CN1845402A - 增益介质为板条状分段掺杂的固体激光增益模块 - Google Patents
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Abstract
增益介质为板条状分段掺杂的固体激光增益模块，涉及一种固体激光增益模块。本发明采用侧面泵浦或棱边泵浦方式，主要技术特征是固体激光增益模块采用分段掺杂的板条状增益介质，增益介质的掺杂浓度从泵浦面沿泵浦光主方向逐渐增加，各掺杂区段的长度相同或不同。本发明与现有技术相比，有效提高了激光增益介质内热量的均匀性，进一步降低了增益介质的热应力，消除热透镜效应和热致双折射效应，提高了固体激光增益模块的稳定性和可靠性，扩大了固体激光器向高功率扩展的空间。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体激光增益模块，具体是指一种具有板条状分段掺杂增益介质的固体激光增益模块，可用于高功率固体激光器以及固体激光放大器中。
背景技术
高功率固体激光装置工作时需注入大量泵浦光，其增益介质吸收泵浦光后会产生大量的热。泵浦不均匀将导致增益介质内热量分布不均匀，使之产生较大的热应力而容易碎裂。泵浦不均匀还会产生热透镜效应和热致双折射效应，这些都会限制固体激光装置的输出功率和光束质量以及工作的稳定性和可靠性。
提高泵浦均匀性可以减小增益介质内的热应力，消除热透镜效应和热致双折射效应，是提高固体激光装置的输出功率和保证工作稳定性的有效方法。高功率固体激光装置中，板条状增益介质具有泵浦方式灵活多样的特点，可以通过优化泵浦方式来提高泵浦效率并改善泵浦均匀性。如图1所示，为板条状增益介质1的各种泵浦方式，以激光6的输出方向为参照，包含端面泵浦2、侧面泵浦3、角泵浦4、棱边泵浦5等方式。其中角泵浦4和棱边泵浦5应用全反射原理，泵浦光在增益介质中沿之字形(Zig-Zag)光路被往复反射传播、反复吸收，等效于增加了增益介质的吸收长度，提高了增益介质的吸收效率，改善了泵浦均匀性。但由于现有板条状增益介质掺杂浓度单一，内部各处吸收效率相同。泵浦光能量沿传播方向成指数衰减，各处吸收的泵浦光能量(吸收效率与泵浦光能量的乘积)也成指数衰减。因此单纯采用优化泵浦方式的方法还不能有效地提高泵浦的均匀性。如图2所示，即使采用角泵浦方式或棱边泵浦方式，单一掺杂浓度的增益介质7吸收泵浦源8的泵浦光后，内部仍存在较大温差。
发明内容
针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明的目的是提供一种增益介质为板条状分段掺杂的激光增益模块，提高泵浦的均匀性，使增益介质具有热应力小，消除热透镜效应和热致双折射效应的特点。激光增益模块具有输出功率大，工作稳定可靠的优点。
本发明的技术方案如下：
一种增益介质为板条状分段掺杂的固体激光增益模块，含有泵浦源、板条状增益介质和谐振腔镜，所述板条状增益介质采用侧面泵浦或棱边泵浦，其特征在于：所述的增益介质由两端部分和中心部分组成，两端部分不掺杂区域，中心部分由数个掺杂浓度不同的区段键合而成；当采用单侧泵浦时，各区段沿泵浦光主方向按掺杂浓度由低到高排列，当采用双侧对称泵浦时，各区段的掺杂浓度对称分布，从泵浦面沿泵浦光主方向掺杂浓度由低到高逐渐增加。
本发明所述的不同掺杂浓度区段的吸收长度相同或不同。掺杂浓度的变化为线性的或非线性的。
在本发明所述的增益介质为板条状分段掺杂的固体激光增益模块中，所述的泵浦光的入射面镀对泵浦波长镀高透膜。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性进步：采用侧向泵浦分段掺杂板条状增益介质的方法，使增益介质各区段吸收的泵浦光能量相近，有效提高了激光增益介质内热量的均匀性，进一步降低了增益介质的热应力，消除热透镜效应和热致双折射效应，提高了固体激光增益模块的稳定性和可靠性，扩大了固体激光器向高功率扩展的空间。
