CN100452574C - 端面泵浦激光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光技术领域，其特征在于，它有两个泵浦源，两块增益介质，以及两个泵浦源共用的双色镜，用多个这样的端面泵浦激光系统可组成多级结构的激光系统，其中，前一级增益模块的第二个增益介质和后一级增益模块的第一个增益介质可合成一个；该端面泵浦激光系统可以加上全反镜和输出镜，可以组成谐振腔。它具有结构紧凑，输出功率高，光束质量好的优点。

Description

端面泵浦激光系统
技术领域
本发明属于激光器技术领域。
背景技术
高功率和高光束质量的激光器在很多方面具有很重要的应用。端面泵浦是一种重要的泵浦方式，它可以有效利用泵浦模式和激光模式的匹配，得到高效率和高光束质量输出。一种“Z”字型的高功率输出双端泵浦结构，由一个全反镜和一个输出镜构成谐振腔，另有两个双色镜，一块激光晶体和两个泵浦源，两个泵浦源发出的泵浦光分别通过两个双色镜入射到激光晶体的两个端面上，该结构能够得到数十瓦的基模输出(详见美国专利6185235，Lasers withlow doped gain media和文献Norman Hodgson，Kim Griswold，Wil Jordan，Steve L.Knapp，AmyA.Peirce，Chis C.Pohalski，Emily Cheng，John Cole，Dave R，Dudley，Alan B.Petersen，William L.Nighan jr.，High power TEM00 mode operation of diode-pumped solid-state lasers，SPIE Vol.3611，1999，119-131)。该种“Z”结构不仅被应用于振荡器，也被用于放大器(详见Charles X.Wang，Gary Y.Wang，Acle V.Hicks，David R.Dudley，Henry Y.Pang，Norman Hodgson，high powerQ-switched TEM00 mode diode-pumped solid state laser with＞30W output power at 355nm，SPIEVol.6100，2006，610019-1～610019-14)。
“Z”字型结构，也可以使用两块激光晶体和两个双色镜，每块晶体只有一个端面被泵浦，即两个泵浦源的两束泵浦光分别通过两个双色镜，之后分别泵浦到两块晶体上，该种结构也能得到较高功率输出(详见张瑛，侯玮，姚爱云，杨晓东，李瑞宁，崔大复，许祖彦，26Wnear diffraction limited Q-switched green laser based on a diode-end-pumped master oscillatorpower amplifier，Chinese Physics Vol.13 No 11，2004，1877-1880和石朝辉，牛岗，张瑛，裴博，樊仲维，高平均功率高重复频率固态双Nd:YVO4基模激光器，光电子·激光，Vol.17 No.7，2006，845-848)。该种结构也可以被用在放大器上(详见M.J.Yarrow，J.W.Kim，W.A.Clarkson，Highpower single-frequency continuous-wave and pulsed Nd:YVO4 master oscillator power amplifier，ASSP 2006，MC6)。
一种L腔也被广泛用于基模输出端面泵浦的谐振腔里，与“Z”字型相比，特点是其中一个双色镜和全反镜是同一个镜片(详见Y.F.Chen，T.M.Huang，C.C.Liao，Y.P.Lan，and S.C.Wang，Efficient high-power diode-end-pumped TEM00 Nd:YVO4 laser，IEEE Photonics TechnologyLetters Vol.11，No.10，1999，1241-1243)。
使用直腔，然后在腔外加双色镜把激光和泵浦光分离，腔内两块晶体都靠近谐振腔镜，两个泵浦源分别泵浦一块晶体，可以得到30W的基模输出(详见Yung-Fu，Chen，Y.P.Lan，S.C.Wang，Efficient high-power diode-end-pumped TEM00 Nd:YVO4 laser with a planar cavity，OpticsLetters，Vol.25，No.14，2000，1016-1018)。
