CN103986050A - 梯形波导耦合自补偿并列双板条激光放大器 - Google Patents

Abstract

一种梯形波导耦合自补偿并列双板条激光放大器，包括第一激光介质板条、第二激光介质板条、第一激光二极管阵列、第二激光二极管阵列、第一梯形波导、第二梯形波导、第一激光二极管阵列冷却热沉、第二激光二极管阵列冷却热沉、第一板条冷却热沉、第二板条冷却热沉、偏转棱镜和全反射镜，本发明激光放大器具有结构紧凑、耦合效率高、散热方便、光光转换效率高、能够获得大功率输出和光束质量好的特点。

Description

梯形波导耦合自补偿并列双板条激光放大器

技术领域

本发明涉及全固态固体激光器件，特别是一种梯形波导耦合自补偿并列双板条激光放大器。

背景技术

随着激光二极管技术的重大突破,激光二极管已被替代闪光灯泵浦固体激光器。激光二极管比宽带闪光灯更能提供与激光增益介质的吸收峰值更接近的匹配,提高了激光器的效率，降低了热效应。基于上述优势，高效率、长寿命、光束质量高、结构紧凑小型化的新型全固态激光器目前在工业军事高科技领域有着独具特色的应用前景。

大功率激光二极管阵列是多个激光二极管在一维或者二维的规则排列，一般二维阵列为矩形。侧面泵浦是指泵浦光从侧面泵浦激光晶体。侧面泵浦可以通过增加激光二极管的密度提供较大的泵浦功率密度。由于激光二极管发出的光具有很大的发散角,侧面泵浦时,需对其进行校准。国内主要采用透镜组、柱透镜组、直接泵浦等耦合方式,存在结构复杂、效率低、泵浦不均匀等缺点。同时，由于某些晶体对于特定波长的泵浦光吸收效率不高，激光晶体宽度有限等原因造成了泵浦光的吸收不充分，导致激光器的效率降低。

发明内容

本发明为了克服上述先前技术的不足，提供一种梯形波导耦合自补偿并列双板条激光放大器，该激光放大器具有结构紧凑、耦合效率高、散热方便、光光转换效率高、能够获得大功率输出和光束质量好的特点。

本发明技术解决方案是：

一种梯形波导耦合自补偿并列双板条激光放大器，特点在于其构成包括第一激光介质板条、第二激光介质板条、第一激光二极管阵列、第二激光二极管阵列、第一梯形波导、第二梯形波导、第一激光二极管阵列冷却热沉、第二激光二极管阵列冷却热沉、第一板条冷却热沉、第二板条冷却热沉、偏转棱镜和全反射镜，所述的第一激光介质板条、第二激光介质板条为长方体的激光固体板条,在所述的第一激光介质板条、第二激光介质板条的上下面分别为第一板条冷却热沉、第二板条冷却热沉，在所述的第一激光介质板条和第二激光介质板条的外侧面分别是第一梯形波导和第二梯形波导，在第一梯形波导外侧依次是第一激光二极管阵列和第一激光二极管阵列冷却热沉，放置在第二梯形波导外侧依次是第二激光二极管阵列和第二激光二极管阵列冷却热沉，在所述的第一激光介质板条、第二激光介质板条的同一端设置所述的偏转棱镜和全反射镜，信号光经第一激光介质板条输入，通过所述的偏转棱镜和全反射镜后将所述的信号光旋转180度，经第二激光介质板条放大输出。

所述的第一激光二极管阵列、第二激光二极管阵列为二维激光二极管阵列。

所述的固体板条激光器，通过梯形波导把发散角较大，分布不均匀的泵浦光耦合到第一激光介质板条、第二激光介质板条的侧面，实现对称均匀的双侧泵浦。两根板条晶体并排放置，通过偏转棱镜和全反射镜旋转信号光，有效的增加了激光放大器的光光效率，补偿了晶体的热效应。

本发明具有以下优点：

1、由于采用梯形波导作为侧泵浦耦合系统，可以使激光器具有更大的耦合效率，提高了有效泵浦功率，使晶体上的泵浦光更加均匀。可以使激光放大器泵浦头设计简单，结构紧凑。

2、第一激光介质板条、第二激光介质板条的激光晶体采用长方体板条结构，两块板条晶体并排放置，在侧面泵浦，使得泵浦光能充分被吸收，提高了泵浦效率，在上下两面热沉冷却，冷却彻底，减小了热效应。

