專(zhuān)利名稱(chēng)：高峰值功率激光二極管泵浦固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種激光器，特別是高峰值功率激光二極管泵浦固 體激光器。
背景技術(shù)：
激光二極管泵浦固體激光器在泵浦功率比較小的條件下，泵浦激光 對(duì)介質(zhì)端面雖然存在增益分布不均勻的問(wèn)題，但對(duì)輸出激光強(qiáng)度的影響 較小， 一般不需要釆取特殊措施進(jìn)行控制。但是，對(duì)于大功率端面泵浦， 這種增益分布，特別是由于吸收引起的縱向分布不均勻?qū)す夤馐|(zhì)量 的影響將會(huì)非常嚴(yán)重。
通常端面泵浦DPL的泵浦光吸收主要集中于激光晶體中比較狹小的 區(qū)域，如果不采取措施，當(dāng)泵浦功率增加時(shí)熱效應(yīng)會(huì)加劇非軸對(duì)稱(chēng)性， 其熱透鏡空間效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致諧振腔中振蕩光光路變化，引起諧振腔失諧， 嚴(yán)重的熱效應(yīng)將降低激光晶體的發(fā)射截面，甚至損壞激光晶體。
另外在大泵浦功率中，不可避免地會(huì)引起激光器低階模的振蕩，眾 多的非低階模會(huì)嚴(yán)重影響振蕩光的光束質(zhì)量。為了保證激光器運(yùn)行于低 階模，需要對(duì)高階模進(jìn)行限制，這種限制對(duì)振蕩光的功率又不能產(chǎn)生削 弱，因此需要發(fā)展專(zhuān)門(mén)的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
重復(fù)頻率10kHz，脈沖寬度約6ns，峰值功率210kw的1. 06Mm DPL 激光器，需要將激光介質(zhì)高達(dá)100W 150W的熱耗有翠散出。熱耗產(chǎn)生的 范圍集中于激光介質(zhì)沒(méi)長(zhǎng)度方向0. 5 2mm —個(gè)區(qū)域。為了保證激光介質(zhì) 的正常工作，這個(gè)區(qū)域內(nèi)激光介質(zhì)的溫度不能過(guò)高。這就要求實(shí)行有效 的高熱耗密度散熱。
通常情況下，端面泵浦的熱效應(yīng)主要集中于泵浦端面，在大功率端 面泵浦條件下，泵浦光在晶體內(nèi)縱向吸收不均勻性將顯得格外顯著，在 輸入端可能產(chǎn)生飽和效應(yīng)，而在另一端泵浦光卻很微弱，泵浦光吸收不 均勻性將引起熱效應(yīng)空間不均勻，這種熱效應(yīng)的縱向不均勻不但會(huì)破壞 激光諧振腔的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)還可能損壞激光晶體。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種高峰值功率激光二極管泵浦固體激光 器，以便保證對(duì)泵浦光的控制時(shí)，確保球面結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)熱透鏡調(diào)節(jié)振蕩光的功能產(chǎn)生影響、同時(shí)限制高階模產(chǎn)生。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)一種高峰值功率激光二極管
泵浦固體激光器，它包括激光二極管泵浦光源1、泵浦光輸入耦合單元2、 諧振腔3和調(diào)Q單元9，其特征是諧振腔3中有多個(gè)激光晶體，激光 晶體和激光晶體之間有用于整形和耦合前一級(jí)晶體輸出泵浦光的光學(xué)耦
合單元。
所述的光學(xué)耦合單元10是匯聚透鏡11。
所述的光學(xué)耦合單元10是熱透鏡13。
所述的光學(xué)耦合單元10是非成像光學(xué)耦合元件12。
所述的諧振腔3中多個(gè)激光晶體中的前一級(jí)晶體輸出端面直徑小于
后一級(jí)晶體的輸入端面直徑。
所述的激光晶體輸入端面中間帶平面，平面四周通過(guò)弧度過(guò)渡到晶
體周邊。
所述的匯聚透鏡ll是后一級(jí)晶體輸入端的球形端面和晶體輸入端面 產(chǎn)生的熱透鏡，構(gòu)成一個(gè)半自洽的透鏡組或是后一級(jí)晶體輸入端的平面 和晶體輸入端面產(chǎn)生的熱透鏡13,構(gòu)成一個(gè)半自洽的透鏡組。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)是由于本實(shí)用新型將激光介質(zhì)分為摻雜濃度不 同的多個(gè)激光晶體，多個(gè)激光晶體的摻雜濃度各不相同，由左向右，沿 泵浦光的傳播方向，摻雜濃度依次遞增，保證整個(gè)晶體群內(nèi)吸收均勻和 穩(wěn)定。采用階梯泵浦技術(shù)，空間的熱透鏡可以看成一系列的透鏡組。每 個(gè)熱透鏡的焦距可以通過(guò)晶體的摻雜濃度控制晶體的熱效應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)，激 光晶體之間的距離可以通過(guò)晶體之間的非成像光學(xué)整形元件來(lái)調(diào)節(jié)。在 激光晶體的端面擬采取中間帶平面，平面四周通過(guò)弧度過(guò)渡到晶體周邊。 這樣既保證了對(duì)泵浦光的控制，也確保了球面結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)熱透鏡調(diào)節(jié)振 蕩光的功能產(chǎn)生影響。同時(shí)也起到了限制高階模的效果。


