CN109217092B - 二维体全息光栅激光器的设计方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种二维体全息光栅固体激光器设计方法及其装置。设计方法的主要步骤为构造振荡激光双通光面液冷半导体侧面泵浦板条模块，包括激光介质，泵浦源，辅助玻璃片；激光介质安置在由辅助玻璃片构成液冷腔中；通光方向上的辅助玻璃片与激光介质成微小的倾角；使用低掺杂浓度激光介质；对激光介质侧面饱和泵浦；用水平面等价张角表示侧泵对激光介质的影响；将板条模块置于谐振腔中；激光介质的激光通光面使用流动冷却液冷却。本发明消除了为实现高增益采用多环路装置而增加过多的反射镜的缺点，可以在线性腔结构中实现在一维或者同时在二维的平面内的简并四波混频。该装置结构简单、紧凑，具有线性放大功率而维持基横模不变的特性。

Description

二维体全息光栅激光器的设计方法及其装置

技术领域

本发明涉及固体激光技术领域，特别是一种二维体全息光栅激光器的设计方法及其装置。

背景技术

通常情况下，固体激光器在阈值附近或者在较低的泵浦功率下，可以获得基横模或者光束质量较好的激光输出。但是随着泵浦功率的提高，由于热光效应，光束质量迅速下降。因此，克服热光效应引起的波前畸变，是高功率激光器研制中的重要问题。为了解决固体激光器的热光效应问题，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。

相位共轭技术是解决激光器热光效应的一个有效途径。简并四波混频技术是通过自泵浦直接在激光介质中产生相位共轭的一种方法。该技术的显著优点是不需要额外的相位共轭元件或者相位共轭泵浦源。已有技术通过环形腔装置在激光介质中产生自相交光束。在实时运转模式下，这些自相交的光束由于相干叠加而在增益介质内部实时写入（形成）体全息光栅。两条相交的相干光产生的透射光栅可以用一个光栅矢量描述。激光就会在增益介质内的体全息光栅中，产生具有相位共轭的衍射。但是，现有技术装置产生的体全息光栅仅仅分布在激光介质的很小的区域内，很难形成大体积的、均匀分布的体全息光栅。主要原因是每一对相干光的光栅矢量，都不相同。使用多波混频实现的体全息光栅激光器（Pogada, A.P. et al. 2013. Optical Memory and Neural Networks, 22(4), pp. 1-5），产生的体全息光栅相当于多晶状态，无法在增益介质中实现体全息光栅的均匀分布。因此其输出光斑的形状很不规则。

为了获得基模运转，通常有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。

相位共轭技术是修正激光器波前畸变的重要方法。受激布里渊散射由于其较高的泵浦阈值，目前仅适用于高能脉冲系统，而无法应用于连续波激光器。自相交的四波混频相位共轭环形腔技术，可用于连续波激光器光束质量的改善。但是，四波混频技术要求满足动量、能量守恒条件才能实现，而且相位共轭反射率与饱和增益有关。只有提高激光器的增益，才能增强相位共轭反射率。因此，通常的办法有在环路中增加放大器以及多环路两种方案。这些方法的共同特点是在激光介质内的全息光栅的光栅矢量大小、方向不同，而且这些光栅矢量一般存在于一个平面内。因此，这类体全息光栅激光器的激光输出光斑形状很不规则，而且由于环路的增加依靠添加反射镜来实现，使得装置复杂，难以对功率线性放大。

发明内容

本发明的目的在于为解决激光器的功率升高、光束质量非线性下降的难题，提出二维体全息光栅激光器设计方法及装置，使激光器输出的横向分布被二维的光栅特性控制，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。

