一种大能量端泵脉冲激光器的制作方法

本发明属于激光二极管泵浦全固态激光，具体来说，涉及一种能够抑制ase和寄生振荡的大能量（100mj能量以上）端泵脉冲激光器。

背景技术：

1、激光制导领域目前采用的激光测照器的光源仍然采用全固态激光器，根据ld泵浦方式的不同，通常有侧面泵浦和端面泵浦两种方法，两者最大区别就是泵浦源照射晶体的位置不一样，侧面泵浦是泵浦源成环形包裹住晶体激励泵浦，而端面泵浦是泵浦源通过光纤传导照射晶体出光端面，两种方式各有其优势，在不同作战平台要求下可选择不同方案进行激光器设计。

2、对于常规采用的侧面泵浦方案实现大能量激光输出的脉冲激光器，对于6kw以上较高峰值功率的侧面泵浦模块，其泵浦均匀性直接决定光束质量，由于巴条数量多，受限于巴条散热、铟焊和封装工艺，侧泵模块的泵浦均匀性设计难度大，且易受温度的影响。而端面泵浦的优势恰好可以弥补侧泵泵浦的不足，在实现较好模式匹配时，可以获得相对于侧泵方案更好光束质量的激光输出，激光束散角小，且光斑模式更趋近于中心强、边缘渐弱的高斯分布输出，在实施激光制导过程中，好的光斑分布有利于光斑跟踪器实现对目标位置坐标的解算，从而提高制导精度。

3、对于实现100mj以上的大能量脉冲激光器，相对成熟且易于实现的技术路线是采侧泵方案，端泵实现100mj能量输出通常需要经过振荡级+放大级的mopa技术路线，单棒振荡级不易实现大能量输出，根本原因是存在两个重要的技术瓶颈，即在动态调q下，存在放大自发辐射（ase）和寄生振荡两个核心问题，如果能从激光器谐振腔以及器件参数的选择上优化设计参数，找到某种方法能抑制上述两个核心问题，在单棒不放大情况下，输出100mj量级以上的激光能量，理论上是可行的。

4、因此，需要一种能够针对端泵的脉冲激光器，在抑制ase和寄生振荡的情况下从而实现大能量、高光束质量的激光光斑输出。

技术实现思路

1、针对现有技术中的端面泵浦激光器存在ase和寄生振荡导致无法实现大能量高质量光束输出的问题，本发明旨在提供了一种能够抑制ase和寄生振荡问题的脉冲激光器，还脉冲激光器还能够输出100mj以上的高质量光束。

2、为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种大能量端泵脉冲激光器，包括泵浦源、作用于泵浦源的散热模块、以及沿着泵浦源的发射光路依次设置的聚焦镜组、全反镜、nd:yag晶体、偏振片、四分之一波片、电光调q晶体、楔镜组和输出镜；

4、其中，所述泵浦源采用至少两种不同主波长的巴条构成ld阵列模块，所述至少两种不同主波长的巴条选择790nm~820nm的吸收光谱的特征峰作为主波长；

5、每种巴条主波长的光谱范围至少为m-6~m纳米或m-3~m+3纳米或m~m+6纳米，其中m为巴条的主波长。

6、采用上述技术方案的大能量端泵脉冲激光器，通过在nd:yag晶体的吸收光谱范围内选择多波长的巴条组成泵浦源的宽光谱ld阵列模块，使得激光器在不同温度下，在保证具有足够储能的前提下，减少nd:yag晶体前端面对聚焦泵浦光的吸收，从而降低晶体热效应。

7、在一实施例中，所述ld阵列模块采用主波长分别为796nm、808nm和814nm的三种巴条沿快轴方向排列而成。这三个波长的选择是根据nd:yag晶体对泵浦光的吸收特性来选择的，因为nd:yag晶体在这三个主波长的吸收系数最高。

8、在一实施例中，所述796nm、808nm和814nm的三种巴条分别有4~10个，每个巴条的功率为200w，这些巴条组成的的ld阵列模块的功率至少为4kw。在工作温度较高时，796nm巴条的波长会向右侧漂移，因此高温环境工作时，可以适当增加796nm巴条的数量，减少808nm和814nm巴条的数量。

9、在一实施例中，所述nd:yag晶体为圆柱形晶体棒，其安装在上晶体热沉和下晶体热沉之间，且上晶体热沉和下晶体热沉之间形成容纳棒状nd:yag晶体的圆柱形通道。该结构有利于固定圆柱形晶体棒，并将nd:yag晶体反射激光过程中所产生的热量有效传导出去。

10、在一实施例中，所述nd:yag晶体中nd3+的掺杂浓度为0.1%~0.2%。由于聚焦在晶体棒前端的ld聚焦光斑小，容易产生吸收饱和，从而增加热效应而恶化光束质量，限制泵浦储能转化为有效振荡的激光能量，采用0.1%~0.2%低掺杂浓度nd:yag晶体在保证吸收长度的前提下，可减小聚焦端面位置的对泵浦光的吸收，从而减缓热效应，可抑制ase和寄生振荡。

