[发明专利]激光晶体径向非均匀掺杂控制泵浦光吸收分布的方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光二极管泵浦固体激光器，特别是激光二极管泵浦固体激光器的激光晶体径向非均匀掺杂控制泵浦光吸收分布的方法。

背景技术

二极管泵浦固体激光器具有体积小、重量轻、全固态等优点，得到了广泛的关注。近年来，二极管泵浦固体激光器的输出功率随着泵浦源功率的增大而大幅度提升。大功率泵浦源的使用，所引发的最直接的问题就是晶体热效应问题。通过设计聚焦系统，适当增加泵浦光的聚焦光斑，可以降低泵浦光功率密度，从而减弱晶体热效应，但这是靠牺牲基模的能量利用率来实现的，同时，大的泵浦光焦斑，意味着大的增益区域，多个高阶模式可能同时获得振荡放大，从而光束质量急剧恶化，如果采取内腔限模的方法抑制高阶模式振荡，那么激光器转换效率就会下降。可见，大功率泵浦时，热效应严重、光束质量恶化、转换效率下降等诸多问题可能会同时出现，对激光器的性能产生极为不利的影响。

为了获得高转换效率，就要提高激光器的光谱耦合效率、空间耦合效率，以及泵浦光的传输效率、吸收效率等。通过控制激光二极管阵列的工作温度，可以实现泵浦光与径向均匀掺杂晶体吸收谱的光谱匹配，获得最大的光谱耦合效率。对于空间耦合效率问题，广泛采用的方法是通过耦合系统与光学谐振腔的优化设计，使得径向均匀掺杂晶体中的泵浦光与振荡光在空间上高度重合，许多学者在研究论文中提到了交叠积分理论，为此种方法提供理论支持。通过对耦合系统及谐振腔全反射镜表面镀増透膜，可以减少泵浦光经过光学系统界面的反射损失，获得较高的泵浦光传输效率。对于稀土掺杂激光介质，选择合适的尺寸与掺杂浓度，可以获得理想的吸收效率。

为了获得高光束质量，除了利用非稳腔和空间限模措施以外，最佳方案就是将泵浦光最大限度的汇聚到激光谐振腔的基模振荡区域，实现泵浦光与基模振荡光束的空间重叠。此时，泵浦光激发的粒子数跃迁绝大部分处于基模振荡光的空间范围，虽然此范围与某些高阶横模的振荡区域存在部分重叠，但是由于基模的低阈值特性，使得它在与其它高阶横模的竞争中存在优势，上能级粒子受激跃迁的能量绝大部分转换为基模光场能量，从而可以获得M²接近1的基横模光束输出。对于小功率泵浦源，此种方案行之有效。对于大功率泵浦源，光场密度迅速增加，在泵浦光汇聚后，强烈的热效应将成为主要矛盾，影响激光器的正常工作，甚至导致膜层脱落、端面炸裂的灾难性后果。

发明内容

本发明目的是提供一种激光晶体径向非均匀掺杂控制泵浦光吸收分布的方法，以便在泵浦光场分布和谐振腔结构确定的情况下，实现对增益分布的控制，将激光介质的热效应控制在一个合理范围，并获得理想的空间耦合效率和光束质量。

本发明的目的是这样实现的，激光晶体径向非均匀掺杂控制泵浦光吸收分布的方法，其特征是：光纤耦合激光二极管光纤输出端输出的泵浦光经过耦合系统的汇聚作用后，其光场分布用高斯分布或平顶高斯分布；径向非均匀掺杂晶体的泵浦端面镀泵浦光增透和振荡高反双层膜，输出镜为平面镜，输出镜与晶体泵浦端面上的振荡光高反膜组成平平谐振腔；工作过程中，在晶体中形成的热透镜可以简单等效为径向非均匀掺杂晶体泵浦端面处的薄透镜，通过热透镜的汇聚作用，谐振腔变为稳定腔；在泵浦光分布区域和振荡光分布区域确定的条件下，通过激光晶体的径向非均匀掺杂优化设计，实现泵浦光分布区域与振荡光分布区域的空间重合。

所述的径向非均匀掺杂晶体是径向阶梯掺杂晶体，晶体轴线中心区域均匀掺杂，晶体轴线中心区域与振荡光直径相当，外侧环形区域无掺杂；在泵浦光分布确定的情况下，通过改变阶梯掺杂晶体的掺杂浓度和掺杂范围，实现对于增益区域及温度分布的控制；掺杂浓度选取0.1%至1%，原则上泵浦功率越高，应当选择较低掺杂浓度晶体，从而可减弱泵浦端面处的热源强度，掺杂范围与谐振腔基模光束横向分布范围相当。

所述的径向非均匀掺杂晶体亦可是优化设计的径向连续掺杂晶体，在泵浦光分布确定情况下，通过径向连续掺杂浓度分布优化设计，可实现对晶体增益分布及热源分布的控制。

所述的掺杂晶体为稀土掺杂固体激光介质Nd:YAG或Nd:YVO₄。

所述的径向非均匀掺杂优化设计的依据为晶体稳态温度分布的计算结果，评判标准是在保证增益集中在谐振腔基模范围的条件下，使得晶体径向温差尽可能小，减弱热透镜效应。

本发明的优点是：本发明特别适用于小型化大功率激光二极管泵浦固体激光器，容易获得高转换效率和高光束质量，并且无需将泵浦光汇聚成很小的光斑，从而免除了高功率密度泵浦光引起的晶体端面膜层脱落甚至端面炸裂的危险。

附图说明