CN108376902B - 正交体全息光栅固体激光器 - Google Patents

正交体全息光栅固体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种正交体全息光栅固体激光器。激光器包括激光谐振腔，液冷腔，激活元件，泵浦源；激光谐振腔为线性谐振腔包括输出镜和高反镜；液冷腔包括倾斜玻璃片、垂直玻璃片和泵浦窗口玻璃片；泵浦源用于通过耦合装置向长方体状的激活元件的侧面发射泵浦光；耦合装置用于将泵浦源发射的泵浦光耦合进激活元件。倾斜玻璃片与激活元件的振荡激光通光面之间的最小距离为0.5毫米，且倾斜玻璃片的倾角在正交的两个方向成0.5毫弧度到0.1弧度之间的倾角。在激活元件内部的两个正交的平面内同时满足简并四波混频条件。产生简并四波混频的平均阈值泵浦功率密度大于300瓦每平方厘米。未加选模装置前，激光输出是正交的夫琅和费衍射花样。

Description

正交体全息光栅固体激光器
技术领域
本发明涉及固体激光器技术领域，特别是涉及一种正交体全息光栅固体激光器。
背景技术
激光原理的共焦腔理论指出，通常的基横模固体激光器由于瑞利长度很小，例如只有不到1毫米（Dietrich, J. et al. 2008. Opt. Laser. Eng., 46(10), 705），导致基横模腰斑半径很小。这就使得，如果激光谐振腔的腔镜及激光增益介质的口径远远大于激光波长，例如激光波长为1微米，并且不在腔内加入横模选择装置，激光器将输出多模激光。随着泵浦功率的提高，更多的横模的增益超过阈值而起振输出。同时，由于固体激光介质的散热问题而产生的光学畸变、热退偏，给高阶横模起振创造了更多的机会，因此光束质量显著下降。这就是固体激光器的热管理问题（周寿桓, 等. 2009. 中国激光, 36(7), 1605）。为了解决热管理问题，出现了热容、板条、薄片、光纤等多种类型的激光器。这些措施对光束质量产生不同程度的改善，但是仍存在不少问题。例如热容激光器的激光介质的温升效应、板条激光器的光束质量的不对称、单面泵浦的薄片激光器的形变效应等。因此，为了获得单模输出，激光器必须有横模控制手段。
为了获得基模运转，通常有在激光谐振腔内加入真空滤波器（光阑）、腔型设计等办法。光阑法的缺点是输出效率低下，甚至不出光。腔型法的问题在于对泵浦功率的敏感性。
受共焦腔理论的限制，为了克服基横模腰斑很小，解决激光器的功率升高、光束质量非线性下降的难题，现有技术包括主振荡器功率放大器（MOPA），光纤激光器相干合成，非稳腔等技术。MOPA与受激布里渊散射技术相结合，仅适用于高能脉冲激光系统，而光纤激光器相干合成处于发展之中，非稳腔由于输出空心光斑使其适用范围有限。
使用简并四波混频的自泵浦相位共轭环形腔技术，可以在激光介质内部产生体全息光栅。由于光栅同时的空间和光谱的选择性，其对激光器横向模式的影响甚大。如果激光谐振腔内没有横模控制装置，比如光阑，则激光输出为衍射状光斑（Sillard, P. et al.1998. IEEE J. Quantum Elect., 34(3), 465）或者花瓣状（Green, R. P. et al. 1996.IEEE J. Quantum Elect., 32(3), 371）。由于简并四波混频必须满足能量、动量守恒条件，因此必须采用一种特殊的结构才能实现。现有技术的共同特征是在一个平面内使用环形激光谐振腔或者偏振反馈臂才能实现。光路非常复杂。
光子晶体光纤激光器的不间断单模运转条件，受到缺失空气孔的数目的影响。当光子晶体光纤中仅仅缺失一个空气孔的时候，且孔直径与孔间距（光栅周期）之比小于0.4时，才能保证单模的运转条作。当中心缺失3个或者7个空气孔时，不间断单模运转条件变为要求该比值小于0.25以及小于0.15（Mortensen, N. A. et al. 2003. Opt. Lett. 28(20), 1879）。
发明内容
本发明提供一种可以运转在高平均功率和高光束质量的激光二极管泵浦的正交体全息光栅固体激光器，特别是可以在板条的侧面有效地泵浦耦合。
