小信號增益固體激光放大器的設(shè)計方法及固體激光放大器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及小信號增益固體激光放大器的設(shè)計方法及固 體激光放大器。
【背景技術(shù)】
[0002] 自從激光器誕生以來，如何提高激光功率和能量就一直受到人們的重視。激光放 大器作為提高激光功率和能量的主要手段，一直以來就是國內(nèi)外研究的重點。近年來，由于 半導體激光二極管(LD)的高效率、高功率以及光纖耦合輸出的便捷性，LD逐漸成為主流的 激光栗浦源。由于端面栗浦方式效率高、模式匹配好、波長匹配的優(yōu)點，近年來在激光振蕩 器以及放大器方面應(yīng)用廣泛。為了將輸入激光放大器的種子光進行放大至所需的倍數(shù)，往 往需要根據(jù)所需的增益設(shè)計一臺實用的激光放大器。所需的增益由放大器的小信號增益和 輸入激光的參數(shù)決定。對激光放大器而言，衡量其性能的一個主要參數(shù)便是小信號增益。
[0003] 現(xiàn)有的一種設(shè)計光纖放大器的方法，包括如何選擇特定功率的栗浦LD的個數(shù)以及 如何通過校正算法提高光譜平整度?，F(xiàn)有的另外一種設(shè)計光纖放大器的方法，包括基于光 纖有效模場半徑和有效光纖作用長度設(shè)定受激布里淵散射閾值和布里淵增益。
[0004] 然而現(xiàn)有技術(shù)中缺少小信號增益固體激光放大器的設(shè)計方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:如何提供一種小信號增益固體激光放大器的設(shè)計 方法的問題。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一方面提出了一種小信號增益固體激光放大器的設(shè) 計方法，該方法包括：
[0007] SI:根據(jù)固體激光放大器的速率方程、第一栗浦半徑和第一栗浦激光光束質(zhì)量M2 因子，對增益介質(zhì)進行離散化處理，獲取小信號增益、增益介質(zhì)摻雜濃度和栗浦功率的關(guān)系 圖；
[0008] S2:若所述關(guān)系圖中小信號增益的最大值大于等于所需的小信號增益，則根據(jù)所 需的小信號增益和所述關(guān)系圖，獲取與所述第一栗浦半徑和第一栗浦光光束質(zhì)量M 2因子對 應(yīng)的增益介質(zhì)摻雜濃度、增益介質(zhì)長度和栗浦功率；
[0009] S3:若所述關(guān)系圖中小信號增益的最大值小于所需的小信號增益，則增加栗浦功 率和/或改變第一栗浦半徑和/或減小摻雜濃度和/或減小第一栗浦激光光束質(zhì)量M 2因子， 重復步驟S1、S2;
[0010] S4:根據(jù)所述第一栗浦半徑、第一栗浦激光光束質(zhì)量M2因子和對應(yīng)的增益介質(zhì)摻 雜濃度、增益介質(zhì)長度、栗浦功率設(shè)計所需的小信號增益固體激光放大器；
[0011] 其中，所述改變第一栗浦半徑包括增大或減小第一栗浦半徑。
[0012] 可選地，在所述根據(jù)固體激光放大器的速率方程、第一栗浦半徑和第一栗浦激光 光束質(zhì)量M2因子，對增益介質(zhì)進行離散化處理之前，還包括：
[0013] 建立固體激光放大器的速率方程。
[0014] 可選地，在所述根據(jù)所述第一栗浦半徑、第一栗浦激光光束質(zhì)量M2因子和對應(yīng)的 增益介質(zhì)摻雜濃度、增益介質(zhì)長度、栗浦功率設(shè)計所需的小信號增益固體激光放大器之前， 還包括：
[0015] 判斷所述栗浦功率和增益介質(zhì)的熱損傷閾值功率的大小，若所述栗浦功率大于所 述熱損傷閾值功率，則減小增益介質(zhì)摻雜濃度和/或增大第一栗浦半徑，重復步驟SI、S2、 S3.
