專利名稱：一種防止固體激光器工作物質(zhì)及腔內(nèi)光學(xué)元件破壞的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光技術(shù)中固體激光技術(shù)領(lǐng)域。
在現(xiàn)有的固體激光器中存在著工作物質(zhì)的破壞問(wèn)題。在很多情況下，腔內(nèi)振蕩的光功率密度遠(yuǎn)小于工作物質(zhì)激光損傷閾值就會(huì)造成破壞。這一問(wèn)題長(zhǎng)久以來(lái)困擾著固體激光器研究人員，使人們無(wú)法獲得更高的激光輸出，其根本原因在于未能發(fā)現(xiàn)工作物質(zhì)受到破壞的實(shí)際機(jī)理，當(dāng)諧振腔內(nèi)光功率密度較高時(shí)，還會(huì)帶來(lái)腔內(nèi)及腔外其它近場(chǎng)光學(xué)元件的意外破壞。這里的破壞是指在通過(guò)它的平均光功率密度遠(yuǎn)較其破壞閾值低時(shí)所發(fā)生的，這一問(wèn)題長(zhǎng)久以來(lái)被認(rèn)為是晶體本身缺陷造成。但隨著晶體材料生長(zhǎng)工藝的改進(jìn)，晶體的光學(xué)均勻性、消光比、及電光轉(zhuǎn)換效率方面都大大提高，激光破壞卻更容易產(chǎn)生。因而給晶體生長(zhǎng)的研究人員造成一種錯(cuò)覺(jué)，認(rèn)為光學(xué)均勻性差的晶體會(huì)有較高的抗操作能力，阻礙了晶體生長(zhǎng)的研究及高性能激光器的研究發(fā)展。
本發(fā)明的目的在于提供一種克服固體激光器工作物質(zhì)及腔內(nèi)光學(xué)元件破壞的方法，以便提高激光器的輸出功率及工作壽命。
為了克服工作物質(zhì)的破壞，獲得高功率的激光輸出，必須針對(duì)其破壞機(jī)理采取相應(yīng)的解決手段。本發(fā)明首先揭示了固體激光器工作物質(zhì)破壞的機(jī)理，并給出了抗破壞的幾種方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本發(fā)明提出的思想的正確性及采取方法的有效性。
首先分析固體激光器的破壞機(jī)理;在一般情況下，諧振腔內(nèi)光功率密度未達(dá)到工作物質(zhì)的破壞閾值時(shí)產(chǎn)生破壞，這時(shí)雖然平均功率密度未超過(guò)破壞閾值，但在破壞發(fā)生的地方形成了局部的光功率密度高峰值，這一高峰值的產(chǎn)生是因?yàn)椴捎玫挠邢蕹叽绲墓腆w工作物質(zhì)與腔鏡構(gòu)成的諧振腔為半閉腔，諧振腔內(nèi)的振蕩光及自發(fā)輻射的雜散光通過(guò)工作物質(zhì)邊緣、端角及封裝物質(zhì)表面反射，在工作物質(zhì)內(nèi)獲得增益，并由于腔鏡的耦合作用，這一反射光一次或多次經(jīng)工作物質(zhì)放大，與諧振腔內(nèi)正常振蕩光疊加，當(dāng)疊加的光功率密度在局部超過(guò)破壞閾值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生破壞，這一過(guò)程稱為“邊緣效應(yīng)”。隨著泵浦功率(即增益)的提高，這一效應(yīng)越發(fā)明顯，下面選擇一個(gè)棒狀激光器的諧振腔做一簡(jiǎn)要分析。現(xiàn)在常用的固體激光器裝置如

圖1所示，工作物質(zhì)是毛表面的圓柱體，兩端用金屬套管封接，球面鏡諧振腔。在光泵浦情況下，由于工作物質(zhì)的圓柱形，金屬套管的圓環(huán)形及諧振腔鏡的球面結(jié)構(gòu)，這些軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)造成了在諧振腔的中心光軸上有較強(qiáng)的光功率附加光場(chǎng)，這一光場(chǎng)疊加到腔內(nèi)的振蕩光場(chǎng)上。當(dāng)邊緣反射光通過(guò)腔鏡耦合進(jìn)工作物質(zhì)得到放大時(shí)，就會(huì)有較強(qiáng)的軸心光功率密度。隨著泵浦功率的提高，當(dāng)疊加光場(chǎng)的光功率密度超過(guò)破壞閾值時(shí)，就在中心光軸上某點(diǎn)首先產(chǎn)生破壞，如圖1示。圖1A中，1是腔鏡，2是金屬封接套，3是工作物質(zhì)，可看出在工作物質(zhì)中心產(chǎn)生實(shí)焦點(diǎn)，實(shí)焦點(diǎn)也可產(chǎn)生于腔內(nèi)光學(xué)元件4的中心處，即這一破壞可以發(fā)生在腔內(nèi)或腔外光學(xué)元件及工作物質(zhì)的表面或內(nèi)部軸心部位。