一种渐变掺杂被动调Q晶体平顶激光装置及输出方法

一种渐变掺杂被动调q晶体平顶激光装置及输出方法
技术领域
1.本发明涉及固体激光器领域，尤其涉及一种渐变掺杂被动调q晶体平顶激光装置及输出方法。


背景技术：

2.固态激光器主要包括灯泵激光器和ld泵浦激光器，其中ld泵浦激光器又可依据ld泵浦光入射激光增益晶体方向分为侧面泵浦和端面泵浦，其中侧面泵浦因其泵浦光源一般采用大功率、发光面积大的半导体激光阵列(laser diode array, lda)，被广泛应用在激光雷达、光电对抗以及激光诊断等高功率激光输出的领域中。也因其激光工作介质内的增益区域大，工作介质内部不会出现局部高温现象，可以作为高功率激光的泵浦结构使用。但侧面泵浦也存在输出能量分布不均匀、能量提取效率低等问题，这是由于侧面泵浦的泵浦光是沿径向方向进入晶体，会导致泵浦光分布不均匀、工作物质内的增益分布很难与激光谐振腔本征基模进行模式匹配，且热效应严重，输出光束质量差。
3.为了改善ld泵浦的基模提取效率和能量均匀性，实现泵浦光在激光增益介质内均匀分布。通常采用以下方法，一是反射镜折叠光束法，使用楔形镜隧道使得光束折叠来产生接近平顶情况的强度分布。但是反射镜折叠光束法装配和调试极为困难。二是非球面透镜法，该方法将准直光束的径向对称能量分布转换为具有均匀强度分布的准直光束。但是非球面透镜法设计及加工不易。三是通过加装全息光栅滤波器，在左端面的全息滤光片将入射的准直高斯激光束的波前重建，当传播到右端面时产生了新的波前，又被设置在右端面的另一全息滤光片重建波前，而后被转换成新的准直均匀激光束。但光能效率取决于全系滤光片的衍射效率，衍射效率不高，同时伴有相干噪声。四是万花筒法，通过管道内壁的多次反射。输出光束的均匀性取决于反射的次数，因此也取决于万花筒的长度。这种方法制作、装调简易，成本大大降低，能方便地改变输出光斑的大小，但此系统的传输损耗较大。这些方法都在一定程度上改变了激光均匀性，但他们的传输损耗极大以及装置系统复杂。
4.另外，现有技术中被动调q激光器中所采用的被动调q晶体的掺杂浓度均为整体统一的，尚没有相关现有技术公开关于使用渐变掺杂的被动调q晶体获得平顶光束的技术方案。专利cn113572001a公开了一种基于掺杂浓度渐变晶体的单端泵浦调q激光器，其中激光工作物质的掺杂浓度沿光传输方向呈指数式增长，即其中渐变掺杂的晶体为激光增益晶体，并未涉及渐变掺杂被动调q晶体；专利cn113809630公开了一种侧面泵浦yb : yag超短脉冲激光放大器，其中激光增益介质yb:yag晶体离子掺杂分布可采用径向渐变掺杂技术，即晶体中心位置高掺杂而沿径向掺杂浓度逐渐降低，该专利中同样是将激光增益晶体设计为渐变掺杂，并未涉及渐变掺杂被动调q晶体。其他涉及渐变掺杂晶体的现有技术中，也仅公开了采用渐变掺杂的激光增益晶体的技术方案，并未涉及采用渐变被动调q晶体以调整激光光束的分布均匀性，获得平顶光束输出的技术方案。
5.综上所述，目前缺乏一种高效且适用于大功率激光器激光输出能量均匀分布的平顶激光解决方案。


技术实现要素：

6.本发明为了解决上述基模提取效率低和能量均匀差的问题，本发明提出一种渐变掺杂被动调q晶体平顶激光装置及输出方法。
7.本发明提出一种渐变掺杂被动调q晶体平顶激光装置包括：泵浦源，用以发射一具有特定波长的光束作为泵浦光；负角锥镜，作为第一腔镜用以形成负角锥谐振腔；激光增益晶体，用以接收所述泵浦源发射的所述泵浦光；渐变掺杂被动调q晶体，用以形成调q脉冲激光输出；输出镜，作为第二腔镜用以形成负角锥谐振腔并实现激光输出；其中：负角锥镜、激光增益晶体、渐变掺杂被动调q晶体和输出镜沿光路依次设置；负角锥镜、激光增益晶体、渐变掺杂被动调q晶体和输出镜组成负角锥谐振腔；渐变掺杂被动调q晶体的掺杂浓度沿着晶体通光面的半径方向由晶体中心向边缘渐变；负角锥镜将负角锥谐振腔中振荡光全部反射回腔内。
8.在一些实施例中，渐变掺杂被动调q晶体的掺杂浓度沿着晶体的半径方向由中心向边缘逐渐降低。
