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CN111009819A - 一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器及设计方法 - Google Patents

一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器及设计方法 Download PDF

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CN111009819A CN201911317015.XA CN201911317015A CN111009819A CN 111009819 A CN111009819 A CN 111009819A CN 201911317015 A CN201911317015 A CN 201911317015A CN 111009819 A CN111009819 A CN 111009819A
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尚佩瑾
李锦诱
王石语
蔡德芳
李兵斌
过振
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Xidian University
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Abstract

本发明涉及一种激光器，特别是一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器及设计方法,它至少包括激光二极管泵浦源、激光谐振腔；激光谐振腔包括谐振腔输入镜、激光介质、谐振腔输出镜，激光介质在谐振腔输入镜和谐振腔输出镜之间，激光介质是YAG透明陶瓷棒，所述YAG透明陶瓷棒的长度为l，直径为D，其特征是：在长度为l的YAG透明陶瓷棒轴线上，小于直径D长度为YAG透明陶瓷棒长l的柱形空间有掺杂的Nd3+，光二极管泵浦源对长度为l的YAG透明陶瓷棒进行泵浦，在谐振腔输入镜和谐振腔输出镜之间的谐振腔产生基模或低阶模振荡光产生增益放大输出。它实现具有高光束质量和高输出效率的圆棒状陶瓷激光器及设计方法。