本发明提供一种正交体全息光栅固体激光器，包括激光谐振腔，液冷腔，激活元件，至少对所述激活元件的一个侧面进行泵浦的泵浦源及其耦合装置；所述激光谐振腔为线性谐振腔，包括相对设置的输出镜和高反镜；所述液冷腔设置在激光谐振腔中；所述激活元件为长方体状板条，并且设置在液冷腔中；激光器的光轴穿过所述板条的两个振荡激光通光面；所述液冷腔包括倾斜玻璃片，垂直玻璃片，泵浦窗口玻璃片；所述倾斜玻璃片设置在所述激活元件的振荡激光通光面与所述输出镜之间，并靠近所述激活元件；所述垂直玻璃片设置在所述激活元件的振荡激光通光面与所述高反镜之间，并靠近所述激活元件；所述泵浦源和耦合装置设置在所述激活元件的侧面，并且泵浦方向与激光器的光轴相垂直；所述泵浦源用于通过耦合装置、泵浦窗口玻璃片向激活元件的侧面发射泵浦光；所述耦合装置用于将泵浦源发射的泵浦光耦合进所述激活元件。
进一步地，所述倾斜玻璃片与激活元件之间的最小距离为0.5毫米，所述倾斜玻璃片的倾角在0.5毫弧度到0.1弧度之间。
进一步地，所述倾斜玻璃片的倾角存在于正交的两个方向上。
进一步地，所述激活元件与所述倾斜玻璃片、垂直玻璃片以及泵浦窗口玻璃片之间有冷却液流过。
进一步地，所述激活元件的倾角在0到0.05弧度之间。
进一步地，所述泵浦源为半导体激光器，半导体激光器的平均阈值泵浦功率密度大于所述激活元件所用材料的饱和功率密度的0.1倍。
进一步地，在未加选模装置前，所述激光器的激光输出是正交的夫琅和费衍射花样。
进一步地，所述激活元件内部，同时在两个正交的平面上满足简并四波混频条件，并且激活元件对信号光起多次放大作用。
本发明通过在紧靠激活元件的振荡激光的通光面旁边插入的具有两个微小倾角自由度的玻璃片，以及激光介质的多次放大作用，同时在两个正交平面内实现简并四波混频的动量、能量守恒条件，因此，可在激光介质内部形成正交的体全息光栅。相比于二维光子晶体光纤的单模特性仍受芯径缺失空气孔数目的制约，本发明提出的正交体全息光栅的空间结构非常类似于二维光子晶体，但是其模式输出特性完全不受激光介质横向面积大小的制约。本发明提供了一种解决激光器的功率升高、光束质量非线性下降的难题的方案。提出了正交体全息光栅固体激光器的概念及其装置，使激光器输出的横向分布被光栅特性所控制，可以有效地控制激光器的光束质量而不受泵浦功率升高的影响。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例的一种正交体全息光栅固体激光器的单侧泵浦模式的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种正交体全息光栅固体激光器的对侧泵浦模式的结构示意图；
图3为本发明实施例的一种正交体全息光栅固体激光器的激光输出衍射花样示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明中的“激活元件”即激光增益介质，简称激光介质，是指一种基质具有点阵结构的，掺杂适当离子的可以被泵浦发生激光跃迁的光学材料。本发明并不局限于特定的激光材料或者特定的泵浦源，优选的基质点阵材料为钇铝石榴石，钆镓石榴石，钆钪镓石榴石，氟化锂钇，钒酸钇，磷酸盐激光玻璃，硅酸盐激光玻璃，无热玻璃，蓝宝石，透明多晶陶瓷材料。这些基质点阵材料的适当的掺杂剂包括Ti、Cu、Co、Ni、Cr、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb。光学泵浦源的选择由所选择的激光增益介质的吸收特性决定。优选半导体激光器作为泵浦源，工作模式为连续或者准连续方式。
本发明的工作原理是，通过在紧靠激活元件的振荡激光的通光面的一侧或者两侧设置具有两个微小倾角自由度的倾斜玻璃片以及激活元件的放大作用，将同时在两个正交平面内实现简并四波混频的动量、能量守恒条件，因此，可在激活元件内部形成正交的体全息光栅。
由于两个正交平面内的信号光A 3都是由自泵浦光A 1在倾斜玻璃片上的部分反射产生，因此，分别在两个互相垂直的平面内产生的简并四波混频也是相干的。倾斜玻璃片的两个倾角近似相等时，在两个正交的平面内产生的体全息光栅的空间周期也将近似相等。正交体全息光栅中的透射光栅形式起主要作用。
