一种激光增益芯片及激光组件、功率放大器和振荡器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种激光增益芯片及激光组件、功率放大器和振荡器，属于激光设备技术领域，所述激光增益芯片包括激光源、增益介质、泵浦源和冷却流体，所述泵浦源包括相连接的二极管阵列和耦合装置，所述激光源、耦合装置和冷却流体分别对应增益介质的不同侧面设置，且所述冷却流体、泵浦光、激光的传输方向垂直正交，所述增益介质内部沿着泵浦光的传输方向设置为渐变掺杂结构，本发明中泵浦场、激光场及冷却流体场三场垂直正交，解除了三场空间上的耦合，使得每一个场都可独立控制，另外，每个增益介质拥有独立的泵浦源，将激光增益芯片沿激光传输方向级联多个，即可实现功率扩展，操作便捷，利于工程实施。
【专利说明】
-种激光増益巧片及激光组件、功率放大器和振荡器
技术领域
[0001] 本发明属于激光设备技术领域，具体地说设及一种激光增益忍片及激光组件、功 率放大器和振荡器。
【背景技术】
[0002] 高平均功率激光器在国防、工业、科研等领域有着广泛的应用。在重频高能和高功 率激光装置中，一般采用板条状、叠片状或者薄片状增益介质。板条状介质的优势是将激光 光束W全反射传输的方式约束在板条内部，运种传输光路被称为之字形(Zig-Zag)光路，之 字形光路匀化了板条厚度方向的光学不均匀性，降低了由此引起的热透镜效应及由应力引 起的双折射效应。抽运方式由初期的侧面抽运发展至端面抽运，将抽运光的吸收长度从毫 米量级提高至厘米量级，保证了抽运光的高效吸收，提高了激光器总效率。应用之字形光路 的板条固体激光器专利包括:3，633，126; 6，094，297; 6，134，258等(美国）。叠片状介质的优 势是激光沿主面方向传输，且穿过主面，由于叠片主面尺寸较大，菲涅尔数较大，因而易于 多片沿主面方向堆叠实现激光能量及功率扩展，激光装置结构紧凑。应用叠片状的固体激 光器专利包括:US 7,366,211;CN 103650261 A等。薄片状介质的优势是激光传输方向与热 传导方向基本一致，溫度梯度存在于激光传播方向，激光波前的各部分经历相同的溫度变 化，因而，热崎变非常小，可保证较高的光束质量。应用薄片状介质的固体激光器专利包括： 3,631,362 ;6,339,605 等（美国）。
[0003] 板条状、叠片状或者薄片状增益介质虽然有很多优势，但是，在运用于重频高能和 高功率激光装置中也存在不足。在板条状激光装置中，由于需保证散热能力，导致介质薄， 激光传输面为介质的端面且口径小，受限于衍射损耗与介质尺寸，单块板条的输出能力有 限。沿介质长度方向多片堆叠实现单链路功率扩展时，很难保证激光装置的紧凑型，如专利 所诉4，761，059和7，436，588(美国）采用多链路激光相干合成实现高功率输出。相干合成在 空间上相当于增加激光光束尺寸，由于光束间距不可消除，导致远场光束能量分散，光束质 量不够好，不利于其应用。在叠片状激光装置中，抽运光与激光共用叠片的主面，抽运光场 的均匀性将直接影响激光近场的均匀性，多片纵向堆叠功率扩展时要求较高的抽运光强度 (例如20kW/cm2)，需将二极管阵列发出的数十厘米量级的光束缩束至厘米量级，如专利5， 307,430和6,160,934(美国）采用的空屯、导管，其本质是一个锥面反射系统，光束压缩必然 导致发散角增大，因而，缩束后的抽运光保形传输距离短，约在厘米量级。叠片状激光器功 率受限于分布均匀、高强度且可传输的抽运光。在薄片状激光装置中，由于薄片的吸收厚度 在百微米量级，单程对抽运光的吸收效率低。