專利名稱：盤片型激光增益介質(zhì)的雙波長組合泵浦方法及其增益模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種盤片型激光增益介質(zhì)的泵浦方法及其增益模塊，屬于高功率固體激光器
背景技術(shù)：
二極管泵浦的固體激光器經(jīng)過多年的發(fā)展，無論是從輸出功率方面還是光束質(zhì)量方面都得到了長足的發(fā)展。固體激光增益介質(zhì)從幾何形狀上分類主要有板條狀、棒狀和盤片型等幾何構(gòu)型。棒狀激光增益介質(zhì)的軸向梯度折射率激光器，在高功率泵浦條件下存在熱透鏡效應(yīng)與熱致雙折射效應(yīng)，使得轉(zhuǎn)換效率下降，光束質(zhì)量變差，亮度降低。為了克服熱透鏡效應(yīng)，發(fā)展了之字形(Zigzag)光路的板條激光器，但之字形光路只能克服在板條厚度方向上的熱透鏡效應(yīng)。這種激光器雖然在理論具有一定的優(yōu)勢，但目前對它的認(rèn)可程度仍很低，主要是因?yàn)槠湫时容^低，還存在邊緣效應(yīng)和端面效應(yīng)等不利因素。
盤片型激光增益介質(zhì)由于熱梯度方向與激光傳輸方向基本平行，同時減小了橫向的溫度梯度，因此在一定程度上解決了高功率激光器冷卻和高功率泵浦的矛盾，避免了放大的自發(fā)輻射效應(yīng)。與高功率棒狀或板條激光器相比，可以獲得更高的輸出功率，同時保持較好的光束質(zhì)量。
在高功率盤片型激光增益介質(zhì)中，主要有端面泵浦和邊緣泵浦兩種泵浦方式，其中端面泵浦分為前端面泵浦和后端面泵浦兩種方式。前端面與后端面是相對于激光輸出方向定義的，激光輸出所在的端面稱為前端面，與前端面相對的背面稱為后端面。在端面泵浦方式中，泵浦光從盤片的前端面或者后端面入射到激光增益介質(zhì)內(nèi)，同時需要保證激光增益介質(zhì)對泵浦光的吸收效率達(dá)到90％以上。無論是前端面泵浦還是后端面泵浦，為了發(fā)揮盤片激光器的優(yōu)點(diǎn)，在激光輸出方向上不產(chǎn)生過大的熱梯度，盤片的厚度不能太厚，這樣吸收路徑就比較短，激光增益介質(zhì)對泵浦波長必須具有較大的吸收系數(shù)，才能保證一定的吸收效率。如果激光增益介質(zhì)對泵浦波長吸收系數(shù)較小，而盤片又很薄，為了提高泵浦效率，需要使泵浦光多次穿過激光增益介質(zhì)，這種多次泵浦方式可以利用多個反射鏡對泵浦光依次反射來實(shí)現(xiàn)，但各個反射鏡都需要精確的調(diào)整，整個裝置比較復(fù)雜，調(diào)整難度較大。
盤片型激光增益介質(zhì)除了端面泵浦方式以外，還有一種邊緣泵浦方式。邊緣泵浦的盤片型激光器的吸收路徑比較長，為了改善泵浦均勻性，提高吸收效率，并不是所有的激光增益介質(zhì)都適合使用邊緣泵浦，而必須選擇對泵浦光吸收系數(shù)較小的激光增益介質(zhì)，使得泵浦光在盤片內(nèi)部多次反射而不斷被吸收。例如885nm泵浦的Nd:YAG、Nd:GGG、Nd:ED-2Glass，905nm泵浦的Yb:S-FAP以及940nm泵浦的Yb:YAG、Yb:GGG等盤片型激光增益介質(zhì)都可以采用邊緣泵浦方式。
