CN115173202A - 一种相干阵薄片固体激光器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相干阵薄片固体激光器结构，泵浦光源通过泵浦耦合***将泵浦光注入薄片增益物质中，薄片增益物质的前后端面分别镀有高反射膜和低反射膜，且高反射膜、薄片增益物质和低反射膜构成第一谐振腔；低反射膜的输出侧依次设有无源介质层、模式选择层和反射层，第一谐振腔、无源介质层、模式选择层和反射层构成第二谐振腔。泵浦光源输出的泵浦光经过泵浦光耦合***注入第一谐振腔，被薄片增益物质吸收并产生激光，薄片增益物质产生的激光由低反射膜入射到无源介质层，无源介质层和模式选择层对输出激光进行模式选择通过反射层提高外腔反馈，得到高效光注入锁定，从而提高注入反馈和模式锁定能力，实现相干阵列激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种相干阵薄片固体激光器结构。
背景技术
薄片激光器优点在于允许非常高的泵浦功率密度，但在晶体内不会有太高的温升；在纵向泵浦的平顶泵浦光束作用下这种结构可以产生垂直于圆盘表面、几乎均匀的轴向一维热流,因而可以减小热透镜效应，能有效去除增益介质的热沉积,在获得高功率激光输出同时,保持高效率和高光束质量。薄片激光器是一类有潜力的高功率激光源,由于以上所述的各种优势在材料微加工、光信息的储存、全息激光测距、制导等技术领域应用广泛。
由于薄片激光器晶体薄、腔长短，这就使得腔内两个纵模的频率间隔增大，进而超过增益带宽，即在荧光谱线的宽度内，只有一个纵模存在，故而容易获得单纵模激光振荡。
虽然现在已有的LD多通抽运薄片激光器，可以提高输出光束质量和输出功率，但它们分别存在泵浦光利用率不够高、泵浦光在增益介质上分布不够均匀、输出光束质量有待提高到近衍射极限、激光器结构复杂、成本高等缺点。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种相干阵薄片固体激光器结构，可获得紧密排布的阵列激光输出、提供模式选择、实现同相模式相干激光输出，以提高输出功率和达到近衍射极限的光束质量。
本发明公开了一种相干阵薄片固体激光器结构，包括：泵浦光源、泵浦耦合***、薄片增益物质、无源介质层、模式选择层和反射层；
所述泵浦光源通过所述泵浦耦合***将泵浦光注入所述薄片增益物质中，所述薄片增益物质的前后端面分别镀有高反射膜和低反射膜，且所述高反射膜、薄片增益物质和低反射膜构成第一谐振腔；
所述低反射膜的输出侧依次设有所述无源介质层、模式选择层和反射层，所述第一谐振腔、无源介质层、模式选择层和反射层构成第二谐振腔；
其中，泵浦光源输出的泵浦光经过泵浦光耦合***注入第一谐振腔，被薄片增益物质吸收并产生激光，薄片增益物质产生的激光由低反射膜入射到无源介质层，无源介质层和模式选择层对输出激光进行模式选择通过反射层提高外腔反馈，得到高效光注入锁定，从而提高注入反馈和模式锁定能力，实现相干阵列激光输出。
作为本发明的进一步改进，所述泵浦光源的泵浦方式为单端泵浦、双端泵浦或分布式侧向泵浦，所述泵浦光源产生的泵浦光通过所述泵浦耦合***以多通泵浦方式注入所述第一谐振腔。
作为本发明的进一步改进，所述薄片增益物质的增益离子为稀土离子、锗离子中的一种或多种。
作为本发明的进一步改进，所述薄片增益物质为一维或二维周期排布的N个增益介质阵列构成，N为自然数，大于等于2；其中，薄片增益物质阵列采用多根增益物质制成紧密排布阵列，其可构成正方形阵列排布或六边形阵列排布，每一行或者每一列光源个数n大于等于2，用于产生空间周期分布的光场。
作为本发明的进一步改进，所述高反射膜和低反射膜提供的反射率无法满足激光激射阈值条件。
作为本发明的进一步改进，在所述第二谐振腔中，所述无源介质层、模式选择层和反射层构成Talbot外腔结构，所述无源介质层、模式选择层和反射层与所述薄片增益物质的输出端面平行设置。
