CN111769427A

CN111769427A - 一种可实现高效率、大能量、小体积的掺铒楔形波导放大器

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Publication number: CN111769427A
Application number: CN202010532847.XA
Authority: CN
Inventors: 李强; 邢晓文; 惠勇凌; 姜枫; 雷訇; 朱占达
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2020-06-12
Filing date: 2020-06-12
Publication date: 2020-10-13

Abstract

本发明公开了一种可实现高效率、大能量、小体积的掺铒楔形波导放大器，采用楔形双包层铒玻璃波导结构，泵浦光多次经过增益介质被充分吸收，增加了增益介质的吸收长度和吸收均匀性，从而改善了热效应，有效提高泵浦吸收效率。采用对1.5um有吸收、对泵浦光不吸收的材料四面包裹增益介质，从而切断自激振荡的回路，改善ASE的影响，提高能量存储效率，提高输出激光能量。本发明的新波导结构体积小、结构紧凑。内外包层对铒玻璃起到热沉的作用，利于增益介质更好地散热，有效地改善了增益介质中心和侧面的温度梯度，减小热效应，大能量输出。采用键合技术制备放大器增益介质，使放大器整体结构更加简单紧凑，易于实现一体化与结构小型化。

Description

一种可实现高效率、大能量、小体积的掺铒楔形波导放大器

技术领域

本发明涉及一种高效率、大能量、小体积的铒镱共掺磷酸盐玻璃波导窄脉冲放大器。设计了新的结构，包括泵浦有效吸收结构、ASE抑制结构，并通过铒镱共掺磷酸盐玻璃与掺钴硅酸盐玻璃、K9光学玻璃之间的键合，构成新的波导放大器。属于固体激光放大器技术领域。

背景技术

1.5μm激光处于“人眼安全波长”，对人眼的允许曝光量高，处于“大气窗口”，对烟、雾的穿透能力强，成为激光测距领域的重要激光波长。采用铒玻璃(Er:Yb:glass)为增益介质的1.5μm激光器以其小体积、高转换效率、低功耗等特点成为民用和军用中测距用激光器。

随着激光技术和电子学技术的发展，激光测距对激光器提出了新的应用要求，要求激光器具有窄脉宽、大能量、小体积、低功耗等参数指标。能量大、脉宽窄，测程越远；小体积、低功耗，集成化越高，利于便携化应用。目前常用的铒玻璃激光器多为LD泵浦、被动调Q的铒玻璃激光振荡器，可实现结构简单、体积小、便于携带的应用需求。但是此类激光器的单脉冲能量仍在百uJ级别，测量距离较短(6-8km)，如在此基础上提高输出能量，会加剧热效应，使激光的光束质量下降。在有限的体积范围内放大种子脉冲激光，得到更高能量(mJ级)的激光输出，将提高人眼安全测距机的测距距离。但是，目前实现人眼安全激光的几种放大器中，掺铒光纤放大器由于本身较强非线性效应以及较大的尺寸，制约了其在小尺寸测距中的应用；侧面半导体泵浦的棒状、方形柱状放大器，由于体积较大、热效应严重，不适于小尺寸测距中的应用；端面泵浦的棒状、方形柱状放大器，入射端面光功率密度较高由此带来的热透镜效应较严重，限制了输出功率的提高。

针对现有激光放大器存在的不足，本发明设计了一款楔形波导结构的铒镱共掺磷酸盐玻璃放大器，在保证体积小、结构紧凑的基础上，具有输出能量大、效率高、成本低等特点。采用热键合技术，制备了铒镱共掺磷酸盐玻璃放大器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种楔形波导结构的铒玻璃放大器，克服现有的LD泵浦铒玻璃激光放大器存在的不足，从而实现高效率、大能量、小体积的优良性能。