实施例一
如图1所示，为本发明实施例的一种正交体全息光栅固体激光器的单侧泵浦模式的结构示意图，包括Y-Z面的V2平面视图和X-Z面的V4平面视图。所述正交体全息光栅固体激光器包括激光谐振腔2，激活元件8，泵浦源20。激光谐振腔2为线性谐振腔，使用平行的平面腔。也可以使用非平行的平面腔，或其他腔型。使用非平行的平面腔的一个原因是补偿由于单侧泵浦引起的激活元件8内部的附加光程。激光谐振腔2包括相对设置的输出镜4和高反镜6。在激光谐振腔2中设置形状为长方体的板条状激活元件8。激活元件8设置在液冷腔10中。液冷腔10包括一个倾斜玻璃片14，一个垂直玻璃片16，以及两个泵浦窗口玻璃片18。在激活元件8的左侧的振荡激光通光面与输出镜4之间设置倾斜玻璃片14。在激活元件8的右侧振荡激光通光面与高反镜6之间设置垂直玻璃片16。激活元件8与左侧的倾斜玻璃片14、右侧的垂直玻璃片16之间的最小距离，以满足最小损耗、散热要求为标准，例如以去离子水为冷却液，典型工作间距为0.5毫米。泵浦窗口玻璃片18与激活元件8的间距以满足散热要求的最短距离为标准，例如间距为1毫米。在激活元件8的一侧设置泵浦源20，泵浦光24的泵浦方向垂直于激光器的光轴方向3。所述泵浦源20为半导体激光器泵浦源。泵浦源20发射的泵浦光24通过光束整形系统，即耦合装置22，透过液冷腔10的泵浦窗口玻璃片18，照射在激活元件8的侧面。冷却液在激活元件8与倾斜玻璃片14之间、激活元件8与垂直玻璃片16之间、激活元件8与泵浦窗口玻璃片18之间流过。在V2视图中，冷却液流向12自上向下。
其中，激活元件8的饱和功率密度与材料性质有关。例如，晶体Nd:YAG的饱和功率密度是2.9千瓦每平方厘米，Nd:Glass的饱和功率密度则是12千瓦每平方厘米。实验表明，以晶体Nd:YAG为激活元件的正交体全息光栅固体激光器的平均阈值泵浦功率密度大于300瓦每平方厘米，即大于饱和功率密度的0.1倍。激活元件的平均阈值泵浦功率密度的大小决定于腔内光学损耗以及泵浦耦合效率。降低阈值功率密度并进一步提高泵浦功率密度，可以提高激光器效率并增强简并四波混频效应。在提高泵浦功率密度的过程中，使用浸没式的液体冷却，能有效地降低晶体的损伤阈值，提高简并四波混频激光器的转化效率。
在V2视图所示的竖直面内，共轭光A 4在倾斜玻璃片14上的竖直面共轭光反射角28，等于倾斜玻璃片14与激活元件8在竖直面内的夹角A。竖直面内的信号光A 3与自泵浦光A 1的夹角32为2A。同理，在V4视图所示的水平面内，共轭光A 4在倾斜玻璃片14上的水平面共轭光反射角26，等于倾斜玻璃片14与激活元件8在水平面内的夹角B。水平面内的信号光A 3与自泵浦光A 1的夹角30为2B。倾斜玻璃片14的两个倾角A和B是独立变量。角度变化范围在0.5毫弧度到0.1弧度之间。
本发明实施例同时在两个正交的平面内，A 1―A 4四波偏振方向相同，满足动量、能量守恒定律，即满足简并四波混频条件，将在激活元件8内部产生正交的体全息光栅。通过简并四波混频的非线性能量转换38，共轭光A 4在取读泵浦光A 2中获得能量，获得共轭光的激光输出40。
相位共轭反射率的定义为共轭光与信号光的功率或能量之比，反映了体全息光栅的强弱程度。在泵浦源20的泵浦功率接近泵浦阈值的过程中，本发明实施例的激光器在激光谐振腔2中相向方向的振荡激光，可以分别看作自泵浦光A 1和取读泵浦光A 2。在振荡激光的建立过程中，由于倾斜玻璃片14的部分反射也将同步地产生信号光A 3和共轭光A 4。共轭光A 4受到倾斜玻璃片14以及与倾斜玻璃片14平行的输出镜4（忽略冷却液的影响）的部分反射。此第二次反射回的能流方向再次与激光器光轴方向3平行。经过激活元件8的第二次放大，高反镜6的反射，第三次经过激活元件8的放大，这相当于信号光经历了激活元件8的4次放大。在激活元件8的纵向长度即厚度为7毫米，小信号增益系数为0.273每厘米，输出镜的反射率为95%的条件下，相位共轭反射率大于2。如果振荡激光没有达到激光器的阈值条件，则重复此过程；完成此第2轮重复过程后的相位共轭反射率大于4。如果激光器的起振经历11轮的循环过程，则相位共轭反射率大于2500。如果振荡激光达到阈值条件，则从输出镜4获得激光输出40，其主要成分为共轭光。
