[发明专利]利用单模或低阶模光纤激光器基于超低量子缺陷泵浦方案的大功率稀土掺杂晶体放大器

说明书

大平均功率和峰值功率的单横模激光器系统可操作以输出kW至MW峰值功率水平的、脉冲持续时间范围在飞秒、皮秒或纳秒内的超短单模(SM)脉冲。所公开的系统部署主振荡器功率放大器配置(MOPA)，其包括：SM光纤种子，输出1030nm波长或在1030nm波长附近的脉冲信号光束；以及Yb晶体增强器。增强器由泵浦波长在1000nm‑1020nm波长范围内的SM或低阶模CW光纤激光器输出的泵浦光束来进行端面泵浦，使得信号波长和泵浦波长被选择为具有小于3％的超低量子缺陷。

技术领域

本公开涉及工作在1030nm波长下或1030nm波长周围并由在 1000-1020nm波长范围内工作的单横模(SM)或低阶模(LM)光纤激光器进行端面泵浦的大功率、高亮度、稀土掺杂的体镱(Yb)放大器。

背景技术

高效的超短脉冲激光器用于无限制的工业应用。在众多类型的固态激光器中，或许光纤激光器由于高效率、低维护和高平均功率等而越来越受欢迎。不幸的是，当缩放到大峰值功率水平时，光纤激光器，特别是SM光纤激光器，成为不期望的非线性效应的受害者，非线性效应限制可达到的峰值功率并不利地影响光束质量(在绝大多数应用中，要求光束质量接近衍射极限)。虽然光纤激光器行业不知疲倦地致力于提高该极限，但体激光器解决方案被认为是SM光纤激光器的可行替代物。

固态激光器的二极管泵浦可以提供许多期望的性能，如紧凑的封装和高效的激光器性能，因此它成为固态激光器发展的主要方向。波长在940和980nm之间的大功率二极管激光器的最新进展激发了开发二极管泵浦Yb3+掺杂激光器和放大器的新兴趣。由于其基于两个电子歧管(manifold)(地面2F7/2状态和激发的2F5/2状态)的简单电子结构，Yb3+具有非常适于在近红外二极管泵浦方案的有利光谱特性。首先，镱通常具有较长的储存寿命，大约是其Nd掺杂的对应物的储存寿命的四倍。其次，Yb3+离子掺杂材料表现出宽的吸收带，消除了精确控制泵浦二极管温度的需要。第三，简单的双歧管电子结构导致低量子缺陷、没有激发态吸收以及最小的非辐射损耗，所有这些因素导致热负荷减小以及热相关问题的减少。Yb3+中不存在附加4f能级也消除了上转换的影响，使浓度猝灭最小化，因此甚至可以使用高掺杂的Yb晶体，而没有浓度猝灭。最受关注的是Yb掺杂的钇铝石榴石 (Yb：YAG)晶体——一种精心制作的激光器材料，这是因为YAG 具有良好的热学、物理、化学性质和激光特性。可以使用传统的 Czochralski(CZ)方法来生长高质量的高掺杂的Yb：YAG晶体。

然而，包括Yb掺杂介质的晶体激光器和放大器也具有众所周知的限制。具体地，二极管泵浦的大功率固态激光器系统的功率缩放的两个基本限制是：

1、大功率二极管激光器(DL)和组件的低亮度；以及

2、显著的量子缺陷。

通过DL泵浦例示了晶体放大器的功率缩放的基本限制之一。众所周知，大功率(多瓦特)LD不会产生明亮的光。然而，高亮度泵浦源是提高任何激光器系统的效率和功率的关键技术之一，但对于泵浦Yb掺杂介质(例如，Yb：YAG)尤其重要。

因此，需要用于泵浦具有低量子缺陷的激光器晶体放大器的高亮度光源。

放大器的整体光光转换效率的量是泵效率ηP和提取效率ηex的乘积，其中ηP定义为Eacc/EP，其中EP是泵浦能量，且Eacc是存储能量的可供提取的部分。由于Yb介质的准3能级特性，并非所有存储的能量都是可获取的。泵效率由泵相关损耗的总和或与这些损耗相关联的效率ηi的乘积来确定。存在若干损耗机制，其中包括量子缺陷，其如上所述地对于晶体放大器的增大的峰值功率是至关重要的。