本发明提供了一种二维体全息光栅激光器的设计方法，包括：构造双振荡激光通光面液冷半导体侧面泵浦板条模块，包括激光介质，泵浦源，辅助玻璃片；由规格不同的2对所述辅助玻璃片构成液冷腔；所述激光介质安置在所述液冷腔中；在通光方向上的所述辅助玻璃片与所述激光介质成1毫弧度到90毫弧度的倾角；所述激光介质的掺杂浓度在0.3at.%至0.5 at.%之间；激光介质泵浦面上及内部的饱和泵浦区域在纵向与激光介质的纵向长度相同，竖直方向的饱和泵浦区的最小宽度为0.4毫米；构造平面激光谐振腔，包括高反镜和输出镜；将板条模块置于所述谐振腔中；用水平面等价张角表示在额定泵浦功率大于激光器阈值泵浦功率下侧泵对激光介质的影响；调整输出镜的水平面倾角，使其与所述激光介质的水平面等价张角相等；所述谐振腔在水平面成为等价平行平面腔；调整输出镜的竖直面倾角并使其大于零；给板条模块加载泵浦，并调整其泵浦功率至额定值；在此过程中，所述激光介质在竖直平面内形成一维体全息光栅并有激光输出；继续增大输出镜的水平面倾角，使所述输出镜与所述辅助玻璃片平行，并且使所述水平面倾角大于所述激光介质的水平面等价张角；此过程中，所述激光介质又在水平面内形成一维体全息光栅；在水平截面和竖直截面内的体全息光栅同时存在时，则构成二维体全息光栅激光器装置，并有激光输出。

本发明还提供了一种二维体全息光栅激光器装置，包括：

激光谐振腔，激光介质和半导体激光器泵浦源；

所述激光谐振腔为非平行的平面腔，包括高反镜和输出镜，所述输出镜的倾角包括水平面倾角和竖直面倾角；

所述激光介质设置在所述激光谐振腔中，形状为长方体状的板条，其沿光轴方向的纵向长度小于横向长度，所述激光介质的掺杂浓度在0.2 at.%至0.6 at.%之间；

所述半导体激光器泵浦源侧面垂直饱和泵浦所述激光介质，并且泵浦方向同时垂直于激光器的光轴，所述激光介质泵浦面上及内部的饱和泵浦区域在纵向与激光介质的纵向长度相同，竖直方向的饱和泵浦区的最小宽度为0.4毫米，用水平面等价张角表示侧泵对所述激光介质折射率的影响；

所述激光介质的两个振荡激光通光面使用流动冷却液冷却。

进一步地，所述的一种二维体全息光栅激光器装置，其特征在于，所述输出镜的水平面倾角大于所述激光介质的水平面等价张角时，则在水平面内形成体全息光栅；所述输出镜的竖直面倾角大于零时，则在竖直面内形成体全息光栅。

进一步地，所述的一种二维体全息光栅激光器装置，其特征在于，还包括：

辅助玻璃片；

由规格不同的2对所述辅助玻璃片构成液冷腔，所述激光介质安置在所述液冷腔中；

在通光方向上的所述辅助玻璃片与所述激光介质成1毫弧度到90毫弧度的倾角，所述辅助玻璃片的倾角包括水平面倾角和竖直面倾角；

所述辅助玻璃片作为激光介质的液冷腔的一部分，或以独立元件形式插入谐振腔。

进一步地，所述的一种二维体全息光栅激光器装置，其特征在于，所述辅助玻璃片的水平面倾角大于所述激光介质的水平面等价张角时，则在水平面内形成体全息光栅；所述辅助玻璃片的竖直面倾角大于零时，则在竖直面内形成体全息光栅。

进一步地，所述的一种二维体全息光栅激光器装置，其特征在于，还包括放大模块，所述放大模块的纵向长度大于等于所述激光介质的纵向长度；在水平面内，所述放大模块的泵浦源的泵浦方向与所述的已安置的激光介质的泵浦方向相反，在竖直面内，所述放大模块的泵浦源的泵浦光出光面与所述激光介质的泵浦面的泵浦区域共面。

进一步地，所述的一种二维体全息光栅激光器装置，其特征在于，当所述输出镜水平面倾角大于所述激光介质的水平面等价张角与所述放大模块的等价张角的代数和时，则在水平面内形成体全息光栅；当所述输出镜的竖直面倾角大于零时，则在竖直面内形成体全息光栅。

进一步地，所述的一种二维体全息光栅激光器装置，其特征在于，所述放大模块具有两个；在水平面内，两个放大模块的泵浦源的泵浦方向相反，在竖直面内，一个放大模块的泵浦源的泵浦光入光面与另一个放大模块的出光面共面。

进一步地，所述的一种二维体全息光栅激光器装置，其特征在于，所述输出镜的水平面倾角大于所述激光介质的水平面等价张角与所述两个放大模块的等价张角的代数和时，则在水平面内形成体全息光栅；当所述输出镜的竖直面倾角大于零时，则在竖直面内形成体全息光栅。

