CN108574196B - 一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法 - Google Patents

一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法，激光二极管泵浦源发出增益介质内吸收带内的泵浦光，泵浦光通过传能光纤和耦合透镜组聚焦于增益介质内部，增益介质吸收泵浦光，形成粒子数反转，在激光全反镜和激光输出镜构成的激光谐振腔正反馈作用下形成准三能级激光振荡，经激光输出镜输出。激光增益介质的光束传播方向为x方向，横截面两方向分别为y和z；激光增益介质的掺杂部分在xy平面内的投影为楔形，在y方向上移动激光增益介质，即能使得x方向上光路所经过掺杂部分的长度发生改变，从而优化浓度长度积，实现最优转换效率。经过理论计算结果，本发明很大程度地提高了现有的准三能级固体激光器的转换效率。

Description

一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法
技术领域
本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法。
背景技术
准三能级激光系统(激光下能级为基态的斯塔克能级，如掺钇(Nd)激光增益介质4F3/2→4I9/2跃迁产生的0.9μm辐射和掺镱(Yb)激光增益介质2F5/2→2F7/2的1μm辐射等)是固体激光器的常见运转机制，具有非常广泛而重要的应用。
由于准三能级激光系统的下能级为基态的斯塔克能级，粒子分布较多，会对腔内振荡的激光产生较大的重吸收损耗，往往需选择较低的掺杂浓度和晶体长度，而低掺杂浓度和短晶体长度带来的直接影响便是晶体对泵浦光吸收较差，影响激光器的光光转换效率。激光晶体掺杂浓度与长度的乘积(浓度长度积)决定了晶体对泵浦光的吸收(即增益)以及对激光的重吸收损耗，因而准三能级激光器对于晶体的浓度长度积比较敏感。对于准三能级激光器而言，存在一个最优的浓度长度积，使得激光器在特定泵浦功率下有最高的光光效率。当晶体的掺杂浓度固定时，上述问题即变成晶体最优长度的选择。由速率方程可知准三能级激光器中晶体的最优长度是泵浦功率的增函数，泵浦功率越高，晶体增加单位长度所对应的泵浦吸收和相应激光增益的提升也就越高，而单位长度对应的重吸收损耗是固定的，当晶体长度的增加对泵浦吸收和增益的正作用与所增加的重吸收损耗的负作用相等时，达到平衡，即最优的晶体长度。
实际工作中，由于激光晶体批次不同或晶体切割于毛坯不同位置等原因，可能导致晶体的实际掺杂浓度与标称值有所不同，实际的浓度长度积偏离设计的最优值，需要进行修正以实现最佳转换效率，而且激光器本身也往往需要在不同功率下工作。因此，对准三能级激光器晶体的浓度长度积进行调节，从而优化激光器转换效率，具有重要的意义。
发明内容
本发明提供了一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法，本发明解决了现有准三能级激光器的转换效率对晶体浓度长度积敏感的问题，实现了激光器效率的优化，详见下文描述：
一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法，所述准三能级固体激光器：激光二极管泵浦源、传能光纤、耦合透镜组、激光全反镜、激光增益介质和激光输出镜；
其中，所述激光全反镜镀泵浦光增透、激光高反膜，激光增益介质镀泵浦光和激光增透膜，激光输出镜镀激光波长部分透过膜；
所述激光二极管泵浦源发出所述增益介质内吸收带内的泵浦光，所述泵浦光通过所述传能光纤和所述耦合透镜组聚焦于所述增益介质内部，所述增益介质吸收所述泵浦光，形成粒子数反转，在所述激光全反镜和所述激光输出镜构成的激光谐振腔正反馈作用下形成准三能级激光振荡，经所述激光输出镜输出；
所述激光增益介质的光束传播方向为x方向，横截面两方向分别为y和z；激光增益介质的掺杂部分在xy平面内的投影为楔形，在y方向上移动激光增益介质，即能使得x方向上光路所经过掺杂部分的长度发生改变，从而优化浓度长度积，实现最优转换效率。
