一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法及激光放大器增益介质技术

本发明专利技术公开了一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法及激光放大器增益介质，涉及激光放大技术领域，以解决激光放大器增益介质由于泵浦光吸收分布不均匀导致热量分布不均匀的热效应问题。本发明专利技术的技术要点包括：根据热传导方程计算获取激光放大器在对种子光放大时，种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差；根据种子光经过晶体各段的相位差相等，设置使得种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差相等；利用仿真软件迭代求解获得晶体各段的吸收系数；根据吸收系数和浓度梯度的关系计算获取晶体各段的浓度梯度。本发明专利技术根据种子光通过放大激光介质产生的退偏来设计激光放大器晶体的浓度分布，达到从根源上减小热退偏效应的目的。热退偏效应的目的。热退偏效应的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法及激光放大器增益介质


[0001]本专利技术涉及激光放大
，具体涉及一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法及激光放大器增益介质。

技术介绍

[0002]大能量、具有高光束质量的高重频激光器在工业生产领域中，如冲击强化和激光切割加工等；军事领域，如激光武器和激光制导等均具有重要应用。然而，以传统均匀浓度的棒状晶体或块状晶体等为主的MOPA放大结构受制于增益介质的热效应及断裂应力极限等诸多因素，其工作重复频率以及功率难以大程度提升，输出光束质量也受到影响。
[0003]在端泵情况下，传统的均匀掺杂晶体由于泵浦能量沿传播方向分布不均匀，产生的温度梯度较大，进而产生严重的热效应，明显降低系统的效率、光束质量和激光系统的稳定性。减小晶体浓度会降低泵浦光的吸收，进而影响激光的高功率输出；外部冷却的增加以及腔型的改变会增加系统的复杂性。

