[發明專利]一種像散自補償固體激光器

有效

• 申請號: 201110143305.4
• 申請日: 2011-05-26
• 公開（公告）號: CN102244357A
• 公開（公告）日: 2011-11-16
• 發明（設計）人: 鄭耀輝;王雅君;彭堃墀
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: H01S3/13
• 分類號: H01S3/13
• 代理公司: 山西五維專利事務所(有限公司) 14105
• 代理人: 楊耀田

技術領域

本發明涉及激光技術領域，具體是一種像散自補償固體激光器。

背景技術

在高功率固體激光器中，嚴重的熱透鏡效應限制了激光器輸出功率的提高與光束質量的改善。減輕和補償增益介質的熱效應是研制高功率激光器的關鍵。減輕增益介質的熱效應可以采用鍵合晶體、低摻雜濃度的激光晶體和調諧泵浦源的波長(偏離增益介質的吸收波長)等方法來實現。

在高功率激光器設計中，不僅要減輕增益介質的熱透鏡效應，而且要補償增益介質的熱透鏡效應。理想的熱透鏡可以當成一個薄透鏡來對待，補償方法相對簡單，可以通過在諧振腔內插入一個負透鏡來補償。但是，實際的熱透鏡不是一個理想的薄透鏡，還包括球面像差和像散。熱透鏡球差的存在嚴重影響固體激光器的輸出光束質量，熱透鏡的球面像差可以通過在諧振腔內插入一個非球面元件、將增益介質的表面制造成非球面表面、或者用平頂光束作為泵浦源等方法來實現。

熱透鏡像散的存在，會造成激光增益介質處的熱透鏡焦距在相互垂直的兩個方向上產生不同的基模尺寸，這樣就不利于激光增益介質中基模與泵浦光之間的模式匹配，并且會造成這兩個方向上激光器工作穩區產生分離，縮小激光器工作的穩區范圍，不利于激光器實現穩定的基橫模運轉。因此，為了實現高功率、高穩定性的基橫模輸出，需要采取一定的技術手段對熱透鏡像散進行補償。通常情況下，研究工作者采用以下措施對熱像散進行補償：1、在腔內插入一個柱面鏡(P.J.Hardman，W.A.Clarkson，G.J.Friel?et.al..IEEE?J.Quantum.Electron35，647-655(1999))。2、在諧振腔內插入一個傾斜入射的透鏡(M.Ostermeyer，R.Menzel，Opt.Commun?160，251-254(1999))。3、采用光軸方向正交的兩塊增益介質(H.Vanherzeele，Appl.Opt?28，4042-4044(1989))。4、采用對增益介質非均勻控溫的方法(M.S.Keirstead，W.L.Nighan，T.M.Baer，US?Patent?No：5561547)。

但是，第1、2、3種方法需要在諧振腔內插入額外的光學元件，額外元件的插入增大了激光器的內腔損耗，不利于提高激光器的效率。第3種補償方法不適合在線偏振激光器中使用，非線偏振激光輸出不利于倍頻光的產生。第4種方法需要精確控制晶體各個方向上的溫度，大大增加了控溫裝置的復雜性。

發明內容

本發明的目的是提供一種輸出功率高、轉換效率高、光束質量好、穩定性好、簡便可靠的像散自補償固體激光器。

本發明提供的一種像散自補償固體激光器，包括泵浦源、諧振腔和增益介質，所述的增益介質是存在熱透鏡像散的增益介質；所述的諧振腔是一個像散腔；將增益介質放置在諧振腔中，使增益介質熱效應較弱的方向在諧振腔的子午面內，熱效應較強的方向在諧振腔的弧矢面內。

所述的熱透鏡像散是由于增益介質的材料為各向異性材料，在有泵浦光注入的情況下，其熱透鏡焦距不是一個理想透鏡，在相互正交的兩個方向上增益介質的熱透鏡焦距不相等。這就造成了激光增益介質中在這兩個相互正交的方向上，產生了不同的基模尺寸，不利于基模與泵浦光模式之間的模式匹配。激光器工作穩區也會產生分離，兩個方向穩定區的交叉部分才是系統的穩定區，因此熱透鏡像散使激光器系統的穩定工作區縮小。

所述的像散腔中至少包括一個離軸放置的球面鏡用于產生像散，因而在諧振腔的子午面和弧矢面內腔參數不同。結果是子午面和弧矢面內產生不同的基模尺寸，影響泵浦光與基模的模式匹配；子午面和弧矢面內有不同的穩定區，兩個穩定區的交叉部分才是系統的穩定區，因此像散腔使激光器系統的穩定工作區縮小。在一般的環形腔、V字型腔中，都包含離軸放置的球面鏡。

由于激光增益介質與諧振腔均存在像散，將增益介質放置在諧振腔中，選擇合適的擺放方向，可以實現激光增益介質的熱透鏡像散與諧振腔像散的自補償。具體為將增益介質放置在諧振腔中，使增益介質熱效應較強的方向，即熱焦距較短的方向，處于諧振腔的弧矢面內；而熱效應較弱的方向，即熱焦距較長的方向，處于諧振腔的子午面內；這樣通過合適的諧振腔參數設計，包括選取球面鏡的曲率半徑、光束在球面鏡上的入射角等參數，熱透鏡像散可由諧振腔產生的像散補償，實現了增益介質處兩個相互正交的方向上具有相同的基模參數，同時拓寬了激光器的穩定范圍。

所述的增益介質的材料是各向異性材料。各向異性材料中，各個方向上的熱膨脹系數、熱傳導系數、光彈系數等參數不同，使增益介質在各個方向上的熱透鏡焦距不相等，產生熱透鏡像散。