激光晶体径向非均匀掺杂控制泵浦光吸收分布的方法
【专利摘要】本发明的涉及激光晶体径向非均匀掺杂控制泵浦光吸收分布的方法，其特征是：光纤耦合激光二极管光纤输出端输出的泵浦光经过耦合系统的汇聚作用后，其光场分布用高斯分布或平顶高斯分布；径向非均匀掺杂晶体的泵浦端面镀泵浦光增透和振荡高反双层膜，输出镜为平面镜，输出镜与晶体泵浦端面上的振荡光高反膜组成平平谐振腔；工作过程中，在晶体中形成的热透镜可以简单等效为径向非均匀掺杂晶体泵浦端面处的薄透镜，通过热透镜的汇聚作用，谐振腔变为稳定腔；在泵浦光分布区域和振荡光分布区域确定的条件下，通过激光晶体的径向非均匀掺杂优化设计，实现泵浦光分布区域与振荡光分布区域的空间重合。本发明能获得理想的空间耦合效率和光束质量。
【专利说明】激光晶体径向非均匀掺杂控制泵浦光吸收分布的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光二极管泵浦固体激光器，特别是激光二极管泵浦固体激光器的激光晶体径向非均匀掺杂控制泵浦光吸收分布的方法。
【背景技术】
[0002]二极管泵浦固体激光器具有体积小、重量轻、全固态等优点，得到了广泛的关注。近年来,二极管泵浦固体激光器的输出功率随着泵浦源功率的增大而大幅度提升。大功率泵浦源的使用，所引发的最直接的问题就是晶体热效应问题。通过设计聚焦系统，适当增加泵浦光的聚焦光斑，可以降低泵浦光功率密度，从而减弱晶体热效应，但这是靠牺牲基模的能量利用率来实现的，同时，大的泵浦光焦斑，意味着大的增益区域，多个高阶模式可能同时获得振荡放大，从而光束质量急剧恶化，如果采取内腔限模的方法抑制高阶模式振荡，那么激光器转换效率就会下降。可见，大功率泵浦时，热效应严重、光束质量恶化、转换效率下降等诸多问题可能会同时出现，对激光器的性能产生极为不利的影响。
[0003]为了获得高转换效率，就要提高激光器的光谱耦合效率、空间耦合效率，以及泵浦光的传输效率、吸收效率等。通过控制激光二极管阵列的工作温度，可以实现泵浦光与径向均匀掺杂晶体吸收谱的光谱匹配，获得最大的光谱耦合效率。对于空间耦合效率问题，广泛采用的方法是通过耦合系统与光学谐振腔的优化设计，使得径向均匀掺杂晶体中的泵浦光与振荡光在空间上高度重合，许多学者在研究论文中提到了交叠积分理论，为此种方法提供理论支持。通过对耦合系统及谐振腔全反射镜表面镀増透膜，可以减少泵浦光经过光学系统界面的反射损失，获得较高的泵浦光传输效率。对于稀土掺杂激光介质，选择合适的尺寸与掺杂浓度，可以获得理想的吸收效率。
[0004]为了获得高光束质量，除了利用非稳腔和空间限模措施以外，最佳方案就是将泵浦光最大限度的汇聚到激光谐振腔的基模振荡区域，实现泵浦光与基模振荡光束的空间重叠。此时，泵浦光激发的粒子数跃迁绝大部分处于基模振荡光的空间范围，虽然此范围与某些高阶横模的振荡区域存在部分重叠，但是由于基模的低阈值特性，使得它在与其它高阶横模的竞争中存在优势，上能级粒子受激跃迁的能量绝大部分转换为基模光场能量，从而可以获得M2接近I的基横模光束输出。对于小功率泵浦源,此种方案行之有效。对于大功率泵浦源，光场密度迅速增加，在泵浦光汇聚后，强烈的热效应将成为主要矛盾，影响激光器的正常工作，甚至导致膜层脱落、端面炸裂的灾难性后果。
【发明内容】
[0005]本发明目的是提供一种激光晶体径向非均匀掺杂控制泵浦光吸收分布的方法，以便在泵浦光场分布和谐振腔结构确定的情况下，实现对增益分布的控制，将激光介质的热效应控制在一个合理范围，并获得理想的空间耦合效率和光束质量。
