CN113078534A - 一种基于复合结构增益介质的腔内级联泵浦激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于复合结构增益介质的腔内级联泵浦激光器。采用热键合技术，制备了一种包含中间增益介质和目标增益介质的复合结构增益介质，可单独构成封闭式腔内级联泵浦谐振腔。该一体式结构，使二级泵浦光完全约束在复合增益介质内部，二级泵浦光多次通过目标增益介质，被目标增益介质充分吸收，实现了较高的泵浦吸收效率和良好的泵浦均匀性。复合结构增益介质的热管理性能优异，可将增益介质内部的热沉积有效传递，利于获得高功率的激光输出。另外，该结构中泵浦光与输出激光非同向，避免了输出激光经过热效应严重的泵浦端面区域，进一步改善输出激光的光束质量。本发明还具有结构紧凑，可靠性高，光路简单且易调节的优势。

Description

一种基于复合结构增益介质的腔内级联泵浦激光器
技术领域
本发明涉及激光器领域，提出了一种基于复合结构增益介质的新型腔内级联泵浦激光器。该激光器基于使用扩散键合法制备的复合结构增益介质，热管理性能优异，具有结构紧凑、泵浦吸收效率高、泵浦均匀性好的特点，可获得高功率、高光束质量的激光输出。
背景技术
固体激光器(Solid-state Laser)在基础研究、材料加工制造、医疗、国防等领域具有广泛的应用前景。实现高功率、高光束质量激光输出的技术是当前国内外固体激光研究领域的重点之一。
对于某些特定波长(如紫外波段、中红外波段和THz波段)的输出，难以采用直接泵浦的方式获得目标波长激光输出，因此引入级联泵浦的技术手段。级联泵浦[1]是指在泵浦源发射波长与目标增益介质吸收谱不匹配的情况下，引入中间增益介质，首先对中间增益介质进行泵浦，产生的激光作为第二级泵浦光，泵浦产生目标波长激光的增益介质，通过两级泵浦最终实现目标波长的激光输出。
传统的级联泵浦[2]，其谐振腔由增益介质、聚焦透镜和腔镜组成。全反镜和输出镜与中间增益介质构成产生二级泵浦光λ1的谐振腔，一个输出镜和另一个输出镜与目标增益介质构成输出目标波长激光λ2的谐振腔。该结构中，二级泵浦光λ1被约束在整个谐振腔内，形成腔内级联泵浦，泵浦光λ1在腔内多次往返，被目标增益介质充分吸收，可实现高的泵浦吸收效率。但由于采用的是分立式元件，在造成结构复杂的同时，会带来更多的器件损耗；另外，传统的腔内级联泵浦结构为开放式结构，为实现腔内级联泵浦，需要泵浦光与目标输出激光同向，致使输出激光会通过热效应严重的泵浦光入射端面，极大地限制了输出激光的光束质量[3]。
本发明设计了一种基于复合结构增益介质的新型腔内级联泵浦激光器，以解决传统级联泵浦激光器存在的问题。采用热键合技术，制备了一种包含中间增益介质和目标增益介质的复合结构增益介质，可单独构成封闭式腔内级联泵浦谐振腔。该一体式结构，在减小器件损耗的同时提高了系统的可靠性，简化了腔内级联泵浦激光器结构，并且热管理性能优异，可实现高功率的激光输出；另外，该结构无需泵浦光与输出激光同向，避免了输出激光经过热效应严重的区域，进一步改善输出激光的光束质量。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于复合增益介质结构的新型腔内级联泵浦激光器，可实现高功率、高光束质量的激光输出。
本发明的新型腔内级联泵浦激光器包括：两个泵浦源、一块复合结构增益介质和铜热沉10。复合增益介质包裹铟箔，夹在铜热沉中间，两个泵浦源通过螺纹连接贴合铜热沉。复合增益介质由三块增益介质键合而成，三块增益介质分别为第一增益介质1、第二增益介质2、第三增益介质3；其中，第一增益介质1 和第三增益介质3为中间增益介质，第二增益介质2为低掺杂浓度的目标增益介质。第一增益介质1的左侧面、第三增益介质3的右侧面分别为一级泵浦光λ0的泵浦入射面A4和泵浦入射面B5，入射面A4和入射面B5上均镀有一级泵浦光λ0的增透膜以及二级泵浦光λ1的高反膜。第二增益介质2的下表面为目标激光输出腔面6，镀有波长λ2的耦合输出部分反射膜(可为半透半反膜)，第二增益介质2的上表面为目标激光振荡腔面7，镀有目标输出激光波长λ2的高反膜。