进一步地，所述的一种二维体全息光栅激光器装置，其特征在于，在水平截面和竖直截面内的体全息光栅同时存在时，则构成二维体全息光栅激光器装置。

本发明提出二维体全息光栅固体激光振荡器设计方法及其装置。这种二维体全息光栅实质是一种二维实时体全息光栅结构，随着自泵浦相位共轭的产生而产生，也随其消失而消失。本发明消除了为实现高增益采用多环路装置而增加过多的反射镜的缺点，可以在线性腔结构中实现在一维或者同时在二维的平面内的简并四波混频。该装置结构简单、紧凑，具有线性放大功率而维持基横模不变的特性。

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为本发明的二维体全息光栅激光器设计方法流程图；

图2为本发明实施例的体全息光栅激光器的水平截面示意图；

图3为本发明实施例的体全息光栅激光器的竖直截面示意图；

图4为本发明的带辅助玻璃片的体全息光栅激光器的水平截面示意图；

图5为本发明的带辅助玻璃片的体全息光栅激光器的竖直截面示意图；

图6为本发明的带一个放大模块的体全息光栅激光器的水平截面示意图；

图7为本发明的带一个放大模块的体全息光栅激光器的竖直截面示意图；

图8为本发明的带两个放大模块的体全息光栅激光器的水平截面示意图；

图9为本发明的带两个放大模块的体全息光栅激光器的竖直截面示意图。

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。

以下结合附图和实施例对本发明的实现方法作进一步说明。该实施例以解释本发明的方式提供，而非本发明的限制。

本发明中激光介质，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越迁的光学材料。虽然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。这些激光介质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。激光器的泵浦源的选择由所选择的激光介质的吸收特性决定。优选半导体激光器为泵浦源，工作模式为连续或者准连续方式。

下面将结合附图来描述根据本发明的二维体全息光栅固体激光器的设计方法及其装置。

图1为本发明实施例的二维体全息光栅激光器设计方法流程图。如图1所示，包括：步骤S102，构造振荡激光双通光面液冷半导体侧面泵浦板条模块，包括激光介质，泵浦源，辅助玻璃片；由规格不同的2对所述辅助玻璃片构成液冷腔；所述激光介质安置在所述液冷腔中；在通光方向上的所述辅助玻璃片与所述激光介质成1毫弧度到90毫弧度的倾角；所述激光介质的掺杂浓度在0.2 at.%至0.6 at.%之间；激光介质泵浦面上及内部的饱和泵浦区域在纵向与激光介质的纵向长度相同，竖直方向的饱和泵浦最小宽度为0.4毫米；步骤S104，构造平面激光谐振腔，包括高反镜和输出镜；将所述模块置于所述谐振腔中；用水平面等价张角表示，在额定泵浦功率大于激光器阈值泵浦功率下，侧泵对激光介质的影响；步骤S106，调整输出镜的水平面倾角，使其与所述激光介质的水平面等价张角相等；所述谐振腔在水平面成为等价平行平面腔；步骤S108，调整输出镜的竖直面倾角并使其大于零；步骤S110，给所述模块加载泵浦，并调整其泵浦功率至额定值；在此过程中，所述激光介质在竖直平面内形成一维体全息光栅并有激光输出；步骤S112，进一步增大输出镜的水平面倾角，使其大于所述激光介质的水平面等价张角；此过程中，所述激光介质又在水平面内形成一维体全息光栅；步骤S114，二维体全息光栅激光器构建完成并有激光输出。

在步骤S102中，竖直方向的饱和泵浦宽度决定了透射光栅的大小，而透射光栅的大小决定了激光器束散角的大小。饱和泵浦是指使增益介质达到饱和增益所需的泵浦功率。

实施例1A

图2为体全息光栅激光器的水平截面示意图。在X-Z水平截面内，激光器包括激光谐振腔28、激光介质2、半导体激光器泵浦源8。半导体激光器泵浦源8侧面垂直饱和泵浦激光介质2，泵浦源8在水平面内的泵浦方向10垂直于激光器的光轴52。激光谐振腔28为非平行的平面腔，包括高反镜30和输出镜32。在激光谐振腔28中设置形状为长方体状的板条激光介质2，其沿光轴52方向的纵向长度4小于横向长度。所述激光介质2的掺杂浓度在0.2at.%至0.6 at.%之间。激光介质2的两个振荡激光通光面使用流动冷却液冷却。激光介质的温度梯度主要沿纵向，即与光轴52方向相同。由于侧面泵浦，激光介质2沿横向即X轴方向吸收的热量随着泵浦距离的增加而减少。激光介质2吸收的热量沿x轴方向的分布是不均匀的，在激光介质2的掺杂浓度较小的情况下，随着横向泵浦距离的增加而近似地线性减少。因此，可以引入水平面等价张角6表示侧泵对激光介质折射率的影响。调整泵浦源8的泵浦功率，使其超过激光器的泵浦阈值。调整激光器的输出镜32，使其在水平面内的倾角34等于激光介质的水平面等价张角6。在这种条件下，激光器在水平面内等价于平行平面腔。谐振腔28内的通光区域54内的振荡激光的一部分透过输出镜32而输出一个方形光斑的激光输出56。

