端面泵浦單程行波激光放大器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及固體激光技術領域，具體來說，涉及一種端面栗浦單程行波激光放大器。
【背景技術】
[0002]激光二極管(LD)栗浦的固體激光器具有體積小、壽命長、能量轉化效率高、栗浦方式靈活等優(yōu)點，是當前固體激光技術發(fā)展的主流方向；隨著大功率激光二極管技術的日臻成熟，激光二極管栗浦固體激光器的輸出功率也越來越高。激光二極管的栗浦方式主要分為端面栗浦和側面栗浦，相較于側面栗浦，端面栗浦的突出優(yōu)點是可以使栗浦光和激光獲得更大的模場分布重疊，從而實現(xiàn)高的光-光轉化效率和高的激光光束質量；缺點是從激光晶體一個端面注入的栗浦光所激活的增益模體積相對較小，而栗浦功率密度又不能太高，否則容易損壞增益介質，所以端面栗浦固體激光器的輸出功率相對較低。
[0003]在某些激光應用中，如精密激光加工，往往要求激光既具有高的光束質量--為
TEM。。模輸出(M2因子小)，又要有很高的輸出功率為幾十瓦甚至上百瓦；這種指標僅靠單臺端栗固體激光器較難實現(xiàn)，因為要保持激光束的優(yōu)良特性如光束發(fā)散角、單色性等，工作物質的口徑和長度都不宜太大；另外，激光器諧振腔內往返通過增益介質的功率一般比輸出功率更高，過高的激光功率密度易損壞工作物質。所以，一般使用由激光振蕩級+功率放大級組成的“主振蕩功率放大(ΜΟΡΑ)系統(tǒng)”實現(xiàn)高功率、高光束質量激光輸出。在ΜΟΡΑ系統(tǒng)中，激光振蕩級的輸出功率可以很低，但需提供其它關鍵技術指標，如波長、脈寬，譜寬(線寬)、重復頻率，光束質量等等；功率放大級的主要作用是在盡量保持這些關鍵指標的同時對激光功率進行放大至所需水平。
[0004]由于原子能級躍迀過程中的量子虧損效應和能量傳輸上轉換等效應，栗浦光為激光放大提供能量的同時還會產生“廢熱”，ΜΟΡΑ系統(tǒng)最終輸出的激光功率越高，放大級所需要的栗浦功率越高，這種廢熱也越多。端面栗浦一般采用激光晶體側面冷卻的方式，這使得激光晶體的中心溫度高于邊緣溫度，所以晶體徑向上會產生熱梯度效應。另外，對于均勻摻雜的激光晶體，栗浦光進入晶體后呈指數(shù)衰減，晶體的中心溫度是非均勻分布的一一沿著栗浦光的傳播方向在軸向上遞減，所以栗浦光入射的前端面中心溫度最高，徑向熱梯度也最大。隨著注入栗浦功率的增大，這種熱梯度會越來越大，過大的熱梯度主要會帶來兩個嚴重問題:
[0005]1.劣化光束質量，由于熱光效應，激光晶體的折射率隨溫度改變，這導致所放大的激光束經過激光晶體后其中心和邊緣所經歷的光程不同，即產生了熱透鏡作用。除此之外，晶體前端面在過高的溫度下產生的端面形變對熱透鏡效應也有貢獻，研究表明，對于某些激光晶體這一貢獻甚至可以占到一半(見X.Peng，A.，et al./‘Study of the mechanicalproperties of Nd:YV04 crystal by use of laser interferometry and finite elementanalysis, ” Appl.0pt., vol.40，1396，(2001))。熱透鏡效應使入射激光經過放大級后會被強烈地聚焦，而且栗浦功率密度越高，聚焦作用越明顯，這會給放大級之間的光路設計帶來困難，也會降低輸出激光束的空間穩(wěn)定性。不僅如此，激光晶體內的這種熱透鏡不是理想透鏡，只有在栗浦區(qū)域中心兩側的一小段區(qū)域內，晶體折射率分布符合理想熱透鏡的拋物線型分布，中心區(qū)域之外的折射率分布會偏離拋物線型分布，它所帶來的結果就是栗浦區(qū)域邊緣會產生球差等高階像差作用。而且，栗浦功率密度越高，晶體中心的溫度就越高，產生球差的區(qū)域也越大，這會導致被放大的激光束產生畸變，光束質量被嚴重劣化。
[0006]2.損壞激光晶體，尤其是對制:￥￥04這類熱導率較低的激光晶體。激光晶體內的熱梯度會產生熱應力，晶體中心溫度高，產生壓應力；晶體側面溫度低，產生切向和軸向的拉應力。而一般的晶體抗壓能力遠高于抗拉能力，所以過高栗浦光所導致的晶體損傷多數(shù)發(fā)生在靠近栗浦入射表面的側邊緣。晶體的熱致?lián)p傷極限最終決定了激光晶體的可注入栗浦功率，也決定了激光功率放大器的放大能力。
