多程放大薄片激光器的制作方法

1.本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种多程放大薄片激光器。


背景技术：

2.薄片激光器是一种半导体泵浦、增益介质为薄片状晶体的新型固体激光器，相较于板条激光器和光纤激光器，它同时兼具高峰值功率、高脉冲能量、高转换效率和高光束质量等特性，是近年来极具发展潜力的激光系统之一。
3.目前，已有的光泵浦薄片激光器普遍存在泵浦吸收效率低、热畸变等问题。此外，随着集成光学技术的快速发展，如何实现薄片激光器的小型化、结构紧凑和易于集成已经成为了国内外研究学者争相解决的关键技术难题。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是解决薄片激光器性能不足和体积庞大的问题，本发明提出一种多程放大薄片激光器。
5.根据本发明实施例的多程放大薄片激光器，包括：
6.热沉，内部设有冷却流道；
7.泵浦光巴条阵列，设于所述热沉的外周面；
8.整形透镜，设于所述热沉的外周面，并位于所述泵浦光巴条阵列的光路下游；
9.激光增益晶体，设于所述热沉的端面，位于所述整形透镜的光路下游，所述激光增益晶体包括键合连接的无掺杂基质和薄片增益介质，所述激光增益晶体的底面与侧面之间具有预设倾角，所述激光增益晶体的底面与所述热沉的端面连接，所述泵浦光巴条阵列发出的泵浦光经所述整形透镜，由所述底面进入所述激光增益晶体；
10.多个全反射镜，间隔分布于所述激光增益介质的光路下游；
11.其中，进入所述激光增益晶体的种子光在所述激光增益晶体和多个所述全反射镜之间多次反射，进行多程放大后输出激光。
12.根据本发明的一些实施例，所述激光增益晶体为四棱台结构，所述激光增益晶体的底面与侧面之间的预设倾角的范围为：43
°‑
48
°
。
13.在本发明的一些实施例中，所述激光增益晶体的底面镀有泵浦光增透和激光全返双色膜，所述激光增益晶体的侧面镀有45
°
泵浦光全返膜，所述激光增益晶体的顶面镀有激光增透膜。
14.根据本发明的一些实施例，所述热沉具有连通所述冷却流道的进水口和出水口，冷却液经所述进水口流入所述冷却流道进行热量交换后，从所述出水口流出。
15.在本发明的一些实施例中，所述热沉的侧面的设置所述泵浦光巴条阵列和整形透镜的位置进行金属抛光处理，并进行镀金处理。
16.根据本发明的一些实施例，所述薄片增益介质为yb：yag或nd：yag，所述薄片增益介质的厚度小于200微米；
17.所述无掺杂基质为yvo4晶体，所述无掺杂基质的厚度小于5毫米。
18.在本发明的一些实施例中，所述激光增益晶体的底面与所述热沉的端面通过铟焊方式连接。
19.根据本发明的一些实施例，所述泵浦光巴条阵列与所述整形透镜之间、所述激光增益晶体与所述热沉之间均同轴设置。
20.在本发明的一些实施例中，多个所述全反射镜以所述激光增益晶体的轴线呈中心对称设置。
21.根据本发明的一些实施例，所述多程放大薄片激光器还包括：壳体，所述壳体位于所述热沉的径向外侧，所述激光增益晶体和所述整形透镜位于所述壳体内侧。
22.本发明具有如下有益效果：
23.根据本发明实施例的多程放大薄片激光器，热沉可以收集泵浦光巴条阵列和激光增益晶体产生的废热，被外部提供的恒定常温循环冷却液带走，以维持多程放大薄片激光器处于稳定的工作温度。薄片增益介质与无掺杂基质通过异质键合技术结合成一体，共同组成的激光增益晶体，薄片增益介质与无掺杂基质两种不同材料之间存在折射率差，利用全反射临界角可以实现泵浦光在薄片增益介质内全反射，从而大幅增加泵浦光的吸收效率。而且，键合连接的薄片增益介质与无掺杂基质可以有效解决已有的光泵浦薄片激光器普遍存在的热畸变问题。本发明具有泵浦高效吸收、转化效率高、结构紧凑和激光热畸变小的优势，有利于单薄片激光器的高功率、高效率及高光束质量输出。
