[发明专利]一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器及设计方法

说明书

本发明涉及一种激光器，特别是一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器及设计方法,它至少包括激光二极管泵浦源、激光谐振腔；激光谐振腔包括谐振腔输入镜、激光介质、谐振腔输出镜，激光介质在谐振腔输入镜和谐振腔输出镜之间，激光介质是YAG透明陶瓷棒，所述YAG透明陶瓷棒的长度为l，直径为D，其特征是：在长度为l的YAG透明陶瓷棒轴线上，小于直径D长度为YAG透明陶瓷棒长l的柱形空间有掺杂的Nd³⁺，光二极管泵浦源对长度为l的YAG透明陶瓷棒进行泵浦，在谐振腔输入镜和谐振腔输出镜之间的谐振腔产生基模或低阶模振荡光产生增益放大输出。它实现具有高光束质量和高输出效率的圆棒状陶瓷激光器及设计方法。

技术领域

本发明涉及一种激光器，特别是一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器及设计方法。

背景技术

Nd:YAG陶瓷激光器，主要由泵浦源激光二极管阵列和谐振腔组成。谐振腔为激光器的核心部分，其中以透明陶瓷作为材料的激光介质是实现将泵浦能量转化成激光能量的枢纽。Nd:YAG透明陶瓷相对于Nd:YAG单晶，具有更高的掺杂浓度，能够进行大尺寸设计的优势，且与Nd:YAG单晶近乎相同的物理化学和光学性能，使其在全固态大功率激光器中具有广泛应用。

目前所见多数陶瓷激光器中的激光介质多为圆棒状、板条状、碟片状结构。其中圆棒状激光介质应用最为广泛，尤其在侧面泵浦激光器中是一种综合性能比较优越的结构，便于实现均匀分布的泵浦光排列。但是，在均匀掺杂的棒状陶瓷介质中，由于棒内部靠近侧表面的区域存在大量的对泵浦光的吸收，导致泵浦能量在棒中心区域的分布被严重削弱。陶瓷介质中上能级粒子数的分布分散于整个介质，当激光器工作时，处于激光棒边缘区域的高阶模被大量激发，引起激光的光束质量变差，同时，位于棒中心区域的基模或低阶模的能量占比变小，影响激光器的应用效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、输出效率高、克服传统棒状陶瓷介质对泵浦光的吸收范围过于分散的缺陷，抑制输出光中高阶模的成分，将激光能量集中于基模或低阶模，提升输出光的光束质量。实现具有高光束质量和高输出效率的圆棒状陶瓷激光器及设计方法。

本发明的目的是这样实现的，一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器，它至少包括激光二极管泵浦源、激光谐振腔；激光谐振腔包括谐振腔输入镜、激光介质、谐振腔输出镜，激光介质在谐振腔输入镜和谐振腔输出镜之间，激光介质是YAG透明陶瓷棒，所述YAG透明陶瓷棒的长度为l，直径为D，其特征是：在长度为l的YAG透明陶瓷棒轴线上，小于直径D长度为YAG透明陶瓷棒长l的柱形空间有掺杂的Nd³⁺，光二极管泵浦源对长度为l的YAG透明陶瓷棒进行泵浦，在谐振腔输入镜和谐振腔输出镜之间的谐振腔产生基模或低阶模振荡光产生增益放大输出。

所述的激光介质为中心掺杂Nd³⁺周围不掺杂Nd³⁺的YAG棒状陶瓷，激光二极管泵浦源通过侧面泵浦陶瓷激光介质棒的Nd³⁺掺杂区域，使泵浦光进入Nd³⁺掺杂区域的掺杂粒子被吸收，限制腔内能够振荡的激光范围，使得输出激光为基模高斯光束或低阶模高斯光束。

一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器方法，依据谐振腔的理论对激光器中的相关参数进行设计，设L为谐振腔腔长，两个反射镜的曲率半径分别为R₁和R₂，根据稳定腔理论可以得到两个腔镜上基模高斯激光的光斑半径ω₁和ω₂分别为：

其中，λ为激光波长，且满足稳定性条件，0＜g₁g₂＜1。

则腔内基模高斯光的平均直径可以估计为