CN117220122B - 一种面向1.3um的平面波导激光增益模块、激光放大装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向1.3um的平面波导激光增益模块、激光放大装置，涉及高功率全固态激光技术领域。该面向1.3um的平面波导激光增益模块包括Nd,Sm:YAG/YAG平面波导、第一热沉、第二热沉、偏振分光镜、四分之一波片、1064nm分光镜、柱透镜、泵浦源和泵浦耦合系统。本发明能够有效抑制1064nm波长荧光，同时配合垂直反射膜、偏振分光镜和四分之一波片可以实现偏振双通入射光束和出射光束的分离，提高1.3um激光的转换效率，可以实现高光束质量的高效率高功率的1.3um激光输出，适应于多种应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及高功率全固态激光技术领域，尤其是公开了一种面向1.3um的平面波导激光增益模块、激光放大装置。
背景技术
1.3um的全固态激光器由于光束质量好，结构紧凑和性能稳定等特点，在钠信标、激光显示、激光医学、光纤通讯和环境监测等方面有非常重要的应用价值和前景。Nd:YAG是最常用的输出1.3um的激光材料，现有技术中大部分的高功率1.3um激光一般采用棒放大器或者板条放大器实现，通常光效率仅为10%左右。而由于结构特点，平面波导中芯层的激光通量和泵浦通量比板条类型和棒类型高一个多数量级，因此可以在一块Nd:YAG平面波导材料上实现高效率高功率激光的输出。
典型的平面波导结构激光增益介质中，芯层为掺杂区，包层为非掺杂区。材料的宽度通常为几毫米到几厘米，芯层厚度为几十微米到几百微米，整体厚度约为1毫米。采用Nd:YAG/YAG平面波导做激光放大器，已经实现了光效率为20%的1.3um放大输出。但是由于Nd:YAG中1.3um的发射截面只有1064nm的四分之一，传统的Nd:YAG平面波导具有很高的增益，容易产生1064nm的ASE和自激振荡，限制了1.3um放大效率和输出功率的进一步提升。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，本发明提供了提供一种面向1.3um的平面波导激光增益模块以及对应的激光放大装置，可以实现高光束质量的高功率高效率的1.3um激光输出。
本发明提供了一种平面波导增益介质，具体为一种Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导的结构包括芯层、上内包层、下内包层、端帽、上外包层、下外包层，其中端帽位于Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导的一端，且所在的端面为倾斜端面。
另一方面，本发明还提供一种面向1.3um的平面波导激光增益模块，该平面波导激光增益模块包括Nd,Sm:YAG/YAG平面波导、第一热沉、第二热沉、偏振分光镜、四分之一波片、1064nm分光镜、柱透镜、泵浦源和泵浦耦合系统。所述平面波导激光增益模块能够产生激光增益，实现1.3um激光输出。
另一方面，本发明还提供了一种面向1.3um的平面波导激光放大装置，包括前述平面波导激光增益模块以及种子源、法拉第隔离器、扩束系统、反射镜。该面向1.3um的平面波导激光放大装置用于实现有效的1.3um激光放大和输出。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明提供的平面波导增益介质以及对应的增益模块和激光放大装置，能够有效抑制1064nm波长荧光，同时配合垂直反射膜、偏振分光镜和四分之一波片可以实现偏振双通入射光束和出射光束的分离，提高1.3um激光的转换效率，可以实现高光束质量的高效率高功率的1.3um激光输出，适应于多种应用场景。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明提供的平面波导增益介质的结构和输入输出光路示意图；
图2是本发明提供的一种面向1.3um的平面波导激光增益模块的俯视结构示意图；
图3是本发明提供的一种面向1.3um的平面波导激光放大装置实施例示意图；
图4是本发明提供的一种面向1.3um的平面波导激光谐振腔实施例示意图；
图5是本发明提供的一种四通1.3um的平面波导激光增益模块的下层光路俯视图；
图6是本发明提供的一种四通1.3um的平面波导激光增益模块的上层光路俯视图；
图7是本发明提供的一种四通1.3um的平面波导激光增益模块的光路前视图；