所述激光增益介质仅包括：某一掺杂浓度的晶体，该晶体整体为楔形，后端面采用布儒斯特角切割。
为了避免光束传播方向与晶体/空气界面不垂直导致光路折射，影响激光器准直的问题，增益介质可进一步采用如下形式：
增益介质同时还包含：楔形的无掺杂的纯基质部分，斜面倾角与掺杂部分一致，该设计使键合后的激光增益介质两端面相互平行，光束垂直于晶体和空气的界面入射/出射，因而在y方向上移动晶体，优化效率的过程中不会发生折射，总光程也不会产生变化，不会影响激光器的准直和光学长度。
优选地，所述激光增益介质的无掺杂部分朝向泵浦光入射方向，从而有助于减轻热效应的影响。
进一步地，所述激光全反镜、所述激光增益介质和所述激光输出镜还镀有对所述激光增益介质的其他发射波长防反膜，避免其他波长起振。
优选地，所述准三能级固体激光器还包括，调制器件，
所述调制器件镀准三能级激光波长、以及所述激光增益介质其他发射波长的增透膜，使所述激光器能够以调Q、锁模和调制的形式运转。
具体实现时，所述激光增益介质为掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)、掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、钕玻璃以及掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)、掺镱钨酸钾钆(Yb:KGW)等准三能级激光增益介质。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明通过采用有源掺杂部分为楔形的激光增益介质，使得光路中有源激光增益介质的长度可以方便地调节，从而调节准三能级激光器增益介质的浓度长度积，进而优化激光器的转换效率；
2、本发明提供的楔形有源掺杂部分可以为：某一掺杂浓度的晶体，该晶体整体为楔形；或，还包含：楔形的无掺杂的纯基质部分，斜面倾角与掺杂部分一致；使得准三能级固体激光器的结构设计灵活，满足实际应用中的多种需要；
3、经理论计算结果，当Nd:YVO4晶体掺杂部分通光方向长度为5.4mm，浓度长度积接近35W泵浦功率下的914nm激光输出功率可提高至13.8W，很大程度地提高了现有的准三能级固体激光器的转换效率。
附图说明
图1为本发明提供的一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法的示意图；
图2为本发明提供的一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法的另一示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：激光二极管泵浦源； 2：传能光纤；
3：耦合透镜组； 4：激光全反镜；
5：激光增益介质； 6：调制器件；
7：激光输出镜；
5-1：激光增益介质无掺杂部分； 5-2：激光增益介质掺杂部分。
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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
为了解决现有准三能级激光器的转换效率受泵浦吸收和重吸收损耗两方面制约，对激光增益介质的浓度长度比较敏感的问题，本发明实施例提供了一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法，参见图1，该准三能级固体激光器：激光二极管泵浦源1、传能光纤2、耦合透镜组3、激光全反镜4、激光增益介质5和激光输出镜7；
其中，激光全反镜4镀泵浦光增透、激光高反膜，激光增益介质5镀泵浦光和激光增透膜，激光输出镜7镀激光波长部分透过膜；
激光二极管泵浦源1发出增益介质5内吸收带内的泵浦光，泵浦光通过传能光纤2和耦合透镜组3聚焦于增益介质5内部，增益介质5吸收泵浦光，形成粒子数反转，在激光全反镜4和激光输出镜7构成的激光谐振腔正反馈作用下形成准三能级激光振荡，经激光输出镜7输出；