当继续增大输出镜32的水平面内的倾角34，则原来在两个等价平行平面间振荡的激光，有一部分会被反射镜32以两倍输出镜水平面倾角34的方向反射回激光介质2。由于激光介质内的饱和泵浦，会使反射光A3与振荡激光A2构成反射光栅，以及反射光A3与振荡激光A1构成透射光栅，统称在水平面内形成体全息光栅。构成水平面透射光栅的夹角36等于两倍的输出镜的水平面倾角34，水平面透射光栅的光栅矢量38与输出镜32平行。水平面的透射光栅将对输出激光56发生衍射作用，而出现一个带衍射条纹的中央亮斑。反射光栅的作用是为四波混频提供反馈。在四波混频过程中，会有部分非共轭光NPC逸出谐振腔28。

实施例1B

图3为体全息光栅激光器的竖直截面示意图。在Y-Z竖直截面内，激光器与水平截面内的结构图2基本相同。

激光器包括激光谐振腔28、激光介质2、半导体激光器泵浦源8。泵浦源8在竖直截面内的泵浦方向10垂直于纸面向里，即垂直光轴52。激光介质2泵浦面上及内部的饱和泵浦区域12在纵向与激光介质2的纵向长度4相同，竖直方向的饱和泵浦区域12的最小宽度14为0.4毫米。激光谐振腔28使用两片平面镜，包括高反镜30和输出镜32，初始状态为平行的平面腔。在激光谐振腔28中设置形状为长方体状的板条激光介质2，其纵向长度4小于横向长度。所述激光介质2的掺杂浓度在0.2 at.%至0.6 at.%之间。激光介质2的两个振荡激光通光面使用流动冷却液冷却。激光介质的温度梯度主要沿纵向，即与光轴52方向相同。由于泵浦方向垂直纸面向里，在激光介质2的掺杂浓度均匀的情况下，激光介质2吸收的热量沿Y轴方向的分布是对称的。因此，在竖直截面内侧泵对激光介质折射率的影响可以忽略不计。调整泵浦源8的泵浦功率，使其超过激光器的泵浦阈值。调整激光器的输出镜32，使其在竖直截面内的倾角40为零。在这种条件下，处于竖直截面的激光器为平行平面腔。谐振腔28内的通光区域54内的振荡激光的一部分透过输出镜32而输出一个方形光斑的激光输出56。

当输出镜32在竖直截面内的倾角40大于零时，则原来在两个平行平面间振荡的激光，有一部分会被反射镜32以两倍输出镜竖直面倾角40的方向反射回激光介质2。由于激光介质内的饱和泵浦，会使反射光B3与振荡激光B2构成反射光栅，以及反射光B3与振荡激光B1构成透射光栅，统称在竖直平面内形成体全息光栅。构成竖直面透射光栅的夹角42等于两倍的输出镜的竖直面倾角40，竖直面透射光栅的光栅矢量44与输出镜32平行。竖直面的透射光栅将对输出激光56发生衍射作用，而出现一个带衍射条纹的中央亮斑。反射光栅的作用是为四波混频提供反馈。在四波混频过程中，会有部分非共轭光NPC逸出谐振腔28。

实施例1C

如图2和图3所示，当在水平截面和竖直截面内的体全息光栅同时存在时，则构成二维体全息光栅固体激光器。

实施例2A

图4为带辅助玻璃片的体全息光栅激光器的水平截面示意图。与图2相比，在图4的激光器结构中增加了一个辅助玻璃片46。由规格不同的2对辅助玻璃片46构成液冷腔，激光介质2安置在液冷腔中。在通光方向上的辅助玻璃片46与激光介质2成1毫弧度到90毫弧度的水平倾角。辅助玻璃片46的水平面倾角48，在忽略冷却液折射率影响的条件下，近似等于输出镜32的水平面倾角34。辅助玻璃片46作为激光介质2的液冷腔的一部分，或以独立元件形式插入谐振腔28。

