CN112803232B - 波导楔形镜整形抽运光的五向抽运放大器 - Google Patents

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Abstract

一种波导楔形镜整形抽运光的五向抽运放大器，包括棒状增益晶体，还包括五个波导楔形镜、第一热沉、激光二极管阵列和第二热沉；所述的五个第一热沉等间距的分布在所述的棒状增益晶体的圆周上，并通过导热材料与第一热沉接触，每个第一热沉的同侧边均固定有所述的波导楔形镜，且五个波导楔形镜的光轴的延长线的交点与所述的棒状增益晶体的中心重合；所述的激光二极管阵列输出抽运光垂直入射至所述的波导楔形镜，该激光二极管阵列固定在所述的第二热沉上，且该第二热沉通过绝缘隔热材料与第一热沉固定连接。本发明保证被放大信号光的能量提取效率和放大后激光光束的光束质量，具有结构简单、成本低廉的优点。

Description

波导楔形镜整形抽运光的五向抽运放大器
技术领域
本发明属于固体激光放大技术领域，特别适合于空基和天基的相干激光雷达的传导冷却激光器或激光放大器应用，具体涉及到一种波导楔形镜整形抽运光的五向抽运放大器。
背景技术
传统的侧面抽运激光放大器头部多为三向抽运循环水冷结构，不利于实现抽运光在晶体内分布的高功率密度和均匀度，也不利于航空航天平台应用。针对传导冷却的特殊要求，提出了设计基于传导冷却机制的五向侧面抽运激光晶体的光学耦合系统结构。在保证散热效率的基础下，五向侧面抽运放大器相较三向侧面抽运放大器能提供更高的能量密度和更均匀的抽运光分布，能大幅度提高激活粒子的能量利用效率，获得更优化的光束质量。基于特殊设计的波导楔形镜整形抽运光的五向侧面抽运放大头，在激光振荡器和放大器系统中具有非常重要的应用。
发明内容
本发明的目的是针对传导冷却的特殊要求，提供一种波导楔形镜整形抽运光的五向抽运放大器，该装置使得被放大的信号光和抽运光模式匹配，提高能量利用效率；同时使抽运能量均匀分布，保证良好的光束质量。
本发明的基本原理是通过特殊设计波导楔形镜使抽运光和信号光在棒状晶体内模式匹配，得到大能量高光束质量的信号光。
本发明技术解决方案如下
一种波导楔形镜整形抽运光的五向抽运放大器，包括棒状增益晶体，其特点在于，还包括五个波导楔形镜、第一热沉、激光二极管阵列和第二热沉；
所述的五个第一热沉等间距的分布在所述的棒状增益晶体的圆周上，并通过导热材料与第一热沉接触，每个第一热沉的同侧边均固定有所述的波导楔形镜，且五个波导楔形镜的光轴的延长线的交点与所述的棒状增益晶体的中心重合；
所述的激光二极管阵列输出抽运光垂直入射至所述的波导楔形镜，该激光二极管阵列固定在所述的第二热沉上，且该第二热沉通过绝缘隔热材料与第一热沉固定连接。
所述的波导楔形镜的入射面和出射面均镀有增透膜。
所述的波导楔形镜的尺寸是特殊设计，设楔形镜入射截面底L1，出射截面底L2，入射截面高h，满足
Figure BDA0002881678920000021
以保证被放大信号光和抽运光模式匹配，以保证被放大信号光和抽运光模式匹配。
所述的第一热沉和第二热沉均采用紫铜，通过水冷方式控制温度。
所述的绝缘隔热材料为聚酰亚胺、聚马来酰亚胺或聚四氟乙烯。
所述的棒状增益晶体的外侧面为毛面，一部分用于接收波导楔形镜导光，其余部分与第一热沉接触。优选的增益晶体外表面积50％接收从波导楔形镜出射的抽运光，表面积50％与热沉接触。
所述的第二热沉是L型结构，使得激光二极管发射激光正入射到所述的波导楔形镜。
在抽运光源中，所述抽运源采用激光二极管阵列。每个二极管阵列激光能发射最多200W的功率，频率1-20Hz可调，脉宽0-2ms可调。
在耦合光学系统中，所述波导楔形镜通过光学环氧胶与第一紫铜热沉连接,第一紫铜热沉通过隔热的聚酰亚胺与第二紫铜热沉固定，激光二极管通过第二紫铜热沉散热。
所述的抽运光经过波导楔形镜导光进入增益晶体中，抽运光在波导楔形镜侧面发生全反射实现光束整形后，耦合入增益晶体。
在增益晶体中，增益晶体轴向外表面镀上增透膜，增益晶体环形外表面采用毛面结构，便于吸收更多抽运光。
本发明的优点在于
1)能实现提高能量利用效率和保证光束质量。
2)本发明使用五向侧面抽运结构，对激光二极管和晶体分别温控，相较传统的三向侧面抽运结构更加复杂，但能量提取效率更高，在放大头中放大的光束质量越高。
3)合理的楔形镜尺寸使得抽运光与被放大信号光在晶体内模式匹配，实施难度较小。相比于现有的技术，本发明具有成本低廉，实用性强的优点。
附图说明
图1为本发明波导楔形镜整形抽运光的五向抽运放大器的结构示意图。
图中：1—棒状增益晶体、2—波导楔形镜、3—第一热沉、4—绝缘隔热材料、5—第二热沉、6—激光二极管阵列。
具体实施方式
下面结合实施案例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1为本发明波导楔形镜整形抽运光的五向抽运放大器的结构示意图，如图所示，包括棒状增益晶体1，五个波导楔形镜2、第一热沉3、激光二极管阵列6和第二热沉5；任意相邻两组等夹角(72°)环绕晶体放置，每组激光二极管通过附着的热沉散热。
从激光二极管阵列1发出抽运光，经过波导楔形镜2后进入增益晶体3；激光二极管阵列1发射最多200W的功率，频率1-10Hz可调，脉宽0-2ms可调。波导楔形镜尺寸特殊设计，满足信号光和抽运光模式匹配。增益晶体自吸收效应比较明显，需要较大的能量抽运密度。最终得到了和被放大信号光光束匹配的抽运光，且抽运光分布区域均匀。
本发明在实现传导冷却的前提下对波导楔形镜进行合理设计，对晶体和激光二级管分别控温，保证被放大信号光的能量提取效率和放大后激光光束的光束质量，具有结构简单、成本低廉的优点。
工作时,具体操作步骤如下：
激光二极管阵列发射抽运光输出波长为793nm，功率200W，脉宽1.5ms，重复频率1Hz的脉冲激光，波导楔形镜的X方向上长度22.2mm，Y方向入射口径和出射口径长度分别为1.6mm和1.2mm，z方向长度为8mm。增益晶体(Tm,Ho):YLF中Tm，Ho掺杂浓度分别为5％，0.5％。激光晶体端面镀上增透膜，增益晶体环形外表面采用毛面结构，便于抽运光吸收并抑制自激振荡/放大，获得基横模放大激光脉冲光束输出。
实验表明，由上述装置可以使抽运光与被放大信号光束匹配，相比于普通的侧面抽运设计，特殊设计波导楔形镜的五向侧面抽运放大头，其放大的激光脉冲能够保持较好的光束质量，并获得更高的抽运光能量利用率。

