CN101483312A - 端面泵浦阶变梯度掺杂复合板条激光放大器 - Google Patents

Abstract

一种端面泵浦阶变梯度掺杂复合板条激光放大器，包括激光增益介质、种子源、泵浦源、耦合透镜导管、板条冷却热沉及铟过渡层，其特点是所述的激光增益介质为N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条，由发光离子浓度最高的中间段子板条，向两端发光离子浓度逐渐递减的各N段子板条和两端零掺杂的子板条共2N+3段一体构成，N为1以上的正整数。本发明装置可以改善温度分布均匀性和减小最大热应力，进而实现高平均功率、高光束质量的激光输出。

Description

端面泵浦阶变梯度掺杂复合板条激光放大器

技术领域

本发明涉及全固态激光器件，特别是一种端面泵浦阶变梯度掺杂复合板条的激光放大器，在激光加工、通信及军事上有广泛应用前景。

背景技术

随着激光技术的发展，对激光技术指标也有了更高的要求，激光二极管泵浦板条激光器、放大器由于结构上的优势，已经成为高平均功率、高光束质量激光器的理想设计方案之一。端面或侧面泵浦结构的激光放大器使泵浦面与冷却面分离，可以降低对冷却面的要求，在工程中更容易实现高平均功率输出。采用激光束沿z形光路传输放大，可进一步降低激光器工作介质的热畸变问题，提高激光光束质量。

激光光学陶瓷的研制成功和应用，使得准备不同结构和不同形状的激光板条增益介质成为现实。

目前，在侧面泵浦或端面泵浦板条激光放大器方面，国内外主要采用单一掺杂浓度的晶体结构，在提高泵浦光吸收效率的同时，又产生了激光介质内泵浦功率密度不均匀的问题，从而在泵浦方向上产生了较大的温度梯度，导致大的热应力，这一矛盾极大地制约着激光器功率的进一步提高。

本发明所采用的泵浦方向上激光介质采用N阶阶变梯度浓度掺杂分布结构，可允许泵浦功率进一步提高，从而实现固体激光器的更大功率、高光束质量的激光输出。

发明内容

本发明的目的在于改善现有板条激光放大器泵浦不均匀和热应力方面的欠缺。提供一种端面泵浦阶变梯度掺杂复合板条的激光放大器，该激光放大器应具有提高泵浦功率、温度分布均匀、结构紧凑、散热方便的特点，能够获得大功率，光束质量好的激光输出。

本发明的技术解决方案如下：

一种端面泵浦阶变梯度掺杂复合板条激光放大器，包括：激光增益介质、种子源、泵浦源、耦合透镜导管、板条冷却热沉及铟过渡层，其特点是：

所述的激光增益介质为N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条，其中N为1以上的正整数，由发光离子浓度最高的中间段子板条，向两端发光离子浓度逐渐递减的各N段子板条和两端零掺杂的子板条共2N+3段一体构成，该复合陶瓷板条为平行六面体，该复合陶瓷板条包括两个相互平行的大侧面、两个相互平行的小侧面及两个相互平行的端面，两个大侧面与两个小侧面相互垂直，两个平行的端面与所述的两个小侧面垂直并与所述的两个大侧面成45°，所述的两个大侧面为冷却面，分别通过所述的铟过渡层与所述的板条冷却热沉压接在一起；

所述的种子源发出的激光垂直于所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条的端面进入所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条，并按z字形光路传输；

所述的泵浦源包括两组半导体激光二极管面阵列，该两组半导体激光二极管面阵列发出的泵浦光分别经所述的耦合透镜导管整形压缩后从所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条的大侧面的两端的泵浦光增透区进入所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条，经所述的的端面反射沿所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条的光轴前进而进行泵浦。

所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条，是两端零掺杂，中间为N(N≥1)阶阶变梯度掺杂的激光增益介质，即把激光介质掺杂区按不同掺杂浓度等分成2N+1段，各段子板条长度为l，中间段定义为0阶，紧挨0阶的两段分别为±1阶，类似沿z轴反正方向依次为±2阶...±i阶，...±N阶，其中i满足1≤i≤N，0阶子板条吸收系数为α₀，±i阶子板条吸收系数为α_i，吸收系数等于掺杂浓度乘于有效受激吸收截面，各阶子板条掺杂浓度采用能量等分的方法确定。

