CN101719620B - 端面泵浦的高功率激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种端面泵浦的高功率激光器，包括泵浦源、增益介质和激光谐振腔，所述的增益介质由渐变掺杂的晶体充当，在增益介质的泵浦端面，晶体的掺杂浓度最低；随着在增益介质中的位置远离泵浦端面，晶体的掺杂浓度越来越高；在增益介质的非泵浦端面，晶体的掺杂浓度最高。本发明采用渐变掺杂的晶体作为增益介质，获得光束质量好、光-光转换效率高和结构紧凑的端面泵浦的高功率激光器。

Description

端面泵浦的高功率激光器

技术领域

本发明涉及一种全固态激光器，具体是一种端面泵浦的高功率激光器。

背景技术

激光器按泵浦方式划分，可以分为端面泵浦激光器和侧面泵浦激光器。侧面泵浦是一种传统的泵浦方式，它的优点是泵浦光沿晶体轴向均匀分布，因此在增益介质轴向上热均匀分布，但是它的缺点是模式覆盖度差，激光阈值高，效率低。与侧面泵浦相比，端面泵浦方式可以实现泵浦光与激光之间较好的模式匹配，因此具有激光阈值低、泵浦效率高和结构紧凑等优点。随着工业和科学技术等领域对高功率激光器的需求，设计出输出功率高，光束质量好和结构紧凑的端面泵浦激光器已成为必需，而激光二极管设计和生产技术的进步为获得高输出功率的全固态激光器提供了先决条件。

目前为止，光纤耦合输出半导体激光器和激光二极管阵列的最大输出功率已达500W。但是在端面泵浦激光器中，由于泵浦光沿增益介质的轴向传播，在晶体的泵浦端面，泵浦光的强度最高，晶体的温度最高，热效应最严重；随着泵浦光远离增益介质的泵浦端面，泵浦光的强度越来越弱，晶体的温度越来越低，晶体的热效应也越来越弱，在晶体的非泵浦端面，泵浦光的强度最弱，晶体的温度最低，晶体的热效应最弱。因此，减轻激光晶体热效应的关键是减轻晶体泵浦端面的热效应。

为此，一些研究工作者采用低掺杂浓度的激光晶体作为增益介质的方法来减轻增益介质泵浦端面的热效应[U.S.Patent No.6185235B1]。降低增益介质的掺杂浓度可以减小增益介质对泵浦光的吸收系数(例如Nd:YVO₄晶体对808nm光的吸收系数可表达为a×ρ^b(cm^-1)，式中a和b是常数，ρ是晶体的掺杂浓度[IEEE.J.Quantum Electron，Vol-38，P-1291(2002)])，从而减轻晶体泵浦端面的热效应(见图1)。采用低掺杂浓度的激光晶体作为增益介质虽然能够减轻晶体端面的热效应，但是低掺杂浓度晶体的吸收系数较低，会影响增益介质对泵浦光的吸收效率。要达到同样的吸收效率，与高掺杂浓度的晶体相比，需要选用更长的低掺杂浓度晶体来弥补它吸收系数的不足(见图2)。但泵浦光束并不是单模衍射极限光束，对于相同腰斑的泵浦光和激光来说，泵浦光束有更大的发散角，因此泵浦光并不能在增益介质内处处与基模匹配，为了得到好的模式匹配因子，增益介质不能选取太长。因此，减轻热效应与泵浦光有效吸收就是一种矛盾。为了克服上述缺点，Mcdonagh等人采用未吸收的泵浦光经反射镜反射、透镜聚焦后二次泵浦的方法来提高吸收效率[Optics Letters，Vol-31，P-3297(2006)；OpticsLetters，Vol-32，P-802(2007)]。但是这种方法一方面提高了激光器系统的复杂性，另一面它并不适合在所有类型的激光器上使用。

因此，采取有效措施克服吸收效率低与热效应严重这一对矛盾，对高功率端面泵浦的激光器来说是非常必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种光束质量好、光-光转换效率高、结构紧凑的端面泵浦的高功率激光器。

