CN110932077A - 一种端泵多程板条激光放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种端泵多程板条激光放大器，包括泵浦半导体激光器、激光整形光路、板条激光晶体、激光反射光路和热沉；板条激光晶体两端下方分别设有泵浦半导体激光器，板条激光晶体与泵浦半导体激光器之间设置激光整形光路，泵浦半导体激光器与激光整形光路同轴设置；板条激光晶体两端上方分别设有激光反射光路；板条激光晶体的上下表面分别固定热沉。本发明采用双面端浦和多程放大的方式，适用于不同波长激光放大的共性MOPA技术，在提高系统效率和光束质量的基础上，同时减小系统结构尺寸，提高可靠性，板条放大器结构简单而且紧凑，易于装调和集成，使得系统体积和重量减小，便于工程化和产品化。

Description

一种端泵多程板条激光放大器
技术领域
本发明涉及固体激光领域，尤其涉及一种端泵多程板条激光放大器。
背景技术
高功率大能量激光器在国防、科研、工业、医疗等领域有着广泛应用，利用激光器进行长期科学研究已经逐渐成为解决各种工程及科学问题的重要工具。高功率大能量是激光技术的一个重要发展方向，不断拓展研究应用的深度和广度。主振荡功率放大技术(MOPA)作为高功率激光器的核心技术受到众多关注。激光放大器基于受激辐射原理，输入激光采取单次或多次通过放大器内增益媒质的方式获得激光能量放大。在高功率下的激光放大器必然面临热积累、热畸变问题，严重制约激光功率和光束质量的提升。
目前，激光放大器根据增益介质的形状可分为侧泵放大、端泵放大、板条放大等技术。侧泵放大和端泵放大是激光放大器中最常用的技术。端泵放大为泵浦方向和入射激光传播方向相同，具备泵浦均匀、光束质量好的突出优点。但是由于采用了端面泵浦，晶体的截面较小，能允许的泵浦能量有限，即激光放大功率受限制，多用在中低功率。侧面泵浦放大技术的泵浦光和激光传播方向垂直，利用晶体侧面泵浦。晶体具备较大的侧面积，可以加载更多的泵浦能量。但是在高功率泵浦时，晶体内热积累容易引起热退偏，导致系统效率下降。同时侧泵模块的光光效率偏低，需要泵浦能量会更多。而且，激光晶体和聚光腔和冷却水接触，晶体和聚光腔容易被污染进而影响激光功率，因此侧泵放大模块的维护性会较差。结合侧泵模块和端泵模块的优势，板条放大技术利用板条晶体的Zig-zag传输特性，实现激光增益能量的充分提取。尤其是，之字形传播Zig-zag板条晶体的热效应可以相互抵消，光光转换效率高，特别适合侧面泵浦输出大能量和端面泵浦输出高光束质量高功率。
目前需要一款激光放大器来结合板条晶体与端面泵浦技术实现不同波长激光放大的共性MOPA技术，同时现有设备中系统结构尺寸较大，难以安装或集成，因此需要对现有激光放大装置进行改进。
发明内容
发明目的：针对现有技术中缺少一种结合板条晶体与端面泵浦技术，并适用于不同波长激光放大的共性MOPA技术的激光放大器，本发明公开了一种端泵多程板条激光放大器，适用于不同波长激光放大的共性MOPA技术，在提高系统效率和光束质量的基础上，同时减小系统结构尺寸，提高可靠性。
技术方案：本发明公开了一种端泵多程板条激光放大器，包括泵浦半导体激光器、激光整形光路、板条激光晶体、激光反射光路和热沉；板条激光晶体两端下方分别设有泵浦半导体激光器，板条激光晶体与泵浦半导体激光器之间设置激光整形光路，泵浦半导体激光器与激光整形光路同轴设置；板条激光晶体两端上方分别设有激光反射光路；板条激光晶体的上下大表面分别固定热沉。
优选地，所述激光整形光路用于对泵浦半导体激光器发出的泵浦光束进行缩束，激光整形光路包括第一泵浦耦合透镜和第二泵浦耦合透镜，第一泵浦耦合透镜和第二泵浦耦合透镜均采用柱状透镜。
优选地，所述第一泵浦耦合透镜圆柱母线方向垂直于泵浦光束快轴方向，用于对快轴方向的泵浦光束进行耦合缩束，第二泵浦耦合透镜圆柱母线方向平行于泵浦光束快轴方向，用于对慢轴方向的泵浦光束进行耦合缩束。
优选地，所述泵浦半导体激光器为半导体激光阵列，阵列结构为传导冷却叠阵或者水冷垂直叠阵。
