專利名稱：板條狀激光增益介質(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)明涉及一種板條狀激光增益介質(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)：
激光增益介質(zhì)主要有板條狀、棒狀和薄盤片狀等幾何構(gòu)型。板條狀介質(zhì)相對于棒狀介質(zhì)更有利于獲得高功率輸出。之字形(Zigzag)光路的板條激光器的激光光束在板條內(nèi)部由于全反射而形成之字形光路。之字形光路補(bǔ)償了板條厚度方向的光學(xué)不均勻性，降低了熱透鏡效應(yīng)對輸出激光的影響，并且消除了應(yīng)力引起的雙折射效應(yīng)。
在二極管泵浦的高功率板條狀激光增益模塊中，現(xiàn)有技術(shù)采用了單一的泵浦波長、單一的泵浦方式，主要有上下表面泵浦、端面泵浦和側(cè)面泵浦這幾種單一的泵浦方式。在上下表面泵浦方式中，二極管陣列發(fā)出的泵浦光由上下表面耦合到板條。采用這種泵浦方式的專利有美國的4,127,827、4,852,109、5,271,031、5,305,345、5,646,773和5,651,021等，由于板條的幾何結(jié)構(gòu)的限制，上下表面泵浦的吸收光程一般小于數(shù)毫米。這種上下表面泵浦方式只適用于具有高吸收系數(shù)的激光增益介質(zhì)。在美國專利6,134,258中，采用了側(cè)面泵浦方式，從板條的寬度方向而不是厚度方向進(jìn)行泵浦，吸收光程比上下表面泵浦方式有所提高，但是在增益介質(zhì)吸收系數(shù)較低時，這種結(jié)構(gòu)也無法得到較高的吸收效率。在美國專利6,094,297中，公開了一種新型的端面泵浦之字形光路的板條激光器，它的吸收光程比較長，約等于板條的長度，泵浦光被充分吸收，泵浦效率較高，可以達(dá)到90％以上。但是這種端面泵浦方式也有它的缺點(diǎn)由于端面面積比較小，限制了泵浦能量的輸入，這樣就使得采用這種泵浦方式的板條激光器向高功率擴(kuò)展較為困難。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有板條狀激光增益介質(zhì)采用單一的泵浦波長、單一的泵浦方式的諸多不足，本發(fā)明提供一種針對板條狀的激光增益介質(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)方案如下一種板條狀激光增益介質(zhì)的雙波長組合泵浦方法，其特征在于該泵浦方法是將兩種不同波長的泵浦光分別從板條狀激光增益介質(zhì)的三對表面中的兩對表面耦合到增益介質(zhì)的內(nèi)部，其中一種波長的泵浦光從板條的三對表面中的一對注入，另一種波長的泵浦光從余下的兩對表面中的一對注入；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)。
上述兩種不同波長泵浦光的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。
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。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于當(dāng)采用端面和側(cè)面雙波長組合泵浦方式時，端面鍍對輸出激光和從端面入射的泵浦光的增透膜，側(cè)面鍍對從側(cè)面入射的泵浦光的增透膜；當(dāng)采用端面和上下表面雙波長組合泵浦方式時，端面鍍對輸出激光和從端面入射的泵浦光的增透膜，上下表面鍍對從上下表面入射的泵浦光的增透膜；當(dāng)采用側(cè)面和上下表面雙波長組合泵浦方式時，側(cè)面鍍對從側(cè)面入射的泵浦光的增透膜，上下表面鍍從上下表面入射的泵浦光的增透膜，端面鍍對輸出激光的增透膜。
本發(fā)明提供的一種上述泵浦方法的激光增益模塊，含有泵浦光源和板條狀的激光增益介質(zhì)，其特征在于所述激光增益介質(zhì)的端面鍍對輸出激光和從端面入射的泵浦光的增透膜，側(cè)面鍍對從側(cè)面入射的泵浦光的增透膜；或端面鍍對輸出激光和從端面入射的泵浦光的增透膜，上下表面鍍對從上下表面入射的泵浦光的增透膜；或端面鍍對輸出激光增透膜，側(cè)面鍍對從側(cè)面入射的泵浦光的增透膜，上下表面鍍從上下表面入射的泵浦光的增透膜；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)明所述的激光增益模塊，其特征在于所述的板條狀的激光增益介質(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)。
