專利名稱：一種像散自補(bǔ)償固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種像散自補(bǔ)償固體激光器。
背景技術(shù)：
在高功率固體激光器中，嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)限制了激光器輸出功率的提高與光束質(zhì)量的改善。減輕和補(bǔ)償增益介質(zhì)的熱效應(yīng)是研制高功率激光器的關(guān)鍵。減輕增益介質(zhì)的熱效應(yīng)可以采用鍵合晶體、低摻雜濃度的激光晶體和調(diào)諧泵浦源的波長(偏離增益介質(zhì)的吸收波長)等方法來實現(xiàn)。在高功率激光器設(shè)計中，不僅要減輕增益介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，而且要補(bǔ)償增益介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)。理想的熱透鏡可以當(dāng)成一個薄透鏡來對待，補(bǔ)償方法相對簡單，可以通過在諧振腔內(nèi)插入一個負(fù)透鏡來補(bǔ)償。但是，實際的熱透鏡不是一個理想的薄透鏡，還包括球面像差和像散。熱透鏡球差的存在嚴(yán)重影響固體激光器的輸出光束質(zhì)量，熱透鏡的球面像差可以通過在諧振腔內(nèi)插入一個非球面元件、將增益介質(zhì)的表面制造成非球面表面、或者用平頂光束作為泵浦源等方法來實現(xiàn)。熱透鏡像散的存在，會造成激光增益介質(zhì)處的熱透鏡焦距在相互垂直的兩個方向上產(chǎn)生不同的基模尺寸，這樣就不利于激光增益介質(zhì)中基模與泵浦光之間的模式匹配，并且會造成這兩個方向上激光器工作穩(wěn)區(qū)產(chǎn)生分離，縮小激光器工作的穩(wěn)區(qū)范圍，不利于激光器實現(xiàn)穩(wěn)定的基橫模運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，為了實現(xiàn)高功率、高穩(wěn)定性的基橫模輸出，需要采取一定的技術(shù)手段對熱透鏡像散進(jìn)行補(bǔ)償。通常情況下，研究工作者采用以下措施對熱像散進(jìn)行補(bǔ)償1、在腔內(nèi)插入一個柱面鏡(P. J. Hardman，W. A. Clarkson，G. J. Friel et. al.. IEEE J. Quantum. Electron35,647-655 (1999)) 2、在諧振腔內(nèi)插入一個傾斜入射的透鏡 (M. Ostermeyer, R. Menzel, Opt. Commun 160，251-254 (1999))。3、采用光軸方向正交的兩塊增益介質(zhì)(H.Vanherzeele，Appl.Opt 28,4042-4044 (1989)) 4、采用對增益介質(zhì)非均勻控溫的方法(M. S. Keirstead, W. L. Nighan, T. M. Baer, US Patent No :5561547)。但是，第1、2、3種方法需要在諧振腔內(nèi)插入額外的光學(xué)元件，額外元件的插入增大了激光器的內(nèi)腔損耗，不利于提高激光器的效率。第3種補(bǔ)償方法不適合在線偏振激光器中使用，非線偏振激光輸出不利于倍頻光的產(chǎn)生。第4種方法需要精確控制晶體各個方向上的溫度，大大增加了控溫裝置的復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種輸出功率高、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、穩(wěn)定性好、簡便可靠的像散自補(bǔ)償固體激光器。本發(fā)明提供的一種像散自補(bǔ)償固體激光器，包括泵浦源、諧振腔和增益介質(zhì)，所述的增益介質(zhì)是存在熱透鏡像散的增益介質(zhì)；所述的諧振腔是一個像散腔；將增益介質(zhì)放置在諧振腔中，使增益介質(zhì)熱效應(yīng)較弱的方向在諧振腔的子午面內(nèi)，熱效應(yīng)較強(qiáng)的方向在諧振腔的弧矢面內(nèi)。
