一种基于梯度掺杂激光陶瓷的单块非平面环形腔激光器

技术领域

本发明涉及固体激光器技术领域，尤其是指一种基于梯度掺杂激光陶瓷的单块非平面环形激光器。

背景技术

激光器由三个关键部分组成，包括光学谐振腔、增益介质和泵浦光源。增益介质负责提供光放大所需的增益，泵浦光源的主要作用是提供受激辐射粒子数反转所需要的能量，光学谐振腔则限定了光场的横模与纵模。非平面环形腔激光器通过介质表面镀膜的方式使得非平面环形腔同时具有了增益介质与谐振腔的功能，因而具有结构紧凑、噪音低、性能稳定的优势，但同时由于紧凑的结构使得增益介质内部的热量更容易沉积在一起，也就是产生了增益介质内的热效应。

增益介质的热效应是制约固体激光器提高输出功率的主要因素。泵浦光进入增益介质的能量一部分转换为了激光输出，剩余的一大部分由于量子缺陷效应转换为了热量，增益介质在吸收了由泵浦光所产生的热量后，由于其内部温度的不均匀分布而产生了温度梯度，温度梯度的产生进而导致了内部应力的变化。热效应不仅会影响输出光的振荡模式和光束质量，严重的热效应还会导致工作物质穿孔甚至断裂，大大影响激光器的输出效率，因此需要降低增益介质内的温度梯度来减小热效应。

为了改善单块内部热分布不均匀的现象，研究人员探索出了多种手段来降低单块内的热效应，传统的手段主要包括两种：低温散热法和凹面补偿法。前者需要液氮或水冷等物理降温方式将单块内部的热量排出，这无疑会降低单块激光器的可集成性。后者通过在单块前端面附近打磨出一个负透镜来使谐振腔变为非稳腔，从而补偿由热效应产生的热透镜效应。此方法加工难度较高，且本质上并没有解决由泵浦光引发的热堆积问题，因此如何有效的降低单块内部产生的热效应是本领域有待解决的关键问题之一。随着对于激光陶瓷的研究取得突破性进展，陶瓷作为激光的增益介质引起了广泛的关注，由于陶瓷与晶体相比具有可大规模制备和可灵活改变离子掺杂浓度的优势，因此将激光陶瓷作为增益介质成为了一种有效降低激光器热效应的手段。

发明内容

本发明之目的是提供一种基于梯度掺杂激光陶瓷的单块非平面环形腔激光器，能够有效改善激光器因热效应而引起的光束质量退化、振荡阈值升高、输出功率和效率降低等问题。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种梯度掺杂激光陶瓷的单块非平面环形腔激光器，包括泵浦源和准直聚焦系统，其特征在于，所述泵浦源发出的泵浦光经单模保偏光纤进入准直聚焦系统后，入射到非平面环形腔单块，所述非平面环形腔单块底面贴合有冷却热沉；

所述非平面环形腔单块自右侧的入射面朝着远离泵浦源的方向设置有N阶梯度掺杂，1阶掺杂浓度为0，2到N阶的掺杂浓度依次增大，其中第N阶的掺杂浓度不大于1.5at.％。所述泵浦光在非平面环形腔单块内的路径是：泵浦光自单块右侧面在A点以一定角度入射，然后经过单块腰部侧面的B点反射后继续深入单块，经B点反射后经过最后一阶掺杂的侧壁的C点反射朝着单块外部路径进行，然后经过单块腰部侧面的D点反射后经过A点射出，光线在单块内的深入路径ABC和外出路径CDA呈对称的三角形。激光在单块内实现单项运转，实现单频激光输出。

进一步的，激光的深入路径和外出路径均经过N阶掺杂段。

进一步的，所述准直聚焦系统由输入端的准直透镜和输出端的聚焦透镜构成。

进一步的，掺杂的离子为Er

进一步的，所述单块的入射端面镀有对泵浦光高透以及对振荡光高反的介质膜；同时对振荡光的水平偏振光和垂直偏振光具有不同的反射率，从而使腔内的两种光具有不同的损耗差，起到选择输出单频的作用。该介质膜一般为氧化物、金属或稀土材料等薄层材料。

进一步的，该单块为上下平面平行的八面体结构，入射端面与上下平面垂直，入射端面的前后侧分别相接有向左延伸且置于上下平面之间的第一腰部平面，所述第一腰部平面与上下平面以及入射端面均垂直，所述第一腰部平面左侧相接有第二腰部平面，所述第二腰部平面相接于上下平面之间，所述第二腰部平面的左端向内倾斜伸出，两第二腰部平面左侧壁之间连接有第三腰部平面，所述第三腰部平面上下端相接在上下平面上，所述第三腰部平面呈倒梯形且第三腰部平面的上侧边朝着入射端面方向倾斜，所述的下表面为冷却面，通过与TEC制冷系统控制的紫铜热沉接触来实现温度控制。该单块的结构紧凑，单块的大小与指甲盖相当，使得封装后的激光器体积减小。

进一步的，掺杂阶次为N＝4，1阶为无掺杂部分，2阶子单块的掺杂浓度为0.2-0.4at.％，3阶子单块的掺杂浓度为0.4-0.6at.％，4阶子单块的掺杂浓度为1-1.2at.％。

进一步的，掺杂阶次为N＝4，该单块的长为12mm、宽为14mm、高为4mm，在入射端面镀有对输入的808nm光的高透介质膜，其中在s光方向的透过率为80％，在p光方向的透过率为97％；同时，还镀有对1064nm输出光的高反射介质膜，在s光方向上的反射率为97％，p光方向上的反射率为82％，这就能够保证激光输出中p光的纯度；掺杂阶段梯度沿着单块的宽度方向进行，1阶无掺杂部分的长度为2mm，2、3、4阶梯掺杂部分的长度均为4mm。