由于共轭光A 4在第二次、第三次经过激活元件8时，在激活元件8的内部已经由信号光A 3和自泵浦光A 1形成透射式的体全息光栅，则共轭光A 4将受到体全息光栅的衍射。由倾斜玻璃片14的两个倾角自由度产生的共轭光A 4在两个正交的平面内都满足简并四波混频条件，也就形成一对正交的体全息光栅，激光器的输出特性应满足正交光栅衍射花样的分布规律。实验结果如图3所示。
在饱和增益的条件下，简并四波混频几乎是与振荡激光同步建立的。在输出镜4和高反镜6平行即平行平面腔的条件下，如果共轭光A 4被放大的倍率有限，则简并四波混频不能发生或者效应很微弱。当激光器刚刚达到阈值时，激光输出40为多半个方形光斑，发散角很大，但此时激光器阈值较低。调谐输出镜4的倾角，在接近与倾斜玻璃片14平行时，由于输出镜4和倾斜玻璃片14的后向反射镜的作用而产生的较大的相位共轭反射率，将不会再产生方形光斑的激光输出40，而是一个如图3所示的共轭光为主的圆形或椭圆形的中央亮斑42。简并四波混频的激光器阈值高于没有简并四波混频的激光器阈值。在输出镜4的初始状态就存在这种微小倾角的条件下，激光器达到阈值时，将直接自启动简并四波混频，获得共轭光输出。较大的相位共轭反射率还可以降低简并四波混频的阈值功率密度，并使激光器获得较高的光谱选择性，即压缩线宽。激光器输出在一定的相位共轭反射率条件下，将输出单纵模激光。
实施例二
如图2所示，为本发明实施例的一种正交体全息光栅固体激光器的对侧泵浦模式的结构示意图，包括Y-Z面的V6平面视图和X-Z面的V8平面视图。实施例二与实施例一的区别在于使用两套泵浦源及其耦合装置进行对侧泵浦和将激活元件8设置为倾斜放置。
如V8视图所示，在激活元件8前后两侧对称设置泵浦源20，所述泵浦源为半导体激光器泵浦源，泵浦源20发射的泵浦光24通过光束整形系统，即耦合装置22，透过液冷腔10的泵浦窗口玻璃片18，照射在激活元件8的两个侧面上。激活元件8水平面倾角34为D，激活元件竖直面倾角36为C，并且两个角的变化范围为0到0.05弧度。
在V6视图所示的竖直面内，共轭光A 4在倾斜玻璃片14上的竖直面共轭光反射角28，等于倾斜玻璃片14与激活元件8垂直激光器光轴3放置时在竖直面内的夹角A。忽略激活元件8的竖直面倾角36，则竖直面内的信号光A 3与自泵浦光A 1的夹角32为2A。同理，在V8视图所示的水平面内，共轭光A 4在倾斜玻璃片14上的水平面共轭光反射角26，等于倾斜玻璃片14与激活元件8垂直激光器光轴3放置时在水平面内的夹角B。忽略激活元件8的水平面倾角34，则水平面内的信号光A 3与自泵浦光A 1的夹角30为2B。倾斜玻璃片14的两个倾角A和B是独立变量。角度变化范围在0.5毫弧度到0.1弧度之间。
本发明实施例同时在两个正交的平面内，四波偏振方向相同，满足动量、能量守恒定律，即满足简并四波混频条件，将在激活元件8内部产生正交的体全息光栅。通过简并四波混频的非线性能量转换38，共轭光A 4在取读泵浦光A 2中获得能量，经过两次放大，如果超过阈值，则从输出镜4获得激光输出40。
图3为正交体全息光栅固体激光器的激光输出衍射花样示意图。正交体全息光栅固体激光器在没有加入选模装置前，激光输出40的花样为正交的夫琅和费衍射花样。其特征为，激光器的激光输出花样为中央亮斑42的周围伴随有在正交的两个方向上的周期排列的次级亮斑44。次级亮斑44的两个正交方向一般不与水平X轴46和竖直Y轴48相互平行，而是与水平X轴46和竖直Y轴分别成一个水平夹角50和竖直夹角52。当倾斜玻璃片14的水平面共轭反射角26与竖直面共轭光反射角28相等时，则水平夹角50和竖直夹角52相等。