附图说明
24.图1为根据本发明实施例的多程放大薄片激光器的结构示意图；
25.图2为根据本发明实施例的四棱台型激光增益晶体结构示意图；
26.图3为根据本发明实施例的对称梯形台型激光增益晶体结构示意图。
27.附图标记：
28.多程放大薄片激光器100，
29.热沉10，进水口101，出水口102，
30.泵浦光巴条阵列20，
31.整形透镜30，
32.激光增益晶体40，底面401，侧面402，顶面403，无掺杂基质41，薄片增益介质42，预设倾角θ，
33.全反射镜50。
具体实施方式
34.为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
35.本发明中说明书中对方法流程的描述及本发明说明书附图中流程图的步骤并非必须按步骤标号严格执行，方法步骤是可以改变执行顺序的。而且，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
36.针对现有薄片激光器所存在的性能不足和体积庞大等问题，结合键合技术、高效
耦合和多程放大技术的卓越优势，提出一种新型高效泵浦多程放大薄片激光器，为我国高功率固体激光器领域的发展奠定坚实基础。
37.如图1所示，根据本发明实施例的多程放大薄片激光器100，包括：热沉10、泵浦光巴条阵列20、整形透镜30、激光增益晶体40及多个全反射镜50。
38.其中，热沉10内部设有冷却流道。泵浦光巴条阵列20和整形透镜30均设于热沉10的外周面，整形透镜30位于泵浦光巴条阵列20的光路下游。
39.激光增益晶体40设于热沉10的端面，位于整形透镜30的光路下游，激光增益晶体40包括键合连接的无掺杂基质41和薄片增益介质42，激光增益晶体40的底面401与侧面402之间具有预设倾角θ，激光增益晶体40的底面401与热沉10的端面连接，泵浦光巴条阵列20发出的泵浦光经整形透镜30，由底面401进入激光增益晶体40，多个全反射镜50间隔分布于激光增益晶体40的光路下游。
40.其中，进入激光增益晶体40的种子光在激光增益晶体40和多个全反射镜50之间多次反射，进行多程放大后输出激光。种子光可以为高光束质量纳秒激光源，通过在激光增益晶体40和多个全反射镜50之间多次反射，每次经过薄片增益介质42均会对种子光进行放大，放大程数理论上没有限制，可以根据实际需求设置全反射镜50的数量和角度。
41.需要说明的是，本技术中所述的“光路下游”是指沿光的传播路径，部件设置的先后顺序，在光的传播过程中，光后经过的部件位于光先经过的部件的光路下游。
42.根据本发明实施例的多程放大薄片激光器100，热沉10可以收集泵浦光巴条阵列20和激光增益晶体40产生的废热，被外部提供的恒定常温循环冷却液带走，以维持多程放大薄片激光器100处于稳定的工作温度。薄片增益介质42与无掺杂基质41通过异质键合技术结合成一体，共同组成的激光增益晶体40，薄片增益介质42与无掺杂基质41两种不同材料之间存在折射率差，利用全反射临界角可以实现泵浦光在薄片增益介质42内全反射，从而大幅增加泵浦光的吸收效率。而且，键合连接的薄片增益介质42与无掺杂基质41可以有效解决已有的光泵浦薄片激光器普遍存在的热畸变问题。
43.根据本发明的一些实施例，如图2所示，激光增益晶体40可以为四棱台结构，激光增益晶体40的底面401与侧面402之间的预设倾角的范围为：43
°‑
48
°
。其中，侧面402与底面401之间的预设倾角θ可以约为45
°
。如图3所示，激光增益晶体40的结构还可为对称梯形台，对称梯形台或四棱台结构方便实现整形后的泵浦光耦合到薄片增益介质42中。