本发明的楔形波导结构铒玻璃放大器主要包括：铒玻璃楔形波导结构1、泵浦源2、泵浦耦合系统3、反射结构4、种子源5、以及种子耦合系统6。种子光5经过一个平凸透镜，从铒玻璃楔形波导结构1左端面的芯层中心进入，使种子激光聚焦焦点位于激光增益介质芯层中心；泵浦光2经过一个柱透镜，对LD快轴方向输出激光进行压缩，由铒玻璃楔形波导结构1的楔形面进入，通过多次反射光路配置使得泵浦得到充分吸收，从而有效提高泵浦效率；激光增益介质芯层被吸收材料层包裹，有效抑制自发辐射的放大，提高泵浦的储能效率；种子光经过增益介质放大后，从铒玻璃楔形波导结构1的右端面输出。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可实现高效率、大能量、小体积的掺铒楔形波导放大器装置，如图1。主要包括：铒玻璃楔形波导结构1、泵浦源2、泵浦耦合系统3、反射结构4、种子源5、以及种子耦合系统6。

所述的掺铒楔形波导结构，即为一个五层结构的楔形波导结构，芯层为铒镱共掺磷酸盐玻璃，上下、左右内包层为掺钴硅酸盐玻璃，上下外包层为K9光学玻璃，两大面为掺钴硅酸盐玻璃，此外通过设计切角、包层材料厚度，以及上下外包层楔角使得波导结构，使得泵浦光在波导内部光线往返次数足够多，铒镱共掺磷酸盐玻璃芯层有效的吸收光程长度足够长，使得增益介质在长度方向吸收相对均匀。通过热键合技术将铒镱共掺磷酸盐玻璃、掺钴硅酸盐玻璃及K9光学玻璃三种光学材料制备为一体结构，剖面与侧面示意图见图3。

所述的泵浦源为mini bar半导体激光器。

所述的泵浦耦合系统将半导体泵浦光通过一个柱透镜，对LD快轴方向输出激光进行压缩聚焦后进入激光增益介质，其中聚焦光斑大小保证泵浦光在波导内传输。

所述的反射结构为对铒玻璃的两个端面以及泵浦抽运面镀增透膜，波导结构上下两大面不镀膜，其余侧面镀全反膜。

所述的种子源选择的是一款输出波长为1535nm的调Q脉冲激光器；

所述的种子耦合系统选用的是一个平凸透镜，保证聚焦后的种子激光功率密度低于激光增益介质的损伤阈值。

与现有的激光放大器相比，本发明用全新的结构实现了高效率、大能量、小体积激光放大器的目标，本发明具有如下优点：

1、本发明采用楔形双包层铒玻璃波导结构，泵浦光多次经过增益介质被充分吸收，增加了增益介质的吸收长度，从而有效提高泵浦吸收效率。

2、本发明的新波导结构中，采用对1.5um有吸收、对泵浦光不吸收(或很小吸收)的材料四面包裹增益介质，从而切断自激振荡的回路，改善ASE的影响，提高能量存储效率，提高输出激光能量。

3、本发明的新波导结构体积小、结构紧凑。内外包层对铒玻璃起到热沉的作用，利于增益介质更好地散热，有效地改善了增益介质中心和侧面的温度梯度，减小热效应，大能量输出。同时，采用键合技术制备放大器增益介质，使放大器整体结构更加简单紧凑，易于实现一体化与结构小型化。