下面結(jié)合實(shí)施例附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是本實(shí)用新型'實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖3是實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是實(shí)施例3結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是實(shí)施例4結(jié)構(gòu)示意圖6是實(shí)施例5結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1、激光二極管泵浦光源；2、泵浦光輸入耦合單元；3、諧振腔；4、第一諧振鏡；5、第二諧振鏡；6、第一晶體；7、第二晶體；8、 第三晶體；9、調(diào)Q單元；10、光學(xué)耦合單元；11、匯聚透鏡；12、非成 像光學(xué)耦合元件；13、熱透鏡；14、導(dǎo)光鏡。
具體實(shí)施方式

圖1給出本實(shí)用新型的總體方案示意圖，由激光二極管泵浦光源1、 泵浦光輸入耦合單元2、諧振腔3和諧振腔3內(nèi)的調(diào)Q單元9、第一晶體 6、第二晶體7、第三晶體8構(gòu)成激光二極管泵浦固體激光器，諧振腔3 兩端是第一諧振鏡4和第二諧振鏡5，第一諧振鏡4和第二諧振鏡5之 間從左到右分別是第一晶體6、第二晶體7、第三晶體8和調(diào)Q單元9。 如果將第一晶體6、第二晶體7和第三晶體8作為一個(gè)用途的激光晶體， 本實(shí)用新型的總體方案與通用的激光二極管泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)沒(méi)有 不同。正如在背景技術(shù)中所描述的，諧振腔3中采用單一的激光晶體， 當(dāng)激光二極管泵浦光源1的功率增加的時(shí)候，熱效應(yīng)會(huì)加劇形成非軸對(duì) 稱(chēng)性，其熱透鏡空間效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致諧振腔中的振蕩光光路發(fā)生嚴(yán)重變化， 引起諧振腔失諧。
本實(shí)用新型通過(guò)將單一的激光晶體用摻雜濃度依次遞增的多個(gè)激光 晶體代替，如圖1中的第一晶體6、第二晶體7和第三晶體8，在這里第 一晶體6摻雜介質(zhì)濃度小于第二晶體7，第二晶體7摻雜介質(zhì)濃度小于 第三晶體8，讓每個(gè)晶體的吸收保持在一個(gè)合理的范圍，以保證整個(gè)晶 體群內(nèi)吸收均勻和穩(wěn)定。當(dāng)然晶體的多少，視具體的功率不同而不同。 激光晶體之間的距離可以通過(guò)晶體之間的非成像光學(xué)整形元件來(lái)調(diào)節(jié)。 需要根據(jù)實(shí)際泵浦情況和激光腔的整體要求，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算來(lái)確 定。
為了使第一晶體6、第二晶體7和第三晶體8構(gòu)成的一個(gè)晶體群能保 持一個(gè)合理吸收，在第一晶體6和第二晶體7之間，在第二晶體7和第 三晶體8之間分別增加一光學(xué)耦合單元10會(huì)達(dá)到滿(mǎn)意的效果。我們可以 通過(guò)對(duì)圖2的說(shuō)明進(jìn)一步了解，圖2與圖1的不同是僅在第一晶體6和 第二晶體7之間，在第二晶體7和第三晶體8之間分別增加了光學(xué)耦合 單元10。
光學(xué)耦合單元10的作用是將第一晶體6輸出的泵浦激光能無(wú)損耗的全部 進(jìn)入第二晶體7，將第二晶體7輸出的泵浦激光能無(wú)損耗的全部進(jìn)入第 三晶體8，能構(gòu)達(dá)到這種效果，可以有多種方案完成。
