一种全泵浦范围零生热的固体激光器的制作方法

本发明涉及激光技术领域，更具体地，涉及一种全泵浦范围零生热的固体激光器。

背景技术

固体激光器在运行过程中由于量子亏损的存在会产生大量的废热，使得增益介质温度升高，热应力增大，最终导致输出激光光束质量降低，最大输出功率密度受到限制。随着激光功率的不断增大，解决激光器产热问题也越来越受到重视。从激光器结构和散热方式入手，出现了碟片激光器，板条激光器，光纤激光器等，它们独特的结构提升了激光增益介质的散热能力，有效地降低了热效应对激光器运行特性的影响。目前已经可以获得10千瓦以上多模激光功率的输出，但是高功率基模运行的条件下，热效应依然存在。如何进一步的降低固体激光增益介质的热效应，成为主要的研究课题。

同带泵浦技术的出现为降低固体激光器的热效应提供了一个新的而且有效的途径，其中利用反斯托克斯荧光制冷效应，使激光自发辐射过程中的荧光效应对受激辐射时产生的热量进行补偿。可以实现更为有效的降低固体激光介质的生热率。其工作原理在于泵浦光的波长大于自发辐射荧光的波长，而小于受激发射激光的波长，因此，通过有效的设计使得泵浦光的量子效率ηp，激光提取比例ηl，辐射跃迁效率ηr之间相互平衡可以实现激光增益介质不生热的效果，即激光器的产热恒为零。然而，要在这个工作点的运行条件非常苛刻，并且对于一台激光器，有且仅有一个工作点可以实现零生热的要求，无法满足工业、测量等实际的需求。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有零生热固态激光器，有且仅有一个工作点可以实现零生热，无法满足工业、测量等实际的需求的技术问题。为实现上述目的，本发明提供一种全泵浦范围零生热的固体激光器，包括：激光增益模块，第一平面反射镜，第二平面反射镜，损耗调制模块，光隔离器；

所述激光增益模块包括增益晶体和泵浦光源；

所述泵浦光源对增益晶体进行泵浦，产生激光，所述激光入射到第一平面反射镜，经过第一平面镜反射后再经过损耗调制模块调制，调制后的部分激光入射到第二平面反射镜，经过第二平面反射镜反射后回到增益晶体，被增益晶体增益后再反射到第一平面反射镜，形成环形谐振腔；所述增益晶体反射激光的方向和其出射激光的方向相同；所述光隔离器放置在上述光路中的任意位置，用于确保激光在所述环形谐振腔中单向传输；

当所述损耗调制模块不被施加驱动信号时，光路被完全封闭在所述环形谐振腔，无激光输出；当所述损耗调制模块被施加驱动信号时，所述损耗调制模块开始调制所述环形谐振腔内的损耗，并将部分激光导出环形谐振腔外，形成激光输出；注入功率从零开始不断增加，在达到激光增益晶体阈值之前，损耗调制模块的调制损耗为零，增益晶体仅有自发辐射的荧光输出；当注入功率达到阈值时，由于激光振荡形成，受激辐射开始产生热量，逐渐平衡自发辐射吸收的热量，当达到零生热点时，损耗调制模块将配合注入功率的不断增加，同步调整环形谐振腔内损耗，使得增益晶体的生热点一直处在零的状态。

可选地，所述损耗调制模块包括：声光晶体和驱动电源；经第一反射镜反射后的激光入射到声光晶体，然后从声光晶体出射后入射到第二反射镜；所述驱动电源用于为声光晶体提供驱动信号。

可选地，所述损耗调制模块包括：起偏器、电光晶体、驱动电源以及偏光分光器；经第一反射镜反射后的激光入射到起偏器，再从起偏器出射后入射到电光晶体，然后从电光晶体出射后入射到偏光分光器，从偏光分光器出射的激光再入射到第二反射镜；所述起偏器的偏振方向与电光晶体不加驱动电压时光束入射到偏光分光器的入射面平行；所述驱动电源用于为电光晶体提供驱动信号。

