申请/专利权人：东莞理工学院

申请日：2019-01-18

公开（公告）日：2024-03-12

公开（公告）号：CN109586152B

主分类号：H01S3/094

分类号：H01S3/094;H01S3/0941

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.12#授权;2019.04.30#实质审查的生效;2019.04.05#公开

摘要：本发明公开了一种用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结构，包括泵浦光源、耦合系统、水平方向匀化波导、成像系统，其中：所述泵浦光源发出泵浦光，经所述耦合系统耦合进入所述水平方向匀化波导；所述水平方向匀化波导对泵浦光的水平方向进行匀化后，将其输入至所述成像系统；所述成像系统将水平方向匀化波导出口处的泵浦光成像在泵浦面上，使泵浦光在泵浦面上的强度分布与在水平方向匀化波导出口处的泵浦光强度分布一致。本发明简单可靠，成本较低，且易于实现，是实现高功率高光束质量掠入射板条激光器的极佳途径。

主权项：1.一种用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结构，泵浦光经过泵浦结构处理后输入至掠入射结构板条，所述掠入射结构板条用于接收泵浦光的面为泵浦面，其特征在于，采用泵浦光源、耦合系统、水平方向匀化波导、成像系统与掠入射板条结构相结合，实现对掠入射板条在水平方向匀化泵浦，以解决在高功率激光放大过程中掠入射板条泵浦面水平方向应力形变造成的放大激光光束质量退化，其中：所述泵浦光源发出泵浦光，经所述耦合系统耦合进入所述水平方向匀化波导；所述水平方向匀化波导对泵浦光的水平方向进行匀化后，将其输入至所述成像系统；所述成像系统将水平方向匀化波导出口处的泵浦光成像在泵浦面上，使泵浦光在泵浦面上的强度分布与在水平方向匀化波导出口处的泵浦光强度分布一致；所述掠入射结构板条用于接收泵浦光的面为泵浦面，所述掠入射结构板条前表面为泵浦面，镀泵浦光增透膜；两个侧面为激光通光面，根据所采用的掠入射角度镀对应激光波长增透膜；上下两个大面与热沉接触，实现散热。