[0016] 可選地，在所述根據(jù)所述第一栗浦半徑、第一栗浦激光光束質(zhì)量M2因子和對應(yīng)的 增益介質(zhì)摻雜濃度、增益介質(zhì)長度、栗浦功率設(shè)計所需的小信號增益固體激光放大器之前， 還包括：
[0017] 若獲取的與所述第一栗浦半徑和第一栗浦光光束質(zhì)量M2因子對應(yīng)的增益介質(zhì)摻 雜濃度、增益介質(zhì)長度和栗浦功率為多組，則對獲取的多組增益介質(zhì)摻雜濃度、增益介質(zhì)長 度和栗浦功率進行篩選，獲取與所述第一栗浦半徑和第一栗浦光光束質(zhì)量M 2因子對應(yīng)的最 優(yōu)增益介質(zhì)摻雜濃度、增益介質(zhì)長度和栗浦功率。
[0018] 可選地，所述對增益介質(zhì)進行離散化處理，包括：
[0019] 對增益介質(zhì)采用切片法進行離散化處理。
[0020] 可選地，所述增益介質(zhì)對栗浦激光的吸收效率大于等于80%。
[0021] 本發(fā)明另一方面提出了一種利用上述方法的固體激光放大器，該固體激光放大器 包括：
[0022] 半導體激光二極管、耦合光纖、聚焦系統(tǒng)、雙色鏡和增益介質(zhì)；
[0023] 所述半導體激光二極管用于產(chǎn)生輸入激光；
[0024]所述耦合光纖用于將所述輸入激光耦合進所述聚焦系統(tǒng)；
[0025] 所述聚焦系統(tǒng)用于將所述輸入激光進行準直聚焦，并將準直聚焦的輸入激光經(jīng)所 述雙色鏡送至所述增益介質(zhì)
[0026] 所述增益介質(zhì)用于激光進行功率放大。
[0027] 可選地，所述增益介質(zhì)的摻雜區(qū)域的形狀為矩形或橢圓形。
[0028] 可選地，所述固體放大器為單程放大器。
[0029] 可選地，所述增益介質(zhì)的材料為激光晶體、激光玻璃、激光塑料或激光陶瓷。
[0030] 本發(fā)明提供的小信號增益固體激光放大器的設(shè)計方法及固體激光放大器，通過獲 取小信號增益、增益介質(zhì)摻雜濃度和栗浦功率的關(guān)系圖，獲取與所需的小信號增益對應(yīng)的 第一栗浦半徑、第一栗浦激光光束質(zhì)量M 2因子、增益介質(zhì)摻雜濃度、增益介質(zhì)長度和栗浦功 率，并根據(jù)該方法設(shè)計了所需的小信號增益的固體激光放大器。
【附圖說明】
[0031] 通過參考附圖會更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，附圖是示意性的而不應(yīng)理 解為對本發(fā)明進行任何限制，在附圖中：
[0032] 圖1示出了本發(fā)明一個實施例的小信號增益固體激光放大器的設(shè)計方法的流程示 意圖；
[0033]圖2示出了本發(fā)明一個實施例的小信號增益固體激光放大器的設(shè)計方法的原理 圖；
[0034] 圖3示出了本發(fā)明一個實施例的小信號增益與增益介質(zhì)摻雜濃度、栗浦功率的關(guān) 系圖以及熱損傷功率隨著增益介質(zhì)摻雜濃度的變化圖；
[0035] 圖4示出了本發(fā)明一個實施例的固體激光放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0036]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細描述。
[0037] 圖1示出了本發(fā)明一個實施例的小信號增益固體激光放大器的設(shè)計方法的流程示 意圖。如圖1所示，該實施例的小信號增益固體激光放大器的設(shè)計方法，包括：
[0038] Sl:根據(jù)固體激光放大器的速率方程、第一栗浦半徑和第一栗浦激光光束質(zhì)量M2 因子，對增益介質(zhì)進行離散化處理，獲取小信號增益、增益介質(zhì)摻雜濃度和栗浦功率的關(guān)系 圖；
[0039] S2:若所述關(guān)系圖中小信號增益的最大值大于等于所需的小信號增益，則根據(jù)所 需的小信號增益和所述關(guān)系圖，獲取與所述第一栗浦半徑和第一栗浦光光束質(zhì)量M2因子對 應(yīng)的增益介質(zhì)摻雜濃度、增益介質(zhì)長度和栗浦功率；
