CN108879311B - 一种用于板条形激光晶体的泵浦耦合装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于板条形激光晶体的泵浦耦合装置及方法，包括板条形激光晶体、泵浦光折射体，板条形激光晶体轴向截面为梯形或者平行四边形，板条形激光晶体两个端面沿板条形激光晶体的纵向进行切割且端面镀膜，振荡光从板条形激光晶体一端入射，在板条形激光晶体内进行之字形传输从板条形激光晶体的另一端出射，泵浦光折射体根据板条形激光晶体端面的切割方式进行放置，泵浦光通过泵浦光折射体入射板条形激光晶体，振荡光和泵浦光在板条形激光晶体中传输路径一致。本发明与现有技术相比，解决了现有板条形激光晶体泵浦技术的模式匹配较差、输出光束质量差、集成化程度低等问题，具有泵浦光和振荡光模式匹配程度高、输出光束质量好、泵浦模块集成度高的优点。

Description

一种用于板条形激光晶体的泵浦耦合装置及方法
技术领域
本发明涉及固体激光器技术领域，特别是一种用于板条形激光晶体的泵浦耦合装置及方法。
背景技术
高功率高光束质量的激光二极管抽运的固体激光器一直是固体激光器的研究重点和热点，广泛应用于激光加工、空间激光雷达、空间光电对抗、激光医疗等领域。制约高功率高高光束质量的全固态激光器发展的主要瓶颈之一就是固体增益介质的热效应问题。目前平行于激光晶体光轴方向泵浦或者垂直于激光晶体光轴方向泵浦是全固态激光器主要的两种泵浦耦合方式。
传统板条激光器的温度梯度只发生在厚度方向，在板条激光器里采用之字形的振荡光路(Zig-Zag)，消除板条厚度方向泵浦的不均匀性，并利用之字形光路对热梯度进行补偿，以实现高功率激光输出。现有技术中，板条激光主要有泵浦光和振荡光异光路和同光路两种方式，异光路是振荡光在晶体内之字形前进，泵浦光垂直于厚度方向泵浦；或者振荡光直线前进，泵浦光之字形振荡。同光路是在晶体外利用二向色镜将振荡光和泵浦光共路后入射到板条晶体内部。
异光路的板条晶体内部振荡光与泵浦光未能实现完全的模式匹配，晶体填充率有限，难以获得高的功率密度，并且输出光束质量较差。而现有振荡光与泵浦光同光路中，主要利用晶体外二向色镜实现，激光光路调节复杂，降低了激光器的稳定性，同时增大了泵浦模块难集成化难度，且在激光器高功率运转条件下，镜片自身的热效应会影响到输出振荡光束质量。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于板条形激光晶体的泵浦耦合装置及方法，实现泵浦光和振荡光同光路，综合现有泵浦优点，达到最大的模式匹配，提高泵浦模块集成度，同时避免二向色镜的热效应对输出激光的影响，实现高能量高光束质量的激光输出。
本发明的技术解决方案是：
一种用于板条形激光晶体的泵浦耦合装置，包括板条形激光晶体、泵浦光折射体，其中：
板条形激光晶体轴向横截面为梯形或者平行四边形，板条形激光晶体的两个端面沿板条形激光晶体的纵向按照45°角切割且板条形激光晶体端面镀有振荡光透射膜以及泵浦光反射膜，或者板条形激光晶体的两个端面加工成与板条形激光晶体纵向成布儒斯特角的斜面且板条形激光晶体端面镀有泵浦光反射膜；振荡光平行于板条形激光晶体的轴向从板条形激光晶体任一端面入射，在板条形激光晶体内进行之字形传输，并从板条形激光晶体的另一端面出射；
当板条形激光晶体的两个端面沿板条形激光晶体的纵向按照45°角切割时，泵浦光折射体包括两组浦光折射体组，每组浦光折射体组均包括第一泵浦光折射体和第二泵浦光折射体，板条形激光晶体的两端面处分别固定有一组浦光折射体组，若板条形激光晶体轴向横截面为梯形，则两组浦光折射体组位于板条形激光晶体同侧，若板条形激光晶体轴向方向的横截面为平行四边形，则两组浦光折射体组位于板条形激光晶体对侧；泵浦光穿过第一泵浦光折射体和第二泵浦光折射体入射板条形激光晶体；
当板条形激光晶体的两个端面加工成与板条形激光晶体纵向成布儒斯特角的斜面时，有两个第三泵浦光折射体放置在板条形激光晶体的两端面处；若板条形激光晶体轴向方向的截面为梯形，则两个第三泵浦光折射体位于板条形激光晶体同侧，若板条形激光晶体轴向方向的截面为平行四边形，则两个第三泵浦光折射体位于板条形激光晶体对侧；泵浦光穿过第三泵浦光折射体入射板条形激光晶体。