全文数据：用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结构技术领域本发明涉及激光技术领域，更具体地，涉及一种用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结构。背景技术固体激光器具有高亮度、高效率、结构紧凑、性能稳定、长寿命和全固化等优点，在材料加工、医疗、科学研究、军事等领域均有重要的应用。在高功率固体激光器中，热效应会影响激光器的稳定性，降低激光器的光束质量以及效率。热效应使大功率棒状激光器难以实现高光束质量。板条激光器具有大的面积体积比，散热效果好，易于实现高功率激光输出。但是，通常的板条激光器在泵浦光与激光之间难以实现较好的模式匹配比，激光提取效率较低。掠入射板条结构中，泵浦光在泵浦面附近被增益介质强烈吸收，激光以小角度掠入射到泵浦面并发生内全反射，可以获得极佳的泵浦光与激光模式匹配比。该结构是实现高功率以及高效率固体激光器的有效手段。但是，研究表明：高功率泵浦时，掠入射板条结构中的端面效应非常严重，在工作中会造成激光光束质量退化，退化主要发生在板条的水平方向（如图6所示）。激光光束质量的退化由激光光路上的热致折射率变化与板条泵浦端面的应力形变造成。其中，泵浦面水平方向的应力形变是导致激光光束质量退化的主要因素。这是因为在掠入射板条结构中，激光光路上水平方向端面应力形变引起的光程差约为板条Z方向端面应力形变的2nsinθ倍（如图6所示，DE为Z方向的应变，则由端面应力形变造成的水平方向光程差约为2nDEsinθ，n为板条折射率，θ为掠入射角度）。也就是说，与垂直于泵浦面入射的激光相比，掠入射板条结构中的端面应力形变（水平方向）引起的光程差被放大了几十倍（掠入射角度约介于5~10度之间），泵浦面（激光内全反射面）水平方向的应力形变成为激光光束质量退化的主要因素。目前，研究人员主要采取了两种方法来降低端面应力形变对激光光束质量的影响。K.Nawata等人采用相位共扼镜对光束质量进行补偿，降低端面应力形变对激光光束质量的影响。M.Abe等人在泵浦端面贴合一块蓝宝石来有效降低端面应力形变的影响。引入相位共扼镜可以有效降低端面应力形变对激光光束质量的影响，改善激光光束质量，但是这会使系统变得复杂，激光器成本大幅提高。且相位共扼镜有限的孔径难以实现高功率激光输出。在板条泵浦面贴合不掺杂晶体可以有效冷却板条并降低半条的端面应力形变，但是该技术工艺复杂，难度较大，并且不实用。发明内容本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结构。本发明的首要目的是实现对高功率掠入射板条激光器光束质量的改善。为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结构，泵浦光经所述泵浦结构处理后输入至掠入射结构板条，所述掠入射结构板条用于接收泵浦光的面为泵浦面，为掠入射结构板条，增益介质可以为高掺杂Nd钒酸盐（如Nd:YVO4，Nd:GdVO4以及Nd:GdxY1−xVO4等）、高掺杂Yb晶体（如Yb:YAG）等。板条前表面为泵浦面，镀泵浦光增透膜；两个侧面为激光通光面，根据所采用的掠入射角度镀对应激光波长增透膜；上下两个大面与热沉接触，实现散热；后表面打毛处理；泵浦结构包括泵浦光源、耦合系统、水平方向匀化波导、成像系统，其中：所述泵浦光源发出泵浦光，经所述耦合系统耦合进入所述水平方向匀化波导；所述水平方向匀化波导对泵浦光的水平方向进行匀化后，将其输入至所述成像系统；所述成像系统将水平方向匀化波导出口处的泵浦光成像在泵浦面上，使泵浦光在泵浦面上的强度分布与在水平方向匀化波导出口处的泵浦光强度分布一致。经过波导匀化后的光束，在波导出口具有最佳的匀化效果，在对掠入射板条泵浦时，采用水平方向匀化波导将泵浦光在水平方向进行匀化，并将水平方向匀化波导出口泵浦光成像到板条泵浦面，考虑到掠入射板对泵浦光的高吸收（吸收路径极短），可以认为板条内泵浦光在水平方向为绝对的平顶分布，有效的减少了板条水平方向的端面应力形变，改善有泵浦端面应力形变导致的激光光束质量退化。优选地，所述泵浦光源为激光二极管bar条或激光二极管叠阵。优选地，所述耦合系统包括水平方向柱透镜和垂直方向柱透镜，将泵浦光耦合进水平方向匀化波导里。优选地，所述水平方向匀化波导包括两个中间间隔开的互相平行的波导壁。优选地，所述成像系统包括若干透镜，通过将水平匀化波导出口处的泵浦光成像在泵浦面上，实现泵浦面的泵浦光强度平顶化，同时也实现对掠入射结构板条泵浦面泵浦光斑尺寸的控制。与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：1本发明与采用相位共扼镜的方案相比：1）激光光路更为简单；2）成本较低，且易于实现；3）可以实现更高功率的激光输出。2本发明与在泵浦端面贴合冷却晶体的方案相比：1）方法简单，易于实现；2）安全可靠，不会对晶体的内全反射面造成损伤；3）成本更低。附图说明图1为一种用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结构示意图；图2为利用图1所述的泵浦结构实现的高功率掠入射板条激光振荡器结构示意图；图3为利用图1所述的泵浦结构实现的高功率掠入射板条激光放大器结构示意图；图4为板条结构示意图；图5为水平方向匀化波导结构示意图；图6为板条Z方向端面应力形变示意图；图中，1为板条，2为激光光束，3为经过水平方向匀化波导5以及成像系统4后的泵浦光，4为成像系统，5为水平方向匀化波导，6为由耦合系统7耦合进入水平方向匀化波导的泵浦光，7为耦合系统，8为泵浦光源，9为激光全反镜，10为激光输出镜，11为种子激光，12为泵浦面，13为上冷却面，14为下冷却面，15为通关面，16为经水平方向匀化波导后的泵浦光，17、18为波导壁。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。实施例1本实施例提供一种由用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结够实现的高功率掠入射板条激光振荡器，其中，用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结构，如图1，包括泵浦光源8、耦合系统7、水平方向匀化波导5、成像系统4，其中：泵浦光经所述泵浦结构处理后输入至掠入射结构板条1，所述掠入射结构板条1用于接收泵浦光的面为泵浦面12，如图4所示，板条前表面为泵浦面12，镀泵浦光增透膜；两个侧面为激光通光面15，根据所采用的掠入射角度镀对应激光波长增透膜；上冷却面13和下冷却面14均与热沉接触，实现散热；后表面打毛处理；所述泵浦光源8发出泵浦光，经所述耦合系统7耦合进入所述水平方向匀化波导5；所述水平方向匀化波导5对泵浦光的水平方向进行匀化后，将其输入至所述成像系统4；所述成像系统4将水平方向匀化波导5出口处的泵浦光成像在泵浦面12上，使泵浦光在泵浦面12上的强度分布与在水平方向匀化波导5出口处的泵浦光强度分布一致。所述泵浦光源8为激光二极管bar条。所述耦合系统7包括水平方向柱透镜和垂直方向柱透镜，将泵浦光耦合进水平方向匀化波导里。所述水平方向匀化波导5如图5所示，包括两个中间间隔开的互相平行的波导壁17、18。所述成像系统4包括若干透镜，通过将水平匀化波导5出口处的泵浦光成像在泵浦面12上，实现泵浦面12的泵浦光强度平顶化，同时也实现对掠入射结构板条泵浦面12泵浦光斑尺寸以及像差的控制。在具体实施过程中，一种由用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结够实现的高功率掠入射板条激光振荡器，如图2所示，该振荡器为连续激光输出，也可在激光谐振腔内加入调制器件后调整为调Q或者锁模结构的脉冲激光输出。实施例2本实施例提供一种由用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结构实现的高功率掠入射板条激光放大器，其中，用于高功率掠入射板条激光器的光束质量改善的泵浦结构与实施例1中的泵浦结构相同。在具体的实施例中，一种由用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结构实现的高功率掠入射板条激光放大器，如图3，根据放大器采用的增益介质类型，可实现不同种子光的高亮度与高功率放大。如，采用高掺杂Nd钒酸盐，可实现从连续到ps的1064nm激光放大；采用高掺杂Yb晶体（如Yb:YAG），可实现从连续到fs的1030nm激光放大。相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

