CN111769431A - 一种角侧面泵浦增加单程增益的结构和实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种侧面泵浦增加单程增益的结构和实现方法，本发明通过在增益介质外侧键合非吸收的包层材料，使得泵浦光在包层的上下两个反射面，侧面反射；且两侧面有一相对角，在侧面反射的同时沿增益介质往返行进，可以多次经过增益介质，增加增益介质的吸收，且在增大吸收泵浦光次数的同时有效的缩减了增益介质的尺寸。由于泵浦光多次反射经过增益介质，使泵浦光的能量分布更加匀化，而且包层材料热导率高可有效降低增益介质的温度梯度，减少损伤器件的可能性，有助于提升输出光束质量。

Description

一种角侧面泵浦增加单程增益的结构和实现方法

技术领域

本发明涉及激光技术应用领域，具体涉及一种侧面泵浦增加单程增益的结构和实现方法。本发明设计了一种新型的侧面泵浦结构，通过键合有切角的包层以实现增加激光器的单程增益，构成了一种全新的泵浦结构，属于固体激光器领域。

背景技术

窄脉宽(几纳秒到几十纳秒)、大脉冲能量(几十豪焦到百豪焦)的调Q脉冲固体激光器，因其有高的峰值功率、结构紧凑、适中的光束质量，在工业加工、激光测量等领域发挥着重要作用。随着大功率半导体激光用于泵浦源，固体激光器的效率得到提高、光束质量得到改善，在此基础上，由于激光测量、激光雷达等应用的需要，要求进一步减小激光器系统的体积和重量的同时提高激光器的整体效率。根据吸收公式，增加单程增益是减小激光器系统的体积和重量、提高激光器输出效率的有效途径。

已有一些手段和方法来提升单程增益，最常用的方法是端面泵浦，但其吸收功率随指数递减，充分吸收泵浦光所需增益介质长度较长，无法保证激光器系统的小体积和轻重量；同时泵浦光在增益介质中分布极不均匀，高增益区域集中在泵浦测，影响激光器输出光束质量；端面功率密度较高还容易造成激光器件的损伤。

本发明的目的在于设计一种可以增加单程增益的角侧面泵浦结构，以解决端面泵浦中存在的问题。所采用设计的特殊泵浦方式可以使泵浦光在增益介质中往返多次经过增益区域，最终实现泵浦光被多次吸收获得很高的单程增益。

发明内容

本发明提供了一种新型的角侧面泵浦增加吸收次数，提高单程增益的结构和实现方法，克服现有单程增益较低、输出不稳定等不足，提供一种减小激光器系统的体积和重量、提高吸收效率和能量转换效率、提高激光器整体效率。

本发明在方形棒状激光增益介质晶体的两相对侧面分别键合对泵浦光不吸收的晶体材料，另两相对侧面制作低折射率材料形成对泵浦光反射的平面，并加工成六边形的结构，泵浦光从两角侧面进入键合晶体，并在晶体内多次反射，被方形棒状激光增益介质吸收，由于键合晶体采用六边形的特殊结构，这些泵浦光将在晶体内多次反射的过程中，沿方形棒状激光增益介质晶体往返两次，增加增益介质吸收长度，有利于在有限的方形棒状激光增益介质长度内有效吸收泵浦光，提高整个激光系统的单程增益，特别是对发射截面小和吸收截面小的增益介质，可增加吸收泵浦功率，增加单程增益，降低激光器出光阈值，获得高效率输出；以及泵浦光的波长变化引起增益介质吸收系数变化时，也能充分吸收泵浦光，维持激光器输出单程增益基本保持不变，稳定输出功率，提高激光器输出对环境的适应性。

本发明提供如下技术方案：

一种角侧面泵浦增加单程增益的结构，包括产生激光的增益介质和对泵浦光不吸收的包层；组合晶体设计泵浦面切角，反射面切角；组合晶体的增益介质与包层之间采用无胶热键合技术连接。

所述泵浦结构为角侧面泵浦方式，将泵浦光倾斜注入所设计结构，在包层反射面多次反射，多次经过增益介质，提升泵浦利用率，提升单程增益，实现对整体效率提升。

所述激光增益介质为各种掺杂离子不同基质的激光增益介质。激光增益介质其形状为立方体、长方体或者圆棒各种尺寸和形状。激光增益介质其端面斜切任意角度。

所述包层为热导率高的对泵浦光不吸收的晶体材料。包层的泵浦面和后端反射面斜切一定角度，使泵浦光形成多次反射。包层侧面和上面等非激光出射和泵浦进入面处，采用镀膜处理，实现对泵浦光的全反射。

所述增益介质与包层之间的结合方式为无胶热键合技术连接。

与现有传统的端面泵浦结构、侧面泵浦结构比较，本发明所设计的新结构通过增加泵浦光光程实现了对单程增益的提升，具有以下优点：

1.本发明所示的新型角侧面泵浦结构，通过将泵浦光倾斜注入到所设计结构中，泵浦光斜入射到镀膜的反射面，形成多次反射。泵浦光多次经过增益介质，极大的提升了增益介质对泵浦光的吸收长度，保证对泵浦光吸收系数极低的条件下增益介质对泵浦光吸收仍可以接近100％，有效提升了增益介质对泵浦光的利用，进一步提升激光器整体效率。另外本发明所采用扩散键合技术构成组合晶体，所形成键合面损耗极小，有利于泵浦光在增益介质中传输，提升整体效率。

