CN113572001A - 一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调q激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于掺杂浓度渐变晶体的端面泵浦调Q激光器，其中，激光工作物质的掺杂浓度沿光传输方向呈指数式增长，且泵浦光入射面即泵浦端面为低浓度端，非泵浦光入射面为高低浓度端；所述激光工作物质为掺Nd³⁺晶体；激光谐振腔为L型折叠腔，折叠角为90°；根据激光工作物质的热透镜效应的热焦距值以及激光谐振腔的结构，设计平凸全反镜的曲率半径和输出腔镜的曲率半径；本发明使得泵浦光和热量在激光工作物质中的分布更加的均匀，减小了热透镜效应，提高了激光输出功率，均匀性稳定性更好，提高了激光转换效率，改善了输出激光的光束质量。

Description

一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调Q激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其是一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调Q激光器。

背景技术

不同于灯泵和半导体侧泵，端面泵浦易于实现泵浦光与激光腔内振荡光间的模式匹配，具有激光阈值低、结构紧凑、斜效率高、光束质量好等优点，端面泵浦为更适合用于产生高重复频率激光的泵浦方式。由于量子亏损、无辐射跃迁等因素存在，吸收的部分泵浦光将转变为热量出现在激光工作物质中，激光工作物质置于热沉中冷却，就会产生较大的热梯度，从而出现热透镜效应，泵浦光在晶体中传播时，激光强度呈现指数式衰减，导致激光工作物质的中后部分吸收很少，因此在轴向即光传输方向上形成了很大的热梯度。端面泵浦中，增益介质产生的巨大热效应，是限制了激光输出功率的提升主要因素，在端面泵浦中，不均匀泵浦导致产生巨大的热梯度分布，引起的严重的热透镜效应使得谐振腔内光束聚焦，有效模体积减小，并且使输出光斑变小，发散角变大。

现有技术中存在一些技术方案能够在一定程度上减小了热效应，但其本身也具有一些不可忽视的缺点，例如，

采用低浓度晶体、双端泵浦的方式有助于平衡热梯度的分布。但是，低浓度晶体对泵浦光吸收效率较低，造成大功率泵浦光源的浪费，光光转换效率低，另外，双端泵浦方式的系统结构复杂，且在非偏振隔离系统中，泵浦光源受到较大且未被吸收的泵浦光照射时可能会导致其损坏。

采用传统均匀掺杂的高浓度晶体，有利于泵浦光的吸收，容易获得较大功率的激光输出和较高的转换效率，但是过高浓度工作物质又会产生严重的热效应甚至出现浓度淬灭的现象，阻碍了激光效率的提升。

采用不同浓度的多块晶体键合到一起作为激光工作物质，可以很有效地减少热量的产生，实现高功率的激光输出。将多块不同浓度的晶体键合用作增益介质时，由于前端的激活离子浓度低，交叉松弛的影响较小，未被前端低浓度晶体吸收的泵浦光可以被其后面的高浓度晶体强烈吸收，浓度不断增大的键合晶体有利于提高泵浦光的利用率。但是，键合的晶体也存在一些缺点，复杂的结构使其加工周期长、价格昂贵，在不同浓度的界面容易产生晶界和浓度阶梯，不同浓度段中的激光吸收率跳跃比较大，各段晶体内的泵浦一致性有着明显的差别，这些都影响其激光振荡特性。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调Q激光器，使得泵浦光和热量在激光工作物质中的分布更加的均匀，减小了热透镜效应带来的影响，提高了激光转换效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调Q激光器，包括：泵浦光源、聚焦耦合系统、激光工作物质、激光谐振腔；

激光工作物质的掺杂浓度沿泵浦光传输方向呈指数式增长，且泵浦光入射面即泵浦端面为低浓度端，泵浦光出射面即非泵浦光入射面为高低浓度端。

所述激光工作物质的掺杂浓度具体如下所示：

其中，l为激光工作物质中的泵浦光的入射长度；n(l)为激光工作物质中的泵浦光的入射长度为l处的掺Nd³⁺浓度；a、b、c均为系数，0.01≤a≤0.5，10≤b≤25，0.1≤c≤1.0。

所述激光工作物质为掺Nd³⁺晶体，基底材料为YAG、YV04、GGG、YAP中的任意一种。

激光谐振腔由45°分光镜、激光工作物质、平凸全反镜、起偏器、调Q晶体、输出腔镜构成；

其中，泵浦光源输出的泵浦光经聚焦耦合系统聚焦后，通过45°分光镜进入激光工作物质中，激光工作物质的输出光通过平凸全反镜反射回激光工作物质中，并通过45°分光镜射入起偏器中，起偏器的输出光射入调Q晶体，调Q晶体的输出光通过输出腔镜输出。

