CN114649731A - 一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器，属于激光谐振腔技术领域，包括：第一复合激光板条，两端键合未掺杂YAG晶体的Yb:YAG，第一腔镜，设置于第一复合激光板条一侧下部，第一反射镜，位于平凹反射镜上部，第二反射镜，设置于第一复合激光板条另一侧下部，第二腔镜，位于上部第二反射镜上部，激光从第一腔镜轴线反射出，光路经过复合激光板条，在第一反射镜、第二反射镜之间反射，最终在第二腔镜输出，通过增加1030nm激光的腔内损耗，实现1048nm单波长输出。该装置折叠腔结构中，3.65kW的泵浦下，输出功率为0.713kW,光束质量β因子等于2.3。
Description
技术领域
本发明涉及激光谐振腔技术领域，更具体的涉及一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器。
背景技术
Yb：YAG具有宽吸收线宽和增益线宽、低量子缺陷、低光热转换效率和高光光转换效率等特点，因而被广泛用于高功率、高效率、LD泵浦激光研究。二极管泵浦的固体激光器(DPSSL)具有体积小、高亮度、全固化、结构简单、易于集成、性能稳定、高光束质量、使用与维护方便等优势，是实现Yb：YAG激光输出的主要方式之一。
2001年，天津大学的张丽哲、戴春明等人报道了一种可调谐运转的全固化Yb:YAG激光器。采用传统的四镜X型像散补偿腔，当抽运功率为900mW时，得到66mW的中心波长在1049.5nm的连续激光输出，斜率效率为12.7％。同时又进行了可调谐实验，得到了波长范围在1030.5～1055.5nm的激光输出。
2005年，日本AIST中心的Sadao UEMURA等人采用光纤耦合LD端面抽运方式和被动锁模技术，最终得到了中心波长在1030nm-1050nm可调的136fs超短脉冲激光。
2009年，中科院的周彬彬等人提出了一项关于获得1050nm激光的新模型。他们通过改变Yb粒子掺杂浓度或晶体长度抑制1030nm处的激光振荡，最终获得了中心波长为1050nm的1.8ps激光脉冲和中心波长在1053nm的170fs激光脉冲。
2015年，茨城大学的Shinki NAKAMURA等人报道了一种高功率Yb:YAG陶瓷激光器。该激光器采用光纤耦合LD侧面抽运方式和被动锁模技术，得到了平均输出功率3.8W，脉冲持续时间433fs，重频90.9MHz，峰值功率96.5kW的1050nm超短脉冲激光输出。
2016年，中物院的陈晓明、许浏等人报道了一种高效率、高功率的Yb:YAG激光放大器。该放大器采用传导冷却，端面泵浦方式和MOPA结构。在室温条件下，输入0.8kW的种子光得到了3.54kW的1030nm激光输出，光光转换效率41％，斜率效率最高可达59％。
2017年，中物院的马艺芳等人基于Yb:YAG宽带荧光的特点，实现了种子光为1029.6nm和1031.5nm的双波长激光放大。在1.18kW种子光注入的条件下，实现了6.56kW的双波长激光输出。
2018年，中物院的Wang Dan等人报道了一种室温下的Yb:YAG板条连续放大链路。在种子光中心波长1030nm，功率0.4kW条件下，获得了22.3kW的激光输出。
2018年，华北光电所的刘娇等人设计了一种单面掺杂梯形结构的Yb:YAG表层增益板条。在准连续实验中，泵浦能量48J，重复频率5Hz，脉宽1ms的情形下，输出了21.6J的1030nm激光脉冲，光光转化效率45％。
由此可以看出，对于Yb:YAG的研究涉及1030nm波长都集中于连续高功率激光方面，而对1050nm波长多集中超短脉冲激光方面。对于1048nm的连续高功率输出，并未有相关报道。
发明内容
本发明实施例提供一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器，包括：
第一复合激光板条，两端键合未掺杂YAG晶体的Yb:YAG；
第一腔镜，为平凹反射镜，设置于第一复合激光板条一侧下部，曲率R＝2000mm，反射面镀有1050nm高反膜；
