激光晶體徑向非均勻摻雜控制泵浦光吸收分布的方法
【專利摘要】本發(fā)明的涉及激光晶體徑向非均勻摻雜控制泵浦光吸收分布的方法，其特征是：光纖耦合激光二極管光纖輸出端輸出的泵浦光經(jīng)過耦合系統(tǒng)的匯聚作用后，其光場分布用高斯分布或平頂高斯分布；徑向非均勻摻雜晶體的泵浦端面鍍泵浦光增透和振蕩高反雙層膜，輸出鏡為平面鏡，輸出鏡與晶體泵浦端面上的振蕩光高反膜組成平平諧振腔；工作過程中，在晶體中形成的熱透鏡可以簡單等效為徑向非均勻摻雜晶體泵浦端面處的薄透鏡，通過熱透鏡的匯聚作用，諧振腔變?yōu)榉€(wěn)定腔；在泵浦光分布區(qū)域和振蕩光分布區(qū)域確定的條件下，通過激光晶體的徑向非均勻摻雜優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)泵浦光分布區(qū)域與振蕩光分布區(qū)域的空間重合。本發(fā)明能獲得理想的空間耦合效率和光束質(zhì)量。
【專利說明】激光晶體徑向非均勻摻雜控制泵浦光吸收分布的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光二極管泵浦固體激光器，特別是激光二極管泵浦固體激光器的激光晶體徑向非均勻摻雜控制泵浦光吸收分布的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二極管泵浦固體激光器具有體積小、重量輕、全固態(tài)等優(yōu)點，得到了廣泛的關(guān)注。近年來,二極管泵浦固體激光器的輸出功率隨著泵浦源功率的增大而大幅度提升。大功率泵浦源的使用，所引發(fā)的最直接的問題就是晶體熱效應(yīng)問題。通過設(shè)計聚焦系統(tǒng)，適當(dāng)增加泵浦光的聚焦光斑，可以降低泵浦光功率密度，從而減弱晶體熱效應(yīng)，但這是靠犧牲基模的能量利用率來實現(xiàn)的，同時，大的泵浦光焦斑，意味著大的增益區(qū)域，多個高階模式可能同時獲得振蕩放大，從而光束質(zhì)量急劇惡化，如果采取內(nèi)腔限模的方法抑制高階模式振蕩，那么激光器轉(zhuǎn)換效率就會下降?？梢姡蠊β时闷謺r，熱效應(yīng)嚴(yán)重、光束質(zhì)量惡化、轉(zhuǎn)換效率下降等諸多問題可能會同時出現(xiàn)，對激光器的性能產(chǎn)生極為不利的影響。
[0003]為了獲得高轉(zhuǎn)換效率，就要提高激光器的光譜耦合效率、空間耦合效率，以及泵浦光的傳輸效率、吸收效率等。通過控制激光二極管陣列的工作溫度，可以實現(xiàn)泵浦光與徑向均勻摻雜晶體吸收譜的光譜匹配，獲得最大的光譜耦合效率。對于空間耦合效率問題，廣泛采用的方法是通過耦合系統(tǒng)與光學(xué)諧振腔的優(yōu)化設(shè)計，使得徑向均勻摻雜晶體中的泵浦光與振蕩光在空間上高度重合，許多學(xué)者在研究論文中提到了交疊積分理論，為此種方法提供理論支持。通過對耦合系統(tǒng)及諧振腔全反射鏡表面鍍増透膜，可以減少泵浦光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)界面的反射損失，獲得較高的泵浦光傳輸效率。對于稀土摻雜激光介質(zhì)，選擇合適的尺寸與摻雜濃度，可以獲得理想的吸收效率。
