CN212676600U - 一种优化激光晶体吸收泵浦光的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种优化激光晶体吸收泵浦光的装置包括第一分光组件和第二分光组件，第一分光组件包括：第一偏振分光棱镜、第一半波片、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、二向色镜和激光晶体；第二分光组件包括与第一分光组件共用的激光晶体和二向色镜，第二分光组件还包括与第一分光组件中心对称设置的第二偏振分光棱镜、第二半波片、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜。由于设置偏振分光棱镜，将泵浦光的水平、垂直偏振光分离并投射至激光晶体的两端，提高激光晶体的吸收效率；入射四束泵浦光，有效地抬高激光晶体中间的光强，使泵浦光强更加均匀，减小热应力的影响，提高光束质量；通过调节反射镜使种子光和泵浦光耦合模体积最大。

Description

一种优化激光晶体吸收泵浦光的装置

技术领域

本实用新型属于激光技术领域，尤其涉及一种优化激光晶体吸收泵浦光的装置。

背景技术

目前的脉冲激光技术中，光纤激光器种子光通过固体光放大系统是一种已工业化生产的成熟技术。此技术的光脉冲稳定性高，并且单脉冲能量高于单根尾纤输出的光纤激光器。具备光束质量好，效率高，散热特性好，结构紧凑，可靠性高等优点。集成光纤和固体是目前的一种技术趋势。

现有技术中固体MOPA系统多采用LD激光器单双侧端泵激光晶体，导致部分泵浦激光未能够充分被晶体吸收而从另一端射出。并且LD激光器偏振方向随机，与激光晶体的吸收偏振性质没有完全匹配。这两个方面都会造成增益晶体不能充分吸收泵浦光能量，影响光放大效果。且LD激光器耦合光纤输出后的数值孔径大约为0.2左右，发散角比较大，光束质量M2一般都超过10。这样导致在现有技术中通过聚焦透镜聚焦到晶体前表面的激光束在晶体内发散比较快。使得泵浦端泵浦能量密度大、远端处能量密度小，造成泵浦不均匀，对于激光晶体内产生的内应力也分布不均匀，不利于种子光提取能量，也对激光的光斑质量造成影响。

因此，本实用新型针对这两个方面进行优化，使泵浦光更加有效和均匀的入射的到激光晶体中，提高光光转化效率。

实用新型内容

本实用新型的技术目的是提供一种优化激光晶体吸收泵浦光的装置包括第一分光组件和第二分光组件，第一分光组件包括：第一偏振分光棱镜、第一半波片、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、二向色镜和激光晶体；

第一偏振分光棱镜设置于外部泵浦光的入射方向上，将外部泵浦光分离成水平偏振光及垂直偏振光；第一偏振分光棱镜与第一聚焦透镜光连接，传递水平偏振光给第一聚焦透镜，第一聚焦透镜经二向色镜与激光晶体的一端光连接，激光晶体吸收外部泵浦光的水平偏振光；

第一偏振分光棱镜与第一半波片光连接，传递垂直偏振光给第一半波片，第一半波片经第二聚焦透镜与激光晶体的另一端光连接，激光晶体吸收外部泵浦光的垂直偏振光；

第二分光组件包括与第一分光组件共用的激光晶体和二向色镜，第二分光组件还包括与第一分光组件关于激光晶体中心对称设置的第二偏振分光棱镜、第二半波片、第三聚焦透镜及第四聚焦透镜，第二分光组件内部件的连接关系与第一分光组件内相对应的部件的连接关系相同。

进一步优选地，还包括分别与第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜光连接的第一泵浦源组件、第二泵浦源组件；

第一泵浦源组件包括：第一泵浦源、第三半波片，第一泵浦源经第三半波片与第一偏振分光棱镜光连接；

第二泵浦源组件包括：第二泵浦源、第四半波片，第二泵浦源经第四半波片与第二偏振分光棱镜光连接。

进一步优选地，还包括种子光组件，种子光组件包括：种子光源、第五聚焦透镜和功率计，种子光源经第五聚焦透镜与激光晶体光连接，激光晶体与功率计光连接。

进一步优选地，还包括设于第一分光组件内的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，设于第二分光组件内的第四反射镜、第五反射镜和第六反射镜，设于种子光组件内的第七反射镜和第八反射镜；

