CN103259181A - 一种双z型运转的固体激光板条放大装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双Z型运转的固体激光板条放大装置，其包括：板条激光介质、半导体泵浦源、光束整形系统、腔镜及冷却装置；半导体泵浦源产生的泵浦激光通过光束整形作为种子激光系从板条一端面入射，并在板条两大面间进行全内反射向前传输，从另一端面输出，到达右侧腔镜后被反射，再从板条端面入射，通过板条两个大面间全内反射向前传输，到达左侧腔镜后被反射，再次进入板条，如此多次反射直至从右侧腔镜输出，实现种子激光在板条内部沿Y轴和Z轴的双方向Z型多程传输，获得高功率与高效率放大；具有可实现钠信标基频激光的高功率、高光束质量、高效率的放大，从而可用于产生高功率、高光束质量、窄线宽的钠信标激光。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体激光放大装置，特别涉及一种可用于钠信标激光基频光功率放大的双Z型运转的固体激光板条放大装置。
背景技术
在天文观测领域，钠信标激光可激发大气电离层中的钠原子产生钠激光导引星，作为自适应光学系统的参考信号，可校正光通过大气产生的波前畸变，从而大大提高地基望远镜的成像分辨率。
由于钠信标激光需与电离层中的钠原子D2谱线共振，要求具有高平均功率、高光束质量、窄线宽、波长对准589nm D2线，技术难度高。一般采用Nd:YAG1064nm与1319nm激光和频的方式产生。其中，对于1064nm与1319nm基频光，若采用振荡级直接产生方法，难于同时实现高平均功率、高光束质量、窄线宽激光输出，因此一般采用振荡+放大技术来获得，即先采用环形谐振腔或驻波腔产生较低功率、高光束质量、窄线宽的种子激光，再由功率放大器放大，而同时保持光束质量与线宽等性能。目前，固体激光功率放大器主要包括棒状激光放大器、盘片激光放大器与板条激光放大器。其中，棒状放大器由于径向温度梯度大，热透镜效应严重，难以实现高光束质量激光功率放大输出；盘片放大器由于泵浦方向与冷却热流方向相同，几乎无径向温度梯度与热透镜效应，但盘片厚度薄，轴向增益低，难于实现高效率放大。板条放大器轴向增益高，放大效率高，适于作为钠信标激光器的放大器。
板条放大器目前主要有Z形板条放大器与部分端泵直通板条放大器两种。其中，Z形板条放大器是1972年W.S.Martin等人提出的，典型结构如图1所示。板条激光介质在均匀泵浦、大面冷却时，Z向存在温度梯度，为此通常把板条两个端面切成一定角度如布儒斯特角，并将上下两个大面抛光，入射种子激光整形为条形并与板条放大器的通光孔径相匹配，激光入射板条后在两大面上通过全内反射以Z形光路往复传输，则激光在Z向的温度梯度相互补偿，从而能够有效消除一阶热透镜效应，实现高功率、高光束质量激光放大。如美国Northrop Grumman公司采用半导体激光端面泵浦的Z形板条放大器获得了15KW高光束质量激光输出。然而，此方案中板条介质的通光面大，导致入射种子激光功率密度较低，难于实现低功率的种子激光的高效 率放大。因此，1998年德国Fraunhofer Institute for Laser Technology提出部分端泵多程直通板条放大器——Innoslab放大器。部分端泵是指泵浦光被整形成一条光强分布均匀的细条，泵浦光不是充满整块介质，而是只泵浦介质板条的中间一部分，在介质中央构成薄片状增益层，并与激光模体积匹配。同时，入射种子激光整形为小口径光束，通过Z形光路沿Y向多次往返直接通过板条介质，由于种子激光光束口径小、功率密度高、且多程往返放大，因此可实现高功率与高效率放大，如图2所示。然而此方案中由于在板条Z向上存在温度梯度，将产生热透镜效应，直通放大会导致光束质量下降，同时降低了入射激光与泵浦增益区的填充因子，影响了放大效率的提高。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服Z形板条放大器入射激光光束口径大、功率密度低、多程放大设计困难与部分端泵多程直通板条放大器存在径向热透镜效应的不足，提供一种既沿Z向、又沿Y向的双方向Z形运转的固体激光板条放大装置，通过沿Z向在板条两个大面之间的Z形传输可有效补偿Z向的温度梯度，通过沿Y向的Z形往返传输，可使入射激光多次通过激光介质，从而实现高效率、高功率、高光束质量的激光放大。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的双Z型运转的固体激光板条放大装置，其包括：