3、采用偏转棱镜和全反射镜将信号光旋转180度，进入板条晶体来提取能量。整个光路设计简单紧凑，易于操作。

附图说明

图1为本发明激光放大器较佳实施例的前视剖面图。为说明梯形波导耦合泵浦光的结构。

图2本本发明激光放大器较佳实施例的上视剖面图。为说明偏转棱镜和全反射镜组合实现信号光回转的光路。

图3为本发明激光放大器的泵浦耦合梯形波导立体图。为说明梯形波导的使用方法。

具体实施方式

由图1、图2所示，可以看到，本发明梯形波导耦合自补偿并列双板条激光放大器，其构成包括第一激光介质板条1、第二激光介质板条2、第一激光二极管阵列3、第二激光二极管阵列4、第一梯形波导5、第二梯形波导6、第一激光二极管阵列冷却热沉7、第二激光二极管阵列冷却热沉8、第一板条冷却热沉9、第二板条冷却热沉10、偏转棱镜11和全反射镜12，所述的第一激光介质板条1、第二激光介质板条2为长方体的激光固体板条,在所述的第一激光介质板条1、第二激光介质板条2的上下面分别为第一板条冷却热沉9和第二板条冷却热沉10，在所述的第一激光介质板条1、第二激光介质板条2的外侧面分别是第一梯形波导5和第二梯形波导6，在第一梯形波导5外侧依次是第一激光二极管阵列3和第一激光二极管阵列冷却热沉7)放置在第二梯形波导6外侧依次是第二激光二极管阵列4和第二激光二极管阵列冷却热沉8，在所述的第一激光介质板条1和第二激光介质板条2的同一端设置所述的偏转棱镜11和全反射镜12，信号光经第一激光介质板条1输入，通过所述的偏转棱镜11和全反射镜12后将信号光旋转180度，经第二激光介质板条2放大输出。

所述的第一激光二极管阵列3、第二激光二极管阵列4为二维激光二极管阵列。

下面一个实施例的具体参数：

构成第一激光介质板条1和第二激光介质板条2的激光晶体为Nd：YLF晶体，Nd掺杂浓度为1％，具体尺寸为长l＝72mm、宽w＝6mm、厚d＝6mm，侧面镀808nm的增透膜和1047nm增透膜，端面镀1047nm的增透膜，上下表面打毛。在激光晶体的上下的第一板条冷却热沉9和第二板条冷却热沉10为两块铜制热沉，通水冷却。

固定在第一激光二极管阵列冷却热沉7、第二激光二极管阵列冷却热沉8的激光二极管阵列的发光面为矩形，每个激光二极管阵列有6个bar组成，在激光输出快轴的方向长度为4mm，发散角为40°，在垂直于激光器输出激光慢轴的方向长度为10.7mm，发散角为10°，发光波长808nm，为脉冲工作方式，每组峰值功率为720W。

在激光二极管阵列与激光增益介质之间为耦合系统：梯形波导。梯形波导经过严格的设计和计算机模拟，取使泵浦光分布最均匀的设计的参数，如图3所示，梯形波导的形状为端面为矩形略大于激光二极管发光面，激光二极管发出的泵浦光进入梯形波导后，在波导的各个表面多次反射匀化后，在波导另外一侧输出，输出面仍为矩形，面积区别于入射面。波导的前表面、后表面、厚度和长度都经过了计算机模拟和实验验证，实际耦合效率高达95％以上。激光二极管阵列和梯形波导，梯形波导和晶体之间均尽可能接近，距离约为0.5mm。

信号光经过第一晶体板条后，通过偏转棱镜和全反射镜的组合将信号光旋转180度，再次返回经过另第二晶体板条。其中，偏转棱镜的尺寸、偏转棱镜与板条晶体之间的距离、偏转棱镜与全反射镜之间的距离都通过光学设计软件精确严格模拟。Nd：YLF对于806nm LD泵浦光的吸收系数约为2cm-1，一块晶体只能吸收不足70％的泵浦光，而两根晶体并排放置与激光二极管阵列之间，可以吸收超过90％的泵浦光，提高了对泵浦光的吸收效率，提高了激光放大器的光光效率。同时，信号光反转进入第二晶体板条，有效的补偿了晶体的热效应。

综上所述，本发明具有结构紧凑、加工简单、方便设计调试、耦合效率高，光光转换效率高，易于散热等特点，可以实现固体激光器的大功率、高光束质量的激光输出。

Claims (2)

1.一种梯形波导耦合自补偿并列双板条激光放大器，特征在于其构成包括第一激光介质板条(1)、第二激光介质板条(2)、第一激光二极管阵列(3)、第二激光二极管阵列(4)、第一梯形波导(5)、第二梯形波导(6)、第一激光二极管阵列冷却热沉(7)、第二激光二极管阵列冷却热沉(8)、第一板条冷却热沉(9)、第二板条冷却热沉(10)、偏转棱镜(11)和全反射镜(12)，所述的第一激光介质板条(1)、第二激光介质板条(2)为长方体的激光固体板条,在所述的第一激光介质板条(1)、第二激光介质板条(2)的上下面分别为第一板条冷却热沉(9)和第二板条冷却热沉(10)，在所述的第一激光介质板条(1)、第二激光介质板条(2)的外侧面分别是第一梯形波导(5)和第二梯形波导(6)，在第一梯形波导(5)外侧依次是第一激光二极管阵列(3)和第一激光二极管阵列冷却热沉(7)，放置在第二梯形波导(6)外侧依次是第二激光二极管阵列(4)和第二激光二极管阵列冷却热沉(8)，在所述的第一激光介质板条(1)和第二激光介质板条(2)同一端设置所述的偏转棱镜(11)和全反射镜(12)，信号光经第一激光介质板条(1)输入，通过所述的偏转棱镜(11)和全反射镜(12)后将信号光旋转180度，经第二激光介质板条(2)放大输出。

2.根据权利要求1所述的梯形波导耦合自补偿并列双板条激光放大器，其特征在于所述的第一激光二极管阵列(3)、第二激光二极管阵列(4)为二维激光二极管阵列。