第一反射镜，位于平凹反射镜上部，反射面镀有1050nm0°高反膜；
第二反射镜，设置于第一复合激光板条另一侧下部，反射面镀有1050nm0°高反膜；
第二腔镜，为平面输出镜，位于第二反射镜上部，1050nm透过率为25％；
激光从第一腔镜轴线反射出，光路经过复合激光板条，在第一反射镜、第二反射镜之间反射，最终在第二腔镜输出，通过增加1030nm激光的腔内损耗，实现1048nm单波长输出。
进一步，还包括1048nm激光器输出装置，其包括：
第二复合激光板条，板条端头采用45°切割，并且在端面镀有940nm和1050nm增透膜，板条的侧边进行了包边和磨毛处理，板条的两个大面通过铟层焊接到微通道冷却热沉上进行水冷散热，并且在大面上镀膜；
两组LD双端二极管泵浦装置，用于产生泵浦光；
泵浦耦合系统，位于LD双端二极管泵浦装置和第二复合激光板条之间；
谐振腔，由第三腔镜，第四腔镜和两个凸透镜构成，其中，第三腔镜为平凹反射镜，曲率R＝2000mm，反射面镀有1050nm高反膜，第四腔镜为平面输出镜，两个凸透镜焦距均为f＝300mm，反射面镀有1050nm 0°高反膜。
进一步，泵浦耦合系统，包括：
两个慢轴柱透镜，分别平行于LD双端二极管泵浦装置和第二复合激光板条，用于对泵浦光整形，将匀化后的泵浦光传递到第二复合激光板条端面；
两个快轴柱透镜，平行于LD双端二极管泵浦装置一侧的慢轴柱透镜，用于对泵浦光聚焦；
45°偏振片，位于快轴柱透镜和平行于第二复合激光板条的慢轴柱透镜之间。
进一步，第二复合激光板条通过两只LD双端二极管泵浦装置进行端面泵浦，泵浦光波长为940nm，实验时抽运功率为2.1kW。
进一步，两个慢轴柱透镜焦距均为50mm，两个快轴柱透镜中靠近平行于LD双端二极管泵浦装置的慢轴柱透镜一侧的焦距为60mm，另一个快轴柱透镜焦距为-240mm。
进一步，位于一组LD双端二极管泵浦装置和第二复合激光板条之间的泵浦耦合系统还包括半波片HWP，其位于LD双端二极管泵浦装置和慢轴柱透镜之间。
进一步，第二复合激光板条复合板条的总尺寸为长120mm，宽10mm，厚2mm，其中掺杂有Yb离子的Yb:YAG尺寸为长100mm，宽10mm，厚2mm，掺杂浓度为0.35at.％。
本发明实施例提供一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器，与现有技术相比，其有益效果如下：
本发明实现了1048nm激光的高功率输出、高光束质量的激光输出。理论上，分析了1030nm及1048nm激光输出特性，为了实现1048nm单一波长高功率输出，需要抑制1030nm激光振荡和强力泵浦。实验上，在泵浦功率为4.2kW时，最大输出功率为1.3kW，光光转换效率为31％，最高斜率效率为46.4％；在折叠腔结构中，3.65kW的泵浦下，输出功率为0.713kW,光束质量β因子等于2.3。如果可以加载更高功率的泵浦，则可以实现更高功率、更高效率的输出。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器工作原理图和装置图，其中，图(a)为1048nm谐振腔实验原理图，图(b)为折叠谐振腔原理图，图(c)为折叠谐振腔实验装置图；
图2为本发明实施例提供的一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器泵浦功率3kW时输出功率随输出镜反射率变化曲线；
图3为本发明实施例提供的一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器不同输出镜反射率下两种波长激光实现振荡的泵浦阈值；
图4为本发明实施例提供的一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器的不同输出镜透过率对应输出光谱；
图5为本发明实施例提供的一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器在T＝5％时，抽运功率与1048nm激光输出功率及光光转化效率曲线；
