CN104051949B - 高效紧凑的端面泵浦板条激光放大器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高效紧凑的端面泵浦板条激光放大器装置，该装置的激光介质为长≥宽>高的板条状；第一腔镜和第二腔镜均为平面镜，其分别与所述激光介质的两个长×高面相对应放置；第一腔镜的截面为梯形，其面积较小的上底面对应于所述激光介质，其面积较大的下底面对应于第一泵浦源，第一泵浦源所产生的泵浦光透过第一腔镜照射至激光介质；种子激光经所述第一腔镜的斜侧面反射后注入激光介质并通过，然后由第二腔镜反射后再次注入激光介质，如此在第一腔镜和第二腔镜之间来回多次反射且多次通过激光介质后，由第一腔镜的另一斜侧面反射导出；该装置将腔镜与种子激光注入/导出反射镜结合在一起，具有高效率、结构简单、紧凑、稳定性好等优点。

Description

高效紧凑的端面泵浦板条激光放大器装置

技术领域

本发明涉及全固态激光领域，尤其涉及一种高效紧凑的端面泵浦板条激光放大器装置。

背景技术

由激光二极管（LD）泵浦的全固态激光器（DPL）由于其转换效率高、结构紧凑、系统稳定、使用寿命长以及维护方便等优点得到了广泛的应用。其中，基于主振荡级-功率放大级（MOPA）的全固态激光器由于结合了激光振荡器与激光放大器的优势，是实现同时具备高功率和高光束质量激光输出的一种重要方式。相比于激光放大器传统使用的棒状激光介质，板条状激光介质由于其宽度与厚度之比大，其优良的散热性能可以有效降低热透镜和热致双折射效应，在保证高光束质量的前提下可以获得更高的输出功率。按照激光在激光介质中传播的方式，板条激光放大器可以分为两种：

第一种如图1所示：板条型的激光介质（1）的两个端面切布儒斯特斜角，如图示它的截面为平行四边形，泵浦源（4）所产生的泵浦光束（5）对准激光介质（1）的图示上方大面进行泵浦，其下方有一腔镜（3）用于反射未被激光介质（1）吸收的泵浦光束（5）至激光介质（1）实现再次泵浦，种子激光源（2）所产生的种子激光从端面斜角注入激光介质（1）后在板型的厚度方向以“之”字型传输，实现激光放大；这种情况下，布儒斯特角带来的像差会降低激光的光束质量，激光介质上下两个大面由于高度平行形成平平谐振腔导致寄生振荡比较严重，从而降低提取效率，另外这种激光介质对加工精度要求很高。

第二种如图2所示：这种激光介质放大器采用端泵的方式，其中的第一腔镜（3-01）和第二腔镜（3-02）均为柱面镜，第一腔镜（3-01）和第二腔镜（3-02）分别位于板条型激光介质（1）的两侧，种子激光源（2）所产生的种子激光通过两个专门的反射镜实现种子激光的注入与导出，藉此，该反射镜的设置增加了该装置的复杂性与调节难度，并且由于两个反射镜本身的空间限制，导致种子激光会以较大的入射角注入板条，这样就使得种子激光在板条内折叠通过的次数较少，导致提取效率较低。

综上，现有结构的板条激光放大器装置虽然能够实现高功率高光束质量的激光输出，但是存在结构复杂、成本高的问题，且现有的结构限制了提取效率的进一步提高。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明专利的目的是为了现有的放大器装置结构复杂、成本高，以及无法进一步提高提取效率等技术问题。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高效紧凑的端面泵浦板条激光放大器装置，该装置包括激光介质、第一腔镜、第二腔镜和第一泵浦源，其中：所述激光介质设置为长≥宽>高的板条状；所述第一腔镜和第二腔镜均为平面镜，其位于所述激光介质的两侧，且分别与所述激光介质的两个长×高面相对应；所述第一腔镜的截面为梯形，其面积较小的上底面对应于所述激光介质，其面积较大的下底面对应于第一泵浦源，所述第一泵浦源所产生的泵浦光透过第一腔镜照射至激光介质的长×高面；种子激光束经所述第一腔镜的斜侧面反射至激光介质并通过激光介质后，经第二腔镜再次反射，如此该种子激光束在第一腔镜和第二腔镜之间来回多次反射且多次通过激光介质后，由第一腔镜的另一斜侧面反射导出。

