專利名稱：固體激光器的對偏振和波長不敏感的泵浦方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及端泵浦的固體激光器和放大器，更具體地說，本發(fā)明涉及一種其性能基本上不依賴泵浦光束的偏振或波長的光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光器作用通常需要激光激活材料以及泵浦所述介質(zhì)的手段。更為重要的是固體激光器，其中增益介質(zhì)是固體；通常是摻雜了激光激活離子的晶體或玻璃，并且用適當(dāng)波長的光對此材料進行光學(xué)泵浦。
固體增益介質(zhì)常常顯示出泵浦光吸收的偏振依賴性，這對于偏振泵浦光束尤其重要，諸如這些從其他激光器獲得的偏振泵浦光束，例如激光二極管。通常，如果進入晶體的光允許是非偏振的，泵浦光束的傳輸光學(xué)件可以簡化。采用長光纖傳輸泵浦光束的光纖耦合泵浦是這方面的一個例子。而且，偏振復(fù)用是一種通過將兩束正交偏振的泵浦光束合成為一束光以增加泵浦光束亮度的吸引人的方法。在某些情況中，包括多數(shù)薄盤激光系統(tǒng)，泵浦光在單次通過中不會被吸收，但是它會多次通過激光晶體，這樣在各次通過之間泵浦光的偏振會旋轉(zhuǎn)。因此，入射到晶體上的泵浦光的綜合偏振本質(zhì)上可以是非偏振的。
可是，固體激光器常常被設(shè)計為要求線偏振泵浦光，例如，由于激光晶體是以布魯斯特角(Brewster’s angle)切割的或者由于它的吸收光譜強烈地依賴于偏振。后一情況通常是針對利用增益材料具有最強吸收的波長和偏振態(tài)的要求考慮的。對于實際激光器，這常常要求非常精確地控制泵浦光的波長，意味著需要一種用于調(diào)節(jié)泵浦激光二極管溫度的控制機構(gòu)。
通常在峰值吸收波長或接近峰值吸收波長處泵浦固體激光器。因為此吸收峰是相當(dāng)窄的，泵浦波長的改變通常對激光器輸出有顯著的影響。即使可選擇晶體足夠厚以能夠吸收全部的泵浦光，這對于4能級激光器、甚至是從兩側(cè)泵浦晶體的3能級或準3能級激光器是可能的，泵浦光波長的變化通常會顯著影響光在晶體中被吸收的位置。這改變晶體的泵浦致熱，并且熱致透鏡效應(yīng)可以劇烈變化。透鏡效應(yīng)的這種變化會引起放大器輸出光束的尺寸的改變和發(fā)散。在振蕩器中此問題更為嚴重，透鏡效應(yīng)可以引起腔變?yōu)閹缀尾环€(wěn)定。
因此，需要利用非偏振泵浦光可以工作的二極管泵浦激光器。此外還需要在整個泵浦波長的大范圍可以工作的二極管泵浦激光器。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是，提供一種改進的二極管泵浦光學(xué)系統(tǒng)及其使用方法。
本發(fā)明的另一個目的是，提供一種二極管泵浦激光器及其使用方法，它具有基本上不依賴于泵浦光偏振態(tài)的工作特性。
本發(fā)明的又一個目的是，提供一種二極管泵浦激光器及其使用方法，它具有其中泵浦光吸收為恒定的增大的波長范圍。
本發(fā)明的上述目的和其它目的由一種包括二極管泵浦源以及由各向異性吸收材料制成的增益介質(zhì)的光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)。增益介質(zhì)以某個能基本上產(chǎn)生不依賴偏振的泵浦光束吸收的角度進行切割。光學(xué)耦合器被放置在二極管泵浦源和增益介質(zhì)之間。該光學(xué)耦合器產(chǎn)生一束泵浦光束，它在增益介質(zhì)中沿著與泵浦光束正交的任意兩個正交軸有基本相等量的泵浦功率。
在本發(fā)明的又一個實施例中，增大增益介質(zhì)吸收帶的方法是選擇泵浦光束的偏振態(tài)。泵浦光束以能增大其中泵浦光的吸收為恒定的波長范圍的方向通過增益介質(zhì)。
在本發(fā)明的又一個實施例中，光學(xué)系統(tǒng)包括增益介質(zhì)和二極管泵浦源。光學(xué)耦合器放置在增益介質(zhì)和二極管泵浦之間。該光學(xué)耦合器產(chǎn)生具有偏振態(tài)的泵浦光束，該偏振態(tài)能增大其中泵浦光的吸收為常數(shù)的波長范圍。


圖1(a)和1(b)是本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)實施例的示意圖；圖2是說明圖1所示增益介質(zhì)的切割方向的示意圖；圖3(a)和3(b)是本發(fā)明的激光諧振器實施例的示意圖；圖4示出了5％Yb摻雜的KYW晶體的吸收系數(shù)；圖5示出了采用圖3所示數(shù)據(jù)計算的不同晶體長度的總吸收；圖6示出了將偏振態(tài)選擇為能增大波長范圍并在此范圍內(nèi)泵浦光的吸收為常數(shù)時的吸收系數(shù)。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個實施例，如圖1(a)、圖1(b)和圖2中所示，光學(xué)系統(tǒng)10包括二極管泵浦源12和增益介質(zhì)(gain media)14。增益介質(zhì)由各向異性吸收的材料制成，并其泵浦光入射面16是以某個角度進行切割的，使得泵浦光束18的吸收基本上不依賴于偏振。