所述的熱透鏡像散是由于增益介質(zhì)的材料為各向異性材料，在有泵浦光注入的情況下，其熱透鏡焦距不是一個理想透鏡，在相互正交的兩個方向上增益介質(zhì)的熱透鏡焦距不相等。這就造成了激光增益介質(zhì)中在這兩個相互正交的方向上，產(chǎn)生了不同的基模尺寸， 不利于基模與泵浦光模式之間的模式匹配。激光器工作穩(wěn)區(qū)也會產(chǎn)生分離，兩個方向穩(wěn)定區(qū)的交叉部分才是系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)，因此熱透鏡像散使激光器系統(tǒng)的穩(wěn)定工作區(qū)縮小。 所述的像散腔中至少包括一個離軸放置的球面鏡用于產(chǎn)生像散，因而在諧振腔的子午面和弧矢面內(nèi)腔參數(shù)不同。結(jié)果是子午面和弧矢面內(nèi)產(chǎn)生不同的基模尺寸，影響泵浦光與基模的模式匹配；子午面和弧矢面內(nèi)有不同的穩(wěn)定區(qū)，兩個穩(wěn)定區(qū)的交叉部分才是系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)，因此像散腔使激光器系統(tǒng)的穩(wěn)定工作區(qū)縮小。在一般的環(huán)形腔、V字型腔中， 都包含離軸放置的球面鏡。由于激光增益介質(zhì)與諧振腔均存在像散，將增益介質(zhì)放置在諧振腔中，選擇合適的擺放方向，可以實現(xiàn)激光增益介質(zhì)的熱透鏡像散與諧振腔像散的自補(bǔ)償。具體為將增益介質(zhì)放置在諧振腔中，使增益介質(zhì)熱效應(yīng)較強(qiáng)的方向，即熱焦距較短的方向，處于諧振腔的弧矢面內(nèi)；而熱效應(yīng)較弱的方向，即熱焦距較長的方向，處于諧振腔的子午面內(nèi)；這樣通過合適的諧振腔參數(shù)設(shè)計，包括選取球面鏡的曲率半徑、光束在球面鏡上的入射角等參數(shù)，熱透鏡像散可由諧振腔產(chǎn)生的像散補(bǔ)償，實現(xiàn)了增益介質(zhì)處兩個相互正交的方向上具有相同的基模參數(shù)，同時拓寬了激光器的穩(wěn)定范圍。所述的增益介質(zhì)的材料是各向異性材料。各向異性材料中，各個方向上的熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、光彈系數(shù)等參數(shù)不同，使增益介質(zhì)在各個方向上的熱透鏡焦距不相等， 產(chǎn)生熱透鏡像散。所述的像散自補(bǔ)償激光器可以在腔內(nèi)插入倍頻晶體，如LBO、KTP、PPKTP, BBO等等，實現(xiàn)內(nèi)腔倍頻激光的輸出，拓展了激光器輸出的波長范圍。所述的像散自補(bǔ)償激光器可以在腔內(nèi)插入光學(xué)單向器，獲得單頻激光輸出。所述的像散自補(bǔ)償激光器可以在腔內(nèi)插入調(diào)Q元件，實現(xiàn)脈沖激光輸出。本發(fā)明所述的像散自補(bǔ)償激光器與同類的激光器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)利用熱透鏡像散和諧振腔像散實現(xiàn)自補(bǔ)償，減少了額外光學(xué)元件使用可能造成的內(nèi)腔損耗，更有利于實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率高的激光輸出；(2)不需要兩棒相互正交串接，適合在線偏振輸出激光器中使用，更有利于獲得線偏振激光輸出。(3)不需要兩棒相互正交串接，適合在線偏振輸出激光器中使用，更適合非線性相互作用過程中對光源的要求，有利于利用非線性過程拓展激光器的輸出波段。(4)利用熱透鏡像散和諧振腔像散實現(xiàn)自補(bǔ)償，實現(xiàn)激光增益介質(zhì)處兩個正交方向上基模具有相同的模參數(shù)，有利于泵浦模與基模間的模式匹配，更有利于改善激光器輸出光束的光束質(zhì)量。