专利名称：盘片型激光增益介质的双波长组合泵浦方法及其增益模块的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种盘片型激光增益介质的泵浦方法及其增益模块，属于高功率固体激光器
背景技术：
二极管泵浦的固体激光器经过多年的发展，无论是从输出功率方面还是光束质量方面都得到了长足的发展。固体激光增益介质从几何形状上分类主要有板条状、棒状和盘片型等几何构型。棒状激光增益介质的轴向梯度折射率激光器，在高功率泵浦条件下存在热透镜效应与热致双折射效应，使得转换效率下降，光束质量变差，亮度降低。为了克服热透镜效应，发展了之字形(Zigzag)光路的板条激光器，但之字形光路只能克服在板条厚度方向上的热透镜效应。这种激光器虽然在理论具有一定的优势，但目前对它的认可程度仍很低，主要是因为其效率比较低，还存在边缘效应和端面效应等不利因素。
盘片型激光增益介质由于热梯度方向与激光传输方向基本平行，同时减小了横向的温度梯度，因此在一定程度上解决了高功率激光器冷却和高功率泵浦的矛盾，避免了放大的自发辐射效应。与高功率棒状或板条激光器相比，可以获得更高的输出功率，同时保持较好的光束质量。
在高功率盘片型激光增益介质中，主要有端面泵浦和边缘泵浦两种泵浦方式，其中端面泵浦分为前端面泵浦和后端面泵浦两种方式。前端面与后端面是相对于激光输出方向定义的，激光输出所在的端面称为前端面，与前端面相对的背面称为后端面。在端面泵浦方式中，泵浦光从盘片的前端面或者后端面入射到激光增益介质内，同时需要保证激光增益介质对泵浦光的吸收效率达到90％以上。无论是前端面泵浦还是后端面泵浦，为了发挥盘片激光器的优点，在激光输出方向上不产生过大的热梯度，盘片的厚度不能太厚，这样吸收路径就比较短，激光增益介质对泵浦波长必须具有较大的吸收系数，才能保证一定的吸收效率。如果激光增益介质对泵浦波长吸收系数较小，而盘片又很薄，为了提高泵浦效率，需要使泵浦光多次穿过激光增益介质，这种多次泵浦方式可以利用多个反射镜对泵浦光依次反射来实现，但各个反射镜都需要精确的调整，整个装置比较复杂，调整难度较大。
盘片型激光增益介质除了端面泵浦方式以外，还有一种边缘泵浦方式。边缘泵浦的盘片型激光器的吸收路径比较长，为了改善泵浦均匀性，提高吸收效率，并不是所有的激光增益介质都适合使用边缘泵浦，而必须选择对泵浦光吸收系数较小的激光增益介质，使得泵浦光在盘片内部多次反射而不断被吸收。例如885nm泵浦的Nd:YAG、Nd:GGG、Nd:ED-2Glass，905nm泵浦的Yb:S-FAP以及940nm泵浦的Yb:YAG、Yb:GGG等盘片型激光增益介质都可以采用边缘泵浦方式。
目前一般采用单一的泵浦波长、单一的泵浦方式对盘片型激光增益介质进行泵浦。这种单一的泵浦波长、单一的泵浦方式不利于提高注入的泵浦功率，并且其泵浦的均匀性也难以保证，这使得盘片型激光增益介质的激光器向高功率扩展较为困难。
发明内容
针对现有盘片型激光增益介质的单一波长、单一泵浦方式的诸多不足，本发明提出一种针对盘片型激光增益介质的双波长组合泵浦方法及其增益模块。
本发明的技术方案如下一种盘片型激光增益介质的双波长组合泵浦方法，其特征在于该方法是将两种不同波长的泵浦光分别从盘片型激光增益介质的端面和边缘入射到激光增益介质的内部，高吸收系数的泵浦光从盘片的前端面或者后端面入射，低吸收系数的泵浦光从盘片的边缘入射；所述的激光增益介质采用具有双吸收峰或者多吸收峰结构的激光增益介质；所述两种不同波长的泵浦光的波长分别位于激光增益介质吸收谱的两个吸收峰上。