作为本发明的进一步改进，所述无源介质层由通光材料介质构成，优选无源介质层为通光介质薄片或者为空气外腔。
作为本发明的进一步改进，所所述模式选择层为在对应于薄片增益物质位置具有周期分布的微纳结构的通光介质膜层，所述微纳结构为微纳沟槽图形且微纳结构的排布周期与柱状增益物质排布周期相同，所述微纳结构的沟槽内材料折射率不同于沟槽外材料折射率。
作为本发明的进一步改进，所述反射层为第二谐振腔提供的反射率满足激光激射阈值条件，使得在第二谐振腔中产生激光输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明利用增益物质阵列制成薄片增益物质，实现阵列单元紧密排布，由泵浦光源对薄片增益物质进行泵浦产生阵列激光输出，通过调控无源介质层结构的长度和模式选择层结构中微纳图形的尺寸和周期改变阵列激光的模式分布，进而实现同相模式锁定，通过第二谐振腔产生复合振荡，从而实现高效自注入反馈。该方案不仅可以实现同相模式相干激光输出，而且结构简单，不需要搭建复杂的模式选择***。由第二谐振腔引起的自注入锁定可以得到近衍射极限的光束质量。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的相干阵薄片固体激光器结构的示意图；
图2a是本发明一种实施例公开的正方形排布薄片增益物质的结构示意图；
图2b是本发明一种实施例公开的六边形排布薄片增益物质的结构示意图；
图3是本发明一种实施例公开的模式选择层的结构示意图。
图中：
1、高反射膜；2、薄片增益物质；3、低反射膜；4、无源介质层；5、模式选择层；6、反射层；7、泵浦光源；8、泵浦耦合***。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
实施例1
如图1和图2a所示，本发明提供一种正方形相干阵薄片光纤激光器结构，包括：高反射膜1、薄片增益物质2、低反射膜3、无源介质层4、模式选择层5、反射层6、泵浦光源7、泵浦耦合***8；其中：
本实施例的薄片增益物质2为如图2a所示的正方形阵列排布的柱状增益物质，数量大于等于7个，每一行或者每一列光源个数n大于等于2，用于产生空间周期分布的光场。薄片增益物质阵列采用多根增益物质制成紧密排布阵列。薄片增益物质阵列的前端面镀有高反射膜1，后端面镀有低反射膜3，高反射膜1和低反射膜3可以采用单独镀在单根增益物质端面或镀在薄片增益物质阵列端面。在低反射膜3后设置无源介质层4，无源介质层4可以采用薄玻璃板、空气腔或者其他通光材料；在无源介质层4后设置有如图3所示的模式选择层5，模式选择层5可以采用在Si3N4薄膜上刻蚀周期排布的微纳结构，微纳结构的排布周期与薄片增益物质排布周期相同。在微纳结构的沟槽内填充折射率不同于Si3N4薄膜的材料如SiO2等材料，对模式选择层5表面进行抛光处理，在其表面镀高反射层6，反射层6提供的反射率满足激光振荡条件。
本实施例中，由泵浦光源7输出的泵浦光经过泵浦耦合***8耦合进第一谐振腔，激发薄片增益物质2中增益物质粒子数反转，由于第一谐振腔采用高反射膜1和低反射膜3作为谐振腔镜，低反射膜3提供的反射率，不能达到激光激射条件。由第一谐振腔输出的光束经过无源介质层4形成Talbot子像或Talbot自再现像，通过模式选择层5后，对阵列光束的多阶超模进行模式选择，筛选出同相模式，再经由反射层6反馈，返回到第一谐振腔的光束呈现Talbot自再现像，注入到薄片增益物质2中，形成光注入锁定，在第二谐振腔中产生激光激射。
实施例2
如图1和图2b所示，本发明提供一种六边形相干阵薄片固体激光器结构，包括：高反射膜1、薄片增益物质2、低反射膜3、无源介质层4、模式选择层5、反射层6、泵浦光源7、泵浦耦合***8；其中：