所述的能量等分方法的基本思想是将泵浦光的能量均分到各阶子板条中而确定各阶子板条中受激发光离子的掺杂浓度的方法。

对于N(N≥1)阶阶变梯度掺杂板条，以下简称为板条，掺杂区总尺寸为L_s×w×d，板条中心位置取为坐标原点，厚度、宽度和长度方向分别为x、y和z轴方向，能量等分方法的运算过程可以表征为：

$p_0=p_{\±i}=\frac{\mathrm{\ηp}}{2N+1},$

式中：p为耦合进板条介质的总泵浦功率，η为泵浦效率，p₀为耦合进0阶子板条介质的总泵浦功率，p_±i为耦合进±i阶子板条介质的总泵浦功率，p₀和p_±i分别表示为：

$p_0=\mathrm{wt}\underset{\frac{-l}{2(2N+1)}}{\overset{\frac{l}{2(2N+1)}}{\∫}}{\mathrm{\ρ}}_0\left(z\right)\mathrm{dz},$

$p_{\±i}=\mathrm{wt}\underset{\frac{(2i-1)l}{2(2N+1)}}{\overset{\frac{(2i+1)l}{2(2N+1)}}{\∫}}{\mathrm{\ρ}}_i\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中：ρ₀(z)为0阶子板条泵浦功率吸收密度，ρ_i(z)为±i阶子板条泵浦功率吸收密度，分别表示为：

${\mathrm{\ρ}}_0\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_0\mathrm{lp}}{V}\exp (-\frac{l({\mathrm{\α}}_0+2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i)}{2(2N+1)})\cosh \left({\mathrm{\α}}_{0}z\right)$

${\mathrm{\ρ}}_{\±i}\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_i\mathrm{lp}}{V}\exp (-\frac{l({\mathrm{\α}}_0+2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i)}{2(2N+1)})\cosh \left(\±\frac{l({\mathrm{\α}}_0+2{\mathrm{\α}}_1+2{\mathrm{\α}}_2+\·\·\·+2{\mathrm{\α}}_{i-1}-(2i-1){\mathrm{\α}}_i))}{2(2N+1)}+{\mathrm{\α}}_{i}z\right)$

式中：V为板条介质掺杂区总体积。联合上面的公式可以得到(N+1)个方程，从而可以求得各阶子板条的吸收系数，进而得到子板条的对应的掺杂浓度。

所述的激光增益介质板条的两个大侧面镀有对种子激光的SiO₂反射膜。

所述的激光增益介质板条的端面镀有对种子激光的增透膜

所述的耦合透镜导管是一扇形的柱体，耦合透镜导管的激光入射面为一个柱形曲面，出射面为一个矩形面的激光透明体。

本发明端面泵浦阶变梯度掺杂复合板条激光放大器可以为单程放大，也可以多程放大，更好的提取能量。

本发明具有以下优点：

1、由于采用端面泵浦结构，吸收长度很大，可以对泵浦光进行充分吸收，泵浦光吸收效率可大于0.97，特别适合泵浦吸收截面较小的增益介质。

2、采用阶变梯度浓度掺杂结构，可以使激光放大器吸收更大的泵浦功率，泵浦吸收功率密度在激光介质中分布更加均匀，能够得到更高的激光输出功率和好的光束质量。可以使激光放大器器设计简单，结构紧凑。

3、激光增益介质采用薄板条结构，最大面使用两个微通道热沉冷却，冷却彻底，减小了热效应。

4、由于采用放大器多程放大结构，增益介质的能量得到充分的利用，在获得大的输出功率的同时有着较好的光束质量。

经分析本发明具有提高泵浦功率、温度分布均匀、结构紧凑、散热方便的特点，能够获得大功率，光束质量好的激光输出。

附图说明

图1为本发明端面泵浦阶变梯度掺杂复合板条激光放大器的整体结构框图。

图2为本发明激光增益介质的原理结构示意图。

图3为本发明实施例的激光增益介质的结构示意图。

图4为本发明实施例激光增益介质各阶子板条的掺杂浓度示意图。

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明端面泵浦阶变梯度掺杂复合板条激光放大器的整体结构框图。由图可见，本发明端面泵浦阶变梯度掺杂复合板条激光放大器，包括：激光增益介质1、种子源2、泵浦源3、4、耦合透镜导管5、6、板条冷却热沉7、8、及铟过渡层9、10，其特点是：