优选的，该装置还包括第二泵浦源，所述第二泵浦源所产生的泵浦光透过第二腔镜照射至激光介质的长×高面。

优选的，所述激光介质的长×宽面设有冷却装置。

优选的，所述激光介质的长×高面镀有对种子激光高透射和对泵浦光高透射的膜。

优选的，所述第一腔镜的上底面镀有对种子激光高反射、对泵浦光源高透射的膜，其下底面镀有对泵浦光高透射的膜，其两个斜侧面镀有对种子激光高反射的膜。

优选的，所述第二腔镜对应于激光介质的一面镀有对种子激光高反射、对泵浦光源高透射的膜，其对应于第二泵浦源的一面镀有对泵浦光源高透射的膜。

优选的，所述第一腔镜和第二腔镜呈0度～5度夹角设置。

优选的，所述第一泵浦源和第二泵浦源均包括激光二极管列阵和光束整形器件，输出与所述激光介质的长×高面相适配的、截面为近矩形的泵浦光束。

优选的，所述第一腔镜的斜侧面与下底面夹角设置为30度～50度。

（三）有益效果

本发明提供的高效紧凑的端面泵浦板条激光放大器装置，既能实现高光束质量高功率激光放大，又能保证高提取效率；而且具有结构简单、紧凑、稳定性好等优点；进一步的：

1、本发明中，不需要专门的反射镜用于种子激光的注入与导出，降低了放大器的复杂性与调节难度，并提高了稳定性；

2、本发明中，种子激光在第一腔镜斜侧面反射后，能直接以较小的角度注入板条激光介质，增加了其折叠通过板条激光介质的次数，提高了提取效率；

3、本发明中，不同于端面泵浦放大器中常用的与泵浦光和种子激光同时成45度角的腔镜（其靠近激光介质一面镀有对泵浦光45度高透射与种子激光45度高反射膜，另一面镀有对泵浦光45度高透射膜），而是采用泵浦光与种子激光都以接近0度入射的腔镜，在现有镀膜技术下，这种泵浦光耦合与种子激光反射的方式能最大程度减小泵浦光与种子激光功率损失。

附图说明

图1是现有的一类板条激光放大器装置结构示意图；

图2是现有的另一类板条激光放大器装置结构示意图；

图3是本发明的实施例1结构示意图；

图4是本发明的第一腔镜斜侧面局部放大示意图；

图5是本发明的实施例2结构示意图；

图6是本发明的实施例3结构示意图；

图7是本发明的实施例4结构示意图；

其中：1、激光介质，2、种子激光源，3、腔镜，3-01、第一腔镜，3-02、第二腔镜，4、泵浦源，4-01、第一泵浦源，4-02、第二泵浦源，5、泵浦光，6、反射镜，7、冷却装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图3、4所示的实施例1，一种高效紧凑的端面泵浦板条激光放大器装置，该装置包括激光介质1、第一腔镜3-01、第二腔镜3-02、第一泵浦源4-01和第二泵浦源4-02。

其中的激光介质1设置为长≥宽>高的板条状，所述板条激光介质1材料可以为掺杂某种离子的晶体、玻璃或陶瓷，具体包括Nd:YAG、Nd:YVO₄、Nd:GGG、Nd:YLF、Nd:YAP、Nd:S-FAP、Yb:YAG、Yb:YVO₄、Yb:GGG、Yb:YLF、Yb:YAP、Yb:S-FAP晶体，红宝石，钛宝石，掺Nd离子陶瓷，掺Yb离子陶瓷，掺Nd离子玻璃，掺Yb离子玻璃等；本实施例的激光介质1选用Nd离子掺杂浓度为0.6at.%的Nd:YAG板条晶体，Nd:YAG同时具有优良的激光性能、光学性能与机械性能，是性能极佳的激光晶体。

所述激光介质形状为矩形薄板条结构，具体设置为长>宽>高的板条状，本实施例设置为24mm×12mm×2mm；其中的两个尺寸为12mm×2mm的端面做粗糙化处理以抑制寄生振荡；两个尺寸为24mm×2mm的端面经光学抛光后镀上808nm增透膜与1064nm增透膜，以实现对种子激光和泵浦光5良好的透射效果；两个尺寸为24mm×10mm的大面做粗糙化处理后安装有冷却装置7，将冷却装置7设置在大面上冷却面积大，冷却效果好，更有效地降低热透镜和热致双折射效应，该冷却装置可以直接焊接在激光介质1上，也可以通过插入导热片的方式固定在激光介质1上，冷却装置7中使用的冷却介质可以是水或混合液等液体，也可以是空气或氮气或混合气体等气体。