此外本发明整体结构成本低，具有实质性的特点和显著进步，本发明所述的方法可以广泛应用于人眼安全激光器中，易于实现小型化、大能量的目标，实现工程应用。

附图说明

图1是楔形波导结构铒玻璃激光放大器方案示意图。

图1中：1、铒玻璃楔形波导结构，2、泵浦源，3、泵浦耦合系统，4、反射结构，5、种子源，6、种子耦合系统。

图2是钴玻璃(Co:glass)的吸收光谱图。

图3是铒玻璃楔形波导结构与尺寸图。

图4是侧面角泵浦铒玻璃楔形波导结构建模图。

图5是泵浦功率30W时，铒玻璃波导表面温度分布图(a)与沿中心轴线z轴切面温度分布图(b)。

图6是泵浦功率为30W时，键合与非键合的铒玻璃波导结构增益介质沿中心轴线的温度分布对比图。

具体实施方式

下面结合附图1至图6对本发明的楔形波导结构激光放大器的内容作进一步说明：

参阅图1，是人眼安全激光放大器结构图。此放大器由铒玻璃楔形波导结构1、泵浦源2、泵浦耦合系统3、反射结构4、种子源5、种子耦合系统6组成。

铒玻璃楔形波导结构中，芯层选用铒镱共掺磷酸盐玻璃作为激光增益介质，上下、左右内包层为掺钴硅酸盐玻璃，上下外包层为K9光学玻璃，大面为掺钴硅酸盐玻璃，三种材料采用热键合技术结合在一起，参阅图3，泵浦光通过楔形面入射，种子光(1535nm)从芯层端面入射到增益介质内部进行放大。此外，通过zemax光线追迹法模拟可知，泵浦光在内部多次反射后，本发明的波导结构中铒玻璃可存储86％左右的泵浦能量，增加增益介质吸收长度，有效提高泵浦吸收效率。

泵浦源为峰值功率30W，中心波长940nm(非晶体吸收峰值)mini bar半导体激光器(940±5nm)。

泵浦耦合系统将半导体泵浦光通过焦距为1mm的柱透镜，对LD快轴方向输出激光进行压缩聚焦后进入激光增益介质，其中聚焦后的光斑大小为3.8mm*0.38mm，保证泵浦光在波导内传输。

种子激光选择的是一款脉冲宽度5.5ns，单脉冲能量330μJ，峰值功率60kW，光束质量M²为1.4，输出能量稳定性6％，输出波长为1535nm的激光器。

种子耦合系统选用的是一个焦距为60mm的平凸透镜，种子光经聚焦进入激光增益介质的芯层中心，聚焦后的光斑大小为0.6mm*0.6mm，保证聚焦后的种子激光功率密度低于激光增益介质的损伤阈值。

反射结构为对铒玻璃的两个端面镀1.5um左右波长增透膜，对泵浦抽运面镀940nm波长增透膜，上下两大钴玻璃面不镀膜，其余面镀940nm波长全反膜。

图2为钴玻璃(Co:glass)的吸收光谱，钴玻璃对1.5um附近的波长可以有效吸收。在波导放大器中，当泵浦功率密度很高的时候，对各个方向不同的自发辐射会有不同的放大作用，这样会消耗反转粒子数，造成激光增益介质存储能量降低。本发明选钴玻璃作为波导吸收材料，四面包裹芯层，通过对1.5um波段的吸收来阻断ASE的传播路径，从而达到抑制ASE的目的。

图3为铒玻璃楔形波导结构尺寸图，其中铒玻璃的宽度d₁＝0.8mm，内包层的宽度d₂＝0.1mm，外包层的宽度d₃＝4mm，d₄＝3.87mm，波导的厚度D＝0.8mm，波导的长度L＝25mm，切角大小为33.6°，下楔角为3°。

图4为侧面角泵浦铒玻璃楔形波导结构建模图，建模的坐标系原点为铒玻璃中心，x，y，z方向分别表示厚度、宽度以及长度方向。泵浦光沿y轴一定角度泵入波导结构，种子光沿z轴正向摄入波导结构。利用COMSOL有限元分析软件进行模拟前，上下两个大面采用水冷的冷却方式，可视为恒温，水冷温度为293K，其转换系数为10000W·m^-2k^-1；而四周侧面面积相对较小，采用空气散热的自然冷却方式，转换系数为50W·m^-2k^-1。

图5为泵浦功率30W时，铒玻璃波导结构表面温度分布图(a)与沿中心轴线z轴切面温度分布图(b)。从上图(a)可以看出，当泵浦功率30W时，就整体结构的温度分布而言，温度最高点分布在激光介质泵浦端面中心处，且沿着泵浦面中心方向由内向外依次递减。在图(b)中，大部分泵浦光能量存储在增益介质内部，在中心轴上的增益介质的温度随着z轴方向先增加再减小，且高于y轴方向的波导材料，但是铒玻璃波导的最高温度为308K，最大温度梯度仅为14K，远远小于铒玻璃的软化温度753K。