图6为本发明实施例提供的一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器的折叠谐振腔的输出功率曲线与光光转化效率曲线；
图7为本发明实施例提供的一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器的折叠谐振腔输出激光近场及远场光斑。
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。
参见图1～7，本发明实施例提供一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器，包括：
第一复合激光板条，两端键合未掺杂YAG晶体的Yb:YAG；
第一腔镜，为平凹反射镜，设置于复合激光板条一侧下部，曲率R＝2000mm，反射面镀有1050nm高反膜；
第一反射镜，位于平凹反射镜上部，反射面镀有1050nm0°高反膜；
第二反射镜，设置于复合激光板条另一侧下部，反射面镀有1050nm0°高反膜；
第二腔镜，为平面输出镜，位于上部第二反射镜上部，1050nm透过率为25％；
激光从第一腔镜轴线反射出，光路经过复合激光板条，在第一反射镜、第二反射镜之间反射，最终在第二腔镜输出，通过增加1030nm激光的腔内损耗，实现1048nm单波长输出。
1、理论分析
在940nm泵浦下的Yb:YAG的谐振腔激光输出功率可以表示为：
Pout＝ηslope(ηabsPp-Pth)
其中Pp为泵浦光功率，ηslope为斜率效率。Pth为泵浦阈值功率，是达到激光振荡阈值时的泵浦功率。ηabs为泵浦光吸收效率，一般情况下Yb:YAG板条对泵浦光的吸收效率可以保持在95％以上，Pout为激光输出功率。
斜率效率ηslope可以表示为：
其中ηmode为模式交叠效率，νL、νP分别为激光与泵浦光频率，ROC表示输出镜反射率，δ表示激光单程损耗。泵浦阈值Pth可以表示为：
其中h为普兰克常量，τ为荧光寿命，S为增益介质截面积(2.2mm2)，L为增益介质长度(100mm)，nU为上能级粒子数密度，可以表示为：
其中f＝fa+fb，fa和fb分别为激光下能级和上能级的玻尔兹曼热配分小数，fa'和fb'分别为泵浦下能级和上能级的玻尔兹曼热配分小数，nd为粒子数密度，与掺杂浓度相关，文中掺杂浓度按0.35at.％计算。β为之字型板条激光器中交叠参数，选取1-2之间，σe为受激发射截面。
图2展示了当泵浦功率为3kW时，1048nm激光输出功率与输出镜反射率间的关系。从计算结果可以看出，当反射率在65％到90％之间时，1048nm的激光输出功率随着输出镜反射率的增加而增加。在输出镜反射率为90％时(即透过率10％)，输出功率最高，达到了918W。从图3展示了泵浦功率为3kW时1030nm与1048nm激光输出的泵浦阈值与输出镜反射率间的关系。可以看出，在输出镜为高反射率(即低透过率)时，由于Yb:YAG晶体在1030nm处自吸收效应较为严重，其振荡阈值高。而1048nm激光下能级玻尔兹曼因子较小，更容易实现粒子数反转。且对于1048nm激光的自吸收也远小于1030nm，其振荡阈值低，1048nm激光更容易实现振荡。而当输出镜透过率增加后，由于1048nm激光的受激发射截面只有1030nm处的七分之一，信号光饱和光强更大，所以1048nm激光振荡的泵浦阈值要高于1030nm激光振荡的泵浦阈值。需要更强的泵浦光才能实现1048nm的激光振荡，因此高透过率时1030nm激光更容易振荡。
根据上述的分析结果，采用低透过率输出镜是实现1048nm激光单一波长输出的有效方法之一。通过理论计算得到在泵浦功率3kW条件下，1048nm激光振荡的最佳透过率为10％，但此时两种波长激光振荡的泵浦阈值非常接近，可能达不到抑制1030nm激光振荡的效果，所以应该选择透过率更低的输出镜。其次由于Yb:YAG在1030nm处有强烈的自吸收效应，可以通过提高离子掺杂浓度或者增长吸收长度，抑制1030nm激光输出。而对于一个已经给定尺寸和掺杂浓度的Yb:YAG板条来说，可以通过增加吸收长度的方法实现上述的目的。考虑到板条激光器的大宽厚比，因此可以通过让光路折叠的方式实现吸收长度变长的效果。
