专利名称：具有高峰值功率激光二极管泵浦固体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光器，特别是具有高峰值功率激光二极管泵浦固体 激光器。 《尔伎不
激光二极管泵浦固体激光器在泵浦功率比较小的条件下，泵浦激光对 介质端面虽然存在增益分布不均匀的问题，但对输出激光强度的影响较 小， 一般不需要采取特殊措施进行控制。但是，对于大功率端面泵浦，这 种增益分布，特别是由于吸收引起的纵向分布不均匀对激光光束质量的影 响将会非常严重。
通常端面泵浦DPL的泵浦光吸收主要集中于激光晶体中比较狭小的区 域，如果不采取措施，当泵浦功率增加时热效应会加剧非轴对称性，其热 透镜空间效应会导致谐振腔中振荡光光路变化，引起谐振腔失谐，严重的 热效应将降低激光晶体的发射截面，甚至损坏激光晶体。
另外在大泵浦功率中，不可避免地会引起激光器低阶模的振荡，众多 的非低阶模会严重影响振荡光的光束质量。为了保证激光器运行于低阶 模，需要对高阶模进行限制，这种限制对振荡光的功率又不能产生削弱， 因此需要发展专门的技术来实现这一点。
重复频率10kHz，脉冲宽度约6ns，峰值功率210kw的1.06Mm DPL激 光器，需要将激光介质高达100W 150W的热耗有效散出。热耗产生的范 围集中于激光介质没长度方向0.5 2mm —个区域。为了保证激光介质的 正常工作，这个区域内激光介质的温度不能过高。这就要求实行有效的高 热耗密度散热。
通常情况下，端面泵浦的热效应主要集中于泵浦端面，在大功率端面 泵浦条件下，泵浦光在晶体内纵向吸收不均匀性将显得格外显著，在输入 端可能产生饱和效应，而在另一端泵浦光却很微弱，泵浦光吸收不均匀性 将引起热效应空间不均匀，这种热效应的纵向不均匀不但会破坏激光谐振 腔的稳定性，严重时还可能损坏激光晶体。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高峰值功率激光二极管泵浦固体激光 器，以便保证对泵浦光的控制时，确保球面结构不会对热透镜调节振荡光
的功能产生影响、同时限制高阶模产生。
本发明的目的是这样实现的，设计一种具有高峰值功率激光二极管泵 浦固体激光器，它至少包括激光二极管泵浦光源1、泵浦光输入耦合单元
2、谐振腔3和调Q单元9，其特征是谐振腔3中有多个激光晶体，多个
激光晶体惨杂浓度依次递增。
所述的激光晶体和激光晶体之间有用于整形和耦合前一级晶体输出泵 浦光的光学耦合单元。
所述的光学耦合单元10是汇聚透镜11。 所述的光学耦合单元10是热透镜13。
所述的热透镜13的焦距通过晶体的摻杂浓度控制晶体的热效应调节。 所述的激光晶体之间的距离通过晶体之间的非成像光学整形元件调节。
所述的光学耦合单元10是非成像光学耦合元件12。 所述的谐振腔3中多个激光晶体中的前一级晶体输出端面直径小于后 一级晶体的输入端面直径。 '
所述的激光晶体输入端面中间带平面，平面四周通过弧度过渡到晶体周边。
所述的汇聚透镜11是后一级晶体输入端的球形端面和晶体输入端面 产生的热透镜，构成一个半自洽的透镜组或是后一级晶体输入端的平面和 晶体输入端面产生的热透镜13，构成一个半自洽的透镜组。
本发明的特点是由于本发明将激光介质分为掺杂浓度不同的多个激
光晶体，多个激光晶体的掺杂浓度各不相同，由左向右，沿泵浦光的传播 方向，掺杂浓度依次递增，保证整个晶体群内吸收均匀和稳定。采用阶梯 泵浦技术，空间的热透镜可以看成一系列的透镜组。每个热透镜的焦距可 以通过晶体的摻杂浓度控制晶体的热效应来调节，激光晶体之间的距离可 以通过晶体之间的非成像光学整形元件来调节。在激光晶体的端面拟采取 中间带平面，平面四周通过弧度过渡到晶体周边。这样既保证了对泵浦光 的控制，也确保了球面结构不会对热透镜调节振荡光的功能产生影响。同 时也起到了限制高阶模的效果。
下面结合实施例附图对本发明做进一步说明。
图1是本发明实施例结构示意图； 图2是实施例1结构示意图3是实施例2结构示意图； 图4是实施例3结构示意图； 图5是实施例4结构示意图6是实施例5结构示意图。
图中1、激光二极管泵浦光源；2、泵浦光输入耦合单元；3、谐振 腔；4、第一谐振镜；5、第二谐振镜；6、第一晶体；7、第二晶体；8、
第三晶体；9、调Q单元；10、光学耦合单元；11、汇聚透镜；12、非成 像光学耦合元件；13、热透镜；14、导光镜。
