專利名稱：一種基于函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條泵浦裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及全固態(tài)激光器領域的泵浦裝置，特別涉及一種基于函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條泵浦裝置，具有泵浦面積大，泵浦光整形難度低以及激光增益介質內部熱梯度小的特點，可實現(xiàn)高功率泵浦以及高平均功率、高光束質量與高效率的固體激光輸出。
背景技術：
隨著激光技術的不斷發(fā)展，全固態(tài)高功率激光器以其結構緊湊、峰值功率高等特點，在民用(如工業(yè)材料加工、切割、熱處理、打標)、軍用(如測距、激光雷達、光電對抗)和空間通信等方面顯示出重要的應用前景。傳統(tǒng)的高功率固體激光器采用圓棒狀激光增益介質，這種形狀的介質在大功率半導體激光列陣泵浦條件下，徑向熱梯度大，由溫度梯度引起的熱透鏡效應、應力感生雙軸聚焦效應和應力感生雙折射效應明顯，限制了激光器高光束質量、高平均功率激光輸出。為此1969年美國通用公司提出了板條激光器的模型，通過面 抽運板條狀幾何結構，設計“之”字形光路消除一階熱聚焦、應力雙折射和退偏效應，得到比棒狀工作物質更好的光束質量和更高平均功率輸出。目前板條激光器泵浦方式主要有端面泵浦、側面泵浦、上下表面靠近端面處帶狀局部泵浦和上下表面大面積泵浦四種。這幾種方案都能實現(xiàn)高光束質量、高平均功率激光輸出，但都存在不足之處端面泵浦、側面泵浦以及上下表面靠近端面處帶狀局部泵浦方案中，泵浦光需要整形為非常窄的準直的細長條狀，光束質量要求高、光束整形難度大，并且泵浦面積較小限制了最大泵浦功率的提高；上下表面大面積泵浦方案可有效解決上述泵浦方案中存在的不足，但只能在激光增益介質的非泵浦面的另一表面進行制冷，容易在縱向上(沿泵浦光方向)產生熱梯度，影響輸出光束的光束質量。針對現(xiàn)有高功率板條激光器中，上下表面大面積泵浦板條器方案中存在縱向熱梯度的問題，本發(fā)明提供一種對泵浦光吸收均勻、縱向熱梯度小的透明陶瓷板條激光器泵浦裝置。均勻摻雜的激光增益介質對泵浦光的吸收呈指數(shù)函數(shù)關系(如圖Ia所示)，吸收功率Pabs(X) =Pin(l-e_°z)，式中Pin、z與α分別為泵浦光功率、入射深度以及材料對泵光的吸收系數(shù)，這種摻雜方式下激光增益介質內部吸收功率分布不均勻；參見圖lb，泵浦面附近吸收速率大，單位長度內吸收功率高、熱效應嚴重，遠離泵浦面處吸收速率緩慢，從而在激光增益介質內部形成熱梯度。本發(fā)明將激光增益介質設計成按指定函數(shù)摻雜在靠近泵浦端采用低摻雜濃度，漸離泵浦端時吸收速率降低，這時增大摻雜濃度，實現(xiàn)激光增益介質對泵浦光的充分吸收和吸收功率分布均勻化，從而減小縱向熱梯度、提高材料對泵浦光的吸收效率以及輸出光束質量。透明陶瓷材料具有可高摻雜與可函數(shù)摻雜的特點，通過設計并優(yōu)化摻雜濃度函數(shù)，可實現(xiàn)透明陶瓷板條激光材料對泵浦光縱向均勻吸收，采用透明陶瓷材料作為激光增益介質可以降低縱向熱梯度、提高材料對泵浦光的吸收效率以及輸出光束質量。因此提出用上下表面大表面積泵浦函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條材料，發(fā)明一種對泵浦光吸收均勻化以及縱向熱梯度小的透明陶瓷板條激光器泵浦裝置。與現(xiàn)有高功率板條激光器泵浦裝置相比，本發(fā)明的泵浦裝置具有泵浦面積大，泵浦光整形難度低以及激光增益介質內部熱梯度小的特點，可實現(xiàn)高功率泵浦以及高平均功率、高光束質量與高效率的固體激光輸出。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有高功率板條激光器中，上下表面大表面積泵浦板條激光器方案中存在縱向熱梯度的問題，提供一種基于函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條泵浦裝置。