本发明的技术特征还在于所述的盘片型激光增益介质的边缘对低吸收系数泵浦光高透；当高吸收系数泵浦光从盘片的前端面注入时，盘片的前端面对高吸收系数泵浦光与输出激光高透，盘片的后端面对高吸收系数泵浦光与输出激光全反；当高吸收系数泵浦光从盘片的后端面注入时，盘片的后端面对高吸收系数泵浦光高透而对输出激光全反，盘片的前端面对高吸收系数泵浦光全反而对输出激光高透。
本发明还提供了一种盘片型激光增益介质的双波长组合泵浦方法的激光增益模块，含有泵浦光源和激光增益介质，其特征在于所述的激光增益介质的边缘镀对低吸收系数泵浦光的增透膜，盘片的前端面镀对高吸收系数泵浦光与输出激光的增透膜，后端面镀全反膜；或盘片的前端面镀对高吸收系数泵浦光全反而对输出激光增透的光学薄膜，后端面镀对高吸收系数泵浦光增透而对输出激光全反的光学薄膜；所述的泵浦光源为两种不同波长的光源，其波长分别位于激光增益介质吸收谱的两个不同的吸收峰上。
本发明中所述的盘片型激光增益介质为具有双吸收峰或者多吸收峰结构的激光增益介质。其几何外形为圆形或圆内接多边形。
本发明中所述的盘片型激光增益介质，可采用单一的均匀掺杂的激光增益介质，或采用热键合技术或者是生长方法得到的复合的盘片型激光增益介质，其复合盘片的中心部分或与热沉接触部分是掺杂的激光材料，其余部分是非掺杂材料，非掺杂材料对泵浦光透明。
本发明所述激光增益模块中的泵浦光源可采用单条二极管、面阵二极管或由它们组成的阵列。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果本发明提供的针对盘片型激光增益介质的双波长组合泵浦方法是把两种不同波长的泵浦光分别从盘片的端面和边缘耦合到激光增益介质的内部，克服了单一泵浦波长只能采用单一泵浦方式的限制，可以大大提高注入的泵浦功率与泵浦能量密度，可有效改善泵浦能量分布的均匀性，增加激光增益介质的总体吸收效率，有利于提高盘片型固体激光器的输出功率，改善输出激光的光束质量，有利于设计出目前急需的高功率高光束质量的固体激光器。
图1a、1b、1c分别为已有的前端面、后端面和边缘泵浦的单一泵浦波长、单一泵浦方式的光路示意图。
图2a、2b分别为本发明提供的后端面和边缘、前端面和边缘双波长组合泵浦方法的光路示意图。
图3a、3b分别为单一的均匀掺杂的圆形、圆内接多边形盘片型激光增益介质的结构示意图。
图3c、3d分别为中心掺杂四周非掺杂、后端面掺杂前端面非掺杂的复合的盘片型激光增益介质的结构示意图。
图4为双波长组合泵浦方式的盘片型激光增益介质应用于主振荡器功率放大器的实施例的结构示意图。
图5a、5b、5c分别为双波长组合泵浦方式的盘片型激光增益介质应用于谐振器的实施例的结构示意图。
具体实施例方式
