CN102244357B

CN102244357B - 一种像散自补偿固体激光器

Info

Publication number: CN102244357B
Application number: CN201110143305A
Authority: CN
Inventors: 郑耀辉; 王雅君; 彭堃墀
Original assignee: Shanxi University
Current assignee: Shanxi University
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2031-05-26
Also published as: CN102244357A

Abstract

本发明提供了一种像散自补偿固体激光器，包括泵浦源、谐振腔和增益介质，所述的增益介质是存在热透镜像散的增益介质；所述的谐振腔是一个像散腔；将增益介质放置在谐振腔中，使增益介质热效应较弱的方向在谐振腔的子午面内，热效应较强的方向在谐振腔的弧矢面内。该激光器，无需插入额外的像散补偿元件，只利用谐振腔的像散与热透镜像散相互补偿，即可获得一种输出功率高、转换效率高、光束质量好、稳定性好、简便可靠的固体激光器。

Description

一种像散自补偿固体激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体是一种像散自补偿固体激光器。

背景技术

在高功率固体激光器中，严重的热透镜效应限制了激光器输出功率的提高与光束质量的改善。减轻和补偿增益介质的热效应是研制高功率激光器的关键。减轻增益介质的热效应可以采用键合晶体、低掺杂浓度的激光晶体和调谐泵浦源的波长(偏离增益介质的吸收波长)等方法来实现。

在高功率激光器设计中，不仅要减轻增益介质的热透镜效应，而且要补偿增益介质的热透镜效应。理想的热透镜可以当成一个薄透镜来对待，补偿方法相对简单，可以通过在谐振腔内插入一个负透镜来补偿。但是，实际的热透镜不是一个理想的薄透镜，还包括球面像差和像散。热透镜球差的存在严重影响固体激光器的输出光束质量，热透镜的球面像差可以通过在谐振腔内插入一个非球面元件、将增益介质的表面制造成非球面表面、或者用平顶光束作为泵浦源等方法来实现。

热透镜像散的存在，会造成激光增益介质处的热透镜焦距在相互垂直的两个方向上产生不同的基模尺寸，这样就不利于激光增益介质中基模与泵浦光之间的模式匹配，并且会造成这两个方向上激光器工作稳区产生分离，缩小激光器工作的稳区范围，不利于激光器实现稳定的基横模运转。因此，为了实现高功率、高稳定性的基横模输出，需要采取一定的技术手段对热透镜像散进行补偿。通常情况下，研究工作者采用以下措施对热像散进行补偿：1、在腔内插入一个柱面镜(P.J.Hardman，W.A.Clarkson，G.J.Friel et.al..IEEE J.Quantum.Electron35，647-655(1999))。2、在谐振腔内插入一个倾斜入射的透镜(M.Ostermeyer，R.Menzel，Opt.Commun 160，251-254(1999))。3、采用光轴方向正交的两块增益介质(H.Vanherzeele，Appl.Opt 28，4042-4044(1989))。4、采用对增益介质非均匀控温的方法(M.S.Keirstead，W.L.Nighan，T.M.Baer，US Patent No：5561547)。

但是，第1、2、3种方法需要在谐振腔内插入额外的光学元件，额外元件的插入增大了激光器的内腔损耗，不利于提高激光器的效率。第3种补偿方法不适合在线偏振激光器中使用，非线偏振激光输出不利于倍频光的产生。第4种方法需要精确控制晶体各个方向上的温度，大大增加了控温装置的复杂性。

发明内容

本发明的目的是提供一种输出功率高、转换效率高、光束质量好、稳定性好、简便可靠的像散自补偿固体激光器。

本发明提供的一种像散自补偿固体激光器，包括泵浦源、谐振腔和增益介质，所述的增益介质是存在热透镜像散的增益介质；所述的谐振腔是一个像散腔；将增益介质放置在谐振腔中，使增益介质热效应较弱的方向在谐振腔的子午面内，热效应较强的方向在谐振腔的弧矢面内。

所述的热透镜像散是由于增益介质的材料为各向异性材料，在有泵浦光注入的情况下，其热透镜焦距不是一个理想透镜，在相互正交的两个方向上增益介质的热透镜焦距不相等。这就造成了激光增益介质中在这两个相互正交的方向上，产生了不同的基模尺寸，不利于基模与泵浦光模式之间的模式匹配。激光器工作稳区也会产生分离，两个方向稳定区的交叉部分才是系统的稳定区，因此热透镜像散使激光器系统的稳定工作区缩小。

