一种小体积大芯径双包层Yb:YAG晶体波导激光器

技术领域

本发明涉及一种可实现高泵浦吸收效率、高功率及高光束质量激光输出的大芯径双包层1030nm晶体波导激光器。设计了新的波导复合结构，采用单端泵浦方式，使用热键合技术对Yb:YAG晶体、Er:YAG晶体光学材料进行键合，构成新的双包层晶体波导激光器。属于固体激光技术领域。

背景技术

晶体波导结合了块状晶体材料上与光纤结构上的优点，可以有效地减弱热效应和非线性效应的影响，具备实现高功率、高光束质量激光输出的潜力。

目前晶体波导按照包层不同可以分为单晶光纤、单包层晶体波导、双包层晶体波导。单晶光纤由单晶棒结构发展而来，其截面常常为圆形，整体呈细长棒状。单晶光纤对泵浦光具有波导作用，具有高单程增益的特性；然而单晶光纤采用空气作为包层导致其具有较大的数值孔径，对信号光未形成导波限制，难以实现高光束质量激光输出。单包层晶体波导具有芯层及包层两部分，可以对信号光形成良好的模式限制，从而获得良好的光束质量；然而单包层波导中包层晶体具有较大的厚度尺寸，导致其不能限制泵浦光，发散的泵浦光会从包层表面溢出。为了提高对泵浦光的吸收效率，需要制备外包层形成双包层波导结构，其对泵浦光及信号光同时具有波导作用，使其实现高功率、高光束质量的激光输出。

当前制备双层晶体波导主要有两种方式，一种是通过直接键合技术在矩形芯径四周键合内包层，在内包层四周再键合低折射率的晶体材料(例如尖晶石或蓝宝石)等形成外包层

针对现有晶体波导激光器中存在的不足，本发明设计了一种小体积大芯径双包层晶体波导激光器。首先采用热键合技术制备了波导芯层和内包层，通过选用掺杂晶体作为内包层使芯、包层间的折射率差降低到4×10

参考文献

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发明内容

本发明的目的在于设计一种复合结构的大芯径双包层Yb:YAG晶体波导激光器，克服现有晶体波导激光器中存在的不足，实现高效率、高功率、高光束质量、小体积及高可靠性的优良性能。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的双包层结构的Yb:YAG晶体波导激光器主要包括：双包层晶体波导结构1、泵浦源2、泵浦耦合系统3、后腔镜4以及输出耦合镜5。泵浦源2出射的泵浦光经泵浦耦合系统3进行缩束后，以一定的发散角从双包层晶体波导结构1的泵浦入射面进入波导，在内包层的限制下多次通过芯层被充分吸收，并在后腔镜4与输出耦合镜5构成的谐振腔作用下产生激光振荡，从输出耦合镜5的右端面得到激光输出。

所述的双包层晶体波导结构由三部分构成，分别为芯层、内包层和外包层。芯层材料为Yb:YAG晶体，内包层材料为Er:YAG晶体，利用空气作为外包层。通过控制芯层及内包层晶体的离子掺杂浓度，对二者之间的折射率进行精确匹配，并引入模式竞争的方式扩大基模芯径尺寸，提高基模输出功率。通过热键合技术将Yb:YAG晶体、Er:YAG晶体两种光学材料制备为一体结构，示意图如图2所示。芯层为方形结构，四周键合包层晶体，使介质对水平和竖直两个方向的信号光传输模式均形成波导作用；内包层设计为圆形结构，其表面经过光学抛光处理，利用内、外包层(空气)的折射率差对泵浦光进行限制，使泵浦光在内包层表面间多次进行反射，有效增加Yb:YAG芯层的泵浦吸收长度，提升芯层轴向上的泵浦吸收均匀性。双包层晶体波导结构的左右两端面均镀有940nm及1030nm增透膜。