Description

一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器及设计方法
技术领域
本发明涉及一种激光器，特别是一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器及设计方法。
背景技术
Nd:YAG陶瓷激光器，主要由泵浦源激光二极管阵列和谐振腔组成。谐振腔为激光器的核心部分，其中以透明陶瓷作为材料的激光介质是实现将泵浦能量转化成激光能量的枢纽。Nd:YAG透明陶瓷相对于Nd:YAG单晶，具有更高的掺杂浓度，能够进行大尺寸设计的优势，且与Nd:YAG单晶近乎相同的物理化学和光学性能，使其在全固态大功率激光器中具有广泛应用。
目前所见多数陶瓷激光器中的激光介质多为圆棒状、板条状、碟片状结构。其中圆棒状激光介质应用最为广泛，尤其在侧面泵浦激光器中是一种综合性能比较优越的结构，便于实现均匀分布的泵浦光排列。但是，在均匀掺杂的棒状陶瓷介质中，由于棒内部靠近侧表面的区域存在大量的对泵浦光的吸收，导致泵浦能量在棒中心区域的分布被严重削弱。陶瓷介质中上能级粒子数的分布分散于整个介质，当激光器工作时，处于激光棒边缘区域的高阶模被大量激发，引起激光的光束质量变差，同时，位于棒中心区域的基模或低阶模的能量占比变小，影响激光器的应用效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、输出效率高、克服传统棒状陶瓷介质对泵浦光的吸收范围过于分散的缺陷，抑制输出光中高阶模的成分，将激光能量集中于基模或低阶模，提升输出光的光束质量。实现具有高光束质量和高输出效率的圆棒状陶瓷激光器及设计方法。
本发明的目的是这样实现的，一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器，它至少包括激光二极管泵浦源、激光谐振腔；激光谐振腔包括谐振腔输入镜、激光介质、谐振腔输出镜，激光介质在谐振腔输入镜和谐振腔输出镜之间，激光介质是YAG透明陶瓷棒，所述YAG透明陶瓷棒的长度为l，直径为D，其特征是：在长度为l的YAG透明陶瓷棒轴线上，小于直径D长度为YAG透明陶瓷棒长l的柱形空间有掺杂的Nd3+，光二极管泵浦源对长度为l的YAG透明陶瓷棒进行泵浦，在谐振腔输入镜和谐振腔输出镜之间的谐振腔产生基模或低阶模振荡光产生增益放大输出。
所述的激光介质为中心掺杂Nd3+周围不掺杂Nd3+的YAG棒状陶瓷，激光二极管泵浦源通过侧面泵浦陶瓷激光介质棒的Nd3+掺杂区域，使泵浦光进入Nd3+掺杂区域的掺杂粒子被吸收，限制腔内能够振荡的激光范围，使得输出激光为基模高斯光束或低阶模高斯光束。
一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器方法，依据谐振腔的理论对激光器中的相关参数进行设计，设L为谐振腔腔长，两个反射镜的曲率半径分别为R1和R2，根据稳定腔理论可以得到两个腔镜上基模高斯激光的光斑半径ω1和ω2分别为：
Figure BDA0002326085670000031
Figure BDA0002326085670000032
其中，λ为激光波长，
Figure BDA0002326085670000033
且满足稳定性条件，0＜g1g2＜1。
则腔内基模高斯光的平均直径可以估计为
Figure BDA0002326085670000034
控制激光介质中增益区的直径是通过控制激光陶瓷介质直径D内的柱形空间掺杂Nd3+，柱形空间掺杂Nd3+的直径是腔内高斯光平均直径的1～2倍，并小于激光陶瓷介质直径D。
本发明的特点是：和传统陶瓷激光器中的激光介质结构不同，本发明充分利用了激光介质Nd3+对泵浦光的吸收作用，通过将激光介质的结构设计为中心掺杂Nd3+的圆棒状陶瓷，使其对侧面泵浦的泵浦光在轴线附近进行集中的吸收，提高了激光介质基模区域对泵浦光的吸收效率，而其四周环绕的无掺杂Nd3+圆棒状YAG陶瓷基底，使得介质的尺寸满足激光器结构的要求，由于仅中心小半径范围内存在掺杂Nd3+，限制腔内振荡的模式，抑制高阶模的产生，提高基模成分的激光效率，改善光束质量。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明做进一步说明：
图1是本发明实施例原理图；
图2是本发明实施例1中激光介质剖面结构示意图。
图中：1、谐振腔输入镜；2、激光二极管泵浦源；3、激光介质；4、谐振腔输出镜。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器，它至少包括激光二极管泵浦源2、激光谐振腔；激光谐振腔包括谐振腔输入镜1、激光介质3、谐振腔输出镜4，激光介质3在谐振腔输入镜1和谐振腔输出镜4之间，激光介质3是YAG透明陶瓷棒，所述YAG透明陶瓷棒的长度为l，直径为D，其特征是：在长度为l的YAG透明陶瓷棒轴线上，小于直径D长度为YAG透明陶瓷棒长l柱形空间有掺杂的Nd3+，激光二极管泵浦源2对长度为l的YAG透明陶瓷棒进行泵浦，在谐振腔输入镜1和谐振腔输出镜4之间的谐振腔产生谐振激光输出。
激光谐振腔内小于直径D长度为l的柱形空间掺杂Nd3+，用于对谐振激光的基模或低阶模振荡光产生增益放大输出。
激光介质3为中心掺杂Nd3+周围不掺杂Nd3+的YAG棒状陶瓷，激光二极管泵浦源2通过侧面泵浦陶瓷激光介质棒的Nd3+掺杂区域，使泵浦光进入Nd3+掺杂区域的掺杂粒子被吸收，限制腔内能够振荡的激光范围，使得输出激光为基模高斯光束或低阶模高斯光束。
依据谐振腔的理论对激光器中的相关参数进行设计，设L为谐振腔腔长，两个反射镜的曲率半径分别为R1和R2，根据稳定腔理论可以得到两个腔镜上基模高斯激光的光斑半径ω1和ω2分别为：
Figure BDA0002326085670000051
Figure BDA0002326085670000052
其中，λ为激光波长，
Figure BDA0002326085670000053
且满足稳定性条件，0＜g1g2＜1。
则腔内基模高斯光的平均直径可以估计为
Figure BDA0002326085670000054