9.在一些实施例中，渐变掺杂被动调q晶体（4）的所述通光面的中心掺杂浓度为0.5%，所述通光面的边缘掺杂浓度为0.2%。
10.在一些实施例中，泵浦源为ld泵浦源，其输出波长与激光增益介质晶体的吸收峰对应，以实现增益介质的粒子数反转。
11.在一些实施例中，ld泵浦源设置在所述激光增益晶体侧面，沿侧向将泵浦光提供给所述激光增益晶体；ld泵浦源由至少2个ld子单元构成，ld子单元分别沿激光增益介质晶体的侧面周向等间隔设置。激光增益介质晶体，用于吸收泵浦源发出的泵浦光。
12.在一些实施例中，ld泵浦源数量为2个，设置在激光增益介质晶体上方和下方。
13.在一些实施例中，激光装置还包括二向色反射镜，其设置在负角锥镜和激光增益晶体之间，并与负角锥谐振腔中光路方向呈45
°
设置；泵浦源设置在所述负角锥谐振腔外部，泵浦光以垂直于负角锥谐振腔光路方向进入二向色反射镜，二向色反射镜沿端向将泵浦光提供给激光增益晶体。
14.在一些实施例中，二向色反射镜表面镀有针对泵浦源发射的泵浦光的高反射率膜，以及针对负角锥谐振腔输出激光波段的高透射率膜。
15.在一些实施例中，输出镜镀输出激光波长的增透膜。
16.一种渐变掺杂被动调q晶体平顶激光输出方法，包括如下步骤：s1.泵浦源发射泵浦光，泵浦光射入激光增益晶体；s2.激光增益晶体吸收泵浦光发生粒子数反转，生成高斯型激光；s3.高斯型激光穿过渐变掺杂被动调q晶体；s4.渐变掺杂被动调q晶体吸收激光能量，透过率升高，发生“漂白”现象，渐变掺杂被动调q晶体趋于透明，透射损耗降低生成激光脉冲，实现被动调q开关开启；s5.在输出镜的作用下，部分高能量均匀激光从输出镜射出负角锥谐振腔，剩余激光在负角锥谐振腔内持续振荡放大，不断地由输出镜射出；s6.当负角锥谐振腔内激光功率密度较低时，渐变掺杂被动调q晶体不再透明，激
光无法穿过渐变掺杂被动调q晶体，被动调q开关处于关闭状态。
17.在一些实施例中，渐变掺杂被动调q晶体的渐变掺杂会使晶体中心激光透过率低、晶体边缘激光透过率高；当高斯型激光穿过渐变掺杂被动调q晶体时，激光束中心能量降低。
18.本发明提供的一种渐变掺杂被动调q晶体平顶激光装置及输出方法与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明提出的一种渐变掺杂被动调q晶体平顶激光装置，采用ld侧面或端面泵浦方式能充分利用激光增益晶体，在低成本、结构紧凑情况下，获得了高功率、高转换效率的激光输出；本发明使用了中心浓度高、边缘浓度低的渐变掺杂被动调q晶体，因被动调q晶体中的掺杂浓度与泵浦光的透过率成反比，导致渐变掺杂被动调q晶体中心透过率低、边缘透过率高。当激光增益晶体内生成的高斯型激光穿过渐变掺杂被动调q晶体，激光束中心能量降低，获得平顶激光输出，能量均匀性得到改善，同时渐变掺杂被动调q晶体吸收激光能量，发现“漂白”现象，实现被动调q生成激光脉冲；本发明采用负角锥镜作为负角锥谐振腔腔镜，可将激光沿原方向反射回负角锥谐振腔，不仅能消除光线相位畸变，增加光线光束质量的作用，还能有效提高激光输出的稳定性，对抗外界振动、温度应力变化引起谐振腔失调；本发明通过渐变掺杂被动调q晶体和负角锥棱镜的相互作用，获得了平顶激光输出，增加了激光输出能量的高均匀性和输出稳定性，从而拓宽了激光器的适用性。
19.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
20.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
21.图1示出了一种侧面泵浦渐变掺杂被动调q晶体平顶激光装置的结构示意图；图2示出了一种端面泵浦渐变掺杂被动调q晶体平顶激光装置的结构示意图；图3示出了一种渐变掺杂被动调q晶体示意图；图4示出了一种渐变掺杂被动调q晶体平顶激光输出的原理示意图。
实施方式