[0004]為了獲得高光束質(zhì)量，除了利用非穩(wěn)腔和空間限模措施以外，最佳方案就是將泵浦光最大限度的匯聚到激光諧振腔的基模振蕩區(qū)域，實現(xiàn)泵浦光與基模振蕩光束的空間重疊。此時，泵浦光激發(fā)的粒子數(shù)躍遷絕大部分處于基模振蕩光的空間范圍，雖然此范圍與某些高階橫模的振蕩區(qū)域存在部分重疊，但是由于基模的低閾值特性，使得它在與其它高階橫模的競爭中存在優(yōu)勢，上能級粒子受激躍遷的能量絕大部分轉(zhuǎn)換為基模光場能量，從而可以獲得M2接近I的基橫模光束輸出。對于小功率泵浦源,此種方案行之有效。對于大功率泵浦源，光場密度迅速增加，在泵浦光匯聚后，強烈的熱效應(yīng)將成為主要矛盾，影響激光器的正常工作，甚至導(dǎo)致膜層脫落、端面炸裂的災(zāi)難性后果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是提供一種激光晶體徑向非均勻摻雜控制泵浦光吸收分布的方法，以便在泵浦光場分布和諧振腔結(jié)構(gòu)確定的情況下，實現(xiàn)對增益分布的控制，將激光介質(zhì)的熱效應(yīng)控制在一個合理范圍，并獲得理想的空間耦合效率和光束質(zhì)量。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，激光晶體徑向非均勻摻雜控制泵浦光吸收分布的方法，其特征是:光纖耦合激光二極管光纖輸出端輸出的泵浦光經(jīng)過耦合系統(tǒng)的匯聚作用后，其光場分布用高斯分布或平頂高斯分布；徑向非均勻摻雜晶體的泵浦端面鍍泵浦光增透和振蕩高反雙層膜，輸出鏡為平面鏡，輸出鏡與晶體泵浦端面上的振蕩光高反膜組成平平諧振腔；工作過程中，在晶體中形成的熱透鏡可以簡單等效為徑向非均勻摻雜晶體泵浦端面處的薄透鏡，通過熱透鏡的匯聚作用，諧振腔變?yōu)榉€(wěn)定腔；在泵浦光分布區(qū)域和振蕩光分布區(qū)域確定的條件下，通過激光晶體的徑向非均勻摻雜優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)泵浦光分布區(qū)域與振蕩光分布區(qū)域的空間重合。
[0007]所述的徑向非均勻摻雜晶體是徑向階梯摻雜晶體，晶體軸線中心區(qū)域均勻摻雜，晶體軸線中心區(qū)域與振蕩光直徑相當(dāng)，外側(cè)環(huán)形區(qū)域無摻雜；在泵浦光分布確定的情況下，通過改變階梯摻雜晶體的摻雜濃度和摻雜范圍，實現(xiàn)對于增益區(qū)域及溫度分布的控制；摻雜濃度選取0.1%至1%，原則上泵浦功率越高，應(yīng)當(dāng)選擇較低摻雜濃度晶體，從而可減弱泵浦端面處的熱源強度，摻雜范圍與諧振腔基模光束橫向分布范圍相當(dāng)。
[0008]所述的徑向非均勻摻雜晶體亦可是優(yōu)化設(shè)計的徑向連續(xù)摻雜晶體，在泵浦光分布確定情況下，通過徑向連續(xù)摻雜濃度分布優(yōu)化設(shè)計，可實現(xiàn)對晶體增益分布及熱源分布的控制。
[0009]所述的摻雜晶體為稀土摻雜固體激光介質(zhì)Nd = YAG或Nd:YV04。
[0010]所述的徑向非均勻摻雜優(yōu)化設(shè)計的依據(jù)為晶體穩(wěn)態(tài)溫度分布的計算結(jié)果，評判標(biāo)準(zhǔn)是在保證增益集中在諧振腔基模范圍的條件下，使得晶體徑向溫差盡可能小，減弱熱透鏡效應(yīng)。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點是:本發(fā)明特別適用于小型化大功率激光二極管泵浦固體激光器，容易獲得高轉(zhuǎn)換效率和高光束質(zhì)量，并且無需將泵浦光匯聚成很小的光斑，從而免除了高功率密度泵浦光引起的晶體端面膜層脫落甚至端面炸裂的危險。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]下面結(jié)合實施附圖對本發(fā)明作進一步說明:
圖1是光纖耦合激光二極管端面泵浦固體激光器示意圖；
圖2是徑向均勻摻雜晶體軸向吸收曲線；