激光谐振腔为L型折叠腔，折叠角为90°。

平凸全反镜的曲率半径R₁和输出腔镜的曲率半径R₂满足：

G₁×G₂＝1；

其中，L₁表示激光工作物质的中心至平凸全反镜的中心之间的距离；L₂表示激光工作物质的中心至输出腔镜的中心之间的距离；f表示激光工作物质的热焦距值。

起偏器采用格兰棱镜、偏振分束器PBS或者介质膜起偏器。

调Q晶体采用电光晶体或声光晶体或被动调Q晶体。

聚焦耦合系统由沿光传输方向依次设置的准直平凸镜、聚焦平凸镜构成。

本发明的优点在于：

(1)本发明的激光工作物质的掺杂浓度沿光传输方向呈指数式增长，使激光工作物质的中后部分浓度增长很快，浓度较高，因此可以对未被前端部分吸收的泵浦光进行强烈的吸收，并产生热量，进而大大减小了其轴向的热梯度分布，使得泵浦光和热量在激光工作物质中沿光传输方向分布的更加的均匀，平衡了温度梯度分布，使得轴向温度梯度更小，减小了热透镜效应，进而提高了激光输出功率，均匀性稳定性更好，既减小了热透镜效应带来的影响，又极大提高了激光转换效率。

(2)本发明根据Nd³⁺对泵浦光的吸收特性，设计合适的浓度变化范围，使得激光工作物质中的掺Nd³⁺浓度与其对泵浦光的吸收效率成线性正相关，浓度越高，其吸收效率越高，以获得泵浦光在工作物质中更均匀的分布。

(3)本发明的激光谐振腔为L型折叠腔，折叠角为90°，能够避免光反射回泵浦光源中，以及避免了因折叠带来的色散等影响，具有更强的横模鉴别能力，对产生的热透镜效应具有很好的补偿作用。

(4)本发明根据激光工作物质的热透镜效应的热焦距值以及激光谐振腔的结构，设计平凸全反镜的曲率半径和输出腔镜的曲率半径，进而补偿热透镜效应带来的影响，进一步提升了调Q激光的输出效率，并且极大的改善了输出激光的光束质量。

(5)本发明的起偏器采用格兰棱镜、偏振分束器PBS或者介质膜起偏器，具体可根据偏振度要求选择。

(6)本发明可根据所需激光的参数要求，选择合适的调Q方式。

附图说明

图1为本发明的单端泵浦调Q激光器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由图1所示，本发明的一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调Q激光器，包括：泵浦光源1、聚焦耦合系统、激光工作物质6、激光谐振腔；

所述泵浦光源1输出的泵浦光经过光纤2导出，并通过聚焦耦合系统聚焦，进入激光工作物质6中；本实施例中，泵浦光源1输出波长为808nm和885nm泵浦光的。

所述聚焦耦合系统由沿泵浦光传输方向依次设置的准直平凸镜3、聚焦平凸镜4构成。

所述激光工作物质6为掺Nd³⁺晶体，且激光工作物质6的掺Nd³⁺浓度沿泵浦光传输方向呈指数式增长，且泵浦光入射面即泵浦端面为低浓度端，泵浦光出射面即非泵浦光入射面为高低浓度端；其中，激光工作物质6中的泵浦光传输方向如图1的箭头所示。

激光工作物质6的掺Nd³⁺浓度具体如下所示：

其中，l为激光工作物质6中的泵浦光的入射长度；n(l)为激光工作物质6中的泵浦光的入射长度为l处的掺Nd³⁺浓度；a、b、c均为系数，0.01≤a≤0.5，10≤b≤25，0.1≤c≤1.0。

掺Nd³⁺晶体的基底材料为YAG、YV04、GGG、YAP中的任意一种，即激光工作物质6为Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GGG、Nd:YAP中的任意一种。

泵浦光经聚焦耦合系统聚焦后，经过45°分光镜5进入激光工作物质6中，激光工作物质6的输出光通过平凸全反镜7反射回激光工作物质6中，并通过45°分光镜射入起偏器8中，起偏器8的输出光射入调Q晶体9，调Q晶体9的输出光通过输出腔镜10输出。

