专利名称：一种基于函数掺杂的透明陶瓷板条泵浦装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及全固态激光器领域的泵浦装置，特别涉及一种基于函数掺杂的透明陶瓷板条泵浦装置，具有泵浦面积大，泵浦光整形难度低以及激光增益介质内部热梯度小的特点，可实现高功率泵浦以及高平均功率、高光束质量与高效率的固体激光输出。
背景技术：
随着激光技术的不断发展，全固态高功率激光器以其结构紧凑、峰值功率高等特点，在民用(如工业材料加工、切割、热处理、打标)、军用(如测距、激光雷达、光电对抗)和空间通信等方面显示出重要的应用前景。传统的高功率固体激光器采用圆棒状激光增益介质，这种形状的介质在大功率半导体激光列阵泵浦条件下，径向热梯度大，由温度梯度引起的热透镜效应、应力感生双轴聚焦效应和应力感生双折射效应明显，限制了激光器高光束质量、高平均功率激光输出。为此1969年美国通用公司提出了板条激光器的模型，通过面 抽运板条状几何结构，设计“之”字形光路消除一阶热聚焦、应力双折射和退偏效应，得到比棒状工作物质更好的光束质量和更高平均功率输出。目前板条激光器泵浦方式主要有端面泵浦、侧面泵浦、上下表面靠近端面处带状局部泵浦和上下表面大面积泵浦四种。这几种方案都能实现高光束质量、高平均功率激光输出，但都存在不足之处端面泵浦、侧面泵浦以及上下表面靠近端面处带状局部泵浦方案中，泵浦光需要整形为非常窄的准直的细长条状，光束质量要求高、光束整形难度大，并且泵浦面积较小限制了最大泵浦功率的提高；上下表面大面积泵浦方案可有效解决上述泵浦方案中存在的不足，但只能在激光增益介质的非泵浦面的另一表面进行制冷，容易在纵向上(沿泵浦光方向)产生热梯度，影响输出光束的光束质量。针对现有高功率板条激光器中，上下表面大面积泵浦板条器方案中存在纵向热梯度的问题，本发明提供一种对泵浦光吸收均匀、纵向热梯度小的透明陶瓷板条激光器泵浦装置。均匀掺杂的激光增益介质对泵浦光的吸收呈指数函数关系(如图Ia所示)，吸收功率Pabs(X) =Pin(l-e_°z)，式中Pin、z与α分别为泵浦光功率、入射深度以及材料对泵光的吸收系数，这种掺杂方式下激光增益介质内部吸收功率分布不均匀；参见图lb，泵浦面附近吸收速率大，单位长度内吸收功率高、热效应严重，远离泵浦面处吸收速率缓慢，从而在激光增益介质内部形成热梯度。本发明将激光增益介质设计成按指定函数掺杂在靠近泵浦端采用低掺杂浓度，渐离泵浦端时吸收速率降低，这时增大掺杂浓度，实现激光增益介质对泵浦光的充分吸收和吸收功率分布均匀化，从而减小纵向热梯度、提高材料对泵浦光的吸收效率以及输出光束质量。透明陶瓷材料具有可高掺杂与可函数掺杂的特点，通过设计并优化掺杂浓度函数，可实现透明陶瓷板条激光材料对泵浦光纵向均匀吸收，采用透明陶瓷材料作为激光增益介质可以降低纵向热梯度、提高材料对泵浦光的吸收效率以及输出光束质量。因此提出用上下表面大表面积泵浦函数掺杂的透明陶瓷板条材料，发明一种对泵浦光吸收均匀化以及纵向热梯度小的透明陶瓷板条激光器泵浦装置。与现有高功率板条激光器泵浦装置相比，本发明的泵浦装置具有泵浦面积大，泵浦光整形难度低以及激光增益介质内部热梯度小的特点，可实现高功率泵浦以及高平均功率、高光束质量与高效率的固体激光输出。
发明内容
