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)于固體激光器的運行問題人們大都只研究穩(wěn)模式運行的熱穩(wěn)腔，對固體激光器的穩(wěn)功率運行還沒有人報道。根據(jù)諧振腔變換圓的理論[張光寅，固體激光腔的動力學(xué)分析，物理學(xué)報，Vol.40，1065(1991)]，對含有熱透鏡的激光器的固體激光腔型進行分析，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。在“U”形曲線的底部有一個相對平緩的變化區(qū)，各有一相同的最小值，運行于此最小值狀態(tài)時，熱擾對光模(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)下運行時，wt和Vt對熱擾不敏感，對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)功率運行的條件，有必要綜合考慮增益與衍射損耗對激光輸出功率的相反影響作用，以及它們隨腔的熱動力因子1/ft的變化關(guān)系。對于連續(xù)運行的固體激光器，其輸出功率可表達為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，使腔的熱動力因子1/ft從低值向高值變化時，在開始進入有效熱動力穩(wěn)定區(qū)的低值邊界時，wf減小(見圖1)，α迅速減小，這時激活介質(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值進入有效熱動力穩(wěn)定區(qū)時，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增大至有效動力穩(wěn)定區(qū)的高值邊界附近時，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，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，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，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。這個峰值轉(zhuǎn)折點就發(fā)生在兩個有效熱動力穩(wěn)定區(qū)的高端邊界附近。當(dāng)固體激光腔運行在這兩個熱動力狀態(tài)時，激光器輸出功率處于峰值，此時dPoutd(1/ft)=0.......(2)]]>激光輸出功率曲線上存在一個相對平坦區(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激光器的實驗中證實了上述分析結(jié)論(見圖3)[LinMei-rongetal.，CWNdYAGthermo-stableresonatorsoperatinginpower-steadystates，ACTAPhys.Sin.4(1995)254]當(dāng)固體激光腔運行于穩(wěn)功率熱動力狀態(tài)時，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)激光器運行于熱動力穩(wěn)定區(qū)的高端時，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)對稱腔的情況，在這種情況下，從圖中可以看出穩(wěn)定運行區(qū)域較大(若為對稱的兩區(qū)可以連在一起)，可以達到較高的輸出功率，同時基模光斑尺寸很小，隨抽運功率的增加，當(dāng)基模光斑小到一定程度時將產(chǎn)生高階模，輸出功率上升，隨著抽運功率的進一步增加，基模光斑尺寸增大(從圖中可以看出，增大的并不明顯)，多模可以得到部分抑制，但一般來說抽運光功率不能無限的增加，所以這種情況下，系統(tǒng)為多模運行，光束質(zhì)量不好。從曲線(1)可以看出，此時基模光斑的最小值較大，激光器基本上是基模運行，但動力穩(wěn)定區(qū)較窄，功率不會很高。本實用新型包括全反鏡、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，使激光器運行在穩(wěn)功率點上(如圖5的曲線(3))，使得在保證高功率輸出的同時提高光束質(zhì)量，實現(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時能實現(xiàn)激光的高功率、高光束質(zhì)量運行，從而成為高光束質(zhì)量(M2≤5)的LD泵浦固體激光器。本實用新型結(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實驗中測得的輸入輸出功率曲線與計算所得的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，使激光器運行在穩(wěn)功率點上，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，使激光器運行在穩(wěn)功率點上。本實用新型用于解決LD泵浦的固體激光器在高功率輸出時的同時實現(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)濟效益。文檔編號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)