这些结构的特点是每一个泵浦源都对应着一个双色镜。
发明内容
本发明的提出一种端面泵浦激光系统，它有两个泵浦源，两个泵浦源共用一个双色镜，可以用多个这样的单元装置组合成多级结构的激光系统，从而能够得到紧凑的高功率和高光束质量输出的激光器。
本发明的技术方案如下：
含有：第一增益介质)，第二增益介质，第一泵浦源，第二泵浦源，第一耦合系统，第二耦合系统和一个双色镜组成，其中：第一泵浦源发出的第一束泵浦光经第一耦合系统聚焦，通过双色镜，入射到第一增益介质的端面上，第二泵浦源发出的第二束泵浦光经第二耦合系统聚焦，通过双色镜，入射到第二增益介质的端面上；入射激光经过第一增益介质，然后在双色镜上反射一次，然后经过第二增益介质，成为出射激光。
所述双色镜的一个端面上镀有对第一束泵浦光和第二束泵浦光的增透膜，另一个端面上镀有对入射激光和出射激光高反的膜。
所述第一增益介质和第二增益介质两者之一或两者都是Nd:YVO4，或Nd:GdVO4，或Nd:YAG晶体。
所述第一泵浦源和第二泵浦源是尾纤耦合输出的半导体激光器。
所述第一耦合系统和第二耦合系统中两者之一，或者两者都有元件位于入射激光和出射激光的光路上。
泵浦激光系统，由多级如前所述的端面泵浦激光系统组成，其中，上一级端面泵浦激光系统的出射激光为下一级端面泵浦激光系统中第一增益介质的入射激光。
所述上一级端面泵浦激光系统中的第二增益介质和所述下一级端面泵浦激光系统中的第一增益介质是一个共用的增益介质。
泵浦激光系统，含有：第一增益介质，第二增益介质，第一泵浦源，第二泵浦源，第一耦合系统，第二耦合系统，双色镜，全反镜和输出镜组成。全反镜和输出镜组成谐振腔。第一泵浦源发出的第一束泵浦光经第一耦合系统聚焦，通过双色镜，入射到第一增益介质的端面上，第二泵浦源发出的第二束泵浦光经第二耦合系统聚焦，通过双色镜，入射到第二增益介质的端面上，激光在腔内谐振，谐振过程中依次经过全反镜，第一增益介质，然后在双色镜上反射一次，然后经过第二增益介质，然后经过输出镜，输出激光从输出镜输出，全反镜镀对激光的高反膜，输出镜镀对激光的部分反射膜。Q开关位于所述激光的光路上。
本发明结构紧凑，光束质量好，可以降低热效应带来的负面影响，能够向高功率扩展。
附图说明
图1是本发明的第一个实施例的示意图。
图2是本发明的第二个实施例的示意图。
图3是本发明的第三个实施例的示意图。
图4是本发明的第四个实施例的示意图。
图5是本发明的第五个实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来进一步说明本发明。
图1所示为本发明的第一个实施例的示意图。所述端面泵浦激光系统由第一增益介质11，第二增益介质12，第一泵浦源21，第二泵浦源22，第一耦合系统31，第二耦合系统32和双色镜4组成。第一泵浦源21发出的第一束泵浦光51经第一耦合系统31聚焦，通过双色镜4，入射到第一增益介质11的端面上，第二泵浦源22发出的第二束泵浦光52经第二耦合系统32聚焦，通过双色镜4，入射到第二增益介质12的端面上。入射激光61经过第一增益介质11，然后在双色镜4上反射一次，然后经过第二增益介质12，出射激光记为出射激光62。第一耦合系统31和第二耦合系统32没有组成元件在入射激光61和出射激光62的光路上。第一泵浦源21和第二泵浦源22的共用一个双色镜，即双色镜4。
第一增益介质11吸收第一泵浦光21，第二增益介质12吸收第二泵浦光22。
第一双色镜4镀有对第一束泵浦光51和第二束泵浦光52的增透膜，镀有对入射激光61和出射激光62的高反膜。镀膜后，双色镜4对第一束泵浦光51和第二束泵浦光52有少量反射，通过调节第一耦合系统31，可以防止第一束泵浦光51被双色镜4少量反射进入第二泵浦源22，通过调节第二耦合系统32，可以防止第二束泵浦光52被双色镜4少量反射进入第一泵浦源21。双色镜4可以是镜片或棱镜。
第一增益介质11和第二增益介质12两者之一或两者都是Nd:YVO4，或Nd:GdVO4，或Nd:YAG晶体，也可以是其它增益介质。
第一泵浦源21和第二泵浦源22，可以是尾纤耦合输出的半导体激光器(fiber-coupled laserdiode)。
