CN113328329A - 一种基于双波长合束单端泵浦的Yb:YAG激光放大器 - Google Patents

一种基于双波长合束单端泵浦的Yb:YAG激光放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于双波长合束单端泵浦的Yb:YAG激光放大器，包括沿光路依次设置的940nm半导体激光器、第一泵浦耦合透镜、第二泵浦耦合透镜、第一双色镜、969nm半导体激光器、第三泵浦耦合透镜、第四泵浦耦合透镜、第一反射镜、第二双色镜、Yb:YAG晶体、第三双色镜以及种子光源。本发明通过采用940nm和969nm双波长合束的方式，将两个高亮度半导体激光器的输出激光在空间中合成为一束，然后作为泵浦激光耦合进入Yb:YAG晶体当中。本发明充分利用了Yb:YAG晶体的双波长吸收特性，从而在同等激光亮度下提供了两倍的单端泵浦功率。

Description

一种基于双波长合束单端泵浦的Yb:YAG激光放大器
技术领域
本发明涉及一种基于双波长合束单端泵浦的Yb:YAG激光放大器，属于激光放大器技术领域。
背景技术
掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)晶体具有非常优异的物理和光学特性，如高热导率、低非线性、高损伤阈值等，从而被广泛用作1.03μm激光放大器的增益介质。目前，根据Yb:YAG晶体的几何形态进行划分，典型的放大器结构主要包括：棒状晶体放大器、晶体光纤放大器、板条放大器、薄片放大器等几种形式。从泵浦结构来看，则通常以端面泵浦和侧面泵浦结构为主。其中，端面泵浦结构放大器的效率非常依赖于泵浦激光的亮度，不同于Nd:YAG晶体，Yb:YAG晶体属于准三能级结构，因此对泵浦光亮度要求更高。目前Yb:YAG激光放大器的泵浦光源主要以光纤耦合输出的半导体激光器为主，其显著特征是亮度比较低。以典型的功率为100W量级、波长为940nm的半导体激光器为例，其耦合输出光纤的纤芯数值孔径(NA)为0.15，纤芯直径为105μm，输出激光的光束质量因子M2接近26。此外，如果功率进一步提高，其耦合输出光纤的芯径和数值孔径均会增大，对应输出激光的亮度则进一步降低。
为了提高端面泵浦结构放大器的效率，通常需要选择高亮度的半导体激光器作为泵浦光源。但是目前高亮度半导体激光器提供的泵浦功率是非常有限的，难以满足高功率激光放大器的要求。采用双端泵浦结构可以在同样的亮度下提供两倍的泵浦功率，从而成为一种有效的泵浦方案。然而，从光路传播来看，双端泵浦结构的泵浦耦合透镜会形成一组对称的成像系统，即一端半导体激光器输出的泵浦光会经过耦合透镜进入另一端半导体激光器的光纤当中。由于晶体的泵浦吸收效率是有限的，在高功率下两端均会产生较多的剩余泵浦功率，从而会对半导体激光器内部或输出光纤造成不可逆的光损伤，进而带来较大的经济损失。此外，当晶体的的尺寸较长时，如Yb:YAG单晶光纤(晶体长度通常大于30mm)，双端泵浦光源各自在晶体中形成的热透镜在空间上不能完全重合，这对于热透镜补偿、空间光路调整以及信号光的光束质量均存在一定的影响。
Yb:YAG晶体主要有两个光谱吸收峰，一个在940nm附近，另一个在969nm附近。然而，目前已知报道的Yb:YAG激光放大器均采用单一波长泵浦方案。虽然文献OpticsLetters 41.8(2016):1853-1856.在969nm泵浦的薄片放大器中同时引入了部分940nm的泵浦激光，但其目的是为了频率梳的载波包络稳定，而非基于泵浦功率和泵浦亮度的考虑。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于双波长合束单端泵浦的Yb:YAG激光放大器。本发明通过采用940nm和969nm双波长合束的方式，将两个高亮度半导体激光器的输出激光在空间中合成为一束，然后作为泵浦激光耦合进入Yb:YAG晶体当中。本发明充分利用了Yb:YAG晶体的双波长吸收特性，从而在同等激光亮度下提供了两倍的单端泵浦功率。
术语解释：
1.Yb:YAG：掺镱钇铝石榴石。
本发明的技术方案为：
一种基于双波长合束单端泵浦的Yb:YAG激光放大器，该激光放大器包括种子光源和双波长合束单端泵浦结构；
所述双波长合束单端泵浦结构包括沿光路依次设置的940nm半导体激光器、第一泵浦耦合透镜、第二泵浦耦合透镜、第一双色镜、第二双色镜、Yb:YAG晶体、第三双色镜；
第一双色镜的一侧沿光路还依次设置有969nm半导体激光器、第三泵浦耦合透镜、第四泵浦耦合透镜和第一反射镜；