图6为泵浦功率为30W时，键合与非键合的波导结构铒玻璃沿中心轴线的温度分布对比图，从图6曲线走向可知，键合的波导结构比非键合的波导结构的铒玻璃的整体温度要低10℃左右，最大温度梯度比非键合结构低8℃左右，且产生的最高温度远小于三种材料的软化温度。本发明的波导结构的材料之间通过键合的方式整合为一整体，避免了因震动、界面损耗等因素带来的不利影响，在降低铒玻璃整体温度的同时也降低了内部的温度梯度，增强了整体的散热性能，改善了增益介质内部的热分布，有利于实现大脉冲能量激光的输出。

在表1中，为了保证系统中铒玻璃波导结构不因热应力过大而导致波导结构断裂的情况发生，本发明还对不同的泵浦功率条件下波导结构内部的热应力值进行模拟计算，由表可知随着泵浦功率的不断提高，铒玻璃波导结构的最大最小应力值不断增大，但都小于铒玻璃的应力断裂极限值69MPa，其中K9玻璃和钴玻璃的应力断裂极限为690MPa。因此，一定范围的泵浦功率条件不会造成铒玻璃波导结构的断裂或损伤。本发明设计了一种楔形波导结构的铒玻璃放大器，实现了高效率、大能量、小体积的性能。采用楔形的波导结构，通过多次反射光路配置实现了高增益和高效率；采用掺钴硅酸盐玻璃作为波导内包层材料，对1.5um附近的波段有效的吸收，从而成为抑制ASE的有效手段；采用热键合方式制备，热键合复合晶体对铒玻璃起到热沉的作用，利于晶体更好地散热，有效地改善了晶体中心和侧面的温度梯度，减小热效应，提高光束质量。当种子激光输入脉冲宽度5.5ns，单脉冲能量330μJ时，经放大器放大输出脉冲能量1.5mJ，脉宽5.5ns、光束质量M²为1.4基本不变。本发明所述的楔形波导结构可以广泛应用于人眼安全激光器中，易于实现小型化、大能量的目标，实现工程应用。

表1是不同泵浦功率下铒玻璃平面波导结构的热应力分布

Claims

1.一种可实现高效率、大能量、小体积的掺铒楔形波导放大器，其特征在于：铒玻璃楔形波导结构为一个五层结构的楔形波导结构，芯层为铒镱共掺磷酸盐玻璃，上下、左右内包层为掺钴硅酸盐玻璃，上下外包层为K9光学玻璃；通过热键合技术将铒镱共掺磷酸盐玻璃、掺钴硅酸盐玻璃及K9光学玻璃三种光学材料制备为一体结构。

2.根据权利要求1所述的一种可实现高效率、大能量、小体积的掺铒楔形波导放大器，其特征在于：内包层的吸收材料采用的是对1.5um有吸收、对泵浦光不吸收的掺钴硅酸盐玻璃，增益介质被掺钴硅酸盐玻璃四面包裹。

3.根据权利要求1所述的一种可实现高效率、大能量、小体积的掺铒楔形波导放大器装置，其特征在于：包括铒玻璃楔形波导结构(1)、泵浦源(2)、泵浦耦合系统(3)、反射结构(4)、种子源(5)以及种子耦合系统(6)；种子源(5)射出的种子光经过一个平凸透镜，从铒玻璃楔形波导结构(1)端面的芯层中心进入，种子光与激光增益介质端面的距离等于凸透镜的焦距，使种子光聚焦焦点位于激光增益介质芯层中心；泵浦源(2)经过柱透镜，对LD快轴方向输出激光进行压缩后由铒玻璃楔形波导结构(1)的楔形面进入，通过多次反射光路配置提高泵浦效率；种子源(5)射出的种子光经过增益介质放大后，铒玻璃楔形波导结构(1)的端面输出。

4.根据权利要求3所述的一种实现小型化大能量输出的铒玻璃波导放大器，其特征在于：所述的泵浦耦合系统(3)对LD快轴方向输出激光进行压缩聚焦后进入激光增益介质。

5.根据权利要求3所述的一种实现小型化大能量输出的铒玻璃波导放大器，其特征在于：所述的反射结构(4)为除对铒玻璃的两个端面镀1.5um左右波长增透膜，以及对泵浦抽运面镀940nm波长增透膜，其余面镀940nm波长全反膜。