所述的板条形激光晶体的材料为掺钕钇铝石榴石晶体，上、下表面电镀有二氧化硅全反射膜。
所述的第一泵浦光折射体为半五角棱镜，第二泵浦光折射体为圆形光楔，第一泵浦光折射体和第二泵浦光折射体的摆放位置使得泵浦光和振荡光在板条形激光晶体中传输路径相同。
当板条形激光晶体的两个端面加工成与板条形激光晶体纵向成布儒斯特角的斜面时，振荡光为p型振荡光。
所述的第三泵浦光折射体为圆形光楔，第三泵浦光折射体的摆放位置使得泵浦光垂直于板条形激光晶体表面的方向入射板条形激光晶体，且泵浦光与振荡光在板条形激光晶体中的传输路径相同。
所述第二泵浦光折射体、第三泵浦光折射体为圆形的蓝宝石晶体，或者是石英晶体和钇铝石榴石晶体中的一种。
一种用于板条形激光晶体的泵浦耦合方法，包括步骤如下：
1)加工成形轴向方向横截面为梯形或者平行四边形的板条形激光晶体；
2)在板条形激光晶体的两个端面沿板条形激光晶体的纵向45°角切割且在板条形激光晶体端面镀有振荡光透射膜以及泵浦光反射膜，或者在板条形激光晶体的两个端面切割出与板条形激光晶体纵向成布儒斯特角的斜面并在板条形激光晶体端面镀泵浦光反射膜；
3)将振荡光平行于板条形激光晶体的轴向从板条形激光晶体任一端面入射，在板条形激光晶体内进行之字形传输，并从板条形激光晶体的另一端面出射；
4)当板条形激光晶体的两个端面沿板条形激光晶体的纵向按照45°角切割时，若板条形激光晶体截面为梯形，将两组包括第一泵浦光折射体和第二泵浦光折射体的泵浦光折射体组放置于板条形激光晶体的两端，且位于板条形激光晶体的同侧；若截面为平行四边形，将两组泵浦光折射体组放置于板条形激光晶体的两端，且分别位于板条形激光晶体对侧；将泵浦光穿过泵浦光折射体组入射板条形激光晶体；
当板条形激光晶体的两个端面加工成与板条形激光晶体纵向成布儒斯特角的斜面时，若板条形激光晶体截面为梯形，将两个第三泵浦光折射体放置在板条形激光晶体同侧，若截面为平行四边形，将两个第三泵浦光折射体放置在板条形激光晶体对侧，泵浦光穿过第三泵浦光折射体入射板条形激光晶体。
采用掺钕钇铝石榴石晶体材料加工所述的板条形激光晶体，在板条形激光晶体的上、下表面电镀二氧化硅全反射膜。
所述第一泵浦光折射体加工为半五角棱镜，第二泵浦光折射体加工为为圆形光楔，放置第一泵浦光折射体和第二泵浦光折射体使得泵浦光和振荡光在板条形激光晶体中传输路径相同。
当板条形激光晶体的两个端面加工成与板条形激光晶体纵向成布儒斯特角的斜面时，振荡光为p型振荡光。
所述的第三泵浦光折射体加工为圆形光楔，放置第三泵浦光折射体使得泵浦光垂直于板条形激光晶体表面的方向入射板条形激光晶体，且泵浦光和振荡光在板条形激光晶体中的传输路径相同。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)本发明克服现有技术的不足，实现泵浦光和振荡光同光路，综合现有泵浦优点，达到最大的模式匹配，提高泵浦模块集成度，同时避免二向色镜的热效应对输出激光的影响，实现高能量高光束质量的激光输出；
2)本发明解决了现有板条形激光晶体泵浦技术的模式匹配较差、输出光束质量差、集成化程度低等问题，具有泵浦光和振荡光模式匹配程度高、输出光束质量好、泵浦模块集成度高的优点。
附图说明
图1为第一实施案例的包含梯形板条和泵浦光折射体组成的泵浦耦合装置的结构示意图；
图2为第一实施案例的包含平行四边形板条和泵浦光折射体组成的泵浦耦合装置的结构示意图；
图3为第二实施案例的包含梯形板条和泵浦光折射体组成的泵浦耦合装置的结构示意图；
图4为第二实施案例的包含平行四边形板条和泵浦光折射体组成的泵浦耦合装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明克服现有技术的不足，提供了一种用于板条形激光晶体的泵浦耦合装置及方法，实现泵浦光和振荡光同光路，综合现有泵浦优点，达到最大的模式匹配，提高泵浦模块集成度，同时避免二向色镜的热效应对输出激光的影响，实现高能量高光束质量的激光输出。下面结合附图和实施例对本发明进行详细解释和说明。