本发明针对现有高功率板条激光器中，上下表面大表面积泵浦板条激光器方案中存在纵向热梯度的问题，提供一种基于函数掺杂的透明陶瓷板条泵浦装置。该装置采用可实现高掺杂与函数掺杂的板条状透明陶瓷材料作为激光增益介质，上下表面大面积泵浦函数掺杂的板条状透明陶瓷激光材料，实现透明陶瓷材料对泵浦光均匀吸收，从而降低透明陶瓷材料内部纵向热梯度、提高材料对泵浦光的吸收效率以及输出光束质量；与现有高功率板条激光器泵浦装置相比，本发明的基于函数掺杂的透明陶瓷板条泵浦装置具有泵浦面积大，泵浦光整形难度低以及激光增益介质内部热梯度小的特点，可实现高功率泵浦以及高平均功率、高光束质量与高效率的固体激光输出。实现本发明目的技术方案如下本发明提供的基于函数掺杂的透明陶瓷板条泵浦装置，其包括激光增益介质、泵浦源、激光谐振腔和冷却控温装置；其特征在于所述激光增益介质为函数掺杂的透明陶瓷板条；所述透明陶瓷板条具有泵浦面和制冷散热面，所述制冷散热面置于所述冷却控温装置的制冷面上；所述泵浦源对准所述透明陶瓷板条的泵浦面进行泵浦、垂直于泵浦面传输，泵浦光在透明陶瓷板条中双程传输并被其吸收；所述的双程传输指的是泵浦光在透明陶瓷板条中传输和吸收后在制冷散热面发生反射原路返回；透明陶瓷板条吸收泵浦光产生激光辐射；所述激光谐振腔由激光谐振腔A镜和激光谐振腔B镜组成，以对光具有正反馈作用；所述激光谐振腔A镜和激光谐振腔B镜相对放置并分别位于所述透明陶瓷板条的左端面外侧和右端面外侧，透明陶瓷板条产生的激光辐射在激光谐振腔内形成谐振激光振荡；所述激光谐振腔A镜和激光谐振腔B镜分别由一支撑固定架进行支撑固定；所述透明陶瓷板条的函数掺杂为连续函数掺杂或者为离散函数掺杂；所述连续函数掺杂其函数掺杂浓度函数为f (Z)，所述/(Z)=;~, 、，其
l-a0f(0)z
中Z为泵浦光沿入射方向的入射深度，f (O)为Z = Q时给定的透明陶瓷板条的泵浦面处的掺杂浓度初始值，a ^为Iat. %掺杂浓度时透明陶瓷板条的吸收系数；所述离散函数掺杂将陶瓷板条材料沿泵浦光入射方向分成平行于泵浦面的厚度为Cli的i层，i为2-1000正整数；第i层掺杂浓度为& ;第i层厚度以及第i层掺杂浓度fi的确定方法如下第i层吸收系数
权利要求
1.一种基于函数掺杂的透明陶瓷板条泵浦装置，其包括激光增益介质、泵浦源、激光谐振腔和冷却控温装置；其特征在于 所述激光增益介质为函数掺杂的透明陶瓷板条； 所述透明陶瓷板条具有泵浦面和制冷散热面，所述制冷散热面置于所述冷却控温装置的制冷面上； 所述泵浦源对准所述透明陶瓷板条的泵浦面进行泵浦、垂直于泵浦面传输，泵浦光在透明陶瓷板条中双程传输并被其吸收；所述的双程传输指的是泵浦光在透明陶瓷板条中传输和吸收后在制冷散热面发生反射原路返回；透明陶瓷板条吸收泵浦光产生激光辐射；所述激光谐振腔由激光谐振腔A镜和激光谐振腔B镜组成，对光具有正反馈作用；所述激光谐振腔A镜和激光谐振腔B镜相对放置并分别位于所述透明陶瓷板条的左端面外侧和右端面外侧，透明陶瓷板条产生的激光辐射在所述激光谐振腔内形成谐振激光振荡； 所述激光谐振腔A镜和激光谐振腔B镜分别由一支撑固定架进行支撑固定； 所述透明陶瓷板条的函数掺杂为连续函数掺杂或者为离散函数掺杂； 所述连续函数掺杂其函数掺杂浓度函数为f (Z)，所述
2.按权利要求I所述的基于函数掺杂的透明陶瓷板条泵浦装置，其特征在于，所述透明陶瓷板条为具有上下两个大表面的几何结构。
