CN114094428A - 板条耦合激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种板条耦合激光器，包括：泵浦源和板条增益介质，板条增益介质接收泵浦光源输出的泵浦光并激励生成激光；其中，泵浦光分别从板条增益介质的第一端面以第一入射光路和第二端面以第二入射光路耦合入射至板条增益介质，激励生成的激光从板条增益介质的第一端面以第二输出光路及第二端面以第一输出光路输出；第一端面上的第一入射光路和第二输出光路分布于第一端面的垂面的两侧，第二端面上的第二入射光路和第一输出光路分布于第二端面的垂面的两侧。由此，避免了使用双色镜分离泵浦光和激光光路时造成的问题，提高了激光器输出功率和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及固体激光器技术领域，尤其涉及一种板条耦合激光器。
背景技术
高功率、高光束质量的固体激光器，在工业、医疗等领域具有广泛的应用。传统高功率固体激光器采用圆棒状的增益介质，受限于晶体热效应的影响，激光器的输出功率和光束质量也受到一定的限制。
板条和薄片等构型的增益介质，成为高功率固体激光器的研究热点。对于高功率板条激光器，激光在板条晶体内部沿之字形传输，有利于抵消晶体内部的热效应，从而提高激光器的输出功率，改善光束质量。
现阶段高功率板条激光器主要采用传导冷却端面泵浦方式，对于体掺杂板条，泵浦光垂直大面入射，经端面反射后直通传输被增益介质吸收；对于表层增益板条，泵浦光与激光同光路传输，采用双色镜，使激光光路与泵浦光光路分离，在输出激光功率较高的条件下，腔内光强更高，强激光通过双色镜反射后，剩余透射激光照射到对侧激光二极管Bar条上，会对其造成损伤，从而限制高功率泵浦光的注入；双色镜膜层被激光损伤后，板条端面也可能因此在强泵浦和激光作用下炸裂；以上均会影响激光器的输出功率和稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是解决强激光透过双色镜后对激光二极管或双色镜自身的损伤，以及双色镜膜层损坏后强激光使板条端头炸裂的问题，本发明提出一种板条耦合激光器。
根据本发明实施例的板条耦合激光器，包括：
泵浦源，用于输出泵浦光；
板条增益介质，所述板条增益介质接收所述泵浦光并激励生成激光；
其中，所述泵浦光分别从所述板条增益介质的第一端面以第一入射光路和第二端面以第二入射光路耦合入射至所述板条增益介质，激励生成的激光从所述板条增益介质的第一端面以第二输出光路及第二端面以第一输出光路输出；所述第一端面上的第一入射光路和第二输出光路分布于所述第一端面的垂面的两侧，所述第二端面上的第二入射光路和第一输出光路分布于所述第二端面的垂面的两侧。
根据本发明的一些实施例，所述板条增益介质的第一端面和第二端面与长度方向端面之间的夹角范围为：88°至92°。
在本发明的一些实施例中，所述板条增益介质的第一端面和第二端面平行。
根据本发明的一些实施例，所述板条增益介质的纵截面为梯形。
在本发明的一些实施例中，所述板条增益介质的纵截面为直角梯形。
根据本发明的一些实施例，所述板条增益介质包括：
掺杂区域段，所述掺杂段具有预设浓度的掺杂离子；
无增益段，位于所述掺杂段的两端，所述无增益段为无掺杂激光晶体。
在本发明的一些实施例中，所述掺杂区域段的厚度方向的两个表面具有掺杂层，所述掺杂离子位于所述掺杂层。
根据本发明的一些实施例，所述掺杂离子在所述掺杂区域段内均匀分布。
在本发明的一些实施例中，所述板条增益介质为激光晶体、激光玻璃或激光陶瓷。
根据本发明的一些实施例，所述板条耦合激光器为谐振腔激光振荡器或激光放大器，所述板条耦合激光器的运转方式为连续运转或脉冲运转方式。
本发明提出的板条耦合激光器100，通过采用直角板条增益介质构型，使泵浦光与激光分别从板条增益介质10端面以法线两侧不同角度耦合入射及输出，直接分离泵浦光与激光光路；避免在使用双色镜分离泵浦光和激光光路时造成的问题，即强激光的使双色镜层损伤进而造成板条端头炸裂，或强激光透过双色镜对激光二极管的损伤，限制高泵浦功率的注入，从而提高泵浦功率的注入，进一步提升激光器的输出功率和稳定性。
附图说明
图1为根据本发明实施例的板条耦合激光器的直角板条增益介质示意图；
图2为根据本发明实施例的板条耦合激光器的泵浦光和激光耦合角度示意图；
图3为根据本发明实施例的直角板条激光振荡器示意图；
