CN107508121A - 一种激光增益介质和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光增益介质和装置，激光增益介质包括：芯层、增益层、包层和端面膜层；包层和端面膜层包裹的区域内设置有芯层和增益层；增益层包括第一增益层和第二增益层，包层包括第一包层和第二包层；第一增益层与第一包层连接，第二增益层与第二包层连接，端面膜层、第一包层、第二包层、第一增益层和第二增益层共同包裹芯层；增益层的厚度由最大值处开始分别向两端的端面膜层方向以服从指数函数的规律减小，其中，最大值处落在包层和端面膜层包裹的区域剖面的中心与包层的垂直线上。本发明提供的激光增益介质，可以有效减小在吸收泵浦光能量后在长度方向上的热梯度，提高激光输出功率和光束质量，解决了现有的技术问题。

Description

一种激光增益介质和装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种激光增益介质和装置。

背景技术

固体激光器具有输出功率高、稳定性好、寿命长等优点，在科研、医疗、通讯等领域有着广阔的应用前景，因而成为当前激光技术领域的研究热点之一。在固体激光器工作时，有一部分泵浦光能量会转变为激光增益介质内的热量，这种热量的出现使得激光光束在增益介质内传播过程中产生光弹效应、热应力折射、热形变等现象，导致输出的激光光束质量退化，影响激光输出功率，严重时甚至会损坏激光增益介质，对固体激光器的输出功率和光束质量产生较大影响。为使固体激光器持续稳定运行，必须及时对激光增益介质进行散热。

固体激光器中常用的激光增益介质是板条激光增益介质，为了提高板条激光增益介质的散热效率，相应的技术改进主要集中在两个方面：增益介质结构的改变和冷却方式的改变。在改变增益介质结构方面，最直接的方式是增大增益介质的表面积与体积的比值，因此，采用表层增益方式的板条激光增益介质应运而生。具体来说是将增益区与板条激光增益介质的包层连接，从而增加散热面积，而且使增益区更接近板条激光增益介质的外表面，能够在板条激光增益介质的厚度方向上实现较好的散热效果。然而，在固体激光器工作时，在激光增益介质的长度方向上，激光增益介质对泵浦光能量吸收不均匀，导致激光增益介质内部在长度方向上存在热梯度，影响激光输出功率和光束质量。

发明内容

本发明提供一种激光增益介质和装置，用以解决现有技术的如下问题：在固体激光器工作时，现有的激光增益介质对泵浦光能量吸收不均匀，导致激光增益介质内部在长度方向存在热梯度，影响激光输出功率和光束质量。

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种激光增益介质，包括：芯层、增益层、包层和端面膜层；所述包层和所述端面膜层包裹的区域内设置有所述芯层和所述增益层；所述增益层包括第一增益层和第二增益层，所述包层包括第一包层和第二包层；所述第一增益层与所述第一包层连接，所述第二增益层与所述第二包层连接，所述端面膜层、所述第一包层、所述第二包层、所述第一增益层和所述第二增益层共同包裹所述芯层；所述增益层的厚度由最大值处开始分别向两端的端面膜层方向以服从指数函数的规律减小，其中，所述最大值处落在所述包层和所述端面膜层包裹的区域剖面的中心与所述包层的垂直线上。

可选的，所述芯层与所述增益层以键合方式连接。

可选的，所述芯层为无掺杂区；所述增益层为掺杂区，掺杂浓度范围为1at.％至3at.％。

可选的，所述增益层的所述最大值处的厚度范围为150微米至1000微米。

可选的，所述指数函数为以自然常数e为底数的指数函数。

可选的，所述包层为介质膜或光学倏逝膜。

可选的，所述包层和所述端面膜层包裹的区域剖面为平行四边形。

可选的，所述平行四边形的任意一个夹角为45度。

另一方面，本发明还提供一种激光增益装置，包括：泵浦源、泵浦源耦合系统和上述的激光增益介质。

可选的，所述激光增益装置还包括：种子源、种子源耦合系统和隔离器。

本发明提供的一种激光增益介质，包括芯层、增益层、包层和端面膜层，增益层的厚度由最大值处开始分别向两端的端面膜层方向以服从指数函数的规律减小，增益层的厚度分布与激光增益介质吸收泵浦光能量后的热分布形成补偿，可以提高激光增益介质的散热效率，并且可以有效减小激光增益介质内部在长度方向上存在的热梯度，使激光增益介质可以均匀吸收泵浦光能量，从而提高激光输出功率和光束质量。采用上述激光增益介质组合的激光增益装置，使泵浦光射入激光增益介质后，泵浦光能量可以被激光增益介质均匀吸收，在激光增益介质的长度方向上有效减小热梯度，从而可以使种子光经激光增益介质输出的激光光束有较高的输出功率和较好的光束质量。