辅助玻璃片46的加入，使得激光器的运转变得复杂。为了简化说明，假设辅助玻璃片46始终与输出镜32在水平截面内保持平行。即辅助玻璃片的水平面倾角48与输出镜的水平面倾角34相等。当辅助玻璃片的水平面倾角48大于激光介质的水平面等价张角6时，原来的等价平行平面腔28变为非平行的平面腔。在水平截面内振荡的激光的一部分，被输出镜32反射回激光介质2成为A3。由于激光介质内的饱和泵浦，会使反射光A3与振荡激光A2构成反射光栅，以及反射光A3与振荡激光A1构成透射光栅，统称在水平面内形成体全息光栅。构成水平面透射光栅的夹角36等于两倍的输出镜的水平面倾角34，水平面透射光栅的光栅矢量38与输出镜32平行。

辅助玻璃片46的另一个作用是，激发并增强四波混频效应。例如在x43点相干的两条主光线是x41x44与x21x43。由于辅助玻璃片46的加入，使得在x43点的相干光得到增强。亦即还有另外两路光线的来源：从x34点出发，经x32点反射，进入x43点的作用区域；另一路是从x41点出发，经过x42点，在x44点被反射，到达x42点再次被反射，进入x53点的区域被反射光栅反射，再次经过x42点，被x31点反射，经过x32点，被x34点反射，再次经x32反射，进入x43点的作用区域。因此，辅助玻璃片46使得各路光线都彼此相干，加强了四波混频效应。

实施例2B

图5为带辅助玻璃片的体全息光栅激光器的竖直截面示意图。在Y-Z竖直截面内，激光器与水平截面内的结构图4基本相同。与图3相比，在图5的激光器结构中增加了一个辅助玻璃片46。由规格不同的2对辅助玻璃片46构成液冷腔，激光介质2安置在液冷腔中；在通光方向上的辅助玻璃片46与激光介质2成1毫弧度到90毫弧度的竖直倾角。辅助玻璃片46的竖直面倾角50，在忽略冷却液折射率影响的条件下，近似等于输出镜32的竖直面倾角40。辅助玻璃片46作为激光介质2的液冷腔的一部分，或以独立元件形式插入谐振腔28。

辅助玻璃片46的加入，使得激光器的运转变得复杂。为了简化说明，假设辅助玻璃片46始终与输出镜32在竖直截面内保持平行。即辅助玻璃片的竖直面倾角50与输出镜的竖直面倾角40相等。当辅助玻璃片的竖直面倾角50大于零时，原来的等价平行平面腔28变为非平行的平面腔。在竖直截面内振荡的激光的一部分，被输出镜32反射回激光介质2成为B3。由于激光介质内的饱和泵浦，会使反射光B3与振荡激光B2构成反射光栅，以及反射光B3与振荡激光B1构成透射光栅，统称在竖直平面内形成体全息光栅。构成竖直面透射光栅的夹角42等于两倍的输出镜的竖直面倾角40，竖直面透射光栅的光栅矢量44与输出镜32平行。

辅助玻璃片46的另一个作用是，激发并增强四波混频效应。例如在y43点相干的两条主光线是y41y44与y61y43。由于辅助玻璃片46的加入，使得在y43点的相干光得到增强。亦即还有另外两路光线的来源：从y54点出发，经y52点反射，进入y43点的作用区域；另一路是从y41点出发，经过y42点，在y44点被反射，到达y42点再次被反射，进入y33点的区域被反射光栅反射，再次经过y42点，被y51点反射，经过y52点，被y54点反射，再次经y52反射，进入y43点的作用区域。因此，辅助玻璃片46使得各路光线都彼此相干，加强了四波混频效应。

实施例2C

如图4和图5所示，由于辅助玻璃片46的倾斜以及激光介质的水平面等价张角6两套独立的激发四波混频机制的存在，当在水平截面和竖直截面内的体全息光栅同时存在时，则构成二维体全息光栅固体激光器。