具体实施例方式
图l给出本发明的总体方案示意图，由激光二极管泵浦光源1、泵浦
光输入耦合单元2、谐振腔3和谐振腔3内的调Q单元9、第一晶体6、第 二晶体7、第三晶体8构成激光二极管泵浦固体激光器，谐振腔3两端是 第一谐振镜4和第二谐振镜5，第一谐振镜4和第二谐振镜5之间从左到 右分别是第一晶体6、第二晶体7、第三晶体8和调Q单元9。如果将第一 晶体6、第二晶体7和第三晶体8作为一个用途的激光晶体，本发明的总 体方案与通用的激光二极管泵浦固体激光器的结构没有不同。正如在背景 技术中所描述的，谐振腔3中采用单一的激光晶体，当激光二极管泵浦光 源1的功率增加的时候，热效应会加剧形成非轴对称性，其热透镜空间效 应会导致谐振腔中的振荡光光路发生严重变化，引起谐振腔失谐。
本发明通过将单一的激光晶体用掺杂浓度依次递增的多个激光晶体代 替，如图1中的第一晶体6、第二晶体7和第三晶体8，在这里第一晶体6 掺杂介质浓度小于第二晶体7，第二晶体7掺杂介质浓度小于第三晶体8， 让每个晶体的吸收保持在一个合理的范围，以保证整个晶体群内吸收均匀 和稳定。当然晶体的多少，视具体的功率不同而不同。激光晶体之间的距 离可以通过晶体之间的非成像光学整形元件来调节。需要根据实际泵浦情 况和激光腔的整体要求，通过实验和模拟计算来确定。
为了使第一晶体6、第二晶体7和第三晶体8构成的一个晶体群能保 持一个合理吸收，在第一晶体6和第二晶体7之间，在第二晶体7和第三 晶体8之间分别增加一光学耦合单元10会达到满意的效果。我们可以通 过对图2的说明进一步了解，图2与图1的不同是仅在第一晶体6和第二 晶体7之间，在第二晶体7和第三晶体8之间分别增加了光学耦合单元10。 光学耦合单元10的作用是将第一晶体6输出的泵浦激光能无损耗的全部 进入第二晶体7，将第二晶体7输出的泵浦激光能无损耗的全部进入第三
晶体8，能构达到这种效果，可以有多种方案完成。
图3是通过在第一晶体6和第二晶体7之间，在第二晶体7和第三晶 体8之间分别增加一汇聚透镜11实现光学耦合的。在第一晶体6和第二 晶体7的透镜与第二晶体7和第三晶体8之间的汇聚透镜11大小、焦距 视具体的情况不同有所选择。这不是问题的本质，只要实现各级的完全光 学耦合，可以是相同的，也可以是不相同的。实际上汇聚透镜11可以是 后一级晶体输入端的球形端面和晶体输入端面产生的热透镜形成一个半 自洽的透镜组；或是后一级晶体输入端的平面和晶体输入端面产生的热透 镜13形成一个半自洽的透镜组。
第二种实施如图4所示的那样在第一晶体6和第二晶体7之间，在第 二晶体7和第三晶体8之间分别增加非成像光学耦合元件如柱状体的导光 镜14，然后充分利有泵浦激光在晶体表面产生的热透镜13共同实现前一 级与后一级的光学耦合。这种方式需要通过有效控制非成像光学耦合元件 导光镜14和热效应的分布。一方面使得增益区同振荡光低阶模的分布区较 好吻合，并且控制增益分布的不均匀程度，以实现较高的激光效率和较好 的光束质量。另一方面，将热效应控制在一个合理的范围，以实现有效利 用热透镜的目的。
直接利用激光介质内的热透镜作为腔内的光学耦合，即光束调节透 镜，可以简化谐振腔结构，縮短谐振腔，获得短脉冲激光。如图5所示， 通过灵活对振荡光的光束质量、激光模式进行控制。采用空间的热透镜13 可以看成一系列的透镜组。每个透镜的焦距可以通过晶体的摻杂浓度控制 晶体的热效应来调节，透镜和透镜之间的距离可以通过晶体之间的非成像 光学整形元件12来调节。
为了实现对热透镜13的有效调节，激光晶体输入端面中间带平面，平 面四周通过弧度过渡到晶体周边。这样既保证了关键技术二中对泵浦光的 控制，也确保了球面结构不会对热透镜调节振荡光的功能产生影响。同时 也起到了限制高阶模的效果。
作为对图5的一种方案完善是利有图6的技术方式，它使第一晶体6 的直径小于第二晶体7的直径，第二晶体7的直径小于第三晶体8的直径。
这种方案同样需要每个透镜的焦距通过晶体的摻杂浓度控制晶体的热效 应来调节，透镜和透镜之间的距离可以很近。
本发明激光二极管泵浦光源1采用光纤耦合LD端面泵浦的泵浦方式作 为首选方案。光纤耦合LD的输出光束基本对称，连接和使用比较方便，