第一反射镜分别与第一聚焦透镜、二向色镜光连接，第二反射镜分别与第一半波片、第二聚焦透镜光连接，第三反射镜分别与第二聚焦透镜、激光晶体光连接；

第四反射镜分别与第三聚焦透镜、激光晶体光连接，第五反射镜分别与第二半波片、第四聚焦透镜光连接，第六反射镜分别与第四聚焦透镜、二向色镜光连接；

第七反射镜分别与第五聚焦透镜、激光晶体光连接，第八反射镜分别与激光晶体、功率计光连接。

一种优化激光晶体吸收泵浦光的装置，包括分光组件，分光组件包括：偏振分光棱镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一二向色镜、第二二向色镜、半波片、第一反射镜、第二反射镜和激光晶体；

偏振分光棱镜设置于外部泵浦光的入射方向上，将外部泵浦光分离成水平偏振光及垂直偏振光；偏振分光棱镜与第一聚焦透镜光连接，传递水平偏振光给第一聚焦透镜，第一聚焦透镜经第一二向色镜与激光晶体的一端光连接，激光晶体吸收外部泵浦光的水平偏振光，

偏振分光棱镜与第一反射镜光连接，传递垂直偏振光给第一反射镜，第一反射镜经半波片、第二反射镜、第二聚焦透镜、第二二向色镜与激光晶体的另一端光连接，激光晶体吸收外部泵浦光的垂直偏振光。

进一步优选地，还包括泵浦源，泵浦源与偏振分光棱镜光连接。

进一步优选地，还包括种子光源，种子光源与第一二向色镜光连接。

本实用新型由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

(1)本实用新型中设置偏振分光棱镜，对将入射的泵浦光的水平偏振光和垂直偏振光分离，使上述两种光投射至激光晶体的两端，增大了激光晶体的吸收效率；

(2)本实用新型中的优化激光晶体吸收泵浦光装置，入射四束泵浦光并成小角度入射，有效地抬高激光晶体中间的光强，使泵浦光强更加均匀，从而提高减小热应力的影响，提高光束质量，且有利于种子光提取能量，提升激光的光斑质量；

(3)本实用新型中的优化激光晶体吸收泵浦光装置可通过调节若干反射镜的角度，泵浦光成2至3度小角度入射，种子光也呈一定小角度入射及出射，使种子光和泵浦光耦合的模体积最大以得到更加有效的光放大。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。

图1为本实用新型一个实施例中的优化激光晶体吸收泵浦光的装置的结构示意图；

图2为本实用新型一个实施例中的优化激光晶体吸收泵浦光的装置的结构示意图；

图3为本实用新型一个实施例中的激光晶体为Nd：YVO4偏振吸收光谱示意图；

图4为本实用新型一个实施例中的激光晶体为Nd：GdVO4水平偏振方向的吸收率曲线示意图；

图5为本实用新型一个实施例中的激光晶体为Nd：GdVO4垂直偏振方向的吸收率曲线示意图；

图6为本实用新型一个实施例中的激光晶体内泵浦分布示意图；

图7为现有技术中心的单端泵浦光强入射激光晶体时晶体内光强分布曲线；

图8为现有技术中心的双端泵浦光入射激光晶体时激光晶体内光强分布曲线；

图9为本实用新型一个实施例中的泵浦光入射激光晶体时激光晶体内光强分布曲线。

附图标记说明：

1-1至1-3：LD激光器；2-1至2-5：半波片；3-1至3-3：偏振分光棱镜；4-1至4-7：聚焦透镜；5-1至5-10：反射镜；6-1至6-3：二向色镜；7-1至7-2：激光晶体；8-1至8-2：种子光源；9：功率计。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种优化激光晶体7吸收泵浦光的装置作进一步详细说明。根据下面说明，本实用新型的优点和特征将更清楚。

由于各实施例中的各相同部件所起到的作用是相同的，因此后续为方便对实施例进行说明，对相同部件不进行细分。

实施例1

参看图1，本实施例提供一种优化激光晶体吸收泵浦光的装置，现根据实际光路结合本实施例进行详细说明。本实施例的主要结构为呈中心对称设置的两个相同结构拼接组合而成，因此只对其中一结构进行详细说明。

