CN108365510B - 一种侧面泵浦固体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种侧面泵浦固体激光器，包括：泵浦源和激光工作物质，泵浦源用于提供泵浦光，泵浦光从激光工作物质侧面入射至内部被吸收，泵浦光沿激光工作物质的两个大面传输，泵浦光在激光工作物质内传输时始终满足全反射条件。本发明提高了泵浦光吸收效率，并且设计灵活、制作难度小。

Description

一种侧面泵浦固体激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种侧面泵浦固体激光器。
背景技术
自世界上第一台红宝石激光器问世以来，固体激光器一直是众多激光器中的佼佼者。“高功率、高效率、高光束质量”激光器是科学家和工程师们不懈追求的目标，自激光器发明、发展与应用以来，这个目标也是始终让人类充满希望而又面临许多困难与挑战的科学高地。提高激光器输出功率/能量过程中热效应对激光器输出能力及光束质量的影响也愈发明显。为了进一步减小热效应对激光器造成的影响，科研人员从晶体结构、泵浦及冷却方式等多个方面做了大量工作，并取得了一定成果。
侧面泵浦结构为提高泵浦吸收效率，多采用反射镜进行多程通过。反射镜增加了系统的复杂程度，尤其是在高功率泵浦情况下，对反射镜的膜系等也提出了较高的要求，提高了系统成本。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种侧面泵浦固体激光器。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供了一种侧面泵浦固体激光器，包括：
泵浦源，用于提供泵浦光；
激光工作物质，泵浦光从激光工作物质侧面入射至内部被吸收，泵浦光沿激光工作物质的两个大面传输，泵浦光在激光工作物质内传输时始终满足全反射条件。
优选地，入射角α满足以下条件：
Figure GDA0002378093220000011
其中，n为激光工作物质的折射率，n1为激光工作物质表面的折射率，θ为激光工作物质的两个大面延长线之间的夹角。
优选地，激光工作物质为梯形结构、两对称的梯形结构或五边形结构。
优选地，所述泵浦源为单光束泵浦、多光束泵浦或二极管阵列泵浦。
优选地，多个泵浦光束在激光工作物质侧面依次排开，不同泵浦光束的入射角不同。
优选地，泵浦光束距离激光工作物质的底端越近，其入射角度越大。
优选地，激光工作物质为晶体或陶瓷。
优选地，所述泵浦源为二极管直接泵浦或者泵浦光经光纤耦合后输出的泵浦光。
优选地，所述激光工作物质的端面加工有楔角，用于抑制自激。
优选地，采用风冷或半导体制冷器的方式对激光工作物质进行温度控制。
从上述技术方案可以看出，本发明侧面泵浦固体激光器至少具有以下有益效果其中之一：
(1)本发明利用激光工作物质的楔角及全反射条件，获得泵浦光入射角度，使泵浦光在激光工作物质内传输时始终满足全反射条件，提高了泵浦光吸收效率；
(2)本发明利用了两梯形结构对称的晶体结构，在泵浦光在晶体内满足全反射传输的基础上，进一步增加泵浦光光程，提高吸收效率；
(3)本发明使得泵浦光排列方式更灵活，简化了泵浦合束、整形等过程；
(4)本发明冷却及激光传输方式灵活、制作难度小。
附图说明
图1为本发明侧面泵浦固体激光器的晶体结构示意图。
图2为本发明侧面泵浦固体激光器的另一晶体结构示意图。
图3为本发明第一实施例侧面泵浦固体激光器的泵浦及激光方向示意图。
图4为本发明第二实施例侧面泵浦固体激光器的多光束泵浦及激光方向示意图。
图5为本发明侧面泵浦固体激光器的泵浦方式示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种侧面泵浦固体激光器，包括：泵浦源，用于提供泵浦光；激光工作物质，泵浦光从激光工作物质侧面入射至内部被吸收，激光沿激光工作物质的两个大面传输，泵浦光在激光工作物质内传输时始终满足全反射条件。
作为一种具体的实施方式，激光工作物质优选为晶体或陶瓷，激光工作物质可以为梯形结构或五边形结构。下面以晶体为例，对本发明作详细说明。
图1为本发明侧面泵浦固体激光器的晶体结构示意图。如图1所示，为提高泵浦光的吸收效率，需要使泵浦光在晶体内多次折返。本发明通过晶体结构及泵浦设计，使泵浦光在晶体内全反射。为了实现泵浦光在晶体内的全反射，角度η需满足晶体的全反射角度。设晶体的折射率为n，晶体材料表面的折射率为n1(如晶体直接与空气接触，n1就是空气的折射率。也可采取在晶体表面附着介质层的方法，改变全反射角度。此处，n＞n1)，则：
η≥arcsin(n1/n)