[0040] S3:若所述關(guān)系圖中小信號增益的最大值小于所需的小信號增益，則增加栗浦功 率和/或改變第一栗浦半徑和/或減小摻雜濃度和/或減小第一栗浦激光光束質(zhì)量M2因子， 重復步驟S1、S2;
[0041] S4:根據(jù)所述第一栗浦半徑、第一栗浦激光光束質(zhì)量M2因子和對應(yīng)的增益介質(zhì)摻 雜濃度、增益介質(zhì)長度、栗浦功率設(shè)計所需的小信號增益固體激光放大器；
[0042] 其中，所述改變第一栗浦半徑包括增大或減小第一栗浦半徑。
[0043]需要說明的是，栗浦激光光束質(zhì)量由M2因子所表征，其由耦合光纖的數(shù)值孔徑 (N.A.)和耦合光纖半徑的乘積唯一決定。
[0044] 本發(fā)明實施例的小信號增益固體激光放大器的設(shè)計方法，通過獲取小信號增益、 增益介質(zhì)摻雜濃度和栗浦功率的關(guān)系圖，獲取與所需的小信號增益對應(yīng)的第一栗浦半徑、 第一栗浦激光光束質(zhì)量M 2因子、增益介質(zhì)摻雜濃度、增益介質(zhì)長度和栗浦功率，并根據(jù)該方 法設(shè)計了所需的小信號增益的固體激光放大器。
[0045] 進一步地，在所述根據(jù)固體激光放大器的速率方程、第一栗浦半徑和第一栗浦激 光光束質(zhì)量M2因子，對增益介質(zhì)進行離散化處理之前，還包括：
[0046] 建立固體激光放大器的速率方程。
[0047] 需要說明的是，速率方程中的物理模型與增益介質(zhì)有關(guān)，不同增益介質(zhì)對應(yīng)的速 率方程形式可以不一樣。
[0048] 為了避免實際應(yīng)用中增益晶體在栗浦功率太大的情況下發(fā)生熱裂的情況，在所述 根據(jù)所述第一栗浦半徑、第一栗浦激光光束質(zhì)量M 2因子和對應(yīng)的增益介質(zhì)摻雜濃度、增益 介質(zhì)長度、栗浦功率設(shè)計所需的小信號增益固體激光放大器之前，還包括：
[0049] 判斷所述栗浦功率和增益介質(zhì)的熱損傷閾值功率的大小，若所述栗浦功率大于所 述熱損傷閾值功率，則減小增益介質(zhì)摻雜濃度和/或增大第一栗浦半徑，重復步驟SI、S2、 S3 〇
[0050] 由于可能存在多組符合條件的參數(shù)組合，在所述根據(jù)所述第一栗浦半徑、第一栗 浦激光光束質(zhì)量M2因子和對應(yīng)的增益介質(zhì)摻雜濃度、增益介質(zhì)長度、栗浦功率設(shè)計所需的 小信號增益固體激光放大器之前，還包括：
[0051] 若獲取的與所述第一栗浦半徑和第一栗浦光光束質(zhì)量M2因子對應(yīng)的增益介質(zhì)摻 雜濃度、增益介質(zhì)長度和栗浦功率為多組，則對獲取的多組增益介質(zhì)摻雜濃度、增益介質(zhì)長 度和栗浦功率進行篩選，獲取與所述第一栗浦半徑和第一栗浦光光束質(zhì)量M 2因子對應(yīng)的最 優(yōu)增益介質(zhì)摻雜濃度、增益介質(zhì)長度和栗浦功率。
[0052] 在實際應(yīng)用中，是以增益介質(zhì)長度和熱效應(yīng)作為平衡依據(jù)對多個組合進行篩選 的。
[0053]進一步地，所述對增益介質(zhì)進行離散化處理，包括：
[0054]對增益介質(zhì)采用切片法進行離散化處理。
[0055] 進一步地，所述增益介質(zhì)對栗浦激光的吸收效率大于等于80%。
[0056] 特別地，所述增益介質(zhì)對栗浦激光的吸收效率為95%，吸收效率為95 %是指95 % 的入射栗浦激光被增益介質(zhì)吸收，并且增益介質(zhì)越長，吸收效率越高。
[0057]圖2示出了本發(fā)明一個實施例的小信號增益固體激光放大器的設(shè)計方法的原理 圖。如圖2所示，該實施例的小信號增益固體激光放大器的設(shè)計方法包括：
[0058] 步驟1:分析影響光纖耦合輸出的半導體激光二極管端栗的激光放大器小信號增 益的因素，選定依據(jù)不同的物理模型特征建立激光放大器速率方程；
[0059] 步驟2:根據(jù)建立起的速率方程，給定栗浦激光聚焦半徑和栗浦激光光束質(zhì)量M2因 子，以95%吸收效率為原則，采用切片法將增益介質(zhì)離散化進行計算，可以得到小信號增益 隨著增益介質(zhì)摻雜濃度和栗浦功率變化的關(guān)系圖；
[0060] 步驟3:若所述關(guān)系圖中小信號增益的最大值大于等于所需的小信號增益，則依據(jù) 所需小信號