控制激光介质中增益区的直径为腔内高斯光平均直径的1～2倍，使激光器以基模高斯光为主输出。
利用上述公式，设
Figure BDA0002326085670000055
也就是说：激光陶瓷介质中心掺杂区域直径d为0.8mm，激光陶瓷介质的直径D可设计为3mm，激光谐振腔的腔长L设计为50mm，输入输出镜的曲率半径R1为0.5m，可以得到R2为1m，则该激光器可以实现以基模为主的高光束质量、高效率激光输出。
实施例2
如图1和图2所示，一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器，它至少包括激光二极管泵浦源2、激光谐振腔；激光谐振腔包括谐振腔输入镜1、激光介质3、谐振腔输出镜4，激光介质3在谐振腔输入镜1和谐振腔输出镜4之间，激光介质3是YAG透明陶瓷棒，所述YAG透明陶瓷棒的长度为l，直径为D，其特征是：在长度为l的YAG透明陶瓷棒轴线上，小于直径D长度为YAG透明陶瓷棒长l柱形空间有掺杂的Nd3+，二极管泵浦源2对长度为l的YAG透明陶瓷棒进行泵浦，在谐振腔输入镜1和谐振腔输出镜4之间的谐振腔产生谐振激光输出。
激光谐振腔内小于直径D长度为l的柱形空间掺杂Nd3+，用于对谐振激光的基模或低阶模振荡光产生增益放大输出。
激光介质3为中心掺杂Nd3+周围不掺杂Nd3+的YAG棒状陶瓷，激光二极管泵浦源2通过侧面泵浦陶瓷激光介质棒的Nd3+掺杂区域，使泵浦光进入Nd3+掺杂区域的掺杂粒子被吸收，限制腔内能够振荡的激光范围，使得输出激光为基模高斯光束或低阶模高斯光束。
依据谐振腔的理论对激光器中的相关参数进行设计，设L为谐振腔腔长，两个反射镜的曲率半径分别为R1和R2，根据稳定腔理论可以得到两个腔镜上基模高斯激光的光斑半径ω1和ω2分别为：
Figure BDA0002326085670000061
Figure BDA0002326085670000062
其中，λ为激光波长，
Figure BDA0002326085670000063
且满足稳定性条件，0＜g1g2＜1。
则腔内基模高斯光的平均直径可以估计为
Figure BDA0002326085670000064
控制激光介质中增益区的直径为腔内高斯光平均直径的1～2倍，使激光器以基模高斯光为主输出。
利用上述公式，设
Figure BDA0002326085670000071
也就是说：激光陶瓷介质中心掺杂区域直径d为0.9mm，激光陶瓷介质的直径D可设计为4mm，激光谐振腔的腔长L设计为80mm，输入输出镜的曲率半径R1为0.5m，可以得到R2为0.75m，则该激光器可以实现以基模为主的高光束质量、高效率激光输出。
实施例3
如图1和图2所示，一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器，它至少包括激光二极管泵浦源2、激光谐振腔；激光谐振腔包括谐振腔输入镜1、激光介质3、谐振腔输出镜4，激光介质3在谐振腔输入镜1和谐振腔输出镜4之间，激光介质3是YAG透明陶瓷棒，所述YAG透明陶瓷棒的长度为l，直径为D，其特征是：在长度为l的YAG透明陶瓷棒轴线上，小于直径D长度为YAG透明陶瓷棒长l柱形空间有掺杂的Nd3+，二极管泵浦源2对长度为l的YAG透明陶瓷棒进行泵浦，在谐振腔输入镜1和谐振腔输出镜4之间的谐振腔产生谐振激光输出。
激光谐振腔内小于直径D长度为l的柱形空间掺杂Nd3+，用于对谐振激光的基模或低阶模振荡光产生增益放大输出。
激光介质3为中心掺杂Nd3+周围不掺杂Nd3+的YAG棒状陶瓷，激光二极管泵浦源2通过侧面泵浦陶瓷激光介质棒的Nd3+掺杂区域，使泵浦光进入Nd3+掺杂区域的掺杂粒子被吸收，限制腔内能够振荡的激光范围，使得输出激光为基模高斯光束或低阶模高斯光束。
依据谐振腔的理论对激光器中的相关参数进行设计，设L为谐振腔腔长，两个反射镜的曲率半径分别为R1和R2，根据稳定腔理论可以得到两个腔镜上基模高斯激光的光斑半径ω1和ω2分别为：
Figure BDA0002326085670000081
Figure BDA0002326085670000082
其中，λ为激光波长，
Figure BDA0002326085670000083
且满足稳定性条件，0＜g1g2＜1。
则腔内基模高斯光的平均直径可以估计为
Figure BDA0002326085670000084
控制激光介质中增益区的直径d为腔内高斯光平均直径的1～2倍，使激光器以基模高斯光为主输出。
利用上述公式，设
Figure BDA0002326085670000085
也就是说：激光陶瓷介质中心掺杂区域直径为1.1mm，激光陶瓷介质的直径D可设计为4mm，激光谐振腔的腔长L设计为100mm，输入输出镜的曲率半径R1为0.75m，可以得到R2为1m，则该激光器可以实现以基模为主的高光束质量、高效率激光输出。
通过三个实施例用于说明，激光陶瓷介质中心掺杂区域直径是依据激光器的基模高斯光束或低阶模高斯光束进行设计，保证在激光谐振腔内的激光介质3产生谐振激光光路上是掺杂的Nd3+透明陶瓷。使在长度为l的YAG透明陶瓷棒轴线上，小于直径D长度的柱形空间是掺杂的Nd3+，二极管泵浦源2对掺杂的Nd3+，长度为l的YAG透明陶瓷棒中进行泵浦，在谐振腔输入镜1和谐振腔输出镜4之间的谐振腔产生谐振激光输出。
本发明中激光谐振腔内的激光介质3产生谐振激光光路上有掺杂的Nd:YAG；谐振激光光路外侧由透明陶瓷只是为了说明本发明的原理，实际上掺杂Nd:YAG和不掺杂Nd:YAG的透明陶瓷为一体式结构，从图2中看，有一个过渡的分界线。但这并不代表二者是分开的。
本发明通过依据谐振腔的理论对激光器中的相关参数进行设计，当确认了两个反射镜的曲率半径R1和R2的一个，确认了
Figure BDA0002326085670000091
Figure BDA0002326085670000092
同时确认了腔长L，可以通过公式计算曲率半径R1和R2的另一个。当然也可以确认了两个反射镜的曲率半径R1和R2、腔长，获取激光陶瓷介质中心掺杂区域直径，确认了两个反射镜的曲率半径R1和R2、激光陶瓷介质中心掺杂区域直径，获取腔长。