22.现在将参照若干示例性实施例来论述本发明的内容。应当理解，论述了这些实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本发明的内容，而不是暗示对本发明的范围的任何限制。
23.如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”要被解读为“至少一个其他实施例”。
实施例
24.图1示出了侧面泵浦渐变掺杂被动调q晶体平顶激光装置的结构示意图。如图1所示，一种渐变掺杂被动调q晶体平顶激光装置，包括：泵浦源1，用以发射一具有特定波长的光束作为泵浦光；负角锥镜2，作为第一腔镜用以形成负角锥谐振腔；激光增益晶体3，用以接收所述泵浦源1发射的所述泵浦光；渐变掺杂被动调q晶体4，用以形成调q脉冲激光输出；输出镜5，作为第二腔镜用以形成负角锥谐振腔并实现激光输出；其中；所述负角锥镜2、激光增益晶体3、渐变掺杂被动调q晶体4和输出镜5沿光路依次设置；所述负角锥镜2、激光增益晶体3、渐变掺杂被动调q晶体4和输出镜5组成负角锥谐振腔；所述渐变掺杂被动调q晶体4的掺杂浓度沿着晶体通光面的半径方向由晶体中心向边缘渐变；负角锥镜2将负角锥谐振腔中振荡光全部反射回腔内。
25.优选地，所述渐变掺杂被动调q晶体4为cr
4+
:yag晶体，掺杂浓度指晶体内cr
4+
离子浓度。
26.优选地，渐变掺杂被动调q晶体4的掺杂浓度沿着晶体通光面的半径方向由中心向边缘逐渐降低。
27.优选地，所述渐变掺杂被动调q晶体4的所述通光面的中心掺杂浓度为0.5%，所述通光面的边缘掺杂浓度为0.2%。
28.优选地，所述泵浦源1为ld泵浦源，其输出波长与激光增益介质晶体3的吸收峰对应，以实现增益介质的粒子数反转。
29.优选地，ld泵浦源输出波长为808nm或813nm。
30.所述ld泵浦源1设置在所述激光增益晶体3侧面，沿侧向将泵浦光提供给所述激光增益晶体3；ld泵浦源由至少2个ld子单元构成，ld子单元分别沿激光增益介质晶体的侧面周向等间隔设置。
31.优选地，ld泵浦源1数量为2个，分别设置在激光增益介质晶体3上方和下方。
32.优选地，输出镜5镀输出激光波长的增透膜。
33.如图3所示，渐变掺杂被动调q晶体4的掺杂浓度沿着晶体通光面的半径方向由中心向边缘逐渐降低。
34.负角锥镜2作为负角锥谐振腔腔镜，对入射光线的角度不敏感，可将入射光线沿原方向反射回谐振腔。
35.优选地，激光增益晶体3可采用nd:yag晶体、nd:yap晶体、nd:yvo4晶体等。激光增益介质晶体3端面镀有增透膜。可根据所需激光的参数要求，选择合适的激光增益介质晶体。
实施例
36.图2示出了端面泵浦渐变掺杂被动调q晶体平顶激光装置的结构示意图。如图1所
示，一种渐变掺杂被动调q晶体平顶激光器包括：泵浦源1，用以发射一具有特定波长的光束作为泵浦光；负角锥镜2，作为第一腔镜用以形成负角锥谐振腔；激光增益晶体3，用以接收所述泵浦源1发射的所述泵浦光；渐变掺杂被动调q晶体4，用以形成调q脉冲激光输出；输出镜5，作为第二腔镜用以形成负角锥谐振腔并实现激光输出；二向色反射镜6，与所述负角锥谐振腔中光路方向呈45
°
设置，用以将负角锥谐振腔外的泵浦光反射入激光增益晶体3的端面；其中；所述负角锥镜2、二向色反射镜6、激光增益晶体3、渐变掺杂被动调q晶体4和输出镜5沿光路依次设置；所述负角锥镜2、激光增益晶体3、渐变掺杂被动调q晶体4和输出镜5组成负角锥谐振腔；所述泵浦源1设置在所述负角锥谐振腔外部，所述泵浦光以垂直于所述负角锥谐振腔光路方向进入所述二向色反射镜6，所述二向色反射镜6沿端向将泵浦光提供给所述激光增益晶体3。
37.所述二向色反射镜6表面镀有针对所述泵浦源1发射的所述泵浦光的高反射率膜，以及针对所述负角锥谐振腔输出激光波段的高透射率膜。上述镀膜能够实现针对泵浦光反射的同时使负角锥谐振腔输出波段透过，即能够将泵浦光射入激光增益晶体的同时不影响激光振荡的产生。
38.所述渐变掺杂被动调q晶体4的掺杂浓度沿着晶体通光面的半径方向由晶体中心向边缘渐变；负角锥镜2将负角锥谐振腔中振荡光全部反射回腔内。