2.实验设置
1048nmYb:YAG谐振腔激光输出实验装置如图1所示。两端键合未掺杂YAG晶体的Yb:YAG复合激光板条作为增益介质。复合板条的总尺寸为120mm×10mm×2mm(长×宽×厚)，其中掺杂有Yb离子的Yb:YAG尺寸为100mm×10mm×2mm(长×宽×厚)，掺杂浓度为0.35at.％。板条端头采用45°切割，并且在端面镀有940nm和1050nm增透膜(anti-reflection coating)。板条的侧边进行了包边和磨毛处理，用以抑制ASE和寄生振荡。板条的两个大面(total internal reflection—TIR)通过铟层焊接到微通道冷却热沉上进行水冷散热，并且在大面上镀膜，以保证泵浦光和振荡激光在大面处的全反射、抑制倏逝波。板条通过两只LD进行端面泵浦，泵浦波长为940nm，实验时的抽运功率达到2.1kW。泵浦光通过两个慢轴柱透镜(fx1＝50mm和fx2＝50mm)进行整形，将匀化后的泵浦光传递到板条端面，并通过两个快轴柱透镜(fy1＝60mm和fy2＝-240mm)，将泵浦光聚焦到端面。泵浦光通过整个泵浦耦合系统，光斑与入射端面尺寸相近。为了避免另一端泵浦的漏光以及对LD的损伤，在光路系统里放入了2个45°偏振片、1个半波片(HWP)。
整个谐振腔采用直腔结构如图1(a)所示，由腔镜M1与OC1构成，其中M1为平凹反射镜，曲率R＝2000mm，反射面镀有1050nm高反膜，OC1为平面输出镜；f1和f2为凸透镜，焦距均为f＝300mm，f1和f2共同构成热不灵敏的4f腔，其作用是将板条热效应对输出特性的影响降到最低。
本文提出了折叠谐振腔结构，如图1(b)所示。增加了1030nm激光的吸收长度，增大了其腔内损耗，以实现1048nm单波长输出的目的。谐振腔由腔镜M2与OC2构成，其中M2为平凹反射镜，曲率R＝2000mm，反射面镀有1050nm高反膜，OC2为平面输出镜，1050nm透过率为25％；HR1和HR2为反射镜，反射面镀有1050nm0°高反膜。
图4展示了输出镜透过率与激光输出波长之间的关系。当输出镜透过率为20％时，输出1030nm单一波长激光；当输出镜透过率为15％时，输出包含两种波长成分的双波长激光，其中1030nm激光占主要成分；当输出镜透过率为10％时，输出双波长激光，两种波长的激光强度大致相当；当输出镜透过率为7％时，输出双波长激光，其中1048nm激光占主要成分；而当输出镜透过率降低为5％时，为1048nm单一波长激光输出。输出激光的光谱特性结果与前述的理论分析结果大致相同，当输出镜透过率为5％时，1030nm激光振荡的抽运阈值远大于1048nm激光的抽运阈值，此时只有1048nm单一波长的激光输出；当输出镜透过率为15％时，两种波长激光振荡的抽运阈值相当，容易实现双波长激光输出；而当输出镜透过率大于15％时，由于Yb:YAG晶体在1048nm处的激光发射截面远小于1030nm处，1048nm形成激光振荡的抽运阈值远大于1030nm，不易形成激光振荡，因此输出结果为1030nm单一波长激光。
图5为输出镜透过率为5％时，1048nm激光输出功率、光光转化效率与抽运功率的关系曲线。从图中可以看出，随着泵浦功率的增加，激光输出功率呈线性增长，光光转换效率也有极大的提升。在泵浦功率为4.2kW时，获得1.3kW的1048nm激光输出，此时的光光转化效率为31％，斜率效率为46.4％。可以看出1048nm激光在泵浦达到4.2kW时，输出功率仍呈现很好的线性趋势，光光转化效率并未趋于平缓、达到饱和。因此，如果继续提高抽运功率，不论是激光输出功率还是光光转化效率都还有继续提升的潜力。
图6为折叠谐振腔，1048nm激光输出功率、光光转化效率与抽运功率的关系曲线。当抽运功率为3.65kW时，得到了0.713kW的1048nm单一波长激光输出，此时的光光转化效率为19.5％。而标准4f谐振腔在3.65kW的抽运功率时，激光输出功率为1.048kW，光光转化效率有28.7％。相比于标准4f谐振腔，折叠腔的输出功率和光光转化效率都下降了不少。造成这种现象主要的原因是：相较于4f谐振腔，折叠腔激光输出更易受板条热效应影响；通过图4(b)可以看出，折叠腔的板条利用率有所降低。