专利6,577,666和6,891，874(美国）公布的基 于抛物面反射镜的超多程抽运结构，利用该结构抽运光多次通过薄片可实现高效抽运，但 该抽运结构复杂。薄片一般采用后主面冷却的方式，激光由前主面入射从后主面反射后输 出，运种放大的光路称为?'形放大光路。采用多个放大头模块级联的方式实现功率扩展， 为充分利用抽运场，模块间采用像传递系统，每增加一个模块激光装置的长度尺寸需增加 四倍焦距，数十块薄片构成的激光谐振腔可达50米，结构复杂，体积庞大，较难保证激光装 置的稳定性。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种累浦场、激光场、冷却 流体场Ξ场垂直正交的激光增益忍片及激光组件、功率放大器和振荡器，具有增益均匀分 布、能够获得较高的光束质量、易于功率扩展的特点。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006] -种激光增益忍片，包括激光源、增益介质、累浦源和冷却流体，所述累浦源包括 相连接的二极管阵列和禪合装置，所述激光源、禪合装置和冷却流体分别对应增益介质的 不同侧面设置，且所述冷却流体、累浦光、激光的传输方向垂直正交，所述增益介质内部沿 着累浦光的传输方向设置为渐变渗杂结构。
[0007] 进一步，所述增益介质设置为片状结构，其由内向外依次包括中屯、区、过渡层和包 层，所述中屯、区和包层均设置为渐变渗杂结构，所述过渡层设置为非渗杂介质，所述中屯、区 内部渗杂的激活离子为Nd3+或化3+，所述包层内部对应渗杂的激活离子为Sm3+或化 4 V沿累浦 光的传输方向，所述中屯、区内部激活离子的渗杂浓度呈两端低中间高的趋势变化。
[000引进一步，所述中屯、区内部激活离子的渗杂浓度为：
[001^ 其中，nd表示中屯呕内部激活离子的渗杂浓度分布，IIP表示累浦光吸收效率，go表 示小信号增益，IPs,in表示增益介质两侧总的累浦光强，Tps,in表示增益介质单侧的累浦光 强，且满足
，IPs表示增益介质内的局部累浦光强，Tps表示单侧累浦光沿其传 输方向在增益介质内的分布，所述光强为累浦光强与累浦饱和光强的比值，W中屯、区的中 屯、点为坐标原点，X表示沿累浦光传输方向的位置，W表示中屯、区沿累浦光传输方向的长度， Gabs与分别表示累浦光吸收截面与激光发射截面，A、B、C表示渗杂离子的热布居特性。
[0013] 进一步，所述二极管阵列包括W增益介质为中屯、对称设置的二极管阵列一和二极 管阵列二，所述二极管阵列一和二极管阵列二分别通过禪合装置与增益介质连接，所述禪 合装置设置为带状结构，其由多根光纤组成，所述禪合装置的高度与中屯、区的高度相等，所 述累浦源至少设置为一个，相邻禪合装置沿其宽度方向排列，且禪合装置的总宽度不大于 中屯、区的宽度。
[0014] 进一步，所述增益介质与激光源对应的侧面上锻有激光增透膜，所述激光沿垂直 于所述侧面的方向传输，并穿过增益介质，所述禪合装置与增益介质设置为面面接触，所述 增益介质与禪合装置接触的侧面上锻有累浦光增透膜，所述累浦光在增益介质内部沿之字 形光路传输。
[0015] 另，本发明还提供一种激光组件，包括上述的一种激光增益忍片，所述激光增益忍 片沿激光传输方向级联多个，相邻激光增益忍片的间距为毫米量级。
[0016] 另，本发明还提供一种单激光腔功率放大器，包含上述的一种激光增益忍片，所述 激光增益忍片沿激光传输方向级联多个组成激光组件，相邻激光增益忍片的间距为毫米量 级，所述激光组件处设置前腔镜一和后腔镜一，所述前腔镜一、后腔镜一均为全反镜，所述 后腔镜一处设置有1/4波片一。