所述的复合结构增益介质中，第一增益介质1、第三增益介质3的发射光谱与第二增益介质2的吸收光谱相近，使得第一增益介质1语言第三增益介质3 产生的激光能够作为第二增益介质2的第二级泵浦光。
所述的新型腔内泵浦级联激光器中，泵浦源发出的一级泵浦光λ0，被第一增益介质1和3吸收，产生二级泵浦光λ1。由于复合增益介质的一体式结构，形成封闭式腔内级联泵浦，将二级泵浦光λ1完全约束在复合增益介质内部。二级泵浦光λ1在由泵浦入射面A4和泵浦入射面B5形成的谐振腔内振荡，多次往返通过第二增益介质2，被第二增益介质2充分均匀吸收。第二增益介质2产生的振荡光在目标激光输出腔面6与目标激光振荡腔面7构成的谐振腔内振荡，最终输出波长为λ2的目标激光，且标输出激光的方向与一、二级泵浦光的入射方向非同向。
所述的腔内级联泵浦激光器中，泵浦源采用闪光灯、LED或LD等。第一增益介质1、第三增益介质3采用Nd:YAG、Nd:GdVO4、Nd:glass、Nd:YLF、Er:YLF、 Er3+/Yb3+:glass、Tm:YAG、Tm:YLF、Cr:GSGG、Ce:YAG等输出波长短且吸收谱线较宽的激光材料；第二增益介质2则可以采用Nd:YVO4、Nd:YLF、Ho:YAG、 Ho:YLF、Er:YAG、Er:YALO3、Yb:YAG、Gr:KZnF3、翠绿宝石(Alexandrite) 等固体激光器常见的激光材料。
所述的新型腔内级联泵浦激光器中，复合结构增益介质的大面还可键合ASE 吸收材料11，以抑制ASE效应和寄生振荡，在脉冲以及连续的条件下均可工作。复合结构增益介质可采用多种形式和形状，如采用复合板条等不同形式的复合增益介质，如图3所示，第一增益介质1、第三增益介质3为同种中间增益介质，第二增益介质2为目标增益介质；复合增益介质的形状为长方体或正方体等。
所述的新型腔内级联泵浦激光器中，泵浦方式可采用双端泵浦或者单端泵浦。采用双端泵浦方式的新型腔内级联泵浦激光器，如图4所示。激光器由复合结构增益介质、第一泵浦源8、第二泵浦源9、铜热沉组成。在铜热沉中直通去离子水对复合增益介质实施大面冷却。复合结构增益介质由三块增益介质构成。
采用单端泵浦方式的新型腔内级联泵浦激光器，如图5所示。由两块增益介质构成的复合增益介质，泵浦源改为采用一个第一泵浦源8，泵浦方式改为采用单端泵浦。复合结构增益介质由第一增益介质1和第二增益介质2构成。复合增益介质的泵浦入射面A4镀有λ0波长增透膜以及λ1波长高反膜，泵浦入射面B5 仅镀有λ1波长高反膜，作为二级泵浦光的振荡腔面，同时目标激光输出腔面6镀有λ2波长的耦合输出部分反射膜(可为半透半反膜)，目标激光振荡腔面7镀有λ2波长高反膜。第一级泵浦光λ0被第一增益介质1吸收，产生的二级泵浦光λ1在泵浦入射面A4和泵浦入射面B5构成的腔内振荡，多次经过低掺杂浓度的第二增益介质2，被充分、均匀吸收，实现了良好的泵浦均匀性与较高的泵浦吸收效率。第二增益介质2产生的λ2振荡光在目标激光输出腔面6与目标激光振荡腔面 7构成的谐振腔内振荡，最终输出波长为λ2的目标激光，且标输出激光的方向与一级泵浦光、二级泵浦光的入射方向非同向，输出激光的光束质量优异。
本发明设计了基于复合结构增益介质的新型腔内级联泵浦激光器，实现了对传统级联泵浦激光器的改进，具有以下特点：
1、采用热键合技术，制备了一种包含中间增益介质和目标增益介质的复合结构增益介质。该一体式谐振腔结构，实现了封闭式腔内级联泵浦，将二级泵浦光完全约束在复合增益介质内部，泵浦吸收效率高、泵浦均匀性良好，目标输出激光λ2的光束质量好。泵浦光与输出激光非同向，避免了输出激光经过热效应严重的泵浦端面，进一步改善输出激光的光束质量。
2、采用键合技术制备的复合结构增益介质，可有效传递增益介质内部的热沉积，热管理性能优异；对复合增益介质贴合通冷却液的铜热沉并实施大面冷却，改善了增益介质的温度梯度，缓解了热透镜效应，可实现高功率的激光输出。
3、复合结构增益介质的目标增益介质采用低掺杂浓度晶体，利于提高泵浦均匀性；
4、复合结构增益介质的大面可键合ASE吸收材料，以有效抑制ASE效应，在连续和脉冲条件下均可工作。