但折叠腔的等效腔长长，菲涅尔数N较小，所以更容易实现高光束质量的激光输出。在本实验中，利用CCD对输出的1048nm激光的光束质量进行了测量。其近场及远场光斑如图7所示，在输出功率为0.713kW时，输出激光的光束质量β因子等于2.3。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器，其特征在于，包括：
第一复合激光板条，两端键合未掺杂YAG晶体的Yb:YAG；
第一腔镜，为平凹反射镜，设置于所述第一复合激光板条一侧下部，曲率R＝2000mm，反射面镀有1050nm高反膜；
第一反射镜，位于所述平凹反射镜上部，反射面镀有1050nm0°高反膜；
第二反射镜，设置于所述第一复合激光板条另一侧下部，反射面镀有1050nm0°高反膜；
第二腔镜，为平面输出镜，位于所述第二反射镜上部，1050nm激光透过率为25％；
激光从所述第一腔镜轴线反射出，光路经过所述第一复合激光板条，在所述第一反射镜、所述第二反射镜之间反射，最终在所述第二腔镜输出，通过增加1030nm激光的腔内损耗，实现1048nm单波长输出。
2.如权利要求1所述的一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器，其特征在于，还包括1048nm激光器输出装置，其包括：
第二复合激光板条，板条端头采用45°切割，并且在端面镀有940nm和1050nm增透膜，板条的侧边进行了包边和磨毛处理，板条的两个大面通过铟层焊接到微通道冷却热沉上进行水冷散热，并且在大面上镀膜；
两组LD双端二极管泵浦装置，用于产生泵浦光；
泵浦耦合系统，位于所述LD双端二极管泵浦装置和所述第二复合激光板条之间；
谐振腔，由第三腔镜，第四腔镜和两个凸透镜构成，其中，所述第三腔镜为平凹反射镜，曲率R＝2000mm，反射面镀有1050nm高反膜，所述第四腔镜为平面输出镜，两个所述凸透镜焦距均为f＝300mm，反射面镀有1050nm 0°高反膜。
3.如权利要求2所述的一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器，其特征在于，所述泵浦耦合系统，包括：
两个慢轴柱透镜，分别平行于所述LD双端二极管泵浦装置和第二复合激光板条，用于对所述泵浦光整形，将匀化后的泵浦光传递到第二复合激光板条端面；
两个快轴柱透镜，平行于所述LD双端二极管泵浦装置一侧的所述慢轴柱透镜，用于对所述泵浦光聚焦；
45°偏振片，位于所述快轴柱透镜和平行于第二复合激光板条的慢轴柱透镜之间。
4.如权利要求2所述的一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器，其特征在于，所述第二复合激光板条通过两只LD双端二极管泵浦装置进行端面泵浦，所述泵浦光波长为940nm，实验时抽运功率为2.1kW。
5.如权利要求3所述的一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器，其特征在于，两个所述慢轴柱透镜焦距均为50mm，一个所述快轴柱透镜的焦距为60mm，另一个所述快轴柱透镜焦距为-240mm。
6.如权利要求3所述的一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器，其特征在于，位于一组所述LD双端二极管泵浦装置和所述第二复合激光板条之间的所述泵浦耦合系统还包括半波片HWP，其位于所述LD双端二极管泵浦装置和慢轴柱透镜之间。
7.如权利要求2所述的一种基于折叠谐振腔的1048nm激光器，其特征在于，所述第二复合激光板条复合板条的总尺寸为长120mm，宽10mm，厚2mm，其中掺杂有Yb离子的Yb:YAG尺寸为长100mm，宽10mm，厚2mm，掺杂浓度为0.35at.％。
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