[0017] 另，本发明还提供一种双激光腔功率放大器，包含上述的一种激光增益忍片，所述 激光增益忍片沿激光传输方向级联多个分别组成激光组件一和激光组件二，处于同一激光 组件内的相邻激光增益忍片的间距为毫米量级，所述激光组件一和激光组件二之间设置有 90°旋光器转子。
[0018] 另，本发明还提供一种振荡器，依次包括前腔镜二、上述的一种激光增益忍片和后 腔镜二，所述激光增益忍片沿激光传输方向级联多个组成激光组件，相邻激光增益忍片的 间距为毫米量级，所述前腔镜二设置为全反镜，所述后腔镜二设置为部分反射镜。
[0019] 本发明的有益效果是：
[0020] 1、本发明中激光源、禪合装置和冷却流体分别对应增益介质的不同侧面设置，促 使累浦场、激光场及冷却流体场Ξ场垂直正交，解除了 Ξ场空间上的禪合，使得每一个场都 可独立控制，利于工程实施。
[0021] 2、本发明中增益介质内部沿着累浦光的传输方向设置为渐变渗杂结构，保证增益 介质内增益均匀分布，运种结构非常适用于准Ξ能级增益介质或者低吸收系数的增益介 质。
[0022] 3、本发明中中屯、区和包层均设置为渐变渗杂结构，过渡层设置为非渗杂介质，从 而保证了累浦光在中屯、区被吸收，过渡层有效降低中屯、区四周的溫度梯度，降低了热致应 力双折射所引起的退偏损耗，包层能够充分吸收自发福射光，抑制了增益介质横向的自激 振荡，保证了增益介质的高增益能力。
[0023] 4、本发明中将激光增益忍片沿激光传输方向级联多个，即可实现功率扩展，每个 增益介质拥有独立的累浦源，且每个增益介质内能够获得相同的小信号增益，且增益分布 均匀，吸收的累浦能量W及产热密度具有相同的分布，在功率扩展过程中，不需考虑其他因 素影响，操作便捷，同时，相邻激光增益忍片的间距为毫米量级，结构紧凑，占用空间小。
[0024] 5、本发明中累浦光在增益介质内部沿之字形光路传输，具有相当长的吸收长度， 通过设计渗杂的浓度分布，可确保高的吸收效率和累浦均匀性。
[0025] 6、本发明中禪合装置由多根光纤排列而成，累浦源至少设置为一个时，多个禪合 装置沿其宽度方向排列即可，有助于提高累浦功率密度，同时，由于每个禪合装置的输出光 场分布相同，因此，能够在提高累浦功率的同时，保证良好的累浦均匀性。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明的整体结构示意图；
[0027] 图2是本发明的图1中A-A剖面结构示意图；
[0028] 图3是本发明的图1中B-B剖面结构示意图；
[0029] 图4是本发明的增益介质结构示意图；
[0030] 图5是本发明的禪合装置结构示意图；
[0031 ]图6是本发明的激光组件俯视结构示意图；
[0032] 图7是本发明的单激光腔功率放大器结构示意图；
[0033] 图8是本发明的双激光腔功率放大器结构示意图；
[0034] 图9是本发明的振荡器结构示意图；
[0035] 图10(a)是本发明实施例五中Nd3+离子线性渗杂的浓度分布与小信号增益分布关 系图；
[0036] (b)是本发明实施例五中Nd3+离子渐变渗杂的浓度分布与小信号增益分布关系图；
[0037] 图11(a)是本发明实施例六中化离子线性渗杂的浓度分布与小信号增益分布关 系图；
[0038] (b)是本发明实施例六中Yb3+离子渐变渗杂的浓度分布与小信号增益分布关系图。