目前一般采用單一的泵浦波長、單一的泵浦方式對盤片型激光增益介質(zhì)進(jìn)行泵浦。這種單一的泵浦波長、單一的泵浦方式不利于提高注入的泵浦功率，并且其泵浦的均勻性也難以保證，這使得盤片型激光增益介質(zhì)的激光器向高功率擴(kuò)展較為困難。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有盤片型激光增益介質(zhì)的單一波長、單一泵浦方式的諸多不足，本發(fā)明提出一種針對盤片型激光增益介質(zhì)的雙波長組合泵浦方法及其增益模塊。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種盤片型激光增益介質(zhì)的雙波長組合泵浦方法，其特征在于該方法是將兩種不同波長的泵浦光分別從盤片型激光增益介質(zhì)的端面和邊緣入射到激光增益介質(zhì)的內(nèi)部，高吸收系數(shù)的泵浦光從盤片的前端面或者后端面入射，低吸收系數(shù)的泵浦光從盤片的邊緣入射；所述的激光增益介質(zhì)采用具有雙吸收峰或者多吸收峰結(jié)構(gòu)的激光增益介質(zhì)；所述兩種不同波長的泵浦光的波長分別位于激光增益介質(zhì)吸收譜的兩個吸收峰上。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述的盤片型激光增益介質(zhì)的邊緣對低吸收系數(shù)泵浦光高透；當(dāng)高吸收系數(shù)泵浦光從盤片的前端面注入時，盤片的前端面對高吸收系數(shù)泵浦光與輸出激光高透，盤片的后端面對高吸收系數(shù)泵浦光與輸出激光全反；當(dāng)高吸收系數(shù)泵浦光從盤片的后端面注入時，盤片的后端面對高吸收系數(shù)泵浦光高透而對輸出激光全反，盤片的前端面對高吸收系數(shù)泵浦光全反而對輸出激光高透。
本發(fā)明還提供了一種盤片型激光增益介質(zhì)的雙波長組合泵浦方法的激光增益模塊，含有泵浦光源和激光增益介質(zhì)，其特征在于所述的激光增益介質(zhì)的邊緣鍍對低吸收系數(shù)泵浦光的增透膜，盤片的前端面鍍對高吸收系數(shù)泵浦光與輸出激光的增透膜，后端面鍍?nèi)茨?；或盤片的前端面鍍對高吸收系數(shù)泵浦光全反而對輸出激光增透的光學(xué)薄膜，后端面鍍對高吸收系數(shù)泵浦光增透而對輸出激光全反的光學(xué)薄膜；所述的泵浦光源為兩種不同波長的光源，其波長分別位于激光增益介質(zhì)吸收譜的兩個不同的吸收峰上。
本發(fā)明中所述的盤片型激光增益介質(zhì)為具有雙吸收峰或者多吸收峰結(jié)構(gòu)的激光增益介質(zhì)。其幾何外形為圓形或圓內(nèi)接多邊形。
本發(fā)明中所述的盤片型激光增益介質(zhì)，可采用單一的均勻摻雜的激光增益介質(zhì)，或采用熱鍵合技術(shù)或者是生長方法得到的復(fù)合的盤片型激光增益介質(zhì)，其復(fù)合盤片的中心部分或與熱沉接觸部分是摻雜的激光材料，其余部分是非摻雜材料，非摻雜材料對泵浦光透明。
本發(fā)明所述激光增益模塊中的泵浦光源可采用單條二極管、面陣二極管或由它們組成的陣列。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果本發(fā)明提供的針對盤片型激光增益介質(zhì)的雙波長組合泵浦方法是把兩種不同波長的泵浦光分別從盤片的端面和邊緣耦合到激光增益介質(zhì)的內(nèi)部，克服了單一泵浦波長只能采用單一泵浦方式的限制，可以大大提高注入的泵浦功率與泵浦能量密度，可有效改善泵浦能量分布的均勻性，增加激光增益介質(zhì)的總體吸收效率，有利于提高盤片型固體激光器的輸出功率，改善輸出激光的光束質(zhì)量，有利于設(shè)計出目前急需的高功率高光束質(zhì)量的固體激光器。


圖1a、1b、1c分別為已有的前端面、后端面和邊緣泵浦的單一泵浦波長、單一泵浦方式的光路示意圖。
