二极管泵浦圆盘激光器技术研究进展

高功率固体激光器

维普资讯 http://doc.guandang.net

第2 7卷

第 6期

激

光

技

术

Vo 1 . 2 7, No. 6

2 0 0 3年 1 2月

LASER TECHNOLOGY

De c e mb e r, 2 0 0 3

文章编号：1 0 0 1 - 3 8 0 6 ( 2 0 0 3 ) 0 6 - 0 5 5 1 03 -

二极管泵浦圆盘激光器技术研究进展王鹏飞张栋吕百达(四川大学激光物理与化学研究所，成都， 6 1 0 0 6 4 )

孙年春(成都东骏激光公司，蒲江， 6 1 1 6 3 0 )

摘要：概述了二极管泵浦薄片圆盘激光器的技术进展，分析了功率定标放大的技术方案和相关实验结果，并对实际应用存在的问题进行了讨论。

关键词：圆盘激光器；二极管泵浦；功率定标；高功率中图分类号：T N 2 4 8 . 1 文献标识码：A

Re c e nt a d va nc e s o f di o de - pu m pe d t hi n is d c - l a s e rWa n g P e n g f e i, Z h a n g D 0, l g, L U B a i d a( I n s t i t u t e o f L a s e r P h y s i c s a n d C h e mi s t r y, S i e h u a n Un i v e r s i t y, C h e n g d u, 6 1 0 0 6 4 )S u n Ni￣ l/ . t c h//,/, t

( C h e n g d u D o n g j u n L a s e r C o m p ny a,￣j i ng a, 6 1 1 6 3 0 )Ab s t r a c t: Re c e n t a d v a n c e s f o d i o d e - p u mp e d t hi n is d c - l a s e r a r e r e v i e we d . Th e p o we r - s c a l a b l e e x p e r i me n t s c h e me s nd a e ht r d o r e s u l t s a r e na a l y z e d .S o me p r o b l e ms f o r p r a c i t c a l a p p hc a i f o n s a r e d i s c u s s e d t o o .Ke y wo r d s: d is c - l a s e r; io d de p u mp i n g; ow p e r s c a l i n g; h i g h

o we p r

引言二极管激光泵浦的固体圆盘激光器是一类有潜 力的高功率激光源，其主要优点是能有效去除增益

圆盘激光器的设计原理较为简单，就是把激活介质加工成薄的圆盘，平表面上安装一个散热器，该平面还是激光器的反射镜之一。这一结构的一个优

点在于：允许非常高的功率密度但在晶体内不会有

介质的热沉积，在获得高功率激光输出同时，保持高效率和高光束质量。笔者从物理概念、定标放大实验技术方案、相关实验结果以及实际应用中存在的问题几方面，对二极管泵浦高功率圆盘固体激光技 术中的研究进行分析。

太高的温升。在纵向泵浦的平顶泵浦光束作用下这种结构可以产生垂直于圆盘表面、几乎均匀的一维热流，增益介质不存在横向热梯度，因而热效应影响较小…。这种设计相比于传统方式大大减小了热畸变，特别适合于需要高泵浦密度的准三能级系统。 准三能级系统 Y b: Y A G增益介质是是目前优先选用的圆盘材料，它表现出了一系列比传统的掺 N d 介质更适合于二极管泵浦的特性：低的量子亏损 ( 9 1%的量子效率 )、宽的吸收带和发射带 (在

1 二极管泵浦圆盘激光器的物理概念在一般高功率棒状固体激光器中，激光晶体在泵浦中产生的热透镜效应和热致应力双折射是严重的问题。为了减少热透镜效应，板条激光器之类的激光器结构得到发展。但棒和板条均存在相对于激

光光束的横向热流，难于兼顾二极管泵浦高功率固体激光器高光束质量的要求，因此提出了薄片圆盘激光器的概念。 国家高技术基金及华中科技大学激光技术国家重点实验室基金资助项目。

9 4 0 n m处大约为 l O n m)、高的斜率效率 (在3 0 0 K时达到 7 2%)、高的掺杂浓度而无浓度淬灭 (大于 2 0%)等 J。此外，它的荧光寿命为 N d: Y AG的 3~4倍，增加了储能和减少了吸收与发射问的量子缺陷。该材料的缺点在于低能级的热集聚 (约在基态能级上 6 1 2 c m处 ),这要求有高的泵浦

