一种采用激光加热镜片实时补偿激光介质热效应的固体激光器

摘要

本发明涉及采用激光加热镜片实时补偿激光介质热效应的固体激光器。本发明在谐振腔内插入一片可吸收泵浦激光同时高透起振激光的介质镜，并利用另外一个泵浦光对其进行加热。该泵浦光源输出的光束横向分布呈环状，所插入的介质镜受热后温度发生变化。当条件适当时可以补偿晶体中废热带来的热畸变，从而改善输出光束质量。由于泵浦光源的光斑形状可以通过耦合透镜组进行调整，随着激光器泵浦功率的变化，可以对晶体中不同的废热产生的效应进行实时补偿，使输出光束保持好的光束质量。

说明书

技术领域：

本技术涉及激光科学领域，特别涉及激光晶体热效应对出射激光性能产生较大影响，需要进行实时调节的固体激光器。

背景技术

固体激光器的激光介质的热效应会使激光束产生光学畸变，降低光束质量，甚至对激光工作物质造成破坏。目前国内外对激光介质热效应的研究已基本成熟，研究人员对不同几何形状的泵浦方式和结构下的激光介质热效应问题进行了深入研究。人们提出了多种技术途径，通过时间上分析的方法有例如热容工作方式，将发射激光与冷却过程分时进行，以降低废热的影响。在激光介质的结构上的热管理技术包括采用光纤介质来增加散热面积，或者采用薄片晶体介质，并且采用侧面泵浦，端面散热的方式，降低余热带来的光学畸变。但是上述的方法都存在一定的缺陷，例如热容激光器不能运行在连续状态，而且脉冲间隔时间较长结构复杂。光纤激光器和薄片激光器由于其结构的复杂，在激光介质加工、光路调节以及技术成本等方面都存在不足。

鉴于上述原因，目前最普遍使用的是棒状的激光晶体作为激光介质。这种类型的激光器，泵浦的热流一般与起振激光光路方向相互垂直。热流带来在激光棒的径向存在温度差，这种温度差不仅使通过晶体的光束发生热聚焦，同时还引入高于二阶的光程差，使光束质量发生恶化。在高功率的情况下，这种恶化会使出射激光光束质量变差，甚至不出光。一般采用的补偿措施有设计合理的光学谐振腔，或者通过将激光晶体端面修成所需要的形状来进行补偿热透镜，但是这种方法无法补偿高阶光程差。也可以在腔内放入具有一定光程差分布的介质，如具有一定厚度分布的宝石片等，补偿热效应带来的光程差。这种方法的缺点是补偿的宝石片厚度是固定的，对于激光器内废热变化时，例如变化激光器的泵浦功率，无法进行实时的补偿。

然而在激光器的使用过程中，往往需要对其功率进行调节以适应多种应用的需要。现有的补偿热效应的方法很难在调节激光输出功率较大的范围内，使输出激光保持良好的光束质量。本专利采用独特的思路，在光路上插入介质镜片，并利用泵浦光对其进行加热的方法来补偿激光介质的热效应。利用该方法可以使输出激光在较大的功率范围内，保持优良的光束质量。

发明内容

本专利在于克服现有的对固体激光器热效应补偿措施的不足，设计一种采用激光加热镜片实时补偿激光介质热效应的固体激光器。包括激光谐振腔、固体激光介质以及对应的泵浦源。并且在谐振腔内插入一片对泵浦光吸收、同时高透出射激光的介质镜。同时采用特定的环状泵浦光斑对其进行加热，通过介质镜上光程差的变化，实时的调节激光腔内总的光程差，特别是高阶光程差。采用这种结构，可以较方便的通过调节介质镜泵浦光的耦合透镜组来实现对腔内热效应的进行补偿，可以使输出激光在较大的功率范围内，保持优良的光束质量，实时地改善激光器性能。