附图说明

图1是本发明第一实施例中激光增益介质任一横截面的示意图；

图2是本发明第二实施例实例1中激光增益装置的示意图；

图3是本发明第二实施例实例2中激光增益装置的示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术的如下问题：在固体激光器工作时，现有的激光增益介质对泵浦光能量吸收不均匀，导致激光增益介质内部在长度方向存在热梯度，影响激光输出功率和光束质量。本发明第一实施例提供了一种激光增益介质，该激光增益介质任一横截面的示意图如图1所示，包括：

芯层101、增益层102、包层103和端面膜层104，包层103和端面膜层104包裹的区域内设置有芯层101和增益层102；增益层102包括第一增益层和第二增益层，包层103包括第一包层和第二包层；第一增益层与第一包层连接，第二增益层与第二包层连接，端面膜层104、第一包层、第二包层、第一增益层和第二增益层共同包裹芯层101；增益层102的厚度由最大值处开始分别向两端的端面膜层104方向以服从指数函数的规律减小，其中，最大值处落在包层103和端面膜层104包裹的区域剖面的中心与包层103的垂直线上。

上述结构设置可以使增益层的厚度分布与激光增益介质吸收泵浦光能量后的热分布形成补偿，可以提高激光增益介质的散热效率，并且可以有效避免激光增益介质内部在长度方向上存在热梯度，使激光增益介质可以均匀吸收泵浦光能量，从而提高激光输出功率和光束质量。

为了保证较高的激光输出功率和较好的光束质量，芯层与增益层以键合方式连接。通过键合方式，可以将芯层与增益层直接连接，两层之间的键合面无物理厚度，可以保证激光增益介质对泵浦光能量的均匀吸收，并提高散热效率，从而保证较高的激光的输出功率和较好的光束质量。

为了提高激光增益介质的散热效率，还可以对芯层和增益层的成分进行一定的设置，在具体实现时，可以将芯层设置为无掺杂区，将增益层设置为掺杂区，并且将掺杂浓度范围设置为1at.％至3at.％。

为了保证激光增益介质能够均匀吸收泵浦光的热量，并使激光增益介质的散热效率较高，还可以对增益层厚度最大值处的范围进行限定，在具体实现时，可以将增益层的最大值处的厚度范围为150微米至1000微米。

在本实施例中，激光增益介质吸收泵浦光的能量后，在激光增益介质内的热分布服从以自然常数e为底数的指数函数的规律，因此，为了使增益层的厚度分布与激光增益介质吸收泵浦光能量后的热分布形成补偿，增益层的厚度分布也设置为服从以自然常数e为底数的指数函数规律，从而可以有效避免在激光增益介质的长度方向上的热梯度。

为了提高激光增益介质在厚度方向的散热效率，在具体实现时，包层可以采用介质膜或光学倏逝膜。

为了使激光增益介质可以高效吸收泵浦光的能量，并使激光经激光增益介质放大后有较高的激光功率和较好的光束质量，在具体实现时，激光增益介质的横截面可以设置为平行四边形，在本实施例中，即两个包层和两个端面膜层所包裹形成的区域剖面为平行四边形。

为了激光增益介质制造工艺简单，并且使激光在激光增益介质内形成全反射，可以将上述的平行四边形的任意一个夹角设置为45度，即将包层和端面膜层的夹角设置为45度。

本发明第一实施例提供了一种激光增益介质，包括芯层、增益层、包层和端面膜层，增益层的厚度由最大值处开始分别向两端的端面膜层方向以服从指数函数的规律减小，增益层的厚度分布与激光增益介质吸收泵浦光能量后的热分布形成补偿，可以提高激光增益介质的散热效率，并且可以有效减小激光增益介质内部在长度方向上的热梯度，使激光增益介质可以均匀吸收泵浦光能量，从而提高激光输出功率和光束质量。解决了现有技术的如下问题：在固体激光器工作时，现有的激光增益介质对泵浦光能量吸收不均匀，导致激光增益介质内部在长度方向存在热梯度，影响激光输出功率和光束质量。

