CN105375246A - 一种端面倾斜泵浦的平面波导激光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种端面倾斜泵浦的平面波导激光放大器的技术方案，该方案包括有泵浦源、泵浦耦合透镜组、种子源、隔离器、种子光耦合透镜组和平面波导激光增益介质；所述泵浦源发出的泵浦光经过泵浦耦合透镜组后倾斜射入增益介质端面；所述种子源发出的种子光依次经过隔离器和种子光耦合透镜组后正射入增益介质端面；所述泵浦源的发射波长在增益介质的吸收谱内；所述种子源的输出波长与增益介质的发射光谱峰相匹配。该方案无需使用分光镜即可实现高功率泵浦光的端面注入，易于获得高功率高光束质量激光放大输出。

Description

一种端面倾斜泵浦的平面波导激光放大器

技术领域

本发明涉及的是激光技术领域，尤其是一种端面倾斜泵浦的平面波导激光放大器。

背景技术

全固态激光器具有效率高、结构紧凑、性能稳定、输出光束质量好等诸多优点，在工业、军事、医疗和科研等方面有广泛应用。特别是在军事和工业加工方面，大功率全固态激光器有很好的应用前景。早期的全固态激光器的增益介质通常选用圆棒或者块状结构，但是在高功率泵浦下存在着严重的热透镜效应和双折射效应，这使增益介质产生很强的光学畸变，限制了高功率的输出功率。为了增大散热表面积，获得高功率的激光输出，从激光出现之初人们就在增益介质形态上做了很多尝试和创新工作，出现了板条、薄片、光纤和平面波导等结构。

典型的平面波导结构由三层均匀介质构成，中间的芯层折射率为n₁，厚度为d，上下的包层的折射率分别为n₂和n₃，并且有n₁>n₂≥n₃，整体厚度为t，这种就是常见的单包层平面波导结构。所谓双包层平面波导，是指在单包层平面波导的上下包层外侧各有一个包层，靠近芯层的称为内包层，外侧的成为外包层。内包层厚度为D，其中包含芯层的厚度。在双包层结构中，有n₁>n₂>n₄，n₁>n₃>n₅。在平面波导中，波导的宽度w远远大于厚度d，厚度一般为1~200μm，宽度为毫米或者厘米量级。

平面波导结构增益介质是指波导的芯层为掺有激活离子的激光基质，即掺杂区，也称为增益区，包层是无掺杂的激光基质，也可以是一定厚度的光学膜层。平面波导增益介质中，考虑到储能的大小，芯层厚度一般为10-400μm。平面波导结构增益介质通常使用大面冷却散热，理想情况下可以认为是一维方向散热。平面波导激光器通过提供热透镜效应的一维控制以及通过增加导波增益区的宽度和长度进行功率缩放，提供了介于大体积固体激光器和光纤激光器的中间条件。平板波导激光器综合块状固体激光和光纤激光的优点，同时避免两者的缺点：光纤激光的优点在于结构紧凑、效率高、废热导致的光束质量退化较小，缺点在于由于激光亮度极高，非线性效应直接限制最高输出功率；块状固体激光定标放大时则基本不存在非线性效应问题，缺点在于废热导致的光束质量退化严重，同时结构难以实现小型紧凑化。所以，平面波导是一种比较理想的大功率全固态激光器的增益介质结构。

主振荡-功率放大结构（MOPA）是一种常见的实现高功率高光束质量的激光器系统结构，采用高光束质量低功率的激光作为种子源，经过一级或者多级放大器容易实现高功率高光束质量的激光输出。由于其结构特点，平面波导激光放大器有非常高的增益，因此容易实现高效率激光输出，并且系统紧凑简单。

由于平面波导结构增益介质很难加工，国内平面波导激光器的研究比较少。2008年中国科学院上海光学精密机械研究所的徐剑秋等人在opticscommunication上的报道了非对称包层的Nd:YAG波导谐振腔激光器。平面波导的几何尺寸为58mm×10mm×1mm，在底面上有3μm厚的蓝宝石膜层，形成YAG/Nd:YAG/Sapphire波导结构。此波导和下面的热沉之间用铟箔来保证紧密接触，以获得波导和热沉之间的均匀热接触。半导体激光器从两侧泵浦，发光面的大小为10mm×48mm，泵浦光发散角小于20°。使用焦距为50mm和20mm的柱透镜将泵浦光注入到波导当中，泵浦光与水平方向的倾角为5°。泵浦源在1kHz重复频率20%占空比的工作模式下，使用平平腔获得了最大310W的激光输出，使用正支非稳腔来提高光束质量，获得了280W的激光输出，非波导方向上光束质量为M²=1.5。

