端面泵浦单程行波激光放大器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及固体激光技术领域，具体来说，涉及一种端面栗浦单程行波激光放大器。
【背景技术】
[0002]激光二极管(LD)栗浦的固体激光器具有体积小、寿命长、能量转化效率高、栗浦方式灵活等优点，是当前固体激光技术发展的主流方向；随着大功率激光二极管技术的日臻成熟，激光二极管栗浦固体激光器的输出功率也越来越高。激光二极管的栗浦方式主要分为端面栗浦和侧面栗浦，相较于侧面栗浦，端面栗浦的突出优点是可以使栗浦光和激光获得更大的模场分布重叠，从而实现高的光-光转化效率和高的激光光束质量；缺点是从激光晶体一个端面注入的栗浦光所激活的增益模体积相对较小，而栗浦功率密度又不能太高，否则容易损坏增益介质，所以端面栗浦固体激光器的输出功率相对较低。
[0003]在某些激光应用中，如精密激光加工，往往要求激光既具有高的光束质量--为
TEM。。模输出(M2因子小)，又要有很高的输出功率为几十瓦甚至上百瓦；这种指标仅靠单台端栗固体激光器较难实现，因为要保持激光束的优良特性如光束发散角、单色性等，工作物质的口径和长度都不宜太大；另外，激光器谐振腔内往返通过增益介质的功率一般比输出功率更高，过高的激光功率密度易损坏工作物质。所以，一般使用由激光振荡级+功率放大级组成的“主振荡功率放大(ΜΟΡΑ)系统”实现高功率、高光束质量激光输出。在ΜΟΡΑ系统中，激光振荡级的输出功率可以很低，但需提供其它关键技术指标，如波长、脉宽，谱宽(线宽)、重复频率，光束质量等等；功率放大级的主要作用是在尽量保持这些关键指标的同时对激光功率进行放大至所需水平。
[0004]由于原子能级跃迀过程中的量子亏损效应和能量传输上转换等效应，栗浦光为激光放大提供能量的同时还会产生“废热”，ΜΟΡΑ系统最终输出的激光功率越高，放大级所需要的栗浦功率越高，这种废热也越多。端面栗浦一般采用激光晶体侧面冷却的方式，这使得激光晶体的中心温度高于边缘温度，所以晶体径向上会产生热梯度效应。另外，对于均匀掺杂的激光晶体，栗浦光进入晶体后呈指数衰减，晶体的中心温度是非均匀分布的一一沿着栗浦光的传播方向在轴向上递减，所以栗浦光入射的前端面中心温度最高，径向热梯度也最大。随着注入栗浦功率的增大，这种热梯度会越来越大，过大的热梯度主要会带来两个严重问题:
[0005]1.劣化光束质量，由于热光效应，激光晶体的折射率随温度改变，这导致所放大的激光束经过激光晶体后其中心和边缘所经历的光程不同，即产生了热透镜作用。除此之外，晶体前端面在过高的温度下产生的端面形变对热透镜效应也有贡献，研究表明，对于某些激光晶体这一贡献甚至可以占到一半(见X.Peng，A.，et al./‘Study of the mechanicalproperties of Nd:YV04 crystal by use of laser interferometry and finite elementanalysis, ” Appl.0pt., vol.40，1396，(2001))。热透镜效应使入射激光经过放大级后会被强烈地聚焦，而且栗浦功率密度越高，聚焦作用越明显，这会给放大级之间的光路设计带来困难，也会降低输出激光束的空间稳定性。不仅如此，激光晶体内的这种热透镜不是理想透镜，只有在栗浦区域中心两侧的一小段区域内，晶体折射率分布符合理想热透镜的抛物线型分布，中心区域之外的折射率分布会偏离抛物线型分布，它所带来的结果就是栗浦区域边缘会产生球差等高阶像差作用。而且，栗浦功率密度越高，晶体中心的温度就越高，产生球差的区域也越大，这会导致被放大的激光束产生畸变，光束质量被严重劣化。
[0006]2.损坏激光晶体，尤其是对制:￥￥04这类热导率较低的激光晶体。激光晶体内的热梯度会产生热应力，晶体中心温度高，产生压应力；晶体侧面温度低，产生切向和轴向的拉应力。而一般的晶体抗压能力远高于抗拉能力，所以过高栗浦光所导致的晶体损伤多数发生在靠近栗浦入射表面的侧边缘。晶体的热致损伤极限最终决定了激光晶体的可注入栗浦功率，也决定了激光功率放大器的放大能力。
