[发明专利]一种激光增益棒及具有其的激光振荡器和激光放大器

说明书

技术领域

本发明涉及激光器领域，具体涉及一种用于泵浦匀化的激光增益棒及具有其的激光振荡器和激光放大器。

背景技术

全固态激光器具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长、易操作、运转灵便、易智能化、无污染等优点，在工业加工、信息传输、远程传感等领域发挥了重要的作用，市场需求十分巨大。

按工作物质形状来分类，全固态激光器常被分为以下几种：棒状激光器、板条激光器,盘片激光器和光纤激光器等。它们各有优点，近年来都吸引了众多的科研工作者的目光，并都获得了迅速的发展。然而，在高泵浦功率下，这几种工作物质表现出一些局限性，其中，棒状激光器由于热效应严重，会引起光束质量恶化和退偏效应；板条激光器和盘片激光器虽然具有良好的散热效果，但是，往往采用高的掺杂浓度以提高泵浦吸收效率，这会引起浓度淬灭和上能级跃迁，损害泵浦光到激光的转换效率；光纤激光器由于具有非常大的散热面积、低的掺杂浓度以及细小的纤芯尺寸，在连续工作时，可以输出高功率、高光束质量的激光，但是，在脉冲工作时，高的纤芯功率密度往往会引起光纤非线性效应，造成光纤的损伤。

光子晶体光纤具有大的模场尺寸，可以有效地抑制光纤非线性效应，同时，纤芯的弱导作用只允许基横模的传播，因而特别适合用于高功率、高光束质量的激光振荡器和激光放大器。2009年，美国的Mobius公司基于丹麦的NKT产生的纤芯40微米的光子晶体光纤，推出了10W级的脉冲紫外激光器。然而，由于复杂的光纤结构和低的成品率，光子晶体光纤的价格居高不下，甚至占到了全部激光器成本的50%以上，目前，只可能用于科学研究，离大规模的市场应用相去甚远。

激光棒具有大的横截面尺寸，可以有效地抑制各种非线性效应，同时，激光棒还具有大的表面积体积比，有利于散热，可以避免各种由于热效应引起的危害，因而，特别适用于高功率的激光振荡器和激光放大器。然而，为了加工制造的方便，往往将激光棒的横截面设计为圆形、八边形等具有旋转对称性的形状，导致泵浦光在这种激光棒内传播一段距离后，常常在空间上呈现出中心弱边缘强的空心螺旋状分布，这也称为激光棒的趋肤效应。

按照传播路径划分，激光棒内传播的泵浦光可以分为子午光线和斜射光线。所谓子午光线就是那些在激光棒内两次全反射中通过激光棒中心轴的光线，而斜射光线就是一些与激光棒中心轴既不平行，也不相交的光线。这两种光线在激光棒传输过程中具有不同的性质。

对于具有旋转对称性的激光棒，通过中心轴的任何平面均为子午面，而位于子午面内的光线就是子午光线。根据光的反射定律，子午线将始终位于一个子午面内，因而对子午光线的研究可在子午平面内进行。如图1所示，假定在某子午面内，光线以入射角θ入射到激光棒端面再射入到激光棒中。在激光棒内，此入射光线与轴线的夹角为α₀，则在入射端面处有：

n₀sinθ=n₁sinα₀    (1.1)

上式为描述光在两介质截面上折射行为的斯涅尔定律，其中空气中的折射率为n₀，激光棒的折射率为n₁，并且是处处均匀的。如果要光线被约束在激光棒内传播而不至于从激光棒的侧面折射出去，则必须满足在激光棒侧面的全反射条件，即

sinα=cosα0≥n2n1---(1.2)]]>

将上式代入式(1.1)，就得到入射子午光线的传播条件：