图4为根据本发明实施例的直角板条激光放大器示意图。
附图标记：
板条耦合激光器100，
板条增益介质10，第一端面110，第二端面120，泵浦源20，泵浦耦合系统21，像传递系统30，输出耦合镜40，全反镜50，光纤种子源60；磁光隔离器70，
泵浦光S0，激光S1，第一入射光路i1，第二入射光路i2，第一输出光路o1，第二输出光路o2。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
本发明中说明书中对方法流程的描述及本发明说明书附图中流程图的步骤并非必须按步骤标号严格执行，方法步骤是可以改变执行顺序的。而且，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
本发明提供一种新型板条增益介质构型，去除激光器中的双色镜，避免强激光透过双色镜后对激光二极管或双色镜自身的损伤，以及双色镜膜层损坏后强激光使板条端头炸裂，保障高泵浦注入功率，进一步提高激光器的输出功率及稳定性。
如图1-图4所示，根据本发明实施例的板条耦合激光器100，包括：泵浦源20和板条增益介质10。
泵浦源20用于输出泵浦光S0，板条增益介质10接收泵浦光S0并激励生成激光S1。
其中，如图2所示，泵浦光S0分别从板条增益介质10的第一端面110以第一入射光路i1和第二端面120以第二入射光路i2耦合入射至板条增益介质10，激励生成的激光S1从板条增益介质10的第一端面110以第二输出光路o2及第二端面120以第一输出光路o1输出；；第一端面110上的第一入射光路i1和第二输出光路o2分布于第一端面110的垂面的两侧，第二端面120上的第二入射光路i2和第一输出光路o1分布于第二端面120的垂面的两侧。
根据本发明的一些实施例，板条增益介质10的第一端面110和第二端面120与长度方向端面之间的夹角范围为：88°至92°。也就是说，本发明的板条增益介质10，第一端面110和第二端面120与长度方向的端面为端头直角切割，或88°等近似直角切割。
需要说明的是，采用端头直角角度切割的板条作为增益介质，泵浦光S0和激光S1分别从板条增益介质10直角端面以法线两侧不同角度耦合入射及输出，分离激光光路和泵浦光光路，从而去掉两端面附近的泵浦与激光同光路时采用的双色镜。
第一端面110和第二端面120可以平行，也可以相向梯形切割；或一端直角切割，另一端近似直角切割，避免自发辐射光闭合回路获得增益而形成寄生振荡。
例如，在本发明的一些实施例中，板条增益介质10的第一端面110和第二端面120平行。相应地，板条增益介质10的纵截面为平行四边形。这里所述的纵截面可以理解为沿板条增益介质10的厚度方向且平行于增益介质的长度方向的截面。
在本发明的另一些实施例中，板条增益介质10的纵截面为梯形。其中，板条增益介质10的纵截面可以为直角梯形。
本发明的板条耦合激光器100，直角板条增益介质10，为表层增益板条或体掺杂板条，为避免端头效应，端头可为无掺杂的白YAG。
其中，板条增益介质10包括：掺杂区域段和无增益段，掺杂段具有预设浓度的掺杂离子。无增益段位于掺杂段的两端，无增益段为无掺杂激光晶体。
当板条增益介质10为表层增益板条时，掺杂区域段的厚度方向的两个表面具有掺杂层，掺杂离子位于掺杂层；当板条增益介质10为体掺杂板条时，掺杂离子在掺杂区域段内均匀分布。
需要说明的是，可根据需求设计板条增益介质10的掺杂离子和各种掺杂浓度，例如，掺杂离子可以为Yb3+，也可以选用Nd3+等其它各类型离子。
在本发明的一些实施例中，板条增益介质10为激光晶体、激光玻璃或激光陶瓷。需要说明的是，直角板条增益介质10材料，优选为激光晶体，也可以选用激光玻璃或激光陶瓷。
根据本发明的一些实施例，板条耦合激器100为谐振腔激光振荡器或激光放大器，板条耦合激光器100的运转方式为连续运转或脉冲运转方式。也就是说，如图3和图4所示，本发明的板条耦合激光器100，激光提取方式为谐振腔激光振荡器或激光放大器，运转方式可选择为连续运转或脉冲运转等方式。
本发明提出的板条耦合激光器100具有如下有益效果：
本发明提出的板条耦合激光器100，通过采用直角板条增益介质构型，使泵浦光与激光分别从板条增益介质10端面以法线两侧不同角度耦合入射及输出，直接分离泵浦光与激光光路；避免在使用双色镜分离泵浦光和激光光路时造成的问题，即强激光的使双色镜层损伤进而造成板条端头炸裂，或强激光透过双色镜对激光二极管的损伤，限制高泵浦功率的注入，从而提高泵浦功率的注入，进一步提升激光器的输出功率和稳定性。
