CN1398028A

CN1398028A - 一种用于板条的角泵浦方法及其固体激光增益模块

Info

Publication number: CN1398028A
Application number: CN 02129485
Authority: CN
Inventors: 巩马理; 李晨; 柳强; 阎平; 盛大成; 吴海生; 崔瑞祯
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2003-02-19
Anticipated expiration: 2022-08-23
Also published as: CN1159810C

Abstract

一种用于板条的角泵浦方法及其固体激光增益模块，其主要技术方案是采用角泵浦结构，该结构是将泵浦光源放置在板条的角部位置，使泵浦光从板条的角部平面入射到板条内部。板条中心包括一个或多个掺杂区域，四周键合为不掺杂区域。由于全反射，可以使大部分泵浦光被限制在板条内部进行多次吸收，因而可以获得相当长的吸收长度和较高的吸收效率，从而提高激光器的总体效率。板条采用中心掺杂，四周不掺杂的结构，保证了泵浦光在板条中心被吸收，可以降低热透镜效应和应力双折射效应，避免板条的变形；更重要的是能够达到更高的泵浦功率密度和更好的泵浦均匀性，适用于低吸收系数的固体激光介质。本发明可应用于高功率固体激光器以及固体激光放大器中。

Description

一种用于板条的角泵浦方法及其固体激光增益模块

技术领域

本发明涉及一种固体激光泵浦方法及固体激光增益模块，特别涉及一种具有板条结构的增益介质的泵浦方法及其固体激光增益模块，可应用于高功率固体激光器以及固体激光放大器中。

背景技术

在高功率固体激光装置中，一般采用棒状或者板条状的增益介质。板条状介质相对于棒状介质具有优势。例如，通过选择，使板条的材料具有相对高的折射率，冷却板条的介质则具有相对低的折射率，从而使激光光束在板条内部由于全反射而形成之字形光路。这种光路被称为之字形(Zig-Zag)光路。之字形光路匀化了板条厚度方向的光学不均匀性，降低了由此引起的热透镜效应，并且消除了应力引起的双折射效应。应用之字形光路的固体激光器专利包括：4,730,324；4,852,109；5,305,345；6,094,297；6,134,258等(美国)。

在固体激光增益模块中，目前现有技术中对增益介质进行泵浦一般采用以下几种方式：侧面泵浦方式、端面泵浦方式和边缘泵浦方式。在侧面泵浦结构中，泵浦光垂直于板条的轴线由侧面耦合到板条。具体来说，二极管阵列发出的泵浦光垂直于板条的轴线，从侧面耦合到板条，形成均匀的能量分布。采用这种结构的专利有：4,127,827；4,852,109；5,271,031；5,305,345；5,646,773；5,651,021等(美国)。由于结构限制，侧面泵浦的吸收长度只能有几个毫米。当这种侧面泵浦结构被用于低吸收系数固体激光材料的增益模块中，比如掺杂镱(Yb)的激光材料，就会导致低的吸收效率和低的总体效率。在专利6,094,297(美国)中，公开了一种新型的端面泵浦之字形光路的板条激光器，具有很长的吸收长度。但是这项发明的不利方面是：为了保持板条的厚度不致过大，无法将更多的泵浦光耦合到板条内部，这样就使得该激光器向高功率扩展较为困难。在专利6,134,258(美国)中，采用了横向的边缘泵浦结构，在板条的宽度方向而不是厚度方向吸收泵浦光，有效提高了吸收长度，但当采用吸收系数较低的增益介质时，这种结构无法得到较高的吸收效率。

对于采用准三能级材料的高功率激光器(例如Yb：YAG材料)，为了降低激光阈值，掺杂浓度必须很低，从而导致吸收系数很低。在这种情况下，已有的泵浦结构其吸收效率不够充分。

发明内容

针对现有技术的不足和缺陷，本发明的目的是提供一种用于板条的角泵浦方法及其固体激光增益模块，使其具有长的吸收长度和高吸收效率，进而提高激光器的总体效率；并可达到更高的泵浦功率密度和更好的泵浦均匀性。当采用吸收系数较低的增益介质时，也同样可以得到较高的吸收效率。

本发明的技术方案如下：

一种用于板条的角泵浦方法，该方法使泵浦光从板条的角部入射到板条内部。

板条角平面对泵浦波长高透，板条侧平面对泵浦波长高反；使激光光束在板条内的两个反射面之间沿着之字形光路传播。

本发明还提供了一种实施上述方法的角泵浦固体激光增益模块，该模块包括由固体激光材料构成的具有入射面和出射面的板条以及泵浦光源，其特征在于采用角泵浦结构，该结构是将泵浦光源放置在板条的角部位置，其泵浦光从板条的角部平面入射到板条内部。由于全内反射，大部分泵浦光被限制在板条内部进行多次吸收，从而提高了吸收效率。