2.本发明中采用的对泵浦光不吸收的包层材料，对芯层起到导热作用，利于增益介质更好地散热，有效地减小了增益介质中心和侧面的温度梯度，改善热效应影响，利于大能量输出。同时角侧面斜入射的泵浦光经过增益介质的位置分布均匀，增益介质对泵浦光在长度方向吸收更均匀，有助于获得更好光束质量

3.本发明通过增加吸收长度有效地消除了增益介质发射截面小和吸收截面小时，激光器出光阈值高的问题；以及泵浦光的波长变化引起增益介质吸收系数变化时，激光器输出稳定性问题，实现激光器对温度的不敏感性。

4.本发明采用键合技术制备组合晶体，使增益介质整体结构更加简单紧凑，易于实现一体化与结构小型化。

附图说明

图1.新型角侧面泵浦激光器结构示意图

其中：1.增益介质；2、3.非吸收包层；4、5.有切角的包层镀膜反射面；

6、7.泵浦模块；8.全反腔镜；9.输出腔镜

图2键合过程示意图

图3加工完成后最终获得的结构示意图

图4泵浦方式示意图

具体实施方式

本实施例的结构如图1所示，其中：1.增益介质；2、3.非吸收包层；4、5.有切角的包层镀膜反射面；6、7.泵浦模块；8.全反腔镜；9.输出腔镜。泵浦模块6、7所产生的泵浦光垂直于有角度的泵浦面入射，倾斜注入增益介质1中，传输到非吸收包层2、3时，在后侧有角度的镀膜反射面多次反射。泵浦光多次经过增益介质1，增大吸收长度，实现对激光器单程增益的提升。

本实施例结构制备过程如下：

按所设计的尺寸，对激光增益介质、吸收材料和包层材料的毛坯进行线切割，获得所需尺寸的增益介质，再对其侧面研磨抛光处理，使其面型、粗糙度满足键合需求。(对于出光面研磨抛光镀膜。)

每两个面材料之间的键合制备方法如下：

1.分别将增益介质和包层的晶体毛坯利用丝线切割机切割出增益介质和包层的尺寸。

2.将增益介质和包层晶体所需键合的面进行研磨抛光，达到一级表面光洁度。

3.将研磨好的增益介质和包层晶体所需键合的面做精抛处理，达到光胶所需的面形和粗糙度。

4.将上述晶体每两个面之间按顺序光胶。

5.将处理好的晶体放入马弗炉高温处理然后退火形成键合层。

如图2，将抛光好的增益介质和包层材料，通过光胶粘合到一起，然后放入马弗炉加合适的高温，两块材料在高温作用下相互扩散形成键合晶体。

如图2、图3所示，在完成各个面的键合过程后，对整体结构的几何外形进行处理，将键合好的晶体进行切割、研磨、抛光处理，使其满足外形尺寸设计要求，同时满足镀膜要求。然后镀上与之折射率匹配的膜层材料，实现对泵浦光的全反射，确保能量不外泄。获得的结构如图3所示。

如图4，将泵浦光倾斜注入，在后方有切角的镀膜反射面多次反射。

最终本实施例完成如图1所示本方法所设计的键合结构，可以将泵浦光限制在晶体内部。通过后侧的两个镀膜反射面的不断反射使泵浦光不断经增益介质。以从泵浦面入射的中心泵浦光为例，第一次入射到反射面时入射角度为30°，每在反射面上反射一次下一次入射角减小10°，最终在一定次数的反射后，传输方向折反向泵浦面，在有效减小晶体体积的同时实现了增益介质对泵浦光的充分吸收，充分利用，提高激光器的整体效率。

实施例所述结构中键合界面反射损耗低于0.4％；增益介质对泵浦光吸收超过99％，结构中没有任何泵浦光泄露出来，相同条件下将单程增益提升了近一倍；同时通过增加吸收长度实现了激光器的温度不敏感，实现激光器对温环境的适应性。

Claims (5)

1.一种角侧面泵浦增加单程增益的实现方法，其特征在于：泵浦光倾斜注入所设计结构，在包层反射面多次反射，多次经过增益介质，提升泵浦利用率，提升单程增益，实现对整体效率提升。

2.根据权利要求1所述的一种角侧面泵浦增加单程增益的实现方法，其特征在于：泵浦方式与结构采用角侧面泵浦，泵浦光倾斜注入，在包层反射面实现多次反射，提升单程增益；包括激光增益介质、非吸收包层。

3.根据权利要求2所述的一种角侧面泵浦增加单程增益的实现方法，其特征在于：激光增益介质的泵浦光多次经过增益介质，通过提高泵浦利用率，提高单程增益；为Nd:YAG、Yb:YAG、Er玻璃各种离子掺杂的不同基质的激光增益介质，形状为立方体、长方体或者圆棒各种尺寸和形状。

4.根据权利要求2所述的一种角侧面泵浦增加单程增益的实现方法，其特征在于：非吸收包层为对泵浦光无吸收的材料；为热导率高的非掺杂介质；其泵浦面和反射面均斜切有一定角度；侧面和上面非激光出射和泵浦进入面处，采用镀膜处理，实现对泵浦光的全反射。

5.根据权利要求2所述的一种角侧面泵浦增加单程增益的实现方法，其特征在于：激光增益介质、非吸收包层之间采用无胶热键合技术连接，界面之间为光学面；由折射率差造成的反射损耗极小；振荡激光和泵浦光在内部传输时损耗小。

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