采用大数值孔径泵浦的薄盘激光器制造技术

一种光学系统包括高功率二极管泵浦源和薄盘增益介质。光学耦合器被放置在二极管泵浦源和薄盘增益介质之间。此光学耦合器产生入射到薄盘增益介质上的大数值孔径的光束。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于激光器和放大器的薄盘增益介质，更具体地说，本专利技术涉及一种采用大数值孔径光束泵浦增益介质的光学系统。
技术介绍
随着激光二极管和激光二极管阵列的功率目益增大，具有更高功率的二极管泵浦固体激光器已日趋可行。现已提出许多方案将泵浦光从多个高功率二极管棒(bar)或者二极管棒阵列有效耦合到固体增益介质。人们期望构造一种具有优良模式质量(mode quality)的高功率激光器。而随着激光器功率的增大，这具有挑战性。一种能够同时实现高功率和优良模式质量的方案是，由Brauch，Giesen，Voss和Wittig专利技术的第5,553,088号专利以及Optical Letters volume20，page713(1995)中所描述的薄盘激光器结构。在此薄盘结构中，增益介质通常是直径几毫米、厚度只有几百微米的盘。它被附着于冷却面的散热片上。该冷却面被镀膜，用以反射泵浦光以及激光光束。因此，薄盘激光器是泵浦光和激光光束共线的端面泵浦设计。如果泵浦模式与激光模式的大小相匹配，则没有任何效率损耗就可以获得很好的模式质量。与侧面泵浦结构相比较，这种薄盘激光器结构是典型的端面泵浦设计。如果此盘足够薄，则冷却是一维的，并且热梯度也与激光束共线。使得通过光束的热透镜效应很小。这种设计是针对大多数其它的端面泵浦设计提出的。因为在大多数其它的端面泵浦设计中，热透镜效应是显著的，而且必须通过对激光腔的设计实现部分补偿。由于泵浦光必须多次通过增益介质，薄盘设计肯定是增加了复杂性。论文“pumping schemes for multi-kW thin disk lasers”by Erhard，Karszewski，Stewen，Giesen，Contag and Voss in Proceedings ofAdvanced Sold State Lasers conference 2000，OSA Trends in OpticsPhotonics Series，Volume 34，page78讲述到，“对于诸如Yb:YAG这样的准三能级系统，激光激活介质对激光波长的再吸收起到重要作用。在端面泵浦结构中，通过增加激光激活介质长度是增大了泵浦吸收，可也增加了对激光波长的再吸收损耗。因此，在这种结构中总效率受到限制。提高效率的方法是，通过减少晶体长度并且/或者降低掺杂浓度，可以降低再吸收损耗而同时保持对泵浦辐射的高吸收。正如在薄盘设计中所证实的那样，在端面泵浦结构中，这可以仅仅通过泵浦辐射多次通过激活介质来实现。作者还指出，当使用更薄的晶体时，增加泵浦光穿行激活介质的次数可以达到更高的效率。泵浦光多次穿行还有第二个理由。为了保持一维冷却，盘必须是薄盘。此外，破裂限度是以盘厚度的倒数进行衡量的。不幸的是，大多数增益介质的最大掺杂量以及所对应的最大吸收是有限。吸收最强的增益介质之一是Nd:YVO4(钒酸盐)。钒酸盐是一种四能级激光器，并因此对泵浦光的全吸收是最佳的。采用1at.％掺杂的钒酸盐，为了吸收86％的泵浦辐射，要求泵浦辐射穿行4次并且盘厚为400微米。在钒酸盐中可以实现更高的Nd掺杂量，但是却导致寿命和效率的降低。最近研究集中在实现泵浦光的多次数穿行的设计方面。在采用泵浦光16次穿行的设计中，从二极管棒发出的光典型地被光纤耦合到具有0.1数值孔径(NA)的光纤束中。此泵浦光由一个反射镜成像在盘上。剩余的泵浦光由另一个反射镜收集，并且成像回盘上。随后，采用一组8个反射镜实现泵浦光16次通过增益介质。要求每个反射镜足够大，以捕获具有0.1数值孔径的泵浦光束。在一种替代设计中，采用大的抛物柱面镜，并且用此镜8个不同的分段面(segment)代替前一设计中的8个分离的反射镜。