功率密度

(在3 0 0 K时的阈值大于 1 . 5 k W/ c )。晶体内的温度分布对输出功率有较大影响，材料热导率 A与温

作者简介：王鹏飞，男， 1 9 7 7年 9月出生。硕士研究生。 主要从事高功率激光技术的研究。 收稿日期： 2 0 0 2 - 1 1 - 2 9;收到修改稿日期： 2 0 0 3 - 0 2 - 2 0

度、掺杂浓度 c Y b间关系为 J:,一’ n^ 、0. 48_ 0. 4 6￣ v￣

A ( T, c Y b )=A ( 3 0 0 K, c Y b ) (

)

( 1 )

高功率固体激光器

维普资讯 http://doc.guandang.net

5 5 2

激

光

技

术

2 0 0 3年 1 2月

式中，

方案之一为沿着折叠腔的光轴使用多个圆盘，图3

A( 3 0 0 K, C Y b ):( 7 . 2 8—7 . 3 c Y b ) W/ mK ( 2 )

发射波长 1 0 3 0 n m的 Y b: Y A G之所以是目前优先选用的薄片圆盘材料，还有一个原因是它对 9 4 0 n m波长的泵浦光有很高吸收。但在特定泵浦功率密度

下， Y b: Y A G圆盘可比 N d: Y A G做得更薄，再加上它有高的量子效率，因此 Y b: Y AG呈现出优良的光一光转换效率。此外， N d: YV O (1 0 6 4 n m, 9 1 5 n m),N d: Y AG (1 0 6 4 n m,9 4 6 n m,1 3 3 0 n m ),N d:L S B

( 1 0 6 3 n m), T m: Y AG( 2 t x m)等都是适合于薄片圆盘激光器的晶体。 由于圆盘介质的冷却面同时也是激光器的反射 面，故这种激光器被称为主动镜激光器，它是不依赖图3多圆盘功率定标放大示意图

是多圆盘功率定标放大示意图，实验发现，当泵浦光束直径一定时，输出功率随圆盘个数的增多成比例

于泵浦功率水平可获得高光束质量的一种构型，图 1是一个圆盘激光器的示意图。图 2是 Y b: Y A G 圆盘激光器 (圆盘直径 7 mm,厚 0 . 3 mm)的实验结果，可以看出这种激光器的显著特点。首先，对于给定的谐振腔，光束质量因子几乎与泵浦功率水平无关，这说明在百瓦级圆盘激光器中热效应很小。 此外，还可以通过采取适当的腔配置提高光束质

量，

地提高 J。采用薄圆盘激光器设计可以获得 1 2%~

1 5%的总效率。此外，在一定的泵浦功率密度下

增加在圆盘上的泵浦光束直径也是一个可行的方案，在泵浦直径远大于晶体厚度且光束分布为近平

顶时，热流可以看成一维分布其方向指向热沉，这使得晶体内的温度和热应力为均匀分布，使这种方法

但输出功率和效率降低很少。出光束出耦合装置

较之传统的冷却方法有更少的热畸变，因此在保持泵浦功率密度的情况下简单地增加泵浦光束直径就可以将激光器定标放大到更高功率。多束泵浦光通过激光介质可以有效提高泵浦功率密度，也能有效提高介质对泵浦光的吸收，同时由泵浦粒子数决定

的阈值泵浦密度也能显著地减小，因此也是一个可行的技术方案。

沉

对于数千瓦的功率定标，几个相同模块的耦合可能是一个合适的技术。这可以通过两种方式实 现： ( 1 )将几个模块的输出激光束耦合进一根光纤； ( 2 )通过数根较小的光纤单独传送到工件。其中后者可以使得多焦点技术简单地得到实现】。利用光纤耦合激光二极管代替二极管层叠阵列泵浦使得

图 1薄片圆盘激光器示意图

≥\

激光器的设计不再依赖于激光二极管的设计。实验中已经获得高达 2 5 5 W的多模激光，单纵模运行下获得 2 8 W的近衍射极限的激光…。 采用振荡器一放大器结构是输出定标放大的另个有效途径。文献[ 4]中采用一个被动锁模 7 5 0 f s Y b: Y A G激光器作为振荡器提供种子光，二极一

瓣暑

泵浦功率/ W图 2光束质量 …… 此处隐藏：7129字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……