为了克服高功率端面泵浦激光器中泵浦端面严重的热效应，本发明设计了渐变掺杂的激光晶体，并用它作为激光器的增益介质。在单一掺杂浓度的晶体作为增益介质的端面泵浦激光器中，泵浦光沿增益介质的轴向传播，在晶体的泵浦端面，泵浦光功率最高；随着泵浦光在增益介质中传播、吸收，泵浦光的功率越来越小。因此在端面泵浦激光器中，泵浦端面的热效应最严重，离泵浦端面越远，热效应越轻，非泵浦端面的热效应最轻。增益介质内不同部分的温度与该位置离泵浦端面的距离有关，在泵浦端面，增益介质的温度最高；离泵浦端面越远，温度越低；在非泵浦端面，增益介质的温度最低，呈指数规律分布(见图1)。增益介质对泵浦光的吸收系数与掺杂浓度有关，掺杂浓度越高，吸收系数越大；掺杂浓度越低，吸收系数越小。如果降低增益介质的掺杂浓度，会改善晶体端面的热效应，但又导致增益介质对泵浦光的吸收系数变小，影响增益介质对泵浦光的吸收效率。由于渐变式掺杂的晶体各部分的掺杂浓度不同，对泵浦光的吸收系数也不相等，我们设计了一个沿晶体轴向掺杂浓度单调增加或减小的渐变晶体作为增益介质，使增益介质的泵浦端面上，晶体的掺杂浓度最低；随着在增益介质中的位置远离泵浦端面，晶体的掺杂浓度越来越高；在增益介质的非泵浦端面，晶体的掺杂浓度最高。这种设计既减轻了增益介质泵浦端面的热效应又提高了增益介质其它部分对泵浦光的吸收，有效克服了热效应严重和吸收效率低这一对矛盾。但是渐变式掺杂的晶体不容易生长，因此首先要生长不同掺杂浓度的单一掺杂晶体，然后将单一掺杂浓度的晶体依据预先设计的尺寸键合起来，可得到渐变掺杂的晶体。

本发明提供的一种端面泵浦的高功率激光器，包括泵浦源、增益介质和激光谐振腔，所述的增益介质是渐变掺杂的晶体，在增益介质的泵浦端面，晶体的掺杂浓度最低；随着在增益介质中的位置远离泵浦端面，晶体的掺杂浓度越来越高；在增益介质的非泵浦端面，晶体的掺杂浓度最高。

所述的渐变掺杂的晶体，为两层以上键合在一起的层状结构的晶体，同一层的掺杂浓度相同，每一层的掺杂浓度随着与泵浦端面距离的增加而逐渐增大，起始层掺杂浓度最低为0.005％，优选0.01％；末端层掺杂浓度最高为2％，优选1％。渐变掺杂的晶体的层数取决于具体的设计，层数越多，不同层之间掺杂浓度变化越小，晶体轴向上的温度分布越趋于均匀，但晶体的生产成本越高；层数越少，不同层之间掺杂浓度变化越大，会降低晶体的生产成本，但晶体轴向上的温度分布会变差。

采用渐变掺杂的晶体后，在靠近泵浦端面的部分，吸收系数较小，减轻了热效应。随着泵浦光被增益介质吸收，泵浦光的功率越来越小，增益介质的吸收系数越来越大。这样不仅提高了增益介质对泵浦光的吸收效率，又提高了增益介质轴向上温度分布的均匀性。

所述的渐变掺杂的晶体可以是Nd:YVO₄、Nd:YAG、Nd:YLF、Yb:YAG、Nd:YAP或Ti:sapphire等。其掺杂浓度由泵浦功率决定，泵浦功率越高，泵浦端面的掺杂浓度应越小，以利于减轻热效应。

所述的端面泵浦的高功率激光器，可以包括倍频晶体，所述的倍频晶体是KTP、LBO、BBO、LiNbO₃或PPKTP等。腔内插入倍频晶体可改变激光器的波长，有效拓宽激光器的波长范围。具体情况下，可以根据激光器的波长、相位匹配方式和输出功率等参数，选取合适的晶体作为倍频晶体。

所述的端面泵浦的高功率激光器，可以包括选取单纵模的元件，实现单频运转。所述的选取单纵模的元件是标准具、光学单向器、双折射滤光片或四分之一波片。在增益介质的特定跃迁谱线宽度范围内，一般会有多个分离的纵模满足起振的条件，为了实现单频运转的激光器，人为引入损耗差是进行纵模选择的有效途径。最简单的选取单纵模的方法是标准具法和双折射滤光片法；也可以通过在谐振腔内插入光学单向器构成行波腔、在增益介质两头加上四分之一波片构成扭摆模腔的方法来选取单纵模。