44.在本发明的一些实施例中，激光增益晶体40的底面401镀有泵浦光增透和激光全返双色膜，激光增益晶体40的侧面402镀有45
°
泵浦光全返膜，激光增益晶体40的顶面403镀有激光增透膜。
45.根据本发明的一些实施例，热沉10具有连通冷却流道的进水口101和出水口102，冷却液经进水口101流入冷却流道进行热量交换后，从出水口102流出。
46.在本发明的一些实施例中，热沉10的侧面402的设置泵浦光巴条阵列20和整形透镜30的位置进行高面形精度及光洁度的金属抛光处理，并进行镀金处理。
47.根据本发明的一些实施例，薄片增益介质42为yb：yag或nd：yag，薄片增益介质42的厚度小于200微米；无掺杂基质41为yvo4晶体，无掺杂基质41的厚度小于5毫米。需要说明的是，通过上述尺寸设置的片状薄片增益介质42和块状无掺杂基质41，便于多程放大薄片激光器100的小型化、集成式设置，而且，有利于提高泵浦吸收效率。
48.在本发明的一些实施例中，激光增益晶体40的底面401与热沉10的端面通过铟焊方式连接。根据本发明的一些实施例，如图1所示，泵浦光巴条阵列20与整形透镜30之间同轴设置，由此可实现对泵浦光光束整形聚焦。激光增益晶体40与热沉10之间均同轴设置，并保持激光增益晶体40侧面402的底边与泵浦光巴条阵列20所在的散热热沉面平行。
49.在本发明的一些实施例中，多个全反射镜50以激光增益晶体40的轴线呈中心对称设置。全反射镜50可为平面镜或凹面镜。
50.根据本发明的一些实施例，多程放大薄片激光器100还包括：壳体，壳体位于热沉10的径向外侧，激光增益晶体40和整形透镜30位于壳体内侧。由此，壳体可以对激光增益晶体40和整形透镜30起到良好的保护作用。
51.下面参照附图以一种基于四棱台增益晶体结构的高效泵浦薄片激光多程放大系统对本发明的进行详细描述。需要说明的是，下述描述仅是示例性描述，而不应理解为对本发明的具体限制。
52.如图1和图2所示，系统从左至右主要包括热沉10，其材质为紫铜，内部呈微通道结构，并且，热沉10的两侧设置有壳体，壳体内安装泵浦光巴条阵列20和整形透镜30，热沉10右侧和由无掺杂基质41和薄片增益介质42组成的激光增益晶体40通过铟焊技术相接，热沉10左端设置有进水口101和出水口102，与连通的冷却流道实现内部冷却液循环，对包括泵浦光巴条阵列20和薄片增益介质42在内产生的废热进行有限收集并通过冷却液散出，从而保持热沉10恒定温度。
53.其中，热沉10与泵浦光巴条阵列20和激光增益晶体40接触的表面需进行高面形精度及光洁度的金属抛光处理，并进行镀金处理。
54.无掺杂基质41和薄片增益介质42通过键合技术形成的如图2所示的四棱台结构激光增益晶体40。具体的，无掺杂基质41为块状结构，材料为无掺杂的yvo4晶体，其厚度通常小于5毫米；薄片增益介质42呈片状结构，材料可为yb：yag或nd:yag，其厚度通常小于200微米。
55.并且，为方便实现整形后的泵浦光耦合到薄片增益介质42中，键合形成的激光增益晶体40侧面402与底面401之间的预设倾角θ约为45
°
，激光增益晶体40的底面401镀泵浦光增透和激光全返双色膜，侧面402镀45
°
泵浦光全返膜，顶面403镀激光增透膜。
56.激光增益晶体40右侧设置有一组对称分布的全反射镜50，其可为平面镜或凹面镜；种子光由右侧斜入射至通过键合而成的激光增益晶体40内，利用两种材料之间存在折射率差，经全反射临原理可较为轻松地实现泵浦光在薄片增益介质42内多程反射，从而大幅增加泵浦光的吸收效率，提高整个激光系统的出射功率。
57.本发明具有泵浦高效吸收、转化效率高、结构紧凑和激光热畸变小的优势，有利于单薄片激光器的高功率、高效率及高光束质量输出。