优选地，所述激光反射光路用于将板条激光晶体两侧端面发出的激光束反射回板条激光晶体，激光反射光路包括第一反射镜片和第二反射镜片，第一反射镜片和第二反射镜片的表面镀有高反膜；；所述第一反射镜片将从板条激光晶体发出的激光束反射回板条激光晶体，输出后再经第二反射镜片再次反射回板条激光晶体，激光多次通过板条激光晶体从板条激光晶体一端输出。
优选地。所述激光反射光路中第一反射镜片和第二反射镜片的反射角度范围为[20°，30°]。
优选地，所述板条激光晶体形状为梯形或平行四边形。
优选地，所述板条激光晶体采用Nd：YAG晶体或Nd：YV04晶体。
优选地，所述板条激光晶体的底面镀有泵浦激光增透膜；板条激光晶体的端面镀有激光增透膜；板条激光晶体的上下表面镀有SiO2倏逝膜。
优选地，所述板条激光晶体的上下表面分别通过焊接或压接的方式固定热沉。
有益效果：
(1)、本发明实现了一种端泵多程板条激光放大器，采用双面端浦和多程放大的方式，适用于不同波长激光放大的共性MOPA技术，在提高系统效率和光束质量的基础上，同时减小系统结构尺寸，提高可靠性，板条放大器结构简单而且紧凑，易于装调和集成，使得系统体积和重量减小，便于工程化和产品化；
(2)、本发明的激光整形光路采用多个柱状透镜，采用柱面对泵浦光的慢轴和快轴分别整形，便于泵浦光可以有效入射到板条激光晶体的内部；
(3)、本发明中板条激光晶体与热沉接触的上下大表面镀有Si02倏逝膜，提高入射激光的反射率；
(4)、板条激光晶体采用传导冷却结构，冷却水与晶体没有直接接触，杜绝了晶体被水污染的情况，大大提高装置的可靠性。
附图说明
图1为本发明的总结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明对本发明进行进一步的解释与说明。
如附图1所示，本发明公开了一种端泵多程板条激光放大器，包括泵浦半导体激光器1、激光整形光路2、板条激光晶体3、激光反射光路4和热沉5；其中板条激光晶体3、激光反射光路4和热沉5构成板条放大器。
板条激光晶体3两端下方分别设有泵浦半导体激光器1，泵浦半导体激光器1为半导体激光阵列，依据晶体材料选择波长，如808nm、880nm等，具体型号可以是FL-VS300-Nx1-100xN-808-Y，也可以是FL-6S05-Nx1-100xN-808(Q)，阵列结构为传导冷却叠阵或者水冷垂直叠阵；泵浦半导体激光器1具备高泵浦能量，且采用两端端面泵浦的方式保障泵浦均匀性。泵浦半导体激光器1工作方式为连续或脉冲，如果为脉冲工作方式则由驱动电源实现激光功率、脉冲宽度、时序和重复频率的调制。板条激光晶体3通过传导散热方式冷却，冷却水与晶体没有直接接触，杜绝了晶体被水污染的情况，大大提高装置的可靠性。
板条激光晶体3与泵浦半导体激光器1之间设置激光整形光路2，泵浦半导体激光器1与激光整形光路2同轴设置；激光整形光路2用于对泵浦半导体激光器1发出的泵浦光束进行缩束，激光整形光路2包括第一泵浦耦合透镜21和第二泵浦耦合透镜22，第一泵浦耦合透镜21和第二泵浦耦合透镜22均采用柱状透镜；第一泵浦耦合透镜21圆柱母线方向垂直于泵浦光束快轴方向，用于对快轴方向的泵浦光束进行耦合缩束，第二泵浦耦合透镜22圆柱母线方向平行于泵浦光束快轴方向，用于对慢轴方向的泵浦光束进行耦合缩束。采用柱面对泵浦光的慢轴和快轴分别整形，便于泵浦光可以有效入射到板条激光晶体的内部。
板条激光晶体3两端上方分别设有激光反射光路4；激光反射光路4用于将板条激光晶体3两侧端面发出的激光束反射回板条激光晶体3，激光反射光路4包括第一反射镜片41和第二反射镜片42，第一反射镜片41和第二反射镜片42的表面镀有高反膜，用于提供激光反射率；第一反射镜片41将从板条激光晶体3发出的激光束反射回板条激光晶体3，输出后再经第二反射镜片42再次反射回板条激光晶体3，激光多次通过板条激光晶体3从板条激光晶体3一端输出。激光反射光路4使得激光可以多次通过板条激光晶体实现高增益放大。激光反射光路4中第一反射镜片41和第二反射镜片42的反射角度范围为[20°，30°]，第一反射镜片41和第二反射镜片42的镜面镀有高反膜。