針對(duì)這一破壞機(jī)理，可采取減弱或消除邊緣效應(yīng)的方法，使激光傳輸過(guò)程中不產(chǎn)生軸心的實(shí)焦點(diǎn)，來(lái)達(dá)到防破壞的目的。其一，可以采用非軸對(duì)稱諧振腔型減弱軸心光功率密度。其二，選擇非軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)工作物質(zhì)，這樣可減弱軸心上的光功率密度。其三，限制軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)諧振腔及圓棒工作物質(zhì)的邊緣光，使其不能夠通過(guò)腔鏡耦合進(jìn)工作物質(zhì)。具體可采用如圖2所示方法。圖2A中5是光闌，它可以屏蔽邊緣光。圖2B中6是將工作物質(zhì)的端角磨成毛棱，也可起圖2A中5的作用。圖2C中7是保護(hù)環(huán)，同樣可消除邊緣效應(yīng)，使激光不產(chǎn)生軸心的實(shí)焦點(diǎn)，以達(dá)到防止破壞的目的。圖2C是一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、有效的方法，采用如圖2C示的保護(hù)環(huán)，同軸性好，不需調(diào)整，其直徑選擇應(yīng)小于棒直徑，越小的通光孔徑，其防破壞效果越佳。為充分利用整個(gè)模體積，應(yīng)選擇較大的通光孔徑。這里應(yīng)根據(jù)諧振腔和工作物質(zhì)的工作狀態(tài)而選取最佳值，保護(hù)環(huán)應(yīng)隔絕邊緣光通過(guò)腔鏡反射回工作物質(zhì)，使傳輸光不產(chǎn)生實(shí)焦點(diǎn)，避免工作物質(zhì)及腔內(nèi)光學(xué)元件的破壞。如不限制邊緣光，也會(huì)在激光輸出的近場(chǎng)形成強(qiáng)的軸心光場(chǎng)分布，邊緣光通過(guò)放大并獲得增益而使放大級(jí)棒中心產(chǎn)生破壞?，F(xiàn)舉一個(gè)典型實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明保護(hù)環(huán)所起作用。在一臺(tái)采用非穩(wěn)腔的調(diào)Q運(yùn)行的NdYAG棒狀(Φ7×85mm)激光器中，當(dāng)采用如上所示的保護(hù)環(huán)(內(nèi)徑d＝6mm)時(shí)，高重復(fù)頻率工作，每個(gè)脈沖300mJ輸出時(shí)，工作物質(zhì)仍未破壞，而去除保護(hù)環(huán)后，當(dāng)輸出100mJ時(shí)，就產(chǎn)生了中心的破壞。本方法的采用可使激光損傷閾值提高三倍以上。由此看出邊緣效應(yīng)是固體激光工作物質(zhì)破壞的重要原因，消除邊緣效應(yīng)可大大提高固體激光器的輸出。
權(quán)利要求
1.一種防止固體激光器工作物質(zhì)及腔內(nèi)光學(xué)元件破壞的方法，其特征是在固體激光器中，克服邊緣效應(yīng)，使激光在傳輸中不產(chǎn)生實(shí)焦點(diǎn)，達(dá)到防止破壞的目的。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其特征是在棒狀結(jié)構(gòu)激光諧振腔中，在聚光腔兩端加小于棒直徑的光闌，以克服邊緣效應(yīng)。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其特征是直接加工工作物質(zhì)，以克服邊緣效應(yīng)。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其特征是在棒狀工作物質(zhì)激光器中，直接在封接套上加保護(hù)環(huán)或保護(hù)罩，以克服邊緣效應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明“一種防止固體激光器工作物質(zhì)及腔內(nèi)光學(xué)元件破壞的方法”屬于激光技術(shù)中固體激光技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提出了固體激光器中激光工作物質(zhì)及腔內(nèi)光學(xué)元件的破壞機(jī)理及防止破壞的方法。在棒狀激光器中所采用的防破壞方法，簡(jiǎn)便易行，可獲得更高功率密度的激光輸出。本發(fā)明可在各種固體激光器中使用，以提高激光輸出。
文檔編號(hào)H01S3/16GK1111841SQ9510107
公開(kāi)日1995年11月15日 申請(qǐng)日期1995年1月16日 優(yōu)先權(quán)日1995年1月16日
發(fā)明者張潤(rùn), 王偉力, 張世文 申請(qǐng)人:電子部第十一研究所