第一腔镜3-01优选设置为24mm×8mm×6mm的平面镜，第二腔镜3-02设置为24mm×5mm×6mm的平面镜，且都采用熔石英玻璃板制成；第一腔镜3-01和第二腔镜3-02位于激光介质1的两侧，且第一腔镜3-01和第二腔镜3-02分别与激光介质1的两个24mm×2mm面（即沿着宽度方向的两个端面，也就是边侧面）相对应；第一腔镜3-01的截面为梯形，其包括上底面、下底面、两斜侧面和两直侧面，上底面面积小于下底面面积，其中上底面对应于激光介质1的24mm×2mm面，下底面（即24mm×6mm面）对应于第一泵浦源4-01；第二腔镜3-02设置成图示的矩形板结构，，图中第二腔镜3-02的一个24mm×6mm面对应于激光介质1的24mm×2mm面，另一个24mm×6mm面对应于第二泵浦源4-02。第一腔镜3-01的截面可以是等腰梯形或者非等腰梯形，只要两个斜侧面的角度能够满足种子激光束的注入角度要求及所得到的放大后的激光束的输出角度要求即可。

第一腔镜3-01和第二腔镜3-02的靠近板条晶体的一面（即24mm×6mm面）都镀有808nm增透膜与1064nm高反膜，以增强对泵浦光高透射、对种子激光高反射的效果，靠近泵浦源的一面（即另一个24mm×6mm面）镀有808nm增透膜，以增强对泵浦光高透射的效果；第一腔镜3-01和第二腔镜3-02分别平行于激光介质1的两个24mm×2mm端面，即两个腔镜的夹角为0度，两个腔镜的间距为40mm，但此时由于形成一个平平谐振腔两腔镜间容易发生寄生振荡，为抑制寄生振荡，可将第一腔镜3-01和第二腔镜3-02设置为呈一定夹角以避免形成平平谐振腔，该夹角一般优选设置为5度及以下，当角度大于5度时，则会导致种子激光注入板条的角度随着在腔镜间的反射迅速变大，最终会限制通过板条的次数，降低提取效率。

如图4所示，第一腔镜3-01的底角θ，即斜侧面与下底面的夹角，其一般优选设置为30度～50度之间，小于30度时，种子激光注入板条的角度会较大，其通过板条的次数较少，提取效率较低，大于50度时，种子激光由于入射角过小难以注入板条；本实施例优选设置为44.3度，且斜侧面上镀有1064nm高反膜，以增强对种子激光高反射的效果。

本实施例中，所用第一泵浦源4-01与第二泵浦源4-02均包括激光二极管列阵和光束整形器件，输出波长为808nm的连续、近矩形泵浦光束，以与激光介质1的24mm×2mm面相适配，第一泵浦源4-01所产生的泵浦光5垂直入射至第一腔镜3-01并透过第一腔镜3-01后，照射至该侧的激光介质1的24mm×2mm面，第二泵浦源4-02所产生的泵浦光5垂直入射至第二腔镜3-02并透过第二腔镜3-02后，照射至另一侧的激光介质1的24mm×2mm面，进行双端面泵浦。

种子激光源2发出波长为1064nm的种子激光束，该种子激光束以45.7度θ角入射至第一腔镜3-01的斜侧面并反射后以1.4度从24mm×2mm面注入激光介质1，实现了小角度入射的目的，通过激光介质1后在第二腔镜3-02再次反射，如此该种子激光束在第一腔镜3-01和第二腔镜3-02间反射22次并折叠通过板条晶体22次后输出，并在泵浦作用下，得到放大后的激光束。

如图5所示的实施例2，一种高效紧凑的端面泵浦板条激光放大器装置，该实施例是在实施例1的基础上进行了进一步的改进，其与实施例1的区别仅在于：其一、板条激光介质1采用Nd离子掺杂浓度为1at.%的Yb:YAG板条晶体；其二、泵浦方式由实施例1的双端面泵浦改为单端泵浦，即只有泵浦源4对准板条激光的一个端面进行泵浦，即，该实施例中，省却了第二泵浦源4-02，仅通过第一泵浦源4-01所产生的泵浦光5对激光介质1的对应侧进行泵浦，而不是对两个端面都进行泵浦，且泵浦激光波长为941nm；其三、种子激光波长为1030nm；第四、第一腔镜3-01的底角θ设置为45度，45度的加工工艺更加简单，降低加工成本；第五、第一腔镜与第二腔镜其靠近激光介质的一面均镀膜均改为对941nm高透射、1030nm高反射，其背面镀膜改为对941nm高透射。第一腔镜的斜侧面镀膜改为对1030nm高反射。

在具体实施时，种子激光束以46.4度角入射至第一腔镜3-01的斜侧面上，经计算，其仍以1.4度的入射角入射至激光介质1，仍能实现小角度入射的目的。

如图示，以1.4度入射至激光介质1的种子光源在单面泵浦的作用下，在第一腔镜3-01和第二腔镜3-02之间来回反射22次，并折叠透过激光介质22次后输出，得到放大后的激光束。