可选地，所述损耗调制模块包括：起偏器、液晶空间光调制器、驱动电源以及偏光分光器；经第一反射镜反射后的激光入射到起偏器，再从起偏器出射后入射到液晶空间光调制器，然后从液晶空间光调制器出射后入射到偏光分光器，从偏光分光器出射的激光再入射到第二反射镜；所述起偏器的偏振方向与液晶空间光调制器不加驱动电压时光束入射到偏光分光器的入射面平行；所述驱动电源用于为液晶空间光调制器提供驱动信号。

可选地，所述增益晶体可以是块状增益介质或碟片增益介质。

可选地，所述增益晶体为一个或多个；所述驱动信号与增益晶体的数量相匹配。

可选地，平面反射镜的数量与增益晶体的数量相匹配。其中，平面反射镜包括第一平面反射镜和第二平面反射镜。另外，平面反射镜还可根据实际需要增加。

可选地，所述损耗调制模块还可以放置在激光增益模块与第一平面反射镜之间，或者放置在第二平面反射镜与激光增益模块之间。

可选地，所述声光晶体、电光晶体以及液晶空间光调制器均包括起偏检偏器。

可选地，所述第一平面反射镜，第二平面反射镜可以等效替换成球面反射镜。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明将动态损耗调制器引入激光谐振腔内，通过动态调整腔内损耗，实现了全泵浦功率密度范围内激光介质的零生热，极大地提高输出激光的光束质量。

(2)本发明采用了环形腔的设计思想，回避了输出镜的设计，直接使用调制损耗器的损耗部分作为输出激光分量，即降低了腔内损耗，提高激光器的光-光转换效率。

(3)本发明由于实现的激光介质即增益晶体零生热，因此没有热透镜效应，因此，谐振腔的结构及稳定性更为优越，体积更小、稳定性及性价比更高。

附图说明

图1是本发明实施例1所提供的固体激光器结构示意图；

图2是本发明提供的零生热情况下不同泵浦功率对应的输出镜透过率曲线以及腔内产热率；

图3是本发明实施例2所提供的固体激光器结构示意图；

图4是本发明实施例3所提供的固体激光器结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为碟片，2为第一平面反射镜，3为第二平面反射镜，4为声光晶体，5为驱动电源，6为光隔离器，7为偏光分光器，8为起偏器，9为电光晶体，10为液晶空间光调制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种环形谐振腔设计的固体激光器，通过在谐振腔内加入了损耗调制装置(如声光调制器、电光调制器、液晶调制等)和光隔离器，使得精准有效的控制腔内受激辐射和自发辐射激光的比率，从而实现全泵浦范围内激光增益介质无生热，从而解决了传统固体激光器激光介质受热效应影响的技术难题。

第一方面，本发明提供了一种固体激光器，包括：激光增益模块，第一平面反射镜，第二平面反射镜，损耗调制模块，光隔离器。所述激光增益模块包括增益晶体(可以是光纤、碟片、块状等结构)和泵浦光源。所述损耗调制模块可以是声光调制器(声光介质、换能器、驱动单元)。第一平面反射镜和第二平面反射镜构成环形谐振腔，损耗调制模块放置在第一平面反射镜和第二平面反射镜之间。所述光隔离器放置在光路中以确保激光在谐振腔里单向传输。

泵浦光源用于对有源增益晶体进行泵浦，以产生激光，所述激光经过第一平面反射镜反射，经过损耗调制模块，经过第二平面反射镜反射，回到增益模块被增益后反射，形成环形谐振腔。激光经过光隔离器只能单方向传播。损耗调制模块在不加驱动电源信号时，光路被完全封闭在环形腔内，无激光输出；当加载驱动信号电源时，损耗调制器开始调制腔内损耗，并将部分激光导出腔外，形成激光输出。注入功率从零开始不断增加，在达到激光器阈值之前，损耗调制器的调制损耗为零。可以看出，此时激光增益介质仅有自发辐射的荧光输出，激光晶体处于制冷状态，当注入功率达到阈值产生激光时，由于激光振荡形成，激光晶体开始生热，当达到零生热点时，损耗调制器将配合注入功率的不断增加，同步调整腔内损耗，使得激光晶体的生热点一直处在零的状态。

