[发明专利]板状激光器的均匀照明器

说明书

本发明属于光学领域。

已有的技术：第一次激光的出现来源于固体激光器。随着激光物理与技术的发展，固体激光器可给出高能量脉冲，但，重复频率高不上去，也就是平均功率不高，即使输出几百瓦多模连续激光器，其输出光发散角将增大到几十毫弧度。总之，不论在连续或是在脉冲工作状态，在平均功率提高时，其激光亮度明显下降。从而限制了固体激光器的应用范围，特别是在工业和军事上的应用。其原因是由于传统的棒状固体激光介质在高功率泵浦时，引入了严重的热畸变，如热焦距，热致双折射等。使用板状激光介质与之字形光路可以克服热畸变与补偿波面畸变。从而使固体激光器可以正常地运转在千瓦量级，这是一种革命性的变革。

使用板状激光介质与之字形光路而克服热效应，必须获得一维温度场的分布，其重要的关键技术是泵浦光在板状激光介质上的照明均匀度。

美国专利ADA012579中描述了一种照明器（示于图1），它采用双椭圆聚光腔，双灯照明激光介质。激光介质板平行地位于双椭圆三个焦点的连线上，从氙灯发出的光都经过聚光腔反射而照射到板的上下两个面上。如该文中所述，“激光介质的冷却放在一个圆管6中，该管中放入四个填充物，即四块玻璃条。其中两个玻璃条7用来绝热，另两个玻璃条5用来产生一个薄的水流层，以保证高速度的冷却水。”

以增益曲线观察其照明均匀性（示于图2），由于激光介质板水平地位于双椭圆聚光腔的三个焦点的连线上，而板的中心不是位于两个椭圆的共焦点上，所以增益曲线在离板的中心（y＝0）约±3.5mm处出现了两个峰值，显示出它的照明不均匀度约为50%，显然用这种照明方式，输出激光光斑上会出现两个强区，这就是ADA012579专利中所描述照明器的缺点。

为提高固体激光器在高平均功率输出时获得的激光亮度，采用板状激光介质，其照明条件应是一维温度场，因此必须寻求一个特殊结构的聚光腔系统。本发明正是获得均匀照明的聚光腔结构。

本发明的板状激光腔的聚光照明器包含双椭圆聚光腔，泵浦光源与激光介质及其冷却系统和支撑结构。其结构的剖面图示于图3。聚光腔是一个双椭圆，椭圆度e＝ (c)/(a) ，a 2 - b 2]]>)，式中a与b分别是椭圆的长轴与短轴：

(Z²)/(a²) + (y²)/(b²) = 1

带有冷却水套管的泵浦灯分别位于两个椭圆的焦点上，激光介质板的横截面（yz面）中心位于两个椭圆的公共焦点上，泵浦灯从激光介质板的两个全内反射面照射激光介质而使其获得粒子数反转。激光介质板放在一个圆玻璃冷却水套管6内，可以容易地通水冷却。管内有两个玻璃条5（见图3）与激光介质板两侧面分别连接在一起，以获得垂直于双椭圆焦点连线（y）方向的热绝缘。管内还有一对柱面透镜9，它们是平凸柱面透镜，其轴向平面垂直于双椭圆的三个焦点连线，柱面透镜凸面和圆玻璃管内壁紧密配合，密合得两者之间无冷却水流过。激光介质板的大平面也垂直于双椭圆的三个焦点连线，柱面透镜的轴向平面和激光介质板之间形成薄的水流层8，以增大冷却水的流速，提高冷却效果。

设平凸柱面透镜的曲率半径为r，其厚度为d，泵浦灯冷却水套管之半径为r₁，与激光介质板的两个侧面相连接的玻璃条Y方向上的厚度为l₁，水流层厚度为l₂，激光介质板的宽，厚两个尺寸为y₀，z₀，则柱面透镜的半径r与厚度d可从一组关系式中选取：

r＝l₁+y₀/2

d＝r-（l₂+z₀/2）

r₁+r＜2c