940nm半导体激光器输出的泵浦光首先经过第一泵浦耦合透镜和第二泵浦耦合透镜进行光束调整，然后940nm泵浦光入射到第一双色镜；969nm半导体激光器输出的泵浦光首先经过第三泵浦耦合透镜和第四泵浦耦合透镜进行光束调整，然后969nm泵浦光经过第一反射镜入射到第一双色镜；在第一双色镜中969nm泵浦光与940nm泵浦光在空间合成为一束泵浦光，合束后的泵浦光透过第二双色镜进入Yb:YAG晶体当中，未被Yb:YAG晶体吸收的剩余969nm和940nm泵浦光则透过第三双色镜后输出激光放大器；
所述种子光源输出的信号光经过第二双色镜被反射进入Yb:YAG晶体当中，信号光在Yb:YAG晶体中放大之后经过第三双色镜反射输出激光放大器，最终实现信号光的放大；所述种子光源输出信号光的中心波长为1030nm。
根据本发明优选的，所述第一双色镜对940nm波长高透，透过率大于98％，同时对969nm波长高反，反射率大于99％；
进一步优选的，所述第一双色镜对940nm波长45°高透，透过率大于98％，同时对969nm波长45°高反，反射率大于99％。
所述45°高透，即入射光与双色镜法线的夹角为45°时，对该入射光具有高透过率；
所述45°高反，即入射光与双色镜(或反射镜)法线的夹角为45°时，对该入射光具有高反射率。
根据本发明优选的，第二双色镜对940～969nm波长高透，透过率大于98％；且对1030nm波长高反，反射率大于99％；
进一步优选的，第二双色镜对940～969nm波长45°高透，透过率大于98％；且对1030nm波长45°高反，反射率大于99％；
根据本发明优选的，第三双色镜对940～969nm波长高透，透过率大于98％；且对1030nm波长高反，反射率大于99％；
进一步优选的，第三双色镜对940～969nm波长45°高透，透过率大于98％；且对1030nm波长45°高反，反射率大于99％。
本领域专业人员可根据具体的镀膜工艺和实验需求选择其他激光入射角度(如22.5°)，但均属于本专利的保护范围。
根据本发明优选的，所述第一反射镜对969nm波长高反，反射率大于99％；
进一步优选的，所述第一反射镜对969nm波长45°高反，反射率大于99％。
根据本发明优选的，所述940nm半导体激光器的耦合输出光纤芯径为105/125μm，纤芯数值孔径NA为0.15；
所述969nm半导体激光器的耦合输出光纤芯径为105/125μm，纤芯数值孔径NA为0.15。
根据本发明优选的，所述第一泵浦耦合透镜、第二泵浦耦合透镜、第三泵浦耦合透镜、第四泵浦耦合透镜均为非球面透镜。
根据本发明优选的，所述Yb:YAG晶体为块状Yb:YAG晶体、细棒状Yb:YAG晶体以及Yb:YAG晶体光纤中任一种；
进一步优选的，细棒状Yb:YAG晶体的直径大于1.0mm，晶体长度为20～50mm，Yb3+离子掺杂浓度为0.5～2.0at.％；
进一步优选的，所述Yb:YAG晶体光纤的直径小于等于1.0mm，晶体光纤长度为30～50mm，Yb3+离子掺杂浓度为0.5～2.0at.％。
根据本发明优选的，所述种子光源输出信号光为连续激光、准连续激光或超短脉冲激光中任一种。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过采用940nm和969nm双波长合束的方式，将两个高亮度半导体激光器的输出激光在空间中合成为一束，然后作为泵浦激光耦合进入Yb:YAG晶体当中。本发明充分利用了Yb:YAG晶体的双波长吸收特性，从而在同等激光亮度下提供了两倍的单端泵浦功率。
2、Yb:YAG晶体在940nm附近具有较大的吸收带宽，对泵浦激光的波长稳定性要求相对较低，但是相较于969nm具有更大的量子亏损；相比之下，Yb:YAG晶体在969nm的吸收带宽较窄，但是969nm处于Yb:YAG晶体的零声子吸收线宽内，由量子亏损带来的热效应相较于940nm泵浦降低了超过30％。本发明充分利用了Yb:YAG晶体的两个光谱吸收峰，从而有效结合了940nm和969nm两个波长的泵浦优势，在相同的泵浦功率和泵浦亮度下实现了降低热效应、降低成本以及提高安全性等方面的提升。
3、本发明提供的双波长单端泵浦结构在Yb:YAG晶体中只产生一个热透镜，而双端泵浦结构会同时产生两个热透镜。单一的热透镜效应会显著降低光路的调整难度，且有利于获得高光束质量的信号光输出。
附图说明
图1为本发明所述基于双波长合束单端泵浦的Yb:YAG激光放大器结构示意图。
图2为本发明所述实施例1得到的信号光功率与泵浦功率的变化关系。
