CN112436370B - 一种端泵板条激光放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种端泵板条激光放大器，属于固体激光器领域，包括种子源、板条介质、泵浦源和热沉；板条介质的尖角角度α满足
Figure 641471DEST_PATH_IMAGE001
，种子源用于发出入射至板条介质的端面的角度为布儒斯特角的种子光，种子光在板条介质掺杂区域单程传播时填充因子为1；泵浦源用于发出入射至板条介质靠尖角的大面的泵浦光，且泵浦光入射至板条介质的端面时发生全反射，之后在板条介质内按照zig‑zag光路传播；此外可切除板条介质的尖角尖端或使用光阑对种子光遮光。本发明采用端泵和zig‑zag泵浦光路使得泵浦光能量更大、泵浦更充分，并且种子光能提取板条介质掺杂区域中全体积内的反转粒子数能量。

Description

一种端泵板条激光放大器
技术领域
本发明属于固体激光器领域，具体涉及一种端泵板条激光放大器。
背景技术
高功率大能量激光器在工业、科研、国防、医疗等领域有着广泛应用，为了获得高的激光能量或功率，同时保持激光的光束质量，通常采用激光放大的方法。激光介质的热效应对激光的光束质量有严重的影响，板条晶体可以利用周期性穿越温度梯度方向的zig-zag光路减小热透镜和应力双折射效应。
板条晶体几何结构的特殊性决定泵浦方式主要为面泵浦，面泵浦可以加载更多的泵浦能量，但无论是大面泵浦还是侧面泵浦，都存在介质吸收长度短、利用率低的缺点。近来也出现了采用端泵方式的激光放大器，将板条的端面切成45度，泵浦光从板条大面入射，在端面反射后，沿板条长度方向传播，实现端面泵浦。这种方式虽然实现了较长的介质吸收长度，但是无论种子光以何角度入射，都将使得种子光在板条晶体中单程通过时的填充因子小于1，无法充分提取增益。
板条晶体的加工精度直接影响到激光器的输出光束质量，尤其对YAG（钇铝石榴石）晶体而言，莫氏硬度大，弹性小，当材料所承受的荷载超过弹性极限时，就会发生断裂。板条晶体的尖角部分更薄，并且切角小，难以抛光或者抛光后面形较差，在实际使用中，该尖角也易崩边、崩角。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的板条介质泵浦不充分的问题，提出了一种端泵板条激光放大器。
本发明具体技术方案如下：
一种端泵板条激光放大器，包括种子源、板条介质、泵浦源和热沉，其特征在于，所 述板条介质的尖角角度α满足
Figure 282130DEST_PATH_IMAGE001
；所述种子源用于发 出入射至板条介质的端面的角度为布儒斯特角的种子光，使得种子光在板条介质的大面发 生全反射；所述泵浦源用于发出入射至板条介质靠尖角的大面的泵浦光，且泵浦光经板条 介质折射后，入射至板条介质的端面时发生全反射；所述热沉用于冷却板条介质的上、下大 面的非端面投影部分；所述板条介质的上、下大面均镀有SiO2膜；其中，所述
Figure 12188DEST_PATH_IMAGE002
为SiO2膜的 折射率，
Figure 946646DEST_PATH_IMAGE003
为板条介质的折射率，β为种子光进入端面后的折射角。
进一步地，所述泵浦光的入射角δ满足
Figure 471169DEST_PATH_IMAGE004
， 使得所有的泵浦光均在板条介质的端面发生全反射；其中，所述ϕ为泵浦光的发散角。
进一步地，所述板条介质的尖角尖端被切除，或入射至尖角尖端的种子光通过设 置光阑被遮挡；其中，所述板条介质的尖角尖端被切除时，切除厚度m1与板条介质的厚度t 的关系为
Figure 491077DEST_PATH_IMAGE005
；入射至尖角尖端的种子光通过设置光阑被遮挡时，种子 光入射到端面时靠尖角处最边缘光线与大面的垂直距离m2与板条介质的厚度t的关系为
Figure 759248DEST_PATH_IMAGE006
。
进一步地，所述板条介质的两端为纯的基质材料，中间为掺杂有激活离子的基质材料；所述基质材料为晶体、玻璃和陶瓷中的一种，激活离子为Nd3+、Er3+、Ho3+、Cr3+、Ti3+和Yb3+中的一种或两种。
进一步地，所述板条介质的侧面形状为梯形或平行四边形。
进一步地，所述泵浦光的入射区域为板条介质的一端或两端靠尖角的大面。