(5)像散自補(bǔ)償利于實現(xiàn)泵浦模與激光腔模之間的模式匹配，更有利于獲得高功率、高效率激光輸出。(6)像散補(bǔ)償縮小了相互正交的兩個方向上激光器穩(wěn)區(qū)范圍的差異，擴(kuò)大了激光器的穩(wěn)定范圍，即改善了激光器的穩(wěn)定性，更有利于提高激光器的輸出功率。綜上所述，本發(fā)明設(shè)計的像散自補(bǔ)償固體激光器，無需插入額外的像散補(bǔ)償元件，利用諧振腔的像散與熱透鏡像散相互補(bǔ)償，即可獲得一種輸出功率高、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、穩(wěn)定性好、簡便可靠的固體激光器。


圖1是增益介質(zhì)a_切割示意中晶體光軸為c軸-11 ；b軸-12 ；a軸-10。圖2是像散自補(bǔ)償固體激光器結(jié)構(gòu)示意中第一平面鏡-1 ；第二平面鏡-2 ；第一平凹鏡-3 ；第二平凹鏡-4 ；LD泵浦源-5 ；整形系統(tǒng)-6 ；激光增益介質(zhì)-7 ；光學(xué)單向器-8 ；輸出激光-9 ；增益介質(zhì)a軸_10 ； 增益介質(zhì)c軸-11 ；增益介質(zhì)b軸-12 ；諧振腔弧矢面-13 ；諧振腔子午面-14 ；LBO倍頻晶體-15。圖3是增益介質(zhì)7的熱透鏡焦距隨泵浦功率的變化曲線，分別測量了增益介質(zhì)7 平行于光軸方向與垂直于光軸方向上的熱焦距大小，測量光束的偏振方向與激光器工作時增益介質(zhì)輸出光的偏振方向相同。圖中方形點(diǎn)代表在平行于光軸方向上測量到的熱焦距大小，圓形點(diǎn)代表在垂直于光軸方向上測量到的熱焦距大小，兩條實線為理論擬合曲線。圖4是像散補(bǔ)償前后激光器穩(wěn)定工作范圍對比中虛線表示激光增益介質(zhì)7以c軸11平行于弧矢面方向放置，像散自補(bǔ)償前諧振腔子午面與弧矢面內(nèi)穩(wěn)區(qū)；實線表示激光增益介質(zhì)7以c軸11平行于子午面方向放置像散自補(bǔ)償后，諧振腔子午面與弧矢面內(nèi)穩(wěn)區(qū)圖。圖5是像散補(bǔ)償前后激光增益介質(zhì)處的基模模式對比示意圖。圖中(a)表示增益介質(zhì)c軸11平行于諧振腔弧矢面方向放置時，增益介質(zhì)7內(nèi)基模尺寸示意圖；(b)表示增益介質(zhì)c軸11平行于子午面方向放置時，增益介質(zhì)7內(nèi)基模尺寸示意圖。圖6是像散補(bǔ)償前后激光器輸出激光樣式示意中(a)是激光增益介質(zhì)7以c軸11平行于弧矢面方向放置，像散自補(bǔ)償前輸出激光的光斑樣式；(b)是激光增益介質(zhì)7以c軸11平行于子午面方向放置，像散自補(bǔ)償后輸出激光的光斑樣式。
具體實施例方式像散自補(bǔ)償固體激光器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。選取a_切割的NchYVO4晶體作為增益介質(zhì)7，四鏡環(huán)形腔為激光諧振腔，I類非臨界相位匹配的LBO晶體作為倍頻晶體15， 光學(xué)單向器8由TGG晶體(放置在永磁鐵中)和半波片組成。首先我們測量了 NchYVO4晶體7中π偏振光(受激發(fā)射光，偏振方向平行于c軸 11)的熱透鏡焦距，測量結(jié)果如圖3所示。從圖中可以觀察到明顯的熱透鏡像散，在于垂直 c軸11的平面上，熱透鏡效應(yīng)比平行于c軸11平面上的熱透鏡效應(yīng)嚴(yán)重。然后，利用測量結(jié)果結(jié)合理論公式擬合得到熱透鏡焦距隨泵浦功率的變化關(guān)系。接著，考慮激光晶體的熱透鏡效應(yīng)，利用諧振腔的ABCD理論分析了 NchYVO4晶體7處腔模的尺寸和激光腔的穩(wěn)定范圍，如圖4所示。分別分析了兩種放置方式時的腔模尺寸和穩(wěn)定范圍1、在常規(guī)放置方法中，為了減小諧振腔鏡對振蕩光不完全反射引起的損耗，將NchYVO4晶體7以c軸11平行于諧振腔弧矢面13方向放置。