板条激光晶体3形状为梯形或平行四边形，晶体尖角切割成45°用以反射泵浦光。板条激光晶体3采用掺钕钇铝石榴石Nd：YAG晶体或掺钕钒酸钇Nd：YV04晶体。板条激光晶体3的底面镀有泵浦激光增透膜，如808nm增透膜；板条激光晶体3的端面镀有激光增透膜，如1064nm增透膜；板条激光晶体3的上下大表面镀有Si02倏逝膜，提高入射激光的反射率。板条激光晶体3的上下大表面分别通过焊接或压接的方式固定热沉5，以便充分散热。
本发明的工作原理为：板条激光晶体3两侧的泵浦半导体激光器1分别发出泵浦光，经激光整形光路2对泵浦光的快轴和慢轴方向分别进行耦合缩束，激光整形光路2处理后的激光束入射到板条激光晶体3两端端面，经端面反射到板条激光晶体3内部，从板条激光晶体3一端发出的激光束经相应激光反射光路4反射回板条激光晶体3，激光束多次通过板条激光晶体3，实现高增益放大后从板条激光晶体3的端面输出。
本技术方案实现了一种端泵多程板条激光放大器，采用双面端浦和多程放大的方式，适用于不同波长激光放大的共性MOPA技术，在提高系统效率和光束质量的基础上，同时减小系统结构尺寸，提高可靠性，板条放大器结构简单而且紧凑，易于装调和集成，使得系统体积和重量减小，便于工程化和产品化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种端泵多程板条激光放大器，其特征在于：包括泵浦半导体激光器(1)、激光整形光路(2)、板条激光晶体(3)、激光反射光路(4)和热沉(5)；所述板条激光晶体(3)两端下方分别设有泵浦半导体激光器(1)，板条激光晶体(3)与泵浦半导体激光器(1)之间设置激光整形光路(2)，所述泵浦半导体激光器(1)与激光整形光路(2)同轴设置；板条激光晶体(3)两端上方分别设有激光反射光路(4)；板条激光晶体(3)的上下大表面分别固定热沉(5)。
2.根据权利要求1所述的一种端泵多程板条激光放大器，其特征在于：所述激光整形光路(2)用于对泵浦半导体激光器(1)发出的泵浦光束进行缩束，激光整形光路(2)包括第一泵浦耦合透镜(21)和第二泵浦耦合透镜(22)，第一泵浦耦合透镜(21)和第二泵浦耦合透镜(22)均采用柱状透镜。
3.根据权利要求2所述的一种端泵多程板条激光放大器，其特征在于：所述第一泵浦耦合透镜(21)圆柱母线方向垂直于泵浦光束快轴方向，用于对快轴方向的泵浦光束进行耦合缩束，第二泵浦耦合透镜(22)圆柱母线方向平行于泵浦光束快轴方向，用于对慢轴方向的泵浦光束进行耦合缩束。
4.根据权利要求1所述的一种端泵多程板条激光放大器，其特征在于：所述激光反射光路(4)用于将板条激光晶体(3)两侧端面发出的激光束反射回板条激光晶体(3)，激光反射光路(4)包括第一反射镜片(41)和第二反射镜片(42)，第一反射镜片(41)和第二反射镜片(42)的表面镀有高反膜；所述第一反射镜片(41)将从板条激光晶体(3)发出的激光束反射回板条激光晶体(3)，输出后再经第二反射镜片(42)再次反射回板条激光晶体(3)，激光多次通过板条激光晶体(3)从板条激光晶体(3)一端输出。
5.根据权利要求4所述的一种端泵多程板条激光放大器，其特征在于：所述激光反射光路(4)中第一反射镜片(41)和第二反射镜片(42)的反射角度范围为[20°，30°]。
6.根据权利要求1所述的一种端泵多程板条激光放大器，其特征在于：所述泵浦半导体激光器(1)为半导体激光阵列，阵列结构为传导冷却叠阵或者水冷垂直叠阵。
7.根据权利要求1所述的一种端泵多程板条激光放大器，其特征在于：所述板条激光晶体(3)形状为梯形或平行四边形。
8.根据权利要求1所述的一种端泵多程板条激光放大器，其特征在于：所述板条激光晶体(3)采用Nd：YAG晶体或Nd：YV04晶体。
9.根据权利要求1所述的一种端泵多程板条激光放大器，其特征在于：所述板条激光晶体(3)的底面镀有泵浦激光增透膜；板条激光晶体(3)的端面镀有激光增透膜；板条激光晶体(3)的上下表面镀有Si02倏逝膜。
10.根据权利要求1所述的一种端泵多程板条激光放大器，其特征在于：所述板条激光晶体(3)的上下表面分别通过焊接或压接的方式固定热沉(5)。
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