一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法及激光放大器增益介质

本发明涉及激光放大，具体涉及一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法及激光放大器增益介质。

背景技术：

1、大能量、具有高光束质量的高重频激光器在工业生产领域中，如冲击强化和激光切割加工等；军事领域，如激光武器和激光制导等均具有重要应用。然而，以传统均匀浓度的棒状晶体或块状晶体等为主的mopa放大结构受制于增益介质的热效应及断裂应力极限等诸多因素，其工作重复频率以及功率难以大程度提升，输出光束质量也受到影响。

2、在端泵情况下，传统的均匀掺杂晶体由于泵浦能量沿传播方向分布不均匀，产生的温度梯度较大，进而产生严重的热效应，明显降低系统的效率、光束质量和激光系统的稳定性。减小晶体浓度会降低泵浦光的吸收，进而影响激光的高功率输出；外部冷却的增加以及腔型的改变会增加系统的复杂性。

技术实现思路

1、为此，本发明提出一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法及激光放大器增益介质，用以解决激光放大器增益介质由于泵浦光吸收分布不均匀导致热量分布不均匀即严重的热效应问题。

2、根据本发明的一方面，提供一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法，该方法包括以下步骤：

3、设置激光放大器晶体各段的退偏值相等，则根据退偏值和种子光经过晶体的相位差之间的关系确定种子光经过晶体各段的相位差相等；

4、根据热传导方程计算获取激光放大器在对种子光放大时，种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差；

5、根据种子光经过晶体各段的相位差相等，设置使得种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差相等；

6、设置晶体第一段的吸收系数和晶体各段长度，利用仿真软件迭代求解获得晶体各段的吸收系数；

7、根据吸收系数和浓度梯度的关系计算获取晶体各段的浓度梯度。

8、进一步地，退偏值和种子光经过晶体的相位差之间的关系表示为：

9、

10、式中，dpol表示退偏值；ra表示种子光半径；θ表示种子光各个角度，种子光一般为圆形，角度从0到2π；ψ(r)表示种子光经过晶体的相位差。

11、进一步地，所述种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差表示为：

12、

13、

14、式中，ψ1(r)表示种子光经过晶体第一段的相位差；r表示种子光半径；λs表示种子光波长；l1表示晶体第一段长度；n0表示晶体折射率；p11、p12、p44是弹性光学系数；p表示泵浦功率；ηh表示热负荷；αt表示线性膨胀系数；ν表示泊松比；α1表示晶体第一段的吸收系数；kc表示热导率；z表示晶体各个位置；ωp表示泵浦光半径；rc表示晶体半径；r＞ωp；ψi(r)表示种子光经过晶体第i段的相位差；li表示晶体第i段长度与晶体前面各段的总长度；αi表示晶体第i段的吸收系数；lk表示晶体第k段长度。

15、进一步地，设置使得种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差相等表示为：

16、

17、进一步地，所述晶体各段长度设置为相等或不相等。

18、进一步地，所述仿真软件为matlab仿真软件。

19、根据本发明的另一方面，还提出一种激光放大器增益介质，所述增益介质为激光晶体，所述激光晶体的浓度梯度按照如上所述的浓度梯度设计方法确定。

20、本发明的有益技术效果是：

21、本发明根据种子光通过放大激光介质产生的退偏来设计激光放大器晶体的浓度分布，达到从根源上减小热退偏效应的目的，同时也减小了由于超过热应力极限导致晶体破裂的可能，对种子光实现均匀的、稳定的放大，更适用于高重频、高功率激光放大。

技术特征：

1.一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法，其特征在于，退偏值和种子光经过晶体的相位差之间的关系表示为：

3.根据权利要求1所述的一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法，其特征在于，所述种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差表示为：

4.根据权利要求3所述的一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法，其特征在于，设置使得种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差相等表示为：

5.根据权利要求1所述的一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法，其特征在于，所述晶体各段长度设置为相等或不相等。

6.根据权利要求1所述的一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法，其特征在于，所述仿真软件为matlab仿真软件。

7.一种激光放大器增益介质，所述增益介质为激光晶体，其特征在于，所述激光晶体的浓度梯度按照如权利要求1-6中任一项所述的浓度梯度设计方法确定。

技术总结
本发明公开了一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法及激光放大器增益介质，涉及激光放大技术领域，以解决激光放大器增益介质由于泵浦光吸收分布不均匀导致热量分布不均匀的热效应问题。本发明的技术要点包括：根据热传导方程计算获取激光放大器在对种子光放大时，种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差；根据种子光经过晶体各段的相位差相等，设置使得种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差相等；利用仿真软件迭代求解获得晶体各段的吸收系数；根据吸收系数和浓度梯度的关系计算获取晶体各段的浓度梯度。本发明根据种子光通过放大激光介质产生的退偏来设计激光放大器晶体的浓度分布，达到从根源上减小热退偏效应的目的。

技术研发人员：王雨雷,满朝阳,崔璨,李银栋,刘福寒
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14