本發(fā)明涉及yb:yag薄片激光器，具體涉及基于直接液冷yb:yag薄片激光器的多光斑泵浦吸收方法。

背景技術(shù)：

1、自yb:yag薄片激光器產(chǎn)生以來，便引起了新一代激光技術(shù)革命。目前，最新一代的阿秒驅(qū)動光源是由高功率yb:yag薄片激光器泵浦的光參量放大系統(tǒng)產(chǎn)生的，由該系統(tǒng)得到的阿秒脈沖在帶寬、峰值功率和平均功率均大幅度優(yōu)于傳統(tǒng)的摻鈦藍(lán)寶石激光器泵浦的光參量放大系統(tǒng)；并且由于yb:yag薄片激光器可直接得到高重復(fù)頻率和高峰值功率的亞皮秒脈沖，所以其也是理想的thz脈沖源的驅(qū)動源；不僅如此，得益于yb:yag薄片激光器在支持高功率穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的同時可以保證高光束質(zhì)量輸出，其在點(diǎn)焊和短接縫結(jié)合中均有出色的應(yīng)用結(jié)果，因此，高功率yb:yag薄片激光器也已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)界中。

2、由于量子缺陷效應(yīng)的存在，激光器在高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時，激光晶體會存在很強(qiáng)的熱效應(yīng)，得益于薄片增益介質(zhì)大的表面積與體積比，該類結(jié)構(gòu)具有優(yōu)秀的散熱能力；并且薄片增益介質(zhì)在縱向的溫度梯度很小，這極大地減少了光束通過薄片時引入的波前像差，使得熱效應(yīng)對激光光束質(zhì)量的影響極小。

3、yb:yag薄片增益介質(zhì)的熱導(dǎo)率很低，通常將yb:yag薄片和具有高熱導(dǎo)率的熱沉相結(jié)合，通過水流直接沖擊熱沉底部，直接帶走yb:yag薄片積累的熱量；然而，為了確保yb:yag薄片散熱能力的同時還需保證yb:yag薄片表面不發(fā)生形變且無內(nèi)應(yīng)力，這導(dǎo)致yb:yag薄片和熱沉的結(jié)合工藝復(fù)雜，并且目前很難實(shí)現(xiàn)大口徑y(tǒng)b:yag薄片和熱沉結(jié)合；同時由于熱沉式散熱結(jié)構(gòu)為單面散熱，因此該散熱方式的散熱能力隨著yb:yag薄片厚度的增加而急劇下降。

4、由于yb:yag薄片的縱向尺寸非常小，yb:yag薄片對泵浦光的單程吸收率較低；為了使得泵浦光充分的被吸收，往往需要多通泵浦方案，然而隨著yb:yag薄片對泵浦光的吸收，其泵浦區(qū)域反轉(zhuǎn)粒子數(shù)逐漸提升，將降低yb:yag薄片的吸收效率。同時泵浦通數(shù)越多，其多通泵浦結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜。為了保證每一通泵浦光在yb:yag薄片上的光斑重合，其調(diào)試難度也隨著泵浦通數(shù)的增加而增加。同時，受限于熱沉式y(tǒng)b:yag薄片的口徑，為了進(jìn)一步提高yb:yag薄片激光器的單程增益，無法直接泵浦多個區(qū)域，需要級聯(lián)多個yb:yag薄片激光頭，這極大地增加了yb:yag薄片激光器系統(tǒng)的體積。

5、針對上述缺陷，目前采用直接液冷的方式直接對yb:yag薄片進(jìn)行散熱，具體步驟為：在薄片的上下兩個端面，水流以層流的形式直接帶走薄片積累的熱量；通過上述冷卻方式進(jìn)行散熱，可以有效地緩解yb:yag薄片厚度的增加而導(dǎo)致的散熱能力下降的缺點(diǎn)；同時，該冷卻方式避免了復(fù)雜的yb:yag薄片和熱沉的結(jié)合工藝，因此使用該散熱方法可以直接使用更大口徑、更厚的yb:yag薄片；然而，目前直接液冷yb:yag薄片激光頭泵浦方式同熱沉式y(tǒng)b:yag薄片激光頭一致，只泵浦一個區(qū)域，導(dǎo)致其空間利用率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決現(xiàn)有級聯(lián)yb:yag薄片激光頭體積較大，且每套激光頭均需獨(dú)立的泵浦系統(tǒng)，以及yb:yag薄片液冷散熱方法對多通泵浦光的吸收效率低、空間利用率低等問題，而提出基于直接液冷yb:yag薄片激光器的多光斑泵浦吸收方法。

2、本發(fā)明的設(shè)計思路為：通過成像光路，將勻滑后強(qiáng)度分布均勻的泵浦光斑依次成像至yb:yag薄片上的不同區(qū)域，之后再對該泵浦光斑反向依次成像；通過不斷重復(fù)以上過程，從而使得yb:yag薄片各個區(qū)域被均勻泵浦，提高yb:yag薄片對泵浦光的吸收效率。

3、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)解決方案為：

4、基于直接液冷yb:yag薄片激光器的多光斑泵浦吸收方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：