本发明的有益效果：

1.采用了单块非平面环形腔的设计结构，将增益介质与谐振腔结合在一起，避免了其它光学元件的插入损耗，可以高效的获得单纵模的激光输出，提高了激光器内部的空间利用率。

2.由于采用了具有梯度掺杂的激光陶瓷作为增益介质，在不增加额外的散热设备的情况下减小了腔内热效应，有效提高了单块的最大单频输出功率，并且具有较高的集成性。

3.由于梯度浓度掺杂的结构设计，使得单块内的热分布在轴向上呈现均匀的分布特征，大大减弱了谐振腔内由热堆积引起的热透镜效应，能够得到更高的激光输出功率和光束质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的梯度掺杂激光陶瓷单块非平面环形腔激光器系统主要结构示意图。

图2为单块非平面环形腔的结构示意图(分别为立体示意图，俯视图，左视图，主视图)。

图3为通过有限元分析方法得到的在一定泵浦条件下单块内部入射方向上的温度分布曲线(虚线表示三种实施例的掺杂方案，实线表示等效均匀掺杂方案)。

具体实施例

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种梯度掺杂激光陶瓷的单块非平面环形腔激光器，包括：泵浦源、准直聚焦系统、N阶梯度掺杂激光陶瓷单块，其特点为：所述的泵浦源采用808nm的激光二极管进行泵浦，经过单模保偏光纤进入准直聚焦系统聚焦后，入射到非平面环形腔的入射端面上，在腔内经过三次全反射后回到入射端面形成一个闭合的光路。

为了有效减小入射端面附近由于热膨胀引起的畸变效应，将1阶子单块设计为无掺杂的纯YAG陶瓷，综合梯度掺杂激光陶瓷烧结过程中各阶子单块表面间浓度扩散现象和陶瓷内杂质粒子的影响，且考虑到激光陶瓷实际生产中的加工难度，子单块的长度均取为整数，各阶子单块(2-4阶)的掺杂浓度分别取为0.2-0.4at.％、0.4-0.6at.％、1.0-1.2at.％。

以下表格为梯度掺杂浓度表

所述的N阶梯度掺杂激光陶瓷单块的入射端面镀有特殊的介质膜，以实现对泵浦光的高度透射，对振荡光的高度反射，同时对振荡光的水平偏振光(p光)和垂直偏振光(s光)具有不同的反射率，从而使腔内的两种光具有不同的损耗差，起到选择输出单频的作用。

下面给出一个该发明的具体实施例1，

图1为梯度掺杂激光陶瓷单块非平面环形腔激光系统结构图，由图可见，本发明所述的激光系统主要包含：泵浦源1、准直聚焦系统的准直透镜2和聚焦透镜3、4阶梯度掺杂激光陶瓷单块5、冷却热沉4，其特点为：

所述的N阶梯度掺杂激光陶瓷单块如图2所示，本实施方法中掺杂阶次为N＝4，单块的材料为掺钕(Nd)的YAG激光陶瓷材质，图中α为泵浦光从输入输出耦合面A的入射角或者出射角，泵浦光在单块晶体内部沿着逆时针ABCDA路径或者顺时针ADCBA传输。路径ABCDA由ABD和BCD两个三角形组成，它们有共同的边BD，长度为L

所述单块的具体尺寸为：长L＝12mm、宽W＝14mm、高H＝4mm。单块非平面环形腔5总共有8个抛光面，其中4个光学面作为工作面，另外4个平面作为辅助面。下表面作为传热面进行单块控温，下表面与紫铜热沉4、连接。在输入输出耦合面上，镀有对808nm输入光的高透介质膜，其中在s光方向的透过率为80％，在p光方向的透过率为97％。同时，还镀有对1064nm输出光的高反射介质膜，在s光方向上的反射率为97％，p光方向上的反射率为82％，这就能够保证激光输出中p光的纯度。

所述波长为808nm的泵浦光由激光二极管1发出后，经过由一个焦距为20mm的准直透镜2和一个焦距为50mm的聚焦透镜3所组成的准直聚焦系统后，泵浦光与单块非平面环形腔入射面成α＝45°入射到单块内部，增益介质在泵浦光的激发下发生受激辐射产生1064nm的输出光。

1阶无掺杂部分的长度为L

下面结合本发明的实施例，简要介绍一种基于梯度掺杂陶瓷的单块非平面环形腔激光器系统生成1064nm波段激光输出方法。

本实例中，激光二极管的输出波长为808nm，最大输入电流为5A，最高输出功率为5W，半角发散角约70mrad，激光二极管的输出束腰半径约为100μm。准直聚焦系统2和3由一个焦距为20mm的准直透镜和一个焦距为50mm的聚焦透镜组成。

本实施例提供了一种基于梯度掺杂激光陶瓷的单块非平面环形腔激光器，该方法可以有效的提高单频激光器的最大输出功率与输出光的光束质量。

实施例2，该实施例相比实施例1仅改变了梯度掺杂的浓度，其余同实施例1。

1阶无掺杂部分的长度为L

实施例3，该实施例相比实施例1仅改变了梯度掺杂的浓度，其余同实施例1。

1阶无掺杂部分的长度为L

以上三种实施例的掺杂浓度方案均在上述发明内容中所阐述的掺杂浓度范围内，通过图3可以看到，在所规定的掺杂范围内的三种方案与等效均匀掺杂方案相比，入射端面附近的温度得到了有效降低，且在单块中心部分的温度分布相对均匀，符合本发明的预期效果。

应当指出，上述实例仅代表本发明中的较佳实施案例，不应被视为对本发明保护范围的限制。在本发明的核心精神和原则下，任何对其进行的修订、等效替代、或改进，均应纳入本发明的保护范围内。