所述的激光增益介质1为N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条，其中N为1以上的正整数，参见图2，图中：

1，0  表示第0阶子板条，

1，±i  表示第±i阶子板条，i＝1，2，3，...，N；

1，±(N+1)表示两端未掺杂部分板条。

所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条1由发光离子浓度最高的中间段子板条，向两端发光离子浓度逐渐递减的各N段子板条和两端零掺杂的子板条共2N+3段一体构成，该复合陶瓷板条1为平行六面体，该复合陶瓷板条1包括两个相互平行的大侧面、两个相互平行的小侧面及两个相互平行的端面，两个大侧面与两个小侧面相互垂直，两个平行的端面与所述的两个小侧面垂直并与所述的两个大侧面成45°，所述的两个大侧面为冷却面，分别通过所述的铟过渡层9、10与所述的板条冷却热沉7、8压接在一起；

所述的种子源2发出的激光垂直于所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条1的端面进入所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条1，并按z字形光路传输；

所述的泵浦源包括两组半导体激光二极管面阵列3、5，该两组半导体激光二极管面阵列3、5发出的泵浦光分别经所述的耦合透镜导管5、6整形压缩后从所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条1的大侧面的两端的泵浦光增透区进入所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条，经所述的的端面反射沿所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条的光轴前进而进行泵浦。

图1也是本发明实施例的整体结构框图，图3为本发明实施例的激光增益介质的结构示意图，图4为本发明实施例激光增益介质各阶子板条的掺杂浓度示意图。本实施例的激光增益介质是N＝3的3阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条，是掺镱(Yb)的YAG复合陶瓷板条，所述的增益介质1采用长度方向上两端零掺杂、中间3阶变梯度浓度掺杂结构。板条的零掺杂端面为切成45度角的平行斜面，如图3所示，具体尺寸为总长(L+L_s)＝120mm、宽w＝12mm、厚d＝2mm，其中两段非掺杂部分(1，4)、(1，-4)长度为11mm，掺杂部分总长度L_s为98mm，各阶子板条长度14mm，陶瓷板条两端未掺杂部分和中间各阶掺杂子板条采用烧结的方式结合在一起，是根据本发明提出的能量等分方法计算得出的，中间段0阶子板条1，0的掺杂浓度为0.7％，±1阶子板条1，-1和1，+1掺杂浓度为0.5％，±2阶子板条1，-2和1，+2掺杂浓度为0.3％，±3阶子板条1，-3和1，+3的掺杂浓度为0.2％，理论上得出耦合进板条的泵浦光吸收效率大于98％，各阶子板条吸收的泵浦功率相同。所述的3阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条的两大侧面镀SiO₂膜，厚度为2微米，在泵浦光入射到增益介质两大侧面端面的部分镀所述的半导体激光二极管阵列3、4的激光波长的增透膜，两小侧面打毛以抑制自激振荡，两平行端面镀波长为1064nm的增透膜和半导体激光二极管阵列的激光波长的全反膜。激光增益介质的两大侧面作为冷却面通过铟过渡层与铜质微通道热沉压接在一起，通水冷却，热沉工作面长度为106mm，宽10mm。铟过渡层厚度30微米。

激光二极管阵列3、4发出的泵浦光经耦合透镜导管5和6整形压缩后照射在板条的大侧面端面泵浦光增透区进入板条增益介质，经切成45度斜面的端面反射沿z轴进入介质掺杂区，泵浦光在板条内经上下两个大面全反射被板条吸收。激光增益介质板条1的两个大侧面镀厚SiO₂膜，以实现泵浦光在两个大面的全反射。半导体激光泵浦源3和4为矩形半导体激光器面列阵。

