一种多通泵浦Yb:YAG双包层平面波导激光放大器

技术领域

本发明涉及了一种可实现高功率、高效率的多通泵浦Yb:YAG双包层平面波导1030nm激光放大器。设计了新的增益介质复合结构，采用对称多通泵浦方式，并通过热键合技术将Yb:YAG、Er:YAG、YAG、尖晶石进行键合，构成新的双包层平面波导放大器。属于固体激光放大器技术领域。

技术背景

平面波导激光器结合了板条激光器和光纤激光器的优点，增益介质层较薄，具有较大的纵横比，在空间上近似产生一维的热流方向和一维的热梯度，大面冷却具有很好的散热能力，可以有效的抑制热效应，便于热管理；类似光纤的波导结构可以限制激光模式，光束质量好；双包层结构限制泵浦光传输，泵浦效率高；且具有大的功率体积比，结构紧凑，适应于一些需要高功率激光的小型化、轻量化的应用场景。

在平面波导放大器中，增益介质材料是影响放大器性能的关键因素。高功率输出的平面波导放大器多采用Nd:YAG或Yb:YAG作为增益介质材料，Nd:YAG平面波导放大器的泵浦吸收率高，但光-光效率低，主要是因为Nd

针对这一问题，本发明设计了一款多通泵浦的Yb:YAG双包层平面波导激光放大器，使泵浦光在平面波导内形成“之”字形光路多次通过芯层，泵浦光在两个侧面反射面间反射一定次数后会折返，大幅提高芯层对泵浦光的吸收长度，提高低掺杂Yb:YAG的泵浦吸收效率，同时该结构具有较好的吸收均匀性。

发明内容

本发明的目的在于设计一种多通泵浦的Yb:YAG双包层平面波导激光放大器，芯层采用低掺杂的Yb:YAG，避免高掺杂时的再吸收效应，该结构可以实现泵浦光多次通过芯层，通过控制切角能使泵浦光在反射一定次数后会折返，再次通过芯层，提高芯层对泵浦光的吸收长度，实现高效率、高功率的激光输出。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的多通泵浦结构的Yb:YAG双包层平面波导激光放大器主要包括：多通泵浦的双包层平面波导结构1、泵浦源2、泵浦耦合系统3、种子源4及种子耦合系统5。泵浦源2出射的泵浦光通过泵浦耦合系统3进行快轴聚焦，慢轴准直后由多通泵浦的双包层平面波导结构1的泵浦入射面进入，通过反射面间的多次反射，提高泵浦效率；种子源4出射的种子光通过种子耦合5耦合进多通泵浦的双包层平面波导结构1的一个端面，经过增益介质放大后，从另一个端面输出。

所述的多通泵浦的双包层平面波导结构，由三部分组成，分别为核心区、扩展区和外包层。核心区由芯层和内包层组成，芯层为Yb:YAG晶体，上下内包层为Er:YAG晶体；拓展区为YAG晶体，厚度与核心区相同，用于改善核心区4个面的热效应；外包层覆盖核心区与拓展区，材料为尖晶石，构成双包层平面波导波导复合结构。此外，通过设计侧面切角、泵浦入射和反射面的尺寸，泵浦光在波导内形成足够多的反射次数，并在达到芯层底部时折返回来，再次通过芯层，使Yb:YAG芯层对泵浦光有足够长的吸收长度，并且泵浦光在芯层宽度方向(种子光传播方向的径向)分布相对均匀。设计外包层的厚度，保证足够的散热性能，能够在高功率下工作。通过热键合技术将Yb:YAG、Er:YAG、YAG、尖晶石制备为一体结构，示意图如图2所示。

所述的泵浦源为连续输出的半导体激光堆栈。

所述的泵浦耦合系统是两个相互垂直放置的柱透镜系统，快轴方向的柱透镜对出射的泵浦光在快轴方向进行压缩聚焦，慢轴方向的柱透镜对出射的泵浦光在慢轴方向进行准直，再耦合进波导入射面。

所述的种子源选择的是一款波长为1030nm的连续输出的光纤激光器。

所述的种子耦合系统选用的是两个平凸透镜和一个柱透镜，两个平凸透镜对种子光进行扩束准直，在通过一个柱透镜将种子光耦合进波导芯层。

与现有的端面泵浦的双包层平面波导放大器相比，本发明具有如下优点：

1、本发明采用多通泵浦的双包层平面波导结构，泵浦光通过入射面进入波导，泵浦光传输过程中多次通过芯层增益介质，反射一定次数以后光路折返，提高增益介质的吸收长度，有效提高了泵浦吸收率。