本专利中利用激光加热镜片实时补偿激光介质热效应的方法可以用于激光器谐振腔内，也可以用于激光放大器中，补偿放大介质的热效应。在激光放大器中由于放大介质受到泵浦，存在的废热使介质中存在较大的光程差分布。在泵浦的功率较高时，高阶光程差将会使通过它的放大光束质量恶化。为了将这种影响降到最低，可以与上述类似并且在光路中插入一片对泵浦光吸收、同时高透放大激光的介质镜，并采用特定的环状泵浦光斑对其进行加热，以补偿激光放大介质中的光程差，改善放大后光束的质量。

附图说明：

附图是本专利采用激光加热镜片实时补偿激光介质热效应固体激光器的实例。

具体实施方式

采用激光加热镜片实时补偿激光介质热效应固体激光器的实例包括两个泵浦模块(1、11)及其对应的耦合透镜组(2，3)、(9，10)，激光晶体(5)，后腔镜(4)和输出镜(7)，带有吸收特性的介质镜(6)和45度双色镜(8)。

所指的两个泵浦光源是808nmLD模块，可以采用光纤输出的结构。其中一个用于激光晶体的泵浦光源出射激光程高斯型分布。另外一个用于泵浦介质镜的光源，其出射的激光可以进行调节使得输出的光束横向具有环状光斑分布。

所指的耦合透镜组主要用于将泵浦光注入到激光晶体或者介质镜上，各个镜面上镀有808nm的增透膜。

所指的激光晶体是Nd:YAG晶体，可以采用808nm激光进行泵浦，出射激光是1064nm。

所指的后腔镜是指镀有1064nm全反膜的镜片，曲率由实际需要确定。

所指的输出镜是指在1064nm镀有一定反射率膜层的镜片，其曲率可以根据腔结构需要进行设计。

所指的带有吸收特性的介质镜可以是由掺钕的玻璃或者其他对泵浦光有强吸收的玻璃材料加工而成，镀有808nm增透膜和1064nm增透膜。

所指的45度双色反射镜同时镀有808nm高反膜和1064nm增透膜。

以下结合附图对本专利的实施方式进一步说明：

在附图中，1是808nm的LD光源，作为Nd:YAG晶体棒的泵浦光源，可以带有尾纤，输出光束的横向分布为高斯型或者平顶分布。2与3是透镜，各个镜面上都镀有808nm增透膜。透镜的曲率可以根据实际的需要进行设计。通过调节2跟3之间的距离，可以泵浦源1输出的光聚焦到激光晶体中，并且达到最佳的腔膜匹配条件。4全反镜，该镜片镀有1064nm全反膜。5是激光晶体，在此实例中指Nd:YAG晶体，两端镀有808nm和1064nm增透膜。6是可吸收泵浦光的介质镜，可以由对808nm进行吸收的钕玻璃或者其他对泵浦光强吸收的玻璃材料加工而成，同时镀有808nm和1064nm增透膜。11是泵浦介质镜的泵浦光源，带有光纤尾纤输出，其输出的光束的横向分布呈环状。9、10是耦合透镜，对其进行调节可以改变照射在介质镜6上的环状泵浦光的半径，从而实现最佳的补偿效果。8是45度双色镜，镀有808nm增透膜和1064nm全反膜。

当激光器启动，泵浦源1给激光晶体提供泵浦，调节腔镜8、10之间有激光起振。同时泵浦产生的废热将加热激光晶体，由于采用侧面冷却结构，激光晶体5在横向上将产生温度差。该温度差会导致横向折射率分布以及光程差分布。通过泵浦源11给出的泵浦光加热介质镜6进行补偿该光程差。泵浦源11给出光束的横向分布为环状，环的半径可以通过调节透镜9、10来进行调节。理论分析和实验结果表明，适当半径的环状光束对介质镜6进行加热，使其厚度、温度等随光斑分布发生变化，可以对激光晶体5中产生的光程差进行补偿。经过补偿后，激光晶体5中的热效应带来的影响极大降低，最终使输出激光的光束质量和输出功率达到最佳。