Claims (6)

1.一种波导楔形镜整形抽运光的五向抽运放大器，包括棒状增益晶体(1)，其特征在于，还包括五个波导楔形镜(2)、第一热沉(3)、激光二极管阵列(6)和第二热沉(5)；
所述的五个第一热沉(3)等间距的分布在所述的棒状增益晶体(1)的圆周上，并通过导热材料与第一热沉(3)接触，每个第一热沉(3)的同侧边均固定有所述的波导楔形镜(2)，且五个波导楔形镜(2)的光轴的延长线的交点与所述的棒状增益晶体(1)的中心重合；
所述的激光二极管阵列(6)输出抽运光垂直入射至所述的波导楔形镜(2)，该激光二极管阵列(6)固定在所述的第二热沉(5)上，且该第二热沉(5)通过绝缘隔热材料与第一热沉(3)固定连接；
所述的波导楔形镜(2)的尺寸是特殊设计，设楔形镜入射截面底L1，出射截面底L2，入射截面高h，满足
Figure FDA0003689051600000011
以保证被放大信号光和抽运光模式匹配。
2.根据权利要求1所述的波导楔形镜整形抽运光的五向抽运放大器，其特征在于，所述的波导楔形镜(2)的入射面和出射面均镀有增透膜。
3.根据权利要求1所述的波导楔形镜整形抽运光的五向抽运放大器，其特征在于，所述的第一热沉(3)和第二热沉(5)均采用紫铜，通过水冷方式控制温度。
4.根据权利要求1所述的波导楔形镜整形抽运光的五向抽运放大器，其特征在于，所述的绝缘隔热材料为聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚马来酰亚胺。
5.根据权利要求1所述的波导楔形镜整形抽运光的五向抽运放大器，其特征在于，所述的棒状增益晶体(1)的外侧面为毛面，一部分用于接收波导楔形镜导光，其余部分与第一热沉接触。
6.根据权利要求1所述的波导楔形镜整形抽运光的五向抽运放大器，其特征在于，所述的第二热沉(5)是L型结构，使得激光二极管发射激光正入射到所述的波导楔形镜。
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