图中： 1、Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导，2、第一热沉，3、第二热沉，4、偏振分光镜，5、四分之一波片，6、1064nm分光镜，7、柱透镜，8、泵浦源，9、泵浦耦合系统，10、种子源，11、法拉第隔离器，12、扩束系统，13、反射镜，14、谐振腔全反镜，15、0°全反镜，110、芯层，120、上内包层，130、下内包层，140、端帽，150、上外包层，160、下外包层，A、平面波导激光增益模块，a、倾斜端面，b、非倾斜端面。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1所示，图1是本实施例提供的平面波导增益介质的结构示意图以及输入输出光路图。作为平面波导增益介质的Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1的结构包括芯层110、上内包层120、下内包层130、端帽140、上外包层150、下外包层160。所述上内包层120和下内包层130分别位于芯层110的上下两面，所述端帽140位于由芯层110、上内包层120、下内包层130组成的第一整体的一端、并形成第二整体；所述上外包层150、下外包层160分别位于第二整体的上下两面。在一个优选实施例中所述上内包层120、下内包层130、端帽140之间通过键合方式连接，或者通过陶瓷一体化烧结。
就材料而言，所述芯层110为Nd,Sm:YAG，上内包层120、下内包层130和端帽140为Sm:YAG晶体或者陶瓷中的一种。由于Nd,Sm:YAG的折射率略高于Sm:YAG晶体/陶瓷，这个微小的折射率差可以将激光光束约束在芯层110中进行传输并放大。
所述上外包层150和下外包层160为SiO2倏逝膜，或者还可以键合其它低折射率介质。
在Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1中只在一端有不规则的端帽140，且不规则的端帽140对应的倾斜端面a的法线与芯层110的夹角β为0°~20°，该倾斜端面a与Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1的侧面垂直，且该倾斜端面a镀膜同时对泵浦光、1064nm、1.3um波长高透。
Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1中的另一个非倾斜端面b与芯层110的轴向垂直、同时与芯层110的两个侧面垂直，且非倾斜端面b镀膜同时对1064nm高透、1.3um高反。
实施例2
如图1所示的平面波导增益介质中，Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1的厚度方向为水平方向，宽度方向为竖直方向。水平的注入光束在以入射角θ透过端帽140的端面a后，光束在端帽140内部沿芯层110的轴向传输，即
sin（θ）=n·sin（β），其中n为端帽140的折射率。
需要说明的是，在光路中有时候为了方便说明光束位置会将激光光束分为注入光束、入射光、出射光束、光束等不同描述，但本领域技术人员应当清楚其本质上均为由同一种子源获取的激光光束并注入增益介质并在增益介质中放大并输出。
具体而言，由于倾斜端面a与芯层110轴向的夹角角度β为0°~20°，倾斜端面a镀膜后同时对泵浦光、1064nm和1.3um高透，因此注入光束以角度θ进入后，光束进入芯层110并沿芯层110的轴向传输后到达非倾斜端面b。由于非倾斜端面b对1064nm高透、1.3um高反，当光束到达非倾斜端面b时会原路返回，再一次经过芯层110传输放大后仍以角度θ从倾斜端面a输出。
实施例3
如图2所示，图2为一种面向1.3um的平面波导激光增益模块A的俯视图。该平面波导激光增益模块A包括Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1、第一热沉2、第二热沉3、偏振分光镜4、四分之一波片5、1064nm分光镜6、柱透镜7、泵浦源8和泵浦耦合系统9。
在平面波导激光增益模块A中，所述Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1作为增益介质用于产生激光增益，实现1.3um激光输出。所述泵浦源8用于为平面波导激光增益模块A提供泵浦光。所述泵浦耦合系统9用于对泵浦光进行整形，使泵浦光与Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1匹配。
所述第一热沉2与第二热沉3用于把Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1内的废热导走，对其进行散热冷却。
所述柱透镜7用于实现注入光束与Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1增益区的匹配。
所述1064nm分光镜6对1.3um波长高透和1064nm波长高反，用于将光路中的1064nm荧光导出，避免产生自激振荡。
所述偏振分光镜4用于将1.3um激光按照偏振态进行p光和s光分离，实现入射光束和出射光束的分离。
所述四分之一波片5用于实现偏振态的转换。
所述Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1的非倾斜端面b与四分之一波片5和偏振分光镜4的共同作用可以实现1.3um入射光束和出射光束的分离。
在本实施例所示的平面波导激光增益模块中，泵浦源8发出的泵浦光经过泵浦耦合系统9后，泵浦光在Nd,Sm:YAG/YAG平面波导1的宽度方向为平行光，在Nd,Sm:YAG/YAG平面波导1的厚度方向为会聚光束，并且与Nd,Sm:YAG/YAG平面波导1平行。一维会聚的泵浦光从倾斜端面a进入到Nd,Sm:YAG/YAG平面波导1内部后，由于上内包层120、下内包层130和上外包层150、下外包层160的折射率差，泵浦光被约束在上下外包层以内传输，多次经过芯层110后被离子吸收，形成增益。