本发明提供了一种泵浦耦合装置，应用于固体激光器中，装置包括：板条形激光晶体，以及泵浦光折射体；
板条形激光晶体材料为掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体，为梯形板条激光晶体或者平行四边形板条激光晶体，按照45°角切割板条形激光晶体的端面；
可选的板条形激光晶体端面镀有振荡光高透射介质膜以及泵浦光高反射介质膜；
可选的板条形激光晶体端面镀有振荡光偏振介质膜以及泵浦光高反射介质膜；
泵浦光折射体包括半五角棱镜和圆形光楔；
半五角棱镜用于改变泵浦光45°入射方向，圆形光楔用于微调45°泵浦光入射方向，保证泵浦光在板条形激光晶体中和振荡光传输路径一致；
圆形光楔材料可以是蓝宝石晶体、石英晶体和钇铝石榴石(YAG)晶体中的一种；
振荡光沿平行于板条形激光晶体轴线的方向从板条形激光晶体的一端入射；在板条形激光晶体内进行之字形传输，并从板条形激光晶体的另一端面出射；
可选的，两束泵浦光分别从梯形板条形激光晶体两端且在梯形板条形激光晶体的同侧，垂直于晶体表面入射板条激光晶体，泵浦光从晶体内部入射到梯形板条端面反射；
可选的，两束泵浦光分别从平行四边形板条激光晶体两端且位平行四边形板条的对侧，垂直于晶体表面入射板条激光晶体，泵浦光从晶体内部入射到平行四边形板条激光晶体端面反射；
可选的，半五角棱镜和圆形光楔放置于板条形激光晶体的上表面和/或下表面；
可选的，在板条形激光晶体的上表面和下表面的区域电镀有二氧化硅全反射膜。
为实现上述目的，本发明提供了一种泵浦耦合装置，应用于固体激光器中，另外一种实施方式为：本发明装置包括板条形激光晶体，以及泵浦光折射体；
泵浦光折射体包括光楔；
板条形激光晶体为梯形板条激光晶体或者平行四边形板条激光晶体，将板条形激光晶体端面加工成与激光晶体纵向成布儒斯特角的斜面；
板条形激光晶体端面镀有泵浦光高反射膜；
可选的，板条形激光晶体端面镀有振荡光高透射膜；
板条形激光晶体传输振荡光以及泵浦光，泵浦光和振荡光在板条形激光晶体中均是之字形前进；光路相同。
光楔为圆形，材料可以是蓝宝石晶体、石英晶体和钇铝石榴石(YAG)晶体中的一种；
光楔用于微调泵浦光入射光路，保证泵浦光在板条端面全部反射，并且在板条形激光晶体中与振荡光的传输路径一致；
可选的，振荡光沿平行于板条形激光晶体轴线从板条形激光晶体的一端入射，在板条形激光晶体的谐振腔内振荡光以p型偏振态振荡；
可选的，两束泵浦光分别从梯形板条激光晶体两端且在板条激光晶体的同侧，垂直于晶体表面入射梯形板条激光晶体，泵浦光从晶体内部入射到梯形板条端面反射；
可选的，两束泵浦光分别从平行四边形板条激光晶体两端且在板条激光晶体的对侧，垂直于晶体表面入射平行四边形板条激光晶体，泵浦光从晶体内部入射到平行四边形板条激光晶体端面反射；
可选的，光楔放置于板条形激光晶体的上表面和/或下表面；
可选的，在板条形激光晶体的上表面和下表面的区域电镀有二氧化硅全反射膜；
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明。
如图1所示为第一实施案例的包含梯形板条和泵浦光折射体组成的泵浦耦合装置的结构示意图，如图2所示为第一实施案例的包含平行四边形板条和泵浦光折射体组成的泵浦耦合装置的结构示意图，本发明第一实施例，一种泵浦耦合装置，应用于固体激光器中，如图1和图2所示，装置具体包括以下组成部分：板条形激光晶体1，以及第一泵浦光折射体2、第二泵浦光折射体3、第三泵浦光折射体5。
板条形激光晶体1是由一块掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体构成，在其上和下表面电镀有二氧化硅全反射膜，板条形激光晶体为梯形或者平行四边形，且板条形激光晶体的两个端面沿激光晶体纵向按照45°角切割。