抛物柱面镜的各个分段面必须具有0.1数值孔径。这要求更亮的泵浦源(NA＜0.1)或者更大的高数值孔径的抛物柱面镜。更亮的泵浦源能够产生具有较低数值孔径的相同光斑尺寸、或者数值孔径不变的较小光斑尺寸。近来已经给出了两种将Yb掺入晶体基质的化学计量材料。第一种，YbAG，是由镱替代所有钇的YAG基质晶体(host crystal)。因而此晶体是具有100％Yb掺杂的Yb:YAG。在论文“Laserdemonstration of YbAG and Materials properties of highly dopedYb:YAG”by Patel，Honea，Speth，Payne，Hutcheson and Equall inIEEE Journal of Quantum Electronics，vol.37，page 135(2001)中描述了此晶体。对于YbAG已经显示，掺杂100％Yb的YAG晶体仍然可以得到无显著寿命衰退的优良激光晶体。最重要地，只需单次穿行，所有泵浦光在小于300微米的盘中能够被全部吸收。第二种被称为KYbW的化学计量晶体，也是由镱替代了所有钇的KYW基质晶体。在论文“Laser operation of the new stoichiometriccrystal KYb(WO4)2”，by Klopp et al.，in Applied Physics B，vol.74，page185(2000)中描述了此晶体。计算出的KYbW的吸收长度小于20微米。这些高掺杂的化学计量材料展现了一些新的可行性方案。一种方案是继续采用更薄的薄盘以及泵浦光的多次穿行。这会改善冷却效果。其它的可行方案是设计更简单、更低成本的系统。以前尚未考虑将更高数值孔径的泵浦方案用于薄盘系统，因为对于多次穿行泵浦采用高数值孔径反射镜有困难。高数值孔径泵浦方案具有若干优点，尤其是在降低系统复杂性和成本方面。高数值孔径泵浦方案的第一个优点是，可以使用较低亮度的泵浦源。更高数值孔径泵浦方案对于采用薄盘增益介质是有意义的，因为泵浦光束在增益介质内部不发散。这些较低亮度的泵浦源可以是具有很少光束整形光学部件的二极管堆叠(stack)和二极管阵列。典型的光束整形光学部件包括在各个二极管棒上的快轴准直透镜、通过改变水平和垂直方向上的光束质量使泵浦光束对称化的光束整形器以及允许反向偏振的两个二极管堆叠进行组合的偏振光学元件。各光束整形光学部件有助于保持泵浦源的亮度，但却增加了泵浦源的成本和复杂性。第二个优点是，非成像集中器(concentrator)可以用于代替成像系统。透镜管(lens duct)或空心斗形器件集中器可以被利用。这些非成像集中器将二极管堆叠发出的低数值孔径的大光束转变为大数值孔径的较小光束。这允许采用大的二极管堆叠，通常为1平方厘米，其二极管棒间的间隔用于有效冷却。此集中器可以使光束尺寸减少4或5倍，而此光束的数值孔径却会增加同样倍数。当要求将泵浦光束以最低成本转送到增益介质时，空心斗形器件集中器是优选方案。第三个优点是，多个泵浦源可以从不同角度入射到薄盘增益介质上。由此可以将各个独立的二极管棒从多个方向对准增益介质上的泵浦点。并且，更容易从这些分开的二极管棒上排除热量。绕着盘移动的多个二极管堆叠也能用来增加功率。每个二极管堆叠均有各自的耦合器，并能从不同方向将泵浦光束传送到盘上。需要一种包含薄盘增益介质的改良光学系统及其使用方法。还本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学系统，包括：高功率二极管泵浦源；薄盘增益介质；以及放置在二极管泵浦源和薄盘增益介质之间的光学耦合器，该光学耦合器产生大数值孔径的光束入射在薄盘增益介质上。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯D卡夫卡，德克萨特，
申请(专利权)人：光谱物理学公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]