盘片型激光增益介质的双波长组合泵浦方法是把两种不同波长的泵浦光分别从盘片的端面和边缘耦合到激光增益介质内部，适用于具有双吸收峰或多吸收峰结构的激光增益介质。激光增益介质对不同波长泵浦光的吸收系数差别较大，激光增益介质对两种不同波长泵浦光中吸收系数相对较大的泵浦光被称为高吸收系数泵浦光，吸收系数相对较小的泵浦光被称为低吸收系数泵浦光。两种不同波长泵浦光的中心波长分别位于激光增益介质吸收谱的两个吸收峰上。例如Nd:YAG、Nd:GGG、Nd:ED-2Glass等激光材料分别在808nm和885nm处各有一个吸收峰，并且激光晶体对波长为808nm的泵浦光的吸收系数相对较大，则808nm的泵浦光被称为高吸收系数泵浦光，波长为885nm的泵浦光被称为低吸收系数泵浦光。高吸收系数泵浦光(例如对应Nd:YAG、Nd:GGG、Nd:ED-2Glass等激光增益介质的808nm泵浦光)从盘片型激光增益介质的前端面或者后端面入射，低吸收系数泵浦光(例如对应Nd:YAG、Nd:GGG、Nd:ED-2Glass等激光材料的885nm泵浦光)从盘片的边缘入射。当高吸收系数泵浦光从盘片的前端面入射时，盘片的前端面镀对高吸收系数泵浦光与输出激光的增透膜，盘片的后端面镀对高吸收系数泵浦光与输出激光的全反膜；当高吸收系数泵浦光从盘片的后端面入射时，盘片的后端面镀对高吸收系数泵浦光增透而对输出激光全反的光学薄膜，前端面镀对高吸收系数泵浦光全反而对输出激光增透的光学薄膜。这样，泵浦光两次穿过激光增益介质而被不断吸收，总吸收光程约为激光增益介质厚度的两倍。边缘镀对低吸收系数泵浦光的增透膜，吸收光程为激光增益介质的直径的长度。
上述的盘片型激光增益介质的几何外形可以采用圆形，也可以采用圆内接多边形，从材料上说可以采用单一的均匀掺杂激光增益介质，也可以采用热键合技术或生长方法得到的复合的盘片型激光增益介质，盘片中心或者盘片与热沉接触的部分是掺杂材料，其它部分是非掺杂材料，非掺杂材料对泵浦光透明。把从边缘耦合到激光增益介质内部泵浦光约束在盘片的掺杂部分而被吸收，达到更高的泵浦功率密度和更好的泵浦均匀性的目的。
此外，盘片型激光增益介质可以采用风冷或在盘片的后端面安装热沉及其冷却系统以加强散热的冷却方式。前一种冷却方式的结构较简单，但是它的散热能力有限；后一种冷却方式的结构较复杂，但是它的散热能力较强，适合用于高功率泵浦的场合。为了进一步增强散热能力，提高能量转换效率，改善输出激光的光束质量，还可以采用微通道结构的热沉装置。
下面结合附图进一步说明本发明的原理、结构和具体实施方式
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现有的二极管泵浦盘片型激光增益介质的泵浦方法有前端面泵浦、后端面泵浦和边缘泵浦方式这三种，分别如图1a、图1b和图1c所示，它们均属于单一泵浦波长、单一泵浦方式的泵浦方法。图中，11表示盘片型激光增益介质，14表示输出激光的方向。盘片的前后端面是相对于激光输出所在的端面定义的，如图1a所示的输出激光14从端面17输出，我们就把端面17称为前端面，与前端面相对的端面15称为后端面，夹在前端面与后端面之间的侧面称为边缘面，如图中16所示。在图1a中，泵浦光源13发出的泵浦光12由前端面耦合到盘片型激光增益介质内部，称为前端面泵浦方式。在图1b中，泵浦光源13发出的泵浦光12由后端面耦合到盘片型激光增益介质内部，称为后端面泵浦方式。在图1c中，泵浦光源18发出的泵浦光19由盘片的边缘耦合到盘盘片型激光增益介质内部，称为边缘泵浦方式。
