一种宽温环形激光二极管泵浦激光器及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光放大器领域，具体而言涉及一种宽温环形激光二极管泵浦激光器 及其设计方法。
【背景技术】
[0002] LD(激光二极管）泵浦固体激光器具有体积小，输出能量大，使用寿命长等优点。 LD泵浦激光器的泵浦单元LD巴条，其发射泵浦光的中心波长和发射光功率，具有随工作环 境温度变化而变化的特性：随着温度的增加，中心波长发生红移（变长）、发射光功率下降； 反之，随着温度的降低，中心波长发生蓝移（变短）、发射光功率升高。所以，当LD泵浦激光 器的工作环境温度变化时，激光器增益介质吸收的泵浦光能量会发生变化，导致激光器的 输出能量变化，工作环境温度变化较大时，激光器甚至会无法实现能量输出。
[0003] 在LD泵浦激光器的使用中，常常会遇到较为严苛的工作环境，-20°c至50°C就是 野外使用常见的温度环境要求。为了实现在较宽温度环境中稳定运行的要求，需要对激光 器进行宽温环境功能改进。一种常用的方法是在激光器上加装主动温度控制系统，如使用 半导体制冷片对LD温度进行控温，使LD阵列中单巴条的输出波长和输出功率保持稳定，从 而实现激光器的稳定输出。这种方法需要为主动温控系统提供额外的运行能源，同时主动 温控系统会增加激光器系统复杂性、体积和重量，并降低激光器系统的运行可靠性和抗干 扰性，不利于激光器的小型化、轻量化设计。
【发明内容】
[0004] 针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种宽温环形激光二极管泵浦激光 器及其设计方法，利用本发明的巴条设计方法可精确计算出所需各发射波长的巴条数目， 该装置适用于-20°c - 50°C的宽温环境，有效泵浦功率稳定，组装简单，体积小，重量轻。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006] 一种宽温环形激光二极管泵浦激光器，包括冷却热沉、环形巴条阵列、增益介质、 调Q晶体，所述增益介质和调Q晶体均为圆柱状，所述冷却热沉为中心设有圆孔的长方体， 所述环形巴条阵列固定连接于冷却热沉圆孔的表面，所述环形巴条阵列包括至少2种发 射波长的巴条，相邻巴条之间间隔相同，相邻的相同发射波长的巴条之间间隔巴条数之差 < 1，调Q晶体键合在增益介质的一端。
[0007] 进一步，所述增益介质的轴心与环形巴条阵列的轴心重合。
[0008] 进一步，所述增益介质远离调Q晶体的一端镀有激光波长全反射膜。
[0009]进一步，所述增益介质与调Q晶体键合的一端镀有激光波长部分反射膜。
[0010] 进一步，所述环形巴条阵列至少为1个。
[0011] 另，本发明还提供一种宽温环形激光二极管泵浦激光器的巴条数目设计方法，宽 温环形激光二极管泵浦激光器的结构包括冷却热沉、环形巴条阵列、棒状的增益介质、调Q 晶体，所述增益介质和调Q晶体均为圆柱状，所述冷却热沉为中心设有圆孔的长方体，所述 环形巴条阵列固定连接于冷却热沉圆孔的表面，所述环形巴条阵列包括至少2种发射波长 的巴条，相邻巴条之间间隔相同，相邻的相同发射波长的巴条之间间隔巴条数之差< 1，调 Q晶体键合在增益介质的一端，所述巴条数目设计方法包括如下步骤：
[0012] (1)通过测量得到作为增益介质的激光晶体的吸收谱曲线函数〇 (X)，其中，自 变量X为巴条的发射波长，选定巴条的发射波长范围为Xfa-Xm+a，将波长范围尚散化为入i±a、A2±a???入m±a，共m个数值段；
[0013] (2)确定需要的工作温度范围为-20°C至50°C，测量所述温度范围内，单巴条发射 功率函数p(T)、巴条发射波长的温漂系数k，其中，自变量T为温度，将温度范围离散化为 ?.八土!:，共s个数值段，且s<m;
[0014] (3)当室温20°C时，巴条发射波长分布函数为n(A)，其中，n为巴条数目；温度为 1\时，巴条的发射波长变为X+k(T-20)，激光晶体吸收的泵浦光能量为
【主权项】
1. 一种宽温环形激光二极管泵浦激光器，包括冷却热沉、环形巴条阵列、增益介质、调 Q晶体，所述增益介质和调Q晶体均为圆柱状，其特征在于，所述冷却热沉为中心设有圆孔 的长方体，所述环形巴条阵列固定连接于冷却热沉圆孔的表面，所述环形巴条阵列包括至 少2种发射波长的巴条，相邻巴条之间间隔相同，相邻的相同发射波长的巴条之间间隔巴 条数之差< 1，调Q晶体键合在增益介质的一端。