第二方面，本发明提供了一种固体激光器，包括：增益模块，第一平面反射镜，第二平面反射镜，损耗调制模块，光隔离器。所述增益模块包括增益晶体(可以是光纤、碟片、块状等结构)和泵浦光源，所述损耗调制模块包括起偏器，电光调制器(电光晶体、驱动单元)，偏光分光器。第一平面反射镜，第二平面反射镜构成环形谐振腔。损耗调制模块放置在第一平面反射镜和第二平面反射镜之间，起偏器的偏振方向与电光晶体不加驱动电压时光束入射偏光分光器的入射面平行。所述光隔离器放置在光路任意位置。

泵浦光源用于对有源增益晶体进行泵浦，以产生激光，所述激光经过第一平面反射镜反射，经过损耗调制模块，经过第二平面反射镜反射，回到增益模块被增益后反射，形成环形谐振腔。激光经过光隔离器后只能单向传播。损耗调制模块在不加驱动电压时，激光被完全封闭在环形腔内，不出射激光；当加载驱动信号电源时，损耗调制器开始调制腔内损耗，并将部分激光导出腔外，形成激光输出。注入功率从零开始不断增加，在达到激光器阈值之前，损耗调制器的调制损耗为零。可以看出，此时激光增益介质仅有自发辐射的荧光输出，激光晶体处于制冷状态，当注入功率达到阈值产生激光时，由于激光振荡形成，激光晶体开始生热，当达到零生热点时，损耗调制器将配合注入功率的不断增加，同步调整腔内损耗，使得激光晶体的生热点一直处在零的状态。

第三方面，本发明提供了一种固体激光器，包括：增益模块，第一平面反射镜，第二平面反射镜，液晶空间光调制器模块，起偏器，偏光分光器，光隔离器。所述增益模块包括增益晶体(可以是光纤、碟片、块状等结构)和泵浦光源，所述损耗调制模块包括起偏器，液晶空间光调制模块(液晶调制器、驱动单元)，偏光分光器。第一平面反射镜，第二平面反射镜构成环形谐振腔。损耗调制模块放置在第一平面反射镜和第二平面反射镜之间，起偏器的偏振方向与液晶空间光调制器不加驱动电压时光束入射偏光分光器的入射面平行。所述光隔离器放置在光路任意位置。

泵浦光源用于对有源增益晶体进行泵浦，以产生激光，所述激光经过第一平面反射镜反射，经过损耗调制器模块，经过第二平面反射镜反射，回到增益模块被增益后反射，形成环形谐振腔。激光经过光隔离器后只能单向传播。损耗调制模块在不加驱动电压时，激光被完全封闭在环形腔内，不出射激光；当加载驱动信号电源时，损耗调制器开始调制腔内损耗，并将部分激光导出腔外，形成激光输出。注入功率从零开始不断增加，在达到激光器阈值之前，损耗调制器的调制损耗为零。可以看出，此时激光增益介质仅有自发辐射的荧光输出，激光晶体处于制冷状态，当注入功率达到阈值产生激光时，由于激光振荡形成，激光晶体开始生热，当达到零生热点时，损耗调制器将配合注入功率的不断增加，同步调整腔内损耗，使得激光晶体的生热点一直处在零的状态。