图3的衍射花样会随着简并四波混频的条件变化作出相应的变化。例如，在图1单侧泵浦条件下，由于热光效应将在激活元件8内部引起附加光程。因此就需要对输出镜4的倾角进行微调。随着泵浦功率的提高，输出镜4的倾角会越来越大。激光谐振腔2将是不平行的平面腔。共轭光A 4经输出镜4的部分反射光，将不再与激光器光轴方向3平行，而是成一个微小的倾角。此时在该平面内的简并四波混频产生的体全息光栅的周期会变大，则激光输出40的衍射图样的周期会变小，直到连成一条线。越过此角度后，衍射花样的周期会再次变大。由于输出镜4的反射率远远大于倾斜玻璃片14的反射率，则由输出镜4的倾角确定的简并四波混频将在该平面占据主导地位。在两个正交平面内，体全息光栅周期的不相等，以及相位共轭反射率的差异，使激光器的激光输出花样的中央亮斑42为椭圆形，相应地在两个正交方向上的光束传播比也会不同。
经实验测定，中央亮斑42的能量超过激光输出40总能量的90%，在相纸上烧蚀出的光斑直径小于2毫米。因此，正交体全息光栅固体激光器可以通过在激光谐振腔2内插入小孔光阑等选模装置，或者在激光谐振腔2外设置直径小于2毫米的小孔光阑，即可获得单模输出。不同于现有技术中的小孔选基横模技术，简并四波混频的激光器可以使用较大直径的小孔光阑，因此对激光器输出效率影响较小。
本发明提出了同时在激活元件内部的两个正交平面内产生简并四波混频从而实现正交体全息光栅的概念及装置。二维的光子晶体光纤是一种多维正交的体光栅机械结构，其意义重大，但是加工制造却非常困难。如果在激光器中加入两片正交的玻璃光栅，其严重的损耗只能导致激光器不出光。正交体全息光栅相当于一种二维实时光子晶体结构，随着自泵浦相位共轭的产生而产生，也随其消失而消失。
相比于二维光子晶体光纤的单模特性仍受芯径缺失空气孔数目的制约，本发明提出的正交体全息光栅的空间结构非常类似于二维光子晶体，但是其模式输出特性完全不受激光介质横向面积大小的制约。本发明为解决激光器的功率升高、光束质量非线性下降的难题，提出一种正交体全息光栅固体激光器概念及其装置，使激光器输出的横向分布被光栅特性控制，可以有效地控制激光器的光束质量而不受泵浦功率的影响。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种正交体全息光栅固体激光器，其特征在于，包括激光谐振腔，液冷腔，激活元件，至少对所述激活元件的一个侧面进行泵浦的泵浦源及其耦合装置；
所述激光谐振腔为线性谐振腔，包括相对设置的输出镜和高反镜；
所述液冷腔设置在激光谐振腔中；所述激活元件为长方体状板条，并且设置在液冷腔中；激光器的光轴穿过所述板条的两个振荡激光通光面；
所述液冷腔包括倾斜玻璃片，垂直玻璃片，泵浦窗口玻璃片；所述倾斜玻璃片设置在所述激活元件的振荡激光通光面与所述输出镜之间，并靠近所述激活元件；所述垂直玻璃片设置在所述激活元件的振荡激光通光面与所述高反镜之间，并靠近所述激活元件；
所述泵浦源和耦合装置设置在所述激活元件的侧面，并且泵浦方向与激光器的光轴相垂直；所述泵浦源用于通过耦合装置、泵浦窗口玻璃片向激活元件的侧面发射泵浦光；所述耦合装置用于将泵浦源发射的泵浦光耦合进所述激活元件；
所述倾斜玻璃片的倾角存在于正交的两个方向上；
在未加选模装置前，所述激光器的激光输出是正交的夫琅和费衍射花样；
所述激活元件内部，同时在两个正交的平面上满足简并四波混频条件，并且激活元件对共轭光起多次放大作用。
2.根据权利要求1所述的正交体全息光栅固体激光器，其特征在于，所述倾斜玻璃片与激活元件之间的最小距离为0.5毫米，所述倾斜玻璃片的倾角在0.5毫弧度到0.1弧度之间。
3.根据权利要求1所述的正交体全息光栅固体激光器，其特征在于，所述激活元件与所述倾斜玻璃片、垂直玻璃片以及泵浦窗口玻璃片之间有冷却液流过。
4.根据权利要求1所述的正交体全息光栅固体激光器，其特征在于，所述激活元件的倾角在0到0.05弧度之间。
5.根据权利要求1所述的正交体全息光栅固体激光器，其特征在于，所述泵浦源为半导体激光器，半导体激光器的平均阈值泵浦功率密度大于所述激活元件所用材料的饱和功率密度的0.1倍。
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