所述的泵浦源为光纤耦合半导体激光器，中心波长为940nm，谱线宽度为0.2nm。光纤芯径为105μm，数值孔径NA为0.22。

所述的泵浦耦合系统由两个凸透镜组成，泵浦源输出的泵浦光通过耦合系统对其进行准直聚焦，整形后的泵浦光以一定发散角进入波导，该发散角需满足波导全反射条件。

所述的后腔镜表面镀有940nm增透膜及1030nm全反膜。所述的输出耦合镜对1030nm波长部分透射。

所述的双包层晶体波导结构(1)为复合结构，芯层材料选用Yb:YAG晶体作为增益介质，内包层材料选择对泵浦光和振荡光均透明的Er:YAG晶体，采用空气作为外包层。通过热键合技术将Yb:YAG晶体、Er:YAG晶体制备为一体结构。所述的双包层晶体波导结构(1)的芯层截面为方形结构，内包层截面为圆形结构，其表面经过光学抛光处理，并利用外包层空气的低折射率特性形成对泵浦光的波导作用。

与现有晶体波导激光器相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用双包层晶体波导结构，通过控制内包层材料的离子掺杂浓度，使其与芯层的折射率形成良好匹配，并引入模式竞争的方式扩大基模芯径尺寸，增加了基模模场面积，在保证高光束质量的同时提高输出功率。

2、本发明的新晶体波导结构中，芯层设计为方形结构，四周键合包层晶体，使介质对水平、竖直两个方向的信号光传输模式均起到波导作用；内包层设计为圆形结构，采用空气作为外包层，利用内、外包层间的折射率差对泵浦光进行限制。相比于单包层波导提高了泵浦吸收效率和吸收均匀性；相比于键合晶体作为外包层，其结构简单具有更高的应用价值；相比于液相外延法、溅射沉积法等制备的双包层晶体波导有更大的芯层基模的模场尺寸。

3、本发明的新晶体波导结构中，泵浦光以发散的方式耦合进波导，不同于传统的聚焦入射方式，避免了会聚点处较高的热应力，可承载更高的泵浦功率密度，同时提升了泵浦吸收均匀性，改善增益晶体的热效应。所述的泵浦耦合系统(3)对泵浦光进行整形，整形后的泵浦光在进入双包层晶体波导结构(1)时的发散角需满足波导内包层表面的全反射条件。泵浦光进入双包层晶体波导结构(1)之后，在内包层表面间来回反射，多次经过芯层，有效增加泵浦吸收长度，提升芯层的泵浦吸收效率以及轴向上的泵浦吸收均匀性，实现高效率泵浦。

4、本发明的新晶体波导结构中，内包层采用对泵浦光及振荡光均不吸收的Er:YAG晶体，其在限制泵浦光的同时，对芯层Yb:YAG晶体起到热沉的作用，有利于芯层散热，改善热效应。所述的双包层晶体波导结构(1)的内包层为Er:YAG晶体，芯层为Yb:YAG晶体，通过控制芯层及内包层材料的离子掺杂浓度，对二者之间的折射率进行精确匹配以扩大基模芯径尺寸，并引入模式竞争的方式进一步扩大基模的模场面积，实现高功率、高光束质量激光输出。晶体波导采用热键合技术制备，使得激光器整体结构紧凑、可靠性高，具备实现小型化、集成化、量产的工程应用要求。