[0007]為了解決上述兩個問題，本領域一般使用兩種解決方案:一種是使用更長的波長栗浦，降低量子缺陷效應，從根本上減小發(fā)熱在激光能量轉換中的比例，以Nd:YV04晶體為例，可以使用880nm、888nm和914nm等激光二極管作為栗浦源；另一種是降低栗浦光在激光晶體入射端面上的熱負載，從而減小晶體中心所承受的最高溫度和最大熱梯度。常用的一種方法是使用雙端栗浦結構；2006年，Louis McDonagh提出使用888nm同軸反饋栗浦技術，使初次通過晶體剩余的栗浦光沿原路徑返回被激光晶體再次吸收，其本質也是雙端栗浦結構(見Louis McDonagh and Richard Wallenstein,High-efficiency 60ff ΤΕΜ00 Nd:YV04oscillator pumped at 888nm，vol.31，3297，(2006))。這種方法雖然把栗浦帶來的熱負載分擔到兩個端面承受，但晶體軸向上的溫度分布仍是很不均勻的一一從兩個端面向中心遞減。還有一種方法是把栗浦熱負載分擔到多個激光晶體，從而組成多級功率放大器。這種結構雖然最終可以獲得數(shù)百瓦的輸出功率，但它體積龐大、結構復雜，而且因為激光晶體的熱透鏡焦距隨栗浦功率改變，各放大級之間往往需要專門的光路設計以實現(xiàn)每一級栗浦光和激光的模式匹配，這會增大設計和調試困難。此外，近年新興的一種方法是使用一段未摻雜晶體和一段均勻摻雜晶體鍵合而成的復合晶體，未摻雜區(qū)可以分擔栗浦光在摻雜區(qū)入射端面的熱負載，從而減小晶體中心的最高溫度和端面形變。這種方法的不足之處仍是晶體軸向上的溫度分布不均勻，只有未摻雜區(qū)和摻雜區(qū)的交界面處熱梯度最大。
[0008]針對相關技術中的問題，目前尚未提出有效的解決方案。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供了一種端面栗浦單程行波激光放大器，一方面可以承受更高的端面栗浦功率而不致?lián)p壞激光晶體；另一方面，本裝置在同樣的栗浦功率下熱透鏡效應和熱致像差效應更小，有利于避免之前的功率放大器對入射激光光束質量的劣化；另外，本裝置結構簡單，體積比雙端栗浦結構和多級放大結構更小，可以有效克服目前現(xiàn)有技術存在的上述不足。
[0010]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0011]—種端面栗浦單程行波激光放大器，包括半導體激光器，所述半導體激光器用于提供栗浦激光，所述半導體激光器的右側設有栗浦光耦合聚焦系統(tǒng)，所述栗浦光耦合聚焦系統(tǒng)的上端和右端分別設有入射激光耦合聚焦系統(tǒng)和分段階梯摻雜鍵合的激光晶體，所述激光晶體的四周設有相匹配的晶體熱沉。
[0012]進一步的，所述栗浦光耦合聚焦系統(tǒng)包括依次設置于所述半導體激光器右側的平凸透鏡一、平凸透鏡二、平凸透鏡三以及平面鏡，所述平凸透鏡一和平凸透鏡二的凸面與栗浦激光的傳播方向相同，所述平凸透鏡三的凸面與所述平凸透鏡二的凸面相對。
[0013]進一步的，所述平面鏡為與水平面呈45°夾角的雙色鏡。
[0014]進一步的，所述平面鏡的前后表面鍍有880nm的增透膜，并且所述平面鏡的后表面鍍有1064nm的高反膜。
[0015]進一步的，所述入射激光耦合聚焦系統(tǒng)包括設置于平面鏡上端且與水平面平行的平凸透鏡四和平凸透鏡五，所述平凸透鏡五的上端設有入射光源，其中，所述平凸透鏡五的凸面與入射光的傳播方向相同，所述平凸透鏡四的凸面與所述平凸透鏡五的凸面相對。
[0016]進一步的，所述激光晶體上包裹有一層與激光晶體相匹配的銦箔。
[0017]進一步的，所述激光晶體是由若干段激光晶體一構成的分段階梯摻雜鍵合激光晶體，沿著栗浦光傳輸方向，所述激光晶體一的摻雜濃度逐漸增大且首段激光晶體一不摻雜。
[0018]進一步的，構成激光晶體的若干段激光晶體一長度之間相等或不相等。
[0019]進一步的，所述激光晶體包括各向同性介質和各向異性介質，所述各向同性介質包括但不限于:摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG ;所述各向異性介質包括但不限于:摻釹釩酸釔晶體Nd:YV04、摻釹釩酸釓單晶Nd:GdV04。
[0020]進一步的，所述半導體激光器連續(xù)輸出功率為100W以上，波長880nm，其尾纖纖芯直徑400 μ m，數(shù)值孔徑為0.22。
[0021]本發(fā)明的有益效果為:本裝置結構簡單，容易操作，采用端面栗浦方式，激光晶體由多段均勻摻雜的激光晶體一鍵合而成；通過合理的設計每段晶體的摻雜濃度和長度，栗浦光熱負載平均分擔到各段激光晶體一中；在相同的栗浦功率下，本發(fā)明中的激光晶體比普通均勻摻雜激光晶體的內部熱分布更均勻，最高溫升更低，熱致應力和熱透鏡效應更小，從而可以承受更高的栗浦功率，同時對被放大激光的光束質量劣化更??；另一方面，栗浦光和入射激光的耦合