11、优选地，圆柱形通道的内壁加工为粗糙面。该限定使得晶体棒内部产生的自发辐射光经过粗糙表面后变为扩散的漫反射光从而抑制了ase和寄生振荡的产生。

12、在一实施例中，所述输出镜采用放大率为1.3~1.5的vrm超高斯镜作为凹凸非稳腔。超高镜的高阶系数n以实现模式匹配为原则进行取值，使得膜层平顶分布的2a和2b取值与谐振腔腔镜的曲率半径和中心反射率相匹配，虽然超高斯镜抑制了高阶模的振荡而损失了一部分能量，但也同时抑制了ase和寄生振荡，ase对激光能量的负影响远大于高阶模抑制后损失的能量，所里综合上考虑，有利于提高激光能量输出。

13、在一实施例中，所述全反镜为平凹镜。该限定可以把较弱的光线集中到所要观察的位置。

14、在一实施例中，所述散热模块包括ld散热器、tec制冷器，其中tec制冷器位于泵浦源和ld散热器之间。

15、本发明相比现有技术，通过分析ase和寄生振荡产生的机制，给出如下改进来提升大能量脉冲激光器抑制ase和寄生振荡的能力：

16、（1）泵浦源在nd:yag晶体的吸收光谱范围内选择多波长的巴条组成泵浦源的宽光谱ld阵列模块，使得脉冲激光器在不同温度下，在保证具有足够储能的前提下，减少nd:yag晶体前端面对聚焦泵浦光的吸收，从而降低晶体热效应。

17、（2）nd:yag晶体增益介质中nd3+离子采用0.1%~0.2%的低掺杂浓度，在保证吸收长度的前提下，可减小聚焦端面位置的对泵浦光的吸收，从而减缓热效应，可抑制ase和寄生振荡。

18、（3）将上、下晶体热沉内壁加工成粗糙表面，使得晶体棒内部产生的自发辐射光经过粗糙表面后变为扩散的漫反射光从而抑制了ase和寄生振荡的产生。

19、（4）采用vrm超高斯镜为输出镜的的凹凸非稳腔，腔内激光模体积与泵浦光斑实现模式匹配，能提高泵浦均匀性，使得横截面内的有效激光增益光斑与泵浦光斑重叠因子更趋近于1，增加腔内有效振荡，减少寄生振荡对激光光斑的影响，从而实现高光束质量高斯分布的激光光斑输出。

技术特征：

1.一种大能量端泵脉冲激光器，其特征在于，包括泵浦源、作用于泵浦源的散热模块、以及沿着泵浦源的发射光路依次设置的聚焦镜组、全反镜、nd:yag晶体、偏振片、四分之一波片、电光调q晶体、楔镜组和输出镜；

2.根据权利要求1所述的一种大能量端泵脉冲激光器，其特征在于，所述ld阵列模块采用主波长分别为796nm、808nm和814nm的三种巴条沿快轴方向排列而成。

3.根据权利要求2所述的一种大能量端泵脉冲激光器，其特征在于，所述796nm、808nm和814nm的三种巴条分别有4~10个，这些巴条组成的的ld阵列模块的功率至少为4kw。

4.根据权利要求1所述的一种大能量端泵脉冲激光器，其特征在于，所述nd:yag晶体为圆柱形晶体棒，其安装在上晶体热沉和下晶体热沉之间，且上晶体热沉和下晶体热沉之间形成容纳圆柱形晶体棒的圆柱形通道。

5.根据权利要求4所述的一种大能量端泵脉冲激光器，其特征在于，所述nd:yag晶体中nd3+的掺杂浓度为0.1%~0.2%。

6.根据权利要求4所述的一种大能量端泵脉冲激光器，其特征在于，所述圆柱形通道的内壁加工为粗糙面。

7.根据权利要求1所述的一种大能量端泵脉冲激光器，其特征在于，所述输出镜采用放大率为1.3~1.5的vrm超高斯镜作为凹凸非稳腔。

8.根据权利要求1所述的一种大能量端泵脉冲激光器，其特征在于，所述全反镜为平凹镜。

9.根据权利要求1所述的一种大能量端泵脉冲激光器，其特征在于，所述散热模块包括ld散热器、tec制冷器，其中tec制冷器位于泵浦源和ld散热器之间。

技术总结
本发明公开一种大能量端泵脉冲激光器，包括泵浦源、作用于泵浦源的散热模块、以及沿着泵浦源的发射光路依次设置的聚焦镜组、全反镜、Nd:YAG晶体、偏振片、四分之一波片、电光调Q晶体、楔镜组和输出镜；其中，所述泵浦源采用至少两种不同主波长的巴条构成LD阵列模块，所述至少两种不同主波长的巴条选择790nm~820nm的吸收光谱的特征峰作为主波长。本发明选择多波长的巴条组成泵浦源的宽光谱LD阵列模块，使得脉冲激光器在不同温度下，在保证具有足够储能的前提下，减少Nd:YAG晶体前端面对聚焦泵浦光的吸收，从而降低晶体热效应。

技术研发人员：吴权,姜明,李洪威,宋志胜
受保护的技术使用者：北京中星时代科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12