进一步地，本发明提出全泵浦范围内零生热激光器环形谐振腔，包括：增益模块、反射镜和输出模块。增益晶体可以是yb:yag，也可以是其它晶体，只要满足平均荧光波长<泵浦光波长<激光波长，且掺杂浓度合适。具体地，增益晶体的材料可以是yb:ky(wo4)2,yb:kgd(wo4)2,yb:lu3al5o12等。具体见表1所示。其中，λf为平均荧光波长，λp为泵浦波长，λl为激光波长。

表1

进一步地，所述增益晶体可以为其它结构。可以是块状增益介质，碟片增益介质等激光增益介质。

进一步地，所述增益晶体为一个或多个。

进一步地，所述驱动电源信号需要与增益晶体数相匹配。

进一步地，所述平面反射镜数需与增益晶体数相匹配。

进一步地，损耗调制模块可称为等效输出镜，等效输出镜部分可以为与声光晶体、电光晶体以及液晶空间光调制器功能类似的其它器件。

进一步地，声光晶体、电光晶体以及液晶空间光调制器均包括起偏检偏器。

进一步地，等效输出镜的部分还可以放置在增益模块与第一平面反射镜之间，或者放置在第二平面反射镜与增益模块之间。

进一步地，所述第一平面反射镜，第二平面反射镜可以等效替换成球面反射镜。

以下结合三个具体实施例介绍本发明提供的固体激光器。

实施例1：

图1为本发明实施例1所提供的固体激光器结构示意图，如图1所示，包括碟片1，第一平面反射镜2，第二平面反射镜3，声光晶体4，驱动电源5以及光隔离器6。

碟片1的材料选用yb：yag晶体，其直径15mm，其厚度200um，碟片正面镀高透膜，背面镀高反膜，膜系对应的波长分别为1030nm和1064nm，反射率分别为99.95％和99.95％。第一平面反射镜2和第二平面反射镜3均为1064nm高反镜，反射率为99.99％。声光晶体4的品质因数为7.5e^-15s³/kg；压电换能器长度l＝1cm，宽度h＝0.3cm；由衍射效率可以计算得所需驱动电源产生的超声强度is。其中，λ0为入射光波长，m2为声光材料的品质因数，t为等效输出镜透过率。

当驱动电源5为0时，1030nm泵浦光照射碟片增益晶体1，产生1064nm激光，在碟片1，第一平面反射镜2，第二平面反射镜3之间振荡，激光穿过声光晶体4时，不发生衍射，无激光输出。当驱动电源5有信号输出时，声光晶体4对入射激光有ηs的衍射效率，有的激光从衍射方向出射，其余激光继续经过第二平面反射镜3回到振荡回路中，此时，激光器的等效输出镜透过率即为ηs。根据泵浦光的功率密度ppump，调制驱动电源电压信号与所需输出镜透过率相匹配，如图2所示，即可达到零生热条件。

图2是零生热情况下不同泵浦功率对应的输出镜透过率曲线以及腔内产热率；图2中横轴为泵浦功率密度，点划线为不同泵浦功率密度下保持零生热对应的输出镜透过率曲线，实线为不同泵浦功率密度下腔内的产热率。可以看到，i区时，泵浦光功率密度未达到阈值，只产生荧光，故实线表示的产热率为负，即增益晶体吸热；ⅱ区时，泵浦光功率密度超过了阈值，增益介质开始出射激光，但可以看到实线表示的产热率仍为负，表示自发辐射的吸热量仍大于受激辐射的产热量，增益晶体仍然吸热；ⅲ区时，受激辐射的产热已经超过了自发辐射的吸热量，增益晶体开始吸热，此时，使谐振腔输出镜透过率按图中虚线改变，可以使增益介质的产热量按实线所示，始终产热为零，即始终处于零生热状态。

实施例2：

图3为本发明实施例2所提供固体激光器结构示意图，如图3所示，包括碟片1，第一平面反射镜2，第二平面反射镜3，电光晶体9，驱动电源5，起偏器8，偏光分光器7，光隔离器6。