本發(fā)明所述的板條狀的的激光增益介質(zhì)的端面與上下表面垂直或傾斜?？梢圆捎脝我坏木鶆驌诫s的激光增益介質(zhì)；或者采用熱鍵合技術(shù)或生長方法得到的復(fù)合的板條狀的激光增益介質(zhì)，其板條中心是摻雜的激光增益介質(zhì)，四周是非摻雜介質(zhì)，四周的非摻雜介質(zhì)對泵浦光透明。
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)明提供的板條狀激光增益介質(zhì)的雙波長組合泵浦方法是采用兩種不同波長的泵浦光從板條的不同表面同時泵浦激光增益介質(zhì)，得到一種新型的激光增益模塊。這種泵浦方法克服了單一波長的泵浦光只能采用單一泵浦方式的限制，還可以提高注入的泵浦功率，改善泵浦能量分布的均勻性，從而有利于獲得高功率激光輸出，改善輸出激光的光束質(zhì)量。采用這種泵浦方法的板條狀激光增益介質(zhì)既可以用作激光主振級的增益模塊，也可以用作激光放大級的增益模塊。


圖1a、1b、1c分別表示已有的端面、側(cè)面和上下表面單一波長泵浦方式示意圖。
圖2為采用端面和側(cè)面雙波長組合泵浦方式的板條激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3a為端面和側(cè)面雙波長組合泵浦的板條狀激光增益介質(zhì)的直通光路示意圖。
圖3b為端面和側(cè)面雙波長組合泵浦的板條狀激光增益介質(zhì)的之字形光路示意圖。
圖3c為端面和側(cè)面組合泵浦復(fù)合板條狀激光增益介質(zhì)的之字形光路示意圖。
圖4a為板條狀激光增益介質(zhì)的端面和側(cè)面雙波長組合泵浦方式示意圖。
圖4b為板條狀激光增益介質(zhì)的端面和上下表面雙波長組合泵浦方式示意圖。
圖4c為板條狀激光增益介質(zhì)的側(cè)面和上下表面雙波長組合泵浦方式示意圖。
具體實(shí)施例方式
雙波長組合泵浦方法的主要特點(diǎn)是把兩種不同波長的泵浦光分別從板條的端面、側(cè)面或上下表面耦合到激光增益介質(zhì)內(nèi)部，適合應(yīng)用于具有雙吸收峰或者多吸收峰的吸收譜結(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)相對較大的泵浦光稱為高吸收系數(shù)泵浦光，吸收系數(shù)相對較小的泵浦光稱為低吸收系數(shù)泵浦光。兩種不同波長泵浦光的中心波長分別位于激光介質(zhì)吸收譜的兩個吸收峰上。板條狀激光增益介質(zhì)的端面或者側(cè)面作為低吸收系數(shù)泵浦光的入射面，低吸收系數(shù)泵浦光從端面或者側(cè)面入射到板條增益介質(zhì)內(nèi)部，由于全反射，大部分泵浦光被約束在板條增益介質(zhì)的內(nèi)部，并且被不斷吸收，吸收光程大約等于增益介質(zhì)的長度或者寬度；高吸收系數(shù)泵浦光從側(cè)面或者上下表面入射到板條增益介質(zhì)內(nèi)部，吸收光程為增益介質(zhì)的寬度或者厚度。例如Nd:YAG、Nd:GGG、Nd:ED-2Glass等晶體分別在808nm和885nm兩個中心波長處具有較強(qiáng)的吸收峰，但吸收系數(shù)差別較大，可以采用波長為808nm和885nm的泵浦光分別泵浦板條的側(cè)面和端面，或上下表面和側(cè)面，或上下表面和端面。
此外，板條狀激光增益介質(zhì)還可以由復(fù)合的材料組成。板條中心是摻雜的激光增益介質(zhì)，四周是利用熱鍵合技術(shù)或者是生長方法得到非摻雜介質(zhì)，四周的非摻雜介質(zhì)對泵浦光透明，把泵浦光約束在板條中心部分而被中心的摻雜材料吸收。這種結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高泵浦功率密度，改善泵浦能量分布的均勻性，還有利于提高端面膜層的抗激光損傷能力。