2、根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計，由于垂直于c軸11的平面內(nèi)熱效應(yīng)嚴(yán)重，熱透鏡焦距較短，將NchYVO4晶體7以c軸11平行于諧振腔子午面14方向放置，實現(xiàn)了熱透鏡像散與諧振腔像散的自補(bǔ)償。根據(jù)實際熱透鏡像散的程度優(yōu)化諧振腔參數(shù)，確定光線在球面鏡上的入射角。分析結(jié)果分別如圖4中的虛線和實線所示，從圖中可以看出，與現(xiàn)有技術(shù)對比，利用本發(fā)明提出的方法補(bǔ)償后，在增益介質(zhì)7相互正交的兩個方向上，激光器穩(wěn)定工作范圍的交集擴(kuò)大，即激光器的穩(wěn)定工作范圍擴(kuò)大。當(dāng)泵浦功率在一段范圍內(nèi)取值時，在增益介質(zhì)7相互正交的兩個方向上，腔模的尺寸基本相等，這樣不僅有利于基模與泵浦模之間的模式匹配，而且可以使激光器在此泵浦功率范圍內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)單模穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。像散補(bǔ)償原理可以用圖5定性說明。圖5(a)是常規(guī)的放置方法，激光增益介質(zhì)7 以c軸11平行于弧矢面13方向放置時，熱透鏡像散與諧振腔像散綜合作用的示意圖。從圖中可以看出兩種像散的疊加使整個系統(tǒng)的像散加劇，導(dǎo)致增益介質(zhì)7中的基模光斑橢圓率加大，不利于基模與泵浦模間的模式匹配。圖5(b)是用本發(fā)明提出的方法放置增益介質(zhì) 7后，熱透鏡像散與諧振腔像散綜合作用的示意圖。從圖中可以看出，兩種像散的疊加實現(xiàn)了相互補(bǔ)償，在激光增益介質(zhì)處獲得了圓形的基模光斑。這樣不僅有利于基模與泵浦模之間的模式匹配，而且可以使激光器在此泵浦功率范圍內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)單模穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。NdiYVO4晶體7的摻雜濃度為0.2%，尺寸為3X3X (5+15) mm3，5mm為無摻雜的 YVO4晶體，15mm為摻雜部分。選定一個四鏡環(huán)形腔為激光諧振腔，激光諧振腔由第一平面鏡 1，第二平面鏡2，第一平凹鏡3與第二平凹鏡4構(gòu)成。第一平凹鏡3與第二平凹鏡4的曲率半徑均為100mm。光線在第一平凹鏡3與第二平凹鏡4上的入射角均為10度，因而激光諧振腔是像散腔。第一平面鏡1為輸入耦合鏡，鍍膜為一面對808nm減反，另一面對808nm高透、對1064nm高反，第二平面鏡2鍍膜為對1064nm高反，第一平凹鏡3凹面鍍膜為1064nm 高反，輸出耦合鏡為第二平凹鏡4，凹面鍍膜為1064nm高反、532nm高透，平面鍍膜為532nm 減反。LD泵浦源5為光纖耦合的半導(dǎo)體激光器，光纖芯徑為400 μ m，最大輸出功率為50W。 整形系統(tǒng)6由焦距分別為30mm與80mm的兩面平凸透鏡組成，平凸透鏡鍍膜為808nm減反， 用來整形泵浦光以實現(xiàn)基模與泵浦模間的模式匹配。我們分別將NchYVO4晶體7以下列兩種方式放置進(jìn)行了實驗1、常規(guī)放置方法——NdiYVO4晶體7以c軸11平行于諧振腔弧矢面13方向放置，為了減輕諧振腔鏡不完全反射造成的損耗，使激光的偏振方向?qū)?yīng)腔鏡的 S-偏振方向。2、本發(fā)明——將NdiYVO4晶體7以c軸11平行于諧振腔子午面14方向放置， 為了使熱透鏡像散與諧振腔像散相互補(bǔ)償。圖6(a)、(b)即為諧振腔在具有相同參數(shù)的情況下，像散自補(bǔ)償前后激光器輸出激光的光斑樣式，圖6(a)是像散補(bǔ)償前激光器輸出功率為10. 5W時的光斑樣式，對應(yīng)的泵浦功率為48W。從圖中可以看出，輸出光束為多橫模。降低泵浦功率，當(dāng)輸出功率為10. 