其优点集中表现在①由于光纤耦合LD输出的泵浦光具有较好的轴对称性, 相应耦合系统也只需要采用轴对称的光学系统，相对于非光纤耦合LD，该 耦合系统的设计将大为简化。②泵浦光呈轴对称分布，其热透镜13效应更 接近于理想透镜，通过耦合系统,可以控制热透镜13焦距的大小，为对谐振 腔的调控提供了可能。③有利于减小激光器的体积。使用这种结构，有利 于实现产品化，有利于产品的可靠性设计。
光纤耦合LD模块。该模块要保证输出稳定的808mn泵浦光，估计输出 功率为150—200W。该模块的技术难点为在于大热耗条件下，保持LD管 芯温度稳定于额定温度，使输出光束谱线分布，空间分布比较均匀，发散 角较小。
泵浦光输入耦合单元2是根据谐振腔对热透镜的要求，以及空间耦合 效率的需要，完成对泵浦光进行恰当的整形。泵浦光输入耦合单元2的基 本参数和结构，主要取决于出纤泵浦光的光束质量以及谐振腔的设计要求。 谐振腔3是由一定曲率半径能够对振荡光光束质量进行调节，并且确 保振荡光稳定振荡的谐振腔反射镜系统。谐振腔3对808nm泵浦光应全透， 对1064nm振荡光全反。
调Q单元9的重复频率在10kHz左右，大功率泵浦条件下，足够的效 率进行调Q，实现大峰值功率脉冲激光输出的技术手段。
本发明最核心的关键技术就是如何有效控制激光介质的热效应。通常 情况下，端面泵浦的热效应主要集中于泵浦端面，在大功率端面泵浦条件 下，泵浦光在晶体内纵向吸收不均匀性将显得格外显著，在输入端可能产 生饱和效应，而在另一端泵浦光却很微弱，泵浦光吸收不均匀性将引起热 效应空间不均匀，这种热效应的纵向不均匀不但会破坏激光谐振腔的稳定 性，严重时还可能损坏激光晶体。因此通过对图2、图3、图4、图5、图 6不同方案的选择和组合，只要能用掺杂浓度依次递增的多个激光晶体有 效控制激光介质的热效应，都是本发明所要保护的。
权利要求
1、具有高峰值功率激光二极管泵浦固体激光器，它至少包括激光二极管泵浦光源(1)、泵浦光输入耦合单元(2)、谐振腔(3)和调Q单元(9)，其特征是谐振腔(3)中有多个激光晶体，多个激光晶体掺杂浓度依次递增。
2、 根据权利要求1所述的具有高峰值功率激光二极管泵浦固体激光器，其特征是所述的激光晶体和激光晶体之间有用于整形和耦合前一级 晶体输出泵浦光的光学耦合单元(10)。
3、 根据权利要求2所述的具有高峰值功率激光二极管泵浦固体激光器，其特征是所述的光学耦合单元(10)是汇聚透镜(11)。
4、 根据权利要求2所述的具有高峰值功率激光二极管泵浦固体激光器，其特征是所述的光学耦合单元(10)是热透镜(13)。
5、 根据权利要求4所述的具有高峰值功率激光二极管泵浦固体激光器，其特征是所述的热透镜(13)的焦距通过晶体的摻杂浓度控制晶体的热效应调节。
6、 根据权利要求1所述的具有高峰值功率激光二极管泵浦固体激光器，其特征是所述的激光晶体之间的距离通过晶体之间的非成像光学整形元件调节。
7、 根据权利要求2所述的具有高峰值功率激光二极管泵浦固体激光器，其特征是所述的光学耦合单元(10)是非成像光学耦合元件(12)。
8、 根据权利要求1所述的具有高峰值功率激光二极管泵浦固体激光器，其特征是所述的谐振腔(3)中多个激光晶体中的前一级晶体输出端面直径小于后一级晶体的输入端面直径。
9、 根据权利要求8所述的具有高峰值功率激光二极管泵浦固体激光器，其特征是所述的激光晶体输入端面中间带平面，平面四周通过弧度过渡到晶体周边。
10、 根据权利要求3所述的具有高峰值功率激光二极管泵浦固体激光器，其特征是所述的汇聚透镜(11)是后一级晶体输入端的球形端面和晶体输入端面产生的热透镜(13)，构成一个半自洽的透镜组或是后一级 晶体输入端的平面和晶体输入端面产生的热透镜(13)，构成一个半自洽的透镜组。
全文摘要
本发明涉及一种激光器，特别是具有高峰值功率激光二极管泵浦固体激光器，它至少包括激光二极管泵浦光源(1)、泵浦光输入耦合单元(2)、谐振腔(3)和调Q单元(9)，其特征是谐振腔(3)中有多个激光晶体，多个激光晶体掺杂浓度依次递增。它可以保证对泵浦光的控制时，确保球面结构不会对热透镜调节振荡光的功能产生影响、同时限制高阶模的产生。
文档编号H01S3/06GK101179175SQ20071018843
公开日2008年5月14日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者文建国, 李兵斌, 王石语, 蔡德芳, 振 过 申请人:西安电子科技大学