另一方面，泵浦光在传输过程中也会经过端帽140和上内包层120、下内包层130，其材料中的Sm:YAG不吸收泵浦光。同时第一热沉2、第二热沉3将Nd,Sm:YAG/YAG平面波导1内的废热导走，并对其进行散热冷却。作为注入光束注入的1.3um激光也以一维会聚形式进入端帽140再进入芯层110，芯层110和上内包层120、下内包层130之间的微小折射率差将光束约束在芯层110中传输放大。
所述Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1形成增益后，就会出现1064nm荧光，而Sm:YAG对1064nm有一定的吸收，1064nm荧光在Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1内传输时，芯层110、上内包层120、下内包层130和端帽140都会对其吸收。倾斜端面a的角度和镀膜、非倾斜端面b的镀膜都对1064nm光高透，避免形成自激振荡。在增益介质之外的激光传输光路上，1064nm分光镜6将光路中的1064nm荧光导出，避免增益介质与外部界面形成自激振荡。
实施例4
如图3所示为本实施例提供的一种面向1.3um的平面波导激光放大装置，包括前述平面波导激光增益模块A以及种子源10、法拉第隔离器11、扩束系统12、反射镜13。
所述面向1.3um的平面波导激光放大装置的工作原理是：
种子源10输出的种子光依次经过法拉第隔离器11后偏振态为p光，经过扩束系统12后光斑大小与Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1的尺寸匹配，经过反射镜13后，种子光的注入角度与Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1匹配，之后p光高效率透过偏振分光镜4，经过四分之一波片5后转换为圆偏光，经过柱透镜7会聚后，圆偏光偏振态的种子光变换为一维会聚光束进入Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1的芯层110。光束在非倾斜端面b处全反射，再一次经过芯层110传输放大后从端帽140所在的倾斜端面a输出。输出的放大光束经过柱透镜7准直，并经过四分之一波片5转换为s光，最终在偏振分光镜4处反射输出。
在另一个实施例中，如果注入的光束为s光，则经过上述光路放大后最终在偏振分光镜4处反射输出的放大激光为p光。
实施例5
如图4所示为本实施例提供的一种面向1.3um的平面波导激光谐振腔，包括前述平面波导激光增益模块A以及谐振腔全反镜14。所述谐振腔全反镜14对1.3um高反、对1064nm高透。谐振腔全反镜14和Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1的非倾斜端面b组成腔镜，激光从偏振分光镜4输出。通过四分之一波片5的角度调节偏振态，可以改变激光透过率，获取平面波导激光谐振腔的最大1.3um输出功率。
Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导1中的芯层110产生的1064nm荧光，不仅被端帽140和上内包层120、下内包层130吸收，在倾斜端面a和非倾斜端面b处都是高透，在1064nm分光镜6处反射偏离谐振腔光路，避免产生1064nm自激振荡。
实施例6
如图5、图6和图7分别为本发明提供的另一具体实施例，分别对应一种四通的1.3um的平面波导激光增益模块的下层光路俯视图、上层光路俯视图、光路前视图。本实施例在前述实施例4的双通光路基础上，还增加了0°全反镜15，使1064nm分光镜6、柱透镜7、偏振分光镜4、四分之一波片5结合0°全反镜15和光束在竖直方向上小角度倾斜入射，实现四通光路。
以图5-图7所示一种四通的1.3um的平面波导激光增益模块为例所示，在光路所在的竖直平面内，下层光路的p光以小角度倾斜朝上进入平面波导，在非倾斜端面b反射后，继续倾斜朝上到达0°全反镜15，然后原路返回，在偏振分光镜4处以s光反射输出。1064nm分光镜6和柱透镜7同时处于上层光路和下层光路中，偏振分光镜4和四分之一波片5只在下层光路中使用。
如此得到的四通的1.3um的平面波导激光增益模块，也可以实现类似前述实施例中的谐振腔和激光放大装置。
与现有技术相比，本发明实施例中提供的平面波导增益介质以及对应的增益模块和激光放大装置，能够有效抑制1064nm波长荧光，同时配合垂直反射膜、偏振分光镜和四分之一波片可以实现偏振双通入射光束和出射光束的分离，提高1.3um激光的转换效率，可以实现高光束质量的高效率高功率的1.3um激光输出，适应于多种应用场景。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
Claims (8)
1.一种面向1.3um的平面波导激光增益模块，用于产生激光增益实现1.3um激光输出，其特征在于，所述面向1.3um的平面波导激光增益模块至少包括：Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导（1）、柱透镜（7）、泵浦源（8）和泵浦耦合系统（9），还包括沿光路方向依次设置的偏振分光镜（4）、四分之一波片（5）、1064nm分光镜（6）；
