基于偏振耦合的双端端面泵浦固体激光器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于偏振耦合的双端端面泵浦固体激光器，包括泵浦源(1)、准直透镜(2)、偏振分光棱镜(3)、二分之一波片(4)、反射镜(5)、聚焦透镜、激光增益介质(7)和激光谐振腔。所述泵浦源(1)为光纤耦合输出激光二极管，其输出的激光为非偏振光。所述的激光增益介质(7)为各向异性的单轴晶体。光纤耦合输出激光二极管输出的非偏振激光经偏振分束棱镜分解为两束偏振激光，通过光学系统从增益介质的两个端面分别耦合进增益介质，并使进入增益介质的泵浦激光的偏振方向与激光增益介质中某一光轴平行，实现双端端面偏振光泵浦。本发明专利技术可克服非偏振单端端面泵浦导致的热负荷分布不均匀等问题，从而提高激光器的输出功率、光束质量及运转稳定性。

Double ended end pumped solid state laser based on polarization coupling

The present invention provides a dual end pumped solid-state laser based on polarization coupling, which comprises a pumping source (1), a collimating lens (2), polarization beam splitter (3), a two cent piece (4), mirror (5), a focusing lens, a laser gain medium and laser (7) resonant cavity. The pump source (1) is coupled with an optical fiber to output a laser diode whose output laser is unpolarized light. The laser gain medium (7) is an anisotropic uniaxial crystal. Non polarized laser fiber coupled laser diode output by a polarization beam splitter is decomposed into two polarized laser, through the optical system from the two end of the gain medium are coupled into the gain medium, and the polarization direction of the laser pumped into the gain medium and laser gain medium in an optical axis parallel, double end pumped polarized light. The invention can overcome the uneven distribution of heat load caused by the non polarized single end pumping, thereby improving the output power, the beam quality and the running stability of the laser.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及全固态激光器，具体是一种基于偏振耦合的双端端面泵浦固体激光O
技术介绍
以激光器为核心的激光技术，对先进制造业及相关产业、科学技术、医疗技术和国 防科技的进步与发展起到越来越重要的作用。随着激光二极管生产及封装技术的提高，激 光二极管泵浦的固体激光器得到迅猛发展。该类器件不仅使固体激光器真正实现了全固 态，而且具有高效率、长寿命、结构紧凑、频率稳定等优点。激光二极管泵浦的固体激光器按 泵浦耦合方式可以端面泵浦激光器和侧面泵浦激光器。侧面泵浦激光器的优点是沿增益介 质的轴向泵浦光均勻分布，因此在增益介质轴向上热负荷均勻分布，但是其缺点是泵浦激 光与振荡激光的模式覆盖度差，激光阈值高，效率低。与侧面泵浦激光器相比，端面泵浦激 光器可以通过进行激光谐振腔设计和泵浦的整形和聚焦，使泵浦光与振荡激光之间实现模 式匹配，激光器可直接实现单横模运转，且该类激光器具有激光泵浦阈值功率低、转换效率 高和结构紧凑等优点。随着工业和科学技术等领域的技术发展，对激光器输出激光的光束 质量提出越来越高的需求。在提高激光器输出功率的同时，如何提高输出激光的光束质量 和激光转换效率是激光器研制过程中大家普遍关注的问题。在激光二极管端面泵浦固体激光器中，虽然可以通过使泵浦光与振荡激光之间实 现模式匹配直接实现单横模运转、提高转换效率，但是由于泵浦能量集中，会导致激光增益 介质具有严重的热效应。当泵浦光沿增益介质的轴向传播，在增益介质的泵浦端面，泵浦光 的强度最高，增益介质的热效应最严重；随着增益介质对泵浦光的吸收，在增益介质的非泵 浦端面，增益介质的热效应相对比较弱。因此，在激光二极管端面泵浦固体激光器结构中， 沿增益介质的轴向泵浦光分布不均勻导致热负荷不能均勻分布，而且泵浦光在增益介质的 泵浦端面强度最高还会导致严重的端面效应。在研制高功率激光器的过程中，为提高激光 的输出功率需要增加泵浦功率，上述情况导致的增益介质的热畸变会更严重，从而影响激 光器输出激光的光束质量。另一方面，在激光二极管泵浦固体激光器中，为提高激光器的光 光转换效率，需要使泵浦激光的中心波长和增益介质的吸收峰的中心波长相匹配。对于各 向异性的激光增益介质，通常情况增益介质对偏振方向平行于和垂直于某一光轴(如c轴) 的泵浦光吸收系数不一致，如Nd = YVO4增益介质，在中心波长808nm及880nm的吸收峰处， 偏振方向平行于c轴的泵浦光吸收系数是垂直c轴的4倍多；甚至增益介质对偏振方向平 行于和垂直于c轴的泵浦光的吸收中心波长不一致，如Nd: YLF增益介质，偏振方向平行于 c轴的泵浦光的吸收中心波长为792nm，而偏振方向垂直于c轴的泵浦光的吸收中心波长 为797nm。