技术实现思路

[0004]为此，本专利技术提出一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法及激光放大器增益介质，用以解决激光放大器增益介质由于泵浦光吸收分布不均匀导致热量分布不均匀即严重的热效应问题。
[0005]根据本专利技术的一方面，提供一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法，该方法包括以下步骤：
[0006]设置激光放大器晶体各段的退偏值相等，则根据退偏值和种子光经过晶体的相位差之间的关系确定种子光经过晶体各段的相位差相等；
[0007]根据热传导方程计算获取激光放大器在对种子光放大时，种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差；
[0008]根据种子光经过晶体各段的相位差相等，设置使得种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差相等；
[0009]设置晶体第一段的吸收系数和晶体各段长度，利用仿真软件迭代求解获得晶体各段的吸收系数；
[0010]根据吸收系数和浓度梯度的关系计算获取晶体各段的浓度梯度。
[0011]进一步地，退偏值和种子光经过晶体的相位差之间的关系表示为：
[0012][0013]式中，D
pol
表示退偏值；r
a
表示种子光半径；θ表示种子光各个角度，种子光一般为圆形，角度从0到2π；ψ(r)表示种子光经过晶体的相位差。
[0014]进一步地，所述种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差表示为：
[0015][0016][0017]式中，ψ1(r)表示种子光经过晶体第一段的相位差；r表示种子光半径；λ
s
表示种子光波长；L1表示晶体第一段长度；n0表示晶体折射率；p
11
、p
12
、p
44
是弹性光学系数；P表示泵浦功率；η
h
表示热负荷；α
T
表示线性膨胀系数；ν表示泊松比；α1表示晶体第一段的吸收系数；Kc表示热导率；z表示晶体各个位置；ω
p
表示泵浦光半径；Rc表示晶体半径；r＞ω
p
；ψ
i
(r)表示种子光经过晶体第i段的相位差；L
i
表示晶体第i段长度与晶体前面各段的总长度；α
i
表示晶体第i段的吸收系数；l
k
表示晶体第k段长度。
[0018]进一步地，设置使得种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差相等表示为：
[0019][0020]进一步地，所述晶体各段长度设置为相等或不相等。
[0021]进一步地，所述仿真软件为matlab仿真软件。
[0022]根据本专利技术的另一方面，还提出一种激光放大器增益介质，所述增益介质为激光晶体，所述激光晶体的浓度梯度按照如上所述的浓度梯度设计方法确定。
[0023]本专利技术的有益技术效果是：
[0024]本专利技术根据种子光通过放大激光介质产生的退偏来设计激光放大器晶体的浓度分布，达到从根源上减小热退偏效应的目的，同时也减小了由于超过热应力极限导致晶体破裂的可能，对种子光实现均匀的、稳定的放大，更适用于高重频、高功率激光放大。
附图说明
[0025]通过参考附图阅读下文的详细描述，本专利技术示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本专利技术的若干实施方式，其中：
[0026]图1是本专利技术实施例一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法的流程图。
[0027]图2是本专利技术实施例中示例结果图；其中，(a)对应泵浦功率为100W时的晶体纵向温度分布；(b)对应晶体热焦距与泵浦功率的关系；(c)对应种子光退偏值；(d)对应吸收功率分布。
具体实施方式
[0028]下面将参考若干示例性实施方式来描述本专利技术的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本专利技术，而并非以任何方式限制本专利技术的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0029]本领域技术人员知道，本专利技术的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。在本文中，需要理解的是，附图中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制含义。
[0030]本专利技术提出了一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法，也即一种端面泵浦激光放大器的晶体设计方法，主要为了解决在激光放大器中由于泵浦光吸收分布不均匀导致热量分布不均匀，以减小在高功率激光放大器中严重的热效应问题。
[0031]由于高功率激光的主要实现形式是激光放大技术，而激光放大器是激光放大技术的主要实现形式，固体激光介质的热负载决定了材料的热应力极限，影响了增益介质的储能，也造成了热畸变，其中产生的热能限制了激光放大器对种子光的进一步放大。因此，本专利技术根据种子光通过放大激光介质产生的退偏来设计晶体的浓度分布，达到从根源上减小热退偏效应的目的，同时也减小了由于超过热应力极限导致晶体破裂的可能，对种子光实现均匀的、稳定的放大，更适用于高重频、高功率激光放大。
[0032]如图1所示，该方法包括以下步骤：
[0033]步骤一、设置激光放大器晶体各段的退偏值相等，则根据退偏值和种子光经过晶体的相位差之间的关系确定种子光经过晶体各段的相位差相等；
[0034]步骤二、根据热传导方程计算获取激光放大器在对种子光放大时，种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差；
[0035]步骤三、根据种子光经过晶体各段的相位差相等，设置使得种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差相等；
[0036]步骤四、设置晶体第一段的吸收系数和晶体各段长度，利用仿真软件迭代求解获得晶体各段的吸收系数；
[0037]步骤五、根据吸收系数和浓本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法，其特征在于，包括以下步骤：设置激光放大器晶体各段的退偏值相等，则根据退偏值和种子光经过晶体的相位差之间的关系确定种子光经过晶体各段的相位差相等；根据热传导方程计算获取激光放大器在对种子光放大时，种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差；根据种子光经过晶体各段的相位差相等，设置使得种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差相等；设置晶体第一段的吸收系数和晶体各段长度，利用仿真软件迭代求解获得晶体各段的吸收系数；根据吸收系数和浓度梯度的关系计算获取晶体各段的浓度梯度。2.根据权利要求1所述的一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法，其特征在于，退偏值和种子光经过晶体的相位差之间的关系表示为：式中，D
pol
表示退偏值；r
a
表示种子光半径；θ表示种子光各个角度，角度从0到2π；ψ(r)表示种子光经过晶体的相位差。3.根据权利要求1所述的一种激光放大器增益介质的浓度梯度设计方法，其特征在于，所述种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差表示为：所述种子光通过泵浦光区域时对应的晶体各段相位差表示为：式中，ψ1(r)表示种子光经过晶体第一段的相位差；ψ
i
(r)表示种子光经过晶体第i段的相位差；r表示种子光半径；λ
s
表示种子光波长；L1表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雨雷，满朝阳，崔璨，李银栋，刘福寒，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：