[0039] 附图中：1-增益介质、101-中屯、区、102-过渡层、103-包层、104-长高面、105-宽高 面、106-长宽面、2-累浦源、201-二极管阵列一、202-二极管阵列二、203-禪合装置、204-光 纤、3-激光、4-累浦光、5-冷却流体、6-激光组件外壳、61-窗口、62-壳体、7-流体循环器、8- 流体管道、9-激光源、10-扩束系统一、11-偏正片一、12-45°法拉第、13-45°石英转子、14-偏 正片二、15-前腔镜一、16-反射镜一、17-反射镜二、18-像传递系统一、19-1/4波片一、20-后 腔镜一、21-反射镜Ξ、22-扩束系统二、23-反射镜四、24-偏振片Ξ、25-像传递系统二、26- 1 /4波片二、27-像传递系统Ξ、28-90°旋光器转子、29-像传递系统四、30-反射镜五、31-电 光开关、32-偏振片四、33-反射镜六、34-激光组件一、35-激光组件二、36-前腔镜二、37-后 腔镜二。
[0040] 图10中，横坐标轴表示增益介质的长度，单位为cm,主纵坐标轴表示Nd3+离子的渗 杂浓度分布，单位为l〇"/cm3,次纵坐标轴表示小信号增益，单位为cnfi，虚线表示小信号增 益，实线表示Nd3+离子的渗杂浓度分布。
[OOW 图11中，横坐标轴表示增益介质的长度，单位为cm，主纵坐标轴表示讯离子的渗 杂浓度分布，单位为l0"/cm3,次纵坐标轴表示小信号增益，单位为cnfi，虚线表示小信号增 益，实线表示孔离子的渗杂浓度分布。
【具体实施方式】
[0042]为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对 本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，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其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。 [00创实施例一.
[0044] 如图1-3所示，一种激光增益忍片，包括激光源、增益介质1、累浦源巧日冷却流体5， 所述累浦源2包括相连接的二极管阵列和禪合装置203,所述二极管阵列包括W增益介质1 为中屯、对称设置的二极管阵列一 201和二极管阵列一 202,所述二极管阵列一 201、二极管阵 列一202分别通过禪合装置203与增益介质1连接，所述禪合装置203设置为带状结构，其由 多根光纤204排列而成，其与增益介质1设置为面面接触，利用禪合装置203柔性传输的优 势，提高二极管阵列与增益介质1在空间上的自由度，便于累浦源2与增益介质1排布、热管 理。
[0045] 所述激光源、禪合装置203和冷却流体5分别对应增益介质1的不同侧面设置，促使 累浦场、激光场及冷却流体场Ξ场垂直正交，即所述冷却流体5的传输方向与累浦光4、激光 3的传输方向垂直正交，解除了 Ξ场空间上的禪合，使得每一个场都可独立控制，利于工程 头施。
[0046] 所述增益介质1与激光源对应的侧面上锻有激光增透膜，所述激光3沿垂直于所述 侧面的方向传输，并穿过增益介质1，所述增益介质1与禪合装置203接触的侧面上锻有累浦 光增透膜，促使所述累浦光4在增益介质1内部沿之字形光路传输。
[0047] 作为优选，所述累浦光4沿着增益介质1的最长边传输，当增益介质1的长度边为最 长边时，所述长高面104上锻有激光增透膜，所述宽高面105上锻有累浦光增透膜，所述激光 3沿垂直于增益介质1的长高面104方向传输，长高面104尺寸较大，菲涅尔数较大，所述累浦 光4沿垂直于增益介质1的宽高面105方向传输，促使累浦光4在增益介质1内的长高面104间 沿之字形光路传输，具有相当长的吸收长度，有效提高了吸收效率和累浦均匀性，所述冷却 流体5沿垂直于增益介质1的长宽面106方向传输，将增益介质1内的废热从长高面104带走， 具有高效的散热能力，同时，激光场与溫度梯度场平行，降低了增益介质1热崎变对激光波 前的影响，保证了光束质量。