圖2a、2b分別為本發(fā)明提供的后端面和邊緣、前端面和邊緣雙波長組合泵浦方法的光路示意圖。
圖3a、3b分別為單一的均勻摻雜的圓形、圓內(nèi)接多邊形盤片型激光增益介質(zhì)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3c、3d分別為中心摻雜四周非摻雜、后端面摻雜前端面非摻雜的復(fù)合的盤片型激光增益介質(zhì)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為雙波長組合泵浦方式的盤片型激光增益介質(zhì)應(yīng)用于主振蕩器功率放大器的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5a、5b、5c分別為雙波長組合泵浦方式的盤片型激光增益介質(zhì)應(yīng)用于諧振器的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
盤片型激光增益介質(zhì)的雙波長組合泵浦方法是把兩種不同波長的泵浦光分別從盤片的端面和邊緣耦合到激光增益介質(zhì)內(nèi)部，適用于具有雙吸收峰或多吸收峰結(jié)構(gòu)的激光增益介質(zhì)。激光增益介質(zhì)對不同波長泵浦光的吸收系數(shù)差別較大，激光增益介質(zhì)對兩種不同波長泵浦光中吸收系數(shù)相對較大的泵浦光被稱為高吸收系數(shù)泵浦光，吸收系數(shù)相對較小的泵浦光被稱為低吸收系數(shù)泵浦光。兩種不同波長泵浦光的中心波長分別位于激光增益介質(zhì)吸收譜的兩個吸收峰上。例如Nd:YAG、Nd:GGG、Nd:ED-2Glass等激光材料分別在808nm和885nm處各有一個吸收峰，并且激光晶體對波長為808nm的泵浦光的吸收系數(shù)相對較大，則808nm的泵浦光被稱為高吸收系數(shù)泵浦光，波長為885nm的泵浦光被稱為低吸收系數(shù)泵浦光。高吸收系數(shù)泵浦光(例如對應(yīng)Nd:YAG、Nd:GGG、Nd:ED-2Glass等激光增益介質(zhì)的808nm泵浦光)從盤片型激光增益介質(zhì)的前端面或者后端面入射，低吸收系數(shù)泵浦光(例如對應(yīng)Nd:YAG、Nd:GGG、Nd:ED-2Glass等激光材料的885nm泵浦光)從盤片的邊緣入射。當(dāng)高吸收系數(shù)泵浦光從盤片的前端面入射時，盤片的前端面鍍對高吸收系數(shù)泵浦光與輸出激光的增透膜，盤片的后端面鍍對高吸收系數(shù)泵浦光與輸出激光的全反膜；當(dāng)高吸收系數(shù)泵浦光從盤片的后端面入射時，盤片的后端面鍍對高吸收系數(shù)泵浦光增透而對輸出激光全反的光學(xué)薄膜，前端面鍍對高吸收系數(shù)泵浦光全反而對輸出激光增透的光學(xué)薄膜。這樣，泵浦光兩次穿過激光增益介質(zhì)而被不斷吸收，總吸收光程約為激光增益介質(zhì)厚度的兩倍。邊緣鍍對低吸收系數(shù)泵浦光的增透膜，吸收光程為激光增益介質(zhì)的直徑的長度。
上述的盤片型激光增益介質(zhì)的幾何外形可以采用圓形，也可以采用圓內(nèi)接多邊形，從材料上說可以采用單一的均勻摻雜激光增益介質(zhì)，也可以采用熱鍵合技術(shù)或生長方法得到的復(fù)合的盤片型激光增益介質(zhì)，盤片中心或者盤片與熱沉接觸的部分是摻雜材料，其它部分是非摻雜材料，非摻雜材料對泵浦光透明。把從邊緣耦合到激光增益介質(zhì)內(nèi)部泵浦光約束在盤片的摻雜部分而被吸收，達(dá)到更高的泵浦功率密度和更好的泵浦均勻性的目的。
