CN101499615A - 一种高功率半导体泵浦激光器和放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光领域，尤其涉及激光器和放大器领域。本发明将半导体激光器阵列通过柱面透镜准直后，不需要聚焦直接端面泵浦板条型激光增益介质，由板条状增益介质前端面与后腔镜组成谐振腔，并在腔内利用棱镜或棱镜对压缩光束长轴方向，从而获得接近圆光斑的激光输出。本发明可用以制作高功率基波、倍频光、调Q、连续光等各种所需激光输出。本发明在高功率泵浦系统中为了减少热效应的影响，可以实现更加稳定的功率输出以及好的光束质量，是一种高功率半导体泵浦激光器或放大器。

Description

一种高功率半导体泵浦激光器和放大器
技术领域
本发明涉及激光领域，尤其涉及激光器和放大器领域。
背景技术
半导体泵浦的固体激光器在高功率泵浦的情况下，激光增益介质存在热效应的异常，如在Nd3+:YVO4晶体中，其严重影响到激光器的功率稳定性、光束质量和激光效率等。尤其是在传统的端面泵浦棒状增益晶体中，会形成严重的热透镜，同时热效应还会引起晶体端面凸起，这种情况对于微片式固体激光器会直接影响其谐振腔内的模式分布，从而影响到整体的激光性能，因此这种结构也只在中低功率适用。因此，在高功率泵浦系统中为了减少热效应的影响，常采用侧面泵浦或者多LD阵列侧面泵浦等多种泵浦方式，使得泵浦光能够被比较均匀的吸收；以及改变增益介质的形状，如板条型、圆盘型等，其泵浦面积比较大而且散热更容易。
发明内容
针对上述问题，本实用新型设计了一种新型的泵浦系统来解决。本发明的技术方案如下：
本发明的高功率半导体泵浦激光器，是将LD阵列巴条通过柱面透镜准直后端面泵浦板条型激光增益介质，然后利用置于腔内棱镜对压缩长轴方向，从而获得高功率接近圆光斑的激光输出。
进一步的，所述的LD阵列巴条通过柱面透镜准直后与板条型激光增益介质的长端面匹配，使得泵浦光能够比较均匀的被吸收，减少热效应的影响。
进一步的，所述的激光增益介质可为其它不同基质不同掺杂离子的激光晶体，若优选的增益介质是Nd3+:YVO4晶体，则还可以为不同掺杂浓度的Nd3+:GdVO4、Nd3+:YAG、Nd3+:YLF、Yb3+:YAG、Er3+:YAG等等。
进一步的，上述的压缩光束的棱镜对是不同放置位置的直角合束棱镜对。可将长轴方向的光束压缩十倍甚至几十倍，提高功率输出密度并且可获得接近圆光斑的激光输出，而且压缩棱镜对可以根据实际设计不同的结构以获得所需的压缩倍率。
进一步的，所述的板条状增益介质前端面与后腔镜形成谐振腔，在腔中可加入其它光学元件，如标准具、布儒斯特片或者是LBO、BBO、KTP等非线性晶体。用来实现单模运转和频率转换，而且经过压缩棱镜对压缩之后的光束功率密度高，会有比较高的非线性转换效率，除此之外还可设计实现调Q激光输出等。
进一步的，所述激光器可由PBS棱镜实现多级级联泵浦，将多个LD阵列通过PBS棱镜在板条型增益介质的两端同时泵浦，并且实现多个增益介质的级联泵浦，形成多级级联泵浦器件。
所述的高功率半导体泵浦激光器可作为一种高功率半导体激光器泵浦放大器，由前置棱镜对将光束进行扩束，然后经多级级联泵浦的方式通过增益介质放大，再通过对称放置的棱镜对压缩扩束放大后的光束，以获得所需的圆光斑输出。
本发明采用如上技术方案，在高功率泵浦系统中为了减少热效应的影响，可以实现更加稳定的功率输出以及好的光束质量，是一种高功率半导体泵浦激光器或放大器。
附图说明
图1(a)是本发明的第一种结构示意图；
图1(b)的A-A面为增益介质前端面；
图2(a)是本发明的级联泵浦器件结构示意图，
图2(b)为等效多透镜系统示意图；
图3是本发明的渐进掺杂浓度增益介质结构示意图，
图4(a)是本发明的级联式端面泵浦结构示意图；
图4(b)是本发明的级联式泵浦放大器结构示意图。
具体实施方式
现结合附图说明和具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明设计了一种新型的泵浦系统，采用高功率LD巴条通过柱面透镜准直，然后从端面泵浦进入板条型的增益介质中，而且在增益介质的两端光胶两块空白晶体用来限制热效应引起的表面凸起，如在Nd3+:YVO4晶体两端光胶YVO4晶体，同时可采用侧面水冷的方式进行散热。需要注意的是，系统中板条型增益介质端面是长方向端面，这与传统的板条泵浦方式有所不同，这样的设计是为了让LD巴条不用聚焦就可以直接耦合进入增益介质中，而且泵浦吸收更加均匀，也同时避免了可能出现的热损伤。然后在腔内采用棱镜或者棱镜对压缩长轴方向，从而获得高功率接近圆斑的激光输出。