39.优选地，所述渐变掺杂被动调q晶体4为cr
4+
:yag晶体，掺杂浓度指晶体内cr
4+
离子浓度。
40.优选地，渐变掺杂被动调q晶体4的掺杂浓度沿着晶体的半径方向由中心向边缘逐渐降低。
41.优选地，所述渐变掺杂被动调q晶体4的所述通光面的中心掺杂浓度为0.5%，所述通光面的边缘掺杂浓度为0.2%。
42.优选地，所述泵浦源1为ld泵浦源，其输出波长与激光增益介质晶体3的吸收峰对应，以实现增益介质的粒子数反转。
43.优选地，ld泵浦源输出波长为808nm或813nm。
44.优选地，输出镜5镀输出激光波长的增透膜。
45.如图3所示，渐变掺杂被动调q晶体4的掺杂浓度沿着晶体通光面的半径方向由中心向边缘逐渐降低。
46.负角锥镜2作为负角锥谐振腔腔镜，对入射光线的角度不敏感，可将入射光线沿原方向反射回谐振腔。
47.优选地，激光增益晶体3可采用nd:yag晶体、nd:yap晶体、nd:yvo4晶体等。激光增益介质晶体3端面镀有增透膜。可根据所需激光的参数要求，选择合适的激光增益介质晶体。
实施例
48.基于同一发明构思，本发明还提供一种渐变掺杂被动调q晶体能量均匀激光输出方法，具体包括如下步骤：s1.泵浦源1发射泵浦光，泵浦光射入激光增益晶体3；优选地，激光增益晶体3上方和下方设置了2个泵浦源1，泵浦光射入激光增益晶体3侧面。
49.优选地，泵浦光通过二向色反射镜6射入激光增益晶体3端面；s2.激光增益晶体3吸收泵浦光发生粒子数反转，生成高斯型激光；即晶体中心激光功率密度高、边缘激光功率密度低；s3.激光增益晶体3生成的高斯型激光穿过渐变掺杂被动调q晶体4。其中渐变掺杂被动调q晶体4不透明，损耗大，激光无法穿透渐变掺杂被动调q晶体4；s4.渐变掺杂被动调q晶体4吸收激光能量，透过率升高，发现“漂白”现象，损耗降低生成激光脉冲，实现被动调q开关开启；因掺杂浓度与泵浦光的透过率成反比，渐变掺杂被动调q晶体4中心浓度高、边缘浓度低，导致渐变掺杂被动调q晶体4中心透过率低、边缘透过率高。高斯型激光经过渐变掺杂被动调q晶体4后，能量均匀性得到改善，获得平顶光束输出（如图4所示）；s5.在输出镜5的作用下，部分高能量均匀激光从输出镜5射出负角锥谐振腔，剩余激光在由负角锥镜2、激光增益晶体3、渐变掺杂被动调q晶体4和输出镜5组成负角锥谐振腔内持续振荡放大，不断地由输出镜5射出；s6.当负角锥谐振腔内激光功率密度较低时，渐变掺杂被动调q晶体4不再透明，激光无法穿过渐变掺杂被动调q晶体4，被动调q开关处于关闭状态。其中负角锥镜4作为腔镜，可将激光沿原方向反射回负角锥谐振腔，不仅能消除光线相位畸变，增加光线光束质量的作用，还能有效提高激光输出的稳定性，对抗外界振动、温度应力变化引起谐振腔失调。
50.本发明通过渐变掺杂被动调q晶体4和负角锥棱镜2得相互作用，获得了平顶激光输出，增加了激光输出能量的高均匀性和输出稳定性，从而拓宽了激光器的适用性。
51.可以理解的是，本发明中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
52.进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
53.进一步可以理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
54.进一步可以理解的是，除非有特殊说明，“连接”包括两者之间不存在其他构件的
直接连接，也包括两者之间存在其他元件的间接连接。
55.进一步可以理解的是，本发明实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
56.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
57.应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。