[0006]本发明的目的是这样实现的，激光晶体径向非均匀掺杂控制泵浦光吸收分布的方法，其特征是:光纤耦合激光二极管光纤输出端输出的泵浦光经过耦合系统的汇聚作用后，其光场分布用高斯分布或平顶高斯分布；径向非均匀掺杂晶体的泵浦端面镀泵浦光增透和振荡高反双层膜，输出镜为平面镜，输出镜与晶体泵浦端面上的振荡光高反膜组成平平谐振腔；工作过程中，在晶体中形成的热透镜可以简单等效为径向非均匀掺杂晶体泵浦端面处的薄透镜，通过热透镜的汇聚作用，谐振腔变为稳定腔；在泵浦光分布区域和振荡光分布区域确定的条件下，通过激光晶体的径向非均匀掺杂优化设计，实现泵浦光分布区域与振荡光分布区域的空间重合。
[0007]所述的径向非均匀掺杂晶体是径向阶梯掺杂晶体，晶体轴线中心区域均匀掺杂，晶体轴线中心区域与振荡光直径相当，外侧环形区域无掺杂；在泵浦光分布确定的情况下，通过改变阶梯掺杂晶体的掺杂浓度和掺杂范围，实现对于增益区域及温度分布的控制；掺杂浓度选取0.1%至1%，原则上泵浦功率越高，应当选择较低掺杂浓度晶体，从而可减弱泵浦端面处的热源强度，掺杂范围与谐振腔基模光束横向分布范围相当。
[0008]所述的径向非均匀掺杂晶体亦可是优化设计的径向连续掺杂晶体，在泵浦光分布确定情况下，通过径向连续掺杂浓度分布优化设计，可实现对晶体增益分布及热源分布的控制。
[0009]所述的掺杂晶体为稀土掺杂固体激光介质Nd = YAG或Nd:YV04。
[0010]所述的径向非均匀掺杂优化设计的依据为晶体稳态温度分布的计算结果，评判标准是在保证增益集中在谐振腔基模范围的条件下，使得晶体径向温差尽可能小，减弱热透镜效应。
[0011]本发明的优点是:本发明特别适用于小型化大功率激光二极管泵浦固体激光器，容易获得高转换效率和高光束质量，并且无需将泵浦光汇聚成很小的光斑，从而免除了高功率密度泵浦光引起的晶体端面膜层脱落甚至端面炸裂的危险。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]下面结合实施附图对本发明作进一步说明:
图1是光纤耦合激光二极管端面泵浦固体激光器示意图；
图2是径向均匀掺杂晶体轴向吸收曲线；
图3是光纤耦合激光二极管端面泵浦径向阶梯掺杂晶体示意图；
图4是光纤耦合激光二极管端面泵浦径向连续掺杂晶体示意图。
[0013]图中，1、光纤耦合激光二极管光纤输出端，2、耦合系统，3、晶体热透镜，4、均匀掺杂晶体，5、谐振腔输出镜，6、泵浦光分布区域，7、谐振腔基模振荡光分布区域，8、径向阶梯掺杂晶体，9、径向连续掺杂晶体；10、泵浦端面。
[0014]【具体实施方式】:
通常的二极管端面泵浦固体激光器如图1所示，光纤耦合激光二极管光纤输出端I输出的泵浦光经过耦合系统2的汇聚作用后，其光场分布6可以用高斯分布或平顶高斯分布；均匀掺杂晶体4为圆棒型均匀掺杂晶体，其泵浦端面10镀泵浦光增透和振荡光高反双层膜；输出镜5为平面镜，输出镜5与均匀掺杂晶体4的泵浦端面10的振荡光高反膜组成平平谐振腔，平平谐振腔为介稳腔，具有大基模体积，易于调节的特点，晶体热透镜的存在可将其转换为稳定腔；工作过程中在泵浦端面10附近形成的晶体热透镜3可以等效为均匀掺杂晶体4泵浦端面10处的薄透镜，通过热透镜3的汇聚作用，谐振腔可稳定工作；为了获得较高的泵浦光转换效率，需要利用耦合系统2将泵浦光在晶体泵浦端面10处进行聚焦，泵浦光汇聚焦斑必须非常小，通常为几百个微米；由于泵浦光汇聚时产生的高密度吸收，泵浦端面10处的热效应严重，大功率泵浦时热效应严重，容易损坏膜层，因此，此种方案难以实现高光束质量、高功率输出。图2给出了均匀掺杂晶体4及轴向吸收曲线，可见端面泵浦时，泵浦光沿着光轴方向指数衰减。为了提高端面注入功率，可以采用低掺杂浓度晶体，降低泵浦端面10处吸收的泵浦功率密度。由于泵浦光的吸收系数与掺杂浓度成正比，降低均匀掺杂晶体4的掺杂浓度，吸收系数降低，为了保证泵浦光吸收充分，必须增加晶体长度，而晶体棒长度一旦增加，在装配时就更容易产生微弯，应力严重，激光转换效率低。耦合系统2采用传统的公知技术，这里就不做详细描述。