附图说明

图1是大芯径双包层Yb:YAG晶体波导激光器装置图。

图1中：1、双包层Yb:YAG晶体波导结构，2、泵浦源，3、泵浦耦合系统，4、后腔镜，5、输出耦合镜。

图2是双包层Yb:YAG晶体波导结构三维立体图。

图3是双包层Yb:YAG晶体波导结构主视图及左视图。

图4是双包层Yb:YAG晶体波导结构尺寸图。

图5是双包层Yb:YAG晶体波导激光器泵浦光耦合进波导时的发散角度示意图。

图6是泵浦光以不同发散角度进入波导后的热效应对比图。

图7是泵浦功率500W时，双包层晶体波导激光器增益介质的温度分布图。

图8是泵浦功率500W时，双包层晶体波导激光器增益介质的热应力分布图。

具体实施方式

下面结合附图1至图8对本发明的大芯径双包层Yb:YAG晶体波导激光器的内容作进一步说明：

参阅图1，为双包层晶体波导激光器的结构示意图。此激光器由双包层Yb:YAG晶体波导结构1、泵浦源2、泵浦耦合系统3、后腔镜4、输出耦合镜5组成。

参阅图2、图3，分别为双包层Yb:YAG晶体波导结构三维立体图、主视图和左视图。本发明的双包层晶体波导由A、B、C三部分构成，其中A为中间芯层，B为内包层，C为外包层。芯层材料选用1.0at％掺杂的Yb:YAG晶体作为增益介质，内包层材料选用0.5at％掺杂的Er:YAG晶体，采用空气作为波导外包层，通过热键合技术将芯层与内包层结合为一个整体结构。芯层A为方形结构，内包层B为圆形结构，其表面经过光学抛光处理，利用内、外包层(空气)的折射率差对泵浦光形成波导作用。晶体波导左、右两端面均镀940nm及1030nm波长增透膜。泵浦光通过泵浦入射面进入晶体波导，在内包层的限制下多次进行全内反射，使泵浦能量被芯层充分吸收，经过激光振荡产生激光输出。此外，利用Zemax光线追迹法及Comsol有限元分析法模拟可知，本发明的晶体波导中芯层Yb:YAG晶体可存储不低于83％的泵浦能量。

参阅图4，为双包层晶体波导的结构尺寸图。其中，芯层Yb:YAG晶体的横截面尺寸为400μm×400μm，内包层直径为1mm，晶体波导整体长度为65mm。

参阅图5，为双包层Yb:YAG晶体波导激光器泵浦光耦合进波导时的发散角度示意图。晶体波导内包层为0.5at％掺杂的Er:YAG，其折射率为1.816，外包层(空气)折射率为1，根据光的全反射公式计算出内包层表面满足全反射的临界角为33.5°，在忽略入射端面的折射情况下，入射泵浦光的发散角(半角)应小于56.5°。泵浦源为光纤耦合半导体激光器，其光纤芯径为105μm，数值孔径NA为0.22，对应的发散角度为12.7°。在现有条件下考虑将泵浦光进入波导时的发散角设为4.23°、6.35°、12.7°、25.4°、38.1°和50.8°，并采用Comsol有限元分析法对以上情况下的热效应进行分析，计算得到在25.4°的发散角情况下，增益介质的最大温度及最大应力值均为最低，参阅图6。基于上述分析，将泵浦光的发散角设为25.4°，实现方式为采用2:1的缩束系统对泵浦光进行压缩，从而将发散角由12.7°扩展为25.4°。

参阅图7，为泵浦功率500W时，双包层晶体波导激光器增益介质的温度分布图。利用Zemax光线追迹法及Comsol有限元分析法进行模拟计算，波导圆周面采用水冷进行散热，水冷温度为293K，其热转换系数为h＝20000W/(m

本发明提供一种小体积大芯径双包层Yb:YAG晶体波导激光器，实现高效率、高功率、高光束质量的性能。通过折射率匹配和引入模式竞争，在基模输出的情况下扩大了波导芯径尺寸，能够实现更高的基模输出功率。采用空气作为外包层，利用内、外包层的折射率差限制泵浦光以提高泵浦利用率。相比于键合晶体作为外包层，其结构简单具有更高的应用价值；相比于液相外延法、溅射沉积法等制备的双包层晶体波导有更大的芯层基模的模场尺寸。采用泵浦光发散耦合的方式，避免了传统聚焦入射方式下会聚点处较高的热应力，可承载更高的泵浦功率密度，同时提升了泵浦吸收均匀性，减缓介质轴向温度梯度。采用热键合技术制备晶体波导，使得激光器整体结构紧凑、可靠性高，内包层晶体对芯层起到热沉作用，利于芯层散热，进一步减小热效应并提高激光光束质量。