2W時，獲得單橫模輸出。激光器的光-光轉(zhuǎn)換效率約為21%。 圖6(b)是用本發(fā)明技術(shù)補(bǔ)償后激光器輸出功率為11. 8W時的光斑樣式，對應(yīng)的泵浦功率為 38W。從圖中我們可以看到，當(dāng)激光器實現(xiàn)像散自補(bǔ)償之后，較補(bǔ)償前相比，激光器輸出光束的光斑樣式有明顯改善，為基橫模輸出，激光器的輸出功率顯著提高。光-光轉(zhuǎn)換效率約為 31%，激光器輸出光束質(zhì)量M2小于1. 1，3小時功率穩(wěn)定性小于士0. 3%。從上述實驗結(jié)果可知，利用本發(fā)明提出的方法將熱透鏡像散和諧振腔像散自補(bǔ)償后，激光器的輸出功率、轉(zhuǎn)換效率均有明顯提高，光束質(zhì)量、穩(wěn)定性均有明顯改善。
本發(fā)明的其它實施方式可以在上述實施方式的基礎(chǔ)上在諧振腔內(nèi)插入調(diào)Q元件，獲得脈沖激光輸出。可以在上述實施方式的基礎(chǔ)上選用Nd:YLF晶體、Nd:KGW晶體等作為增益介質(zhì)7， 與諧振腔形成的像散相互補(bǔ)償?？梢栽谏鲜鰧嵤┓绞降幕A(chǔ)上選用其它結(jié)構(gòu)的諧振腔，比如V-字形腔、6鏡腔等， 與增益介質(zhì)7的熱透鏡像散相互補(bǔ)償。本發(fā)明專利的主要特征在于，通過選取合適的方向?qū)⒃鲆娼橘|(zhì)7放置在諧振腔中，實現(xiàn)了熱透鏡像散與諧振腔像散的自補(bǔ)償，改善了激光器的性能。以上列出的實施方式僅僅是典型，所有存在熱透鏡像散的增益介質(zhì)7與存在像散的諧振腔之間的像散自補(bǔ)償都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種像散自補(bǔ)償固體激光器，包括泵浦源(5)、諧振腔和增益介質(zhì)(7)，其特征在于所述的增益介質(zhì)(7)是存在熱透鏡像散的增益介質(zhì)；所述的諧振腔是一個像散腔；將增益介質(zhì)⑵放置在諧振腔中，使增益介質(zhì)(7)熱效應(yīng)較弱的方向在諧振腔的子午面(14)內(nèi)， 熱效應(yīng)較強(qiáng)的方向在諧振腔的弧矢面(1 內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的像散自補(bǔ)償固體激光器，其特征在于所述的增益介質(zhì)(7) 的材料是各向異性材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的像散自補(bǔ)償固體激光器，其特征在于包括倍頻晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1或3所述的像散自補(bǔ)償固體激光器，其特征在于包括光學(xué)單向器。
5.根據(jù)權(quán)利要求書1或3所述的像散自補(bǔ)償固體激光器，其特征在于包括調(diào)Q元件。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種像散自補(bǔ)償固體激光器，包括泵浦源、諧振腔和增益介質(zhì)，所述的增益介質(zhì)是存在熱透鏡像散的增益介質(zhì)；所述的諧振腔是一個像散腔；將增益介質(zhì)放置在諧振腔中，使增益介質(zhì)熱效應(yīng)較弱的方向在諧振腔的子午面內(nèi)，熱效應(yīng)較強(qiáng)的方向在諧振腔的弧矢面內(nèi)。該激光器，無需插入額外的像散補(bǔ)償元件，只利用諧振腔的像散與熱透鏡像散相互補(bǔ)償，即可獲得一種輸出功率高、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、穩(wěn)定性好、簡便可靠的固體激光器。
文檔編號H01S3/13GK102244357SQ20111014330
公開日2011年11月16日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者彭堃墀, 王雅君, 鄭耀輝 申請人:山西大學(xué)