如图6所示的实施例3，一种高效紧凑的端面泵浦板条激光放大器装置，该实施例是在实施例1的基础上进行了进一步的改进，其与实施例1的区别仅在于：其一、板条激光介质1采用Nd离子掺杂浓度为1at.%的Nd:YAG陶瓷板条；其二、泵浦方式由实施例1的双端面泵浦改为单端泵浦，即只有泵浦源4对准板条激光的一个端面进行泵浦，即，该实施例中，省却了第二泵浦源4-02，仅通过第一泵浦源4-01所产生的泵浦光5对激光介质1的对应侧进行泵浦，而不是对两个端面都进行泵浦，且泵浦源改为准连续808nm半导体激光器；其三、第一腔镜3-01的底角θ设置为46.5度。

种子激光束以46.5度入射至第一腔镜3-01的斜侧面上，经计算，种子激光束反射后以2.9度注入激光介质1，仍能实现较小角度入射的目的，该种子激光束在第一腔镜3-01和第二腔镜3-02之间反射10次并折叠通过激光介质10次后输出，得到放大后的激光束。

如图7所示的实施例4，一种高效紧凑的端面泵浦板条激光放大器装置，该实施例是在实施例3的基础上进行了进一步的改进，其与实施例3的区别仅在于：其一、板条激光介质1采用Nd离子掺杂浓度为1at.%的Nd:GGG晶体板条；其二、第一腔镜与第二腔镜其靠近激光介质的一面均镀膜均改为对808nm高透射、1062nm高反射，其背面镀膜改为对808nm高透射。第一腔镜的斜侧面镀膜改为对1062nm高反射；其三、泵浦方式由实施例3的单端泵浦改为双端泵浦，即第一泵浦源4-01与第二泵浦源4-02同时对准激光介质1相应的两个端面进行泵浦；可以实现更大功率的泵浦，实现更高输出功率。

综上实施例可知，本发明的结构简单、紧凑，能够实现小角度入射的目的，进而能够充分增加种子激光在激光介质1中的折叠次数，提高提取效率，且泵浦光5与种子激光都以小角度入射至腔镜，在现有镀膜技术下，这种泵浦光耦合与种子激光反射的方式能最大程度减小泵浦光与种子激光功率损失；本发明还可以通过对种子激光的入射角度进行调整，进而调整种子激光入射至激光介质1的入射角，调控简单且精确；

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应当涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种高效紧凑的端面泵浦板条激光放大器装置，其特征在于，该装置包括激光介质、第一腔镜、第二腔镜和第一泵浦源，其中：

所述激光介质为长≥宽>高的板条状；所述第一腔镜和第二腔镜均为平面镜，其位于所述激光介质的两侧，且分别与所述激光介质的两个长×高面相对应放置；所述第一腔镜的截面为梯形，其面积较小的上底面对应于所述激光介质，其面积较大的下底面对应于第一泵浦源，所述第一泵浦源所产生的泵浦光透过第一腔镜照射至激光介质的长×高面；

种子激光束经所述第一腔镜的斜侧面反射至激光介质并通过激光介质后，经第二腔镜再次反射，如此该种子激光束在第一腔镜和第二腔镜之间来回多次反射且多次通过激光介质后，由第一腔镜的另一斜侧面反射导出；

所述第一腔镜和第二腔镜呈0度～5度夹角设置，所述第一腔镜的斜侧面与下底面夹角设置为30度～50度。

2.根据权利要求1所述的高效紧凑的端面泵浦板条激光放大器装置，其特征在于：该装置还包括第二泵浦源，所述第二泵浦源所产生的泵浦光透过第二腔镜照射至激光介质的长×高面。

3.根据权利要求1或2所述的高效紧凑的端面泵浦板条激光放大器装置，其特征在于：所述激光介质的长×宽面设有冷却装置。

4.根据权利要求1或2所述的高效紧凑的端面泵浦板条激光放大器装置，其特征在于：所述激光介质的长×高面镀有对种子激光高透射和对泵浦光高透射的膜。

5.根据权利要求1或2所述的高效紧凑的端面泵浦板条激光放大器装置，其特征在于：所述第一腔镜的上底面镀有对种子激光高反射、对泵浦光源高透射的膜，其下底面镀有对泵浦光高透射的膜，其两个斜侧面设有对种子激光高反射的膜。

6.据权利要求2所述的高效紧凑的端面泵浦板条激光放大器装置，其特征在于：所述第二腔镜对应于激光介质的一面镀有对种子激光高反射、对泵浦光源高透射的膜，其对应于第二泵浦源的一面镀有对泵浦光源高透射的膜。

7.据权利要求1或2所述的高效紧凑的端面泵浦板条激光放大器装置，其特征在于：所述第一泵浦源和第二泵浦源均包括激光二极管列阵和光束整形器件，输出所述激光介质的长×高面相适配的、截面为近矩形的泵浦光束。