專利名稱：具有高峰值功率激光二極管泵浦固體激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光器，特別是具有高峰值功率激光二極管泵浦固體 激光器。 《爾伎不
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 介質(zhì)端面雖然存在增益分布不均勻的問題，但對輸出激光強度的影響較 小， 一般不需要采取特殊措施進行控制。但是，對于大功率端面泵浦，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 響將會非常嚴重。
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，當泵浦功率增加時熱效應會加劇非軸對稱性，其熱 透鏡空間效應會導致諧振腔中振蕩光光路變化，引起諧振腔失諧，嚴重的 熱效應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，不可避免地會引起激光器低階模的振蕩，眾多 的非低階模會嚴重影響振蕩光的光束質(zhì)量。為了保證激光器運行于低階 模，需要對高階模進行限制，這種限制對振蕩光的功率又不能產(chǎn)生削弱， 因此需要發(fā)展專門的技術來實現(xiàn)這一點。
重復頻率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100W 150W的熱耗有效散出。熱耗產(chǎn)生的范 圍集中于激光介質(zhì)沒長度方向0.5 2mm —個區(qū)域。為了保證激光介質(zhì)的 正常工作，這個區(qū)域內(nèi)激光介質(zhì)的溫度不能過高。這就要求實行有效的高 熱耗密度散熱。
通常情況下，端面泵浦的熱效應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，而在另一端泵浦光卻很微弱，泵浦光吸收不均勻性 將引起熱效應空間不均勻，這種熱效應的縱向不均勻不但會破壞激光諧振 腔的穩(wěn)定性，嚴重時還可能損壞激光晶體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有高峰值功率激光二極管泵浦固體激光 器，以便保證對泵浦光的控制時，確保球面結構不會對熱透鏡調(diào)節(jié)振蕩光
的功能產(chǎn)生影響、同時限制高階模產(chǎn)生。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，設計一種具有高峰值功率激光二極管泵 浦固體激光器，它至少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中有多個激光晶體，多個
激光晶體慘雜濃度依次遞增。
所述的激光晶體和激光晶體之間有用于整形和耦合前一級晶體輸出泵 浦光的光學耦合單元。
所述的光學耦合單元10是匯聚透鏡11。 所述的光學耦合單元10是熱透鏡13。
所述的熱透鏡13的焦距通過晶體的摻雜濃度控制晶體的熱效應調(diào)節(jié)。 所述的激光晶體之間的距離通過晶體之間的非成像光學整形元件調(diào)節(jié)。
所述的光學耦合單元10是非成像光學耦合元件12。 所述的諧振腔3中多個激光晶體中的前一級晶體輸出端面直徑小于后 一級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，平面四周通過弧度過渡到晶體周邊。
所述的匯聚透鏡11是后一級晶體輸入端的球形端面和晶體輸入端面 產(chǎn)生的熱透鏡，構成一個半自洽的透鏡組或是后一級晶體輸入端的平面和 晶體輸入端面產(chǎn)生的熱透鏡13，構成一個半自洽的透鏡組。
本發(fā)明的特點是由于本發(fā)明將激光介質(zhì)分為摻雜濃度不同的多個激
光晶體，多個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，保證整個晶體群內(nèi)吸收均勻和穩(wěn)定。采用階梯 泵浦技術，空間的熱透鏡可以看成一系列的透鏡組。每個熱透鏡的焦距可 以通過晶體的摻雜濃度控制晶體的熱效應來調(diào)節(jié)，激光晶體之間的距離可 以通過晶體之間的非成像光學整形元件來調(diào)節(jié)。在激光晶體的端面擬采取 中間帶平面，平面四周通過弧度過渡到晶體周邊。這樣既保證了對泵浦光 的控制，也確保了球面結構不會對熱透鏡調(diào)節(jié)振蕩光的功能產(chǎn)生影響。同 時也起到了限制高階模的效果。


下面結合實施例附圖對本發(fā)明做進一步說明。
圖1是本發(fā)明實施例結構示意圖； 圖2是實施例1結構示意圖3是實施例2結構示意圖； 圖4是實施例3結構示意圖； 圖5是實施例4結構示意圖6是實施例5結構示意圖。
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、光學耦合單元；11、匯聚透鏡；12、非成 像光學耦合元件；13、熱透鏡；14、導光鏡。