所述Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导（1）作为增益介质用于产生激光增益；所述偏振分光镜（4）用于将1.3um激光按照偏振态进行分离；所述四分之一波片（5）用于偏振态的转换；所述1064nm分光镜（6）对1.3um波长高透和1064nm波长高反，用于将光路中的1064nm荧光导出，避免产生自激振荡；所述柱透镜（7）用于实现注入光束与Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导（1）增益区的匹配；所述泵浦源（8）用于为平面波导激光增益模块提供泵浦光；所述泵浦耦合系统（9）用于对泵浦光进行整形，使泵浦光与Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导（1）匹配；
所述Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导（1）的结构包括芯层（110）、上内包层（120）、下内包层（130）、端帽（140）、上外包层（150）、下外包层（160）；
所述上内包层（120）和下内包层（130）分别位于芯层（110）的上下两面，所述端帽（140）位于由芯层（110）、上内包层（120）、下内包层（130）组成的第一整体的一端、并形成第二整体；所述上外包层（150）、下外包层（160）分别位于第二整体的上下两面；
所述芯层（110）为Nd,Sm:YAG，上内包层（120）、下内包层（130）和端帽（140）为Sm:YAG晶体或者陶瓷中的一种。
2.根据权利要求1所述的面向1.3um的平面波导激光增益模块，其特征在于，所述面向1.3um的平面波导激光增益模块还包括：第一热沉（2）、第二热沉（3），所述第一热沉（2）与第二热沉（3）用于把Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导（1）内的废热导走，对其进行散热冷却。
3.根据权利要求2所述的面向1.3um的平面波导激光增益模块，其特征在于，所述Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导（1）的非倾斜端面（b）与四分之一波片（5）和偏振分光镜（4）的共同作用实现1.3um入射光束和出射光束的分离。
4.根据权利要求3所述的面向1.3um的平面波导激光增益模块，其特征在于，端帽（140）为不规则端帽；端帽（140）对应的倾斜端面（a）的法线与芯层（110）的夹角β为0°-20°，该倾斜端面（a）与Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导（1）的侧面垂直。
5.根据权利要求4所述的面向1.3um的平面波导激光增益模块，其特征在于，Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导（1）的非倾斜端面（b）与芯层（110）的轴向垂直、同时与芯层（110）的两个侧面垂直。
6.根据权利要求5所述的面向1.3um的平面波导激光增益模块，其特征在于，倾斜端面（a）的镀膜同时对泵浦光、1064nm、1.3um波长高透；非倾斜端面（b）的镀膜同时对1064nm高透、1.3um高反。
7.根据权利要求6所述的面向1.3um的平面波导激光增益模块，其特征在于，水平的注入光束以入射角为θ透过端帽（140）的倾斜端面（a）后，光束在端帽（140）内部沿芯层（110）的轴向传输放大，即sin（θ）=n·sin（β），
其中n为端帽（140）的折射率；
光束到达非倾斜端面（b）后原路返回，再一次经过芯层（110）传输放大后以角度θ从倾斜端面（a）输出。
8.一种面向1.3um的平面波导激光放大装置，其特征在于，包括权利要求1-7中任一所述的面向1.3um的平面波导激光增益模块，还包括种子源（10）、法拉第隔离器（11）、扩束系统（12）、反射镜（13）；种子源（10）输出的种子光经过法拉第隔离器（11）后偏振态改变，经过扩束系统（12）后光斑大小与Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导（1）的尺寸匹配，经过反射镜（13）后，种子光的注入角度与Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导（1）匹配，之后偏振态的种子光透过偏振分光镜（4）和四分之一波片（5）后再次转换偏振态，经过柱透镜（7）会聚后，偏振态的种子光变换为一维会聚光束从端帽（140）所在的倾斜端面（a）进入Nd,Sm:YAG/Sm:YAG平面波导（1）的芯层（110）进行传输放大；放大光束在非倾斜端面（b）处全反射，再一次经过芯层（110）传输放大后从端帽（140）所在的倾斜端面（a）输出，输出的放大光束经过柱透镜（7）准直后再次经过四分之一波片（5）转换偏振态，最终在偏振分光镜（4）处反射输出。
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