[0015]泵浦光分布与均匀掺杂晶体掺杂浓度共同决定激光介质的吸收分布，吸收的泵浦光能量一部分转化为激光器增益，一部分转化为废热，增益与热源分布均由吸收分布决定。因此，在泵浦光分布确定的情况下，通过优化设计掺杂浓度的径向变化可以得到理想的增益分布与热源分布，进而减小晶体径向温差，减弱热透镜效应，同时获得大的基模体积。这样，在大功率泵浦时，即使泵浦光就未在泵浦端面10上聚焦，也可获得高效率、高光束质量。
[0016]实施例1:
如图3所示，用径向阶梯掺杂晶体8代替图1中的均匀掺杂晶体4，在泵浦光分布确定情况下，通过改变阶梯掺杂晶体8的掺杂浓度和掺杂范围，实现对于增益区域及温度分布的控制。此时，泵浦光无需在晶体端面聚焦，泵浦光在晶体中的吸收分布由径向阶梯掺杂晶体8的掺杂范围决定，这样，晶体泵浦端面10处的热透镜效应得到减弱，可以有效提高晶体端面注入功率，有利于获得高功率和高光束质量。
[0017]实施例2:
如图4所示，用径向连续掺杂晶体9代替图1中的均匀掺杂晶体4，在泵浦光分布确定条件下，通过径向连续掺杂浓度分布的优化，如抛物分布等，可实现对晶体吸收分布(即增益分布)的控制，减小晶体径向温差，抑制热效应，得到大基模体积。无需泵浦光在晶体泵浦端面附近聚焦，就可实现增益区域与谐振腔基模分布区域空间重合，从而将端面注入功率大大提高，同时保证了高光束质量。晶体径向掺杂浓度分布的设计优化过程主要涉及晶体稳态温度场分布计算，评判标准是在保证增益集中在谐振腔基模范围的条件下，使得晶体径向温差尽可能小，减弱热透镜效应。
【权利要求】
1.激光晶体径向非均匀掺杂控制泵浦光吸收分布的方法，其特征是:光纤耦合激光二极管光纤输出端(I)输出的泵浦光经过耦合系统(2)的汇聚作用后，其光场分布(6)用高斯分布或平顶高斯分布；径向非均匀掺杂晶体的泵浦端面(10)镀泵浦光增透和振荡高反双层膜，输出镜(5)为平面镜，输出镜(5)与晶体泵浦端面(10)上的振荡光高反膜组成平平谐振腔；工作过程中，在晶体中形成的热透镜(3)可以简单等效为径向非均匀掺杂晶体泵浦端面(10)处的薄透镜，通过热透镜(3)的汇聚作用，谐振腔变为稳定腔；在泵浦光分布区域(6)和振荡光分布区域(7)确定的条件下，通过激光晶体的径向非均匀掺杂优化设计，实现泵浦光分布区域(6)与振荡光分布区域(7)的空间重合。
2.根据权利要求1所述的激光晶体径向非均匀掺杂控制泵浦光吸收分布的方法，其特征是:所述的径向非均匀掺杂晶体是径向阶梯掺杂晶体(8)，晶体轴线中心区域均匀掺杂，晶体轴线中心区域与振荡光直径相当，外侧环形区域无掺杂；在泵浦光分布确定的情况下，通过改变阶梯掺杂晶体(8)的掺杂浓度和掺杂范围，实现对于增益区域及温度分布的控制；掺杂浓度选取0.1%至1%，原则上泵浦功率越高，应当选择较低掺杂浓度晶体，从而可减弱泵浦端面处的热源强度，掺杂范围与谐振腔基模光束横向分布范围相当。
3.根据权利要求1所述的激光晶体径向非均匀掺杂控制泵浦光吸收分布的方法，其特征是:所述的径向非均匀掺杂晶体亦可是优化设计的径向连续掺杂晶体(9)，在泵浦光分布确定情况下，通过径向连续掺杂浓度分布优化设计，可实现对晶体增益分布及热源分布的控制。
4.根据权利要求1所述的激光晶体径向非均匀掺杂控制泵浦光吸收分布的方法，其特征是:所述的掺杂晶体为稀土掺杂固体激光介质Nd = YAG或Nd:YV04。
5.根据权利要求1所述的激光晶体径向非均匀掺杂控制泵浦光吸收分布的方法，其特征是:所述的径向非均匀掺杂优化设计的依据为晶体稳态温度分布的计算结果，评判标准是在保证增益集中在谐振腔基模范围的条件下，使得晶体径向温差尽可能小，减弱热透镜效应。
【文档编号】H01S5/06GK103490278SQ201310448723
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】李兵斌, 过振, 王石语, 蔡德芳, 文建国 申请人:西安电子科技大学