具體實施例方式
圖l給出本發(fā)明的總體方案示意圖，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作為一個用途的激光晶體，本發(fā)明的總 體方案與通用的激光二極管泵浦固體激光器的結構沒有不同。正如在背景 技術中所描述的，諧振腔3中采用單一的激光晶體，當激光二極管泵浦光 源1的功率增加的時候，熱效應會加劇形成非軸對稱性，其熱透鏡空間效 應會導致諧振腔中的振蕩光光路發(fā)生嚴重變化，引起諧振腔失諧。
本發(fā)明通過將單一的激光晶體用摻雜濃度依次遞增的多個激光晶體代 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， 讓每個晶體的吸收保持在一個合理的范圍，以保證整個晶體群內(nèi)吸收均勻 和穩(wěn)定。當然晶體的多少，視具體的功率不同而不同。激光晶體之間的距 離可以通過晶體之間的非成像光學整形元件來調(diào)節(jié)。需要根據(jù)實際泵浦情 況和激光腔的整體要求，通過實驗和模擬計算來確定。
為了使第一晶體6、第二晶體7和第三晶體8構成的一個晶體群能保 持一個合理吸收，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耦合單元10會達到滿意的效果。我們可以通 過對圖2的說明進一步了解，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耦合單元10。 光學耦合單元10的作用是將第一晶體6輸出的泵浦激光能無損耗的全部 進入第二晶體7，將第二晶體7輸出的泵浦激光能無損耗的全部進入第三
晶體8，能構達到這種效果，可以有多種方案完成。
圖3是通過在第一晶體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實現(xiàn)光學耦合的。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。這不是問題的本質(zhì)，只要實現(xiàn)各級的完全光 學耦合，可以是相同的，也可以是不相同的。實際上匯聚透鏡11可以是 后一級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半 自洽的透鏡組；或是后一級晶體輸入端的平面和晶體輸入端面產(chǎn)生的熱透 鏡13形成一個半自洽的透鏡組。
第二種實施如圖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耦合元件如柱狀體的導光 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共同實現(xiàn)前一 級與后一級的光學耦合。這種方式需要通過有效控制非成像光學耦合元件 導光鏡14和熱效應的分布。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，將熱效應控制在一個合理的范圍，以實現(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)的光學耦合，即光束調(diào)節(jié)透 鏡，可以簡化諧振腔結構，縮短諧振腔，獲得短脈沖激光。如圖5所示， 通過靈活對振蕩光的光束質(zhì)量、激光模式進行控制。采用空間的熱透鏡13 可以看成一系列的透鏡組。每個透鏡的焦距可以通過晶體的摻雜濃度控制 晶體的熱效應來調(diào)節(jié)，透鏡和透鏡之間的距離可以通過晶體之間的非成像 光學整形元件12來調(diào)節(jié)。
為了實現(xiàn)對熱透鏡13的有效調(diào)節(jié)，激光晶體輸入端面中間帶平面，平 面四周通過弧度過渡到晶體周邊。這樣既保證了關鍵技術二中對泵浦光的 控制，也確保了球面結構不會對熱透鏡調(diào)節(jié)振蕩光的功能產(chǎn)生影響。同時 也起到了限制高階模的效果。
作為對圖5的一種方案完善是利有圖6的技術方式，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透鏡的焦距通過晶體的摻雜濃度控制晶體的熱效 應來調(diào)節(jié)，透鏡和透鏡之間的距離可以很近。
本發(fā)明激光二極管泵浦光源1采用光纖耦合LD端面泵浦的泵浦方式作 為首選方案。光纖耦合LD的輸出光束基本對稱，連接和使用比較方便，
其優(yōu)點集中表現(xiàn)在①由于光纖耦合LD輸出的泵浦光具有較好的軸對稱性, 相應耦合系統(tǒng)也只需要采用軸對稱的光學系統(tǒng)，相對于非光纖耦合LD，該 耦合系統(tǒng)的設計將大為簡化。②泵浦光呈軸對稱分布，其熱透鏡13效應更 接近于理想透鏡，通過耦合系統(tǒng),可以控制熱透鏡13焦距的大小，為對諧振 腔的調(diào)控提供了可能。③有利于減小激光器的體積。使用這種結構，有利 于實現(xiàn)產(chǎn)品化，有利于產(chǎn)品的可靠性設計。