下面参照附图详细描述根据本发明的板条耦合激光器100。值得理解的是，下述描述仅是示例性描述，而不应理解为对本发明的具体限制。
为克服表层增益板条激光器中，泵浦光与激光同光路，强激光造成激光二极管等损伤，限制高功率泵浦注入的问题，本发明提供了一种直角板条耦合激光器100，参阅图1至图4。图1为本发明的直角板条增益介质10构型示意图；
图2为直角板条泵浦光S0和激光S1耦合角度示意图。图3为本发明中直角板条激光振荡器示意图；图4为本发明中一种直角板条激光放大器示意图。
参考图1，一种直角板条增益介质10，板条增益介质10两端头以88°角相向切割，构成梯形结构板条，参数表示为长度L，厚度T，宽度W；两端键合9mm无掺杂的白YAG激光晶体，避免端头效应；中间为100mm长的Yb3+离子表层掺杂区域，Yb:YAG掺杂区厚度为0.2mm，掺杂浓度为2at.％。
本发明的直角板条耦合激光器100主要以传导冷却端面泵浦方式为主，如图2所示，泵浦光S0与激光S1光路分别从板条端面法线两侧不同角度耦合注入和输出。
如图3所示为本发明实施例的谐振腔激光振荡器，包括直角板条增益介质10、激光二极管阵列、泵浦耦合系统21、4f像传递系统30、谐振腔全反镜50和谐振腔输出耦合镜40。
如图4所示，本发明实施例的谐振腔激光放大器包括除图3中的谐振腔镜外，还包括固体或光纤种子源60、磁光隔离器70、种子光整形扩束系统，磁光隔离器70避免回光对种子源的损坏，此外，可增加全反射镜和4f像传递系统，设计双程或多程放大光路。
本发明直角板条耦合激光器100，泵浦光与激光光路从直角板条端面以分居法线两侧不同的角度耦合注入及输出，能够避免泵浦光和激光同光路方案中，强激光对激光二极管阵列的损伤，能够提高泵浦功率的注入及系统的稳定性；通过设计合理的泵浦耦合系统、冷却结构及系统、谐振腔型或高功率种子源，能够实现大于10kW的激光输出。
除特殊说明外，本发明中涉及到的名词作如下解释：
Nd：钕；
Yb：镱；
YAG：钇铝石榴石；
Yb:YAG：掺镱钇铝石榴石。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
Claims (10)
1.一种板条耦合激光器，其特征在于，包括：
泵浦源，用于输出泵浦光；
板条增益介质，所述板条增益介质接收所述泵浦光并激励生成激光；
其中，所述泵浦光分别从所述板条增益介质的第一端面以第一入射光路和第二端面以第二入射光路耦合入射至所述板条增益介质，激励生成的激光从所述板条增益介质的第一端面以第二输出光路及第二端面以第一输出光路输出；所述第一端面上的第一入射光路和第二输出光路分布于所述第一端面的垂面的两侧，所述第二端面上的第二入射光路和第一输出光路分布于所述第二端面的垂面的两侧。
2.根据权利要求1所述的板条耦合激光器，其特征在于，所述板条增益介质的第一端面和第二端面与长度方向端面之间的夹角范围为：88°至92°。
3.根据权利要求1所述的板条耦合激光器，其特征在于，所述板条增益介质的第一端面和第二端面平行。
4.根据权利要求1所述的板条耦合激光器，其特征在于，所述板条增益介质的纵截面为梯形。
5.根据权利要求4所述的板条耦合激光器，其特征在于，所述板条增益介质的纵截面为直角梯形。
6.根据权利要求1所述的板条耦合激光器，其特征在于，所述板条增益介质包括：
掺杂区域段，所述掺杂段具有预设浓度的掺杂离子；
无增益段，位于所述掺杂段的两端，所述无增益段为无掺杂激光晶体。
7.根据权利要求6所述的板条耦合激光器，其特征在于，所述掺杂区域段的厚度方向的两个表面具有掺杂层，所述掺杂离子位于所述掺杂层。
8.根据权利要求6所述的板条耦合激光器，其特征在于，所述掺杂离子在所述掺杂区域段内均匀分布。
9.根据权利要求1所述的板条耦合激光器，其特征在于，所述板条增益介质为激光晶体、激光玻璃或激光陶瓷。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的板条耦合激光器，其特征在于，所述板条耦合激光器为谐振腔激光振荡器或激光放大器，所述板条耦合激光器的运转方式为连续运转或脉冲运转方式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220225 |