下面为此实施例的具体参数：

两组激光二极管面阵的发光面为矩形，每组阵列由20个激光二极管条列组成，每个条列的长度为10mm，宽1mm，长度方向发散角为10°，宽度方向发散角为10°，发光波长为808nm。为脉冲工作方式，每组激光二极管面阵的平均功率为400W。

在激光二极管阵列和板条增益介质之间的耦合透镜导管5和6：实心透镜导管，透镜导管经过严格的设计和计算机模拟，取使耦合效率最大的参数，如图1所示，所述的耦合透镜导管5、6是端面为一扇型的柱体，激光二极管发出的泵浦光进入耦合透镜导管5、6的入射面为一个柱形曲面，曲率半径为12mm。此面沿轴线方向为10mm，垂直于柱形曲面方向为14mm，泵浦光耦合透镜导管5、6的出射面为一个矩形面，长宽分别为10mm和1.8mm，这两个面之间的最大距离为30.3mm，理论耦合效率接近为92％，实际耦合效率也大于87％。所述的激光二极管阵列3、5和耦合透镜导管5、6，耦合透镜导管5、6和阶变梯度掺杂复合陶瓷板条之间均尽可能接近，距离小于1mm。

经实验表明，本发明可以改善温度分布均匀性和减小最大热应力，进而可实现高平均功率、高光束质量的激光输出。

Claims (6)

1、一种端面泵浦阶变梯度掺杂复合板条激光放大器，包括：激光增益介质、种子源、泵浦源、耦合透镜导管、板条冷却热沉及铟过渡层，其特征在于：

所述的激光增益介质为N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条，其中N为1以上的正整数，由发光离子浓度最高的中间段子板条，向两端发光离子浓度逐渐递减的各N段子板条和两端零掺杂的子板条共2N+3段一体构成，该复合陶瓷板条为平行六面体，该复合陶瓷板条包括两个相互平行的大侧面、两个相互平行的小侧面及两个相互平行的端面，两个大侧面与两个小侧面相互垂直，两个平行的端面与所述的两个小侧面垂直并与所述的两个大侧面成45°，所述的两个大侧面为冷却面，分别通过所述的铟过渡层与所述的板条冷却热沉压接在一起；

所述的种子源发出的种子激光垂直于所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条的端面进入所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条，并按z字形光路传输；

所述的泵浦源包括两组半导体激光二极管面阵列，该两组半导体激光二极管面阵列发出的泵浦光分别经所述的耦合透镜导管整形压缩后从所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条的大侧面的两端的泵浦光增透区进入所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条，经所述的的端面反射沿所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条的光轴前进而进行泵浦。

2、根据权利要求1所述的端面泵浦阶变梯度掺杂复合板条激光放大器，其特征在于所述的N阶阶变梯度掺杂复合陶瓷板条是两端零掺杂，中间为N阶阶变梯度掺杂激光增益介质，该激光增益介质的掺杂区按不同掺杂浓度等分成2N+1段，各段子板条长度为l，中间段定义为0阶，紧挨0阶的两段分别为±1阶，类似沿z轴反正方向依次为±2阶...±i阶...±N阶，1≤i≤N，0阶子板条吸收系数为α₀，±i阶子板条吸收系数为α_i，吸收系数等于掺杂浓度乘于有效受激吸收截面，各阶子板条掺杂浓度采用能量等分的方法确定。

3、根据权利要求1所述的端面泵浦阶变梯度掺杂复合板条激光放大器，其特征在于所述的能量等分方法即将泵浦光的能量均分到各阶子板条中而确定各阶子板条中受激发光离子的掺杂浓度的方法。

4、根据权利要求1或2或3所述的端面泵浦阶变梯度掺杂复合板条激光放大器，其特征在于所述的激光增益介质板条的两个大侧面镀有对种子激光的SiO₂反射膜。

5、根据权利要求1所述的端面泵浦阶变梯度掺杂复合板条激光放大器，其特征在于所述的激光增益介质板条的端面镀有对种子激光的增透膜。

6、根据权利要求1所述的端面泵浦阶变梯度掺杂复合板条激光放大器，其特征在于所述的耦合透镜导管是一扇形的柱体，耦合透镜导管的激光入射面为一个柱形曲面，出射面为一个矩形面的激光透明体。

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