板条状激光介质1；
与所述板条状激光介质1焊接在一起的冷却装置8，所述冷却装置8由表面镀金膜的热沉和装于热沉内的冷却介质的冷却通道组成；
半导体泵浦源2；所述半导体泵浦源2置于所述板条状激光介质1一侧大平面外侧、对称地置于所述板条状激光介质1两侧大平面外侧、置于所述板条状激光介质1一侧端面外侧或对称地置于所述板条状激光介质1两侧端面外侧；所述半导体泵浦源2为半导体激光器或半导体激光器阵列；
置于所述板条状激光介质1与所述半导体泵浦源2之间的光束整形系统3；
分别位于所述板条状激光介质1两侧端面外侧的第一腔镜4和第二腔镜5；其特征在于：
种子激光由板条状激光介1的第一侧端面入射，在板条状激光介1的两大平 面之间进行全内反射之后从板条状激光介1第二侧端面输出，到达第二腔镜5后被反射，再从板条状激光介质1第二侧端面入射，在两侧大平面间再进行全内反射，并从板条激光介质1第一端面输出，到达第一腔镜4后被反射，再次进入板条激光介质1，如此多次反射直至从第二腔镜5输出，以实现种子激光在板条激光介质1内部沿Y轴和Z轴的双方向Z型多程传输，获得高功率与高效率放大的激光。
所述板条激光介质1为掺杂Nd离子的晶体、掺杂Nd离子的玻璃、掺杂Nd离子的陶瓷、掺杂Yb离子的晶体、掺杂Yb离子的玻璃或掺杂Yb离子的陶瓷。
所述掺杂Nd离子的晶体为掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、掺钕钒酸钇（Nd:YVO4）、掺钕钆鎵石榴石（Nd:GGG）、掺钕氟化钇锂（Nd:YLF）、掺钕铝酸钇（Nd:YAP）或掺钕氟磷酸锶（Nd:S-FAP）；
所述掺杂Yb离子的晶体为掺镱钇铝石榴石（Yb:YAG）、掺镱钒酸钇（Yb:YVO4）、掺镱钆鎵石榴石（Yb:GGG）、掺镱氟化钇锂（Yb:YLF）、掺镱铝酸钇（Yb:YAP）或掺镱氟磷酸锶（Yb:S-FAP）。
所述板条状激光介质1为具有上下两个大表面的板条状结构；所述具有上下两个大表面的板条状结构为矩形板条结构、以布鲁斯特角切割的平行四边形板条结构或梯形板条结构。
所述光束整形系统3为柱面凸透镜。
所述冷却装置8的冷却通道内的冷却介质为液体冷却介质或气体冷却介质。
所述第一腔镜4上和第二腔镜5上均镀有波长与种子光波长相同的高反膜。
所述半导体泵浦源2置于所述板条状激光介质1一侧端面外侧或对称地置于所述板条状激光介质1两侧端面外侧时，还包括一对45°高反镜，该一对45°高反镜上镀有同时对1064nm高反和对808nm增透的膜；该一对45°高反镜中的一个45°高反镜放在第一腔镜（4）与光束整形系统（3）之间，另一个45°高反镜放在第二腔镜（5）的外侧。
所述板条状激光介质1的两个大平面上镀有波长与种子激光波长相同的高反膜。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的双Z型运转的固体激光板条放大装置与一般Z形板条放大器相比，入射种子激光口径小、功率密度高、并在板条激光介质内多程往返放大，放大效率 更高；同时，与一般部分端泵多程直通板条激光放大器相比，种子激光在激光介质内沿Z形光路传输，补偿了Z向热透镜效应，提高了填充因子，放大效率高、光束质量好。因此，该双Z型运转的固体激光板条放大装置可实现钠信标基频激光的高功率、高光束质量、高效率的放大，从而可用于获得高功率、高光束质量、窄线宽的钠信标激光输出。
附图说明
图1是Zig-Zag板条激光器装置的结示意图；
图2-1和图2-2是Innoslab板条激光器装置的结示意图；
图3-1和图3-2是本发明实施例1的激光器装置的结构示意图；
图4-1和图4-2是本发明实施例2的激光器装置的结构示意图；
图5-1和图5-2是本发明实施例3的激光器装置的结构示意图；
图6-1和图6-2是本发明实施例4的激光器装置的结构示意图；
图7-1和图7-2是本发明实施例5的激光器装置的结构示意图；
图8-1和图8-2是本发明实施例6的激光器装置的结构示意图；
图9-1和图9-2是本发明实施例7的激光器装置的结构示意图；
图10为本发明的双Z型运转的固体激光板条放大装置的结构示意图。
具体实施方案
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。
由图10所示，本发明的双Z型运转的固体激光板条放大装置，其结构包括：
板条状激光介质1；