为了达到更高的泵浦功率密度和更好的泵浦均匀性，降低板条四周的温度，使得本发明适用于准三能级的激光材料的激光器，本发明所用板条是由中心部分和四周部分组成，其中心部分包括一个或多个掺杂区域，四周部分为不掺杂区域。

本发明所采用的板条的角面对泵浦波长镀增透膜；板条的侧面对泵浦波长镀全反膜。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性进步：采用角泵浦方式及其结构，由于全内反射，可以使大部分泵浦光被限制在板条内部进行多次吸收，因而可以获得相当长的吸收长度和较高的吸收效率，从而提高激光器的总体效率。采用中心掺杂，四周键合不掺杂的复合材料，从而保证了泵浦光在板条中心被吸收，这种结构可以降低热透镜效应和应力双折射效应，减小板条四周的热量，避免板条的变形；更重要的是，能够达到更高的泵浦功率密度和更好的泵浦均匀性，对于低吸收系数的固体激光介质非常适用，例如Yb和Tm。

附图说明

图1为本发明固体激光增益模块的总体结构图。

图2a、2b、2c为图1的A-A剖面，表示出板条形状的几种不同的具体实施例以及激光光路的传播方式。

图3为板条中心为掺杂区域，四周键合不掺杂区域的一个具体实施例的结构示意图。

图4a、4b、4c为图3的B-B剖面，分别表示板条每个掺杂区域的不同横截面。

图6为光纤耦合的角泵浦结构的示意图。

图7为本发明应用于主振荡器功率放大器中的结构示意图。

图8为本发明应用于振荡器中的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的原理、结构及具体实施方式：

图1为本发明固体激光增益模块的总体结构图。增益模块20包括板条22和四个泵浦源21。板条22的截面采用长方形或者正方形，具有相对的入射面28和出射面30，四个侧面31和四个角面32。角面不限于4个，也可以8个或更多。

板条22由高折射率的固体激光材料构成。由于全反射，入射光束26在板条内的两个反射面之间沿着之字形光路传播，如图2a所示，这被称为之字形放大器。之字形放大器能够均化板条内部的温度梯度，使材料达到均匀增益。采用之字形光路、均匀泵浦、四角注入以及板条边缘的热绝缘，可以降低热透镜效应和应力双折射效应。

之字形光路可以具有各种不同的形式。如图2a，板条22的入射面26和出射面27位于相反的两端；图2b中，板条22的入射面61和出射面62在同一端；在图2c中，板条22有四个端面，入射面63和出射面64也在同一端。在板条的另一端设置了与入射面和出射面对称的两个端面65、66，并且安排了两个附加的反射镜面70，该两个镜面分别安装在两个端面65、66的入射光路和反射光路上。图2a，2b，2c给出了之字形光路的几种不同形式，并没有描述出全部的可能。

为了实现高泵浦功率密度和均匀性，降低板条22四周的温度，板条22由复合材料键合而成(如图1所示)。板条22的四周部分34是不掺杂的材料，比如采用钇铝石榴石晶体(YAG)。四周部分34与板条22的中心部分38键合。中心部分38是掺杂的材料，比如：Yb：YAG，这样形成四个键合表面40。这种键合工艺的具体描述可以参考专利5,441,803(美国)。这种结构把泵浦光的吸收限制在板条22的中心部分38，因此只有板条22的中心部分38产生热量，热量从四周部分34散发出去。为了使泵浦光更好的耦合到板条22，四个角平面32可以对泵浦光束24镀增透膜。在图1中，相对的两个端面28和30对激光光束26镀增透膜，降低输入光束的损失。另外，四个侧面31(上、下、左、右面)可以对泵浦波长镀全反膜，保证泵浦光束24不散逸出去。四束泵浦光束24从板条22的四个角平面32耦合到板条22内部，在板条22内部全反射，得到充分的吸收。通过使用上面所述的复合板条22，泵浦光吸收部分被限制在板条的中心部分38，从而得到相当高的泵浦功率密度和均匀性，适合准三能级的激光材料，例如：Yb和Tm。

板条22的中心部分可以包括一个或多个掺杂区域39，图3示出了本发明的一个具体实施例，即板条的中心部分包括两个掺杂区域39。通过附加的反射镜71，使得激光光束在板条内部折叠通过各个掺杂区域。

掺杂区域39的横截面可以具有不同的形状，如图4a，4b，4c所示。掺杂区域39的横截面可以是长方形，正方形或者圆形。图4a，4b，4c只是给出掺杂区域39的几种截面形状，并没有描述出全部的可能。

