CN1243398C - 激光二极管泵浦调q固体平面波导激光器 - Google Patents
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Abstract
一种激光二极管泵浦调Q固体平面波导激光器，其特征在于它由三部分组成：第一部分是平面波导激光器，它是由Nd:YAG工作介质、泵浦源及构成谐振腔的全反射镜和输出耦合镜组成；在谐振腔内还有：第二部分是柱面扩束镜，由光纤柱面镜和柱面镜组成；第三部分是电光调Q系统，是由偏振器和克尔盒组成。本发明可以获得纳秒量级的高功率激光脉冲。
Description
技术领域：
本发明涉及固体平面波导激光器，特别是一种激光二极管泵浦调Q固体平面波导激光器，这种激光器在工业，特别在军事上有非常重要的用途。
背景技术：
二极管泵浦固体激光器是采用二极管激光的辐射波长调整到与固体激光工作介质的吸收峰相匹配的方法，来代替传统闪光灯的宽带泵浦，以减小固体激光介质的热效应和提高泵浦效率。这种激光器的最大优点是它综合了激光二极管重量轻、体积小和固体激光高储能，可获得高峰值功率等优点，使得在一个结构紧凑，特别是固体平面波导激光器上实现高效率、高平均功率、高光束质量和高稳定性工作成为可能。
二极管泵浦固体激光器的发展可追溯到1964年，Keys等人在当时条件下，在4K温度下，用GaAs二极管激光泵浦U3+:CaF2晶体，获得了2.613μm的激光输出。由于需要低温系统，再加上激光二极管输出功率极低，这导致了激光二极管泵浦固体激光技术进展非常缓慢。
到了20世纪90年代，随着二极管激光输出功率的不断提高，激光二极管泵浦固体激光器的研究工作取得了长足的发展，进入了一个全新时期，发展了各种棒状和片状激光器，例如二极管泵浦、单频、可调谐的、调Q、锁模激光器等。2002年，J.R.Lee等人报导了第一台用二极管泵浦准连续输出平均功率为150W的平面波导激光器，这种平面波导激光器，其工作介质是Nd:YAG，厚度为200μm，长为60mm，宽为11mm，用YAG包边，上下包边厚度各为400μm。这种微型激光器，D.Hall等人企图将其平均输出功率提高到1000W，无疑这是非常吸引人的一种激光器。
波导激光器的主要特点是，在共振腔内电磁场往返传播路径的一部分(或全部)被波导所导引，不服从自由空间的传播规则，因此，以电磁场在自由空间的传播规律为基础的开放式共振腔理论，不能描述波导激光器的振荡模式，波导激光器本征模的特征不再主要由反射镜的曲率半径、模尺寸及反射镜的间距决定。
从以上分析似乎得出一个结论，波导激光器中谐振腔的作用似乎并不重要，而实际上并不是这样的。
1999年，D.P.Shepherd等人计算了波导中，模的传播数目与波导厚度的关系。从计算结果可以看出，只有当波导的厚度≤3μm，才能在单模情况下运转。显然，这无论从波导片的物理强度以及输出功率而言，波导片的厚度要大于3～4μm，这样就必须采用谐振腔来限制它的横模个数，这一点被许多实验结果所证实。
由于平面波导激光器工作介质的厚度通常是很薄的，例如取为200μm，因此腔内的衍射损耗是相当高的。H.J.Baker等人采用平行平面腔，当波导面距后腔镜的距离增大到5mm时，输出功率降低50％，可见衍射损耗是相当可观的。
由于腔内的这种高损耗，为平面波导激光器运行在Q开关状态带来了困难。因此直到目前为止，世界上还没有一台运行在主动调Q开关的平面波导激光器，在某种意义上，严重地影响了在许多领域中的应用。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种激光二极管泵浦调Q固体平面波导激光器，以获得高峰值功率激光输出。
本发明的技术解决方案是采用腔内扩束的方法，增大光束尺寸，减低衍射损耗，再进行调Q，以获得高峰值功率输出的平面波导激光器。
调Q技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使相干光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。调Q技术自1962年出现以来，发展极为迅速。现在，欲要获得脉宽为纳秒级(10-9s)的激光脉冲已并不困难。这种强的相干辐射光与物质相互作用，会产生一系列具有重大意义的新现象和新技术，如非线性光学的出现，同时也推动了诸如激光测距、激光雷达、高速全息照相等应用技术的发展。
调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。在泵浦开始时使腔处于低Q值状态，即提高振荡阈值使振荡不能形成，上能级的反转粒子数就可以大量积累，能量可以储存的时间决定于上能级的寿命；当积累到最大值(饱和值)时，突然使腔的损耗减小，Q值突增，激光振荡迅速建立起来，在极短的时间内上能级的反转粒子数被消耗，转变为腔内的光能量，从腔的输出端以单一脉冲形式释放出来，于是就获得峰值功率很高的巨脉冲。
前面已经提到，如果把通常的调Q技术直接应用到平面波导激光器中去，由于衍射损耗过大，将不能正常运转，为此我们在腔内引入一个扩束系统。
本发明具体的技术解决方案如下：
