一种基于折射率高度匹配增益介质的氙灯泵浦固体激光器

摘要

一种基于折射率高度匹配增益介质的氙灯泵浦固体激光器，包括氙灯泵浦系统和谐振腔，谐振腔包括输入镜、输出镜及端面泵浦增益介质，增益介质是采用凝胶注模方法制备的梯度掺杂的透明陶瓷棒，其中核芯为Cr,Nd离子共掺的YAG陶瓷，外层为Lu、Gd、Te中任一种稀土离子单掺的YAG陶瓷，以N+1方式逐一错开；激光汇聚器件对氙灯泵浦激光器输出的泵浦光进行汇聚后入射至输入镜，透过的泵浦光从端面入射至增益介质，增益介质通过受激辐射产生激光，所产生的激光在谐振腔内振荡，最后从输出镜输出。本发明采用梯度掺杂的透明陶瓷，通过不同浓度稀土离子的掺杂及匹配，在实现理论透过率的同时，解决因折射率不同产生的热效应问题，有效改善光束质量，实现模式调控。

说明书

技术领域

本发明涉及固体激光器领域，具体涉及一种基于折射率高度匹配增益介质的氙灯泵浦固体激光器。

背景技术

太阳光是一种连续宽光谱光源，其辐射谱中含有许多常用的激光泵浦吸收带，将聚焦高能量密度的太阳光耦合到激光介质中，对激光介质进行泵浦实现激光输出，这类激光器被称之为太阳光泵浦激光器，其在卫星激光通信、空间能量无线传输、空间激光武器等领域具有潜在的应用前景。目前，直接以太阳光作为泵浦源的激光器主要有三大类：太阳光泵浦气体激光器、太阳光泵浦固体激光器和太阳光泵浦光纤激光器。太阳光泵浦固体激光器中所使用的增益介质为晶体、陶瓷等固体材料，汇聚系统从单一的成像光学器件发展到成像与非成像器件相结合，已有一定的实际应用能力。

受天气的影响，在实验过程中可采用同样光谱宽度的氙灯泵浦系统进行模拟太阳光测试。因此，具有方便操作的氙灯会聚系统的设计尤为重要。

增益介质是固体激光器的核心，其决定激光输出波长和光转化效率。如前所述，太阳光的能量主要集中在可见光波段，增益介质只有同时满足对可见光的高匹配度、高吸收量和高转化效率，才能充分提高泵浦效率，实现高质量太阳光泵浦固体激光输出，因此选择和开发适用于太阳光直接泵浦固体激光器的增益介质尤为关键。在太阳光直接泵浦固体激光器中，玻璃及玻璃光纤、单晶和陶瓷是目前最常用的增益介质。

透明陶瓷作为新一代固体增益介质，其仅通过高温烧结原料粉体便能实现材料的致密化，制备温度远低于材料熔点，制备周期仅为1周。同时陶瓷材料以其多晶态本征特性，易于实现高浓度、均匀化的离子掺杂。文献1(杨丽颖,李嘉强,张金玉,等.半导体激光泵浦复合晶体固体激光器的热效应[J].发光学报,2017,38(06):742-746.)提出，对于太阳光直接泵浦固体激光器，单一结构单晶或陶瓷介质在激光运转过程中，极易导致其热量分布不均匀，造成热透镜效应，降低激光输出性能。文献2(PAVEL N,TSUNEKANE M,TAIRAT.Composite,all-ceramics,high-peak power Nd:YAG/Cr