2008年清华大学的康宏向等人在LaserPhysicsLetter上的报道了高效率的端面泵浦Nd:YAG平板波导激光器。平板波导的几何尺寸为12mm×5mm×1mm，中心0.4mm的Nd:YAG增益区掺杂浓度为1at.%，上下的包层都是厚度为0.3mm的纯YAG。波导的一个端面镀1064nm高反膜和808nm高透膜，作为后腔镜，另一个端面镀1064nm高透膜和808nm高透膜，输出镜用平面镜。使用透过率2%的耦合输出镜时，最大获得了2.90W的激光功率输出，光光效率为58%。

发明内容

本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种端面倾斜泵浦的平面波导激光放大器的技术方案，该方案无需使用分光镜即可实现高功率泵浦光的端面注入，易于获得高功率高光束质量激光放大输出。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种端面倾斜泵浦的平面波导激光放大器，包括有泵浦源、泵浦耦合透镜组、种子源、隔离器、种子光耦合透镜组和平面波导激光增益介质；泵浦源发出的泵浦光经过泵浦耦合透镜组后倾斜射入增益介质端面；种子源发出的种子光依次经过隔离器和种子光耦合透镜组后正射入增益介质端面；泵浦源的发射波长在增益介质的吸收谱内；种子源的输出波长与增益介质的发射光谱峰相匹配。

作为本方案的优选：泵浦光倾斜射入的角度为10°至50°。

作为本方案的优选：泵浦源的数量为至少一个；泵浦源的位置为前端泵浦或者后端泵浦或者双端泵浦。

作为本方案的优选：增益介质为双包层平面波导结构；增益介质包括有芯层、内包层和外包层；芯层为增益区，芯层厚度为10-400μm；内包层为与芯层同基质的非掺杂材料，厚度为10-400μm；外包层为体介质或光学膜层；增益区的两端键合有与内包层相同的材料；增益区为具有单一掺杂浓度的增益区或为多个掺杂浓度的增益区或为掺杂浓度渐变的增益区。

作为本方案的优选：泵浦耦合透镜组整形后的泵浦光在一个方向上为会聚光，并且在平面波导入口处的光斑大小小于平面波导内包层厚度；整形后的泵浦光在另一个方向上为平行光，平行光的方向为增益介质的非波导结构方向。

作为本方案的优选：经过种子光耦合透镜组整形后的种子光在一个方向上为会聚光，并且在芯层入口处的光斑大小小于芯层的厚度；种子光在另一个方向为平行光，平行光的光斑大小等于同方向的泵浦光的光斑大小，并且小于平面波导的宽度。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中于平面波导增益介质的结构特点，增益介质内有非常高的增益，易于实现高效率高功率的激光输出。一般的端面泵浦都要使用分光镜，而本方案的倾斜泵浦省去了这个元件，不仅能够提高芯层对泵浦光的吸收效率，而且还可以使用多个泵浦源双端泵浦，提高泵浦功率，系统结构简单紧凑。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为后端泵浦平面波导激光放大器的结构示意图。

图2为双端泵浦平面波导激光放大器的结构示意图。

图3为两个泵浦源后端泵浦平面波导激光放大器的结构示意图。

图4为四个泵浦源双端泵浦平面波导激光放大器的结构示意图。

图5为两端有端帽的双包层平面波导增益介质结构示意图。

图中，1为泵浦源，2为泵浦源耦合透镜组，3为种子源，4为隔离器，5为种子源耦合透镜组，6为增益介质，7为输出激光，11为双包层平面波导增益介质的芯层，12为双包层平面波导增益介质的内包层，13为为双包层平面波导增益介质的外包层，14为增益区两端的非掺杂区。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

通过附图可知，本方案包括有泵浦源、泵浦耦合透镜组、种子源、隔离器、种子光耦合透镜组和平面波导激光增益介质。

泵浦源为半导体激光器bar条叠阵，每个bar条的输出激光在快轴方向用微透镜准直。光斑大小为20mm（水平）×10mm（竖直），水平方向和竖直方向的发散半角分别小于0.2°（1/e²）和4°（1/e²），出射波长为808nm。