58.通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

技术特征：
1.一种多程放大薄片激光器，其特征在于，包括：热沉，内部设有冷却流道；泵浦光巴条阵列，设于所述热沉的外周面；整形透镜，设于所述热沉的外周面，并位于所述泵浦光巴条阵列的光路下游；激光增益晶体，设于所述热沉的端面，位于所述整形透镜的光路下游，所述激光增益晶体包括键合连接的无掺杂基质和薄片增益介质，所述激光增益晶体的底面与侧面之间具有预设倾角，所述激光增益晶体的底面与所述热沉的端面连接，所述泵浦光巴条阵列发出的泵浦光经所述整形透镜，由所述底面进入所述激光增益晶体；多个全反射镜，间隔分布于所述激光增益晶体的光路下游；其中，进入所述激光增益晶体的种子光在所述激光增益晶体和多个所述全反射镜之间多次反射，进行多程放大后输出激光。2.根据权利要求1所述的多程放大薄片激光器，其特征在于，所述激光增益晶体为四棱台结构，所述激光增益晶体的底面与侧面之间的预设倾角的范围为：43
°‑
48
°
。3.根据权利要求1所述的多程放大薄片激光器，其特征在于，所述激光增益晶体的底面镀有泵浦光增透和激光全返双色膜，所述激光增益晶体的侧面镀有45
°
泵浦光全返膜，所述激光增益晶体的顶面镀有激光增透膜。4.根据权利要求1所述的多程放大薄片激光器，其特征在于，所述热沉具有连通所述冷却流道的进水口和出水口，冷却液经所述进水口流入所述冷却流道进行热量交换后，从所述出水口流出。5.根据权利要求1所述的多程放大薄片激光器，其特征在于，所述热沉的侧面的设置所述泵浦光巴条阵列和整形透镜的位置进行金属抛光处理，并进行镀金处理。6.根据权利要求1所述的多程放大薄片激光器，其特征在于，所述薄片增益介质为yb：yag或nd：yag，所述薄片增益介质的厚度小于200微米；所述无掺杂基质为yvo4晶体，所述无掺杂基质的厚度小于5毫米。7.根据权利要求1所述的多程放大薄片激光器，其特征在于，所述激光增益晶体的底面与所述热沉的端面通过铟焊方式连接。8.根据权利要求1所述的多程放大薄片激光器，其特征在于，所述泵浦光巴条阵列与所述整形透镜之间、所述激光增益晶体与所述热沉之间均同轴设置。9.根据权利要求1所述的多程放大薄片激光器，其特征在于，多个所述全反射镜以所述激光增益晶体的轴线呈中心对称设置。10.根据权利要求1-9中任一项所述的多程放大薄片激光器，其特征在于，所述多程放大薄片激光器还包括：壳体，所述壳体位于所述热沉的径向外侧，所述激光增益晶体和所述整形透镜位于所述壳体内侧。

技术总结
本发明提出了一种多程放大薄片激光器，包括：热沉、泵浦光巴条阵列，整形透镜、激光增益晶体及多个全反射镜，泵浦光巴条阵列和整形透镜均设于热沉的外周面，整形透镜位于泵浦光巴条阵列的光路下游；激光增益晶体设于热沉的端面，激光增益晶体包括键合连接的无掺杂基质和薄片增益介质，激光增益晶体的底面与侧面之间具有预设倾角，泵浦光巴条阵列发出的泵浦光经整形透镜，由底面进入激光增益晶体；进入激光增益晶体的种子光在激光增益晶体和多个全反射镜之间多次反射，进行多程放大后输出激光。本发明具有泵浦高效吸收、转化效率高、结构紧凑和激光热畸变小的优势，有利于单薄片激光器的高功率、高效率及高光束质量输出。高效率及高光束质量输出。高效率及高光束质量输出。


技术研发人员：方聪 王思博 韩昌昊 陈国 魏磊 王克强 韩隆
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十一研究所
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/10/11