与所述板条状激光介质1焊接在一起的冷却装置8，所述冷却装置8由表面镀金膜的热沉和装于热沉内的冷却介质的冷却通道组成；
半导体泵浦源2；所述半导体泵浦源2置于所述板条状激光介质1一侧大平面外侧、对称地置于所述板条状激光介质1两侧大平面外侧、置于所述板条状激光介质1一侧端面外侧或对称地置于所述板条状激光介质1两侧端面外侧；所述半导体泵浦源2为半导体激光器或半导体激光器阵列；
置于所述板条状激光介质1与所述半导体泵浦源2之间的光束整形系统3；
分别位于所述板条状激光介质1两侧端面外侧的第一腔镜4和第二腔镜5；
种子激光由板条状激光介1的第一侧端面入射，在板条状激光介1的两大平面之间进行全内反射之后从板条状激光介1第二侧端面输出，到达第二腔镜5后被反射，再从板条状激光介质1第二侧端面入射，在两侧大平面间再进行全内反射，并从板条激光介质1第一端面输出，到达第一腔镜4后被反射，再次进入板条激光介质1，如此多次反射直至从第二腔镜5输出，以实现种子激光在板条激光介质1内部沿Y轴和Z轴的双方向Z型多程传输，获得高功率与高效率放大的激光。
实施例1
本实施例具体结构参考图3-1和图3-2：
图3-1为本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置的俯视图；图3-2为本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置的主视图；由图可知，本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置，其包括：
板条状激光介质1选用Nd:YAG晶体，Nd离子掺杂浓度为0.6%，其尺寸为65mm×10mm×2mm的平行六面体板条，板条的两个上下大平面平行，两个左右端面也平行并与大平面成布鲁斯特角；
半导体泵浦源2包含2个泵浦面阵，每个面阵由24个半导体激光（LD）列阵组成，按8行3列排列，每个LD输出功率20W，波长808nm；半导体泵源2发射的泵浦激光6由光束整形系统3整形为60×1.5mm口径的光束从板条状激光介质1的左侧端面进入板条状激光介质1；
光束整形系统3由两个焦距为150mm的柱透镜构成，将LD快轴方向聚焦到1.5mm，慢轴方向直接进入板条状激光介质1左侧端面，两个半导体泵浦源2在板条状激光介质1两侧面对称泵浦；板条状激光介质1上下两大平面分别镀有SiO2倏逝波膜，使激光在板条状激光介质1的两个大平面之间进行全内反射，实现Z型传输；倏逝波膜上再镀有金膜，则通过铟焊将板条激光介质1焊接在冷却装置8上；冷却装置8为紫铜加工的热沉，表面镀有金膜，内部有水冷通道，由循环水进行冷却，由此对板条状激光介质1进行冷却；板条状激光介质1左右两端面分别镀有1064nm增透膜分别作为激光输入端和激光输出端，左侧腔镜4和右侧腔镜5分别位于板条状激光介质1的左右两端面侧，左侧腔镜4和右侧腔镜5上分别镀有1064nm高反膜，使激光在左侧腔镜4和右侧腔镜5间来回反射，在板条状激光介质1内部实现多程放大；当入射1064nm种子激光功率为5W、光束质量为M2=1.2、光束口径为 1.5mm时，经Nd:YAG板条状激光介质1放大后，输出激光7的功率可达100W，光束质量为M2=1.5。
实施例2
本实施例具体结构参考图4-1和图4-2：
图4-1为本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置的俯视图；图4-2为本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置的主视图；由图可知，本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置，其包括：本实施例与实施例1的不同之处在于泵浦方式由双侧泵改为双端泵，改动后，需在板条激光介质1的两端面上均镀808nm增透膜，两腔镜（4和5）均需镀808nm增透膜，以利于泵浦光的吸收。半导体泵浦源2包含2个泵浦面阵，每个面阵由8个LD组成，每个LD输出功率20W，波长808nm；半导体泵源2发射的泵浦激光由光束整形系统3整形为9×1.5mm口径的光束从板条激光介质1端面进入板条激光介质1，光束整形系统3由两个焦距为150mm的柱透镜构成，将LD快轴方向聚焦到1.5mm，慢轴方向直接进入板条端面，两个半导体泵源2在板条激光介质1两端对称泵浦；另外，泵浦光利用一组置于激光介质两端的45°高反镜9进行输入、输出，45°高反镜上镀有1064nm高反及808nm增透的介质膜，此外，泵浦光在板条激光介质1内的运转方式不变，仍为双向Z型运转。当入射1064nm种子激光功率为5W、光束质量为M2=1.2、光束口径为1.5mm时，经Nd:YAG板条放大后，输出功率可达40W，光束质量为M2=1.3。