[0007]为了解决上述两个问题，本领域一般使用两种解决方案:一种是使用更长的波长栗浦，降低量子缺陷效应，从根本上减小发热在激光能量转换中的比例，以Nd:YV04晶体为例，可以使用880nm、888nm和914nm等激光二极管作为栗浦源；另一种是降低栗浦光在激光晶体入射端面上的热负载，从而减小晶体中心所承受的最高温度和最大热梯度。常用的一种方法是使用双端栗浦结构；2006年，Louis McDonagh提出使用888nm同轴反馈栗浦技术，使初次通过晶体剩余的栗浦光沿原路径返回被激光晶体再次吸收，其本质也是双端栗浦结构(见Louis McDonagh and Richard Wallenstein,High-efficiency 60ff ΤΕΜ00 Nd:YV04oscillator pumped at 888nm，vol.31，3297，(2006))。这种方法虽然把栗浦带来的热负载分担到两个端面承受，但晶体轴向上的温度分布仍是很不均匀的一一从两个端面向中心递减。还有一种方法是把栗浦热负载分担到多个激光晶体，从而组成多级功率放大器。这种结构虽然最终可以获得数百瓦的输出功率，但它体积庞大、结构复杂，而且因为激光晶体的热透镜焦距随栗浦功率改变，各放大级之间往往需要专门的光路设计以实现每一级栗浦光和激光的模式匹配，这会增大设计和调试困难。此外，近年新兴的一种方法是使用一段未掺杂晶体和一段均匀掺杂晶体键合而成的复合晶体，未掺杂区可以分担栗浦光在掺杂区入射端面的热负载，从而减小晶体中心的最高温度和端面形变。这种方法的不足之处仍是晶体轴向上的温度分布不均匀，只有未掺杂区和掺杂区的交界面处热梯度最大。
[0008]针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供了一种端面栗浦单程行波激光放大器，一方面可以承受更高的端面栗浦功率而不致损坏激光晶体；另一方面，本装置在同样的栗浦功率下热透镜效应和热致像差效应更小，有利于避免之前的功率放大器对入射激光光束质量的劣化；另外，本装置结构简单，体积比双端栗浦结构和多级放大结构更小，可以有效克服目前现有技术存在的上述不足。
[0010]本发明的目的是通过以下技术方案来实现:
[0011]—种端面栗浦单程行波激光放大器，包括半导体激光器，所述半导体激光器用于提供栗浦激光，所述半导体激光器的右侧设有栗浦光耦合聚焦系统，所述栗浦光耦合聚焦系统的上端和右端分别设有入射激光耦合聚焦系统和分段阶梯掺杂键合的激光晶体，所述激光晶体的四周设有相匹配的晶体热沉。
[0012]进一步的，所述栗浦光耦合聚焦系统包括依次设置于所述半导体激光器右侧的平凸透镜一、平凸透镜二、平凸透镜三以及平面镜，所述平凸透镜一和平凸透镜二的凸面与栗浦激光的传播方向相同，所述平凸透镜三的凸面与所述平凸透镜二的凸面相对。
[0013]进一步的，所述平面镜为与水平面呈45°夹角的双色镜。
[0014]进一步的，所述平面镜的前后表面镀有880nm的增透膜，并且所述平面镜的后表面镀有1064nm的高反膜。
[0015]进一步的，所述入射激光耦合聚焦系统包括设置于平面镜上端且与水平面平行的平凸透镜四和平凸透镜五，所述平凸透镜五的上端设有入射光源，其中，所述平凸透镜五的凸面与入射光的传播方向相同，所述平凸透镜四的凸面与所述平凸透镜五的凸面相对。
[0016]进一步的，所述激光晶体上包裹有一层与激光晶体相匹配的铟箔。
[0017]进一步的，所述激光晶体是由若干段激光晶体一构成的分段阶梯掺杂键合激光晶体，沿着栗浦光传输方向，所述激光晶体一的掺杂浓度逐渐增大且首段激光晶体一不掺杂。
[0018]进一步的，构成激光晶体的若干段激光晶体一长度之间相等或不相等。
[0019]进一步的，所述激光晶体包括各向同性介质和各向异性介质，所述各向同性介质包括但不限于:掺钕钇铝石榴石Nd:YAG ;所述各向异性介质包括但不限于:掺钕钒酸钇晶体Nd:YV04、掺钕钒酸钆单晶Nd:GdV04。
[0020]进一步的，所述半导体激光器连续输出功率为100W以上，波长880nm，其尾纤纤芯直径400 μ m，数值孔径为0.22。
[0021]本发明的有益效果为:本装置结构简单，容易操作，采用端面栗浦方式，激光晶体由多段均匀掺杂的激光晶体一键合而成；通过合理的设计每段晶体的掺杂浓度和长度，栗浦光热负载平均分担到各段激光晶体一中；在相同的栗浦功率下，本发明中的激光晶体比普通均匀掺杂激光晶体的内部热分布更均匀，最高温升更低，热致应力和热透镜效应更小，从而可以承受更高的栗浦功率，同时对被放大激光的光束质量劣化更小；另一方面，栗浦光和入射激光的耦合