该端面泵浦激光系统可以作为激光放大器使用。
图2所示为本发明的第二个实施例的示意图。其结构和第一个实施例基本相同。所述端面泵浦激光系统由第一增益介质11，第二增益介质12，第一泵浦源21，第二泵浦源22，第一耦合系统31，第二耦合系统32和双色镜4组成。第一泵浦源21发出的第一束泵浦光51经第一耦合系统31聚焦，通过双色镜4，入射到第一增益介质11的端面上，第二泵浦源22发出的第二束泵浦光52经第二耦合系统32聚焦，通过双色镜4，入射到第二增益介质12的端面上。入射激光61经过第一增益介质11，然后在双色镜4上反射一次，然后经过第二增益介质12，出射激光记为出射激光62。第一耦合系统31和第二耦合系统32两者之一，或者都有元件在第一入射激光61和第一出射激光62的光路上。图2中两者都有元件在入射激光61和出射激光62的光路上。
图3所示为本发明的第三个实施例的示意图，展示了本发明所述第一个实施例的单元装置的串联应用。系统由两级端面泵浦激光系统组成，可用于激光的多级放大。
所述第一级端面泵浦激光系统由第一增益介质111，第二增益介质121，第一泵浦源211，第二泵浦源221，第一耦合系统311，第二耦合系统321和双色镜41组成。第一泵浦源211发出的第一束泵浦光511经第一耦合系统311聚焦，通过双色镜41，入射到第一增益介质111的端面上，第二泵浦源221发出的第二束泵浦光521经第二耦合系统321聚焦，通过双色镜41，入射到第二增益介质121的端面上。入射激光611经过第一增益介质111，然后在双色镜41上反射一次，然后经过第二增益介质121，出射激光记为出射激光621。
所述第二级端面泵浦激光系统由第三增益介质112，第四增益介质122，第三泵浦源212，第四泵浦源222，第三耦合系统322，第四耦合系统312和双色镜42组成。第三泵浦源212发出的第三束泵浦光512经第三耦合系统312聚焦，通过双色镜42，入射到第三增益介质112的端面上，第四泵浦源222发出的第四束泵浦光522经第四耦合系统322聚焦，通过双色镜42，入射到第四增益介质122的端面上。入射激光612经过第三增益介质112，然后在双色镜42上反射一次，然后经过第四增益介质122，出射激光记为出射激光622。
出射激光621从第一级端面泵浦激光系统出射后，进入第二级端面泵浦激光系统，成为第二入射激光612。根据系统的光束匹配需要，出射激光621在进入第二级端面泵浦激光系统之前，可以经过适当的耦合系统。
图4所示为本发明的第三个实施例的示意图，展示了本发明所述第三个实施例的一种变形结构。系统由两级端面泵浦激光系统组成。
所述第一级端面泵浦激光系统由第一增益介质111，第二增益介质121，第一泵浦源211，第二泵浦源221，第一耦合系统311，第二耦合系统321和双色镜41组成。第一泵浦源211发出的第一束泵浦光511经第一耦合系统311聚焦，通过双色镜41，入射到第一增益介质111的端面上，第二泵浦源221发出的第二束泵浦光521经第二耦合系统321聚焦，通过双色镜41，入射到第二增益介质121的端面上。入射激光611经过第一增益介质111，然后在双色镜41上反射一次，然后经过第二增益介质121，出射激光记为出射激光621。
所述第二级端面泵浦激光系统由第三增益介质112，第四增益介质122，第三泵浦源212，第四泵浦源222，第三耦合系统322，第四耦合系统312和双色镜42组成。第三泵浦源212发出的第三束泵浦光512经第三耦合系统312聚焦，通过双色镜42，入射到第三增益介质112的端面上，第四泵浦源222发出的第四束泵浦光522经第四耦合系统322聚焦，通过双色镜42，入射到第四增益介质122的端面上。入射激光612经过第三增益介质112，然后在双色镜42上反射一次，然后经过第四增益介质122，出射激光记为出射激光622。
和第三个实施例不一样的是，出射激光621就是入射激光612，第二增益介质112就是第三增益介质121。但第二泵浦光521和第三泵浦光512入射到第二增益介质121的不同端面。
第三个实例例和第四个实施例都是两级端面泵浦激光系统串联结构，实际上可以由更多的端面泵浦激光系统串联组成。