此外，盤片型激光增益介質(zhì)可以采用風(fēng)冷或在盤片的后端面安裝熱沉及其冷卻系統(tǒng)以加強(qiáng)散熱的冷卻方式。前一種冷卻方式的結(jié)構(gòu)較簡單，但是它的散熱能力有限；后一種冷卻方式的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但是它的散熱能力較強(qiáng)，適合用于高功率泵浦的場合。為了進(jìn)一步增強(qiáng)散熱能力，提高能量轉(zhuǎn)換效率，改善輸出激光的光束質(zhì)量，還可以采用微通道結(jié)構(gòu)的熱沉裝置。
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的原理、結(jié)構(gòu)和具體實(shí)施方式
。
現(xiàn)有的二極管泵浦盤片型激光增益介質(zhì)的泵浦方法有前端面泵浦、后端面泵浦和邊緣泵浦方式這三種，分別如圖1a、圖1b和圖1c所示，它們均屬于單一泵浦波長、單一泵浦方式的泵浦方法。圖中，11表示盤片型激光增益介質(zhì)，14表示輸出激光的方向。盤片的前后端面是相對于激光輸出所在的端面定義的，如圖1a所示的輸出激光14從端面17輸出，我們就把端面17稱為前端面，與前端面相對的端面15稱為后端面，夾在前端面與后端面之間的側(cè)面稱為邊緣面，如圖中16所示。在圖1a中，泵浦光源13發(fā)出的泵浦光12由前端面耦合到盤片型激光增益介質(zhì)內(nèi)部，稱為前端面泵浦方式。在圖1b中，泵浦光源13發(fā)出的泵浦光12由后端面耦合到盤片型激光增益介質(zhì)內(nèi)部，稱為后端面泵浦方式。在圖1c中，泵浦光源18發(fā)出的泵浦光19由盤片的邊緣耦合到盤盤片型激光增益介質(zhì)內(nèi)部，稱為邊緣泵浦方式。
本發(fā)明提供的盤片型激光增益介質(zhì)的雙波長組合泵浦方法有后端面和邊緣泵浦、前端面和邊緣泵浦兩種組合泵浦方式，它們的光路示意圖分別如圖2a和圖2b所示。在這兩個圖中，輸出激光14所在的端面17稱為前端面，與它相對的端面稱為后端面，夾在它們之間的側(cè)面稱為邊緣面。圖2a采用后端面和邊緣雙波長組合泵浦方式，高吸收系數(shù)泵浦光12從盤片11的后端面注入，泵浦光12由泵浦光源13發(fā)出；低吸收系數(shù)泵浦光19從盤片11的邊緣注入，泵浦光19由泵浦光源18發(fā)出。13和18可以是單條的激光二極管或者光纖耦合輸出激光二極管，直接耦合到激光增益介質(zhì)內(nèi)部，也可以是多條激光二極管組成的陣列，通過光學(xué)耦合系統(tǒng)入射到激光增益介質(zhì)內(nèi)部。而且泵浦光源18可以根據(jù)盤片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的封裝圍繞在盤片的四周。圖2a中盤片的后端面鍍對泵浦光12增透而對輸出激光14全反的光學(xué)薄膜，前端面17鍍對泵浦光12全反而對輸出激光14增透的光學(xué)薄膜，邊緣面鍍對泵浦光19的增透膜。圖2b采用前端面和邊緣雙波長組合泵浦方法，高吸收系數(shù)泵浦光12從盤片11的前端面注入，低吸收系數(shù)泵浦光19從盤片11的邊緣注入，盤片11的后端面鍍對泵浦光12和輸出激光14全反的光學(xué)薄膜，前端面16鍍對泵浦光12和輸出激光14的增透膜，邊緣面鍍對泵浦光19的增透膜。當(dāng)泵浦功率較高時，需要在盤片的后端面安裝熱沉，使盤片與熱沉緊密接觸，再通過冷卻系統(tǒng)把熱量帶走。