进一步地，所述SiO2膜的厚度为2~6 μm，用于使种子光在大面发生全反射。
进一步地，所述板条介质的大面用来耦合泵浦光的区域镀有泵浦光波长和泵浦光入射角度的增透膜。
进一步地，所述热沉通过铟焊固定在板条介质的上、下大面的非端面投影部分。
本发明的有益效果为：
1.本发明提出了一种端泵板条激光放大器，通过设置特定的板条介质尖角角度、种子光入射角度，一方面使得种子光在板条介质掺杂区域中单程传播时的填充因子为1，从而提取板条介质掺杂区域中全体积内反转粒子数的能量，另一方面使得在板条介质的端面发生全反射的泵浦光能够在板条介质中按照zig-zag形光路传播，增大泵浦光在板条介质中的光程，板条介质对泵浦光能量的吸收更充分，本发明所得端泵板条激光放大器也可以适应更宽的泵浦源输出波长随温度的漂移范围；
2.本发明通过采用端泵的方式，使得热沉可以在板条介质的上、下大面对其进行传导冷却，具有良好的冷却效果；
3.优选地，本发明中泵浦光以一定角度对板条介质进行泵浦，增大了泵浦光的耦合斜面面积和泵浦源的容纳空间，进而增大泵浦光能量；
优选地，本发明通过切除板条介质的尖角尖端或使用光阑对种子光遮光，避免因种子光进入尖角尖端，而造成的种子光在板条介质中传播后出射光束分裂的问题，同时避免板条介质端面的靠尖角部分在加工后面型差、实际使用中尖角尖端易被磕碰损坏的问题。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的端泵梯形板条激光放大器的结构示意图;
图2为本发明实施例1提出的种子光在梯形板条晶体中的光路图；
图3为本发明实施例1提出的泵浦光在梯形板条晶体中的光路图；
图4为本发明实施例1提出的板条晶体的尖角尖端切除示意图；
图5为本发明实施例1提出的种子光在梯形板条晶体的端面处的光线分布示意图；
图6为本发明实施例2提出的端泵平行四边形板条激光放大器的结构示意图;
图7为本发明实施例2提出的种子光在平行四边形板条晶体中的光路图；
图8为本发明实施例2提出的泵浦光在平行四边形板条晶体中的光路图；
图9为本发明实施例2提出的使用光阑对种子光遮光的示意图；
图10本发明实施例3提出的斜入射端泵平行四边形板条激光放大器的结构示意图;
图11为本发明实施例3提出的斜入射种子光在平行四边形板条晶体中的光路图；
图12为本发明实施例3提出的使用光阑对种子光遮光的示意图；
附图标记：
1.种子光；2.板条介质；3.泵浦光；4.热沉；5.光阑。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本方明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例提供了一种端泵梯形板条激光放大器，包含种子源、板条介质2、泵浦源和热沉4，其结构如图1所示，泵浦源发出的泵浦光3的波长为808 nm，种子源发出的种子光1的波长为1064 nm。
所述板条介质2的侧面形状为梯形，如图2所示，板条介质2是两端为YAG纯晶体、中间为掺杂钕离子的YAG晶体的键合晶体，掺杂钕离子的YAG晶体中钕离子掺杂浓度为0.3%，此时板条介质2对1064 nm的种子光1的折射率为1.82。
所述板条介质2的尖角角度为28.79°，使得种子源发出的平行于板条介质2的长度方向入射的种子光1在板条介质2的端面以布儒斯特角61.21°入射，进而实现种子光1在板条介质2的大面的全反射。
所述泵浦源发出的泵浦光3在板条介质2两端的下大面对板条介质2进行双端泵浦，如图3所示，本实施例中所采用的泵浦源的发散角为3°，泵浦光3以15°的入射角对板条介质2靠尖角的大面进行泵浦。泵浦光3在板条介质2的下大面折射后，传播至板条介质2的端面，此时入射到端面的入射角大于全反射临界角33.33°，泵浦光3在端面被全反射后在板条介质2中按照zig-zag形光路传播，使得板条介质2对泵浦光3的吸收更加充分，有助于提高板条介质2对泵浦光3的吸收率，适应更宽的泵浦源输出波长随温度的漂移范围。
本实施例中，所述泵浦源为经柱透镜整形的808nm半导体激光泵浦源，直接照射泵浦面进行泵浦耦合，无需耦合透镜光学系统，从而简化结构。通过以15°的入射角泵浦，能增大泵浦光的耦合面，允许更多的泵浦源数量，以增大泵浦光能量。
所述板条介质2的两个尖角尖端被切除了一部分，以避免难以对端面的尖角部分 加工或者加工后的端面平面度较差。如图4所示，采用斜切法切除尖角尖端，切除厚度m1与 板条介质的厚度t的关系为