图3为本发明所述实施例1得到的信号光M2因子。
图4为本发明所述实施例1得到的信号光光斑分布。
图5为本发明所述实施例1得到的信号光输出光谱。
1、940nm半导体激光器，2、第一泵浦耦合透镜，3、第二泵浦耦合透镜，4、第一双色镜，5、969nm半导体激光器，6、第三泵浦耦合透镜，7、第四泵浦耦合透镜，8、第一反射镜，9、第二双色镜，10、Yb:YAG晶体，11、第三双色镜，12、种子光源。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种基于双波长合束单端泵浦的Yb:YAG激光放大器，如图1所示，该激光放大器包括种子光源12和双波长合束单端泵浦结构；
双波长合束单端泵浦结构包括沿光路依次设置的940nm半导体激光器1、第一泵浦耦合透镜2、第二泵浦耦合透镜3、第一双色镜4、第二双色镜9、Yb:YAG晶体10、以及第三双色镜11；
第一双色镜4的一侧沿光路还依次设置有969nm半导体激光器5、第三泵浦耦合透镜6、第四泵浦耦合透镜7和第一反射镜8；
940nm半导体激光器输出的泵浦光首先经过第一泵浦耦合透镜2和第二泵浦耦合透镜3进行光束调整，然后940nm泵浦光入射到第一双色镜4；969nm半导体激光器输出的泵浦光首先经过第三泵浦耦合透镜6和第四泵浦耦合透镜7进行光束调整，然后969nm泵浦光经过第一反射镜8入射到第一双色镜4；在第一双色镜4中969nm泵浦光与940nm泵浦光在空间合成为一束泵浦光，合束后的泵浦光透过第二双色镜9进入Yb:YAG晶体10当中，未被Yb:YAG晶体10吸收的剩余969nm和940nm泵浦光则透过第三双色镜11后输出激光放大器；
种子光源12输出的信号光经过第二双色镜9被反射进入Yb:YAG晶体10当中，信号光在Yb:YAG晶体10中放大之后经过第三双色镜11反射输出激光放大器，最终实现信号光的放大；种子光源12输出信号光的中心波长为1030nm。
940nm半导体激光器1的耦合输出光纤芯径为105/125μm，纤芯数值孔径NA为0.15，最大输出功率为130W；
969nm半导体激光器5的耦合输出光纤芯径为105/125μm，纤芯数值孔径NA为0.15，最大输出功率为150W。
由上述可知，本发明基于双波长合束单端泵浦结构的Yb:YAG激光放大器，其提供的单端泵浦功率最高可以达到280W；而在相同的泵浦激光亮度下，现有的基于单波长单端泵浦结构的Yb:YAG激光放大器的泵浦功率通常低于150W；因此，本发明提供的基于双波长单端泵浦结构的Yb:YAG激光放大器的泵浦功率和泵浦亮度显著提高，性能更好。
第一泵浦耦合透镜2为非球面透镜，焦距为11mm；
第二泵浦耦合透镜3为非球面透镜，焦距为50mm；
第三泵浦耦合透镜6为非球面透镜，焦距为11mm；
第四泵浦耦合透镜7为非球面透镜，焦距为50mm；
第一双色镜4对940nm波长45°高透，透过率大于98％；对969nm波长45°高反，反射率大于99％；
第二双色镜9对940～969nm波长45°高透，透过率大于98％；对1030nm波长45°高反，反射率大于99％；
第三双色镜11对940～969nm波长45°高透，透过率大于98％；对1030nm波长45°高反，反射率大于99％；
第一反射镜8对969nm波长45°高反，反射率大于99％；
45°高透，即入射光与双色镜法线的夹角为45°时，对该入射光具有高透过率；
45°高反，即入射光与双色镜(或反射镜)法线的夹角为45°时，对该入射光具有高反射率；
Yb:YAG晶体10为细棒状结构，直径为2mm，长度为30mm，Yb3+离子掺杂浓度为1at.％；
种子光源12的中心波长为1030nm，脉冲重复频率为1MHz，脉冲宽度为1ns，输出功率为100W；
对本实施例提供的激光放大器的性能进行测定，激光放大器输出的信号光的功率与泵浦功率的变化关系如图2所示，横坐标为940nm半导体激光器1和969nm半导体激光器5的总泵浦功率，单位为W；纵坐标为1030nm信号光功率，单位为W；当总泵浦功率为280W(即940nm半导体激光器1的输出功率为130W以及969nm半导体激光器5的输出功率为150W)时，得到信号光的最大平均输出功率为217W，对应斜效率为49％。
图3为本实施例在信号光输出功率200W时，通过光束质量分析仪测得的M2因子。其中，
Figure BDA0003091565230000061
(
Figure BDA0003091565230000062
表示X方向的M2因子)，