图5所示为本发明的第五个实施例的示意图，是该发明所述的端面泵浦激光系统的一个振荡器应用。所述实施例由第一增益介质11，第二增益介质12，第一泵浦源21，第二泵浦源22，第一耦合系统31，第二耦合系统32，双色镜4，全反镜7和输出镜8组成。全反镜7和输出镜8组成谐振腔。第一泵浦源21发出的第一束泵浦光51经第一耦合系统31聚焦，通过双色镜4，入射到第一增益介质11的端面上，第二泵浦源22发出的第二束泵浦光52经第二耦合系统32聚焦，通过双色镜4，入射到第二增益介质12的端面上。激光53在腔内谐振，谐振过程中依次经过全反镜7，第一增益介质11，然后在双色镜4上反射一次，然后经过第二增益介质12，然后经过输出镜8。谐振腔内激光53的光路上根据需要可加入Q开光9。输出激光62从输出镜8输出。全反镜镀7对激光53的高反膜，输出镜镀对激光53的部分反射膜。

Claims (9)

1.端面泵浦激光系统，其特征在于，含有：第一增益介质(11)，第二增益介质(12)，第一泵浦源(21)，第二泵浦源(22)，第一耦合系统(31)，第二耦合系统(32)和一个双色镜(4)，其中：第一泵浦源(21)发出的第一束泵浦光(51)经第一耦合系统(31)聚焦，通过双色镜(4)，入射到第一增益介质(11)的端面上，第二泵浦源(22)发出的第二束泵浦光(52)经第二耦合系统(32)聚焦，通过双色镜(4)，入射到第二增益介质(12)的端面上；入射激光(61)经过第一增益介质(11)，然后在双色镜(4)上反射一次，然后经过第二增益介质(12)，成为出射激光(62)。
2.根据权利要求1所述的端面泵浦激光系统，其特征在于，所述双色镜(4)的一个端面上镀有对第一束泵浦光(51)和第二束泵浦光(52)的增透膜，另一个端面上镀有对入射激光(61)和出射激光(62)高反的膜。
3.根据权利要求1所述的端面泵浦激光系统，其特征在于，所述第一增益介质(11)和第二增益介质(12)两者之一或两者都是Nd:YVO4，或Nd:GdVO4，或Nd:YAG晶体。
4.根据权利要求1所述的端面泵浦激光系统，其特征在于，所述第一泵浦源(21)和第二泵浦源(22)是尾纤耦合输出的半导体激光器。
5.根据权利要求1所述的端面泵浦激光系统，其特征在于，所述第一耦合系统(31)和第二耦合系统(32)中两者之一，或者两者都有元件位于入射激光(61)和出射激光(62)的光路上。
6.端面泵浦激光系统，其特征在于，由多级子系统组成，每一级子系统含有：第一增益介质(111)，第二增益介质(121)，第一泵浦源(211)，第二泵浦源(221)，第一耦合系统(311)，第二耦合系统(321)和一个双色镜(41)，其中，第一泵浦源(211)发出的第一束泵浦光(511)经第一耦合系统(311)聚焦，通过双色镜(41)，入射到第一增益介质(111)的端面上，第二泵浦源(221)发出的第二束泵浦光(521)经第二耦合系统(321)聚焦，通过双色镜(41)，入射到第二增益介质(121)的端面上；入射激光(611)经过第一增益介质(111)，然后在双色镜(41)上反射一次，然后经过第二增益介质(121)，成为出射激光(621)；其中，上一级子系统的出射激光(621)为下一级子系统中第一增益介质的入射激光(612)。
7.根据权利要求6所述的端面泵浦激光系统，其特征在于，所述上一级子系统中的第二增益介质和所述下一级子系统中的第一增益介质是一个共用的增益介质。
8.端面泵浦激光系统，其特征在于，含有：第一增益介质(11)，第二增益介质(12)，第一泵浦源(21)，第二泵浦源(22)，第一耦合系统(31)，第二耦合系统(32)，双色镜(4)，全反镜(7)和输出镜(8)，全反镜(7)和输出镜(8)组成谐振腔，第一泵浦源(21)发出的第一束泵浦光(51)经第一耦合系统(31)聚焦，通过双色镜(4)，入射到第一增益介质(11)的端面上，第二泵浦源(22)发出的第二束泵浦光(52)经第二耦合系统(32)聚焦，通过双色镜(4)，入射到第二增益介质(12)的端面上，激光(53)在腔内谐振，谐振过程中依次经过全反镜(7)，第一增益介质(11)，然后在双色镜(4)上反射一次，然后经过第二增益介质(12)，然后经过输出镜(8)，输出激光(62)从输出镜(8)输出，全反镜(7)镀对激光(53)的高反膜，输出镜(8)镀对激光(53)的部分反射膜。
9.如权利要求8所述的端面泵浦激光系统，其特征在于，Q开关(9)位于所述激光(53)的光路上。
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