該裝置采用可實現(xiàn)高摻雜與函數(shù)摻雜的板條狀透明陶瓷材料作為激光增益介質，上下表面大面積泵浦函數(shù)摻雜的板條狀透明陶瓷激光材料，實現(xiàn)透明陶瓷材料對泵浦光均勻吸收，從而降低透明陶瓷材料內部縱向熱梯度、提高材料對泵浦光的吸收效率以及輸出光束質量；與現(xiàn)有高功率板條激光器泵浦裝置相比，本發(fā)明的基于函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條泵浦裝置具有泵浦面積大，泵浦光整形難度低以及激光增益介質內部熱梯度小的特點，可實現(xiàn)高功率泵浦以及高平均功率、高光束質量與高效率的固體激光輸出。實現(xiàn)本發(fā)明目的技術方案如下本發(fā)明提供的基于函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條泵浦裝置，其包括激光增益介質、泵浦源、激光諧振腔和冷卻控溫裝置；其特征在于所述激光增益介質為函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條；所述透明陶瓷板條具有泵浦面和制冷散熱面，所述制冷散熱面置于所述冷卻控溫裝置的制冷面上；所述泵浦源對準所述透明陶瓷板條的泵浦面進行泵浦、垂直于泵浦面?zhèn)鬏?，泵浦光在透明陶瓷板條中雙程傳輸并被其吸收；所述的雙程傳輸指的是泵浦光在透明陶瓷板條中傳輸和吸收后在制冷散熱面發(fā)生反射原路返回；透明陶瓷板條吸收泵浦光產生激光輻射；所述激光諧振腔由激光諧振腔A鏡和激光諧振腔B鏡組成，以對光具有正反饋作用；所述激光諧振腔A鏡和激光諧振腔B鏡相對放置并分別位于所述透明陶瓷板條的左端面外側和右端面外側，透明陶瓷板條產生的激光輻射在激光諧振腔內形成諧振激光振蕩；所述激光諧振腔A鏡和激光諧振腔B鏡分別由一支撐固定架進行支撐固定；所述透明陶瓷板條的函數(shù)摻雜為連續(xù)函數(shù)摻雜或者為離散函數(shù)摻雜；所述連續(xù)函數(shù)摻雜其函數(shù)摻雜濃度函數(shù)為f (Z)，所述/(Z)=;~, 、，其
l-a0f(0)z
中Z為泵浦光沿入射方向的入射深度，f (O)為Z = Q時給定的透明陶瓷板條的泵浦面處的摻雜濃度初始值，a ^為Iat. %摻雜濃度時透明陶瓷板條的吸收系數(shù)；所述離散函數(shù)摻雜將陶瓷板條材料沿泵浦光入射方向分成平行于泵浦面的厚度為Cli的i層，i為2-1000正整數(shù)；第i層摻雜濃度為& ;第i層厚度以及第i層摻雜濃度fi的確定方法如下第i層吸收系數(shù)
權利要求
1.一種基于函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條泵浦裝置，其包括激光增益介質、泵浦源、激光諧振腔和冷卻控溫裝置；其特征在于 所述激光增益介質為函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條； 所述透明陶瓷板條具有泵浦面和制冷散熱面，所述制冷散熱面置于所述冷卻控溫裝置的制冷面上； 所述泵浦源對準所述透明陶瓷板條的泵浦面進行泵浦、垂直于泵浦面?zhèn)鬏?，泵浦光在透明陶瓷板條中雙程傳輸并被其吸收；所述的雙程傳輸指的是泵浦光在透明陶瓷板條中傳輸和吸收后在制冷散熱面發(fā)生反射原路返回；透明陶瓷板條吸收泵浦光產生激光輻射；所述激光諧振腔由激光諧振腔A鏡和激光諧振腔B鏡組成，對光具有正反饋作用；所述激光諧振腔A鏡和激光諧振腔B鏡相對放置并分別位于所述透明陶瓷板條的左端面外側和右端面外側，透明陶瓷板條產生的激光輻射在所述激光諧振腔內形成諧振激光振蕩； 所述激光諧振腔A鏡和激光諧振腔B鏡分別由一支撐固定架進行支撐固定； 所述透明陶瓷板條的函數(shù)摻雜為連續(xù)函數(shù)摻雜或者為離散函數(shù)摻雜； 所述連續(xù)函數(shù)摻雜其函數(shù)摻雜濃度函數(shù)為f (Z)，所述
2.按權利要求I所述的基于函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條泵浦裝置，其特征在于，所述透明陶瓷板條為具有上下兩個大表面的幾何結構。
