高光束质量的LD泵浦固体激光器制造技术

一种高光束质量的固体激光器，包括全反射、激光介质、输出镜，谐振腔，其特征在于增大激光器谐振腔一臂的长度，使激光器运行在稳功率点上，构成的固体激光器。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本技术涉及激光二极管(LD)泵浦的固体激光器的制造技术。关于固体激光器的运行问题人们大都只研究稳模式运行的热稳腔，对固体激光器的稳功率运行还没有人报道。根据谐振腔变换圆的理论，对含有热透镜的激光器的固体激光腔型进行分析，可以得到谐振腔在泵浦功率变化(从而热透镜焦距大幅度变化)时激光模式的变化情况。图1是分析的结果，是激光棒处、镜M1处、镜M2处光斑wt，w1，w2随热透镜光焦度的变化情况。(腔参数取l1＝100cm，R1＝40cm，l2＝100cm，R2＝50cm，λ＝1.06μm)。从图1中看出，wt随1/ft的变化曲线具有双“U”型的特点。在“U”形曲线的底部有一个相对平缓的变化区，各有一相同的最小值，运行于此最小值状态时，热扰对光模(w2，w1)的影响是最小的，这是人们所讨论的稳模式热稳腔。特别地，由wt的热稳性，易知激光棒处的模体积Vt也是热稳定的。然而，只从wt与Vt的热稳性，仍不足以得出，从激光棒抽取的激光功率在热扰的情况下也是稳定的结论。应当看到，腔的热动力学因子的变化基本上正比于光泵浦输入功率的变化。光泵浦输入功率的增减意味着激活介质增益的相应增减。因此，尽管在稳模式状态下运行时，wt和Vt对热扰不敏感，对从激光棒抽取的激光功率的稳定性有所改善，但激活介质的增益仍随热扰而变，因而激光输出功率并不十分稳定。为了寻找固体激光腔的稳功率运行的条件，有必要综合考虑增益与衍射损耗对激光输出功率的相反影响作用，以及它们随腔的热动力因子1/ft的变化关系。对于连续运行的固体激光器，其输出功率可表达为Pout~Gα+α0-1..........(1)]]>此处G为单程增益，α为激光棒的有限孔径的限制作用引起的衍射损耗；α0为输出耦合及激光棒的吸收、散射等引起的损耗，后者近似为常值，不随1/ft而变。当增加光泵浦输入功率，使腔的热动力因子1/ft从低值向高值变化时，在开始进入有效热动力稳定区的低值边界时，wf减小(见图1)，α迅速减小，这时激活介质的增益G的增加与α的减小一并起作用，使G≥α+α0，遂使激光器输出功率大于0，并开始迅速上升，如图2所示。当光泵浦输入功率继续增加，使1/ft值进入有效热动力稳定区时，激光棒的有限孔径φ足以容许wt模低衍射损耗地振荡，这时α＝0，激光器输出功率的增加主要与激活介质的增益G的增加有关，即有Pout～G/α0-1，因而，Pout随G的增加呈线性增长的趋势。直至1/ft增大至有效动力稳定区的高值边界附近时，wt又迅速地增大(见图1)。当其开始超过激光棒的有限孔径所允许的上限wt*时，激光棒的有限孔径的限制所引起的衍射损耗α又迅速地增大，致使激光器输出功率的增加趋势很快地减慢；继而转向下降，直至G＝α+α0时，输出功率下降至零。在这之前，应出现激光输出功率曲线的峰值转折点，这相当于激活介质增益G的增大作用恰好被衍射损耗α的增大作用所抵消之时。这个峰值转折点就发生在两个有效热动力稳定区的高端边界附近。当固体激光腔运行在这两个热动力状态时，激光器输出功率处于峰值，此时dPoutd(1/ft)=0.......(2)]]>激光输出功率曲线上存在一个相对平坦区，此处激光输出功率最小受热扰的影响。满足上述运行条件的激光腔是为稳功率热稳腔。由于α(1/ft)与α0等因素的复杂性，严格地计算激光输出功率曲线是困难的。在图2中，根据上面的描述，定性地给出激光输出功率曲线的示意图。在连续NdYAG激光器的实验中证实了上述分析结论(见图3)当固体激光腔运行于稳功率热动力状态时，不仅输出功率稳定，而且还可以在自孔径限模下以最大基模光斑尺寸wφ高峰值功率输出，且光束质量改善。