泵浦光源21由高功率二极管阵列和耦合装置组成。高功率二极管阵列56由冷却器57冷却，产生泵浦光束。耦合装置的作用在于将二极管阵列发出的泵浦光高效率的耦合到泵浦面，并且得到尽可能高的如图5，耦合装置50包括两个柱面透镜52、53和导光镜54，导光镜放在二极管阵列56和板条22的角平面32之间；两个柱面透镜52、53被放置在二极管阵列56和导光镜之间，彼此正交，分别平行于二极管的快轴和慢轴。二极管阵列56由带有微透镜60的二极管条58堆叠而成。二极管条58的慢轴发散角为8°，微透镜60将二极管条58的快轴发散角压缩为3°。两个彼此正交的柱面透镜进一步压缩泵浦光的发散角，利于导光镜54进行大比例压缩。通过应用耦合装置50，二极管阵列56的泵浦光被高效的耦合泵浦到板条22的角平面上，并且可以得到较大的压缩比。例如，二极管阵列的尺寸是2.7×2.2厘米，而泵浦区域仅为1×2毫米。

耦合装置也可以为光纤束，如图6所示。采用由光纤92构成的光纤束94耦合泵浦光，可以得到同样的效果。为了简单起见，四个光纤束只画了一个。

采用本发明的增益模块20可以用于构成一个主振荡器功率放大器(MOPA)，如图7所示。主振荡器72输出的种子光从端面28输入板条22，主振荡器可以采用如图8所示的结构。

图8为利用本发明的增益模块20构成的主振荡器结构示意图。其中76、84为激光腔镜，分别为全反镜和部分反射镜。78为调Q装置，80为偏振片，86表示出射激光。

在板条22内吸收泵浦光的区域温度会升高。为了冷却板条22，可以采用不同的冷却方法，传导和对流冷却系统都是适合的。

为了减小板条22和制冷器之间的热阻，采用一层热传导层，由柔软的金属构成，比如铟层或者金层。装配时，需要加热制冷器/铟层/板条，例如150℃，使铟层软化以消除接触阻抗。

在传导或者对流冷却中，板条22的上下表面是一层电介质材料作为倏逝波保护层48，防止在全反射中倏逝波的能量泄漏，如图2a所示。倏逝波保护层48使板条22能够直接粘结在冲击制冷器上。MgF₂或SiO₂层(厚度2-4微米)可以作为倏逝波保护层48。

Claims

1.一种用于板条的角泵浦方法，其特征在于：该方法使泵浦光从板条的角部到板条内部。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：板条角平面对泵浦波长高透，板条侧平面对泵浦波长高反。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：激光光束在板条内的两个反射面之间沿着之字形光路传播。

4.实施如权利要求1所述方法的一种角泵浦固体激光增益模块，包括由固体激光材料构成的具有入射面和出射面的板条以及泵浦光源，其特征在于：采用角泵浦结构，该结构是将泵浦光源放置在板条的角部位置，其泵浦光从板条的角部平面入射到板条内部。

5.按照权利要求4所述的角泵浦固体激光增益模块，其特征在于：所述的板条具有四个角面。

6.按照权利要求4所述的角泵浦固体激光增益模块，其特征在于：所述板条由中心部分和四周部分组成，中心部分包括一个或多个掺杂区域，四周部分为不掺杂区域。

7.按照权利要求6所述的角泵浦固体激光增益模块，其特征在于：所述板条中心掺杂区域的横截面形状为长方形、正方形或圆形。

8.按照权利要求4所述的角泵浦固体激光增益模块，其特征在于：所述板条的角面对泵浦波长镀增透膜。

9.按照权利要求4所述的角泵浦固体激光增益模块，其特征在于：所述的板条的侧面对泵浦波长镀全反膜。

10.按照权利要求4、5、6或7所述的角泵浦固体激光增益模块，其特征在于：激光入射面和出射面互成一定角度，且设置在板条的同一端。

11.按照权利要求4、5、6或7所述的角泵浦固体激光增益模块，其特征在于：激光入射面和出射面互成一定角度，且设置在板条的同一端，在板条的另一端设置与入射面和出射面对称的两个端面，并在该两个端面的入射光路和反射光路上分别安装一个平面反射镜。

12.按照权利要求4所述的角泵浦固体激光增益模块，其特征在于：所述的泵浦光源由二极管阵列和耦合装置组成，该耦合装置包括两个柱面透镜和一个导光镜，两个柱面透镜位于二极管阵列和导光镜之间，且彼此正交，分别平行于二极管的快轴和慢轴。

13.按照权利要求4所述的角泵浦固体激光增益模块，其特征在于：所述的泵浦光源由二极管阵列和耦合装置组成，该耦合装置采用光纤束。