实施例3
本实施例具体结构参考图5-1和图5-2：
图5-1为本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置的俯视图；图5-2为本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置的主视图；由图可知，本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置，其包括：本实施例与实施例1的不同之处在于泵浦方式由双侧泵改为大面泵浦。改动后，半导体泵浦源2为1个由60个LD组成的泵浦面阵，每个LD输出功率20W，波长808nm。半导体泵源2发射的泵浦光由光束整形系统整形3为60×9mm口径的光束从板条的大面进入板条激光介质1，光束整形系统为一个焦距为400mm的柱透镜，将LD快轴方向聚焦到60mm，慢轴方向直接进入板条激光介质1大面，在板条激光介质1另一大面进行冷却。此 外，泵浦光在板条激光介质1内的运转方式不变，仍为双向Z型运转。当入射1064nm种子激光功率为5W、光束质量为M2=1.2、光束口径为1.5mm时，经Nd:YAG板条放大后，输出功率可达120W，光束质量为M2=1.6。
实施例4
本实施例具体结构参考图6-1和图6-2：
图6-1为本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置的俯视图；图6-2为本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置的主视图；由图可知，本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置，其包括：本实施例与实施例1的不同之处在于板条状激光介质1由平行四边形板条结构改为梯形板条结构，其它条件不变，激光仍在板条晶体内双向Z型运转。当入射1064nm种子激光功率为5W、光束质量为M2=1.2、光束口径为1.5mm时，经Nd:YAG板条放大后，输出功率可达100W，光束质量为M2=1.5。
实施例5
本实施例具体结构参考图7-1和图7-2：
图7-1为本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置的俯视图；图7-2为本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置的主视图；由图可知，本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置，其包括：本实施例与实施例1的不同之处在于板条激光介质1由平行四边形板条结构改为矩形板条结构，另外，种子光以一定角度从板条激光介质1左端面入射，同时腔镜角度也适当调整，使泵浦光能垂直射到腔镜上。其它条件不变，激光仍在板条激光介质1内双向Z型运转。当入射1064nm种子激光功率为5W、光束质量为M2=1.2、光束口径为1.5mm时，经Nd:YAG板条放大后，输出功率可达100W，光束质量为M2=1.5。
实施例6
本实施例具体结构参考图8-1和图8-2：
图8-1为本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置的俯视图；图8-2为本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置的主视图；由图可知，本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置，其包括：本实施例与实施例1的不同之处在 于将双侧泵浦改为单侧泵浦。其它条件不变，泵浦光仍在板条激光介质1内双向Z型运转。当入射1064nm种子激光功率为5W、光束质量为M2=1.2、光束口径为1.5mm时，经Nd:YAG板条放大后，输出功率可达50W，光束质量为M2=1.3。
实施例7
本实施例具体结构参考图9-1和图9-2：
