CN101282021A - 一种可提高效率和均匀性的泵浦方法及板条型固体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可提高效率和均匀性的泵浦方法及板条型固体激光器，其特征在于：将激光器中的板条型增益介质的至少一个非冷却表面作为泵浦面，在所述泵浦面上镀制对泵浦波长的高反射光学薄膜作为反射膜，在所述反射膜上设置与泵浦源的数量相应的使泵浦光能够透射进入所述板条型增益介质的透光狭缝。本发明的泵浦光在板条型增益介质内部多次反射，提高了增益介质对泵浦光的吸收效率和吸收均匀性。本发明将激光介质与多次反射泵浦腔结合在一起，结构简单，易于实现，可以有效解决板条型激光器泵浦效率和均匀性较低以及泵浦功率可扩展性较差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种泵浦方法及激光器，特别是关于一种可提高效率和均匀性的泵浦方法及板条型固体激光器。
背景技术
激光自1960年发明以来，已经迅速成为社会进步发展的主要推动力量。固体激光器是应用最为广泛的一类激光器，涉及科学研究、生产加工、国防军事、医疗生物等各个领域。固体增益介质受热影响产生热透镜效应和热致双折射，导致激光器的输出功率和光束质量受到限制，是制约固体激光器进一步发展和普及应用的重要因素。传统固体激光器的增益介质一般为圆棒状，其轴对称结构使热效应形成比较规则的热透镜，便于抑制；但圆棒状介质散热效果不好，热影响非常严重，采用各种抑制措施的结果不太理想，为了改善散热效果，逐渐将激光介质发展为板条形状，既加大了散热面积，加快了散热速度，又将二维热效应简化为一维热效应，使热效应得到了极大程度的抑制。
现有技术对板条型固体激光器的泵浦主要采用以下几种方式：泵浦光3从端面入射的端面泵浦(如图10所示)、泵浦光3从侧面入射的侧面泵浦(如图11所示)、泵浦光3从边缘入射的边缘泵浦(如图12所示)和泵浦光3从角上入射的角泵浦(如图13所示)等。端面泵浦结构的吸收光程比较长，从而泵浦光被充分吸收，泵浦效率高。但由于端面面积小，泵浦光的功率可扩展性差，同时耦合结构比较复杂，泵浦光能量分布的均匀性也比较差。
侧面泵浦结构中，在增益介质上保持一维的温度梯度分布，有效地改善了激光增益介质的热效应，泵浦功率可扩展性好。但是泵浦光的吸收光程较短，不能被充分吸收，同时泵浦面与散热面重合，必须采用复杂结构进行处理。1996年，A.Faulstich等报道了一种新型的侧面泵浦结构(如图14所示)，在板条的冷却表面11附近设置开有狭缝12的反射镜13使泵浦光从狭缝透射进入，反射镜上镀制的高反射光学薄膜使泵浦光在增益介质中多次反射(详见A.Faulstich，H.J.Baker，and D.R.Hall，Face pumping of thin，solid-state slab lasers with laserdiodes，Opt.Lett.21，594(1996))。此泵浦结构解决了侧面泵浦吸收光程短的问题，但此结构的泵浦面和冷却表面重合，使系统复杂化。
边缘泵浦结构也具有一维热效应分布和泵浦功率可扩展性好的优点，但泵浦光通过增益介质次数很少，泵浦吸收效率低，均匀性差。角泵浦结构中，吸收长度长，泵浦光吸收充分，同时结合热键合技术，采用中间掺杂四周不掺杂的复合板条可获得很高的泵浦功率密度和泵浦均匀性，但是由于键合面非绝热，板条结构存在二维温度梯度分布。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提出一种可提高效率和均匀性的泵浦方法及板条型固体激光器。
为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：一种可提高效率和均匀性的泵浦方法，其特征在于：将激光器中的板条型增益介质的至少一个非冷却表面作为泵浦面，在所述泵浦面上镀制对泵浦波长的高反射光学薄膜作为反射膜，在所述反射膜上设置与所述泵浦源数量相同的透光狭缝，使泵浦光从所述反射膜的狭缝进入板条型增益介质后，在所述板条型增益介质内经多次反射，而提高泵浦效率和均匀性。
在上述方法中，可以在所述板条型增益介质上除冷却面和泵浦面以外的其它表面也镀制反射膜。