3.按权利要求2所述的基于函数掺杂的透明陶瓷板条泵浦装置，其特征在于，所述具有上下两个大表面的几何结构为矩形板条结构、平行四边形板条结构或梯形板条结构； 所述矩形板条结构的透明陶瓷板条的具体结构为，长LX宽WX高H;上下表面为矩形，尺寸LXW ;侧面为矩形，尺寸LXH ;端面为矩形，尺寸WXH ； 所述平行四边形板条结构的透明陶瓷板条的具体结构为，长LX宽WX高H;上下表面为矩形，尺寸LXW;侧面为平行四边形，尺寸LXS，端面为矩形，尺寸WXS，端面与下表面呈β角； 所述梯形板条结构的透明陶瓷板条的具体结构为，上表面为矩形，尺寸长LlX宽W，下表面也为矩形，尺寸长L2X宽W，上下面距离即为板条厚度H，侧面为等边梯形，尺寸上底LI X下底L2X斜边S，端面为矩形，尺寸WXS，端面与下表面成α角。
4.按权利要求I所述的基于函数掺杂的透明陶瓷板条泵浦装置，其特征在于，所述的透明陶瓷板条的材质为掺钕钇招石槽石、掺钕fL酸钇、掺钕礼鎵石槽石、掺钕氟化钇锂、掺钕铝酸钇、掺钕氟磷酸锶、掺镱钇铝石榴石、掺镱钒酸钇、掺镱钆鎵石榴石、掺镱氟化钇锂、掺镱铝酸钇、掺镱氟磷酸锶、掺铒钇铝石榴石。
5.按权利要求I所述的基于函数掺杂的透明陶瓷板条泵浦装置，其特征在于，所述的透明陶瓷板条的泵浦面上镀对泵浦光具有高透过率膜系的膜层；所述透明陶瓷板条的制冷散热面镀对泵浦光具有高反射率系的膜层；所述透明陶瓷板条的左端面和右端面经光学抛光后分别镀有对谐振激光具有Θ角度的增透膜，Θ = π/2-φ, Φ为透明陶瓷板条的泵浦面与左/右端面之间的夹角，O < Φ ( 31/2。
6.按权利要求I所述的基于函数掺杂的透明陶瓷板条泵浦装置，其特征在于，所述激光谐振腔A镜为输出耦合镜，其上镀有对谐振激光具有部分透射率膜系的膜层；所述激光谐振腔B镜为高反镜，其上镀有对谐振激光具有高反射率膜系的膜层；所述激光谐振腔A镜和激光谐振腔B镜为平面镜、凹面镜、凸面镜或任意组合，其材质为光学玻璃基质或石英基质。
7.按权利要求I所述的基于函数掺杂的透明陶瓷板条泵浦装置，其特征在于，所述的泵浦源为半导体激光列阵泵浦源。
8.按权利要求I所述的基于函数掺杂的透明陶瓷板条泵浦装置，其特征在于，所述的冷却控温装置内具有冷却通道，该冷却通道内的冷却介质为液体冷却介质或气体冷却介质；冷却介质的流动方向沿所述透明陶瓷板条的长度方向或宽度方向流动。
9.按权利要求8所述的基于函数掺杂的透明陶瓷板条泵浦装置，其特征在于，所述液体冷却介质为水、重水或有机物液体；所述气体冷却介质为空气、二氧化碳气、氦气或氮气。
全文摘要
本发明涉及的基于函数掺杂的透明陶瓷板条泵浦装置，包括激光增益介质、泵浦源、激光谐振腔和冷却控温装置；本发明利用板条状透明陶瓷材料作为激光增益介质，采用上下表面大面积泵浦的泵浦方式增大泵浦面积、降低泵浦光整形难度以及提高最大泵浦功率；利用透明陶瓷材料可高浓度掺杂以及可函数掺杂的特点实现高功率泵浦以及透明陶瓷材料对泵浦光均匀吸收，从而减小透明陶瓷材料内部纵向热梯度、提高材料对泵浦光的吸收效率以及输出光束质量；与现有高功率板条激光器泵浦装置相比，本发明的泵浦装置具有泵浦面积大、泵浦光整形难度低以及激光增益介质内部热梯度小的特点，可实现高功率泵浦以及高平均功率、高光束质量与高效率的固体激光输出。
文档编号H01S3/0941GK102891432SQ20111036928
公开日2013年1月23日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年7月19日
发明者薄勇, 宗楠, 申玉, 许祖彦, 彭钦军 申请人:中国科学院理化技术研究所