在盤片型激光增益介質(zhì)中，可以把盤片切割成不同的幾何形狀，圖3a和圖3b示出了圓盤狀和圓內(nèi)接多邊形狀的盤片型激光增益介質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)。圖3c和圖3d示出了復(fù)合形式的盤片型激光增益介質(zhì)，圖3c為中心摻雜四周非摻雜的復(fù)合盤片型激光增益介質(zhì)，圖中21和20分別表示摻雜激光材料(如Nd:YAG)和非摻雜激光材料(如純YAG)。圖3d為直徑相同雙層結(jié)構(gòu)的復(fù)合盤片型激光增益介質(zhì)，圖中23和24分別表示摻雜和非摻雜的激光材料，這種復(fù)合的盤片型激光增益介質(zhì)可以利用熱鍵合技術(shù)或者生長方法得到。
雙波長組合泵浦的盤片型激光增益介質(zhì)既可以用于激光器的振蕩級，也可以用于激光器的放大級。圖4示出了一個采用盤片型激光增益介質(zhì)的主振蕩器功率放大器結(jié)構(gòu)的激光器的基本結(jié)構(gòu)。圖5a、5b、5c示出了采用盤片型激光增益介質(zhì)的激光振蕩器的基本結(jié)構(gòu)。
圖4中包含了激光主振蕩級26和激光放大模塊29。主振蕩級26發(fā)出的種子激光27經(jīng)過兩級激光放大模塊29放大以后，由28所指方向輸出。圖中激光放大模塊29采用了后端面和邊緣雙波長組合泵浦方式，也可以采用前面邊緣雙波長組合泵浦方式。激光放大模塊的個數(shù)可以是單個的或者多個。
圖5a中激光振蕩輸出方向30與盤片的法線方向一致，31為激光諧振腔輸出耦合鏡，盤片11的后端面鍍對高吸收系數(shù)泵浦光12增透而對輸出激光全反的光學(xué)薄膜，前端面鍍對泵浦光12全反而對輸出激光增透的光學(xué)薄膜，該結(jié)構(gòu)適合采用后端面和邊緣雙波長組合泵浦方法。圖5b中激光振蕩輸出方向33與盤片的法線方向成一角度，34和35分別為激光諧振腔的全反鏡和輸出耦合鏡，36為激光輸出方向，激光增益介質(zhì)11的后端面鍍對泵浦光12增透而對輸出激光全反的光學(xué)薄膜，前端面鍍對泵浦光12全反而對輸出激光增透的光學(xué)薄膜，該結(jié)構(gòu)可以采用后端面和邊緣雙波長組合泵浦方式，也可以采用前端面和邊緣雙波長組合泵浦方式。圖5c為兩個增益模塊串接的激光振蕩器示意圖，37和39分別為激光諧振腔全反鏡和輸出耦合鏡，38為腔內(nèi)激光振蕩方向，40為激光輸出方向，圖中激光放大模塊29采用了后端面和邊緣雙波長組合泵浦方式，也可以采用前面邊緣雙波長組合泵浦方式，激光增益模塊串接的個數(shù)可以是兩個或者更多個。
權(quán)利要求
1.一種盤片型激光增益介質(zhì)的雙波長組合泵浦方法，其特征在于該方法是將兩種不同波長的泵浦光分別從盤片型激光增益介質(zhì)的端面和邊緣入射到激光增益介質(zhì)的內(nèi)部，高吸收系數(shù)的泵浦光從盤片的前端面或者后端面入射，低吸收系數(shù)的泵浦光從盤片的邊緣入射；所述的激光增益介質(zhì)采用具有雙吸收峰或多吸收峰結(jié)構(gòu)的激光增益介質(zhì)；所述兩種不同波長的泵浦光的波長分別位于激光增益介質(zhì)吸收譜的兩個吸收峰上。