泵浦耦合透镜组由三个柱透镜组成，在竖直方向使用R35mm和R30mm两个柱透镜进行缩束成像，水平方向使用R35mm的柱透镜直接聚焦，透镜都镀有808nm的高透膜。

平面波导增益介质结构，中心增益区为Nd:YAG，四周为白YAG，YAG/Nd:YAG/YAG形成了波导结构。整个波导尺寸为60mm（长）×10mm（宽）×1mm（厚）。芯层长度为50mm，其厚度为100μm，宽度为10mm，掺杂浓度为1.5at.%，上下内包层的厚度为450μm，宽度为10mm。两端各有5mm为白YAG，外包层为3μm厚的SiO₂光学膜。端面（10mm×1mm）镀1064nm和808nm的高透膜。

平面波导增益介质与两块微通道冷却器焊接，通水散热。

平面波导增益介质的宽度方向为竖直方向，即泵浦光的平行光方向为波导的宽度方向。

泵浦光以35°的倾角进入波导端面，泵浦光斑大小小于波导端面大小。进入的泵浦光在YAG/SiO₂界面上形成全内反射，在内包层中往返，多次经过增益区被吸收。此外，10~50°入射的泵浦光在YAG/SiO₂界面上都能形成全内反射

种子源可以是准连续激光器，出射波长为1064nm，输出激光为圆形光斑。

隔离器是为了防止放大器的后向回光进入种子源，保护种子源的性能免受回光影响。

种子光耦合透镜组由两个球透镜和一个柱透镜组成，用两个球透镜将种子光进行两个方向的扩束成像，再使用水平方向柱透镜将其会聚进入平面波导增益介质。在竖直方向，种子光为平行光，与泵浦光斑大小一致。水平方向，种子光以会聚状态正入射波导端面进入到芯层。

采用上述方案，我们开展了后端泵浦实验工作，光学系统如图3所示。激光器工作在准连续模式下，重复频率为100Hz，放大输出的单脉冲能量为230mJ，脉宽为250μs，即峰值功率为920W。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种端面倾斜泵浦的平面波导激光放大器，其特征是：包括有泵浦源、泵浦耦合透镜组、种子源、隔离器、种子光耦合透镜组和平面波导激光增益介质；所述泵浦源发出的泵浦光经过泵浦耦合透镜组后倾斜射入增益介质端面；所述种子源发出的种子光依次经过隔离器和种子光耦合透镜组后正射入增益介质端面；所述泵浦源的发射波长在增益介质的吸收谱内；所述种子源的输出波长与增益介质的发射光谱峰相匹配。

2.根据权利要求1所述的一种端面倾斜泵浦的平面波导激光放大器，其特征是：所述泵浦光倾斜射入的角度为10°至50°。

3.根据权利要求1所述的一种端面倾斜泵浦的平面波导激光放大器，其特征是：所述泵浦源的数量为至少一个；所述泵浦源的位置为前端泵浦或者后端泵浦或者双端泵浦。

4.根据权利要求1所述的一种端面倾斜泵浦的平面波导激光放大器，其特征是：所述增益介质为双包层平面波导结构；所述增益介质包括有芯层、内包层和外包层；所述芯层为增益区，芯层厚度为10-400μm；所述内包层为与芯层同基质的非掺杂材料，厚度为10-400μm；所述外包层为体介质或光学膜层；所述增益区的两端键合有与内包层相同的材料；所述增益区为单一浓度的掺杂区或为具有多个掺杂浓度的增益区或为掺杂浓度渐变的增益区。

5.根据权利要求1所述的一种端面倾斜泵浦的平面波导激光放大器，其特征是：所述泵浦耦合透镜组整形后的泵浦光在一个方向上为会聚光，并且在平面波导入口处的光斑大小小于平面波导内包层厚度；所述整形后的泵浦光在另一个方向上为平行光，平行光的方向为增益介质的非波导结构方向。

6.根据权利要求1所述的一种端面倾斜泵浦的平面波导激光放大器，其特征是：所述经过种子光耦合透镜组整形后的种子光在一个方向上为会聚光，并且在芯层入口处的光斑大小小于芯层的厚度；所述种子光在另一个方向为平行光，平行光的光斑大小等于同方向的泵浦光的光斑大小，并且小于平面波导的宽度。