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)有的針對板條狀激光增益介質(zhì)的泵浦方法如圖1a、圖1b和圖1c所示。各圖中，11為板條狀激光增益介質(zhì)，13表示輸出激光在板條晶體中的傳輸方向，泵浦方式均為單一泵浦波長、單一泵浦方式的泵浦方法。板條狀激光增益介質(zhì)具有兩兩相對的三對表面，如圖1a中的15所示的一對表面稱為端面，16所示的一對表面稱為上下表面，17所示的一對表面稱為側(cè)面。兩個端面可以保持與上下表面垂直，也可以切割成與上下表面成一定角度(例如布儒斯特角)的形式。在圖1a中，泵浦光12和14從兩個端面(或兩個端面之一)注入板條內(nèi)部，泵浦注入方向與激光輸出方向平行，即通常所說的端面泵浦方式，上下表面可以安裝熱沉加強(qiáng)散熱；在圖1b中，泵浦光由板條的側(cè)面注入板條內(nèi)，即通常所說的側(cè)面泵浦方式，泵浦注入方向如圖中示的18和19所示(或其中方向之一，另一側(cè)面鍍泵浦光全反膜)，與激光輸出方向垂直，上下表面也可以安裝熱沉；在圖1c中，泵浦光由板條的上下表面注入板條內(nèi)，即通常所說的上下表面泵浦方式，泵浦方向如圖中示的20和21所示(或其中方向之一，另一表面鍍泵浦光全反膜)，與激光輸出方向垂直。
本發(fā)明提供的雙波長組合泵浦板條狀激光增益介質(zhì)的泵浦方法可以有三種不同的泵浦方式端面和側(cè)面雙波長組合泵浦方式、端面和上下表面雙波長組合泵浦方式以及側(cè)面和上下表面雙波長組合泵浦方式。板條狀激光增益介質(zhì)的兩個端面既可以切割成與上下兩個表面垂直的形式，也可以切割成與上下表面傾斜(例如布儒斯特角)的形式。采用端面和側(cè)面雙波長組合泵浦方式的之字形光路板條激光器示意圖如圖2所示。圖中激光增益介質(zhì)的兩個端面切割成與激光傳輸方向成布儒斯特角的形式。該激光器由激光器諧振腔鏡22和26、板條狀的激光增益介質(zhì)25、低吸收系數(shù)泵浦光23和28(例如對應(yīng)Nd:YAG、Nd:GGG、Nd:ED-2Glass等增益介質(zhì)的885nm泵浦光)、高吸收系數(shù)泵浦光24和29(例如對應(yīng)Nd:YAG、Nd:GGG、Nd:ED-2Glass等增益介質(zhì)的808nm泵浦光)等部分組成，激光輸出方向如圖中的27所示。板條狀激光增益介質(zhì)的側(cè)面鍍對高吸收系數(shù)泵浦光增透的光學(xué)薄膜，提高泵浦光的耦合效率，端面鍍對輸出激光增透的光學(xué)薄膜，降低板條介質(zhì)對輸出激光的損耗。
為了降低增益模塊的工作溫度，提高能量的轉(zhuǎn)換效率，增大輸出激光功率，改善光束質(zhì)量，可以在板條的上下表面安裝熱沉，通過熱傳導(dǎo)把增益模塊在能量轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的廢熱轉(zhuǎn)移到熱沉上，再通過冷卻系統(tǒng)把廢熱帶走。
雙波長組合泵浦的板條狀激光增益介質(zhì)可以采用不同的不同板條形狀和激光光路形式均勻摻雜的直通光路的板條結(jié)構(gòu)、均勻摻雜的之字形光路的板條結(jié)構(gòu)、復(fù)合介質(zhì)的直通光路的板條結(jié)構(gòu)或復(fù)合介質(zhì)的之字形光路的板條結(jié)構(gòu)。圖3a所示為直通光路形式的板條狀激光增益介質(zhì)及其激光輸出的光路示意圖。圖3b所示為之字形光路形式的板條狀激光增益介質(zhì)及其輸出激光的光路示意圖。圖3c所示為之字形光路形式的復(fù)合板條狀激光增益介質(zhì)及其激光輸出的光路示意圖，圖中35為復(fù)合板條狀介質(zhì)(例如Nd:YAG/YAG)，由摻雜晶體36(如Nd:YAG)和非摻雜晶體37(如YAG)復(fù)合構(gòu)成。
雙波長組合泵浦板條狀激光增益介質(zhì)的泵浦方法可以有三種不同的泵浦方式如圖4a所示的端面和側(cè)面雙波長組合泵浦方式，如圖4b所示的端面和上下表面雙波長組合泵浦方式，如圖4c所示的側(cè)面和上下表面雙波長組合泵浦方式。各圖中，11均表示板條狀激光增益介質(zhì)，它的兩個端面可以切割成與上下兩個表面垂直，也可以切割成與激光傳輸方向成成角度的形式，例如前述的布儒斯特角形式，板條還可以是復(fù)合的增益介質(zhì)，30均表示激光輸出方向。
圖4a所示為兩種不同波長的泵浦光通過端面和側(cè)面同時注入板條內(nèi)部的新型泵浦方式。低吸收系數(shù)泵浦光由端面注入，如圖中的31和33方向所示，端面鍍對低吸收系數(shù)泵浦光和輸出激光高透的增透膜，提高泵浦效率，降低激光的損耗；高吸收系數(shù)泵浦光由側(cè)面注入，如圖中的32和34方向所示，兩個側(cè)面鍍對高吸收系數(shù)泵浦光高透的增透膜，提高泵浦效率。
圖4b所示為兩種不同波長的泵浦光通過端面和上下表面同時注入板條內(nèi)部的新型泵浦方式。低吸收系數(shù)泵浦光由端面注入，如圖中的31和33方向所示，端面鍍對該波長泵浦光和輸出激光高透的增透膜，提高泵浦效率，降低激光的損耗；高吸收系數(shù)泵浦光由上下兩個表面注入(也可以由一個表面注入，而另一個表面作為冷卻面，與熱沉相連)，如圖中的38和39方向所示。