3.按權利要求2所述的基于函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條泵浦裝置，其特征在于，所述具有上下兩個大表面的幾何結構為矩形板條結構、平行四邊形板條結構或梯形板條結構； 所述矩形板條結構的透明陶瓷板條的具體結構為，長LX寬WX高H;上下表面為矩形，尺寸LXW ;側面為矩形，尺寸LXH ;端面為矩形，尺寸WXH ； 所述平行四邊形板條結構的透明陶瓷板條的具體結構為，長LX寬WX高H;上下表面為矩形，尺寸LXW;側面為平行四邊形，尺寸LXS，端面為矩形，尺寸WXS，端面與下表面呈β角； 所述梯形板條結構的透明陶瓷板條的具體結構為，上表面為矩形，尺寸長LlX寬W，下表面也為矩形，尺寸長L2X寬W，上下面距離即為板條厚度H，側面為等邊梯形，尺寸上底LI X下底L2X斜邊S，端面為矩形，尺寸WXS，端面與下表面成α角。
4.按權利要求I所述的基于函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條泵浦裝置，其特征在于，所述的透明陶瓷板條的材質為摻釹釔招石槽石、摻釹fL酸釔、摻釹禮鎵石槽石、摻釹氟化釔鋰、摻釹鋁酸釔、摻釹氟磷酸鍶、摻鐿釔鋁石榴石、摻鐿釩酸釔、摻鐿釓鎵石榴石、摻鐿氟化釔鋰、摻鐿鋁酸釔、摻鐿氟磷酸鍶、摻鉺釔鋁石榴石。
5.按權利要求I所述的基于函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條泵浦裝置，其特征在于，所述的透明陶瓷板條的泵浦面上鍍對泵浦光具有高透過率膜系的膜層；所述透明陶瓷板條的制冷散熱面鍍對泵浦光具有高反射率系的膜層；所述透明陶瓷板條的左端面和右端面經光學拋光后分別鍍有對諧振激光具有Θ角度的增透膜，Θ = π/2-φ, Φ為透明陶瓷板條的泵浦面與左/右端面之間的夾角，O < Φ ( 31/2。
6.按權利要求I所述的基于函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條泵浦裝置，其特征在于，所述激光諧振腔A鏡為輸出耦合鏡，其上鍍有對諧振激光具有部分透射率膜系的膜層；所述激光諧振腔B鏡為高反鏡，其上鍍有對諧振激光具有高反射率膜系的膜層；所述激光諧振腔A鏡和激光諧振腔B鏡為平面鏡、凹面鏡、凸面鏡或任意組合，其材質為光學玻璃基質或石英基質。
7.按權利要求I所述的基于函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條泵浦裝置，其特征在于，所述的泵浦源為半導體激光列陣泵浦源。
8.按權利要求I所述的基于函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條泵浦裝置，其特征在于，所述的冷卻控溫裝置內具有冷卻通道，該冷卻通道內的冷卻介質為液體冷卻介質或氣體冷卻介質；冷卻介質的流動方向沿所述透明陶瓷板條的長度方向或寬度方向流動。
9.按權利要求8所述的基于函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條泵浦裝置，其特征在于，所述液體冷卻介質為水、重水或有機物液體；所述氣體冷卻介質為空氣、二氧化碳氣、氦氣或氮氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及的基于函數(shù)摻雜的透明陶瓷板條泵浦裝置，包括激光增益介質、泵浦源、激光諧振腔和冷卻控溫裝置；本發(fā)明利用板條狀透明陶瓷材料作為激光增益介質，采用上下表面大面積泵浦的泵浦方式增大泵浦面積、降低泵浦光整形難度以及提高最大泵浦功率；利用透明陶瓷材料可高濃度摻雜以及可函數(shù)摻雜的特點實現(xiàn)高功率泵浦以及透明陶瓷材料對泵浦光均勻吸收，從而減小透明陶瓷材料內部縱向熱梯度、提高材料對泵浦光的吸收效率以及輸出光束質量；與現(xiàn)有高功率板條激光器泵浦裝置相比，本發(fā)明的泵浦裝置具有泵浦面積大、泵浦光整形難度低以及激光增益介質內部熱梯度小的特點，可實現(xiàn)高功率泵浦以及高平均功率、高光束質量與高效率的固體激光輸出。
文檔編號H01S3/0941GK102891432SQ20111036928
公開日2013年1月23日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權日2011年7月19日
發(fā)明者薄勇, 宗楠, 申玉, 許祖彥, 彭欽軍 申請人:中國科學院理化技術研究所