圖3是通過(guò)在第一晶體6和第二晶體7之間，在第二晶體7和第三 晶體8之間分別增加一匯聚透鏡11實(shí)現(xiàn)光學(xué)耦合的。在第一晶體6和第二晶體7的透鏡與第二晶體7和第三晶體8之間的匯聚透鏡11大小、焦 距視具體的情況不同有所選擇。這不是問(wèn)題的本質(zhì)，只要實(shí)現(xiàn)各級(jí)的完 全光學(xué)耦合，可以是相同的，也可以是不相同的。實(shí)際上匯聚透鏡ll可 以是后一級(jí)晶體輸入端的球形端面和晶體輸入端面產(chǎn)生的熱透鏡形成一
個(gè)半自洽的透鏡組；或是后一級(jí)晶體輸入端的平面和晶體輸入端面產(chǎn)生
的熱透鏡13形成一個(gè)半自洽的透鏡組。
第二種實(shí)施如圖4所示的那樣在第一晶體6和第二晶體7之間，在 第二晶體7和第三晶體8之間分別增加非成像光學(xué)耦合元件如柱狀體的 導(dǎo)光鏡14，然后充分利有泵浦激光在晶體表面產(chǎn)生的熱透鏡13共同實(shí) 現(xiàn)前一級(jí)與后一級(jí)的光學(xué)耦合。這種方式需要通過(guò)有效控制非成像光學(xué) 耦合元件導(dǎo)光鏡14和熱效應(yīng)的分布。 一方面使得增益區(qū)同振蕩光低階模 的分布區(qū)較好吻合，并且控制增益分布的不均勻程度，以實(shí)現(xiàn)較高的激 光效率和較好的光束質(zhì)量。另一方面，將熱效應(yīng)控制在一個(gè)合理的范圍， 以實(shí)現(xiàn)有效利用熱透鏡的目的。
直接利用激光介質(zhì)內(nèi)的熱透鏡作為腔內(nèi)的光學(xué)耦合，即光束調(diào)節(jié)透 鏡，可以簡(jiǎn)化諧振腔結(jié)構(gòu)，縮短諧振腔，獲得短脈沖激光。如圖5所示， 通過(guò)靈活對(duì)振蕩光的光束質(zhì)量、激光模式進(jìn)行控制。采用空間的熱透鏡 13可以看成一系列的透鏡組。每個(gè)透鏡的焦距可以通過(guò)晶體的摻雜濃度 控制晶體的熱效應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)，透鏡和透鏡之間的距離可以通過(guò)晶體之間的 非成像光學(xué)整形元件12來(lái)調(diào)節(jié)。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)熱透鏡13的有效調(diào)節(jié)，激光晶體輸入端面中間帶平面， 平面四周通過(guò)弧度過(guò)渡到晶體周邊。這樣既保證了關(guān)鍵技術(shù)二中對(duì)泵浦 光的控制，也確保了球面結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)熱透鏡調(diào)節(jié)振蕩光的功能產(chǎn)生影響。 同時(shí)也起到了限制高階模的效果。
作為對(duì)圖5的一種方案完善是利有圖6的技術(shù)方式，它使第一晶體 6的直徑小于第二晶體7的直徑，第二晶體7的直徑小于第三晶體8的 直徑。這種方案同樣需要每個(gè)透鏡的焦距通過(guò)晶體的摻雜濃度控制晶體 的熱效應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)，透鏡和透鏡之間的距離可以很近。
本實(shí)用新型激光二極管泵浦光源1采用光纖耦含LD端面泵浦的泵浦 方式作為首選方案。光纖耦合LD的輸出光束基本對(duì)稱(chēng)，連接和使用比較 方便，其優(yōu)點(diǎn)集中表現(xiàn)在①由于光纖耦合LD輸出的泵浦光具有較好的軸 對(duì)稱(chēng)性，相應(yīng)耦合系統(tǒng)也只需要采用軸對(duì)稱(chēng)的光學(xué)系統(tǒng)，相對(duì)于非光纖 耦合LD，該耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將大為簡(jiǎn)化。②泵浦光呈軸對(duì)稱(chēng)分布，其熱 透鏡13效應(yīng)更接近于理想透鏡，通過(guò)耦合系統(tǒng)，可以控制熱透鏡13焦距的大小,為對(duì)諧振腔的調(diào)控提供了可能。③有利于減小激光器的體積。使 用這種結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，有利于產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)。
光纖耦合LD模塊。該模塊要保證輸出穩(wěn)定的808nm泵浦光，估計(jì)輸 出功率為150—200W。該模塊的技術(shù)難點(diǎn)為在于大熱耗條件下，保持 LD管芯溫度穩(wěn)定于額定溫度，使輸出光束譜線(xiàn)分布，空間分布比較均勻， 發(fā)散角較小。
泵浦光輸入耦合單元2是根據(jù)諧振腔對(duì)熱透鏡的要求，以及空間耦 合效率的需要，完成對(duì)泵浦光進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼巍１闷止廨斎腭詈蠁卧? 的基本參數(shù)和結(jié)構(gòu)，主要取決于出纖泵浦光的光束質(zhì)量以及諧振腔的設(shè) 計(jì)要求。
