。

7.根据权利要求1所述的空间滤波器，其中第一窗口片与所述纵轴之间的夹角以及第二窗口片与所述纵轴之间的夹角被设置为使第一或第二窗口片的剩余反射形成的反射激光束不会入射到另一个窗口片上。

8.根据权利要求1所述的空间滤波器，其中第一窗口片与所述纵轴之间的夹角θ满足tan2θ≥d/l，或者第二窗口片与所述纵轴之间的夹角α满足tan2α≥d/l，或者同时满足tan2θ≥d/l、tan2α≥d/l，其中l为空间滤波器的长度，d为空间滤波器的口径。

9.一种具有根据权利要求1-8所述的空间滤波器的激光放大装置。

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