附图说明
图1为现有板条状增益介质泵浦方式示意图。
图2为双侧对称泵浦单一掺杂浓度的板条状增益介质内的温度分布示意图。
图3为本发明提出的增益介质为板条状分段掺杂的固体激光增益模块示意图。
图4(a)为用于单侧泵浦时的分段掺杂板条状增益介质结构示意图。
图4(b)为用于双侧对称泵浦时的分段掺杂板条状增益介质结构示意图。
图中1-板条状增益介质；2-端泵浦；3-侧泵浦；4-角泵浦；5-棱边泵浦；6-输出激光；7-单一掺杂浓度的板条状增益介质；8-泵浦源；9-分段掺杂的板条状增益介质；10-镀全反膜的腔镜；11-激光出射腔镜；12-泵浦面；13-增益介质中心部分；14-增益介质两端部分。
具体实施方式
本发明提出的增益介质为板条状分段掺杂的固体激光增益模块，包含泵浦源8，分段掺杂的板条状增益介质9以及镀全反膜的腔镜10和激光出射腔镜11。如图3所示，以单侧面泵浦方式为例，分段掺杂的板条状增益介质9的侧面12为泵浦面，对应泵浦光波长镀增透膜；泵浦源8设置在分段掺杂的板条状增益介质9的侧面，泵浦光的主方向与增益介质的泵浦面垂直；激光6在镀全反膜的腔镜10和激光出射腔镜11之间被往复反射并被放大，最终从腔镜11出射。
如图4(a)所示，分段掺杂的板条状增益介质9整体为板条状，由增益介质中心部分13和增益介质两端部分14组成。增益介质中心部分13为工作物质，如掺有稀土元素的基质材料(Nd:YAG、Yb:YAG)；为保证充分散热，减小增益介质中心部分13两端的热量，增益介质两端部分14是不掺杂的基质材料，如钇钕石榴石(YAG)，键合在增益介质中心部分13的两侧。
增益介质中心部分13由数个掺杂浓度不同的区段键合而成。各区段均为板条状，键合面尺寸相同。各区段的吸收长度相同或不同。泵浦光从泵浦面12入射时，各区段按掺杂浓度由低到高沿泵浦光方向依次排列。图中n1、n2、n3、……表示由低到高的掺杂浓度。掺杂浓度的变化为线性的或非线性的。适当选择各个区段的掺杂浓度和吸收长度，令各区段的掺杂浓度越来越高，则各区段的吸收效率也越来越高。虽然泵浦光能量随着在增益介质中的传播距离增加而减小，但各区段中泵浦光能量与吸收效率的乘积相近，使得各区段吸收的泵浦光能量相近，从而达到泵浦均匀化的目的。
根据板条状增益介质泵浦方式灵活多样的特点，分段掺杂的增益介质掺杂浓度的分布也相应的不同。当采用单侧泵浦时，增益介质中心部分13的掺杂浓度沿泵浦光主方向逐渐增加，如图4(a)所示。当采用双侧对称泵浦时，增益介质中心部分13的掺杂浓度也对称分布，其两端掺杂浓度最低，中心区段掺杂浓度最高，如图4(b)所示。
以上所述的单侧泵浦和双侧对称泵浦均适用于侧面泵浦和棱边泵浦两种方式。固体激光增益模块的谐振腔可以根据实际需要采用稳定腔或非稳定腔结构。
Claims (4)
1.一种增益介质为板条状分段掺杂的固体激光增益模块，含有泵浦源、板条状增益介质和谐振腔镜，所述板条状增益介质采用侧面泵浦或棱边泵浦，其特征在于：所述的增益介质由两端部分和中心部分组成，两端部分不掺杂，中心部分由数个掺杂浓度不同的区段键合而成；当采用单侧泵浦时，各区段沿泵浦光主方向按掺杂浓度由低到高排列，当采用双侧对称泵浦时，各区段的掺杂浓度对称分布，从泵浦面沿泵浦光主方向掺杂浓度由低到高逐渐增加。
2.如权利要求书1所述的增益介质为板条状的固体激光增益模块，其特征在于：不同掺杂浓度区段的吸收长度相同或不同。
3.如权利要求书1所述的增益介质为板条状的固体激光增益模块，其特征在于：掺杂浓度的变化为线性的或非线性的。
4.如权利要求书1、2或3所述固体激光增益模块，其特征在于：所述的泵浦光的入射面镀对泵浦波长镀高透膜。
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