参看图1，在本实施例中，LD激光器1-1产生泵浦光，LD激光器1-1设置在带扩束透镜的镜筒内，LD激光器1-1的尾纤端口放置在该扩束透镜的焦点处，扩束后的泵浦光形成类似于平顶波的光输入至半波片2-2，该半波片2-2将随机偏振方向的泵浦光调节为电矢量E_x、E_y分量相等的泵浦光。调节后的泵浦光输入至偏振分光棱镜3-1，偏振分光棱镜3-1将输入的光分成偏振方向相互垂直的两束光：水平偏振光和垂直偏振光，并且水平偏振光的出射方向与垂直偏振光出射方向相互垂直。

其中，在一条光路上，水平偏振光从偏振分光棱镜3-1射出后，经聚焦透镜4-1、反射镜5-1、二向色镜6-1输入至激光晶体7-1的一端。具体地，在本实施例中，水平偏振光经过的聚焦透镜4-1为平凸透镜，水平偏振光穿过该透镜时，透镜把水平偏振光沿轴向聚焦至反射镜5-1上，减少泵浦光的损失。在该光路上，微调反射镜5-1，使45°入射的水平偏振光成一定小角度入射二向色镜6-1，一般以2-3°小角度入射，即对于该反射镜5-1出射方向与入射方向呈92-93°。在本实施例中，二向色镜6-1对泵浦光高透，对种子光高反，因此水平偏振光会穿透二向色镜6-1直至激光晶体7-1的一端。

此外，在另一条光路上，垂直偏振光从偏振分光棱镜3-1射出后，经半波片2-1、反射镜5-2、聚焦透镜4-2、反射镜5-3至激光晶体7-1的另一端。具体地，垂直偏振光经过半波片2-1后旋转为第二水平偏振光，第二水平偏振光以45°入射，经反射镜5-2以45°反射至聚焦透镜4-2。在该光路中，聚焦透镜4-2与上一光路的聚焦透镜4-1作用相同，其将第二水平偏振光沿轴向聚焦至下一反射镜5-3上，减少泵浦光的损失。沿第二水平偏振光行进方向的第二个反射镜5-3同样需要微调，使45°入射的第二水平偏振光同样成一定小角度入射至激光晶体7-1的另一端，一般以2-3°小角度入射。

较优地，参看图1，在本实施例中还包括种子光组件，种子光组件包括：种子光源8-1、聚焦透镜4-5、功率计9和两面反射镜。结合种子光光路与上述部件进行详细说明，种子光源8-1发射种子光，该种子光经聚焦透镜4-5输送至反射镜5-7。种子光经反射镜5-7小角度入射至激光晶体7-1的一端，该端为第二水平偏振光入射的一端，经激光晶体7-1出射至二向色镜6-1，由于二向色镜6-1的特性，种子光在二向色镜6-1表面进行反射，反射后的种子光经激光晶体7-1、另一面反射镜5-8输送至功率计9测量功率，种子光经过两次激光晶体7-1后受其两次增益。具体地，在种子光光路上的两面反射镜也需要进行微调，使种子光与激光晶体7-1内的泵浦光重叠模体积最大，光功率达到最大值。

较优地，本实施例中的激光晶体7-1为具备偏振吸收特性的晶体。此类晶体包括Nd：YVO4，Yb:YVO4，Nd:GdVO4，Nd：LuVO4等。其中，Nd:YVO4、Nd:GdVO4的吸收谱具体参看图3至图5。

现对本实施例的原理进行详细说明：

本实施例中，参看图1，利用偏振分光棱镜3-1将泵浦光中不同偏振方向的光分离，通过半波片2-1将泵浦光中垂直偏振方向的泵浦光旋转为水平偏振方向，将旋转后的泵浦光从另一端投射到激光晶体7-1，如此既加大了晶体的吸收率又使泵浦光更加均匀的泵浦在晶体两端，从而提高光转化率，实现更高的光放大。

因此，本实施例的目的为充分利用LD激光器的泵浦光，LD激光器是目前光纤激光器和固体激光器的主流泵浦源，其特点是偏振方向随机。但是由于大多数激光晶体对不同偏振方向的吸收截面不同，参看图3，以Nd:YVO4晶体为例，从其吸收谱可以看出，其水平偏振方向的吸收截面大于垂直偏振方向的吸收截面。参看图7和图8，由于LD激光器耦合光纤输出后的数值孔径大约为0.2左右，发散角比较大，光束质量M²一般都超过10，如此现有技术中单、双端通过聚焦透镜聚焦到晶体前表面的激光束在晶体内发散比较快，使得泵浦端泵浦能量密度大、远离端小，造成泵浦不均匀，对于激光晶体内产生的内应力也分布不均匀，具体参看图7，单侧端泵，泵浦光进入晶体后指数衰减；具体参看图8，双端泵浦，泵浦光强两端大中间小。参看图6和图9，本实用新型的泵浦方式通过四束泵浦光入射点分离并成小角度入射的方法，有效的抬高激光晶体中间的光强，使泵浦光强更加均匀，这样可以提高减小热应力的影响，提高光束质量。