所述的像散腔中至少包括一个离轴放置的球面镜用于产生像散，因而在谐振腔的子午面和弧矢面内腔参数不同。结果是子午面和弧矢面内产生不同的基模尺寸，影响泵浦光与基模的模式匹配；子午面和弧矢面内有不同的稳定区，两个稳定区的交叉部分才是系统的稳定区，因此像散腔使激光器系统的稳定工作区缩小。在一般的环形腔、V字型腔中，都包含离轴放置的球面镜。

由于激光增益介质与谐振腔均存在像散，将增益介质放置在谐振腔中，选择合适的摆放方向，可以实现激光增益介质的热透镜像散与谐振腔像散的自补偿。具体为将增益介质放置在谐振腔中，使增益介质热效应较强的方向，即热焦距较短的方向，处于谐振腔的弧矢面内；而热效应较弱的方向，即热焦距较长的方向，处于谐振腔的子午面内；这样通过合适的谐振腔参数设计，包括选取球面镜的曲率半径、光束在球面镜上的入射角等参数，热透镜像散可由谐振腔产生的像散补偿，实现了增益介质处两个相互正交的方向上具有相同的基模参数，同时拓宽了激光器的稳定范围。

所述的增益介质的材料是各向异性材料。各向异性材料中，各个方向上的热膨胀系数、热传导系数、光弹系数等参数不同，使增益介质在各个方向上的热透镜焦距不相等，产生热透镜像散。

所述的像散自补偿激光器可以在腔内插入倍频晶体，如LBO、KTP、PPKTP、BBO等等，实现内腔倍频激光的输出，拓展了激光器输出的波长范围。

所述的像散自补偿激光器可以在腔内插入光学单向器，获得单频激光输出。

所述的像散自补偿激光器可以在腔内插入调Q元件，实现脉冲激光输出。

本发明所述的像散自补偿激光器与同类的激光器相比具有以下优点：

(1)利用热透镜像散和谐振腔像散实现自补偿，减少了额外光学元件使用可能造成的内腔损耗，更有利于实现转换效率高的激光输出；

(2)不需要两棒相互正交串接，适合在线偏振输出激光器中使用，更有利于获得线偏振激光输出。

(3)不需要两棒相互正交串接，适合在线偏振输出激光器中使用，更适合非线性相互作用过程中对光源的要求，有利于利用非线性过程拓展激光器的输出波段。

(4)利用热透镜像散和谐振腔像散实现自补偿，实现激光增益介质处两个正交方向上基模具有相同的模参数，有利于泵浦模与基模间的模式匹配，更有利于改善激光器输出光束的光束质量。

(5)像散自补偿利于实现泵浦模与激光腔模之间的模式匹配，更有利于获得高功率、高效率激光输出。

(6)像散补偿缩小了相互正交的两个方向上激光器稳区范围的差异，扩大了激光器的稳定范围，即改善了激光器的稳定性，更有利于提高激光器的输出功率。

综上所述，本发明设计的像散自补偿固体激光器，无需插入额外的像散补偿元件，利用谐振腔的像散与热透镜像散相互补偿，即可获得一种输出功率高、转换效率高、光束质量好、稳定性好、简便可靠的固体激光器。

附图说明

图1是增益介质a-切割示意图

图中：晶体光轴为c轴-11；b轴-12；a轴-10。

图2是像散自补偿固体激光器结构示意图

图中：第一平面镜-1；第二平面镜-2；第一平凹镜-3；第二平凹镜-4；LD泵浦源-5；整形系统-6；激光增益介质-7；光学单向器-8；输出激光-9；增益介质a轴-10；增益介质c轴-11；增益介质b轴-12；谐振腔弧矢面-13；谐振腔子午面-14；LBO倍频晶体-15。

图3是增益介质7的热透镜焦距随泵浦功率的变化曲线，分别测量了增益介质7平行于光轴方向与垂直于光轴方向上的热焦距大小，测量光束的偏振方向与激光器工作时增益介质输出光的偏振方向相同。