[004引实施例二：
[0049] 如图1-5所示，所述增益介质1设置为片状结构，且其内部沿着累浦光4的传输方向 设置为渐变渗杂结构，保证增益介质1内的增益均匀分布，运种结构非常适用于准Ξ能级增 益介质或者低吸收系数的增益介质，所述增益介质1由内向外依次包括中屯、区101、过渡层 102和包层103,所述中屯、区101和包层103均设置为渐变渗杂结构，所述中屯、区101内部渗杂 的激活离子为Nd3+或化3+，从而保证了累浦光4在中屯呕101被吸收，所述包层103内部对应 渗杂的激活离子为Sm3+或Cr4+，其对累浦光4吸收少，对激光3自发福射光吸收效率高，抑制 了增益介质1横向的自激振荡，保证了增益介质1的高增益能力，所述过渡层102设置为非渗 杂介质，有效降低中屯、区101四周的溫度梯度，降低了热致应力双折射所引起的退偏损耗， 且沿累浦光4的传输方向，所述中屯、区101内部激活离子的渗杂浓度呈两端低中间高的趋势 变化，所述包层103内部激活离子的渗杂浓度呈线性或非线性趋势变化，所述增益介质1设 置为渗Nd的憐酸盐玻璃，也可为晶体的或者陶瓷的孔:YAG、孔:化F2、Nd: CaF2或Nd: YAG。
[0050] 所述禪合装置203的高度与中屯、区101的高度相等，所述累浦源2至少设置为一个， 通过增加累浦源2数量可进一步提高激光增益忍片的增益能力，相邻禪合装置203沿其宽度 方向排列，且禪合装置203的总宽度不大于中屯、区101的宽度。本实施例通过2个禪合装置 203在宽度方向上的并排，提高累浦功率密度，单个禪合装置203由多根光纤204纵向排列而 成，单个禪合装置203的宽度约为1mm。由于每个禪合装置203的输出光场分布相同，因此，能 够在提高累浦功率的同时，保证良好的累浦均匀性。
[0051] 实施例
[0052] 如图1、6所示，一种激光组件，包含上述的激光增益忍片，所述激光增益忍片沿激 光传输方向级联多个，即可实现功率扩展，每个增益介质1拥有独立的累浦源2,且每个增益 介质1内能够获得相同的小信号增益，且增益分布均匀，吸收的累浦能量W及产热密度具有 相同的分布，在功率扩展过程中，不需考虑其他因素影响，操作便捷，同时，相邻激光增益忍 片的间距为毫米量级，优选为0.5-5mm，结构紧凑，占用空间小。
[0053] 所述激光组件设置在激光组件外壳6内部，所述激光组件外壳6包括窗口 61与壳体 62，窗口 61上锻有激光增透膜，所述激光经窗口 61入射至激光组件外壳6内部，所述壳体62 设置为不透光结构。所述激光组件还包括流体循环器7和流体管道8,所述流体循环器7通过 流体管道8与壳体62连接，所述冷却流体5由流体管道8进入激光组件外壳6内，在相邻的增 益介质1之间流过，将热量带走。
[0054]所述冷却流体5可采用冷却液体，如四氯化碳、二硫化碳、重水等，增益介质1所能 承受的最大累浦功率密度与冷却液体的沸点、增益介质1的断裂极限相关，此条件下，相邻 激光增益忍片的间距为〇.5-3mm。所述冷却流体5可采用冷却气体，如氮气等，此条件下，相 邻激光增益忍片的间距为2-5mm。
[00对实施例四：
[0056]如图7所示，一种单激光腔功率放大器，包含上述的激光增益忍片，所述激光增益 忍片沿激光3传输方向级联多个组成激光组件，相邻激光增益忍片的间距为毫米量级，优选 为0.5-5mm，沿着激光3的传输方向，所述放大器依次包括同光轴设置的激光源9、扩束系统 一10、偏正片一11、45°法拉第12、45°石英转子13、偏正片二14、前腔镜一15、反射镜一16、反 射镜二17、激光组件、像传递系统一 18和后腔镜一 20,所述前腔镜一 15、后腔镜一 20均为全 反镜，所述后腔镜一 20处设置有1/4波片一 19。