本实施例的薄片增益物质2为如图2b所示的六边形柱状增益物质阵列，数量大于等于7个，每一行或者每一列光源个数n大于等于2，用于产生空间周期分布的光场。薄片增益物质阵列采用多根增益物质制成紧密排布阵列。薄片增益物质阵列前端面镀有高反射膜1，后端面镀有低反射膜3。高反射膜1和低反射膜3可以采用单独镀在单根增益物质端面或镀在薄片增益物质阵列端面。在低反射膜3后设置无源介质层4，无源介质层4可以采用薄玻璃板、空气腔或者其他通光材料；在无源介质层4后设置有如图3所示的模式选择层5，模式选择层5可以采用在Si3N4薄膜上刻蚀周期排布的微纳结构，微纳结构的排布周期与柱状增益物质排布周期相同。在微纳结构的沟槽内填充折射率不同于Si3N4薄膜的材料如SiO2等材料，对模式选择层5表面进行抛光处理，在其表面镀高反射层6，反射层6提供的反射率满足激光振荡条件。
本实施例中，由泵浦光源7输出的泵浦光经过泵浦耦合***8耦合进第一谐振腔，激发薄片增益物质2中增益物质粒子数反转，由于第一谐振腔采用高反射膜1和低反射膜3作为谐振腔镜，低反射膜3提供的反射率，不能达到激光激射条件。由第一谐振腔输出的光束经过无源介质层4形成Talbot子像或Talbot自再现像，通过模式选择层5后，对阵列光束的多阶超模进行模式选择，筛选出同相模式，再经由反射层6反馈，返回到第一谐振腔的光束呈现Talbot自再现像，注入到薄片增益物质2中，形成光注入锁定，在第二谐振腔中产生激光激射。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种相干阵薄片固体激光器结构，其特征在于，包括：泵浦光源、泵浦耦合***、薄片增益物质、无源介质层、模式选择层和反射层；
所述泵浦光源通过所述泵浦耦合***将泵浦光注入所述薄片增益物质中，所述薄片增益物质的前后端面分别镀有高反射膜和低反射膜，且所述高反射膜、薄片增益物质和低反射膜构成第一谐振腔；
所述低反射膜的输出侧依次设有所述无源介质层、模式选择层和反射层，所述第一谐振腔、无源介质层、模式选择层和反射层构成第二谐振腔。
2.如权利要求1所述的相干阵薄片固体激光器结构，其特征在于，所述泵浦光源的泵浦方式为单端泵浦、双端泵浦或分布式侧向泵浦，所述泵浦光源产生的泵浦光通过所述泵浦耦合***以多通泵浦方式注入所述第一谐振腔。
3.如权利要求1所述的相干阵薄片固体激光器结构，其特征在于，所述薄片增益物质的增益离子为稀土离子、锗离子中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的相干阵薄片固体激光器结构，其特征在于，所述薄片增益物质为一维或二维周期排布的N个增益介质阵列构成，N为自然数，大于等于2。
5.如权利要求1所述的相干阵薄片固体激光器结构，其特征在于，所述高反射膜和低反射膜提供的反射率无法满足激光激射阈值条件。
6.如权利要求1所述的相干阵薄片固体激光器结构，其特征在于，在所述第二谐振腔中，所述无源介质层、模式选择层和反射层构成Talbot外腔结构，所述无源介质层、模式选择层和反射层与所述薄片增益物质的输出端面平行设置。
7.如权利要求1所述的相干阵薄片固体激光器结构，其特征在于，所述无源介质层为通光介质薄片或者为空气外腔。
8.如权利要求1所述的相干阵薄片固体激光器结构，其特征在于，所所述模式选择层为在对应于薄片增益物质位置具有周期分布的微纳结构的通光介质膜层，所述微纳结构的沟槽内材料折射率不同于沟槽外材料折射率。
9.如权利要求8所述的相干阵薄片固体激光器结构，其特征在于，所述微纳结构的排布周期与薄片增益物质的排布周期相同。
10.如权利要求1所述的相干阵薄片固体激光器结构，其特征在于，所述反射层为第二谐振腔提供的反射率满足激光激射阈值条件，使得在第二谐振腔中产生激光输出。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20221011 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |