低内热固体激光放大器

摘要

本发明提供了低内热固体激光放大器，该低内热固体激光放大器包括：增益介质；长波长泵浦光生成模块，其包括泵浦源、工作物质和谐振腔，泵浦源位于谐振腔外，工作物质位于谐振腔内；长波长泵浦光控制模块，其位于长波长泵浦光生成模块中的谐振腔内的长波长泵浦光振荡路径；其中，在长波长泵浦光振荡路径中工作物质出射的光直接入射至增益介质的侧面，且该增益介质贯通长波长泵浦光振荡路径。

权利要求

1.一种低内热固体激光放大器，包括：

增益介质；

长波长泵浦光生成模块，其包括泵浦源、工作物质和谐振腔，所述泵浦源位于谐振腔外，所述工作物质位于谐振腔内；

长波长泵浦光控制模块，其位于所述长波长泵浦光生成模块中的所述谐振腔内的长波长泵浦光振荡路径；

其中，在所述长波长泵浦光振荡路径中所述工作物质出射的光直接入射所述增益介质的侧面，并且所述增益介质贯通所述长波长泵浦光振荡路径。

2.根据权利要求1所述的低内热固体激光放大器，其中，所述长波长泵浦光生成模块的所述谐振腔包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜具有对所述长波长泵浦光的HR功能。

3.根据权利要求1所述的低内热固体激光放大器，其中，所述增益介质以侧面泵浦方式泵浦激励，所述工作物质以端面泵浦方式激励。

4.根据权利要求3所述的低内热固体激光放大器，其中，所述增益介质和所述工作物质采用相同材料。

5.根据权利要求4所述的低内热固体激光放大器，其中，所述相同材料为晶体材料或陶瓷。

6.根据权利要求5所述的低内热固体激光放大器，其中，所述晶体材料为Yb：YAG、Yb：FAP、Yb：GGG或Yb：KYW。

7.根据权利要求6所述的低内热固体激光放大器，其中，在所述晶体材料为Yb：YAG时，所述泵浦源的发光波段与Yb：YAG晶体材料的938nm主吸收带一致，在所述谐振腔内持续振荡的长波长泵浦光与Yb：YAG晶体材料的荧光带和吸收带相互重叠的1030nm波长光一致。

8.根据权利要求7所述的低内热固体激光放大器，其中，所述长波长泵浦光生成模块的所述谐振腔包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜具有对940nm波长光的AR功能、对1050nm波长光的AR功能、及对1030nm波长光的HR功能，所述第二反射镜具有对1050nm波长光的AR功能及对1030nm波长光的HR功能。

9.根据权利要求2或8所述的低内热固体激光放大器，其中，通过所述长波长泵浦光控制模块中的偏振片和波片与所述第一反射镜和所述第二反射镜的配合，选择出在所述谐振腔内持续振荡的长波长泵浦光。

说明书

低内热固体激光放大器

技术领域

[0001] 本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种反斯托克斯荧光制冷效应固体激光放大器，尤其涉及一种高激光功率和高光束质量、且结构紧凑的低内热固体激光放大器。

背景技术

[0002] 随着高能量激光技术的不断进步，激光器在平均功率、脉冲能量和光束质量等特性上不断提高，这些特性提高极度促进了其在精密探测、先进制造、前沿科学和科学仪器等领域的广泛应用。其中，固体激光器基于可以实现稳定运行及维护方便等优势，成为了要获得高功率、高光束质量激光输出的首选。然而，在固体激光器中，激光产生的同时也会有大量的废热生成，激光功率越高，激光工作物质(即“增益介质”，有时也称为“工作物质”)的热沉积量越多，这样的激光工作物质的热效应，成为制约固体激光器发展的主要因素之一，不仅降低了激光器的输出光束质量，还限制了激光系统的输出极限。为此，以消除这些缺陷为目的，本领域技术人员在激光工作物质的晶体结构、泵浦方式、均匀冷却等方面进行了众多研究工作，这些研究工作的结果表明，热效应的影响虽然减小到一定程度，但无法完全消除。

[0003] 再有，高能激光器通常采用“主振荡-放大”的技术方案来实现高能量的输出，其中，高质量小能量的激光在主振荡部分产生，通过多个激光放大器逐级放大，由此实现预期的输出能量。进而，高储能大口径激光放大器是高能激光器中的多级激光放大器的高级别器件，决定着高能激光器最终输出能量的大小。然而，随着激光放大器在工作介质尺寸、储能等的进一步提高，其在功率提升的同时所累积的热效应无法忽视，导致了激光光束质量的严重劣化，限制了激光器的输出极限等。

[0004] 另外，固体激光放大器因激光工作物质多为不良导热体而其热传导系数较低，则其散热方式通常只能是热传导和热辐射，相比气体和流体的散热惯用方式即对流方式，热传导和热辐射的散热方式不仅存在梯度问题还总有延迟以至于不能即时将废热散掉。对此，替代这些散热方式，目前还存在通过光辐射而实施散热的光辐射制冷技术，其中，固体光辐射制冷的机制包括有反斯托克斯荧光制冷、超辐射制冷、四波混频受激辐射制冷等不同类型。在这些光辐射制冷机制中，反斯托克斯荧光制冷除具有全固态、全光制冷的特点外，还具有无震动、无噪音、无污染、无电磁辐射、质量轻、体积小、可靠性高、寿命长等优点，故倍受本领域技术人员关注。简单地，如图1所示，就反斯托克斯荧光制冷效应(anti-Stokes fluorescence-cooling effect，ASFCE)而言，由低能量的光子激励激光工作物质，激光工作物质的发光中心(原子、分子、离子和缺陷)受到光激励而从基态跃迁到激发态，从而处于激发态的粒子以辐射跃迁的方式弛豫到基态，在辐射跃迁弛豫中产生荧光辐射；此外，荧光辐射的荧光光子的平均能量比激励光子的平均能量大，这个能量差是受激能级之间达到热平衡所需要的热吸收的能量，正是该能量差(热吸收能量)被所辐射的荧光带走，由此产生制冷效应。再有，从宏观的角度看，在利用ASFCE的激光系统中，工作物质在形成激光输出的同时，通过ASFCE的作用而抵消了所产生的热量，因此，能够克服上述的热效应不能完全消除的问题。理论上，传统的激光系统中，泵浦光子波长λP、荧光波长λF、输出激光波长λL之间的关系是λP＜λF＜λL，相对于此，利用ASFCE的激光系统中，基于ASFCE所散射的荧光光子波长比泵浦光子波长短，即λF＜λP，然而，基于ASFCE的激光系统中，在实践上因一部分荧光光子被增益介质再次吸收而使整个增益介质的平均荧光波长λF发生红移，一旦红移后的平均荧光波长λF大于泵浦光子波长λP，就无法实现荧光制冷的效果，而不再能够抵消所产生的热量，从而无法获得抑制热效应的激光器。因此，目前的反斯托克斯荧光制冷技术中，存在着泵浦功率有限、成本较高的问题，进而基于双泵浦光的荧光制冷系统还有结构复杂的缺陷，由此，如何有效获取高功率、长波长泵浦光源等是该领域的瓶颈问题。

发明内容

[0005] (一)要解决的技术问题

[0006] 本发明提供了一种低内热固体激光放大器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

[0007] (二)技术方案

[0008] 根据本发明的一个方面，提供了一种低内热固体激光放大器，包括：增益介质；长波长泵浦光生成模块，其包括泵浦源、工作物质和谐振腔，泵浦源位于谐振腔外，工作物质位于谐振腔内；长波长泵浦光控制模块，其位于长波长泵浦光生成模块中的谐振腔内的长波长泵浦光振荡路径；其中，在长波长泵浦光振荡路径中工作物质出射的光直接入射增益介质的侧面，并且增益介质贯通长波长泵浦光振荡路径。

[0009] 根据本发明的一种具体实施方式，长波长泵浦光生成模块的谐振腔包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和所述第二反射镜具有对长波长泵浦光的HR功能。

[0010] 根据本发明的一种具体实施方式，增益介质以侧面泵浦方式泵浦激励，工作物质以端面泵浦方式激励。

[0011] 根据本发明的一种具体实施方式，增益介质和工作物质采用相同材料，相同材料为晶体材料或陶瓷，晶体材料为Yb:YAG、Yb:FAP、Yb:GGG或Yb:KYW。

[0012] 根据本发明的一种具体实施方式，在晶体材料为Yb:YAG时，泵浦源的发光波段与Yb:YAG晶体材料的938nm主吸收带一致，在谐振腔内持续振荡的长波长泵浦光与Yb:YAG晶体材料的荧光带和吸收带相互重叠的1030nm波长光一致。

[0013] 根据本发明的一种具体实施方式，第一反射镜具有对940nm波长光的AR功能、对1050nm波长光的AR功能、及对1030nm波长光的HR功能，第二反射镜具有对1050nm波长光的AR功能及对1030nm波长光的HR功能。

[0014] 根据本发明的一种具体实施方式，通过长波长泵浦光控制模块中的偏振片和波片与第一反射镜和第二反射镜的配合，选择出在谐振腔内持续振荡的长波长泵浦光。

[0015] (三)有益效果

[0016] 从上述技术方案可以看出，本发明低内热固体激光器系统至少具有以下有益效果其中之一或其中的一部分：

[0017] (1)采用高功率长波长泵浦光泵浦激励增益介质，而增益介质生成的荧光的平均波长短于长波长泵浦光，由此达成ASFCE，因此，通过荧光制冷而抵消了增益介质在激光形成时产生的热量，从而减少固体增益介质的热效应，以实现低内热固体激光放大器。

[0018] (2)利用腔内振荡路径中的高功率密度和高光束质量的长波长泵浦光的特点，提高激光放大器的泵浦光功率，以增加激光放大器的增益介质对泵浦光的吸收；谐振腔内对增益介质的泵浦功率密度比腔外高数十倍以上，从而提高增益介质对泵浦光的吸收效率，尤其是针对非吸收峰的泵浦情形；由此，在保证荧光制冷而达成内热降低的同时，进一步减少固体增益介质的热效应，从而获得激光的高功率高光束质量的性能。

[0019] (3)通过增益介质以侧面泵浦激励方式泵浦激励而长波长泵浦光生成模块的工作物质以端面泵浦方式激励，由此，通过这样的侧面泵浦与端面泵浦的组合方式，能够减少固体激光放大器的体积，从而实现结构紧凑而小型化、成本低的效果。

附图说明

[0020] 图1为用于说明反斯托克斯荧光制冷效应的示意图。

[0021] 图2为示出本发明实施例低内热固体激光放大器的结构的概要图。

[0022] 【附图中本发明实施例主要元件符号说明】

[0023] LD-激光二极管；      1-反射镜；         2-工作物质；

[0024] 3-偏振片；           4-波片；           5-反射镜；

[0025] 6-增益介质；         7-偏振片。

具体实施方式

[0026] 如前所述，本发明对于低内热固体激光放大器设计的出发点是设计一个结构紧凑且可以同时获取长波长泵浦光和高激光功率的机制，以满足某些应用中要求固体激光放大器小型、低成本，且输出高功率、高质量的激光的要求。

[0027] 本发明的低内热固体激光放大器包括增益介质、长波长泵浦光生成模块、和长波长泵浦光控制模块。通过增益介质设于长波长泵浦光生成模块的长波长泵浦光振荡路径中，一来利用腔内振荡路径中的高功率密度和高光束质量的长波长泵浦光的特点，提高激光放大器的泵浦光功率，以增加增益介质对泵浦光的吸收；二来通过长波长泵浦光控制模块而精准地选择出作为用于荧光制冷和激光放大的长波长泵浦光，以确保达成ASFCE而实现激光放大器热效应的消除，由此，不仅降低了高功率、长波长泵浦光的生成成本，缩减了激光放大器的泵浦结构，而且提高了激光的输出功率和光束质量。

[0028] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

[0029] 在本发明的具体实施例中，提供了一种低内热固体激光放大器。为了能够理解达成低内热效果的原理，将低内热固体激光放大器采用的反斯托克斯荧光制冷效应的原理图示于图1，即，图1为用于说明反斯托克斯荧光制冷效应的示意图。另外，图2示出了本发明具体实施例的结构示意图，该具体实施例为低内热固体激光放大器。如图2所示，低内热固体激光放大器包括激光二极管LD、反射镜1、工作物质2、偏振片3、波片4、反射镜5和增益介质6。其中，激光二极管LD、反射镜1、反射镜5、和工作物质2构成了前述的长波长泵浦光生成模块，偏振片3和波片4构成了前述的长波长泵浦光控制模块。

[0030] 当长波长泵浦光生成模块中的工作物质2入射有来自作为泵浦源的激光二极管LD的入射光子，工作物质2吸收该入射光子而生成长波长(长于入射光子的波长)的荧光带，通过长波长泵浦光控制模块的偏振片3和波片4的共同作用而从该荧光带中选择出特定波长的长波长泵浦光，并使其在长波长泵浦光生成模块中由反射镜1和反射镜5构成的谐振腔内持续振荡，由此，持续振荡的长波长泵浦光能够始终泵浦激励位于振荡路径中的用于激光放大的增益介质6，该增益介质6经由长波长泵浦光的泵浦激励，对所入射的种子激光(未图示)进行放大，同时产生荧光，该荧光的平均波长短于所激励的长波长泵浦光的波长以满足ASFCE所需的波长关系的条件，从而发挥荧光制冷的作用，由此借助荧光制冷而对种子激光提取能量过程中由于量子缺陷等原因产生的热沉积进行冷却，以降低增益介质热效应引起的激光光束质量劣化。

[0031] 需要说明的是，增益介质6能够满足荧光制冷和激光放大这两方面的要求，即增益介质6在荧光制冷和激光放大这两方面综合指标需要满足相关要求，为此，在本发明具体实施例中，增益介质6采用Yb:YAG这样的掺Yb的晶体(即Yb:YAG晶体)。其中，Yb:YAG晶体的光谱分析结果表明，该晶体的吸收带和荧光发射带(简称为“发射带”、或“荧光带”)均较宽，并且相互重叠。具体而言，以主吸收峰命名的吸收带包括：913nm吸收带、938nm吸收带、和968nm吸收带，并且938nm吸收带的强度和宽度最大；荧光带中的主荧光峰1030nm，位于
1030nm波长的弱吸收带，即相互重叠；荧光带还包括以1050nm为主荧光峰的1050nm荧光带。

[0032] 由此，根据这样的Yb:YAG晶体的光谱性质，在本发明具体实施例中，长波长泵浦光生成模块中的工作物质2也采用Yb:YAG晶体。即，长波长泵浦光生成模块中的工作物质2与增益介质6均采用Yb:YAG晶体。另外，将与938nm吸收带(强度和宽度最大的吸收带)对应的以938nm为峰值的波段，作为泵浦源的波段。因而，泵浦源采用发光波长为940nm的激光二极管LD，以使940nm的入射光子波长与工作物质2的强度宽度最大吸收谱严格匹配，来提高工作物质2的泵浦效率，从而增大工作物质2受到激励而生成的荧光带(主荧光峰1030nm、1050nm)的功率。进而，包括主荧光峰1030nm和主荧光峰1050nm的荧光(荧光带)在由反射镜
1和反射镜5构成的谐振腔内开始振荡，因反射镜1具有相对于940nm、1050nm波长为增透功能(AR功能)、而相对于1030nm波长为高反功能(HR功能)的半反射性能，反射镜5具有相对于
1050nm波长为增透功能而相对于1030nm波长为高反功能的半反射性能，则能够在由反射镜
1和反射镜5构成的谐振腔内持续振荡的荧光只能是1030nm波长的主荧光，并且偏振片3和波片4的组合也起到选择出特定波长为1030nm波长的主荧光的作用。这样，谐振腔的反射镜
1和5与偏振片3和波片4的配合作用，能够从所生成的荧光带中选择出特定波长的长波长泵浦光即1030nm波长的泵浦光并使其在谐振腔内持续振荡，从而在谐振腔内形成高功率、长波长泵浦光。

[0033] 在谐振腔内形成的高功率长波长泵浦光的持续振荡的振荡路径中，在工作物质2与偏振片3之间的位置，设置有增益介质6，该增益介质6大致垂直于振荡路径且以贯穿振荡路径的方式设置，以便谐振腔内持续振荡的高功率长波长泵浦光(1030nm泵浦光)以侧面泵浦激励方式始终泵浦激励增益介质6，因腔内的泵浦光功率密度高且光束质量佳的特点，相比腔外泵浦，则能够提高谐振腔内对增益介质6的泵浦功率密度，例如提高数十倍以上，从而提高增益介质6对泵浦光的吸收效率，而使固体激光放大器的增益介质6对泵浦光的吸收增强，尤其是针对非主吸收峰(1030nm弱吸收带)泵浦的情形。进而，基于腔内泵浦激励的增益介质6生成荧光，该荧光的平均波长为1010nm，其短于用于泵浦激励的长波长泵浦光(1030nm泵浦光)，正因为荧光的平均波长短于长波长泵浦光而满足了ASFCE的实现条件的波长关系，就达成了荧光制冷效果。并且，在荧光制冷的同时，增益介质6对所入射的种子激光进行放大从而形成高输出功率的激光。因此，通过荧光制冷而抵消了增益介质在放大种子激光时产生的热量，实现了没有内热或热效应极小的固体激光放大器。

[0034] 进一步需要说明的是，在该固体激光放大器中，如图2所示，增益介质与长波长泵浦光生成模块的谐振腔大致垂直，并且，增益介质6以侧面泵浦方式泵浦激励，谐振腔内的工作物质2以端面泵浦方式激励，由此，通过侧面泵浦与端面泵浦的组合方式，能够减少固体激光放大器的体积，从而实现小型化，低成本化。

[0035] 另外，反射镜1作为左腔镜，具有对波长940nm的AR功能和对波长1050nm的AR功能、而对波长1030nm的HR功能，该左腔镜1的曲率能够根据谐振腔的设计而适当设定；反射镜5作为右腔镜，具有对波长1050nm的AR功能而对波长1030nm的HR功能，该右腔镜5的曲率和反射透过比能够根据谐振腔的设计而相应调整；再有，工作物质2的位置及尺寸、增益介质6的位置及尺寸均能够根据激光器系统的设计进行适当改变。

[0036] 作为能够起到选择出特定波长为1030nm波长的主荧光的作用的偏振片3和波片4的组合的一例，例如，在长波长泵浦光生成模块的谐振腔的荧光带振荡路径中，偏振片3以与振荡路径为大致四十五度夹角的方式设置，波片以正交于振荡路径的方式设置，并且偏振片3比波片4更靠工作物质2，偏振片3对工作物质2生成的荧光带进行偏振光选择，使得经过偏振片3的荧光带中的主荧光1050nm具有偏振状态，由此，波片4对1050nm主荧光进行偏振状态的改变，而1050nm主荧光经过波片4后即使被反射镜5反射，也会再次经过波片4，这样经过两次波片4的1050nm主荧光，其偏振状态发生了改变，就无法通过偏振片3，而会被偏振片3反射至波片4进而到达具有对波长1050nm的AR功能的反射镜5，从而经由反射镜5而进入外部。

[0037] 至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

[0038] (1)本发明的激光工作物质包含但不仅限于晶体材料，也可以是陶瓷等其它激光工作物质；

[0039] (2)本发明的激光工作物质可以是掺杂Yb3+粒子的其它激光工作物质，例如Yb:FAP、Yb:GGG、Yb:KYW等；

[0040] (3)本发明的激光工作物质的掺杂粒子，替代Yb3+粒子，也可以是物理性质满足反斯托克斯激光工作材料的其它粒子，如Tm3+等；

[0041] (4)本发明的用于放大种子激光的增益介质的激光输出侧，也可以设置有偏振片7(参照图2)，以提高所输出的激光的偏振度，例如保证所输出的激光为线偏振光。

[0042] 依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明低内热固体激光放大器有了清楚的认识。

[0043] 综上所述，本发明提供一种通过反斯托克斯荧光制冷效应而抵消了激光形成时产生的热量，由此实现了低内热的高功率高光束质量的固体激光放大器，可以广泛应用于精密探测、精细制造、前沿科学仪器等诸多领域。

[0044] 还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。

[0045] 并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

[0046] 除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

[0047] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。