图9-1为本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置的俯视图；图9-2为本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置的主视图；由图可知，本实施例的双Z型运转的固体激光板条放大装置，其包括：本实施例与实施例2的不同之处在于将双端泵浦改为单端泵浦；本实施例还包括一对45°高反镜，该一对45°高反镜上镀有同时对1064nm高反和对808nm增透的膜；该一对45°高反镜中的一个45°高反镜放在第一腔镜（4）与光束整形系统（3）之间，另一个45°高反镜放在第二腔镜（5）的外侧；其它条件不变，激光仍在板条激光介质1内双向Z型运转。当入射1064nm种子激光功率为5W、光束质量为M2=1.2、光束口径为1.5mm时，经Nd:YAG板条放大后，输出功率可达50W，光束质量为M2=1.3。
上述实施例对本发明做出了具体地描述，再不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出相应的改变和变型，但这些相应的改变和变型都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种双Z型运转的固体激光板条放大装置，其包括：
板条状激光介质（1）；
与所述板条状激光介质（1）焊接在一起的冷却装置（8），所述冷却装置（8）由表面镀金膜的热沉和装于热沉内的冷却介质的冷却通道组成；
半导体泵浦源（2）；所述半导体泵浦源（2）置于所述板条状激光介质（1）一侧大平面外侧、对称地置于所述板条状激光介质（1）两侧大平面外侧、置于所述板条状激光介质（1）一侧端面外侧或对称地置于所述板条状激光介质（1）两侧端面外侧；所述半导体泵浦源（2）为半导体激光器或半导体激光器阵列；
置于所述板条状激光介质（1）与所述半导体泵浦源（2）之间的光束整形系统（3）；
分别位于所述板条状激光介质（1）两侧端面外侧的第一腔镜（4）和第二腔镜（5）；其特征在于：
种子激光由板条状激光介（1）的第一侧端面入射，在板条状激光介（1）的两大平面之间进行全内反射之后从板条状激光介（1）第二侧端面输出，到达第二腔镜（5）后被反射，再从板条状激光介质（1)第二侧端面入射，在两侧大平面间再进行全内反射，并从板条激光介质（1）第一端面输出，到达第一腔镜（4）后被反射，再次进入板条激光介质（1），如此多次反射直至从第二腔镜（5）输出，以实现种子激光在板条激光介质（1）内部沿Y轴和Z轴的双方向Z型多程传输，获得高功率与高效率放大的激光。
2.根据权利要求1所述的双Z型运转的固体激光板条放大装置，其特征在于，所述板条激光介质（1）为掺杂Nd离子的晶体、掺杂Nd离子的玻璃、掺杂Nd离子的陶瓷、掺杂Yb离子的晶体、掺杂Yb离子的玻璃或掺杂Yb离子的陶瓷。
3.根据权利要求2所述的双Z型运转的固体激光板条放大装置，其特征在于：所述掺杂Nd离子的晶体为掺钕钇铝石榴石、掺钕钒酸钇、掺钕钆鎵石榴石、掺钕氟化钇锂、掺钕铝酸钇或掺钕氟磷酸锶；
所述掺杂Yb离子的晶体为掺镱钇铝石榴石、掺镱钒酸钇、掺镱钆鎵石榴石、掺镱氟化钇锂、掺镱铝酸钇或掺镱氟磷酸锶。
4.根据权利要求1所述的双Z型运转的固体激光板条放大装置，其特征在于：所述板条状激光介质（1）为具有上下两个大表面的板条状结构；所述具有上下两个大表面的板条状结构为矩形板条结构、以布鲁斯特角切割的平行四边形板条结构或梯形板条结构。
5.根据权利要求1所述的双Z型运转的固体激光板条放大装置，其特征在于，所述光束整形系统（3）为柱面凸透镜。
6.根据权利要求1所述的双Z型运转的固体激光板条放大装置，其特征在于，所述冷却装置（8）的冷却通道内的冷却介质为液体冷却介质或气体冷却介质。
7.根据权利要求1所述的双Z型运转的固体激光板条放大装置，其特征在于，所述第一腔镜（4）上和第二腔镜（5）上均镀有波长与种子光波长相同的高反膜。
8.根据权利要求1所述的双Z型运转的固体激光板条放大装置，其特征在于，所述半导体泵浦源（2）置于所述板条状激光介质（1）一侧端面外侧或对称地置于所述板条状激光介质（1）两侧端面外侧时，还包括一对45°高反镜，该一对45°高反镜上镀有同时对1064nm高反和对808nm增透的膜；该一对45°高反镜中的一个45°高反镜放在第一腔镜（4）与光束整形系统（3）之间，另一个45°高反镜放在第二腔镜（5）外侧。
9.根据权利要求1所述的双Z型运转的固体激光板条放大装置，其特征在于，所述板条状激光介质（1）的两个大平面上镀有波长与种子激光波长相同的高反膜。
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