45°分光镜5、激光工作物质6、平凸全反镜7、起偏器8、调Q晶体9、输出腔镜10即构成激光谐振腔，且激光谐振腔为L型折叠腔，折叠角为90°，即45°分光镜5、激光工作物质6、平凸全反镜7之间的光路与起偏器8、调Q晶体9、输出腔镜10之间的光路的夹角为90°，能够避免光反射回泵浦光源中，以及避免了因折叠带来的色散等影响。

根据激光工作物质6的热透镜效应的热焦距值f，设计平凸全反镜7的曲率半径R₁和输出腔镜10的曲率半径R₂，进而补偿热透镜效应带来的影响，进一步提升了调Q激光的输出效率，并且极大的改善了输出激光的光束质量；其中，R₁、R₂满足：

G₁×G₂＝1；

其中，L₁表示激光工作物质6的中心至平凸全反镜7的中心之间的距离；L₂表示激光工作物质6的中心至输出腔镜10的中心之间的距离；f表示激光工作物质6的热焦距值。

起偏器8采用格兰棱镜、偏振分束器PBS或者介质膜起偏器，具体根据偏振度要求选择。

调Q晶体9采用电光晶体或声光晶体或被动调Q晶体，可根据所需激光的参数要求，选择合适的调Q方式和调Q晶体。

本发明根据泵浦光的波长，泵浦功率等条件，设计的掺杂浓度呈指数式连续增长的晶体作为激光工作物质，使激光工作物质的中后部分浓度增长很快，浓度较高，因此可以对未被前端部分吸收的泵浦光进行强烈的吸收，并产生热量，进而大大减小了其轴向的热梯度分布，使得热量在激光工作物质中的分布更加的均匀，减小了热透镜效应，进而提高了激光输出功率，均匀性稳定性更好，既减小了热效应带来的影响，又极大提高了转换效率。本实施例的一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调Q激光器，大幅降低了热透镜效应，其输出功率相比等效均匀掺杂浓度提高了16.7％。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调Q激光器，包括：泵浦光源(1)、聚焦耦合系统、激光工作物质(6)、激光谐振腔；其特征在于，

激光工作物质(6)的掺杂浓度沿泵浦光传输方向呈指数式增长，且泵浦光入射面即泵浦端面为低浓度端，泵浦光出射面即非泵浦光入射面为高低浓度端。

2.根据权利要求1所述的一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调Q激光器，其特征在于，所述激光工作物质(6)的掺杂浓度具体如下所示：

其中，l为激光工作物质(6)中的泵浦光的入射长度；n(l)为激光工作物质(6)中的泵浦光的入射长度为l处的掺Nd³⁺浓度；a、b、c均为系数，0.01≤a≤0.5，10≤b≤25，0.1≤c≤1.0。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调Q激光器，其特征在于，所述激光工作物质(6)为掺Nd³⁺晶体，基底材料为YAG、YV04、GGG、YAP中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调Q激光器，其特征在于，激光谐振腔由45°分光镜(5)、激光工作物质(6)、平凸全反镜(7)、起偏器(8)、调Q晶体(9)、输出腔镜(10)构成；

其中，泵浦光源(1)输出的泵浦光经聚焦耦合系统聚焦后，通过45°分光镜(5)进入激光工作物质(6)中，激光工作物质(6)的输出光通过平凸全反镜(7)反射回激光工作物质(6)中，并通过45°分光镜射入起偏器(8)中，起偏器(8)的输出光射入调Q晶体(9)，调Q晶体(9)的输出光通过输出腔镜(10)输出。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调Q激光器，其特征在于，激光谐振腔为L型折叠腔，折叠角为90°。

6.根据权利要求4述的一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调Q激光器，其特征在于，平凸全反镜(7)的曲率半径R₁和输出腔镜(10)的曲率半径R₂满足：

G₁×G₂＝1；

其中，L₁表示激光工作物质(6)的中心至平凸全反镜(7)的中心之间的距离；L₂表示激光工作物质(6)的中心至输出腔镜(10)的中心之间的距离；f表示激光工作物质(6)的热焦距值。

7.根据权利要求4所述的一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调Q激光器，其特征在于，起偏器(8)采用格兰棱镜、偏振分束器PBS或者介质膜起偏器。

8.根据权利要求4所述的一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调Q激光器，其特征在于，调Q晶体(9)采用电光晶体或声光晶体或被动调Q晶体。

9.根据权利要求1所述的一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调Q激光器，其特征在于，聚焦耦合系统由沿光传输方向依次设置的准直平凸镜(3)、聚焦平凸镜(4)构成。

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