具体地，激光晶体的吸收效率η_α的公式为：

其中，

为激光晶体的吸收系数，C₂为偏振特征相关系数，l为激光晶体的长度，对于有偏振吸收特性的晶体，不同偏振方向的C₂不同，则吸收系数不同。例如Nd：GbVO4晶体其水平偏振方向的吸收系数是垂直方向的5倍。

进一步地，晶体吸收泵浦光功率P_abs公式为：

P_abs＝η_αP_in

其中，P_in为泵浦光功率；

进一步地，泵浦速率R的公式为：

可知，吸收系数

越高，则泵浦速率R越大，可以获得更高的小信号增益系数，从而使种子光得到更为优秀的放大效果。

实施例2

参看图2，本实施例提供一种结构有别于实施例1的优化激光晶体吸收泵浦光的装置，现根据实际光路结合本实施例进行详细说明。

参看图2，在本实施例中，LD激光器1-3产生泵浦光，LD激光器1-3设置在带扩束透镜的镜筒内，LD激光器1-3的尾纤端口放置在该扩束透镜的焦点处，扩束后的泵浦光形成类似于平顶波的光输入至偏振分光棱镜3-3，偏振分光棱镜3-3将输入的光分成偏振方向垂直的两束光：水平偏振光和垂直偏振光，并且水平偏振光的出射方向与垂直偏振光出射方向相互垂直。

其中，在一条光路上，水平偏振光从偏振分光棱镜3-3射出后，经聚焦透镜4-6、二向色镜6-2输入至激光晶体7-2的一端。具体地，在本实施例中，水平偏振光穿过该透镜时，透镜把水平偏振光沿轴向聚焦至二向色镜6-2上，以减少泵浦光的损失。在该光路上，其二向色镜6-2高反45°入射的种子光，高透45°入射的水平偏振光，因此水平偏振光会穿透二向色镜6-2直至激光晶体7-2的一端。

此外，在另一条光路上，垂直偏振光从偏振分光棱镜3-3射出后，经反射镜5-9、半波片2-5、反射镜5-10、聚焦透镜4-7、二向色镜6-3至激光晶体7-2的另一端。具体地，垂直偏振光经过半波片2-5后旋转为第二水平偏振光，第二水平偏振光经反射镜5-10反射至聚焦透镜4-7，在该光路中，聚焦透镜4-7与上一光路的聚焦透镜4-6作用相同，其将第二水平偏振光沿轴向聚焦至下一二向色镜6-3上，以减少泵浦光的损失。在该第二水平偏振光光路上，其二向色镜6-3高透45°入射的种子光，高反45°入射的水平偏振光，因此第二水平偏振光会在二向色镜6-3表面反射并输送至激光晶体7-2的另一端。

较优地，本实施例中还包括种子光源8-2，该种子光源8-2发射种子光至水平偏振光光路上的二向色镜6-2，由于该二向色镜6-2具备高反45°入射的种子光特性，因此种子光经二向色镜6-2反射至激光晶体7-2实现放大。种子光穿透激光晶体7-2后输入至二向色镜6-3，而由于该二向色镜6-3对45°入射的种子光高透，因此放大后的种子光从该二向色镜6-3出射。在本实施例中，种子光只经一次激光晶体7-2受其一次增益。

本实施例与实施例1的技术手段与原理相同：将单一LD激光器的泵浦光一分为二并分别投射至激光晶体，因此不再过多赘述。相较于现有技术，本实施例同样可以抬高激光晶体中间的光强，使泵浦光强更加均匀，以此减小热应力的影响，提高光束质量。由于其只有两束泵浦光入射激光晶体7-2，因此其光强均匀性稍差实施例1，但其相较于实施例1更为精简、构造更为简单、搭建方便。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式。即使对本实用新型作出各种变化，倘若这些变化属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本实用新型的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种优化激光晶体吸收泵浦光的装置，其特征在于，包括第一分光组件和第二分光组件，所述第一分光组件包括：第一偏振分光棱镜、第一半波片、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、二向色镜和激光晶体；