为改善现有激光增益介质的热效应和整体结构的不足，本发明第二实施例提供了一种激光增益装置，包括：泵浦源、泵浦源耦合系统和激光增益介质。其中，激光增益介质包括：

芯层、增益层、包层和端面膜层，包层和端面膜层包裹的区域内设置有芯层和增益层；增益层包括第一增益层和第二增益层，包层包括第一包层和第二包层；第一增益层与第一包层连接，第二增益层与第二包层连接，端面膜层第一包层、第二包层、第一增益层和第二增益层共同包裹芯层；增益层的厚度由最大值处开始分别向两端的端面膜层方向以服从指数函数的规律减小，其中，最大值处落在包层和端面膜层包裹的区域剖面的中心与包层的垂直线上。

本发明第二实施提供的激光增益装置能够使激光增益介质吸收泵浦光的能量，为种子光射入增益介质并射出需要的激光提供能量存储的基础。。

上述结构设置可以使增益层的厚度分布与激光增益介质吸收泵浦光能量后的热分布形成补偿，可以提高激光增益介质的散热效率，并且可以有效避免激光增益介质内部在长度方向上存在热梯度，使激光增益介质可以均匀吸收泵浦光能量，从而提高激光输出功率和光束质量。

为了保证较高的激光输出功率和较好的光束质量，芯层与增益层以键合方式连接。通过键合方式，可以将芯层与增益层直接连接，两层之间的键合面无厚度，可以保证激光增益介质对泵浦光能量的均匀吸收，并提高散热效率，从而保证较高的激光的输出功率和较好的光束质量。

在本实施例中，激光增益介质吸收泵浦光的能量后，在激光增益介质内的热分布服从以自然常数e为底数的指数函数的规律，因此，为了使增益层的厚度分布与激光增益介质吸收泵浦光能量后的热分布形成补偿，增益层的厚度分布也设置为服从以自然常数e为底数的指数函数规律，从而可以有效避免在激光增益介质的长度方向上的热梯度。

为了使激光增益介质可以高效吸收泵浦光的能量，并使激光经激光增益介质放大后有较高的激光功率和较好的光束质量，在具体实现时，激光增益介质的横截面可以设置为平行四边形，在本实施例中，即两个包层和两个端面膜层所包裹形成的区域剖面为平行四边形。

在激光增益介质吸收了泵浦光能量之后，还可以将上述装置添加种子源、种子源耦合系统和隔离器，种子源发出的种子光射入激光增益介质，吸收激光增益介质存储的泵浦光的能量，在激光增益介质内经数次全反射后射出激光。

以下通过实例及附图，对本实施例进行说明。

实例1

首先，可以对激光增益介质进行一定的设置：

芯层的材料为YAG(Yttrium Aluminum Garnet，钇铝石榴石)晶体，芯层为非掺杂区。增益层的材料为Yb:YAG晶体，该晶体是将Yb(Ytterbium，镱)离子掺杂入YAG晶体得到的，因此，增益层为掺杂区。

将激光增益介质的尺寸设置为：长113.2毫米、宽28毫米、高2毫米。

由于增益层掺杂浓度范围为1at.％至3at.％，因此，在本实例中，可以将增益层掺杂浓度为2at.％。

由于增益层的最大值处的厚度范围为150微米至1000微米，因此，在本实例中，厚度的最大值处的厚度设置为500微米。并且，增益层的厚度由最大值处开始分别向两端的端面膜层方向以服从以e为底数的指数函数的规律减小。

激光增益介质有两个端面(相当于本发明第一实施例的端面膜层)，端面的长为28毫米，宽为2毫米，激光从一个端面射入，经激光增益介质内部反射后从另一个端面射出，并且，激光射入的端面厚度为940纳米，激光射出的端面厚度为1030纳米。

将端面与大面(相当于本发明第一实施例中的包层)的夹角设置为45度。并且，大面采用的材料为SiO₂，厚度为3微米。

其次，在将激光增益介质进行了上述设置之后，可以将上述的激光增益介质与泵浦源、泵浦源耦合系统、种子源、种子源耦合系统和隔离器进行组合，生成一种激光增益装置。本实例的激光增益装置示意图如图2所示，由激光增益介质1、泵浦源2、泵浦源耦合系统3、种子源4、种子源耦合系统5、隔离器6组成。其中，泵浦源包括第一泵浦源和第二泵浦源，泵浦源耦合系统包括第一泵浦源耦合系统和第二泵浦源耦合系统；激光增益介质中间是未掺杂的纯晶体(相当于本发明第一实施例中激光增益介质的芯层)；包裹中间层的两层为掺杂的晶体(相当于本发明第一实施例中激光增益介质的增益层)；最外层的大面(相当于本发明第一实施例中激光增益介质的包层)是介质膜或光学倏逝膜；两个端面(相当于本发明第一实施例中激光增益介质的端面膜层)与大面之间成特定的夹角。