切割增益介質(zhì)14使得泵浦光束(pump beam)18的兩個主偏振的吸收系數(shù)基本相等。以此方式，泵浦光束18的偏振態(tài)變化不改變泵浦光束18在增益介質(zhì)14中的吸收方式。而且，如果泵浦光束18的兩個主偏振的吸收譜在泵浦源12的工作波段內(nèi)交叉，增大對一個偏振的吸收而減少對另一個偏振的吸收的波長漂移(shift)，對第一階不會改變在兩個主偏振軸方向上具有基本相等功率的泵浦光束18的總吸收。這包括相對于主軸45°偏振的泵浦光束18或者圓偏振泵浦光束。它還包括，但不局限于非偏振泵浦光束18。如果兩個吸收譜不交叉，但卻顯現(xiàn)出吸收峰漂移，可以改變兩個主偏振軸的功率比以獲得泵浦源可在其內(nèi)漂移而不顯著改變總吸收的相同的所需展寬波長范圍。
光學(xué)耦合器20放置在二極管泵浦源12和增益介質(zhì)14之間。光學(xué)耦合器20產(chǎn)生泵浦光束18，它在增益介質(zhì)14中沿著與泵浦光束18正交的任意兩個正交軸有基本相等量的泵浦功率。
在另一實施例中，光學(xué)耦合器20產(chǎn)生偏振泵浦光束18，其偏振態(tài)能增大波長范圍，并且在此范圍內(nèi)泵浦光束18的吸收為恒定的。如果二極管泵浦源溫度的變化改變了泵浦光波長，泵浦光束18的吸收仍保持恒定。因此，增益介質(zhì)中的熱透鏡效應(yīng)(thermal lens)以及光學(xué)系統(tǒng)的性能也會保持不變。
增益介質(zhì)14可以是薄盤，如同時提交的未分配序列號的、代理人案件號18120-0010的美國專利申請中所公開的，或者是具有包括但不局限于平板、棒、多邊形等多種不同的幾何外形。增益介質(zhì)14可以由多種材料制成，包括但不局限于，摻鐿的雙鎢酸鹽晶體，Yb:KGW，Yb:KYW，Yb:S-FAP，Nd:KGW，Nd:KYW，Nd:YVO4，Cr:LiSAF，Cr:Forsterite，半導(dǎo)體增益介質(zhì)等。
泵浦光束18基本上可以是非偏振的。大多數(shù)二極管泵浦源是線偏振的，可是，非偏振泵浦源可以通過光纖耦合泵浦光束、對不同偏振的泵浦源進行組合等產(chǎn)生。泵浦源12可以是光纖耦合二極管、二極管柵(diode bar)、一組或多組(stack)二極管等等。在一個實施例中，泵浦光束18的波長在931nm至952nm范圍內(nèi)。
耦合器20可以包括偏振光束合成器。該偏振光束合成器可以是偏振立方體(cube)，板偏振器(plate polarizer)等等，并且將來自兩個正交偏振二極管或者二極管組的光合成在一起。在各種實施例中，耦合器20是成像耦合器、非成像耦合器、斗形器件(funnel)等等。在1999年9月22日提交的序列號為09/401146的美國專利申請中披露了一個適合的斗形器件的例子。
如第5553088號美國專利中披露的，為了對多次進入增益介質(zhì)14的泵浦光束18進行再成像，可以包括中繼光學(xué)器件(relay optic)，在此引用該專利供參考。泵浦光束18多次通過增益介質(zhì)14可以產(chǎn)生泵浦光束18偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)。
還可以利用增益介質(zhì)14作為放大器中的增益器件。此放大器可以配置為多通(multi-pass)放大器。
參考圖3，系統(tǒng)10可以包括通常如22表示的、具有輸出耦合器24和高反射鏡(high reflector)26的激光諧振器(resonator)。諧振器22的模式(mode)可以與增益介質(zhì)14中的泵浦體(pumped volume)尺寸進行模式匹配。激光諧振器22可以配置構(gòu)成再生放大器。
圖4示出了具有5％鐿摻雜濃度的Yb:KYW晶體的吸收系數(shù)，它是根據(jù)由Pujol等人在Physical Review B，Vol.65，pg.165121(2002)的論文中對于100％的摻雜給出的KYbW吸收截面計算的。如圖4(a)所示，沿Nm和Np方向偏振的光的吸收曲線在大約947nm處交叉。插入的圖(b)示出了更寬波長范圍內(nèi)的同一數(shù)據(jù)。
圖5示出了對于不同晶體長度和偏振態(tài)，Yb(5％):KYW晶體總吸收的標準偏差保持為所述波長范圍內(nèi)平均吸收的1.2％的波長范圍。若晶體較長，總吸收的變化通常小于聲稱值。對于偏振平行于Nm的偏振光，相應(yīng)于傳統(tǒng)的泵浦方案，吸收峰在931nm處的光譜寬度是窄的(對于示出的晶體長度為1.5nm至3nm)。對于偏振平行于Np的偏振光，吸收峰在952nm處的光譜寬度較寬(對于示出的晶體長度為2.5nm至5nm)。非偏振光對于平行于Nm和Np方向的偏振具有相同貢獻，其吸收保持不變的光譜寬度顯著增加(對于示出的晶體長度有10nm至11.5nm的穩(wěn)定值)。