圖4c所示為兩種不同波長的泵浦光通過側(cè)面和上下表面同時注入板條內(nèi)部的新型泵浦方式。低吸收系數(shù)泵浦光由側(cè)面注入，如圖中的32和34方向所示，兩個側(cè)面表面鍍對該波長泵浦光高透的增透膜，提高泵浦效率；高吸收系數(shù)泵浦光由上下表面注入(也可以由一個表面注入，而另一個表面作為冷卻面，與熱沉緊密接觸)，如圖中的38和39方向所示，端面鍍對輸出激光的增透膜。
權(quán)利要求
1.板條狀激光增益介質(zhì)的雙波長組合泵浦方法，其特征在于該泵浦方法是將兩種不同波長的泵浦光分別從板條狀激光增益介質(zhì)的三對表面中的兩對表面耦合到增益介質(zhì)的內(nèi)部，其中一種波長的泵浦光從板條的三對表面中的一對注入，另一種波長的泵浦光從余下的兩對表面中的一對注入；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)；所述的兩種不同波長的泵浦光的波長分別位于激光增益介質(zhì)吸收譜的兩個不同的吸收峰上。
2.按照權(quán)利要求1所述的雙波長組合泵浦方法，其特征在于當(dāng)采用端面和側(cè)面雙波長組合泵浦方式時，端面對輸出激光和從端面入射的泵浦光增透，側(cè)面對從側(cè)面入射的泵浦光增透；當(dāng)采用端面和上下表面雙波長組合泵浦方式時，端面對輸出激光和從端面入射的泵浦光增透，上下表面對從上下表面入射的泵浦光增透；當(dāng)采用側(cè)面和上下表面雙波長組合泵浦方式時，側(cè)面對從側(cè)面入射的泵浦光的增透，上下表面對從上下表面入射的泵浦光增透，端面對輸出激光增透。
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。
4.一種板條狀激光增益介質(zhì)的雙波長組合泵浦方法的激光增益模塊，含有泵浦光源和板條狀的激光增益介質(zhì)，其特征在于所述激光增益介質(zhì)的端面鍍對輸出激光和從端面入射的泵浦光的增透膜，側(cè)面鍍對從側(cè)面入射的泵浦光的增透膜；或端面鍍對輸出激光和從端面入射的泵浦光的增透膜，上下表面鍍對從上下表面入射的泵浦光的增透膜；或端面鍍對輸出激光增透膜，側(cè)面鍍對從側(cè)面入射的泵浦光的增透膜，上下表面鍍對從上下表面入射的泵浦光的增透膜；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所述的激光增益模塊，其特征在于所述的板條狀的激光增益介質(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5所述的激光增益模塊，其特征在于所述的板條狀的激光增益介質(zhì)的端面與上下表面垂直或傾斜。
7.按照權(quán)利要求4、5或6所述的激光增益模塊，其特征在于所述的板條狀的激光增益介質(zhì)采用單一的均勻摻雜的激光增益介質(zhì)，或者采用熱鍵合技術(shù)或生長方法得到的復(fù)合的板條狀的激光增益介質(zhì)，其板條中心是摻雜的激光增益介質(zhì)，四周是非摻雜介質(zhì)，四周的非摻雜介質(zhì)對泵浦光透明。
8.按照權(quán)利要求7所述的激光增益模塊，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
板條狀激光增益介質(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)明的主要技術(shù)特點(diǎn)是該泵浦方法是將兩種不同波長的泵浦光分別從板條狀激光增益介質(zhì)的三對表面中的任意兩對表面耦合到增益介質(zhì)的內(nèi)部，其激光增益介質(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)，實(shí)現(xiàn)板條狀固體激光器的高功率輸出。本發(fā)明克服了單一波長的泵浦光只能采用單一泵浦方式的限制，還可以提高注入的泵浦功率，改善泵浦能量分布的均勻性，從而有利于獲得高功率激光輸出，改善輸出激光的光束質(zhì)量。采用這種泵浦方法的板條狀激光增益介質(zhì)既可以用作激光主振級的增益模塊，也可以用作激光放大級的增益模塊。
文檔編號H01S3/06GK1547295SQ20031011718
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)