所述的端面泵浦的高功率激光器，可以包括调Q元件，所述的调Q元件是机械Q开关、电光Q开关、声光Q开关或被动Q开关等。

所述的端面泵浦的高功率激光器的激光谐振腔可以由2-10个腔镜组成。

所述的端面泵浦的高功率激光器的泵浦源可以是光纤耦合输出的激光二极管或激光二极管阵列。

与现有技术相比本发明具有以下优点和效果：

1.本发明中，增益介质的泵浦端面吸收系数较小，有利于在高泵浦功率下减轻增益介质的热效应。

2.本发明中，增益介质的非泵浦端面吸收系数较大，有利于提高增益介质对泵浦光的吸收效率，提高了激光器的光-光转换效率。

3.随着泵浦光被增益介质吸收，沿泵浦光传播的方向，泵浦光功率越来越小，在本发明中，在泵浦光传播方向上，增益介质的掺杂浓度越来越高，吸收系数越来越大，从而实现在增益介质轴向上，温度均匀分布。

4.本发明有效解决了热效应和泵浦光有效吸收这一对矛盾，既减轻了泵浦端面的热效应，又提高了增益介质对泵浦光的吸收效率，使热效应在晶体轴向上更均匀地分布，能够获得输出功率高和光束质量好的激光产品。

5.本发明简化了现有技术——双端泵浦或剩余泵浦光经反射二次泵浦带来的复杂性，提高了激光器设计的灵活性和减小了激光器的体积。

总之，本发明利用渐变掺杂浓度的晶体作为增益介质，能够实现光束质量好、光-光转换效率高和结构紧凑的端面泵浦的高功率激光器，具有极高的应用价值。

附图说明

图1是单掺晶体轴向上的温度分布(泵浦功率为60W，掺杂浓度分别为0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％)

图2是晶体对泵浦光的吸收效率等于97％时，需要的晶体长度随掺杂浓度的变化关系。

图3是本发明设计的渐变掺杂晶体轴向上各处的掺杂浓度。

图4是本发明设计的渐变掺杂晶体轴向上的温度分布，晶体各处的掺杂浓度见图3。

图5是本发明设计的激光二极管端面泵浦的两镜腔激光器

图6是本发明设计的标准具选模的单频激光器

图7是本发明设计的双折射滤光片选模的内腔倍频单频激光器

图8是本发明设计的环形腔选模的内腔倍频单频激光器

图9是本发明设计的调Q激光器

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明：

图1是单掺晶体轴向上的温度分布图。图中曲线a、b、c、d、e分别表示Nd:YVO₄晶体掺钕离子的浓度为0.5％、0.4％、0.3％、0.2％、0.1％，泵浦功率为60W，发热率为30％时，晶体轴向上各点的温度分布。从图中可以看出，随着晶体掺杂浓度的增加，晶体对泵浦光的吸收系数增大，但是晶体泵浦端面30的温度也会随着掺杂浓度的增大而升高。随着晶体的掺杂浓度从0.1％-0.5％，晶体轴向上的温度从340K上升到558K。这极大地提高了晶体损坏的危险，也恶化了输出光的光束质量。

从图1可以知道，降低晶体的掺杂浓度可以降低晶体泵浦端面30的温度。但是，降低晶体的掺杂浓度会减小晶体对泵浦光的吸收系数，从而影响晶体对泵浦光的吸收效率。图2是理论模拟的Nd:YVO₄晶体对泵浦光的吸收效率为97％时，晶体的长度与掺杂浓度需满足的关系。从图2我们可以看出，吸收长度随着晶体掺杂浓度的增大而缩短，当晶体的掺杂浓度较低时，需要用较长的晶体来获得较高的吸收效率。但泵浦光束并不是单模衍射极限光束，对于有相同腰斑的泵浦光和激光来说，泵浦光束有更大的发散角，因此泵浦光并不能在增益介质内处处与基模匹配，为了得到好的模式匹配因子，增益介质不能选取太长，这就与需要泵浦光有效吸收形成一对矛盾。