激光增益介质5的光束传播方向为x方向，横截面两方向分别为y和z；激光增益介质5的掺杂部分在xy平面内的投影为楔形，在y方向上移动激光增益介质，即能使得x方向上光路所经过掺杂部分的长度发生改变，从而优化浓度长度积，实现最优转换效率。
综上所述，本发明实施例采用激光增益介质的楔形掺杂部分通光方向上的长度差，调节晶体入射点，实现对准三能级激光增益介质浓度长度积的调节，从而达到优化效率的有益效果。
实施例2
本发明实施例对激光增益介质5的结构做进一步地介绍，参见图1，详见下文描述：
本发明实施例在具体实施时包括：激光二极管泵浦源1、传能光纤2、耦合透镜组3、激光全反镜4、激光增益介质5、调制器件6和激光输出镜7。
其中，激光增益介质5选用Nd:YAG晶体，掺杂浓度0.8-at.％。晶体横截面尺寸4×4mm2，后端面采用布儒斯特角切割，晶体y方向顶端长4mm，y方向底端长6.2mm，晶体入射端镀泵浦波长808nm、激光波长946nm以及1.06μm、1.3μm增透膜系，出射端不镀膜；激光全反镜4为平镜，镀946nm高反，808nm泵浦光以及1.06μm、1.3μm增透膜系；激光输出镜7为平镜，镀946nm透过率T＝5％，1.06μm、1.3μm增透膜系，谐振腔物理长度60mm；调制器件6为石墨烯可饱和吸收体，镀946nm、1.06μm、1.3μm增透膜系。
激光二极管泵浦源1发射激光增益介质5吸收带内的泵浦光，经过传能光纤2输出，经耦合透镜组3聚焦后透过激光全反镜4进入激光增益介质5内部，被激光增益介质即Nd:YAG晶体吸收；在泵浦作用下Nd:YAG晶体形成粒子数反转，产生激光增益，在激光全反镜4和激光输出镜7构成的激光谐振腔提供的反馈作用下形成波长为946nm的准三能级激光振荡，并在可饱和吸收体6的调制作用下形成被动调Q脉冲，经过激光输出镜7输出。
根据速率方程计算可知，Nd:YAG晶体长4.2mm(20W泵浦下的最优值)、腔损0.2％、激光输出透过率5％时，20W入射808nm泵浦下，946nm激光输出功率3.2W，35W泵浦下激光输出功率6.3W，如y方向上调整晶体入射点，使得Nd:YAG晶体通光方向长度为6mm，其浓度长度积接近35W泵浦功率下的理论最优值，35W下946nm激光输出功率可提高至6.6W。
该实施例中晶体斜面采用布儒斯特角切割，无需镀膜，成本经济，且YAG采用布儒斯特角切割可使激光起偏，有利于后续频率变换应用。
实施例3
本发明实施例对激光增益介质5的结构做进一步地介绍，参见图2，详见下文描述：
一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法，该准三能级固体激光器包括：激光二极管泵浦源1、传能光纤2、耦合透镜组3、激光全反镜4、激光增益介质5、调制器件6和激光输出镜7。
其中，激光增益介质5选用a切割的Nd:YVO4晶体，由激光增益介质无掺杂部分5-1，即纯YVO4晶体，以及激光增益介质掺杂部分5-2，即Nd:YVO4晶体两部分键合而成。
整个Nd:YVO4晶体的横截面尺寸为4×4mm2，无掺杂部分5-1即纯YVO4晶体y方向顶端长2mm，y方向底端长4mm；激光增益介质掺杂部分5-2即Nd:YVO4晶体掺杂浓度0.1-at.％，方向顶端长6mm，y方向底端长4mm，键合后整个Nd:YVO4晶体规格为4×4×8mm3。
整个Nd:YVO4晶体两端镀泵浦波长808nm、激光波长914nm以及1.06μm、1.34μm增透膜系；激光全反镜为凹镜，镀914nm高反，808nm泵浦光以及1.06μm、1.34μm增透膜系；激光输出镜7为平镜，镀914nm透过率T＝5％，1.06μm、1.34μm增透膜系，谐振腔物理长度90mm；调制器件6为声光Q开关，镀914nm、1.06μm、1.34μm增透膜系。