图中：方形点代表在平行于光轴方向上测量到的热焦距大小，圆形点代表在垂直于光轴方向上测量到的热焦距大小，两条实线为理论拟合曲线。

图4是像散补偿前后激光器稳定工作范围对比图

图中：虚线表示激光增益介质7以c轴11平行于弧矢面方向放置，像散自补偿前谐振腔子午面与弧矢面内稳区；实线表示激光增益介质7以c轴11平行于子午面方向放置像散自补偿后，谐振腔子午面与弧矢面内稳区图。

图5是像散补偿前后激光增益介质处的基模模式对比示意图。

图中：(a)表示增益介质c轴11平行于谐振腔弧矢面方向放置时，增益介质7内基模尺寸示意图；(b)表示增益介质c轴11平行于子午面方向放置时，增益介质7内基模尺寸示意图。

图6是像散补偿前后激光器输出激光样式示意图

图中：(a)是激光增益介质7以c轴11平行于弧矢面方向放置，像散自补偿前输出激光的光斑样式；(b)是激光增益介质7以c轴11平行于子午面方向放置，像散自补偿后输出激光的光斑样式。

具体实施方式

像散自补偿固体激光器的结构图如图2所示。选取a-切割的Nd:YVO₄晶体作为增益介质7，四镜环形腔为激光谐振腔，I类非临界相位匹配的LBO晶体作为倍频晶体15，光学单向器8由TGG晶体(放置在永磁铁中)和半波片组成。

首先我们测量了Nd:YVO₄晶体7中π偏振光(受激发射光，偏振方向平行于c轴11)的热透镜焦距，测量结果如图3所示。从图中可以观察到明显的热透镜像散，在于垂直c轴11的平面上，热透镜效应比平行于c轴11平面上的热透镜效应严重。然后，利用测量结果结合理论公式拟合得到热透镜焦距随泵浦功率的变化关系。接着，考虑激光晶体的热透镜效应，利用谐振腔的ABCD理论分析了Nd:YVO₄晶体7处腔模的尺寸和激光腔的稳定范围，如图4所示。分别分析了两种放置方式时的腔模尺寸和稳定范围：1、在常规放置方法中，为了减小谐振腔镜对振荡光不完全反射引起的损耗，将Nd:YVO₄晶体7以c轴11平行于谐振腔弧矢面13方向放置。2、根据本发明的设计，由于垂直于c轴11的平面内热效应严重，热透镜焦距较短，将Nd:YVO₄晶体7以c轴11平行于谐振腔子午面14方向放置，实现了热透镜像散与谐振腔像散的自补偿。根据实际热透镜像散的程度优化谐振腔参数，确定光线在球面镜上的入射角。分析结果分别如图4中的虚线和实线所示，从图中可以看出，与现有技术对比，利用本发明提出的方法补偿后，在增益介质7相互正交的两个方向上，激光器稳定工作范围的交集扩大，即激光器的稳定工作范围扩大。当泵浦功率在一段范围内取值时，在增益介质7相互正交的两个方向上，腔模的尺寸基本相等，这样不仅有利于基模与泵浦模之间的模式匹配，而且可以使激光器在此泵浦功率范围内实现连续单模稳定运转。

像散补偿原理可以用图5定性说明。图5(a)是常规的放置方法，激光增益介质7以c轴11平行于弧矢面13方向放置时，热透镜像散与谐振腔像散综合作用的示意图。从图中可以看出两种像散的叠加使整个系统的像散加剧，导致增益介质7中的基模光斑椭圆率加大，不利于基模与泵浦模间的模式匹配。图5(b)是用本发明提出的方法放置增益介质7后，热透镜像散与谐振腔像散综合作用的示意图。从图中可以看出，两种像散的叠加实现了相互补偿，在激光增益介质处获得了圆形的基模光斑。这样不仅有利于基模与泵浦模之间的模式匹配，而且可以使激光器在此泵浦功率范围内实现连续单模稳定运转。

