專利名稱：：高光束質(zhì)量的ld泵浦固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型涉及激光二極管(LD)泵浦的固體激光器的制造技術(shù)。關(guān)于固體激光器的運(yùn)行問題人們大都只研究穩(wěn)模式運(yùn)行的熱穩(wěn)腔，對(duì)固體激光器的穩(wěn)功率運(yùn)行還沒有人報(bào)道。根據(jù)諧振腔變換圓的理論[張光寅，固體激光腔的動(dòng)力學(xué)分析，物理學(xué)報(bào)，Vol.40，1065(1991)]，對(duì)含有熱透鏡的激光器的固體激光腔型進(jìn)行分析，可以得到諧振腔在泵浦功率變化(從而熱透鏡焦距大幅度變化)時(shí)激光模式的變化情況。圖1是分析的結(jié)果，是激光棒處、鏡M1處、鏡M2處光斑wt，w1，w2隨熱透鏡光焦度的變化情況。(腔參數(shù)取l1＝100cm，R1＝40cm，l2＝100cm，R2＝50cm，λ＝1.06μm)。從圖1中看出，wt隨1/ft的變化曲線具有雙“U”型的特點(diǎn)。在“U”形曲線的底部有一個(gè)相對(duì)平緩的變化區(qū)，各有一相同的最小值，運(yùn)行于此最小值狀態(tài)時(shí)，熱擾對(duì)光模(w2，w1)的影響是最小的，這是人們所討論的穩(wěn)模式熱穩(wěn)腔。特別地，由wt的熱穩(wěn)性，易知激光棒處的模體積Vt也是熱穩(wěn)定的。然而，只從wt與Vt的熱穩(wěn)性，仍不足以得出，從激光棒抽取的激光功率在熱擾的情況下也是穩(wěn)定的結(jié)論。應(yīng)當(dāng)看到，腔的熱動(dòng)力學(xué)因子的變化基本上正比于光泵浦輸入功率的變化。光泵浦輸入功率的增減意味著激活介質(zhì)增益的相應(yīng)增減。因此，盡管在穩(wěn)模式狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，wt和Vt對(duì)熱擾不敏感，對(duì)從激光棒抽取的激光功率的穩(wěn)定性有所改善，但激活介質(zhì)的增益仍隨熱擾而變，因而激光輸出功率并不十分穩(wěn)定。為了尋找固體激光腔的穩(wěn)功率運(yùn)行的條件，有必要綜合考慮增益與衍射損耗對(duì)激光輸出功率的相反影響作用，以及它們隨腔的熱動(dòng)力因子1/ft的變化關(guān)系。對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的固體激光器，其輸出功率可表達(dá)為Pout~Gα+α0-1..........(1)]]>此處G為單程增益，α為激光棒的有限孔徑的限制作用引起的衍射損耗；α0為輸出耦合及激光棒的吸收、散射等引起的損耗，后者近似為常值，不隨1/ft而變。當(dāng)增加光泵浦輸入功率，使腔的熱動(dòng)力因子1/ft從低值向高值變化時(shí)，在開始進(jìn)入有效熱動(dòng)力穩(wěn)定區(qū)的低值邊界時(shí)，wf減小(見圖1)，α迅速減小，這時(shí)激活介質(zhì)的增益G的增加與α的減小一并起作用，使G≥α+α0，遂使激光器輸出功率大于0，并開始迅速上升，如圖2所示。當(dāng)光泵浦輸入功率繼續(xù)增加，使1/ft值進(jìn)入有效熱動(dòng)力穩(wěn)定區(qū)時(shí)，激光棒的有限孔徑φ足以容許wt模低衍射損耗地振蕩，這時(shí)α＝0，激光器輸出功率的增加主要與激活介質(zhì)的增益G的增加有關(guān)，即有Pout～G/α0-1，因而，Pout隨G的增加呈線性增長的趨勢。直至1/ft增大至有效動(dòng)力穩(wěn)定區(qū)的高值邊界附近時(shí)，wt又迅速地增大(見圖1)。