在具体实现时，泵浦源耦合系统采用慢轴向传递，快轴聚焦耦合的方式，第一泵浦源发出的泵浦光经过第一泵浦源耦合系统，以与端面成45度的角度从一个端面射入到激光增益介质内部，泵浦光在激光增益介质内部经若干次全反射后，由另一端面射出，由第二泵浦源耦合系统和第二泵浦源接收。在这个过程中，由于增益层的厚度由最大值处开始分别向两端的端面膜层方向以服从以e为底数的指数函数的规律减小，激光增益介质可以均匀吸收泵浦光的能量，有效避免激光增益介质在长度方向的热梯度，激光增益介质吸收泵浦光能量的效率较高。

在激光增益介质吸收了泵浦光能量后，就将种子光射入激光增益介质，种子光在激光增益介质内进行若干次全反射之后，吸收上述过程中激光增益介质吸收的泵浦光的能量，将种子光进行增益，得到需要的激光光束。

在具体实现时，种子光经种子源输出，依次经耦合系统和隔离器，以与端面成22度的角度从一个端面射入到激光增益介质，种子光在激光增益介质内进行若干次全反射之后，吸收上述过程中激光增益介质吸收的泵浦光的能量，将种子光进行增益，得到需要的激光光束。

实例2

首先，可以对激光增益介质进行一定的设置：

芯层的材料为YAG晶体，芯层为非掺杂区。增益层的材料为Yb:YAG晶体，该晶体是将Yb离子掺杂入YAG晶体得到的，因此，增益层为掺杂区。

将激光增益介质的尺寸设置为：长115毫米、宽29毫米、高2.5毫米。

由于增益层掺杂浓度范围为1at.％至3at.％，因此，在本实例中，可以将增益层掺杂浓度为1.5at.％。

由于增益层的最大值处的厚度范围为150微米至1000微米，因此，在本实例中，厚度的最大值处的厚度设置为600微米。并且，增益层的厚度由最大值处开始分别向两端的端面膜层方向以服从以e为底数的指数函数的规律减小。

激光增益介质有两个端面(相当于本发明第一实施例的端面膜层)，端面的长为28毫米，宽为2毫米，激光从一个端面射入，经激光增益介质内部反射后从另一个端面射出，并且，激光射入的端面厚度为940纳米，激光射出的端面厚度为1030纳米。

将端面与大面(相当于本发明第一实施例中的包层)的夹角设置为45度。并且，大面采用的材料为SiO2，厚度为3微米。

上述激光增益介质增益层的厚度分布与激光增益介质吸收泵浦光能量后的热分布形成补偿，可以提高激光增益介质的散热效率，并且可以有效减小激光增益介质内部在长度方向上的热梯度，使激光增益介质可以均匀吸收泵浦光能量，从而提高激光输出功率和光束质量。

其次，在将激光增益介质进行了上述设置之后，可以将上述的激光增益介质与泵浦源、泵浦源耦合系统、种子源、种子源耦合系统、隔离器和全反射镜进行组合，生成一种激光增益装置。本实例的激光增益装置示意图如图3所示，激光增益装置由激光增益介质1、泵浦源2、泵浦源耦合系统3、种子源4、种子源耦合系统5、隔离器6、第一全反射镜7和第二全反射镜8组成。其中，泵浦源包括第一泵浦源和第二泵浦源，泵浦源耦合系统包括第一泵浦源耦合系统和第二泵浦源耦合系统；激光增益介质中间是未掺杂的纯晶体；包裹中间层的两层为掺杂的晶体；最外层的大面是介质膜或光学倏逝膜；两个端面与大面之间成特定的夹角。

在具体实现时，泵浦源耦合系统采用慢轴向传递，快轴聚焦耦合的方式，第一泵浦源发出的泵浦光经过第一泵浦源耦合系统，以与端面成45度的角度从一个端面射入到激光增益介质内部，泵浦光在激光增益介质内部经若干次全反射后，由另一端面射出，由第二泵浦源耦合系统和第二泵浦源接收。在这个过程中，由于增益层的厚度由最大值处开始分别向两端的端面膜层方向以服从以e为底数的指数函数的规律减小，激光增益介质可以均匀吸收泵浦光的能量，有效避免激光增益介质在长度方向的热梯度，激光增益介质吸收泵浦光能量的效率较高。