2、本发明的平面波导中，采用掺杂材料Er:YAG，对泵浦光和种子光均不吸收，通过调整包层Er:YAG的掺杂浓度，可以和芯层Yb:YAG的折射率形成很好的匹配，减小芯层与包层间的数值孔径NA，增大基模输出时，芯层的厚度上限，从而提高芯层的厚度，提高放大器输出功率。

3、本发明的外包层采用了尖晶石，波导制备采用键合技术，因为尖晶石与YAG的热膨胀系数接近，易于键合。除此之外，也可以选用其它导热性能更好的材料，使增益介质能更易散热，改善了增益介质中心和侧面的温度梯度，减小热效应，实现高功率、高光束质量的激光输出。

附图说明

图1是多通泵浦Yb:YAG双包层平面波导激光放大器装置图。

图1中：1、多通泵浦Yb:YAG双包层平面波导结构，2、泵浦源，3、泵浦耦合系统，4、种子源，5、种子耦合系统。

图2是多通泵浦双包层平面波导结构示意图。

图3是多通泵浦Yb:YAG双包层平面波导结构尺寸图。

图4是泵浦光耦合系统。

图5是种子光耦合系统。

图6是泵浦功率10kW时，注入种子光200W时，平面波导激光放大器增益介质的泵浦吸收功率密度分布。

图7是泵浦功率10kW时，注入种子光200W时，平面波导激光放大器增益介质的温度分布。

具体实施方式

下面结合附图1至图7对本发明的多通泵浦Yb:YAG双包层平面波导激光放大器的内容作进一步说明：

参阅图1，是激光放大器的结构图，此放大器由多通泵浦Yb:YAG双包层平面波导结构1、泵浦源2、泵浦耦合系统3、种子源4、种子耦合系统5、组成。

参阅图2，为多通泵浦双包层平面波导结构。中心部分的芯层选用为Yb:YAG作为增益介质，上下内包层为Er:YAG晶体，中心部分四周包裹着YAG晶体，上下大面覆盖尖晶石作为外包层，四种材料通过热键和技术结合为一个整体结构，外形为对称多边形结构，短侧面为泵浦入射面，长侧面为泵浦反射面，两个相对平行的端面为种子光入射和出射面。泵浦光(941nm)通过泵浦入射面进入波导，种子光(1030nm)从端面进入到增益介质内部进行放大。此外，通过Zemax光线追迹法结合Comsol有限元模拟可知，泵浦光在内部多次反射后，大幅增加了增益介质吸收长度，本发明的波导结构中Yb:YAG可存储不低于95％的泵浦能量，有效提高泵浦吸收效率。

参阅图3，为多通泵浦Yb:YAG双包层平面波导结构尺寸图。其中Yb:YAG的尺寸为80mm(长)×16mm(宽)×0.2mm(厚)，上下内包层的厚度各为0.5mm，上下外包层的厚度各为2mm，波导整体长度为140mm(长)×50mm(宽)×5.2mm(厚)。A为波导入射面切角为15°，B为反射面切角为0.5度。

参阅图4，为泵浦耦合系统。泵浦源选择的是一款连续输出的半导体激光堆栈(25bar×1列)，快轴发散角为5mrad(全角，95％能量)，慢轴发散角为8.5度(全角，95％能量)，发光区域尺寸为45.6mm×10mm，出光面积为45.6mm(快轴)×10mm(慢轴)，中心波长941nm，最大输出功率5000W。出射的泵浦光通过焦距为150mm柱透镜，对快轴方向进行压缩聚焦，通过130mm的柱透镜，对慢轴方向进行准直后，进入激光增益介质。

参阅图5，为种子光耦合系统。种子源选择的是一款连续输出的线偏振光纤激光器，输出波长为1030nm，最大输出功率200W，光束质量M

参阅图6，为泵浦功率10kW时，注入种子光200W时，平面波导激光放大器增益介质的泵浦吸收功率密度分布。利用Zemax光线追迹结合COMSOL有限元分析软件进行模拟，由于平面波导介质层在厚度方向很薄，近乎于一维的热分布，因此分析大面方向的泵浦吸收分布，最大吸收泵浦功率密度为58.1W/mm

参阅图7，为泵浦功率10kW时，注入种子光200W时，平面波导激光放大器增益介质的温度分布。利用Zemax光线追迹结合COMSOL有限元分析软件进行模拟，波导上下大面采用铜质水冷散热，h＝20000W/(m

本发明设计了一种多通泵浦的Yb：YAG平面波导放大器，实现了高功率、高效率的性能。采用多通泵浦的平面波导结构，通过多次反射泵浦光，大幅提高泵浦吸收长度，实现高功率、高效率的激光放大。当对称泵浦10kW，注入种子激光200W时，吸收泵浦光9730W，经放大器放大输出激光7375W。本发明所述的多通泵浦平面波导结构可以广泛应用于平面波导激光放大器中，易于实现高功率，高效率的目标。