Figure BDA0003091565230000063
(
Figure BDA0003091565230000064
表示Y方向的M2因子)，光束质量良好。
图4为本实施例1得到信号光光斑形状(对应信号光功率为217W)，光斑分布均匀，保持良好的高斯分布。
图5为本实施例1得到的信号光光谱(对应信号光功率为217W)，中心波长为1030nm，光谱的半高全宽(FWHM)接近2nm。

Claims (8)

1.一种基于双波长合束单端泵浦的Yb:YAG激光放大器，其特征在于，该激光放大器包括种子光源和双波长合束单端泵浦结构；
所述双波长合束单端泵浦结构包括沿光路依次设置的940nm半导体激光器、第一泵浦耦合透镜、第二泵浦耦合透镜、第一双色镜、第二双色镜、Yb:YAG晶体、第三双色镜；
第一双色镜的一侧沿光路还依次设置有969nm半导体激光器、第三泵浦耦合透镜、第四泵浦耦合透镜和第一反射镜；
940nm半导体激光器输出的泵浦光首先经过第一泵浦耦合透镜和第二泵浦耦合透镜进行光束调整，然后940nm泵浦光入射到第一双色镜；969nm半导体激光器输出的泵浦光首先经过第三泵浦耦合透镜和第四泵浦耦合透镜进行光束调整，然后969nm泵浦光经过第一反射镜入射到第一双色镜；在第一双色镜中969nm泵浦光与940nm泵浦光在空间合成为一束泵浦光，合束后的泵浦光透过第二双色镜进入Yb:YAG晶体当中，未被Yb:YAG晶体吸收的剩余969nm和940nm泵浦光则透过第三双色镜后输出激光放大器；
所述种子光源输出的信号光经过第二双色镜被反射进入Yb:YAG晶体当中，信号光在Yb:YAG晶体中放大之后经过第三双色镜反射输出激光放大器，最终实现信号光的放大；所述种子光源输出信号光的中心波长为1030nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于双波长合束单端泵浦的Yb:YAG激光放大器，其特征在于，所述第一双色镜对940nm波长高透，透过率大于98％，同时对969nm波长高反，反射率大于99％；
进一步优选的，所述第一双色镜对940nm波长45°高透，透过率大于98％，同时对969nm波长45°高反，反射率大于99％。
3.根据权利要求1所述的一种基于双波长合束单端泵浦的Yb:YAG激光放大器，其特征在于，第二双色镜对940～969nm波长高透，透过率大于98％；且对1030nm波长高反，反射率大于99％；
第三双色镜对940～969nm波长高透，透过率大于98％；且对1030nm波长高反，反射率大于99％；
进一步优选的，第二双色镜对940～969nm波长45°高透，透过率大于98％；且对1030nm波长45°高反，反射率大于99％；
第三双色镜对940～969nm波长45°高透，透过率大于98％；且对1030nm波长45°高反，反射率大于99％。
4.根据权利要求1所述的一种基于双波长合束单端泵浦的Yb:YAG激光放大器，其特征在于，所述第一反射镜对969nm波长高反，反射率大于99％；
进一步优选的，所述第一反射镜对969nm波长45°高反，反射率大于99％。
5.根据权利要求1所述的一种基于双波长合束单端泵浦的Yb:YAG激光放大器，其特征在于，所述940nm半导体激光器的耦合输出光纤芯径为105/125μm，纤芯数值孔径NA为0.15；
所述969nm半导体激光器的耦合输出光纤芯径为105/125μm，纤芯数值孔径NA为0.15。
6.根据权利要求1所述的一种基于双波长合束单端泵浦的Yb:YAG激光放大器，其特征在于，所述第一泵浦耦合透镜、第二泵浦耦合透镜、第三泵浦耦合透镜、第四泵浦耦合透镜均为非球面透镜。
7.根据权利要求1所述的一种基于双波长合束单端泵浦的Yb:YAG激光放大器，其特征在于，所述Yb:YAG晶体为块状Yb:YAG晶体、细棒状Yb:YAG晶体以及Yb:YAG晶体光纤中任一种；
进一步优选的，细棒状Yb:YAG晶体的直径大于1.0mm，晶体长度为20～50mm，Yb3+离子掺杂浓度为0.5～2.0at.％；
进一步优选的，所述Yb:YAG晶体光纤的直径小于等于1.0mm，晶体光纤长度为30～50mm，Yb3+离子掺杂浓度为0.5～2.0at.％。
8.根据权利要求1所述的一种基于双波长合束单端泵浦的Yb:YAG激光放大器，其特征在于，所述种子光源输出信号光为连续激光、准连续激光或超短脉冲激光中任一种。
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