如图1(a)所示，本发明的高功率半导体泵浦激光器主要由这几部分组成：高功率LD阵列、板条型激光增益介质、压缩棱镜对、其它光学元件和光学谐振腔等。其中，101为LD阵列，可采用10cm长的1千瓦LD阵列巴条，102为柱面透镜；103可用0.1％掺杂浓度的Nd3+:YVO4晶体制作10cm×1cm×2mm板条状激光增益介质，其中端面为10cm×2mm的长条面，与10cm长的LD阵列泵浦匹配；图1(b)中A-A面阴影区域表示了端面对应的泵浦区域；其中LD阵列巴条101通过柱面透镜102准直快轴方向，因此泵浦光可以比较均匀的被激光增益介质103吸收，并且不需要聚焦直接耦合进入激光增益介质；由激光增益介质103的前端面与输出腔镜106组成谐振腔；在腔中加入棱镜或者棱镜对104A、104B压缩长轴方向的光束，可将长轴方向的光束压缩十倍甚至几十倍，提高功率输出密度并且可获得接近圆光斑的激光输出；因此同时实现了高功率泵浦、减少热效应影响又获得了稳定的高功率输出。在腔中还可以加入其它光学元件105如标准具、布儒斯特片等实现单纵模的运转，或者是BBO、LBO和KTP等非线性晶体实现频率转换等。
在图2(a)中所示，2011、2012、2013、......201n为不同位置放置的LD阵列，分别利用2021、2022、2023、......202n柱面透镜准直，并采用PBS方法将多个LD阵列同时泵浦在增益介质2031、......203n的两端面，可实现多级增益介质级联，形成多级端面泵浦器件，图中2042、2043......204n为PBS棱镜可采用纯YVO4晶体制作；图中元件205为图1中所示的压缩棱镜对104A、104B，后腔镜206与激光增益介质2031的前端面组成谐振腔。在本发明中采用PBS的方法也是减少热效应影响的方法之一，其等效为腔多透镜系统，如图2(b)所示。
在图3中所示板条型的激光增益介质可采用渐进浓度Nd3+:YVO4晶体通过深化光胶构成一体，不同板层的掺杂浓度可以使纵向泵浦吸收更加均匀，图中301和30n可为无掺杂YVO4晶体，302、303、......30(n-1)为不同掺杂浓度增益介质，在此可根据实际情况设计板层中不同的掺杂浓度，如仅单端面泵浦，则302、303、......30(n-1)浓度依次增加，若双端面泵浦，则两端浓度低并向中心掺杂浓度依次增加。
本发明所设计的高功率半导体泵浦放大器结构如图4(a)、图4(b)中所示，其中4011、4012为对称放置的棱镜对，在图4(b)中可看到棱镜对4011将光束在一个方向上扩束，棱镜对4012则将扩束放大之后的光束再次压缩，以形成所需的圆光斑输出；在图4(a)中4051、4052为放大器中的增益介质，通过PBS方法将LD阵列4021、4022、4023、4024同时泵浦在增益介质两端，4031、4032、4033、4034分别对应柱面准直透镜，4041、4042、4043、4044分别对应PBS棱镜。同样可以形成多级级联泵浦放大器，其增益放大介质亦可采用渐进掺杂浓度。
可以看到本发明的新型结构与传统的泵浦系统相比较能够很好的适应高功率的运转，其特点就在于通过端面大面积的泵浦减少热效应的影响，并且不需要聚焦泵浦光从而避免了热损伤，然后再通过棱镜对压缩光束得到高功率密度和好的光束质量输出。理论上讲采用柱透镜亦可以实现压缩光束的效果，但相比较棱镜对，要实现十倍甚至几十倍的压缩比率似乎没有棱镜对简单可靠。因此，本发明中的设计可能使Nd3+:YVO4晶体用于几十瓦至上千瓦量级的泵浦系统中，可以实现更加稳定的功率输出以及好的光束质量，还可以通过在腔中增加其它用途的光学元件用来实现单模运转、频率转换以及调Q等。另外，需要注意的是，在本发明中优选实施方式所考虑的Nd3+:YVO4晶体，还可以为其它不同基质不同掺杂离子的增益介质，如Nd3+:GdVO4、Nd3+:YAG、Nd3+:YLF、Yb3+:YAG、Er3+:YAG等等。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高功率半导体泵浦激光器，其特征在于：将LD阵列巴条通过柱面透镜准直后端面泵浦板条型激光增益介质，然后利用置于腔内棱镜对压缩长轴方向，从而获得高功率接近圆光斑的激光输出。
2.如权利要求1所述的高功率半导体泵浦激光器，其特征在于：所述的LD阵列巴条通过柱面透镜准直后与板条型激光增益介质的长端面匹配。
3.如权利要求1或2所述的高功率半导体泵浦激光器，其特征在于：所述的激光增益介质可为Nd3+:YVO4晶体，掺杂不同浓度的Nd3+:GdVO4、Nd3+:YAG、Nd3+:YLF、Yb3+:YAG、Er3+:YAG。
4.如权利要求1所述的高功率半导体泵浦激光器，其特征在于：所述的棱镜对是不同放置位置的直角合束棱镜对。
5.如权利要求1所述的高功率半导体泵浦激光器，其特征在于：所述的板条状增益介质前端面与后腔镜形成谐振腔，在腔中可加入其它光学元件，如标准具、布儒斯特片或者是LBO、BBO、KTP等非线性晶体。
6.如权利要求1-5任一所述的高功率半导体泵浦激光器，其特征在于：所述激光器可由PBS棱镜实现多级级联泵浦，将多个LD阵列通过PBS棱镜在板条型增益介质的两端同时泵浦，并且实现多个增益介质的级联泵浦，形成多级级联泵浦器件。
7.如权利要求1所述的激光器结构的放大器，其特征在于：由前置棱镜对将光束进行扩束，然后经多级级联泵浦的方式通过增益介质放大，再通过对称放置的棱镜对压缩扩束放大后的光束，以获得所需的圆光斑输出。
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