[0化7] 激光源9输出的激光3,依次经扩束系统一 10、偏正片一 11、45°法拉第12、45°石英 转子13、偏正片二14、反射镜一 16、反射镜二17后，注入激光组件中并垂直穿过增益介质1， 经过像传递系统一 18、1/4波片一 19成像于后腔镜一 20上，激光3实现一程放大，由后腔镜一 20返回的激光3依次经过各元件后，经过偏正片二14反射至前腔镜一 15,激光3实现第二程 放大，由前腔镜一 15返回的激光3再次注入激光组件，实现Ξ程、四程放大，不再寶述，最后 经偏正片一 11输出。
[005引如图8所示，一种双激光腔功率放大器，包含上述的一种激光增益忍片，所述激光 增益忍片沿激光3传输方向级联多个分别组成激光组件一 34和激光组件二35,处于同一激 光组件内的相邻激光增益忍片的间距为毫米量级，优选为0.5-5mm。
[0059] 沿着激光3的传输方向，所述放大器依次包括同光轴设置的激光源9、反射镜Ξ21、 扩束系统二22、反射镜四23、偏振片Ξ24、像传递系统二25、1/4波片二26、像传递系统Ξ27、 90°旋光器转子28、像传递系统四29、反射镜五30、激光组件一 34、激光组件二35,所述反射 镜Ξ21与扩束系统二22设置为离轴离焦结构，所述偏振片Ξ24处设置有隔离系统和反射镜 六33，用于抑制累浦时的自激振荡，保证系统的增益能力，所述隔离系统依次包括电光开关 31、偏振片四32。
[0060] 所述激光源9输出的激光3,激光3偏振态垂直纸面，依次经反射镜Ξ21、扩束系统 二22、反射镜四23、偏振片Ξ24、像传递系统二25、1/4波片二26后，W圆偏振态注入激光组 件一34内，经像传递系统Ξ27、90°旋光器转子28后，所述90°旋光器转子28用于补偿热退 偏，注入到激光组件二35内，经过像传递系统四29、反射镜五30后，再次通过激光组件二35、 激光组件一34,过1/4波片二26后，激光3的偏振态由最初的垂直纸面偏正变换成平行纸面 的偏振态，透射通过偏振片Ξ24,往返经过隔离系统、反射镜六33,激光3的偏振态保持不 变，反射光再次透过偏振片Ξ24，激光3 W平行纸面的偏振态传输，传输过程不再寶述，激光 3通过激光组件二35、激光组件一 34后，过1/4波片二26时，激光3的偏振态回到垂直纸面内， 自偏振片Ξ24反射出，经反射镜四23、扩束系统二22输出。
[0061] 所述放大器适用于脉冲型双激光腔功率放大器，去掉隔离系统后，同样适用于连 续型双激光腔功率放大器。
[0062] 如图9所示，一种振荡器，依次包括前腔镜二36、上述的一种激光增益忍片和后腔 镜二37,所述激光增益忍片沿激光3传输方向级联多个，相邻激光增益忍片的间距为毫米量 级，优选为0.5-5mm，所述前腔镜二36设置为全反镜，所述前腔镜二36也可W设置为变形镜， W补偿波前崎变，所述后腔镜二37设置为部分反射镜。
[0063] 实施例五：
[0064] 如图1-4所示，本实施例与实施例一、二相同的部分不再寶述，不同的是：
[0065] 所述增益介质1设置为Nd:YAG，其尺寸为120mmX120mmX10mm，中屯呕101 口径为 lOOmmX 100mm，过渡层102为纯净的YAG，其总宽度为10mm，包层103内部渗杂的激活离子为 Sm3%其总宽度为10mm，所述激光3沿垂直于长高面104方向传输，所述累浦光4沿垂直于宽高 面105方向传输，所述冷却流体5沿垂直于长宽面106方向传输，所述冷却流体5设置为四氯 化碳液体。