在上述方法中，可以在所述板条型增益介质内设置至少一个掺杂区域。
一种采用上述方法的板条型固体激光器，它包括泵浦源，板条型增益介质，所述泵浦源发出的泵浦光入射或经耦合系统入射至所述板条型增益介质，其特征在于：所述增益介质的至少一个非冷却表面作为泵浦面，在所述泵浦面上镀制对于泵浦波长的高反射光学薄膜作为反射膜，所述反射膜上具有与所述泵浦源数量相同的使泵浦光能够透射进入所述板条型增益介质的透光狭缝。
所述板条型增益介质上除冷却面和泵浦面以外的其它表面也镀制有反射膜。
所述板条型增益介质内设置有至少一个掺杂区域。
所述掺杂区域的截面形状为矩形或圆形。
所述增益介质为固体激光增益介质、激光晶体、激光玻璃介质、激光塑料介质和激光陶瓷介质之一。
所述泵浦源是单条的或多条的激光二极管，
激光在所述增益介质中的传输采用直通光路或锯齿形光路中的一种。
所述泵浦源的泵浦方式为连续式或脉冲式中的一种。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明方法将板条型增益介质的至少一个非冷却表面作为泵浦面，在泵浦面上镀制留有狭缝的光学反射膜，使泵浦光从反射膜的狭缝进入板条型增益介质，并在板条型增益介质内经过多次反射，因此可以实现提高本发明泵浦效率和泵浦均匀性的目的。2、本发明在冷却面和泵浦面以外的其它表面也设置反射膜，因此可以使板条型增益介质的内部表面形成一个对泵浦光近似封闭的反射腔体，泵浦光在板条型增益介质中多次反射，几乎全部被板条型增益介质吸收，只有很少一部分逸出，因此可以进一步提高泵浦效率和泵浦均匀性。3、本发明在板条型增益介质中设置掺杂区域，可以保证中间区域吸收的泵浦光均匀性很好，很大程度上解决了单一增益介质时板条边缘区域吸收泵浦光比中间区域少的问题。4、采用本发明方法制作的板条型固体激光器，可以实现较长的吸收路径和较高的吸收效率，进而提高激光器的总体效率；并可达到更高的泵浦功率密度和更好的泵浦均匀性。本发明结构简单，易于实现，泵浦效率高，泵浦均匀性和泵浦功率可扩展性好，能实现板条型固体激光器的高光-光转换效率和高功率输出运转，本发明可以广泛用于各种板条型固体激光器中。
附图说明
图1是本发明结构示意图
图2是本发明另一实施例结构示意图
图3是本发明在板条型增益介质表面的镀膜的情况示意图
图4是图2的工作原理示意图
图5是本发明采用锯齿形光路进行激光传输示意图
图6是本发明采用另一种锯齿形光路进行激光传输示意图
图7是本发明含有掺杂区域的板条的结构示意图
图8是图7中B-B剖面的矩形横截面示意图
图9是图7中B-B剖面的圆形横截面示意图
图10是一般板条端面泵浦方法的结构示意图
图11是一般板条侧面泵浦方法的结构示意图
图12是一般板条边缘泵浦方法的结构示意图
图13是一般板条角泵浦方法的结构示意图
图14是A.Faulstich报道中的板条侧面泵浦方法的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明的板条型固体激光器包括泵浦源1，耦合系统2，泵浦光3和板条型增益介质4，板条型增益介质4有六个表面。泵浦光3由泵浦源1发出，经耦合系统2入射到板条型增益介质4。其中泵浦源1和耦合系统2的数量可以是一个或多个，板条型增益介质4可以采用两个非冷却表面作为泵浦面，也可以只有一个泵浦面(如图2所示)，板条型增益介质4的上下两个端面可以作为冷却表面。本发明方法是在泵浦面上镀制具有透光狭缝5的反射膜6(如图3所示)，反射膜6为对于泵浦波长的高反射光学薄膜，狭缝5的数量与泵浦源1数量相应，泵浦光3能够经过狭缝5透射进入板条型增益介质4的内部，板条型增益介质4的其它表面可以镀制同样的反射膜6，也可以不镀制。
如图2、图4所示，本实施例中，板条型增益介质4只有一个泵浦面，五个作为泵浦光源1的激光二极管阵列通过耦合系统2对板条型增益介质4进行泵浦。板条型增益介质4的四个侧面都镀制有反射膜6，其中作为泵浦面的前侧面上的反射膜6上留有五个尺寸与耦合系统2出射泵浦光3的尺寸相匹配的狭缝5，供泵浦光3透射进入板条型增益介质4，被传输激光的入射光束7和出射光束8如粗箭头所示。板条型增益介质4上下端面作为冷却表面，与热沉相接触。由于板条型增益介质4的四个表面都设置有反射膜6，因此板条型增益介质4的内部表面构成一个对泵浦光3近似封闭的反射腔体，泵浦光3在板条型增益介质4中多次反射，几乎全部被板条型增益介质4吸收，只有很少一部分逸出，实现了很高的泵浦效率和泵浦均匀性。