实施例3A

图6为带一个放大模块的体全息光栅激光器的水平截面示意图。与图2相比，增加了放大模块16。放大模块的纵向长度18大于等于激光介质2的纵向长度4。放大模块16的泵浦源8的泵浦方向与激光介质2的泵浦方向10相反。当输出镜32的水平面倾角34大于激光介质2的水平面等价张角6与放大模块16的等价张角20的代数和时，在振荡激光的通光区域54内的一部分，被反射回激光介质2成为A3。由于激光介质内的饱和泵浦，会使反射光A3与振荡激光A2构成反射光栅，以及反射光A3与振荡激光A1构成透射光栅，统称在水平面内形成体全息光栅。构成水平面透射光栅的夹角36等于两倍的输出镜的水平面倾角34，水平面透射光栅的光栅矢量38与输出镜32平行。

实施例3B

图7为带一个放大模块的体全息光栅激光器的竖直截面示意图。与图3相比，增加了放大模块16。放大模块的纵向长度18大于等于激光介质2的纵向长度4。放大模块16的泵浦源8的泵浦光出光面26与激光介质2的泵浦面的泵浦区域12共面。当输出镜32的竖直面倾角40大于零时，在振荡激光的通光区域54内的一部分振荡激光，被反射回激光介质2成为成为B3。由于激光介质内的饱和泵浦，会使反射光B3与振荡激光B2构成反射光栅，以及反射光B3与振荡激光B1构成透射光栅，统称在竖直平面内形成体全息光栅。构成竖直面透射光栅的夹角42等于两倍的输出镜的竖直面倾角40，竖直面透射光栅的光栅矢量44与输出镜32平行。

实施例3C

如图4和图7所示，由于辅助玻璃片的倾斜以及激光介质的水平面等价张角6两套独立的激发四波混频机制的存在，当在水平截面和竖直截面内的体全息光栅同时存在时，则构成二维体全息光栅固体激光器。

实施例4A

图8为带两个放大模块的体全息光栅激光器的水平截面示意图。与图2相比，增加了两个放大模块16。放大模块的纵向长度18大于等于激光介质2的纵向长度4。两个放大模块16的泵浦源8的泵浦方向相反。当输出镜32的水平面倾角34大于激光介质2的水平面等价张角6与两个放大模块16的等价张角20的代数和时，在振荡激光的通光区域54内的一部分，被反射回激光介质2成为A3。由于激光介质内的饱和泵浦，会使反射光A3与振荡激光A2构成反射光栅，以及反射光A3与振荡激光A1构成透射光栅，统称在水平面内形成体全息光栅。构成水平面透射光栅的夹角36等于两倍的输出镜的水平面倾角34，水平面透射光栅的光栅矢量38与输出镜32平行。

实施例4B

图9为带两个放大模块的体全息光栅激光器的竖直截面示意图。与图3相比，增加了两个放大模块16。放大模块的纵向长度18大于等于激光介质2的纵向长度4。一个放大模块16的泵浦源8的泵浦光入光面24与另一个放大模块16的出光面26共面。当输出镜32的竖直面倾角40大于零时，在振荡激光的通光区域54内的一部分振荡激光，被反射回激光介质2成为B3。由于激光介质内的饱和泵浦，会使反射光B3与振荡激光B2构成反射光栅，以及反射光B3与振荡激光B1构成透射光栅，统称在竖直面内形成体全息光栅。构成竖直面透射光栅的夹角42等于两倍的输出镜的竖直面倾角40，竖直面透射光栅的光栅矢量44与输出镜32平行。

实施例4C

如图4、图8和图9所示，由于辅助玻璃片的倾斜以及激光介质的水平面等价张角6两套独立的激发四波混频机制的存在，当在水平截面和竖直截面内的体全息光栅同时存在时，则构成二维体全息光栅固体激光器。

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 (8)

1.一种二维体全息光栅激光器的设计方法，其特征在于，包括：

构造振荡激光双通光面液冷半导体侧面泵浦板条模块，包括激光介质，泵浦源，辅助玻璃片；由规格不同的2对所述辅助玻璃片构成液冷腔；所述激光介质安置在所述液冷腔中；在通光方向上的所述辅助玻璃片与所述激光介质成1毫弧度到90毫弧度的倾角；所述激光介质的掺杂浓度在0.2at.％至0.6at.％之间；激光介质泵浦面上及内部的饱和泵浦区域在纵向与激光介质的纵向长度相同，竖直方向的饱和泵浦区的最小宽度为0.4毫米；