5、步驟一、將入射的泵浦光處理為強(qiáng)度均勻分布的泵浦光斑；

6、步驟二、設(shè)定yb:yag薄片的泵浦區(qū)為n個，將處理后的泵浦光通過4f成像系統(tǒng)入射至yb:yag薄片上的第1泵浦區(qū)，再經(jīng)第1泵浦區(qū)處的yb:yag薄片反射后，通過4f成像系統(tǒng)以不同于第1泵浦區(qū)的入射角入射至yb:yag薄片上的第2泵浦區(qū)，然后再以不同于第2泵浦區(qū)的入射角入射至第3泵浦區(qū)，依此類推，直至入射至第n泵浦區(qū)時，完成對泵浦光斑的正向成像；

7、所述yb:yag薄片為直接液冷yb:yag薄片結(jié)構(gòu)；

8、步驟三、通過4f成像系統(tǒng)將第n泵浦區(qū)的泵浦光反向入射至yb:yag薄片上的第n泵浦區(qū)，再經(jīng)第n泵浦區(qū)處的yb:yag薄片反射后，以與正向入射成像相同的角度入射至yb:yag薄片上的第n-1泵浦區(qū)，直至泵浦光反向入射至yb:yag薄片上的第1泵浦區(qū)時，完成對泵浦光斑的反向成像；

9、步驟四、判斷yb:yag薄片對步驟三中反向入射至第1泵浦區(qū)的泵浦光的吸收率是否滿足要求；若不滿足吸收率要求，則重復(fù)步驟二和步驟三直至其滿足吸收率要求；若滿足吸收率要求，則完成對入射泵浦光的吸收。

10、進(jìn)一步地，步驟二中，所述4f成像系統(tǒng)包括平行設(shè)置在yb:yag薄片一側(cè)的拋物面反射鏡、設(shè)置在拋物面反射鏡反射光路上的第一平面反射鏡和設(shè)置在第一平面反射鏡反射光路上的第二平面反射鏡；

11、所述拋物面反射鏡還位于第二平面反射鏡的反射光路上；所述第一平面反射鏡和第二平面反射鏡位于yb:yag薄片的另一側(cè)；

12、所述第一平面反射鏡和第二平面反射鏡用于改變拋物面反射鏡反射光束的傳播方向，使得反射光束再次入射至拋物面反射鏡上。

13、進(jìn)一步地，所述4f成像系統(tǒng)包括平行設(shè)置在yb:yag薄片一側(cè)的拋物面反射鏡、設(shè)置在拋物面反射鏡反射光路上的第一平面反射鏡和設(shè)置在第一平面反射鏡反射光路上的第二平面反射鏡；

14、所述拋物面反射鏡還位于第二平面反射鏡的反射光路上；

15、所述拋物面反射鏡、第一平面反射鏡和第二平面反射鏡位于yb:yag薄片的同一側(cè)。

16、進(jìn)一步地，所述設(shè)定的n個yb:yag薄片的泵浦區(qū)與拋物面反射鏡之間的光程為拋物面反射鏡的焦距，且泵浦光由拋物面反射鏡出射后依次經(jīng)第一平面反射鏡、第二平面反射鏡再到拋物面反射鏡的總光程為拋物面反射鏡焦距的2倍。

17、進(jìn)一步地，步驟四中，yb:yag薄片的吸收率α與n個泵浦區(qū)之間滿足下式：

18、

19、其中：α為yb:yag薄片的吸收率，nl為泵浦光的往返次數(shù)，n為泵浦區(qū)的個數(shù)，zdisk為yb:yag薄片厚度，n為yb:yag薄片總粒子數(shù)密度，σp為yb:yag有效吸收截面。

20、進(jìn)一步地，步驟四具體為：

21、判斷yb:yag薄片對步驟三中反向入射至第1泵浦區(qū)的泵浦光的吸收率是否滿足要求；

22、當(dāng)yb:yag薄片的吸收率＜98％，則重復(fù)步驟二和步驟三直至其滿足吸收率要求；

23、當(dāng)yb:yag薄片的吸收率≥98％，則完成對入射泵浦光的吸收。

24、本發(fā)明的有益效果：

25、【1】本發(fā)明基于直接液冷yb:yag薄片激光器的多光斑泵浦吸收方法不僅可以有效增加泵浦區(qū)域，提高yb:yag薄片的吸收效率，同時還提高了yb:yag薄片的空間利用率；相較于級聯(lián)熱沉式y(tǒng)b:yag薄片激光頭的方法，該方法在增加了激光器的單程增益的同時，系統(tǒng)體積保持不變，并只需一套泵浦系統(tǒng)。

26、【2】本發(fā)明所采用的直接液冷yb:yag薄片結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率較低，因此不同泵浦區(qū)域的熱效應(yīng)可獨(dú)立考慮，其不會相互影響；同時，由于yb:yag本身會對自發(fā)輻射出的光子有較強(qiáng)的吸收，因此對于yb:yag薄片而言，不同區(qū)域間的放大的自發(fā)輻射效應(yīng)是獨(dú)立的。

27、【3】本發(fā)明通過4f光路系統(tǒng)將勻滑后強(qiáng)度分布均勻的泵浦光斑依次成像至yb:yag薄片上的不同區(qū)域，之后再對該泵浦光斑反向依次成像；通過不斷重復(fù)以上過程，從而使得yb:yag薄片各個區(qū)域被均勻泵浦，并有效地提高了yb:yag薄片對泵浦光的吸收效率。