2.按照權(quán)利要求1所述的雙波長組合泵浦方法，其特征在于所述的盤片型激光增益介質(zhì)的邊緣對低吸收系數(shù)泵浦光高透；當(dāng)高吸收系數(shù)泵浦光從盤片的前端面注入時，盤片的前端面對高吸收系數(shù)泵浦光與輸出激光高透，盤片的后端面對高吸收系數(shù)泵浦光與輸出激光全反；當(dāng)高吸收系數(shù)泵浦光從盤片的后端面注入時，盤片的后端面對高吸收系數(shù)泵浦光高透而對輸出激光全反，盤片的前端面對高吸收系數(shù)泵浦光全反而對輸出激光高透。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的雙波長組合泵浦方法，其特征在于所述的泵浦光可以由單條、面陣二極管或由它們組成的陣列發(fā)出，或直接耦合到激光增益介質(zhì)內(nèi)部，或經(jīng)過光纖耦合、光學(xué)耦合系統(tǒng)耦合到激光增益介質(zhì)內(nèi)部。
4.一種盤片型激光增益介質(zhì)的雙波長組合泵浦方法的激光增益模塊，含有泵浦光源和盤片型激光增益介質(zhì)，其特征在于所述的激光增益介質(zhì)的邊緣鍍對低吸收系數(shù)泵浦光的增透膜，盤片的前端面鍍對高吸收系數(shù)泵浦光與輸出激光的增透膜，后端面鍍?nèi)茨?；或盤片的前端面鍍對高吸收系數(shù)泵浦光全反而對輸出激光增透的光學(xué)薄膜，后端面鍍對高吸收系數(shù)泵浦光增透而對輸出激光全反的光學(xué)薄膜；所述的泵浦光源為兩種不同波長的光源，其波長分別位于激光增益介質(zhì)吸收譜的兩個不同的吸收峰上。
5.按照權(quán)利要求4所述泵浦方法的激光增益模塊，其特征在于所述的盤片型激光增益介質(zhì)為具有雙吸收峰或者多吸收峰結(jié)構(gòu)的激光增益介質(zhì)。
6.按照權(quán)利要求4所述的激光增益模塊，其特征在于所述的盤片型激光增益介質(zhì)的幾何外形為圓形或圓內(nèi)接多邊形。
7.按照權(quán)利要求4、5或6所述的激光增益模塊，其特點(diǎn)在于所述的盤片型激光增益介質(zhì)采用單一的均勻摻雜的激光增益介質(zhì)，或采用熱鍵合技術(shù)或者是生長方法得到的復(fù)合的盤片型激光增益介質(zhì)，其復(fù)合盤片的中心部分或與熱沉接觸部分是摻雜的激光增益介質(zhì)，其余部分是非摻雜介質(zhì)，非摻雜介質(zhì)對泵浦光透明。
8.按照權(quán)利要求7所述的增益模塊，其特征在于所述的泵浦光源采用單條二極管、面陣二極管或由它們組成的陣列。
全文摘要
盤片型激光增益介質(zhì)的雙波長組合泵浦方法及其增益模塊，屬于高功率固體激光器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是將兩種不同波長的泵浦光分別從盤片型激光增益介質(zhì)的端面和邊緣入射到激光增益介質(zhì)的內(nèi)部，使高吸收系數(shù)的泵浦光從盤片的前端面或者后端面入射，低吸收系數(shù)的泵浦光從盤片的邊緣入射；所述的激光增益介質(zhì)采用具有雙吸收峰或者多吸收峰結(jié)構(gòu)的激光增益介質(zhì)；所述兩種不同波長的泵浦光的波長分別位于激光增益介質(zhì)吸收譜的兩個吸收峰上。該方法克服了單一泵浦波長只能采用單一泵浦方式的限制，可大大提高注入的泵浦功率與泵浦能量密度，有效改善泵浦能量分布的均勻性，增加激光增益介質(zhì)的總體吸收效率以及改善輸出激光的光束質(zhì)量。
文檔編號H01S3/06GK1547294SQ20031011718
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月5日
發(fā)明者柳強(qiáng), 鞏馬理, 陸富源, 李晨, 宮武鵬, 閻平, 陳剛, 柳 強(qiáng) 申請人:清華大學(xué)