諧振腔3是由一定曲率半徑能夠?qū)φ袷幑夤馐|(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且確 保振蕩光穩(wěn)定振蕩的諧振腔反射鏡系統(tǒng)。諧振腔3對(duì)808nm泵浦光應(yīng)全 透，對(duì)1064nm振蕩光全反。
調(diào)Q單元9的重復(fù)頻率在10kHz左右，大功率泵浦條件下，足夠的 效率進(jìn)行調(diào)Q，實(shí)現(xiàn)大峰值功率脈沖激光輸出的技術(shù)手段。
本實(shí)用新型最核心的關(guān)鍵技術(shù)就是如何有效控制激光介質(zhì)的熱效 應(yīng)。通常情況下，端面泵浦的熱效應(yīng)主要集中于泵浦端面，在大功率端 面泵浦條件下，泵浦光在晶體內(nèi)縱向吸收不均勻性將顯得格外顯著，在 輸入端可能產(chǎn)生飽和效應(yīng)，而在另一端泵浦光卻很微弱，泵浦光吸收不 均勻性將引起熱效應(yīng)空間不均勻，這種熱效應(yīng)的縱向不均勻不但會(huì)破壞 激光諧振腔的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)還可能損壞激光晶體。因此通過(guò)對(duì)圖2、 圖3、圖4、圖5、圖6不同方案的選擇和組合，只要能用摻雜濃度依次 遞增的多個(gè)激光晶體有效控制激光介質(zhì)的熱效應(yīng)，都是本實(shí)用新型所要 保護(hù)的。
權(quán)利要求1、高峰值功率激光二極管泵浦固體激光器，它包括激光二極管泵浦光源(1)、泵浦光輸入耦合單元(2)、諧振腔(3)和調(diào)Q單元(9)，其特征是諧振腔(3)中有多個(gè)激光晶體，激光晶體和激光晶體之間有用于整形和耦合前一級(jí)晶體輸出泵浦光的光學(xué)耦合單元(10)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率激光二極管泵浦固體激光器， 其特征是所述的光學(xué)耦合單元(10)是匯聚透鏡(11)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率激光二極管泵浦固體激光器， 其特征是所述的光學(xué)耦合單元(10)是熱透鏡(13)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率激光二極管泵浦固體激光器，其特征是所述的光學(xué)耦合單元(10)是非成像光學(xué)耦合元件(12)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率激光二極管泵浦固體激光器，其特征是所述的諧振腔(3)中多個(gè)激光晶體中的前一級(jí)晶體輸出端面直徑小于后一級(jí)晶體的輸入端面直徑。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率激光二極管泵浦固體激光器，其特征是所述的激光晶體輸入端面中間帶平面，平面四周通過(guò)弧度過(guò)渡到晶體周邊。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高峰值功率激光二極管泵浦固體激光器， 其特征是所述的匯聚透鏡(11)是后一級(jí)晶體輸入端的球形端面和晶 體輸入端面產(chǎn)生的熱透鏡(13)，構(gòu)成一個(gè)半自洽的透鏡組或是后一級(jí)晶 體輸入端的平面和晶體輸入端面產(chǎn)生的熱透鏡(13)，構(gòu)成一個(gè)半自洽的透鏡組。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種激光器，特別是高峰值功率激光二極管泵浦固體激光器，它包括激光二極管泵浦光源(1)、泵浦光輸入耦合單元(2)、諧振腔(3)和調(diào)Q單元(9)，其特征是諧振腔(3)中有多個(gè)激光晶體，激光晶體和激光晶體之間有用于整形和耦合前一級(jí)晶體輸出泵浦光的光學(xué)耦合單元(10)，它可以保證對(duì)泵浦光的控制時(shí)，確保球面結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)熱透鏡調(diào)節(jié)振蕩光的功能產(chǎn)生影響、同時(shí)限制高階模的產(chǎn)生。
文檔編號(hào)H01S3/05GK201230128SQ20072012607
公開(kāi)日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者文建國(guó), 李兵斌, 王石語(yǔ), 蔡德芳, 振 過(guò) 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)