碟片1的材料选用yb：yag晶体，其直径15mm，其厚度200um，碟片正面镀高透膜，背面镀高反膜，膜系对应的波长为1030nm和1064nm，反射率分别为99.95％和99.95％；第一平面反射镜2和第二平面反射镜3均为1064nm高反镜，反射率为99.99％；电光晶体9为kdp型晶体；起偏器8的偏振方向平行于纸面。

当驱动电源5电压为0时，激光经过电光晶体9时，不发生偏振态改变。1030nm泵浦光照射碟片增益晶体以后，出射1064nm激光，经过第一平面反射镜2，电光晶体9，第二平面反射镜3后回到碟片增益晶体，形成谐振回路，不出射激光。当驱动电源5有信号输出时，激光经过电光晶体4后，线偏光变成椭圆偏振光，经过偏光分光器7时，平行于入射面的偏振态的光(p光)会沿直线继续传播，回到谐振周期中；垂直与入射面的偏振态的光(s光)会从偏光分光器7的另一边出射，出射激光。出射激光能量与电光晶体9的驱动电源5的输出电压大小有关。调节驱动电源5的输出电压大小与泵浦功率密度相匹配，如图1所示，即可使激光器在不同泵浦功率密度下零生热运行。

实施例3：

图4为本发明实施例3所提供的固体激光器结构示意图，如图4所示，包括碟片1，第一平面反射镜2，第二平面反射镜3，液晶空间光调制器10，驱动电源5，起偏器8，偏光分光器7，光隔离器6。

碟片1的材料选用yb：yag晶体，其直径15mm，其厚度200um，碟片正面镀高透膜，背面镀高反膜，膜系对应的波长为1030nm和1064nm，反射率分别为99.95％和99.95％；第一平面反射镜2和第二平面反射镜3均为1064nm高反镜，反射率为99.99％；起偏器8偏振方向平行于纸面。液晶空间光调制器10初始时，内部液晶分子长轴沿着光轴方向，驱动电源5加在液晶空间光调制器4的两块电极上。

当驱动电源5电压为0时，激光经过液晶空间光调制器时，不发生双折射，偏振态不发生变化。1030nm泵浦光照射碟片增益晶体以后，出射1064nm激光，经过第一平面反射镜2，液晶空间光调制器10，第二平面反射镜3后回到碟片增益晶体，形成谐振回路，不出射激光。当驱动电源5有信号输出时，液晶分子发生旋转，有垂直于外电场的趋势，激光经过液晶空间光调制器10后，发生双折射，线偏光变成椭圆偏振光，经过偏光分光器7时，平行于入射面的偏振态的光(p光)会沿直线继续传播，回到谐振周期中；垂直与入射面的偏振态的光(s光)会从偏光分光器7的另一边出射，出射激光。出射激光能量与液晶空间光调制器10的驱动电源5的输出电压大小有关。调节驱动电源5的输出电压大小与泵浦功率密度相匹配，如图1所示，即可使激光器在不同泵浦功率密度下零生热运行。

本发明提供的固体激光器的技术方案中，实施例给出了效果较优，操作简单的声光晶体，电光晶体及液晶空间光调制器。但本发明并不局限于上述实施例给出的3种等效代替输出镜的方案，可以采用其它方法使激光发生部分衍射或偏移输出，或者使激光发生双折射等使偏振态发生变化，通过分光镜部分反射。

本发明实例中给出的激光增益介质为碟片晶体，但本发明不限于上述给出的碟片增益晶体，可以是条状、块状等不同结构的增益晶体。

本发明提供的固体激光器的技术方案中，实施例给出了较为简单的2个平面反射镜，一个碟片的环形谐振腔，但本发明不限于上述给出的环形谐振腔，可以是更多平面镜，或者球面反射镜及更为复杂的环形谐振腔。

本发明提供的固体激光器的技术方案中，实施例给出了一个碟片的激光器，但本发明不限于上述给出的一个碟片，可以是多个碟片级联，且谐振腔与碟片个数相匹配。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。