Figure 813791DEST_PATH_IMAGE005
，泵浦源发出的泵浦光3中靠尖角的最边 缘光线经下大面折射后传播到端面，沿着泵浦光3的最边缘光线经下大面折射后在板条介 质2中的折射线进行切除，此时斜切角度由泵浦光3的最边缘光线的折射角确定，斜切角度= 90°-最边缘光线折射角γ。
本实施例中，α为尖角角度28.79°，β为种子光进入端面后的折射角28.79°，γ为最边缘光线折射角7.36°，则切除厚度m1为0.072t，斜切角度82.64°。
进而可知如图5所示的种子光1在板条介质2的厚度t方向上的宽度为h=0.928t，即种子光1充满板条介质2切除尖端后的端面，此时种子光1在区域A中只传播一次，在区域B中传播两次，由于掺杂钕离子的YAG晶体的区域在区域B内，进而可知种子光1在板条介质2的掺杂区域单程通过时填充因子为1，种子光1在板条介质2中单程通过时填充因子近似为1。
所述热沉4铟焊在板条介质2的上、下大面的非端面投影部分，对其进行冷却。
所述板条介质2的两个大面均镀有厚度为3 μm的SiO2膜，使种子光1在界面处发生全反射。
所述板条介质2在大面用来耦合泵浦光3的区域镀有808 nm、入射角度13.5°~16.5°的增透膜。
实施例2
本实施例提供了一种端泵平行四边形板条激光放大器，包含种子源、板条介质2、泵浦源和热沉4，其结构如图6所示，泵浦源发出的泵浦光3的波长为808 nm，种子源发出的种子光1的波长为1064 nm。
所述板条介质2的侧面形状为平行四边形，如图7所示，板条介质2是两端为YAG纯晶体、中间为掺杂钕离子的YAG晶体的键合晶体，掺杂钕离子的YAG晶体中钕离子掺杂浓度为0.3%，此时板条介质2对1064 nm的种子光1的折射率为1.82。
所述板条介质2的尖角角度为28.79°，使得种子源发出的平行于板条介质2的长度方向入射的种子光1在板条介质2的端面以布儒斯特角61.21°入射，进而实现种子光1在板条介质2的大面的全反射；
所述泵浦源发出的泵浦光3在板条介质2左端的下大面和右端的上大面对板条介质2进行双端泵浦，如图8所示，本实施例中所采用的泵浦源的发散角为3°，泵浦光3以15°的入射角对板条介质2靠尖角的大面进行泵浦。泵浦光3在板条介质2的大面折射后，传播至板条介质2的端面，此时入射到端面的入射角大于全反射临界角33.33°，泵浦光3在端面被全反射后在板条介质2中按照zig-zag形光路传播。
本实施例中，所述泵浦源为经柱透镜整形的808nm半导体激光泵浦源，直接照射泵浦面进行泵浦耦合，无需耦合透镜光学系统，从而简化结构。
本实施例使用光阑5对种子光1遮光，如图9所示，经光阑5遮光后，种子光1入射到 端面时靠尖角处最边缘光线与大面的垂直距离m2与板条介质的厚度t的关系为
Figure 509215DEST_PATH_IMAGE006
，其中β为种子光进入端面后的折射角28.79°，计算得到m2=0.072t， 此时能实现如图7所示的种子光1在板条介质2掺杂区域中单程通过时填充因子为1，实现对 板条介质2中掺杂区域中全体积上的反转粒子数能量的提取。
所述板条介质2的尖角尖端按照斜切法切除一部分，切除厚度为0.072t，斜切角度82.64°，以避免难以对端面的尖角部分加工或者加工后的平面度较差。
种子源发出的种子光1在板条介质2的厚度t方向上的宽度为h=0.928t，此时能实现如图7所示的种子光1在板条介质2中掺杂区域单程通过时的填充因子为1，实现对板条介质2中掺杂区域中全体积上的反转粒子数能量的提取。
所述热沉4铟焊在板条介质2的上、下大面的非端面投影部分，对其进行冷却。
所述板条介质2的两个大面均镀有厚度为3 μm的SiO2膜，使种子光1在界面处发生全反射。
所述板条介质2在大面用来耦合泵浦光3的区域镀有808 nm、入射角度13.5°~16.5°的增透膜。
实施例3
本实施例提供了一种斜入射端泵平行四边形板条激光放大器，包含种子源、板条介质2、泵浦源和热沉4，泵浦源发出的泵浦光3的波长为808 nm，种子源发出的种子光1的波长为1064 nm，其结构如图10所示。
所述板条介质2的侧面形状为平行四边形，如图11所示，板条介质2是两端为YAG纯晶体、中间为掺杂钕离子的YAG晶体的键合晶体，掺杂钕离子的YAG晶体中钕离子掺杂浓度为0.3%，此时板条介质2对1064 nm的种子光1的折射率为1.82。