发明内容

本发明的目的是提供一种基于折射率高度匹配增益介质的氙灯泵浦固体激光器，核芯与包层折射率高度匹配，提高光束质量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于折射率高度匹配增益介质的氙灯泵浦固体激光器，包括氙灯泵浦系统和谐振腔，所述氙灯泵浦系统为会聚散热系统，包括氙灯泵浦激光器和激光汇聚器件，所述激光汇聚器件上设有光斑大小调节装置，激光汇聚器件的光出口为可旋转汇聚光出口，所述谐振腔为线性腔，包括一个输入镜、一个输出镜以及设置在输入镜和输出镜之间的光路上的端面泵浦增益介质，所述增益介质是采用凝胶注模方法制备的梯度掺杂的透明陶瓷棒，其中核芯为Cr、Nd离子共掺的YAG陶瓷，外层为Lu、Gd、Te中任一种稀土离子单掺的YAG陶瓷，以N+1方式逐一错开，所述增益介质的核芯中Cr离子掺杂浓度为0.05at.％-2.5at.％，Cr、Nd离子的掺杂浓度比为0.1-2，外层稀土离子与核芯Nd离子掺杂浓度比为1-6；氙灯光谱范围为模拟太阳光光谱范围，激光汇聚器件对氙灯泵浦激光器输出的泵浦光进行汇聚后入射至输入镜，透过的泵浦光从端面入射至增益介质，增益介质通过受激辐射产生激光，所产生的激光在谐振腔内振荡，最后从输出镜输出。

优选的，所述增益介质的直径为1mm-20mm，长度为5mm-100mm。

优选的，所述光斑大小调节装置调节泵浦光会聚尺寸的范围为0.5mm-6mm，所述激光汇聚器件的出光口的调节范围为0°-180°。

优选的，所述输入镜为平面镜、平凸镜或平凹镜中的一种，镀对所需波段脉冲激光高反的介质膜；所述输出镜为平面镜、平凸镜或平凹镜中的一种，镀对所需波段脉冲激光的高反膜，或者所需脉冲激光波段的部分反射、部分透过的介质膜。

优选的，所述氙灯泵浦系统采用风冷散热方式。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明采用的泵浦系统为太阳光模拟系统，即氙灯会聚散热系统，其可以调节汇聚光斑的大小及方向，还可以控制会聚光斑强度的大小。

(2)采用梯度掺杂的透明陶瓷，通过不同浓度稀土离子的掺杂及匹配，在实现理论透过率的同时，解决因折射率不同产生的热效应问题，可有效改善光束质量，实现模式调控。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种端面泵浦示意图；

图2为增益介质核芯掺杂梯度掺杂剖面图；

图中，1核芯，2外层，3氙灯泵浦激光器，4激光汇聚器件，5光斑大小调节装置，6光出口，7谐振腔，8输入镜，9增益介质，10输出镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种基于折射率高度匹配增益介质的氙灯泵浦固体激光器，包括氙灯泵浦系统和谐振腔7，所述氙灯泵浦系统为会聚散热系统，包括氙灯泵浦激光器3和激光汇聚器件4，所述激光汇聚器件4上设有光斑大小调节装置5，激光汇聚器件4的光出口6为可旋转汇聚光出口，所述谐振腔7为线性腔，包括一个输入镜8、一个输出镜10以及设置在输入镜8和输出镜10之间的光路上的端面泵浦增益介质9，输入镜8为平面镜、平凸镜或平凹镜中的一种，镀对所需波段脉冲激光高反的介质膜，输出镜10为平面镜、平凸镜或平凹镜中的一种，镀对所需波段脉冲激光的高反膜，或者所需脉冲激光波段的部分反射、部分透过的介质膜。

本发明中氙灯泵浦系统为氙灯会聚散热系统，采用风冷散热方式，其输出光斑会聚尺寸可调节，尺寸可调范围为0.5mm-6mm，且激光汇聚器件4的光出口6方向可调节，旋转角度为0°-180°。

本发明中氙灯光谱范围为模拟太阳光光谱范围，激光汇聚器件4对氙灯泵浦激光器3输出的泵浦光进行汇聚后入射至输入镜8，透过的泵浦光从端面入射至增益介质9，增益介质9通过受激辐射产生激光，所产生的激光在谐振腔7内振荡，最后从输出镜10输出。

图2为采用凝胶注模法制备的梯度掺杂透明陶瓷棒的剖面示意图，增益介质9的直径为1mm-20mm，长度为5mm-100mm，所述增益介质9采用梯度掺杂的方式，核芯1为Cr、Nd离子共掺的YAG陶瓷，外层2为Lu、Gd、Te稀土离子单掺的YAG陶瓷，以N+1方式逐一错开。Cr离子浓度掺杂为0.05at.％-2.5at.％，Cr、Nd离子浓度比为0.1-2，外层稀土离子与核芯Nd离子掺杂浓度比为1-6。