Nd:YVO₄晶体7的掺杂浓度为0.2％，尺寸为3×3×(5+15)mm³，5mm为无掺杂的YVO₄晶体，15mm为掺杂部分。选定一个四镜环形腔为激光谐振腔，激光谐振腔由第一平面镜1，第二平面镜2，第一平凹镜3与第二平凹镜4构成。第一平凹镜3与第二平凹镜4的曲率半径均为100mm。光线在第一平凹镜3与第二平凹镜4上的入射角均为10度，因而激光谐振腔是像散腔。第一平面镜1为输入耦合镜，镀膜为一面对808nm减反，另一面对808nm高透、对1064nm高反，第二平面镜2镀膜为对1064nm高反，第一平凹镜3凹面镀膜为1064nm高反，输出耦合镜为第二平凹镜4，凹面镀膜为1064nm高反、532nm高透，平面镀膜为532nm减反。LD泵浦源5为光纤耦合的半导体激光器，光纤芯径为400μm，最大输出功率为50W。整形系统6由焦距分别为30mm与80mm的两面平凸透镜组成，平凸透镜镀膜为808nm减反，用来整形泵浦光以实现基模与泵浦模间的模式匹配。我们分别将Nd:YVO₄晶体7以下列两种方式放置进行了实验：1、常规放置方法——Nd:YVO₄晶体7以c轴11平行于谐振腔弧矢面13方向放置，为了减轻谐振腔镜不完全反射造成的损耗，使激光的偏振方向对应腔镜的S-偏振方向。2、本发明——将Nd:YVO₄晶体7以c轴11平行于谐振腔子午面14方向放置，为了使热透镜像散与谐振腔像散相互补偿。图6(a)、(b)即为谐振腔在具有相同参数的情况下，像散自补偿前后激光器输出激光的光斑样式，图6(a)是像散补偿前激光器输出功率为10.5W时的光斑样式，对应的泵浦功率为48W。从图中可以看出，输出光束为多横模。降低泵浦功率，当输出功率为10.2W时，获得单横模输出。激光器的光-光转换效率约为21％。图6(b)是用本发明技术补偿后激光器输出功率为11.8W时的光斑样式，对应的泵浦功率为38W。从图中我们可以看到，当激光器实现像散自补偿之后，较补偿前相比，激光器输出光束的光斑样式有明显改善，为基横模输出，激光器的输出功率显著提高。光-光转换效率约为31％，激光器输出光束质量M²小于1.1，3小时功率稳定性小于±0.3％。从上述实验结果可知，利用本发明提出的方法将热透镜像散和谐振腔像散自补偿后，激光器的输出功率、转换效率均有明显提高，光束质量、稳定性均有明显改善。

本发明的其它实施方式：

可以在上述实施方式的基础上在谐振腔内插入调Q元件，获得脉冲激光输出。

可以在上述实施方式的基础上选用Nd:YLF晶体、Nd:KGW晶体等作为增益介质7，与谐振腔形成的像散相互补偿。

可以在上述实施方式的基础上选用其它结构的谐振腔，比如V-字形腔、6镜腔等，与增益介质7的热透镜像散相互补偿。

本发明专利的主要特征在于，通过选取合适的方向将增益介质7放置在谐振腔中，实现了热透镜像散与谐振腔像散的自补偿，改善了激光器的性能。以上列出的实施方式仅仅是典型，所有存在热透镜像散的增益介质7与存在像散的谐振腔之间的像散自补偿都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种像散自补偿固体激光器，包括泵浦源(5)、谐振腔和增益介质(7)，其特征在于所述的增益介质(7)是存在热透镜像散的增益介质；所述的谐振腔是一个像散腔；将增益介质(7)放置在谐振腔中，使增益介质(7)热效应较弱的方向在谐振腔的子午面(14)内，热效应较强的方向在谐振腔的弧矢面(13)内；其中，所述谐振腔的参数和光线在球面镜上的入射角根据所述热透镜像散的程度计算得到，使得所述谐振腔像散和热透镜像散互相补偿，在所述增益介质处获得圆形的基膜光斑。

2.根据权利要求书1所述的像散自补偿固体激光器，其特征在于所述的增益介质(7)的材料是各向异性材料。

3.根据权利要求书1所述的像散自补偿固体激光器，其特征在于包括倍频晶体。

4.根据权利要求书1或3所述的像散自补偿固体激光器，其特征在于包括光学单向器。

5.根据权利要求书1或3所述的像散自补偿固体激光器，其特征在于包括调Q元件。