當(dāng)其開始超過激光棒的有限孔徑所允許的上限wt*時(shí)，激光棒的有限孔徑的限制所引起的衍射損耗α又迅速地增大，致使激光器輸出功率的增加趨勢很快地減慢；繼而轉(zhuǎn)向下降，直至G＝α+α0時(shí)，輸出功率下降至零。在這之前，應(yīng)出現(xiàn)激光輸出功率曲線的峰值轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這相當(dāng)于激活介質(zhì)增益G的增大作用恰好被衍射損耗α的增大作用所抵消之時(shí)。這個(gè)峰值轉(zhuǎn)折點(diǎn)就發(fā)生在兩個(gè)有效熱動(dòng)力穩(wěn)定區(qū)的高端邊界附近。當(dāng)固體激光腔運(yùn)行在這兩個(gè)熱動(dòng)力狀態(tài)時(shí)，激光器輸出功率處于峰值，此時(shí)dPoutd(1/ft)=0.......(2)]]>激光輸出功率曲線上存在一個(gè)相對(duì)平坦區(qū)，此處激光輸出功率最小受熱擾的影響。滿足上述運(yùn)行條件的激光腔是為穩(wěn)功率熱穩(wěn)腔。由于α(1/ft)與α0等因素的復(fù)雜性，嚴(yán)格地計(jì)算激光輸出功率曲線是困難的。在圖2中，根據(jù)上面的描述，定性地給出激光輸出功率曲線的示意圖。在連續(xù)NdYAG激光器的實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了上述分析結(jié)論(見圖3)[LinMei-rongetal.，CWNdYAGthermo-stableresonatorsoperatinginpower-steadystates，ACTAPhys.Sin.4(1995)254]當(dāng)固體激光腔運(yùn)行于穩(wěn)功率熱動(dòng)力狀態(tài)時(shí)，不僅輸出功率穩(wěn)定，而且還可以在自孔徑限模下以最大基模光斑尺寸wφ高峰值功率輸出，且光束質(zhì)量改善。最近，SusumuKonno等人的研究結(jié)果[SusumuKonnoetal.，206Wcontinuous-waveTEM00mode1064nmbeamgenerationbyalaser-diode-pumpedNdYAGrodlaseramplifier，AppliedphysicsLetters，79(2001)2696-2697]也同樣地表示，當(dāng)激光器運(yùn)行于熱動(dòng)力穩(wěn)定區(qū)的高端時(shí)，輸出功率最大，光束的M2數(shù)為1.34。因此，在一些主要只要求高光束質(zhì)量穩(wěn)功率的激光應(yīng)用中，使激光器運(yùn)行于穩(wěn)功率狀態(tài)是可取的。商用固體激光器多采用平直固體激光腔(或稱為平行平面腔)，見圖4，對(duì)這種激光腔，根據(jù)變換圓理論可求出激光棒處的基模光斑尺寸，光斑尺寸隨熱透鏡焦距的變化關(guān)系如圖5所示從曲線(4)到曲線(1)，隨著l2的加長，基模光斑尺寸的最低值依次增大，但動(dòng)力穩(wěn)定區(qū)依次變窄，也就是說光束質(zhì)量逐漸提高，但最大輸出功率逐漸下降。其中的曲線(4)是準(zhǔn)對(duì)稱腔的情況，在這種情況下，從圖中可以看出穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域較大(若為對(duì)稱的兩區(qū)可以連在一起)，可以達(dá)到較高的輸出功率，同時(shí)基模光斑尺寸很小，隨抽運(yùn)功率的增加，當(dāng)基模光斑小到一定程度時(shí)將產(chǎn)生高階模，輸出功率上升，隨著抽運(yùn)功率的進(jìn)一步增加，基模光斑尺寸增大(從圖中可以看出，增大的并不明顯)，多?？梢缘玫讲糠忠种疲话銇碚f抽運(yùn)光功率不能無限的增加，所以這種情況下，系統(tǒng)為多模運(yùn)行，光束質(zhì)量不好。