本发明提供的盘片型激光增益介质的双波长组合泵浦方法有后端面和边缘泵浦、前端面和边缘泵浦两种组合泵浦方式，它们的光路示意图分别如图2a和图2b所示。在这两个图中，输出激光14所在的端面17称为前端面，与它相对的端面称为后端面，夹在它们之间的侧面称为边缘面。图2a采用后端面和边缘双波长组合泵浦方式，高吸收系数泵浦光12从盘片11的后端面注入，泵浦光12由泵浦光源13发出；低吸收系数泵浦光19从盘片11的边缘注入，泵浦光19由泵浦光源18发出。13和18可以是单条的激光二极管或者光纤耦合输出激光二极管，直接耦合到激光增益介质内部，也可以是多条激光二极管组成的阵列，通过光学耦合系统入射到激光增益介质内部。而且泵浦光源18可以根据盘片的结构进行相应的封装围绕在盘片的四周。图2a中盘片的后端面镀对泵浦光12增透而对输出激光14全反的光学薄膜，前端面17镀对泵浦光12全反而对输出激光14增透的光学薄膜，边缘面镀对泵浦光19的增透膜。图2b采用前端面和边缘双波长组合泵浦方法，高吸收系数泵浦光12从盘片11的前端面注入，低吸收系数泵浦光19从盘片11的边缘注入，盘片11的后端面镀对泵浦光12和输出激光14全反的光学薄膜，前端面16镀对泵浦光12和输出激光14的增透膜，边缘面镀对泵浦光19的增透膜。当泵浦功率较高时，需要在盘片的后端面安装热沉，使盘片与热沉紧密接触，再通过冷却系统把热量带走。
在盘片型激光增益介质中，可以把盘片切割成不同的几何形状，图3a和图3b示出了圆盘状和圆内接多边形状的盘片型激光增益介质的几何结构。图3c和图3d示出了复合形式的盘片型激光增益介质，图3c为中心掺杂四周非掺杂的复合盘片型激光增益介质，图中21和20分别表示掺杂激光材料(如Nd:YAG)和非掺杂激光材料(如纯YAG)。图3d为直径相同双层结构的复合盘片型激光增益介质，图中23和24分别表示掺杂和非掺杂的激光材料，这种复合的盘片型激光增益介质可以利用热键合技术或者生长方法得到。
双波长组合泵浦的盘片型激光增益介质既可以用于激光器的振荡级，也可以用于激光器的放大级。图4示出了一个采用盘片型激光增益介质的主振荡器功率放大器结构的激光器的基本结构。图5a、5b、5c示出了采用盘片型激光增益介质的激光振荡器的基本结构。
图4中包含了激光主振荡级26和激光放大模块29。主振荡级26发出的种子激光27经过两级激光放大模块29放大以后，由28所指方向输出。图中激光放大模块29采用了后端面和边缘双波长组合泵浦方式，也可以采用前面边缘双波长组合泵浦方式。激光放大模块的个数可以是单个的或者多个。
图5a中激光振荡输出方向30与盘片的法线方向一致，31为激光谐振腔输出耦合镜，盘片11的后端面镀对高吸收系数泵浦光12增透而对输出激光全反的光学薄膜，前端面镀对泵浦光12全反而对输出激光增透的光学薄膜，该结构适合采用后端面和边缘双波长组合泵浦方法。图5b中激光振荡输出方向33与盘片的法线方向成一角度，34和35分别为激光谐振腔的全反镜和输出耦合镜，36为激光输出方向，激光增益介质11的后端面镀对泵浦光12增透而对输出激光全反的光学薄膜，前端面镀对泵浦光12全反而对输出激光增透的光学薄膜，该结构可以采用后端面和边缘双波长组合泵浦方式，也可以采用前端面和边缘双波长组合泵浦方式。图5c为两个增益模块串接的激光振荡器示意图，37和39分别为激光谐振腔全反镜和输出耦合镜，38为腔内激光振荡方向，40为激光输出方向，图中激光放大模块29采用了后端面和边缘双波长组合泵浦方式，也可以采用前面边缘双波长组合泵浦方式，激光增益模块串接的个数可以是两个或者更多个。
权利要求