利用上述氙灯泵浦固体激光器对产生1064nm激光进行了实验模拟：

实施例1：当会聚光斑尺寸为0.5mm，使用的激光工作介质直径为1mm，长度为5mm，核芯为Cr,Nd离子共掺的YAG陶瓷，其中0.2at.％Cr离子掺杂，2at.％Nd离子掺杂，第二层为Lu离子掺杂的YAG陶瓷，其中12at.％Lu离子掺杂时，使用以上装置，进行氙灯泵浦1064nm激光的产生。

实施例2：当会聚光斑尺寸为4mm，使用的激光工作介质直径为10mm，长度为50mm，核芯为Cr,Nd离子共掺的YAG陶瓷，其中1at.％Cr离子掺杂，1.5at.％Nd离子掺杂，第二层为Gd离子掺杂的YAG陶瓷，其中4at.％Gd离子掺杂时，使用以上装置，进行氙灯泵浦1064nm激光的产生。

实施例3：当会聚光斑尺寸为6mm，使用的激光工作介质直径为20mm，长度为100mm，核芯为Cr,Nd离子共掺的YAG陶瓷，其中0.6at.％Cr离子掺杂，0.6at.％Nd离子掺杂，第二层为Te离子掺杂的YAG陶瓷，其中1.8at.％Te离子掺杂时，使用以上装置，进行氙灯泵浦1064nm激光的产生。

实施例4：当会聚光斑尺寸为3mm，使用的激光工作介质直径为5mm，长度为8mm，核芯为Cr,Nd离子共掺的YAG陶瓷，其中0.2at.％Cr离子掺杂，2at.％Nd离子掺杂，第二层为Lu离子掺杂的YAG陶瓷，其中12at.％Lu离子掺杂时，第三层为Cr,Nd离子共掺的YAG陶瓷，其中0.2at.％Cr离子掺杂，2at.％Nd离子掺杂，第四层为Lu离子掺杂的YAG陶瓷，其中12at.％Lu离子掺杂，以此方式梯度掺杂，使用以上装置，进行氙灯泵浦1064nm激光的产生。

实施例5：当会聚光斑尺寸为6mm，使用的激光工作介质直径为20mm，长度为100mm，核芯为Cr,Nd离子共掺的YAG陶瓷，其中0.6at.％Cr离子掺杂，0.6at.％Nd离子掺杂，第二层为Te离子掺杂的YAG陶瓷，其中1.8at.％Te离子掺杂，第三层为Cr,Nd离子共掺的YAG陶瓷，其中0.6at.％Cr离子掺杂，0.6at.％Nd离子掺杂，第四层为Te离子掺杂的YAG陶瓷，其中1.8at.％Te离子掺杂，第五层为Cr,Nd离子共掺的YAG陶瓷，其中0.6at.％Cr离子掺杂，0.6at.％Nd离子掺杂，第六层为Te离子掺杂的YAG陶瓷，其中1.8at.％Te离子掺杂，第七层为Cr,Nd离子共掺的YAG陶瓷，其中0.6at.％Cr离子掺杂，0.6at.％Nd离子掺杂，使用以上装置，进行氙灯泵浦1064nm激光的产生。

通过对比发现，当增益介质的核芯浓度与第二层离子掺杂浓度不同时(实施例1-3)，实施例2中离子比例匹配较好，即1at.％Cr离子掺杂，1.5at.％Nd离子掺杂的YAG陶瓷的折射率与4at.％Gd离子掺杂的YAG陶瓷折射率差接近或者等于0，折射畸变非常小，能够在达到理论透过率的前提下实现当光束通过材料时的折射率良好匹配，产生激光的效果最佳；但当制备过程中梯度掺杂浓度相同时(实施例4、5)，层数越多，折射率匹配不能达到有益效果。因此，两层掺杂比多层掺杂效果更好，材料热效应现象显著改善。