從曲線(1)可以看出，此時(shí)基模光斑的最小值較大，激光器基本上是基模運(yùn)行，但動(dòng)力穩(wěn)定區(qū)較窄，功率不會(huì)很高。本實(shí)用新型包括全反鏡、激光介質(zhì)、輸出鏡與諧振腔構(gòu)成，其特征是增大諧振腔一臂的腔長，使激光器運(yùn)行在穩(wěn)功率點(diǎn)上(如圖5的曲線(3))，使得在保證高功率輸出的同時(shí)提高光束質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)將低光束質(zhì)量的商用固體激光器改造為高光束質(zhì)量、高功率輸出的固體激光器。所述的諧振腔一臂即輸出鏡距激光介質(zhì)的距離是30-500mm。所述的諧振腔可采用平行腔、V型腔或Z型腔。所述的固體激光器是LD泵浦固體激光器或燈泵浦的激光器。所述的LD泵浦的固體激光器，其全反鏡距激光棒30mm，棒長60mm，輸出鏡距激光棒132mm時(shí)能實(shí)現(xiàn)激光的高功率、高光束質(zhì)量運(yùn)行，從而成為高光束質(zhì)量(M2≤5)的LD泵浦固體激光器。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)非常簡單、制造方便，不需附加任何成本，但能把低光束質(zhì)量的激光器改造為高光束質(zhì)量高功率的激光器，其經(jīng)濟(jì)效益是很大的。圖1諧振腔腔鏡與激光棒處光斑大小與熱透鏡光焦度的關(guān)系。圖2固體激光器輸出功率曲線的定性描寫。圖3實(shí)驗(yàn)中測得的輸入輸出功率曲線與計(jì)算所得的wt～ft-1的關(guān)系。圖4平直腔的結(jié)構(gòu)圖。圖5U形曲線，其中取l1為30mm，各曲線的l2分別為(1)l2＝225mm(2)l2＝132mm(3)l2＝78mm(4)l2＝31mm。權(quán)利要求1.一種高光束質(zhì)量的固體激光器，包括全反鏡、激光介質(zhì)、輸出鏡，諧振腔，其特征在于增大激光器諧振腔一臂的長度，使激光器運(yùn)行在穩(wěn)功率點(diǎn)上，構(gòu)成的固體激光器。2.按照權(quán)利要求1所述的高光束質(zhì)量的固體激光器，其特征在于所述的諧振腔采用平行腔、V型腔或Z型腔。3.按照權(quán)利要求1所述的高光束質(zhì)量的固體激光器，其特征在于所述的固體激光器是LD泵浦固體激光器或燈泵浦的激光器。4.權(quán)利要求1-3所述的高光束質(zhì)量的固體激光器，其特征在于所述的諧振腔一臂即輸出鏡距激光介質(zhì)的距離是30-500mm。5.按照權(quán)利要求3所述的高光束質(zhì)量的固體激光器，其特征在于所述的LD泵浦的固體激光器，其全反鏡距激光棒30mm，棒長60mm，輸出鏡距激光棒132mm。專利摘要本實(shí)用新型涉及激光二極管(LD)泵浦的固體激光器的制造技術(shù)。本實(shí)用新型包括全反鏡、激光介質(zhì)、輸出鏡，諧振腔，增大激光器諧振腔一臂的腔長，使激光器運(yùn)行在穩(wěn)功率點(diǎn)上。本實(shí)用新型用于解決LD泵浦的固體激光器在高功率輸出時(shí)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量的問題。結(jié)構(gòu)非常簡單、方便，LD泵浦激光器的激光輸出光束質(zhì)量得到極大的改善，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。文檔編號(hào)H01S3/08GK2562459SQ0223834公開日2003年7月23日申請日期2002年7月3日優(yōu)先權(quán)日2002年7月3日發(fā)明者張光寅,丁欣,焦志勇,顏彩繁,張潮波,沙作金,高文靖申請人:南開大學(xué)