一种激光二极管泵浦调Q固体平面波导激光器，其特征在于它由三部分组成：
第一部分是平面波导激光器，它是由构成谐振腔的全反射镜和输出耦合镜及在该谐振腔内的Nd:AG工作介质组成，在所述的Nd:YAG工作介质的一侧设有泵浦源；在该谐振腔内自Nd:YAG工作介质至全反射镜之间依次设有：由光纤柱面镜和柱面镜组成的第二部分柱面扩束镜；由偏振器和克尔盒组成的第三部分光调Q系统。
所说的工作介质是一个厚为200μm，长为60mm，宽为11mm的Nd:YAG晶体，并在厚度方向包有非掺杂YAG的边。
所说的泵浦源是一个采用10根激光二极管组成的列阵，带有反射室的泵浦系统。
所说的偏振器是一块方解石空气隙格兰-付克棱镜。
迄今还没有看到过一篇介绍关于主动调Q的激光二极管泵浦固体平面波导激光器文章。本发明考虑到固体波导激光器，由于工作介质厚度很薄，最大尺寸仅为200μm，衍射损耗非常大，故在腔内加了一个柱面扩束系统，相当于将波导厚度放大10倍以上，以至于在腔内能进行调Q的工作，可以实现激光二极管泵浦调Q固体平面波导激光器，获得峰值功率很高的巨脉冲激光。
附图说明：
图1为本发明激光二极管泵浦调Q固体平面波导激光器工作原理图。
具体实施方式：
本发明的激光二极管泵浦调Q固体平面波导激光器如图1所示，它由三部分组成：
第一部分是平面波导激光器，它是由Nd:YAG工作介质1、泵浦源2及构成谐振腔全反射镜3和输出耦合镜4组成。
第二部分是柱面扩束镜，是由光纤柱面镜5和柱面镜6组成。
第三部分是电光调Q系统，它是由偏振器7和克尔盒8组成
所说的工作介质1，是一个厚为200μm，长为60mm，宽为11mm的Nd:YAG晶体，为了消除部分寄生振荡，在厚度方向包有未掺杂YAG的边。
所说的泵浦源2，是一个采用10根激光二极管组成的列阵，带有反射室的泵浦系统(参见在先技术：J.R.Lee，H.J.Baker，G.J.Freel，G.J.Hilton and D.R.Hall，High-average-power Nd:YAG planar waveguide laser that is face pumped by 10laser diode bars，optics letters，2002，27(7)，524-526)。
所说的谐振腔是一个平行平面腔，它是由一块全反射镜3和输出耦合镜4组成。
由于工作介质是一块厚为200μm，宽为11mm的波导体，因此在波导面上可以认为光束截面尺寸为200μm×11mm。
所说的柱面扩束器由光纤透镜5和柱面镜6组成，它们能将光束扩大10倍以上。
所说的偏振器7是一块方解石空气隙格兰一付克棱镜。
所说的克尔盒8是根据电光效应制成一个光开关。光学各向同性的电解质(固体、液体或气体)，在受到均匀电场作用时，变成了各向异性，即能使入射偏振光的偏振面发生旋转。
本发明激光器的工作过程大致如下：
首先在克尔盒8上加上λ/4电压，再打开用于波导激光器的泵浦源2，平面波导激光器的工作介质1被激光二极管泵浦源2激励，产生粒子数反转，当沿轴向的光线被光纤柱面镜5和柱面镜6组成的扩束柱面系统扩束后，经偏振器7变成了线偏振光，经过克尔盒8以后，位相差为π/2，成了圆偏振光，光线继续传播到全反射镜3上，经全反射镜3反射以后，又产生π/2位相差，往返一次总共积累π相位差，相当于偏振面旋转了90°，显然光线不能通过克尔盒8，此时Q开关处于关闭状态。待工作介质1的激光上能级反转粒子数积累到最大值时，突然撤去克尔盒8上的λ/4电压，波导激光器处于高Q值状态，产生雪崩式振荡，就可以获得一个纳秒量级的高功率激光脉冲。
Q值突变过程需要满足一些重要条件。第一，对激光工作物质的泵浦速率要很高，避免由于自发辐射而明显地减少处于激发态的粒子数目。为了充分发挥泵浦源的泵浦潜力，使用平均寿命较长的能级比较有利；第二，Q开关时间必须比较短，短于共振腔内的光子密度建立时间，一般是小于10ns。这对于电光调Q克尔盒一般是满足的。
Claims (4)
1、一种激光二极管泵浦调Q固体平面波导激光器，其特征在于它由三部分组成：
第一部分是平面波导激光器，它是由及构成谐振腔的全反射镜(3)和输出耦合镜(4)及在该谐振腔内的Nd:YAG工作介质(1)组成，在所述的Nd:YAG工作介质(1)的上侧设有泵浦源(2)；在该谐振腔内自Nd:YAG工作介质(1)至全反射镜(3)之间依次设有：
由光纤柱面镜(5)和柱面镜(6)组成的第二部分柱面扩束镜；
由偏振器(7)和克尔盒(8)组成的第三部分电光调Q系统。
2、根据权利要求1所述的激光二极管泵浦调Q固体平面波导激光器，其特征在于所说的工作介质(1)是一个厚为200μm，长为60mm，宽为11mm的Nd:YAG晶体，并在厚度方向包有非掺杂YAG的边。
3、根据权利要求1所述的激光二极管泵浦调Q固体平面波导激光器，其特征在于所说的泵浦源(2)是一个采用10根激光二极管组成的列阵，带有反射室的泵浦系统。
4、根据权利要求1所述的激光二极管泵浦调Q固体平面波导激光器，其特征在于所说的偏振器(7)是一块方解石空气隙格兰—付克棱镜。
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