构造平面激光谐振腔，包括高反镜和输出镜；将板条模块置于所述谐振腔中；用水平面等价张角表示在额定泵浦功率大于激光器阈值泵浦功率下侧泵对激光介质的影响；

调整输出镜的水平面倾角，使其与所述激光介质的水平面等价张角相等；所述谐振腔在水平面成为等价平行平面腔；

调整输出镜的竖直面倾角并使其大于零；

给板条模块加载泵浦，并调整其泵浦功率至额定值；在此过程中，所述激光介质在竖直平面内形成一维体全息光栅并有激光输出；

增大输出镜的水平面倾角，使所述输出镜与所述辅助玻璃片平行，并且使所述水平面倾角大于所述激光介质的水平面等价张角；此过程中，所述激光介质又在水平面内形成一维体全息光栅；

在水平截面和竖直截面内的体全息光栅同时存在时，则构成二维体全息光栅激光器装置，并有激光输出。

2.一种二维体全息光栅激光器装置，其特征在于，包括：

激光谐振腔，激光介质和半导体激光器泵浦源；

所述激光谐振腔为非平行的平面腔，包括高反镜和输出镜，所述输出镜的倾角包括水平面倾角和竖直面倾角；

所述激光介质设置在所述激光谐振腔中，形状为长方体状的板条，其沿光轴方向的纵向长度小于横向长度，所述激光介质的掺杂浓度在0.2at.％至0.6at.％之间；

所述半导体激光器泵浦源侧面垂直饱和泵浦所述激光介质，并且泵浦方向同时垂直于激光器的光轴，所述激光介质泵浦面上及内部的饱和泵浦区域在纵向与激光介质的纵向长度相同，竖直方向的饱和泵浦区的最小宽度为0.4毫米，用水平面等价张角表示侧泵对所述激光介质折射率的影响；

所述激光介质的两个振荡激光通光面使用流动冷却液冷却；

所述输出镜的水平面倾角大于所述激光介质的水平面等价张角时，则在水平面内形成体全息光栅；所述输出镜的竖直面倾角大于零时，则在竖直面内形成体全息光栅；

在水平截面和竖直截面内的体全息光栅同时存在时，则构成二维体全息光栅激光器装置。

3.如权利要求2所述的一种二维体全息光栅激光器装置，其特征在于，还包括：

辅助玻璃片；

由规格不同的2对所述辅助玻璃片构成液冷腔，所述激光介质安置在所述液冷腔中；

在通光方向上的所述辅助玻璃片与所述激光介质成1毫弧度到90毫弧度的倾角，所述辅助玻璃片的倾角包括水平面倾角和竖直面倾角；

所述辅助玻璃片作为激光介质的液冷腔的一部分，或以独立元件形式插入谐振腔。

4.如权利要求3所述的一种二维体全息光栅激光器装置，其特征在于，所述辅助玻璃片的水平面倾角大于所述激光介质的水平面等价张角时，则在水平面内形成体全息光栅；所述辅助玻璃片的竖直面倾角大于零时，则在竖直面内形成体全息光栅。

5.如权利要求2所述的一种二维体全息光栅激光器装置，其特征在于，还包括放大模块，所述放大模块的纵向长度大于等于所述激光介质的纵向长度；在水平面内，所述放大模块的泵浦源的泵浦方向与所述激光介质的泵浦方向相反，在竖直面内，所述放大模块的泵浦源的泵浦光出光面与所述激光介质的泵浦面的泵浦区域共面。

6.如权利要求5所述的一种二维体全息光栅激光器装置，其特征在于，当所述输出镜水平面倾角大于所述激光介质的水平面等价张角与所述放大模块的等价张角的代数和时，则在水平面内形成体全息光栅；当所述输出镜的竖直面倾角大于零时，则在竖直面内形成体全息光栅。

7.如权利要求5所述的一种二维体全息光栅激光器装置，其特征在于，所述放大模块具有两个；在水平面内，两个放大模块的泵浦源的泵浦方向相反，在竖直面内，一个放大模块的泵浦源的泵浦光入光面与另一个放大模块的出光面共面。

8.如权利要求7所述的一种二维体全息光栅激光器装置，其特征在于，所述输出镜的水平面倾角大于所述激光介质的水平面等价张角与所述两个放大模块的等价张角的代数和时，则在水平面内形成体全息光栅；当所述输出镜的竖直面倾角大于零时，则在竖直面内形成体全息光栅。

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