激光二极管泵浦源1发射激光增益介质5吸收带内的泵浦光，经过传能光纤2输出，经耦合透镜组3聚焦后透过激光全反镜4进入激光增益介质5内部，被激光增益介质掺杂部分5-2，即Nd:YVO4晶体吸收；在泵浦作用下Nd:YVO4晶体形成粒子数反转，产生激光增益，在激光全反镜4和激光输出镜7构成的激光谐振腔提供的反馈作用下形成波长为914nm的准三能级激光振荡，并在声光Q开关6的调制作用下形成主动调Q脉冲，经过激光输出镜7输出。
根据速率方程计算可知，Nd:YVO4晶体掺杂部分长4mm(20W泵浦下的最优值)、腔损0.2％、激光输出透过率5％时，20W入射808nm泵浦下，914nm激光输出功率5.1W，35W泵浦下激光输出功率13.3W，如y方向上调整晶体入射点，使得Nd:YVO4晶体掺杂部分通光方向长度为5.4mm，其浓度长度积接近35W泵浦功率下的理论最优值，35W下914nm激光输出功率可提高至13.8W。
综上所述，本发明实施例采用键合晶体补偿激光增益介质的楔形掺杂部分产生的光程差，调节晶体入射点、优化效率过程中不会对激光器准直带来影响，应用方便。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法，其特征在于，
所述准三能级固体激光器：激光二极管泵浦源、传能光纤、耦合透镜组、激光全反镜、激光增益介质和激光输出镜；
其中，所述激光全反镜镀泵浦光增透、激光高反膜，激光增益介质镀泵浦光和激光增透膜，激光输出镜镀激光波长部分透过膜；
所述激光二极管泵浦源发出所述增益介质内吸收带内的泵浦光，所述泵浦光通过所述传能光纤和所述耦合透镜组聚焦于所述增益介质内部，所述增益介质吸收所述泵浦光，形成粒子数反转，在所述激光全反镜和所述激光输出镜构成的激光谐振腔正反馈作用下形成准三能级激光振荡，经所述激光输出镜输出；
所述激光增益介质的光束传播方向为x方向，横截面两方向分别为y和z；激光增益介质的掺杂部分在xy平面内的投影为楔形，在y方向上移动激光增益介质，即能使得x方向上光路所经过掺杂部分的长度发生改变，调节晶体入射点，实现对准三能级激光增益介质浓度长度积的调节，实现最优转换效率。
2.根据权利要求1所述的一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法，其特征在于，
所述激光增益介质仅包括：某一掺杂浓度的晶体，该晶体整体为楔形，后端面采用布儒斯特角切割。
3.根据权利要求1所述的一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法，其特征在于，
所述激光增益介质同时包含：无掺杂的纯基质部分和有掺杂的晶体部分，无掺杂的纯基质部分也为楔形，斜面倾角与有掺杂的晶体部分一致；
键合后的激光增益介质两端面相互平行，光束垂直于晶体和空气的界面入射或出射。
4.根据权利要求3所述的一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法，其特征在于，
所述无掺杂的纯基质部分朝向泵浦光的入射方向。
5.根据权利要求1所述的一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法，其特征在于，
所述激光全反镜、所述激光增益介质和所述激光输出镜还镀有对所述激光增益介质的其他发射波长防反膜，避免其他波长起振。
6.根据权利要求1所述的一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法，其特征在于，所述准三能级固体激光器还包括，调制器件，
所述调制器件镀准三能级激光波长、以及所述激光增益介质其他发射波长的增透膜，使所述激光器能够以调Q、锁模和调制的形式运转。
7.根据权利要求2或3所述的一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法，其特征在于，所述激光增益介质为Nd:YVO4、Nd:YAG、或钕玻璃。
8.根据权利要求2或3所述的一种优化准三能级固体激光器转换效率的方法，其特征在于，所述激光增益介质为Yb:YAG、或Yb:KGW。
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