5、采用不同种类的泵浦源(如闪光灯、LED、半导体泵浦等)，有利于降低成本。可通过更换不同种类的复合结构增益介质，获得不同波长的激光输出。
此外，本发明利用复合结构增益介质，使激光器结构简单且紧凑，可靠性高，光路易调节。本发明所述方法可实现高光束质量、高功率的激光输出的目标。
附图说明
图1为实施大面冷却的复合结构增益介质示意图，a为立体结构图，b为俯视图。
图2为大面键合ASE吸收层的复合结构增益介质示意图。
图3为以复合板条为例的其他形式复合增益介质的示意图。
图4为采用双端泵浦的新型腔内级联泵浦激光器的结构示意图。
图5为采用单端泵浦的新型腔内级联泵浦激光器的结构示意图。
图6为Er3+/Yb3+:Glass、Er:YAG复合增益介质，采用双端泵浦的新型腔内级联泵浦激光器示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员能更好的理解本发明中的技术方案，下面将结合实例针对具有上述结构以及由上述结构变形的新型腔内级联泵浦激光器，对本发明结进行进一步说明：
一种以Er:YAG和Er3+/Yb3+:Glass为复合结构增益介质，采用双端泵浦方式的新型腔内级联泵浦激光器，如图6所示。激光器由复合结构增益介质，两个泵浦源，铜热沉三个部分组成。在铜热沉中直通去离子水对复合增益介质实施大面冷却。
复合结构增益介质中，第一增益介质1和3为高掺杂浓度的Er3+/Yb3+:glass，第二增益介质2为低掺杂浓度的Er:YAG晶体。泵浦入射面A4和B5均镀有976nm 增透膜与1.53μm全反膜，目标激光输出腔面6镀有1.64μm耦合输出部分反射膜(可为半透半反膜)，目标激光振荡腔面7镀有1.64μm高反膜。
泵浦源8和9为两个976nm半导体泵浦源，产生的976nm泵浦光作为一级泵浦光λ0泵浦Er3+/Yb3+:glass。半导体泵浦源发出的976nm激光被高掺杂浓度的 Er3+/Yb3+:Glass充分吸收，由4I13/2能级向4I15/2能级跃迁产生1.53μm波长激光作为二级泵浦光λ1。该一体式谐振腔结构，实现了封闭式腔内级联泵浦，将1.53μm 波长的二级泵浦光完全约束在复合增益介质内部，在泵浦入射面A4和泵浦入射面B5构成的腔内多次往返。增益介质2的Er:YAG晶体将1.53μm波长的二级泵浦光充分、均匀吸收，产生的振荡光在目标激光输出腔面6与目标激光振荡腔面 7形成的腔内振荡，由目标激光输出腔面6输出1.64μm激光，且输出激光的光束质量良好。
本发明提供一种基于复合结构增益介质的新型腔内级联泵浦激光器，激光器的结构稳定紧凑，可靠性高，光路易调节。采用热键合技术制备的复合结构增益介质，改善了热管理水平，利于实现高功率的激光输出。采用复合结构增益介质，构成封闭式腔内级联泵浦谐振腔，将二级泵浦光完全约束在复合增益介质内部，多次往返通过目标增益介质，获得了良好的泵浦均匀性和较高的泵浦吸收效率。此外，该结构中泵浦光与输出激光非同向，避免了输出激光经过热效应严重的泵浦端面，进一步改善输出激光的光束质量。
以上对本发明所提供的一种新型腔内级联泵浦激光器进行了详细介绍，并对本发明的原理及实施方式进行了阐述，上述说明只是用于帮助理解本发明的方法。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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求保护范围内。参考文献:
[1]Stoneman R C,Esterowitz L.Intracavity-pumped 2.09-μm Ho:YAG laser[J].Optics Letters, 1992,17(10).
[2]E.Herault,F.Balembois,P.Georges,et al.1064nm Nd:YVO 4laserintracavity pumped at 912nm and sum-frequency mixing for an emission at 491nm[J].Optics Letters,2008,33(14): 1632-1634.