图3是本发明设计的渐变掺杂晶体轴向上各处的掺杂浓度分布(以Nd:YVO₄晶体为例进行分析)。由于泵浦光沿增益介质的轴向传播，在晶体的泵浦端面30，泵浦光功率最高；随着泵浦光在增益介质中传播、吸收，泵浦光的功率越来越小。为了使吸收泵浦光产生的热在晶体轴向上近似均匀分布，我们提出了渐变式掺杂晶体设计。但是渐变式掺杂浓度的晶体不容易生长，因此我们采用不同掺杂浓度的单掺晶体键合的方法获得渐变掺杂晶体。增益介质的泵浦端面30上，晶体的掺杂浓度最低，对泵浦光的吸收系数最小，而泵浦光的功率最高；随着在增益介质12中的位置远离泵浦端面30，晶体的掺杂浓度越来越高，对泵浦光的吸收系数越来越高，泵浦光的功率越来越小；在增益介质12的非泵浦端面31，晶体的掺杂浓度最高。这种设计既减轻了增益介质泵浦端面30的热效应又提高了增益介质对泵浦光的吸收效率，有效克服了热效应和吸收效率这一对矛盾。

图4是本发明设计的渐变掺杂晶体轴向上的温度分布(以Nd:YVO₄晶体为例进行分析)，从图中可以看出晶体轴向上各点的温度呈近似均匀分布，轴向上的最高温度仅为325K(边界温度为293K)，而掺杂浓度为0.5％的单掺晶体的最高温度为555K，较掺杂浓度为0.1％的单掺晶体的最高温度(340K)小15K；长度为15mm的渐变晶体对泵浦光的吸收效率为97％，而对同样的吸收效率，需要长度为29.6mm掺杂浓度为0.1％的单掺晶体。这说明了渐变掺杂晶体能有效减轻晶体的热效应和提高晶体对泵浦光的吸收效率。

实施例1.激光二极管端面泵浦的两镜腔激光器

如图5所示，包括泵浦源11、增益介质12和激光谐振腔13，所述的增益介质12是渐变掺杂的Nd:YVO₄晶体，该晶体为13层层状结构，第一层厚度为3毫米，后12层每层厚度1毫米，每层掺杂浓度依次为：0.03％、0.04％、0.06％、0.08％、0.1％、0.11％、0.12％、0.13％、0.15％、0.18％、0.23％、0.3％、0.5％。泵浦源11发出的光经整形聚焦系统14得到聚焦光束15，聚焦光束15入射到放置在谐振腔13中的增益介质12上。泵浦源11是激光二极管阵列或光纤耦合输出的半导体激光器，泵浦源11发射光的中心波长与增益介质12的吸收带重合。整形聚焦系统由2个透镜组成，作用是把泵浦光整形为满足模式匹配条件的光束。谐振腔13由腔镜16和腔镜17组成，腔镜16一面镀有对聚焦光束15的减反膜，另一面同时对聚焦光束15高透、对振荡激光高反；腔镜17作为输出耦合镜，对振荡激光有一定的透射率，作为输出光束20的输出镜。

实施例2.标准具选模的单频激光器

如图6所示，包括泵浦源11、增益介质12、激光谐振腔13和标准具21，所述的增益介质12是渐变掺杂的Nd:YAG晶体，该晶体为10层层状结构，每层厚度2毫米，每层掺杂浓度依次为：0.1％、0.13％、0.16％、0.2％、0.25％、0.3％、0.4％、0.55％、0.75％、1％。泵浦源11发出的光经整形聚焦系统14得到聚焦光束15，聚焦光束15入射到放置在谐振腔13中的增益介质12上。泵浦源11是激光二极管阵列或光纤耦合输出的半导体激光器，泵浦源11发射光的中心波长与增益介质12的吸收带重合。整形聚焦系统由2个透镜组成，作用是把泵浦光整形为满足模式匹配条件的光束。谐振腔13由腔镜16和腔镜17组成，腔镜16一面镀有对聚焦光束15的减反膜，另一面同时对聚焦光束15高透、对振荡激光高反；腔镜17作为输出耦合镜，对振荡激光有一定的透射率，作为输出光束20的输出镜。通过在谐振腔13内插入标准具21来选取单纵模，从而获得高功率单纵模激光输出。

实施例3.双折射滤光片选模的内腔倍频单频激光器

如图7所示，泵浦源11发出的光经整形聚焦系统14得到聚焦光束15，聚焦光束15入射到放置在谐振腔13中的增益介质12上，增益介质12由渐变掺杂的Nd:YAP晶体充当，该晶体为10层层状结构，前5层厚度为每层1毫米，后五层厚度为每层2毫米，每层掺杂浓度依次为：0.1％、0.13％、0.16％、0.2％、0.25％、0.3％、0.4％、0.55％、0.75％、1％。泵浦源11是激光二极管阵列或光纤耦合输出的半导体激光器，泵浦源11发射光的中心波长与增益介质12的吸收带重合。整形聚焦系统由3个透镜组成，作用是把泵浦光整形为满足模式匹配条件的光束。谐振腔13是V-字形激光谐振腔，由腔镜16、腔镜17和腔镜18组成。II类相位匹配的KTP晶体23插入腔内，既充当倍频晶体获得倍频光输出，又起双折射滤光片的作用，从而获得单纵模二次谐波激光输出。