1.一种盘片型激光增益介质的双波长组合泵浦方法，其特征在于该方法是将两种不同波长的泵浦光分别从盘片型激光增益介质的端面和边缘入射到激光增益介质的内部，高吸收系数的泵浦光从盘片的前端面或者后端面入射，低吸收系数的泵浦光从盘片的边缘入射；所述的激光增益介质采用具有双吸收峰或多吸收峰结构的激光增益介质；所述两种不同波长的泵浦光的波长分别位于激光增益介质吸收谱的两个吸收峰上。
2.按照权利要求1所述的双波长组合泵浦方法，其特征在于所述的盘片型激光增益介质的边缘对低吸收系数泵浦光高透；当高吸收系数泵浦光从盘片的前端面注入时，盘片的前端面对高吸收系数泵浦光与输出激光高透，盘片的后端面对高吸收系数泵浦光与输出激光全反；当高吸收系数泵浦光从盘片的后端面注入时，盘片的后端面对高吸收系数泵浦光高透而对输出激光全反，盘片的前端面对高吸收系数泵浦光全反而对输出激光高透。
3.按照权利要求1或2所述的双波长组合泵浦方法，其特征在于所述的泵浦光可以由单条、面阵二极管或由它们组成的阵列发出，或直接耦合到激光增益介质内部，或经过光纤耦合、光学耦合系统耦合到激光增益介质内部。
4.一种盘片型激光增益介质的双波长组合泵浦方法的激光增益模块，含有泵浦光源和盘片型激光增益介质，其特征在于所述的激光增益介质的边缘镀对低吸收系数泵浦光的增透膜，盘片的前端面镀对高吸收系数泵浦光与输出激光的增透膜，后端面镀全反膜；或盘片的前端面镀对高吸收系数泵浦光全反而对输出激光增透的光学薄膜，后端面镀对高吸收系数泵浦光增透而对输出激光全反的光学薄膜；所述的泵浦光源为两种不同波长的光源，其波长分别位于激光增益介质吸收谱的两个不同的吸收峰上。
5.按照权利要求4所述泵浦方法的激光增益模块，其特征在于所述的盘片型激光增益介质为具有双吸收峰或者多吸收峰结构的激光增益介质。
6.按照权利要求4所述的激光增益模块，其特征在于所述的盘片型激光增益介质的几何外形为圆形或圆内接多边形。
7.按照权利要求4、5或6所述的激光增益模块，其特点在于所述的盘片型激光增益介质采用单一的均匀掺杂的激光增益介质，或采用热键合技术或者是生长方法得到的复合的盘片型激光增益介质，其复合盘片的中心部分或与热沉接触部分是掺杂的激光增益介质，其余部分是非掺杂介质，非掺杂介质对泵浦光透明。
8.按照权利要求7所述的增益模块，其特征在于所述的泵浦光源采用单条二极管、面阵二极管或由它们组成的阵列。
全文摘要
盘片型激光增益介质的双波长组合泵浦方法及其增益模块，属于高功率固体激光器技术领域。本发明是将两种不同波长的泵浦光分别从盘片型激光增益介质的端面和边缘入射到激光增益介质的内部，使高吸收系数的泵浦光从盘片的前端面或者后端面入射，低吸收系数的泵浦光从盘片的边缘入射；所述的激光增益介质采用具有双吸收峰或者多吸收峰结构的激光增益介质；所述两种不同波长的泵浦光的波长分别位于激光增益介质吸收谱的两个吸收峰上。该方法克服了单一泵浦波长只能采用单一泵浦方式的限制，可大大提高注入的泵浦功率与泵浦能量密度，有效改善泵浦能量分布的均匀性，增加激光增益介质的总体吸收效率以及改善输出激光的光束质量。
文档编号H01S3/06GK1547294SQ20031011718
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月5日 优先权日2003年12月5日
发明者柳强, 巩马理, 陆富源, 李晨, 宫武鹏, 阎平, 陈刚, 柳 强 申请人:清华大学