[3].Wang,K.,et al.,7kW direct-liquid-cooled side-pumped Nd:YAG multi-disk laser resonator. Optics Express,2016.24(13):p.15012。

Claims (7)

1.一种基于复合结构增益介质的腔内级联泵浦激光器，其特征在于：包括两个泵浦源、一块复合结构增益介质和铜热沉(10)；复合增益介质包裹铟箔，夹在铜热沉中间，两个泵浦源通过螺纹连接贴合铜热沉；复合增益介质由三块增益介质键合而成，三块增益介质分别为第一增益介质(1)、第二增益介质(2)、第三增益介质(3)；其中，第一增益介质(1)和第三增益介质(3)为中间增益介质，第二增益介质(2)为低掺杂浓度的目标增益介质；第一增益介质(1)的左侧面、第三增益介质(3)的右侧面分别为一级泵浦光λ0的泵浦入射面A(4)和泵浦入射面B(5)，泵浦入射面A(4)和泵浦入射面B(5)上均镀有一级泵浦光λ0的增透膜以及二级泵浦光λ1的高反膜；第二增益介质(2)的下表面为目标激光输出腔面(6)，镀有波长λ2的耦合输出部分反射膜或半透半反膜，第二增益介质(2)的上表面为目标激光振荡腔面(7)，镀有目标输出激光波长λ2的高反膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合结构增益介质的腔内级联泵浦激光器，其特征在于：所述的复合结构增益介质中，第一增益介质(1)、第三增益介质(3)的发射光谱与第二增益介质(2)的吸收光谱相近，使得第一增益介质(1)语言第三增益介质(3)产生的激光能够作为第二增益介质(2)的第二级泵浦光。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合结构增益介质的腔内级联泵浦激光器，其特征在于：所述的腔内泵浦级联激光器中，泵浦源发出的一级泵浦光λ0，被第一增益介质(1)和第三增益介质(3)吸收，产生二级泵浦光λ1；由于复合增益介质的一体式结构，形成封闭式腔内级联泵浦，将二级泵浦光λ1完全约束在复合增益介质内部；二级泵浦光λ1在由泵浦入射面A(4)和泵浦入射面B(5)形成的谐振腔内振荡，多次往返通过第二增益介质(2)，被第二增益介质(2)充分均匀吸收；第二增益介质(2)产生的振荡光在目标激光输出腔面(6)与目标激光振荡腔面(7)构成的谐振腔内振荡，最终输出波长为λ2的目标激光，且标输出激光的方向与一、二级泵浦光的入射方向非同向。
4.根据权利要求1所述的一种基于复合结构增益介质的腔内级联泵浦激光器，其特征在于：所述的腔内级联泵浦激光器中，泵浦源采用闪光灯、LED或LD；第一增益介质(1)、第三增益介质(3)采用Nd:YAG、Nd:GdVO4、Nd:glass、Nd:YLF、Er:YLF、Er3+/Yb3+:glass、Tm:YAG、Tm:YLF、Cr:GSGG、Ce:YAG等输出波长短且吸收谱线较宽的激光材料；第二增益介质(2)则采用Nd:YVO4、Nd:YLF、Ho:YAG、Ho:YLF、Er:YAG、Er:YALO3、Yb:YAG、Gr:KZnF3、翠绿宝石固体激光器。
5.根据权利要求1所述的一种基于复合结构增益介质的腔内级联泵浦激光器，其特征在于：复合结构增益介质的大面还能够键合ASE吸收材料(11)；复合结构增益介质采用复合板条，第一增益介质(1)、第三增益介质(3)为同种中间增益介质，第二增益介质(2)为目标增益介质；复合增益介质的形状为长方体或正方体。
6.根据权利要求1所述的一种基于复合结构增益介质的腔内级联泵浦激光器，其特征在于：泵浦方式采用双端泵浦或者单端泵浦；采用双端泵浦方式的腔内级联泵浦激光器；激光器由复合结构增益介质、第一泵浦源(8)、第二泵浦源(9)、铜热沉组成；在铜热沉中直通去离子水对复合增益介质实施大面冷却；复合结构增益介质由三块增益介质构成。
7.一种基于复合结构增益介质的腔内级联泵浦激光器，其特征在于：采用单端泵浦方式的腔内级联泵浦激光器，由两块增益介质构成的复合增益介质，泵浦源改为采用一个第一泵浦源(8)，泵浦方式改为采用单端泵浦；复合结构增益介质由第一增益介质(1)和第二增益介质(2)构成；复合增益介质的泵浦入射面A(4)镀有λ0波长增透膜以及λ1波长高反膜，泵浦入射面B(5)仅镀有λ1波长高反膜，作为二级泵浦光的振荡腔面，同时目标激光输出腔面(6)镀有λ2波长的耦合输出部分反射膜或为半透半反膜，目标激光振荡腔面(7)镀有λ2波长高反膜；第一级泵浦光λ0被第一增益介质(1)吸收，产生的二级泵浦光λ1在泵浦入射面A4和泵浦入射面B5构成的腔内振荡，多次经过低掺杂浓度的第二增益介质(2)，被充分、均匀吸收，实现了良好的泵浦均匀性与较高的泵浦吸收效率；第二增益介质(2)产生的λ2振荡光在目标激光输出腔面(6)与目标激光振荡腔面(7)构成的谐振腔内振荡，最终输出波长为λ2的目标激光，且标输出激光的方向与一级泵浦光、二级泵浦光的入射方向非同向。
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