在激光增益介质吸收了泵浦光能量后，就将种子光射入激光增益介质，种子光在激光增益介质内进行若干次全反射之后，吸收上述过程中激光增益介质吸收的泵浦光的能量，对种子光进行增益，得到需要的激光光束。

在具体实现时，种子光经种子源输出，依次经耦合系统和隔离器，以与端面成22度的角度从一个端面射入到激光增益介质，种子光在激光增益介质内进行若干次全反射之后，吸收上述过程中激光增益介质吸收的泵浦光的能量，将种子光进行增益，得到需要的激光光束。与实例1不同的是，在激光射出激光增益介质后，在激光增益介质的激光射出的一侧设置了第一全反射镜和第二全反射镜，使激光经过反射返回激光增益介质，激光在激光增益介质内经过若干次全反射后射出激光增益介质。激光增益介质的两个端面既可作为激光的射入端，也可以作为激光的输出端，提高了激光增益介质的使用效率。

本发明第二实施例采用了上述激光增益介质与特定部件组合的激光增益装置，可以高效吸收泵浦光能量，有效避免激光增益介质内部在长度方向上存在热梯度，使激光增益介质输出的激光具有较高的输出功率和较好的光束质量。解决了现有技术的如下问题：在固体激光器工作时，现有的激光增益介质对泵浦光能量吸收不均匀，导致激光增益介质内部在长度方向存在热梯度，影响激光输出功率和光束质量。

通过本发明实施例记载的激光增益介质和装置可知，其具有如下有益效果：

1、激光增益介质的增益层的厚度由最大值处开始分别向两端的端面膜层方向以服从指数函数的规律减小，这种设置能够使激光增益介质内部吸收泵浦光的热量分布更加均匀，提高了吸收泵浦光的效率，有效避免了激光增益介质在传播方向上的热梯度，缓解了激光增益介质内部的热透镜效应和热畸变。

2、增益层靠近激光增益介质表面，使得激光增益介质在厚度方向上具有较高的散热效率。

3、包层与增益层形成全反射界面，激光以一定的入射角射入激光增益介质，使激光能够以之字形光路在激光增益介质内部多次全反射，充分吸收增益层中的能量。激光增益介质厚度和宽度的设置，可以使通过激光增益介质的激光采用大口径光束，同时有效降低激光增益介质的晶体表面损伤，适用于较大功率的激光输出。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种激光增益介质，其特征在于，包括：

芯层、增益层、包层和端面膜层；

所述包层和所述端面膜层包裹的区域内设置有所述芯层和所述增益层；

所述增益层包括第一增益层和第二增益层，所述包层包括第一包层和第二包层；

所述第一增益层与所述第一包层连接，所述第二增益层与所述第二包层连接，所述端面膜层、所述第一包层、所述第二包层、所述第一增益层和所述第二增益层共同包裹所述芯层；

所述增益层的厚度由最大值处开始分别向两端的端面膜层方向以服从指数函数的规律减小，其中，所述最大值处落在所述包层和所述端面膜层包裹的区域剖面的中心与所述包层的垂直线上。

2.根据权利要求1所述的激光增益介质，其特征在于，

所述芯层与所述增益层以键合方式连接。

3.根据权利要求1所述的激光增益介质，其特征在于，

所述芯层为无掺杂区；

所述增益层为掺杂区，掺杂浓度范围为1at.％至3at.％。

4.根据权利要求1所述的激光增益介质，其特征在于，

所述增益层的所述最大值处的厚度范围为150微米至1000微米。

5.根据权利要求1所述的激光增益介质，其特征在于，

所述指数函数为以自然常数e为底数的指数函数。

6.根据权利要求1所述的激光增益介质，其特征在于，

所述包层为介质膜或光学倏逝膜。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的激光增益介质，其特征在于，

所述包层和所述端面膜层包裹的区域剖面为平行四边形。

8.根据权利要求7所述的激光增益介质，其特征在于，

所述平行四边形的任意一个夹角为45度。

9.一种激光增益装置，其特征在于，包括：

泵浦源、泵浦源耦合系统和权利要求1至8中任一项所述的激光增益介质。

10.根据权利要求9所述的激光增益装置，其特征在于，还包括：

种子源、种子源耦合系统和隔离器。