所述第一偏振分光棱镜设置于外部泵浦光的入射方向上，将外部泵浦光分离成水平偏振光及垂直偏振光；所述第一偏振分光棱镜与所述第一聚焦透镜光连接，传递水平偏振光给所述第一聚焦透镜，所述第一聚焦透镜经所述二向色镜与所述激光晶体的一端光连接，所述激光晶体吸收外部泵浦光的水平偏振光；

所述第一偏振分光棱镜与所述第一半波片光连接，传递垂直偏振光给所述第一半波片，所述第一半波片经所述第二聚焦透镜与所述激光晶体的另一端光连接，所述激光晶体吸收外部泵浦光的垂直偏振光；

所述第二分光组件包括与所述第一分光组件共用的所述激光晶体和所述二向色镜，所述第二分光组件还包括与所述第一分光组件关于所述激光晶体中心对称设置的第二偏振分光棱镜、第二半波片、第三聚焦透镜及第四聚焦透镜，所述第二分光组件内部件的连接关系与所述第一分光组件内相对应的部件的连接关系相同。

2.根据权利要求1所述的优化激光晶体吸收泵浦光的装置，其特征在于，还包括分别与所述第一偏振分光棱镜、所述第二偏振分光棱镜光连接的第一泵浦源组件、第二泵浦源组件；

所述第一泵浦源组件包括：第一泵浦源、第三半波片，所述第一泵浦源经所述第三半波片与所述第一偏振分光棱镜光连接；

所述第二泵浦源组件包括：第二泵浦源、第四半波片，所述第二泵浦源经所述第四半波片与所述第二偏振分光棱镜光连接。

3.根据权利要求1所述的优化激光晶体吸收泵浦光的装置，其特征在于，还包括种子光组件，所述种子光组件包括：种子光源、第五聚焦透镜和功率计，所述种子光源经所述第五聚焦透镜与所述激光晶体光连接，所述激光晶体与所述功率计光连接。

4.根据权利要求3所述的优化激光晶体吸收泵浦光的装置，其特征在于，还包括设于所述第一分光组件内的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，设于所述第二分光组件内的第四反射镜、第五反射镜和第六反射镜，设于所述种子光组件内的第七反射镜和第八反射镜；

所述第一反射镜分别与所述第一聚焦透镜、所述二向色镜光连接，所述第二反射镜分别与所述第一半波片、所述第二聚焦透镜光连接，所述第三反射镜分别与所述第二聚焦透镜、所述激光晶体光连接；

所述第四反射镜分别与所述第三聚焦透镜、所述激光晶体光连接，所述第五反射镜分别与所述第二半波片、所述第四聚焦透镜光连接，所述第六反射镜分别与所述第四聚焦透镜、所述二向色镜光连接；

所述第七反射镜分别与所述第五聚焦透镜、所述激光晶体光连接，所述第八反射镜分别与所述激光晶体、所述功率计光连接。

5.一种优化激光晶体吸收泵浦光的装置，其特征在于，包括分光组件，所述分光组件包括：偏振分光棱镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一二向色镜、第二二向色镜、半波片、第一反射镜、第二反射镜和激光晶体；

所述偏振分光棱镜设置于外部泵浦光的入射方向上，将外部泵浦光分离成水平偏振光及垂直偏振光；所述偏振分光棱镜与所述第一聚焦透镜光连接，传递水平偏振光给所述第一聚焦透镜，所述第一聚焦透镜经所述第一二向色镜与所述激光晶体的一端光连接，所述激光晶体吸收外部泵浦光的水平偏振光，

所述偏振分光棱镜与所述第一反射镜光连接，传递垂直偏振光给所述第一反射镜，所述第一反射镜经所述半波片、所述第二反射镜、所述第二聚焦透镜、所述第二二向色镜与所述激光晶体的另一端光连接，所述激光晶体吸收外部泵浦光的垂直偏振光。

6.根据权利要求5所述的优化激光晶体吸收泵浦光的装置，其特征在于，还包括泵浦源，所述泵浦源与所述偏振分光棱镜光连接。

7.根据权利要求5所述的优化激光晶体吸收泵浦光的装置，其特征在于，还包括种子光源，所述种子光源与所述第一二向色镜光连接。

Images