所述种子源1发出的种子光以与板条介质2的长度方向呈2.7°的夹角斜入射至板条介质2的端面，所述板条介质2的尖角角度为26.09°，使得种子光在板条介质2的端面以布儒斯特角61.21°入射，传播至大面时角度大于全反射临界角，进而实现种子光在板条介质2的大面的全反射。
所述泵浦源3发出的泵浦光在板条介质2左端的下大面和右端的上大面对板条介质2进行双端泵浦，如图10所示，本实施例中所采用的泵浦源的发散角为2°，泵浦光以16°的入射角对板条介质2靠尖角的大面进行泵浦。泵浦光在板条介质2的大面折射后，传播至板条介质2的端面，此时入射到端面的入射角大于全反射临界角33.33°，泵浦光在端面被全反射后在板条介质2中按照zig-zag形光路传播。
本实施例中，所述泵浦源为经柱透镜整形的808nm半导体激光泵浦源，直接照射泵浦面进行泵浦耦合，无需耦合透镜光学系统，从而简化结构。
本实施例使用光阑5对种子光1遮光，如图12所示，经光阑5遮光后，种子光1入射到 端面时靠尖角处最边缘光线与大面的垂直距离m2与板条介质的厚度t的关系为
Figure 517884DEST_PATH_IMAGE006
，其中β为种子光进入端面后的折射角28.79°，计算得到m2=0.18t，此 时能实现如图11所示的种子光1在板条介质2掺杂区域单程通过时的填充因子为1，实现对 板条介质2中掺杂区域中全体积上的反转粒子数能量的提取。
所述热沉4铟焊在板条介质2的上、下大面的非端面投影部分，对其进行冷却。
所述板条介质2的两个大面均镀有厚度为3 μm的SiO2膜，使种子光在界面处发生全反射。
所述板条介质2在大面用来耦合泵浦光的区域镀有808 nm、入射角度15°~17°的增透膜。

Claims (9)

1.一种端泵板条激光放大器，包括种子源、板条介质、泵浦源和热沉，其特征在于，所述板条介质的尖角角度α满足
Figure FDA0002974330770000014
所述种子源用于发出入射至板条介质的端面的角度为布儒斯特角的种子光；所述泵浦源用于发出入射至板条介质靠尖角的大面的泵浦光，泵浦光的入射角δ满足arcsin(n板条sin(arcsin(1/n板条)-α))+φ/2＜δ＜40°；所述热沉用于冷却板条介质的上、下大面的非端面投影部分；所述板条介质的上、下大面均镀有SiO2膜；其中，所述
Figure FDA0002974330770000013
为SiO2膜的折射率，n板条为板条介质的折射率，β为种子光进入端面后的折射角，φ为泵浦光的发散角。
2.根据权利要求1所述的端泵板条激光放大器，其特征在于，所述种子光的入射方向平行于板条介质的长度方向，或与长度方向呈夹角。
3.根据权利要求1所述的端泵板条激光放大器，其特征在于，所述板条介质的尖角尖端被切除，或入射至尖角尖端的种子光通过设置光阑被遮挡。
4.根据权利要求3所述的端泵板条激光放大器，其特征在于，板条介质的尖角尖端被切除时，切除厚度m1与板条介质的厚度t的关系为
Figure FDA0002974330770000011
5.根据权利要求3所述的端泵板条激光放大器，其特征在于，入射至尖角尖端的种子光通过设置光阑被遮挡时，种子光入射到端面时靠尖角处最边缘光线与大面的垂直距离m2与板条介质的厚度t的关系为
Figure FDA0002974330770000012
6.根据权利要求1～5任一所述的端泵板条激光放大器，其特征在于，所述板条介质的两端为基质材料，中间为掺杂有激活离子的基质材料；所述基质材料为晶体、玻璃和陶瓷中的一种，激活离子为Nd3+、Er3+、Ho3+、Cr3+、Ti3+和Yb3+中的一种或两种。
7.根据权利要求1～5任一所述的端泵板条激光放大器，其特征在于，所述板条介质的侧面形状为梯形或平行四边形。
8.根据权利要求1～5任一所述的端泵板条激光放大器，其特征在于，所述泵浦光的入射区域为板条介质的一端或两端靠尖角的大面。
9.根据权利要求1～5任一所述的端泵板条激光放大器，其特征在于，所述板条介质的大面用来耦合泵浦光的区域镀有泵浦光波长和泵浦光入射角度的增透膜；热沉通过铟焊固定在板条介质的上、下大面的非端面投影部分。
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