2. 根据权利要求1所述的一种宽温环形激光二极管泵浦激光器，其特征在于，所述增 益介质的轴心与环形巴条阵列的轴心重合。
3. 根据权利要求1所述的一种宽温环形激光二极管泵浦激光器，其特征在于，所述增 益介质远离调Q晶体的一端镀有激光波长全反射膜。
4. 根据权利要求1所述的一种宽温环形激光二极管泵浦激光器，其特征在于，所述增 益介质与调Q晶体键合的一端镀有激光波长部分反射膜。
5. 根据权利要求1所述的一种宽温环形激光二极管泵浦激光器，其特征在于，所述环 形巴条阵列至少为1个。
6. -种宽温环形激光二极管泵浦激光器的巴条数目设计方法，其特征在于，宽温环形 激光二极管泵浦激光器的结构包括冷却热沉、环形巴条阵列、增益介质、调Q晶体，所述增 益介质和调Q晶体均为圆柱状，所述冷却热沉为中心设有圆孔的长方体，所述环形巴条阵 列固定连接于冷却热沉圆孔的表面，所述环形巴条阵列包括至少2种发射波长的巴条，相 邻巴条之间间隔相同，相邻的相同发射波长的巴条之间间隔巴条数之差< 1，调Q晶体键合 在增益介质的一端，所述巴条数目设计方法包括如下步骤： (1) 通过测量得到作为增益介质的激光晶体的吸收谱曲线函数〇 (X)，其中，自变量 入为巴条的发射波长，选定巴条的发射波长范围为\-a -Xm+a，将波长范围离散化为 入1土a、入2±a* ? ?Am±a，共m个数值段； (2) 确定需要的工作温度范围为_20°C至50°C，测量所述温度范围内，单巴条发射功率 函数P(T)、巴条发射波长的温漂系数k，其中，自变量T为温度，将温度范围离散化为±t、 T2±t* ?.八土!:，共s个数值段，且s<m; (3) 当室温20°C时，巴条发射波长分布函数为n(A)，其中，n为巴条数目；温度为时， 巴条的发射波长变为A+k(T-20)，激光晶体吸收的泵浦光能量为
(4) 确定激光晶体需要吸收的泵浦光能量为常数W，在步骤（1)所述的每一个波长数 值段中选取中值，所述波长数值对应的激光晶体吸收值为〇 (\)，在步骤（2)所述的 每一个温度数值段中选取中值Tz，所述温度数值Tz对应的单巴条发射功率为p(Tz)，将所述 〇UX)、P(TZ)和系数k代入步骤（3)的函数式中，得到如下方程组
(5) 求解步骤（4)的方程组，得到通解，由于巴条阵列中巴条数量必须为整数，对得到 的通解中以^取整巧到若干组整数解^^^、!^^)…*!^^))、^^^、 n22 (入 2) ? ? ? (入J) ? ? ? (nly (入i)、n2y (入 2) ? ? ?rv(入 ; (6) 将步骤（5)得到的整数解逐个代入步骤（3)的泵浦光能量方程，得到实际泵浦光能 量为（Wn、W21. ? .Wsl)、（W12、W22. ? .Ws2) ? ? ? (Wly、W2y. ? .Wsy)，计算实际激光晶体吸 收的泵浦光能量与常数W差的平方得到偏离值AW，将每一组的AW相加，取相加得数最小 的一组，对应的巴条数目为ni、n2, ?
7. 根据权利要求6所述的巴条数目设计方法，其特征在于，所述增益介质的轴心与环 形巴条阵列的轴心重合。
8. 根据权利要求6所述的巴条数目设计方法，其特征在于，所述增益介质远离调Q晶体 的一端镀有激光波长全反射膜。
9. 根据权利要求6所述的巴条数目设计方法，其特征在于，所述增益介质与调Q晶体键 合的一端镀有激光波长部分反射膜。
10. 根据权利要求6所述的巴条数目设计方法，其特征在于，所述环形巴条阵列至少为 1个。
【专利摘要】本发明公开了一种宽温环形激光二极管泵浦激光器，包括冷却热沉、环形巴条阵列、增益介质、调Q晶体，所述冷却热沉为中心设有圆孔的长方体，所述环形巴条阵列固定连接于冷却热沉圆孔的表面，所述环形巴条阵列包括至少2种发射波长的巴条，相邻巴条之间间隔相同，相邻的相同发射波长的巴条之间间隔巴条数之差≤1，调Q晶体键合在增益介质的一端，巴条阵列中巴条在常温时的发射光谱分布，是根据增益介质吸收谱、巴发射波长的温漂系数以及巴发射功率的温漂数据进行设计的，保证在激光器使用环境的温度范围内，增益介质吸收的巴条阵列泵浦功率基本相同，从而保证在宽温度环境内，激光器输出能量的稳定性。
【IPC分类】H01S3-0941
【公开号】CN104577688
【申请号】CN201510027132
【发明人】严雄伟, 郑建刚, 蒋新颖, 王振国, 张君, 田晓玲, 李明中, 吴登生, 张雄军, 康民强, 邓颖, 张永亮
【申请人】中国工程物理研究院激光聚变研究中心
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月20日