板条形激光晶体端面镀有振荡光高透膜以及泵浦光高反射膜。
第一泵浦光折射体2为半五角棱镜、第二泵浦光折射体3为圆形光楔，第一泵浦光折射体和第二泵浦光折射体组成一个泵浦光折射体组，板条形激光晶体两端各固定有一组泵浦光折射体组，泵浦光折射体组位于板条形激光晶体的上表面和/或下表面。
第一泵浦光折射体2用于改变泵浦光45°入射方向，便于结构集成，第二泵浦光折射体3用于微调45°泵浦光入射方向，保证泵浦光在板条形激光晶体1中和振荡光传输路径一致。
振荡光沿平行于板条形激光晶体1的上表面和下表面的方向从所述板条形激光晶体1的一端入射，振荡光在板条形激光晶体1内进行“之”字形传输后，从板条形激光晶体1的另一端出射。
垂直于晶体表面方向的泵浦光通过第一泵浦光折射体2、第二泵浦光折射体3分别从所述梯形板条形激光晶体两端的同侧入射。
或者垂直于晶体表面方向的泵浦光通过折射体分别从所述平行四边形板条形激光晶体1两端且从对侧的表面入射四边形板条形激光晶体1。
如图3所示为第二实施案例的包含梯形板条和泵浦光折射体组成的泵浦耦合装置的结构示意图；如图4所示为第二实施案例的包含平行四边形板条和泵浦光折射体组成的泵浦耦合装置的结构示意图，本发明第二实施例，一种泵浦耦合装置，应用于固体激光器中，如图3和图4所示，所述装置具体包括以下组成部分：板条形激光晶体4，以及第三泵浦光折射体5。
第三泵浦光折射体5固定于板条形激光晶体4两端，并位于板条形激光晶体4的上表面和/或下表面。
板条形激光晶体4用于传输激光；板条作为激光增益介质。
具体的，板条形激光晶体4是由一块掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体构成，选用的，在其上和下表面电镀有二氧化硅全反射膜。板条形激光晶体为梯形或者平行四边形，且板条形激光晶体的两个端面沿激光晶体纵向被切割成布氏角度。
板条形激光晶体4的两个端面镀有泵浦光高反射膜。
第三泵浦光折射体5为圆形光楔。p型振荡光沿平行于板条形激光晶体4轴线的方向从板条形激光晶体4的一个端面入射，振荡光在板条形激光晶体4内进行“之”字形传输，并以平行于板条形激光晶体4轴线方向从增益介质板条的另一个端面出射。
第三泵浦光折射体5用于将垂直于晶体表面方向的泵浦光导入板条形激光晶体4中，微调泵浦光入射光路，保证泵浦光在的板条端面全部反射，并且使泵浦光在板条形激光晶体4中的传输路径与振荡光在板条形激光晶体4中的传输路径相同。实现最大程度的模式匹配，提高输出激光质量。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种用于板条形激光晶体的泵浦耦合装置，其特征在于，包括板条形激光晶体、泵浦光折射体，其中：
板条形激光晶体轴向横截面为梯形或者平行四边形，板条形激光晶体的两个端面沿板条形激光晶体的纵向按照45°角切割且板条形激光晶体端面镀有振荡光透射膜以及泵浦光反射膜，或者板条形激光晶体的两个端面加工成与板条形激光晶体纵向成布儒斯特角的斜面且板条形激光晶体端面镀有泵浦光反射膜；振荡光平行于板条形激光晶体的轴线从板条形激光晶体任一端面入射，在板条形激光晶体内进行之字形传输，并从板条形激光晶体的另一端面出射；
当板条形激光晶体的两个端面沿板条形激光晶体的纵向按照45°角切割时，泵浦光折射体包括两组浦光折射体组，每组浦光折射体组均包括第一泵浦光折射体(2)和第二泵浦光折射体(3)，板条形激光晶体的两端面处分别固定有一组浦光折射体组，若板条形激光晶体轴向横截面为梯形，则两组浦光折射体组位于板条形激光晶体同侧，若板条形激光晶体轴向方向的横截面为平行四边形，则两组浦光折射体组位于板条形激光晶体对侧；泵浦光穿过第一泵浦光折射体(2)和第二泵浦光折射体(3)入射板条形激光晶体；
当板条形激光晶体的两个端面加工成与板条形激光晶体纵向成布儒斯特角的斜面时，有两个第三泵浦光折射体(5)放置在板条形激光晶体的两端面处；若板条形激光晶体轴向方向的截面为梯形，则两个第三泵浦光折射体(5)位于板条形激光晶体同侧，若板条形激光晶体轴向方向的截面为平行四边形，则两个第三泵浦光折射体(5)位于板条形激光晶体对侧；泵浦光穿过第三泵浦光折射体(5)入射板条形激光晶体；
