[發明專利]激光晶體徑向非均勻摻雜控制泵浦光吸收分布的方法

無效

• 申請號: 201310448723.3
• 申請日: 2013-09-27
• 公開（公告）號: CN103490278A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 李兵斌;過振;王石語;蔡德芳;文建國
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01S5/06
• 分類號: H01S5/06;H01S3/102;H01S3/0933;H01S3/16
• 代理公司: 西安吉盛專利代理有限責任公司 61108
• 代理人: 張培勛

技術領域

本發明涉及激光二極管泵浦固體激光器，特別是激光二極管泵浦固體激光器的激光晶體徑向非均勻摻雜控制泵浦光吸收分布的方法。

背景技術

二極管泵浦固體激光器具有體積小、重量輕、全固態等優點，得到了廣泛的關注。近年來，二極管泵浦固體激光器的輸出功率隨著泵浦源功率的增大而大幅度提升。大功率泵浦源的使用，所引發的最直接的問題就是晶體熱效應問題。通過設計聚焦系統，適當增加泵浦光的聚焦光斑，可以降低泵浦光功率密度，從而減弱晶體熱效應，但這是靠犧牲基模的能量利用率來實現的，同時，大的泵浦光焦斑，意味著大的增益區域，多個高階模式可能同時獲得振蕩放大，從而光束質量急劇惡化，如果采取內腔限模的方法抑制高階模式振蕩，那么激光器轉換效率就會下降。可見，大功率泵浦時，熱效應嚴重、光束質量惡化、轉換效率下降等諸多問題可能會同時出現，對激光器的性能產生極為不利的影響。

為了獲得高轉換效率，就要提高激光器的光譜耦合效率、空間耦合效率，以及泵浦光的傳輸效率、吸收效率等。通過控制激光二極管陣列的工作溫度，可以實現泵浦光與徑向均勻摻雜晶體吸收譜的光譜匹配，獲得最大的光譜耦合效率。對于空間耦合效率問題，廣泛采用的方法是通過耦合系統與光學諧振腔的優化設計，使得徑向均勻摻雜晶體中的泵浦光與振蕩光在空間上高度重合，許多學者在研究論文中提到了交疊積分理論，為此種方法提供理論支持。通過對耦合系統及諧振腔全反射鏡表面鍍増透膜，可以減少泵浦光經過光學系統界面的反射損失，獲得較高的泵浦光傳輸效率。對于稀土摻雜激光介質，選擇合適的尺寸與摻雜濃度，可以獲得理想的吸收效率。

為了獲得高光束質量，除了利用非穩腔和空間限模措施以外，最佳方案就是將泵浦光最大限度的匯聚到激光諧振腔的基模振蕩區域，實現泵浦光與基模振蕩光束的空間重疊。此時，泵浦光激發的粒子數躍遷絕大部分處于基模振蕩光的空間范圍，雖然此范圍與某些高階橫模的振蕩區域存在部分重疊，但是由于基模的低閾值特性，使得它在與其它高階橫模的競爭中存在優勢，上能級粒子受激躍遷的能量絕大部分轉換為基模光場能量，從而可以獲得M²接近1的基橫模光束輸出。對于小功率泵浦源，此種方案行之有效。對于大功率泵浦源，光場密度迅速增加，在泵浦光匯聚后，強烈的熱效應將成為主要矛盾，影響激光器的正常工作，甚至導致膜層脫落、端面炸裂的災難性后果。

發明內容

本發明目的是提供一種激光晶體徑向非均勻摻雜控制泵浦光吸收分布的方法，以便在泵浦光場分布和諧振腔結構確定的情況下，實現對增益分布的控制，將激光介質的熱效應控制在一個合理范圍，并獲得理想的空間耦合效率和光束質量。

本發明的目的是這樣實現的，激光晶體徑向非均勻摻雜控制泵浦光吸收分布的方法，其特征是：光纖耦合激光二極管光纖輸出端輸出的泵浦光經過耦合系統的匯聚作用后，其光場分布用高斯分布或平頂高斯分布；徑向非均勻摻雜晶體的泵浦端面鍍泵浦光增透和振蕩高反雙層膜，輸出鏡為平面鏡，輸出鏡與晶體泵浦端面上的振蕩光高反膜組成平平諧振腔；工作過程中，在晶體中形成的熱透鏡可以簡單等效為徑向非均勻摻雜晶體泵浦端面處的薄透鏡，通過熱透鏡的匯聚作用，諧振腔變為穩定腔；在泵浦光分布區域和振蕩光分布區域確定的條件下，通過激光晶體的徑向非均勻摻雜優化設計，實現泵浦光分布區域與振蕩光分布區域的空間重合。

所述的徑向非均勻摻雜晶體是徑向階梯摻雜晶體，晶體軸線中心區域均勻摻雜，晶體軸線中心區域與振蕩光直徑相當，外側環形區域無摻雜；在泵浦光分布確定的情況下，通過改變階梯摻雜晶體的摻雜濃度和摻雜范圍，實現對于增益區域及溫度分布的控制；摻雜濃度選取0.1%至1%，原則上泵浦功率越高，應當選擇較低摻雜濃度晶體，從而可減弱泵浦端面處的熱源強度，摻雜范圍與諧振腔基模光束橫向分布范圍相當。

所述的徑向非均勻摻雜晶體亦可是優化設計的徑向連續摻雜晶體，在泵浦光分布確定情況下，通過徑向連續摻雜濃度分布優化設計，可實現對晶體增益分布及熱源分布的控制。

所述的摻雜晶體為稀土摻雜固體激光介質Nd:YAG或Nd:YVO₄。

所述的徑向非均勻摻雜優化設計的依據為晶體穩態溫度分布的計算結果，評判標準是在保證增益集中在諧振腔基模范圍的條件下，使得晶體徑向溫差盡可能小，減弱熱透鏡效應。

本發明的優點是：本發明特別適用于小型化大功率激光二極管泵浦固體激光器，容易獲得高轉換效率和高光束質量，并且無需將泵浦光匯聚成很小的光斑，從而免除了高功率密度泵浦光引起的晶體端面膜層脫落甚至端面炸裂的危險。

附圖說明