[0066] 沿累浦光4的传输方向，所述中屯、区101内部Nd3+的渗杂浓度呈线性趋势变化，所述 包层103内部Sm3+的渗杂浓度呈线性趋势变化，累浦光4功率密度为330W/cm2，吸收效率为 95%时，Nd3+离子线性渗杂的浓度分布与小信号增益分布关系，如图10(a)所示，图中小信号 增益系数沿累浦光4传输方向呈中屯、低两边高的分布，增益分布不均匀，不利于获得均匀的 激光近场。
[0067] 沿累浦光4的传输方向，所述中屯、区101内部Nd3+的渗杂浓度呈两端低中间高的趋 势变化，所述包层103内部Sm3+的渗杂浓度呈线性趋势变化，所述Nd3+的渗杂浓度为：
[0071] 其中，nd表示中屯、区101内部激活离子的渗杂浓度分布，riP表示累浦光4吸收效率， g质示小信号增益，IPs,in表示增益介质1两侧总的累浦光强，Tps,in表示增益介质1单侧的累 浦光强，且满足
，Ips表示增益介质内的局部累浦光强，Tps表示单侧累浦光沿 其传输方向在增益介质内的分布，所述光强为累浦光强与累浦饱和光强的比值，W中屯、区 101的中屯、点为坐标原点，X表示沿累浦光4传输方向的位置，W表示中屯、区101沿累浦光4传 输方向的长度，Oabs与分别表示累浦光4吸收截面与激光发射截面，A、B、C表示渗杂离子的 热布居特性。
[0072] 室溫下，炯3+参数为：〇abs = 6.7Xl〇-2°cm2,〇em = 28Xl〇-2°cm2，A = C = riQ，B = 0，riQ = 1，其中，riQ为巧光效率，累浦光4功率密度为330W/cm2，riP = 95%，Nd3+离子渐变渗杂的浓度分 布与小信号增益分布关系，如图10(b)所示，图中沿累浦光4传输方向采用渐变渗杂，浓度分 布呈类高斯型分布，增益介质1内的增益分布均匀，因此，所述激光增益忍片适用于四能级 系统。
[0073] 实施例六：
[0074] 如图1-4所示，本实施例与实施例五相同的部分不再寶述，不同的是：
[0075] 所述增益介质1设置为化:YAG，包层103内部渗杂的激活离子为化4+，所述冷却流体 5设置为氮气。
[0076] 沿累浦光4的传输方向，所述中屯、区101内部化的渗杂浓度呈线性趋势变化，所述 包层103内部Cr4+的渗杂浓度呈非线性趋势变化，累浦光4功率密度为9.4kW/cm2，吸收效率 为95%时，Yb3+离子线性渗杂的浓度分布与小信号增益分布关系，如图11(a)所示，图中小信 号增益系数沿累浦光4传输方向呈中屯、低两边高的分布，增益分布不均匀，不利于获得均匀 的激光近场。
[0077] 沿累浦光4的传输方向，所述中屯、区101内部化的渗杂浓度呈两端低中间高的趋 势变化，所述包层103内部Cr4+的渗杂浓度呈非线性趋势变化，在200K时，Yb3+参数为:oabs =
f〇3 = 0.0464，fii = 0.7667，fi2 = 0.1846,其中，fi康示累浦能级与激光能级所占其所处的多 重态的热布居比例，累浦光4功率密度为9.4kW/cm2，rip = 95%，Yb3+离子渐变渗杂的浓度分 布与小信号增益分布关系，如图11 (b)所示，图中沿累浦光4传输方向采用渐变渗杂，浓度分 布呈类高斯型分布，增益介质1内的增益分布均匀，因此，所述激光增益忍片适用于准Ξ能 级系统。
[0078] W上已将本发明做一详细说明，W上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能 限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围 内。
【主权项】
