[发明专利]一种像散自补偿固体激光器

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体是一种像散自补偿固体激光器。

背景技术

在高功率固体激光器中，严重的热透镜效应限制了激光器输出功率的提高与光束质量的改善。减轻和补偿增益介质的热效应是研制高功率激光器的关键。减轻增益介质的热效应可以采用键合晶体、低掺杂浓度的激光晶体和调谐泵浦源的波长(偏离增益介质的吸收波长)等方法来实现。

在高功率激光器设计中，不仅要减轻增益介质的热透镜效应，而且要补偿增益介质的热透镜效应。理想的热透镜可以当成一个薄透镜来对待，补偿方法相对简单，可以通过在谐振腔内插入一个负透镜来补偿。但是，实际的热透镜不是一个理想的薄透镜，还包括球面像差和像散。热透镜球差的存在严重影响固体激光器的输出光束质量，热透镜的球面像差可以通过在谐振腔内插入一个非球面元件、将增益介质的表面制造成非球面表面、或者用平顶光束作为泵浦源等方法来实现。

热透镜像散的存在，会造成激光增益介质处的热透镜焦距在相互垂直的两个方向上产生不同的基模尺寸，这样就不利于激光增益介质中基模与泵浦光之间的模式匹配，并且会造成这两个方向上激光器工作稳区产生分离，缩小激光器工作的稳区范围，不利于激光器实现稳定的基横模运转。因此，为了实现高功率、高稳定性的基横模输出，需要采取一定的技术手段对热透镜像散进行补偿。通常情况下，研究工作者采用以下措施对热像散进行补偿：1、在腔内插入一个柱面镜(P.J.Hardman，W.A.Clarkson，G.J.Friel et.al..IEEE J.Quantum.Electron35，647-655(1999))。2、在谐振腔内插入一个倾斜入射的透镜(M.Ostermeyer，R.Menzel，Opt.Commun 160，251-254(1999))。3、采用光轴方向正交的两块增益介质(H.Vanherzeele，Appl.Opt 28，4042-4044(1989))。4、采用对增益介质非均匀控温的方法(M.S.Keirstead，W.L.Nighan，T.M.Baer，US Patent No：5561547)。

但是，第1、2、3种方法需要在谐振腔内插入额外的光学元件，额外元件的插入增大了激光器的内腔损耗，不利于提高激光器的效率。第3种补偿方法不适合在线偏振激光器中使用，非线偏振激光输出不利于倍频光的产生。第4种方法需要精确控制晶体各个方向上的温度，大大增加了控温装置的复杂性。

发明内容

本发明的目的是提供一种输出功率高、转换效率高、光束质量好、稳定性好、简便可靠的像散自补偿固体激光器。

本发明提供的一种像散自补偿固体激光器，包括泵浦源、谐振腔和增益介质，所述的增益介质是存在热透镜像散的增益介质；所述的谐振腔是一个像散腔；将增益介质放置在谐振腔中，使增益介质热效应较弱的方向在谐振腔的子午面内，热效应较强的方向在谐振腔的弧矢面内。

所述的热透镜像散是由于增益介质的材料为各向异性材料，在有泵浦光注入的情况下，其热透镜焦距不是一个理想透镜，在相互正交的两个方向上增益介质的热透镜焦距不相等。这就造成了激光增益介质中在这两个相互正交的方向上，产生了不同的基模尺寸，不利于基模与泵浦光模式之间的模式匹配。激光器工作稳区也会产生分离，两个方向稳定区的交叉部分才是系统的稳定区，因此热透镜像散使激光器系统的稳定工作区缩小。

所述的像散腔中至少包括一个离轴放置的球面镜用于产生像散，因而在谐振腔的子午面和弧矢面内腔参数不同。结果是子午面和弧矢面内产生不同的基模尺寸，影响泵浦光与基模的模式匹配；子午面和弧矢面内有不同的稳定区，两个稳定区的交叉部分才是系统的稳定区，因此像散腔使激光器系统的稳定工作区缩小。在一般的环形腔、V字型腔中，都包含离轴放置的球面镜。

由于激光增益介质与谐振腔均存在像散，将增益介质放置在谐振腔中，选择合适的摆放方向，可以实现激光增益介质的热透镜像散与谐振腔像散的自补偿。具体为将增益介质放置在谐振腔中，使增益介质热效应较强的方向，即热焦距较短的方向，处于谐振腔的弧矢面内；而热效应较弱的方向，即热焦距较长的方向，处于谐振腔的子午面内；这样通过合适的谐振腔参数设计，包括选取球面镜的曲率半径、光束在球面镜上的入射角等参数，热透镜像散可由谐振腔产生的像散补偿，实现了增益介质处两个相互正交的方向上具有相同的基模参数，同时拓宽了激光器的稳定范围。

所述的增益介质的材料是各向异性材料。各向异性材料中，各个方向上的热膨胀系数、热传导系数、光弹系数等参数不同，使增益介质在各个方向上的热透镜焦距不相等，产生热透镜像散。