所述的第一泵浦光折射体(2)为半五角棱镜，第二泵浦光折射体(3)为圆形光楔，第一泵浦光折射体(2)和第二泵浦光折射体(3)的摆放位置使得泵浦光和振荡光在板条形激光晶体中传输路径相同。
2.根据权利要求1所述的一种用于板条形激光晶体的泵浦耦合装置，其特征在于：所述的板条形激光晶体的材料为掺钕钇铝石榴石晶体，上、下表面电镀有二氧化硅全反射膜。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于板条形激光晶体的泵浦耦合装置，其特征在于：当板条形激光晶体的两个端面加工成与板条形激光晶体纵向成布儒斯特角的斜面时，振荡光为p型振荡光。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于板条形激光晶体的泵浦耦合装置，其特征在于：所述的第三泵浦光折射体(5)为圆形光楔，第三泵浦光折射体(5)的摆放位置使得泵浦光垂直于板条形激光晶体表面的方向入射板条形激光晶体，且泵浦光与振荡光在板条形激光晶体中的传输路径相同。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于板条形激光晶体的泵浦耦合装置，其特征在于：所述第二泵浦光折射体(3)、第三泵浦光折射体(5)为圆形的蓝宝石晶体，或者是石英晶体和钇铝石榴石晶体中的一种。
6.一种用于板条形激光晶体的泵浦耦合方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)加工成形轴向方向横截面为梯形或者平行四边形的板条形激光晶体；
2)在板条形激光晶体的两个端面沿板条形激光晶体的纵向45°角切割且在板条形激光晶体端面镀有振荡光透射膜以及泵浦光反射膜，或者在板条形激光晶体的两个端面切割出与板条形激光晶体纵向成布儒斯特角的斜面并在板条形激光晶体端面镀泵浦光反射膜；
3)将振荡光平行于板条形激光晶体的轴线从板条形激光晶体任一端面入射，在板条形激光晶体内进行之字形传输，并从板条形激光晶体的另一端面出射；
4)当板条形激光晶体的两个端面沿板条形激光晶体的纵向按照45°角切割时，若板条形激光晶体截面为梯形，将两组包括第一泵浦光折射体(2)和第二泵浦光折射体(3)的泵浦光折射体组放置于板条形激光晶体的两端，且位于板条形激光晶体的同侧；若截面为平行四边形，将两组泵浦光折射体组放置于板条形激光晶体的两端，且分别位于板条形激光晶体对侧；将泵浦光穿过泵浦光折射体组入射板条形激光晶体；
当板条形激光晶体的两个端面加工成与板条形激光晶体纵向成布儒斯特角的斜面时，若板条形激光晶体截面为梯形，将两个第三泵浦光折射体(5)放置在板条形激光晶体同侧，若截面为平行四边形，将两个第三泵浦光折射体(5)放置在板条形激光晶体对侧，泵浦光穿过第三泵浦光折射体(5)入射板条形激光晶体；
所述第一泵浦光折射体(2)加工为半五角棱镜，第二泵浦光折射体(3)加工为为圆形光楔，放置第一泵浦光折射体(2)和第二泵浦光折射体(3)使得泵浦光和振荡光在板条形激光晶体中传输路径相同。
7.根据权利要求6所述的一种用于板条形激光晶体的泵浦耦合方法，其特征在于：采用掺钕钇铝石榴石晶体材料加工所述的板条形激光晶体，在板条形激光晶体的上、下表面电镀二氧化硅全反射膜。
8.根据权利要求6所述的一种用于板条形激光晶体的泵浦耦合方法，其特征在于：当板条形激光晶体的两个端面加工成与板条形激光晶体纵向成布儒斯特角的斜面时，振荡光为p型振荡光。
9.根据权利要求6-8任一所述的一种用于板条形激光晶体的泵浦耦合方法，其特征在于：所述的第三泵浦光折射体(5)加工为圆形光楔，放置第三泵浦光折射体(5)使得泵浦光垂直于板条形激光晶体表面的方向入射板条形激光晶体，且泵浦光和振荡光在板条形激光晶体中的传输路径相同。
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