圖6示出了通過對其吸收曲線不交叉(見圖4)的兩個偏振Ng和Nm采用不同的泵浦功率，可以進一步增加泵浦帶寬。吸收值由下式給出A＝1-pexp(-αNgl)-(1-p)exp(-αNml)對于沿Nm和Np軸等泵浦功率的情況，包括但不局限于非偏振光，其中Yb(5％):KYW晶體總吸收的標準偏差保持在平均吸收的1.2％的帶寬內(nèi)的帶寬增加了70％還多。因此，根據(jù)本發(fā)明，以某個使吸收依賴于泵浦光偏振的角度切割晶體，并且選擇泵浦光的偏振態(tài)使吸收在其范圍內(nèi)保持為相似的波長范圍增加，是有益處的。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的上述描述只是用于說明和描述的目的，而非用于將本發(fā)明詳盡或限制為所公開的明確內(nèi)容。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對本發(fā)明進行各種變化和修改。本發(fā)明的范圍是由后附的權(quán)利要求和其它等同條款所限定的。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)系統(tǒng)，包括二極管泵浦源；由各向異性吸收材料制成的增益介質(zhì)，增益介質(zhì)按某個角度切割以產(chǎn)生基本不依賴偏振的泵浦光束吸收；和光學(xué)耦合器，放置在二極管泵浦源和增益介質(zhì)之間，該光學(xué)耦合器產(chǎn)生泵浦光束，所述泵浦光束在增益介質(zhì)中沿著與泵浦光束正交的任意兩個正交軸具有基本相等的泵浦功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中泵浦光基本上是非偏振的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中增益介質(zhì)是摻鐿的雙鎢酸鹽激光晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中泵浦光束的波長是在931nm至952nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中增益介質(zhì)為薄盤。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中泵浦源是光纖耦合的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中耦合器包括偏振光束合成器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中耦合器是成像耦合器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中耦合器是非成像耦合器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中耦合器為斗形器件。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中泵浦光束多次通過增益介質(zhì)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中泵浦光束的多次通過引起泵浦光束偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，進一步包括將多次進入增益介質(zhì)的泵浦光束再成像的中繼光學(xué)器件。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括激光諧振器，其中增益介質(zhì)放置在激光諧振器中。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的激光系統(tǒng)，其中諧振器的模式與增益介質(zhì)中的泵浦體的尺寸模式匹配。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的激光系統(tǒng)，進一步包括其中將諧振器配置為再生放大器。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括其中光學(xué)系統(tǒng)配置為單通或者多通放大器。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中增益介質(zhì)由從摻鐿的雙鎢酸鹽晶體，Yb:KGW，Yb:KYW，Yb:S-FAP，Nd:KGW，Nd:KYW，Nd:YVO4，Cr:LiSAF，Cr:Forsterite，以及半導(dǎo)體介質(zhì)中選擇的材料制成。
19.一種在增益介質(zhì)中展寬吸收帶的方法，包括選擇泵浦光束的偏振態(tài)；以及引導(dǎo)泵浦光束沿一個方向通過增益介質(zhì)，以增加其中泵浦光束的吸收為恒定的波長范圍。
20.一種光學(xué)系統(tǒng)，包括增益介質(zhì)；二極管泵浦源；以及放置在增益介質(zhì)和二極管泵浦源之間的光學(xué)耦合器，所述光學(xué)耦合器產(chǎn)生具有這樣偏振態(tài)的泵浦光束，即所述偏振態(tài)能增加其中泵浦光束的吸收為恒定的波長范圍。
全文摘要
一種光學(xué)系統(tǒng)包括二極管泵浦源，以及由各向異性吸收材料制成的增益介質(zhì)。該增益介質(zhì)按某個角度切割以產(chǎn)生基本不依賴偏振的泵浦光束吸收。光學(xué)耦合器放置在二極管泵浦源和增益介質(zhì)之間。該光學(xué)耦合器產(chǎn)生一束在增益介質(zhì)中沿著與泵浦光束正交的任意兩個正交軸具有基本相等泵浦功率的泵浦光束。泵浦源所允許的波長范圍被展寬。
文檔編號H01S3/06GK1685577SQ03822636
公開日2005年10月19日 申請日期2003年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月30日
發(fā)明者德克·薩特, 詹姆斯·D.·卡夫卡 申請人:光譜物理學(xué)公司