因此，在激光二极管泵浦的各向异性激光增益介质的固体激光器中，为提高激光 器的光光转换效率，不仅需要使泵浦激光的中心波长和增益介质的吸收峰的中心波长相匹 配，还需要使泵浦激光的偏振方向和所对应的增益介质的光轴相一致。随着激光二极管设计和生产技术的进步，迄今为止，光纤耦合输出激光二极管的最大输出功率已达500W。目前，在高功率激光二极管端面泵浦固体激光器的研制中，普遍 采用光纤耦合输出激光二极管作为激光器的泵浦源，以提高输出激光的光束质量和光光转 换效率。但光纤耦合输出激光二极管的输出激光为非偏振光，通过准直聚焦光学系统端面 耦合致各向异性激光增益介质后，会存在以下问题而导致降低激光器输出激光的光束质量 和转换效率。第一，各向异性激光增益介质对偏振方向平行于和垂直于某一光轴的泵浦光 吸收系数不一致，如上所述一般相差数倍，泵浦光沿平行于某一光轴方向很快被吸收、而沿 垂直某一光轴方向需要相对长的吸收长度，因此激光增益介质平行于和垂直于某一光轴方 向的热负荷、温度梯度不一致，导致增益介质的端面效应、热透镜效应在两个方向上不一 致，进而影响激光器的运转稳定性、输出激光的偏振方向和光强分布；导致增益介质产生热 畸变，进而降低输出激光的光束质量、增加增益介质破裂的危险性。第二，光纤耦合输出激 光二极管的输出激光为非偏振光，其偏振状态会随耦合光纤的放置方位、盘园直径、扭曲角 度、光纤上的压力温度等的变化而变化，导致各向异性激光增益介质对偏振平行于和垂直 于某一光轴的泵浦光吸收也在变化，从而影响激光器的运转状态。第三，沿增益介质的轴 向泵浦光分布不均勻导致热负荷不能均勻分布，尤其为提高激光器输出功率而增加泵浦功 率，增益介质中热负荷分布不均勻及泵浦端面的端面效应更严重，会影响激光器输出激光 的功率和光束质量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于偏振耦合的双端端面泵浦固体激光器，解决非偏振 单端端面泵浦导致的热负荷分布不均勻等问题，提高激光器的输出功率、光束质量及运转 稳定性。本专利技术提供的基于偏振耦合的双端端面泵浦固体激光器，包括作为泵浦源1、准直 透镜2、偏振分光棱镜3、二分之一波片4、反射镜5、第一聚焦透镜61、第二聚焦透镜62、激 光增益介质7和激光谐振腔；所述的泵浦源1为光纤耦合输出的激光二极管，其输出的激光 为非偏振光；所述的激光增益介质7为各向异性的单轴晶体，其对于偏振方向平行于和垂 直于某一光轴(如c轴)的泵浦光吸收系数不一致、甚至吸收中心波长不一致；根据上述 设计，泵浦源1输出的非偏振激光通过透镜2准直后，经偏振分光棱镜3分解为偏振方向相 互垂直的两束泵浦激光，偏振方向与激光增益介质某一光轴(如c轴)平行的一束泵浦激 光经第一聚焦透镜61，从激光增益介质7的一个端面耦合进激光增益介质；偏振方向与之 垂直的另一束泵浦激光经二分之一波片4将偏振方向旋转90度，再经至少两个反射镜5反 射、然后经第二聚焦透镜62，从激光增益介质7的另一个端面耦合进激光增益介质。所述的激光谐振腔由第一输入耦合镜81、第二输入耦合镜82、腔镜9和输出耦合 镜10构成。第一输入耦合镜81、第二输入耦合镜82、腔镜9和输出耦合镜10可以是平面 反射镜、凸面反射镜或者凹面反射镜，腔镜可以没有或者其数目是1个或者多个(1个时用9表示，多个时用91、92、93......等表示)，具体情况根据具体的激光器设计而决定。通过设计激光谐振腔的结构及腔长，使在激光增益介质的振荡激光与泵浦激光实现模式匹配，使 激光器直接实现单横模运转。激光谐振腔的结构可以是线性驻波谐振腔，以获得单横模激 光输出；激光谐振腔的结构也可以是环形谐振腔，并在谐振腔内放置由二分之一波片11、 法拉第旋转器12构成的光学单向器，使激光器单向行波运转，以获得单频激光输出。所述的基于偏振耦合的双端端面泵浦固体激光器，可以包括倍频晶体13。所述的 倍频晶体是KTP、LB0、BB0、LiNb03或PI3KTP等。腔内插入倍频晶体可改变激光器的波长，有 效拓宽激光器的波长范围。具体情况下，可以根据激光器的波长、相位匹配方式和输出功率 等参数，选取合适的晶体作为倍频晶体。所述基于偏振耦合的双端端面泵浦固体激光器，可以包括选取单纵模的元件和频 率调谐元件14，使激光器实现单频运转和实现频率调谐。所述的选取单纵模的元件是标准 具、光学单向器、双折射滤光片或四分之一波片等。所述的频率调谐元件14是电光晶体、双 折射滤光片或压电陶瓷等。所述的基于偏振耦合的双端端本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于偏振耦合的双端端面泵浦固体激光器，包括作为泵浦源（１）、准直透镜（２）、偏振分光棱镜（３）、二分之一波片（４）、反射镜（５）、第一聚焦透镜（６１）、第二聚焦透镜（６２）、激光增益介质（７）和激光谐振腔；所述的泵浦源（１）为光纤耦合输出的激光二极管，其输出的激光为非偏振光；所述的激光增益介质（７）为各向异性的单轴晶体；泵浦源（１）输出的非偏振激光通过准直透镜（２）准直后，经偏振分光棱镜（３）分解为偏振方向相互垂直的两束泵浦激光，偏振方向与激光增益介质某一光轴平行的一束泵浦激光经第一聚焦透镜（６１），从激光增益介质（７）的一个端面耦合进激光增益介质；偏振方向与之垂直的另一束泵浦激光经二分之一波片（４）将偏振方向旋转９０度，再经至少两个反射镜（５）反射、然后经第二聚焦透镜（６２），从激光增益介质（７）的另一个端面耦合进激光增益介质。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张宽收，刘建丽，彭堃墀，
申请(专利权)人：山西大学，太原山大宇光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：14