最近，Susumu Konno等人的研究结果也同样地表示，当激光器运行于热动力稳定区的高端时，输出功率最大，光束的M2数为1.34。因此，在一些主要只要求高光束质量稳功率的激光应用中，使激光器运行于稳功率状态是可取的。商用固体激光器多采用平直固体激光腔(或称为平行平面腔)，见图4，对这种激光腔，根据变换圆理论可求出激光棒处的基模光斑尺寸，光斑尺寸随热透镜焦距的变化关系如图5所示从曲线(4)到曲线(1)，随着l2的加长，基模光斑尺寸的最低值依次增大，但动力稳定区依次变窄，也就是说光束质量逐渐提高，但最大输出功率逐渐下降。其中的曲线(4)是准对称腔的情况，在这种情况下，从图中可以看出稳定运行区域较大(若为对称的两区可以连在一起)，可以达到较高的输出功率，同时基模光斑尺寸很小，随抽运功率的增加，当基模光斑小到一定程度时将产生高阶模，输出功率上升，随着抽运功率的进一步增加，基模光斑尺寸增大(从图中可以看出，增大的并不明显)，多模可以得到部分抑制，但一般来说抽运光功率不能无限的增加，所以这种情况下，系统为多模运行，光束质量不好。从曲线(1)可以看出，此时基模光斑的最小值较大，激光器基本上是基模运行，但动力稳定区较窄，功率不会很高。本技术包括全反镜、激光介质、输出镜与谐振腔构成，其特征是增大谐振腔一臂的腔长，使激光器运行在稳功率点上(如图5的曲线(3))，使得在保证高功率输出的同时提高光束质量，实现将低光束质量的商用固体激光器改造为高光束质量、高功率输出的固体激光器。所述的谐振腔一臂即输出镜距激光介质的距离是30-500mm。所述的谐振腔可采用平行腔、V型腔或Z型腔。所述的固体激光器是LD泵浦固体激光器或灯泵浦的激光器。所述的LD泵浦的固体激光器，其全反镜距激光棒30mm，棒长60mm，输出镜距激光棒132mm时能实现激光的高功率、高光束质量运行，从而成为高光束质量(M2≤5)的LD泵浦固体激光器。本技术结构非常简单、制造方便，不需附加任何成本，但能把低光束质量的激光器改造为高光束质量高功率的激光器，其经济效益是很大的。附图说明图1谐振腔腔镜与激光棒处光斑大小与热透镜光焦度的关系。图2固体激光器输出功率曲线的定性描写。图3实验中测得的输入输出功率曲线与计算所得的wt～ft-1的关系。图4平直腔的结构图。图5U形曲线，其中取l1为30mm，各曲线的l2分别为(1)l2＝225mm(2)l2＝132mm(3)l2＝78mm(4)l2＝31mm。权利要求1.一种高光束质量的固体激光器，包括全反镜、激光介质、输出镜，谐振腔，其特征在于增大激光器谐振腔一臂的长度，使激光器运行在稳功率点上，构成的固体激光器。2.按照权利要求1所述的高光束质量的固体激光器，其特征在于所述的谐振腔采用平行腔、V型腔或Z型腔。3.按照权利要求1所述的高光束质量的固体激光器，其特征在于所述的固体激光器是LD泵浦固体激光器或灯泵浦的激光器。4.权利要求1-3所述的高光束质量的固体激光器，其特征在于所述的谐振腔一臂即输出镜距激光介质的距离是30-500mm。5.按照权利要求3所述的高光束质量的固体激光器，其特征在于所述的LD泵浦的固体激光器，其全反镜距激光棒30mm，棒长60mm，输出镜距激光棒132mm。专利摘要本技术涉及激光二极管(LD)泵浦的固体激光器的制造技术。本技术包括全反镜、激光介质、输出镜，谐振腔，增大激光器谐振腔一臂的腔长，使激光器运行在稳功率点上。本技术用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：张光寅，丁欣，焦志勇，颜彩繁，张潮波，沙作金，高文靖，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：实用新型
国别省市：