实施例4.环形腔选模的内腔倍频单频激光器

如图8所示，包括泵浦源11、增益介质12、激光谐振腔13、倍频晶体28、法拉第旋转器26和二分之一波片27，所述的增益介质12是渐变掺杂的Nd:YVO₄晶体，该晶体为3层层状结构，每层厚度为5毫米，每层掺杂浓度依次为：0.1％、0.2％、0.3％。谐振腔13是四镜“8”字形环形谐振腔，由腔镜16、腔镜17、腔镜18和腔镜19组成。泵浦源11是光纤耦合输出的激光二极管，倍频晶体28是LBO晶体，它放置的腔镜18和腔镜19之间，目的是缩小倍频晶体处的光斑，以提高倍频转换效率。法拉第旋转器26和二分之一波片27一起组成的光学单向器使激光器单向运转，消除空间烧孔效应，获得单频内腔倍频激光输出20。采用上述实验装置，我们在实验上获得10W单频532nm激光输出。

实施例5.调Q激光器

如图9所示，谐振腔13是Z-字形激光谐振腔，由腔镜16、腔镜17、腔镜18和腔镜19组成。泵浦源11是光纤耦合输出的激光二极管，增益介质12是渐变掺杂的Nd:YVO₄晶体，该晶体为5层层状结构，前1层厚度为1毫米，第2、3层厚度为每层2毫米，第4、5层厚度为每层3毫米，每层掺杂浓度依次为：0.1％、0.2％、0.3％、4％、0.5％。调Q元件25是电光Q开关，它放置在谐振腔13内可以获得脉冲激光输出。

在上述5个实施例中，增益介质12均由渐变掺杂晶体充当，具体工作中可以根据泵浦功率的大小和需要的温度分布等因素综合考虑，来决定增益介质12的掺杂方式。当然，掺杂浓度阶跃变化的步长越小，增益介质12内部的温度分布就越均匀。

本发明的核心是用渐变掺杂晶体作为激光器的增益介质12，这样既降低了增益介质12泵浦端面30的温度，又能保证泵浦光被增益介质12有效吸收。凡是用渐变掺杂晶体作为增益介质12的激光器均属于本发明保护的范围。以上列举的实施例仅仅是典型。不难看出，由各种不同激光谐振腔型、增益介质、选模方式、调Q方式组合。本发明的实施方式还有很多。

Claims (6)

1.一种端面泵浦的高功率激光器，包括泵浦源(11)、增益介质(12)和激光谐振腔(13)，其特征在于：所述激光器为单端面泵浦；所述的增益介质(12)是渐变掺杂的Nd:YVO₄晶体，在增益介质(12)的泵浦端面(30)，晶体的掺杂浓度最低；随着在增益介质(12)中的位置远离泵浦端面(30)，晶体的掺杂浓度越来越高；在增益介质(12)的非泵浦端面(31)，晶体的掺杂浓度最高；所述的渐变掺杂的晶体，为13层键合在一起的层状结构的晶体，同一层的掺杂浓度相同，每一层的掺杂浓度随着与泵浦端面距离的增加而逐渐增大，第一层厚度为3毫米，后12层每层厚度1毫米，每层掺杂浓度依次为：0.03％、0.04％、0.06％、0.08％、0.1％、0.11％、0.12％、0.13％、0.15％、0.18％、0.23％、0.3％、0.5％。

2.根据权利要求1所述的端面泵浦的高功率激光器，其特征在于包括倍频晶体(24)。

3.根据权利要求1或2所述的端面泵浦的高功率激光器，其特征在于包括选取单纵模的元件。

4.根据权利要求书1或2所述的端面泵浦的高功率激光器，其特征在于包括调Q元件(35)，所述的调Q元件(35)是机械Q开关、电光Q开关、声光Q开关或被动Q开关。

5.根据权利要求1或2所述的端面泵浦的高功率激光器，其特征在于所述的激光谐振腔(13)由2-10个腔镜组成。

6.根据权利要求1或2所述的端面泵浦的高功率激光器，其特征在于所述的泵浦源(11)是激光二极管阵列。

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