权利要求：1.一种用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结构，泵浦光经所述泵浦结构处理后输入至掠入射结构板条，所述掠入射结构板条用于接收泵浦光的面为泵浦面，其特征在于，包括泵浦光源、耦合系统、水平方向匀化波导、成像系统，其中：所述泵浦光源发出泵浦光，经所述耦合系统耦合进入所述水平方向匀化波导；所述水平方向匀化波导对泵浦光的水平方向进行匀化后，将其输入至所述成像系统；所述成像系统将水平方向匀化波导出口处的泵浦光成像在泵浦面上，使泵浦光在泵浦面上的强度分布与在水平方向匀化波导出口处的泵浦光强度分布一致。2.根据权利要求1所述的用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结构，其特征在于，所述泵浦光源为激光二极管bar条或激光二极管叠阵。3.根据权利要求1所述的用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结构，其特征在于，所述耦合系统包括水平方向柱透镜和垂直方向柱透镜。4.根据权利要求1所述的用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结构，其特征在于，所述水平方向匀化波导包括两个中间间隔开的互相平行的波导壁。5.根据权利要求1所述的用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结构，其特征在于，所述成像系统包括若干透镜，实现对掠入射结构板条泵浦面泵浦光斑尺寸以及像差的控制。

百度查询： 东莞理工学院 用于高功率掠入射板条激光器光束质量改善的泵浦结构

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