光纖耦合LD模塊。該模塊要保證輸出穩(wěn)定的808mn泵浦光，估計輸出 功率為150—200W。該模塊的技術難點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)諧振腔對熱透鏡的要求，以及空間耦合 效率的需要，完成對泵浦光進行恰當?shù)恼?。泵浦光輸入耦合單?的基 本參數(shù)和結構，主要取決于出纖泵浦光的光束質(zhì)量以及諧振腔的設計要求。 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808nm泵浦光應全透， 對1064nm振蕩光全反。
調(diào)Q單元9的重復頻率在10kHz左右，大功率泵浦條件下，足夠的效 率進行調(diào)Q，實現(xiàn)大峰值功率脈沖激光輸出的技術手段。
本發(fā)明最核心的關鍵技術就是如何有效控制激光介質(zhì)的熱效應。通常 情況下，端面泵浦的熱效應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，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 效應空間不均勻，這種熱效應的縱向不均勻不但會破壞激光諧振腔的穩(wěn)定 性，嚴重時還可能損壞激光晶體。因此通過對圖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激光晶體有 效控制激光介質(zhì)的熱效應，都是本發(fā)明所要保護的。
權利要求
1、具有高峰值功率激光二極管泵浦固體激光器，它至少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)中有多個激光晶體，多個激光晶體摻雜濃度依次遞增。
2、 根據(jù)權利要求1所述的具有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和激光晶體之間有用于整形和耦合前一級 晶體輸出泵浦光的光學耦合單元(10)。
3、 根據(jù)權利要求2所述的具有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耦合單元(10)是匯聚透鏡(11)。
4、 根據(jù)權利要求2所述的具有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耦合單元(10)是熱透鏡(13)。
5、 根據(jù)權利要求4所述的具有高峰值功率激光二極管泵浦固體激光器，其特征是所述的熱透鏡(13)的焦距通過晶體的摻雜濃度控制晶體的熱效應調(diào)節(jié)。
6、 根據(jù)權利要求1所述的具有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之間的距離通過晶體之間的非成像光學整形元件調(diào)節(jié)。
7、 根據(jù)權利要求2所述的具有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耦合單元(10)是非成像光學耦合元件(12)。
8、 根據(jù)權利要求1所述的具有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)中多個激光晶體中的前一級晶體輸出端面直徑小于后一級晶體的輸入端面直徑。
9、 根據(jù)權利要求8所述的具有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，平面四周通過弧度過渡到晶體周邊。
10、 根據(jù)權利要求3所述的具有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)，構成一個半自洽的透鏡組或是后一級 晶體輸入端的平面和晶體輸入端面產(chǎn)生的熱透鏡(13)，構成一個半自洽的透鏡組。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光器，特別是具有高峰值功率激光二極管泵浦固體激光器，它至少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)中有多個激光晶體，多個激光晶體摻雜濃度依次遞增。它可以保證對泵浦光的控制時，確保球面結構不會對熱透鏡調(diào)節(jié)振蕩光的功能產(chǎn)生影響、同時限制高階模的產(chǎn)生。
文檔編號H01S3/06GK101179175SQ20071018843
公開日2008年5月14日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權日2007年11月30日
發(fā)明者文建國, 李兵斌, 王石語, 蔡德芳, 振 過 申請人:西安電子科技大學