圖3是光纖耦合激光二極管端面泵浦徑向階梯摻雜晶體示意圖；
圖4是光纖耦合激光二極管端面泵浦徑向連續(xù)摻雜晶體示意圖。
[0013]圖中，1、光纖耦合激光二極管光纖輸出端，2、耦合系統(tǒng)，3、晶體熱透鏡，4、均勻摻雜晶體，5、諧振腔輸出鏡，6、泵浦光分布區(qū)域，7、諧振腔基模振蕩光分布區(qū)域，8、徑向階梯摻雜晶體，9、徑向連續(xù)摻雜晶體；10、泵浦端面。
[0014]【具體實施方式】:
通常的二極管端面泵浦固體激光器如圖1所示，光纖耦合激光二極管光纖輸出端I輸出的泵浦光經(jīng)過耦合系統(tǒng)2的匯聚作用后，其光場分布6可以用高斯分布或平頂高斯分布；均勻摻雜晶體4為圓棒型均勻摻雜晶體，其泵浦端面10鍍泵浦光增透和振蕩光高反雙層膜；輸出鏡5為平面鏡，輸出鏡5與均勻摻雜晶體4的泵浦端面10的振蕩光高反膜組成平平諧振腔，平平諧振腔為介穩(wěn)腔，具有大基模體積，易于調(diào)節(jié)的特點，晶體熱透鏡的存在可將其轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定腔；工作過程中在泵浦端面10附近形成的晶體熱透鏡3可以等效為均勻摻雜晶體4泵浦端面10處的薄透鏡，通過熱透鏡3的匯聚作用，諧振腔可穩(wěn)定工作；為了獲得較高的泵浦光轉(zhuǎn)換效率，需要利用耦合系統(tǒng)2將泵浦光在晶體泵浦端面10處進行聚焦，泵浦光匯聚焦斑必須非常小，通常為幾百個微米；由于泵浦光匯聚時產(chǎn)生的高密度吸收，泵浦端面10處的熱效應(yīng)嚴(yán)重，大功率泵浦時熱效應(yīng)嚴(yán)重，容易損壞膜層，因此，此種方案難以實現(xiàn)高光束質(zhì)量、高功率輸出。圖2給出了均勻摻雜晶體4及軸向吸收曲線，可見端面泵浦時，泵浦光沿著光軸方向指數(shù)衰減。為了提高端面注入功率，可以采用低摻雜濃度晶體，降低泵浦端面10處吸收的泵浦功率密度。由于泵浦光的吸收系數(shù)與摻雜濃度成正比，降低均勻摻雜晶體4的摻雜濃度，吸收系數(shù)降低，為了保證泵浦光吸收充分，必須增加晶體長度，而晶體棒長度一旦增加，在裝配時就更容易產(chǎn)生微彎，應(yīng)力嚴(yán)重，激光轉(zhuǎn)換效率低。耦合系統(tǒng)2采用傳統(tǒng)的公知技術(shù)，這里就不做詳細(xì)描述。
[0015]泵浦光分布與均勻摻雜晶體摻雜濃度共同決定激光介質(zhì)的吸收分布，吸收的泵浦光能量一部分轉(zhuǎn)化為激光器增益，一部分轉(zhuǎn)化為廢熱，增益與熱源分布均由吸收分布決定。因此，在泵浦光分布確定的情況下，通過優(yōu)化設(shè)計摻雜濃度的徑向變化可以得到理想的增益分布與熱源分布，進而減小晶體徑向溫差，減弱熱透鏡效應(yīng)，同時獲得大的基模體積。這樣，在大功率泵浦時，即使泵浦光就未在泵浦端面10上聚焦，也可獲得高效率、高光束質(zhì)量。
[0016]實施例1:
如圖3所示，用徑向階梯摻雜晶體8代替圖1中的均勻摻雜晶體4，在泵浦光分布確定情況下，通過改變階梯摻雜晶體8的摻雜濃度和摻雜范圍，實現(xiàn)對于增益區(qū)域及溫度分布的控制。此時，泵浦光無需在晶體端面聚焦，泵浦光在晶體中的吸收分布由徑向階梯摻雜晶體8的摻雜范圍決定，這樣，晶體泵浦端面10處的熱透鏡效應(yīng)得到減弱，可以有效提高晶體端面注入功率，有利于獲得高功率和高光束質(zhì)量。
[0017]實施例2:
如圖4所示，用徑向連續(xù)摻雜晶體9代替圖1中的均勻摻雜晶體4，在泵浦光分布確定條件下，通過徑向連續(xù)摻雜濃度分布的優(yōu)化，如拋物分布等，可實現(xiàn)對晶體吸收分布(即增益分布)的控制，減小晶體徑向溫差，抑制熱效應(yīng)，得到大基模體積。無需泵浦光在晶體泵浦端面附近聚焦，就可實現(xiàn)增益區(qū)域與諧振腔基模分布區(qū)域空間重合，從而將端面注入功率大大提高，同時保證了高光束質(zhì)量。晶體徑向摻雜濃度分布的設(shè)計優(yōu)化過程主要涉及晶體穩(wěn)態(tài)溫度場分布計算，評判標(biāo)準(zhǔn)是在保證增益集中在諧振腔基模范圍的條件下，使得晶體徑向溫差盡可能小，減弱熱透鏡效應(yīng)。
【權(quán)利要求】
1.激光晶體徑向非均勻摻雜控制泵浦光吸收分布的方法，其特征是:光纖耦合激光二極管光纖輸出端(I)輸出的泵浦光經(jīng)過耦合系統(tǒng)(2)的匯聚作用后，其光場分布(6)用高斯分布或平頂高斯分布；徑向非均勻摻雜晶體的泵浦端面(10)鍍泵浦光增透和振蕩高反雙層膜，輸出鏡(5)為平面鏡，輸出鏡(5)與晶體泵浦端面(10)上的振蕩光高反膜組成平平諧振腔；工作過程中，在晶體中形成的熱透鏡(3)可以簡單等效為徑向非均勻摻雜晶體泵浦端面(10)處的薄透鏡，通過熱透鏡(3)的匯聚作用，諧振腔變?yōu)榉€(wěn)定腔；在泵浦光分布區(qū)域(6)和振蕩光分布區(qū)域(7)確定的條件下，通過激光晶體的徑向非均勻摻雜優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)泵浦光分布區(qū)域(6)與振蕩光分布區(qū)域(7)的空間重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光晶體徑向非均勻摻雜控制泵浦光吸收分布的方法，其特征是:所述的徑向非均勻摻雜晶體是徑向階梯摻雜晶體(8)，晶體軸線中心區(qū)域均勻摻雜，晶體軸線中心區(qū)域與振蕩光直徑相當(dāng)，外側(cè)環(huán)形區(qū)域無摻雜；在泵浦光分布確定的情況下，通過改變階梯摻雜晶體(8)的摻雜濃度和摻雜范圍，實現(xiàn)對于增益區(qū)域及溫度分布的控制；摻雜濃度選取0.1%至1%，原則上泵浦功率越高，應(yīng)當(dāng)選擇較低摻雜濃度晶體，從而可減弱泵浦端面處的熱源強度，摻雜范圍與諧振腔基模光束橫向分布范圍相當(dāng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光晶體徑向非均勻摻雜控制泵浦光吸收分布的方法，其特征是:所述的徑向非均勻摻雜晶體亦可是優(yōu)化設(shè)計的徑向連續(xù)摻雜晶體(9)，在泵浦光分布確定情況下，通過徑向連續(xù)摻雜濃度分布優(yōu)化設(shè)計，可實現(xiàn)對晶體增益分布及熱源分布的控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光晶體徑向非均勻摻雜控制泵浦光吸收分布的方法，其特征是:所述的摻雜晶體為稀土摻雜固體激光介質(zhì)Nd = YAG或Nd:YV04。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光晶體徑向非均勻摻雜控制泵浦光吸收分布的方法，其特征是:所述的徑向非均勻摻雜優(yōu)化設(shè)計的依據(jù)為晶體穩(wěn)態(tài)溫度分布的計算結(jié)果，評判標(biāo)準(zhǔn)是在保證增益集中在諧振腔基模范圍的條件下，使得晶體徑向溫差盡可能小，減弱熱透鏡效應(yīng)。
【文檔編號】H01S5/06GK103490278SQ201310448723
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】李兵斌, 過振, 王石語, 蔡德芳, 文建國 申請人:西安電子科技大學(xué)