Claims (5)

1.一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器，它至少包括激光二极管泵浦源(2)、激光谐振腔；激光谐振腔包括谐振腔输入镜(1)、激光介质(3)、谐振腔输出镜(4)，激光介质(3)在谐振腔输入镜(1)和谐振腔输出镜(4)之间，激光介质(3)是YAG透明陶瓷棒，所述YAG透明陶瓷棒的长度为l，直径为D，其特征是：在长度为l的YAG透明陶瓷棒轴线上，小于直径D长度为YAG透明陶瓷棒长l的柱形空间有掺杂的Nd3+，光二极管泵浦源(2)对长度为l的YAG透明陶瓷棒进行泵浦，在谐振腔输入镜(1)和谐振腔输出镜(4)之间的谐振腔产生基模或低阶模振荡光产生增益放大输出。
2.根据权利要求1所述的一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器，其特征是：所述的激光介质(3)为中心掺杂Nd3+周围不掺杂Nd3+的YAG棒状陶瓷，激光二极管泵浦源(2)通过侧面泵浦陶瓷激光介质棒的Nd3+掺杂区域，使泵浦光进入Nd3+掺杂区域的掺杂粒子被吸收，限制腔内能够振荡的激光范围，使得输出激光为基模高斯光束或低阶模高斯光束。
3.一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器方法，其特征是：依据谐振腔的理论对激光器中的相关参数进行设计，设L为谐振腔腔长，两个反射镜的曲率半径分别为R1和R2，根据稳定腔理论可以得到两个腔镜上基模高斯激光的光斑半径ω1和ω2分别为：
Figure FDA0002326085660000011
Figure FDA0002326085660000021
其中，λ为激光波长，
Figure FDA0002326085660000022
且满足稳定性条件，0＜g1g2＜1。
则腔内基模高斯光的平均直径可以估计为
Figure FDA0002326085660000023
控制激光介质中增益区的直径是通过控制激光陶瓷介质直径D内的柱形空间掺杂Nd3+，柱形空间掺杂Nd3+的直径是腔内高斯光平均直径的1～2倍，并小于激光陶瓷介质直径D。
4.根据权利要求3所述的一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器方法，其特征是：依据谐振腔的理论对激光器中的相关参数进行设计，可以是确认了两个反射镜的曲率半径R1和R2的一个，确认了
Figure FDA0002326085660000024
同时确认了腔长L，可以通过公式计算曲率半径R1和R2的另一个。
5.根据权利要求3所述的一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器方法，其特征是：依据谐振腔的理论对激光器中的相关参数进行设计，当然也可以确认了两个反射镜的曲率半径R1和R2、腔长，获取激光陶瓷介质中心掺杂区域直径，或确认了两个反射镜的曲率半径R1和R2、激光陶瓷介质中心掺杂区域直径，获取腔长。
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