上述两实施例只是给出了板条型固体激光器的一、两种泵浦结构和镀制光学薄膜的情况，并没有描述所有的可能。实际上，板条型增益介质4还可以采用端面泵浦、角泵浦等方式，只要将板条型增益介质4的非冷却表面作为泵浦面，并在泵浦面上镀制留有狭缝5使泵浦光3进入的反射膜6，就可以实现泵浦光3在板条型增益介质4内部的多次反射，即为本发明所涵盖的范围。
本发明板条型固体激光器的激光传输可采用直通光路或者锯齿形光路传输。如图5所示，锯齿形光路可以在一定程度上均化板条型增益介质4内部的温度梯度，降低热透镜效应和应力双折射效应。锯齿形光路可以具有各种不同的形式，比如激光传输的入射光束7和出射光束8位于相反的两端；再比如：入射光束7和出射光束8位于同一端(如图6所示)；还可以有其它传输方式，不再一一列举。
上述各实施例中，板条型增益介质4由固体激光材料构成，其横截面采用长方形或者正方形。板条型增益介质4可以为单一的激光增益介质，也可以包括一个或多个掺杂区域，如图7所示，在板条型增益介质4的中心部分包括一个掺杂区域9，四周为未掺杂材料。掺杂区域9的横截面可以是矩形(如图8所示)，或者圆形(如图9所示)，还可以是其它形状。
上述各实施例中，泵浦源1可以是单条的或多条的激光二极管，泵浦光3入射方式可以是经透光狭缝5直接入射到板条型增益介质4内部，也可以通过光学耦合系统2耦合到板条型增益介质4内部。
上述实施例中，板条型增益介质4吸收泵浦光3的区域温度会升高，为了冷却板条型增益介质4，可以采用不同的冷却方法，传导和对流冷却系统都是适合的。泵浦源的泵浦方式可以是连续的，也可以是脉冲的。
Claims (11)
1. 一种可提高效率和均匀性的泵浦方法，其特征在于：将激光器中的板条型增益介质的至少一个非冷却表面作为泵浦面，在所述泵浦面上镀制对泵浦波长的高反射光学薄膜作为反射膜，在所述反射膜上设置与所述泵浦源数量相同的透光狭缝，使泵浦光从所述反射膜的狭缝进入板条型增益介质后，在所述板条型增益介质内经多次反射，而提高泵浦效率和均匀性。
2. 一种可提高效率和均匀性的泵浦方法，其特征在于：在所述板条型增益介质上除冷却面和泵浦面以外的其它表面也镀制反射膜。
3. 如权利要求1或2所述的一种可提高效率和均匀性的泵浦方法，其特征在于：在所述板条型增益介质内设置至少一个掺杂区域。
4. 一种采用权利要求1～3所述方法的板条型固体激光器，它包括泵浦源，板条型增益介质，所述泵浦源发出的泵浦光入射或经耦合系统入射至所述板条型增益介质，其特征在于：所述增益介质的至少一个非冷却表面作为泵浦面，在所述泵浦面上镀制对于泵浦波长的高反射光学薄膜作为反射膜，所述反射膜上具有与所述泵浦源数量相同的使泵浦光能够透射进入所述板条型增益介质的透光狭缝。
5. 如权利要求4所述的一种板条型固体激光器，其特征在于：所述板条型增益介质上除冷却面和泵浦面以外的其它表面也镀制有反射膜。
6. 如权利要求4或5所述的一种板条型固体激光器，其特征在于：所述板条型增益介质内设置有至少一个掺杂区域。
7. 如权利要求6所述的一种板条型固体激光器，其特征在于：所述掺杂区域的截面形状为矩形和圆形中的一种。
8. 如权利要求4或5或6或7所述的一种板条型固体激光器，其特征在于：所述增益介质为固体激光增益介质、激光晶体、激光玻璃介质、激光塑料介质和激光陶瓷介质之一。
9. 如权利要求4或5或6或7或8所述的一种板条型固体激光器，其特征在于：所述泵浦源是单条的或多条的激光二极管。
10. 如权利要求4或5或6或7或8或9所述的一种板条型固体激光器，其特征在于：激光在所述增益介质中的传输采用直通光路或锯齿形光路中的一种。
11. 如权利要求4或5或6或7或8或9或10所述的一种板条型固体激光器，其特征在于：所述泵浦源的泵浦方式为连续式或脉冲式中的一种。
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