同时，由图1中的几何关系可知，η＝β+θ，同时角度α和β之间满足折射定律，即
Figure GDA0002378093220000031
根据以上公式，可得：
Figure GDA0002378093220000032
图1所示结构的晶体设计，可以确保泵浦光在向下传输、折转的过程中，每反射一次，反射角增加一个θ，θ为激光工作物质的两个大面延长线之间的夹角，从而确保全反射条件不被破坏。
泵浦光从激光工作物质侧面入射至内部被吸收，激光沿晶体的两个大面传输。角度θ可根据需要进行设计，沿激光传输方向，晶体的设计与普通块状、棒状介质的设计原则一致，即可在端面加工楔角抑制自激。晶体的冷却方式可根据泵浦功率等实际情况进行选取，如可在晶体的左右两个大面上采用风冷或半导体制冷器(TEC)的方式进行温度控制。
图2为本发明侧面泵浦固体激光器的另一晶体结构示意图。根据不同的泵浦、激光工作物质吸收率应用情况，可采用改进的激光工作物质结构设计，如图2所示，即晶体设计为两对称的梯形结构，可进一步增加泵浦光在激光工作物质内的光程，且上半部分的泵浦光传输满足全反射条件，因结构对称，则光传输仍满足全反射。激光传输方向及冷却方式等同上述。
根据以上激光工作物质设计原则、泵浦光入射角度及几何光学等理论即可实现激光工作物质实际尺寸设计。
实施例一：
针对泵浦光吸收系数低的情况，为了提高泵浦吸收率，需要尽量增加泵浦光在晶体内的传输路径，如图3所示。
实施例二：
针对激光工作物质吸收系数较高、泵浦功率较大的应用情况。若高的泵浦功率可实现单光束输出，仍可采用图3所示的设计方式。若泵浦为多个光束，为了增加均匀性同时减小整形系统的压力，可采用如图4所示的方式进行泵浦，即泵浦源在激光工作物质侧面依次排开。图4中，入射角度α1仍需满足：
Figure GDA0002378093220000041
通过灵活设计泵浦光的排布方式，可方便的实现高泵浦功率下的激光输出。除此之外，若泵浦光在激光工作物质内传输的路径较长，为了确保泵浦光在激光工作物质内传输时始终满足全反射条件，在图4中距离激光工作物质底端越近，其入射角度也应该越大，其原因是泵浦光经底面反射向上传输的过程中，每反射一次，反射角减小θ，为了确保光束传输至图4中激光工作物质顶端时仍满足全反射条件，需增大α1。
对于本发明侧面泵浦固体激光器的泵浦源，可以是二极管直接泵浦，也可以是泵浦光经光纤耦合后输出作为泵浦源。根据实际需要可以采用单光束或多光束泵浦，也可以采用二极管阵列泵浦，如图5中的(a)和(b)所示。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明侧面泵浦固体激光器有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
综上所述，本发明提供了一种侧面泵浦固体激光器。本发明设计了提高泵浦吸收率的激光工作物质结构，并以此为基础，针对不同的应用结构，设计了相应的侧面泵浦固体激光器。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种侧面泵浦固体激光器，其特征在于，包括：
泵浦源，用于提供泵浦光；
激光工作物质，所述激光工作物质为梯形结构或两对称的梯形结构，多个泵浦光束分别沿着梯形结构或两对称的梯形结构的侧边依次排开，不同泵浦光束的入射角不同，泵浦光束距离激光工作物质的底端越近，其入射角度越大；泵浦光从梯形结构或两对称的梯形结构的激光工作物质侧面入射至内部被吸收，泵浦光在梯形结构两个相对的侧面或两对称的梯形结构两个相对的侧面之间来回发生反射，且始终满足全反射条件；其中，
所述泵浦源为多光束泵浦或二极管阵列泵浦。
2.根据权利要求1所述的侧面泵浦固体激光器，其特征在于，入射角α满足以下条件：
Figure FDA0002378093210000011
其中，n为激光工作物质的折射率，n1为激光工作物质表面的折射率，θ为梯形结构或两对称的梯形结构的激光工作物质两个相对的侧面的延长线之间的夹角。
3.根据权利要求1所述的侧面泵浦固体激光器，其特征在于，激光工作物质为晶体或陶瓷。
4.根据权利要求1所述的侧面泵浦固体激光器，其特征在于，所述泵浦源为二极管直接泵浦或者泵浦光经光纤耦合后输出的泵浦光。
5.根据权利要求1所述的侧面泵浦固体激光器，其特征在于，所述激光工作物质的端面加工有楔角，用于抑制自激。
6.根据权利要求5所述的侧面泵浦固体激光器，其特征在于，采用风冷或半导体制冷器的方式对激光工作物质进行温度控制。
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