1. 一种激光增益芯片，包括激光源、增益介质、栗浦源和冷却流体，所述栗浦源包括相 连接的二极管阵列和耦合装置，其特征在于:所述激光源、耦合装置和冷却流体分别对应增 益介质的不同侧面设置，且所述冷却流体、栗浦光、激光的传输方向垂直正交，所述增益介 质内部沿着栗浦光的传输方向设置为渐变掺杂结构。2. 根据权利要求1所述的一种激光增益芯片，其特征在于:所述增益介质设置为片状结 构，其由内向外依次包括中心区、过渡层和包层，所述中心区和包层均设置为渐变掺杂结 构，所述过渡层设置为非掺杂介质，所述中心区内部掺杂的激活离子为Nd 3+或Yb3+，所述包 层内部对应掺杂的激活离子为Sm3+或Cr 4+，沿栗浦光的传输方向，所述中心区内部激活离子 的掺杂浓度呈两端低中间高的趋势变化。3. 根据权利要求2所述的一种激光增益芯片，其特征在于:所述中心区内部激活离子的 掺杂浓度为：其中，nd表不中心区内部激活离子的掺杂浓度分布，％表不栗浦光吸收效率，go表不小 信号增益，IPs,ιη表示增益介质两侧总的栗浦光强，I+Ps, ^表示增益介质单侧的栗浦光强，且 满足= 表示增益介质内的局部栗浦光强，I+Ps表示单侧栗浦光沿其传输方 向在增益介质内的分布，所述光强为栗浦光强与栗浦饱和光强的比值，以中心区的中心点 为坐标原点，X表示沿栗浦光传输方向的位置，W表示中心区沿栗浦光传输方向的长度，〇abs 与〇(?分别表示栗浦光吸收截面与激光发射截面，A、B、C表示掺杂离子的热布居特性。4. 根据权利要求1所述的一种激光增益芯片，其特征在于:所述二极管阵列包括以增益 介质为中心对称设置的二极管阵列一和二极管阵列二，所述二极管阵列一和二极管阵列二 分别通过耦合装置与增益介质连接，所述耦合装置设置为带状结构，其由多根光纤组成，所 述耦合装置的高度与中心区的高度相等，所述栗浦源至少设置为一个，相邻耦合装置沿其 宽度方向排列，且耦合装置的总宽度不大于中心区的宽度。5. 根据权利要求1所述的一种激光增益芯片，其特征在于:所述增益介质与激光源对应 的侧面上镀有激光增透膜，所述激光沿垂直于所述侧面的方向传输，并穿过增益介质，所述 耦合装置与增益介质设置为面面接触，所述增益介质与耦合装置接触的侧面上镀有栗浦光 增透膜，所述栗浦光在增益介质内部沿之字形光路传输。6. -种激光组件，其特征在于:包含权利要求1-5任一所述的一种激光增益芯片，所述 激光增益芯片沿激光传输方向级联多个，相邻激光增益芯片的间距为毫米量级。7. -种单激光腔功率放大器，其特征在于:包含权利要求1-5任一所述的一种激光增益 芯片，所述激光增益芯片沿激光传输方向级联多个组成激光组件，相邻激光增益芯片的间 距为毫米量级，所述激光组件处设置前腔镜一和后腔镜一，所述前腔镜一、后腔镜一均为全 反镜，所述后腔镜一处设置有1/4波片一。8. -种双激光腔功率放大器，其特征在于:包含权利要求1-5任一所述的一种激光增益 芯片，所述激光增益芯片沿激光传输方向级联多个分别组成激光组件一和激光组件二，处 于同一激光组件内的相邻激光增益芯片的间距为毫米量级，所述激光组件一和激光组件二 之间设置有90°旋光器转子。9. 一种振荡器，其特征在于：依次包括前腔镜二、权利要求1-5任一所述的一种激光增 益芯片和后腔镜二，所述激光增益芯片沿激光传输方向级联多个，相邻激光增益芯片的间 距为毫米量级，所述前腔镜二设置为全反镜，所述后腔镜二设置为部分反射镜。
【文档编号】H01S3/0941GK105870772SQ201610430659
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】李敏, 张小民, 李明中, 王振国, 严雄伟, 郑建刚, 蒋新颖, 肖凯博, 高松, 张君, 田晓琳, 张雄军, 粟敬钦, 胡东霞, 朱启华
【申请人】中国工程物理研究院激光聚变研究中心