專利名稱：一種防止固體激光器工作物質及腔內光學元件破壞的方法
技術領域：
本發明屬于激光技術中固體激光技術領域。
在現有的固體激光器中存在著工作物質的破壞問題。在很多情況下，腔內振蕩的光功率密度遠小于工作物質激光損傷閾值就會造成破壞。這一問題長久以來困擾著固體激光器研究人員，使人們無法獲得更高的激光輸出，其根本原因在于未能發現工作物質受到破壞的實際機理，當諧振腔內光功率密度較高時，還會帶來腔內及腔外其它近場光學元件的意外破壞。這里的破壞是指在通過它的平均光功率密度遠較其破壞閾值低時所發生的，這一問題長久以來被認為是晶體本身缺陷造成。但隨著晶體材料生長工藝的改進，晶體的光學均勻性、消光比、及電光轉換效率方面都大大提高，激光破壞卻更容易產生。因而給晶體生長的研究人員造成一種錯覺，認為光學均勻性差的晶體會有較高的抗操作能力，阻礙了晶體生長的研究及高性能激光器的研究發展。
本發明的目的在于提供一種克服固體激光器工作物質及腔內光學元件破壞的方法，以便提高激光器的輸出功率及工作壽命。
為了克服工作物質的破壞，獲得高功率的激光輸出，必須針對其破壞機理采取相應的解決手段。本發明首先揭示了固體激光器工作物質破壞的機理，并給出了抗破壞的幾種方法，通過實驗驗證了本發明提出的思想的正確性及采取方法的有效性。
首先分析固體激光器的破壞機理;在一般情況下，諧振腔內光功率密度未達到工作物質的破壞閾值時產生破壞，這時雖然平均功率密度未超過破壞閾值，但在破壞發生的地方形成了局部的光功率密度高峰值，這一高峰值的產生是因為采用的有限尺寸的固體工作物質與腔鏡構成的諧振腔為半閉腔，諧振腔內的振蕩光及自發輻射的雜散光通過工作物質邊緣、端角及封裝物質表面反射，在工作物質內獲得增益，并由于腔鏡的耦合作用，這一反射光一次或多次經工作物質放大，與諧振腔內正常振蕩光疊加，當疊加的光功率密度在局部超過破壞閾值時，就會產生破壞，這一過程稱為“邊緣效應”。隨著泵浦功率(即增益)的提高，這一效應越發明顯，下面選擇一個棒狀激光器的諧振腔做一簡要分析。現在常用的固體激光器裝置如
圖1所示，工作物質是毛表面的圓柱體，兩端用金屬套管封接，球面鏡諧振腔。在光泵浦情況下，由于工作物質的圓柱形，金屬套管的圓環形及諧振腔鏡的球面結構，這些軸對稱結構造成了在諧振腔的中心光軸上有較強的光功率附加光場，這一光場疊加到腔內的振蕩光場上。當邊緣反射光通過腔鏡耦合進工作物質得到放大時，就會有較強的軸心光功率密度。隨著泵浦功率的提高，當疊加光場的光功率密度超過破壞閾值時，就在中心光軸上某點首先產生破壞，如圖1示。圖1A中，1是腔鏡，2是金屬封接套，3是工作物質，可看出在工作物質中心產生實焦點，實焦點也可產生于腔內光學元件4的中心處，即這一破壞可以發生在腔內或腔外光學元件及工作物質的表面或內部軸心部位。針對這一破壞機理，可采取減弱或消除邊緣效應的方法，使激光傳輸過程中不產生軸心的實焦點，來達到防破壞的目的。其一，可以采用非軸對稱諧振腔型減弱軸心光功率密度。其二，選擇非軸對稱結構工作物質，這樣可減弱軸心上的光功率密度。其三，限制軸對稱結構諧振腔及圓棒工作物質的邊緣光，使其不能夠通過腔鏡耦合進工作物質。具體可采用如圖2所示方法。圖2A中5是光闌，它可以屏蔽邊緣光。圖2B中6是將工作物質的端角磨成毛棱，也可起圖2A中5的作用。圖2C中7是保護環，同樣可消除邊緣效應，使激光不產生軸心的實焦點，以達到防止破壞的目的。圖2C是一種簡單、實用、有效的方法，采用如圖2C示的保護環，同軸性好，不需調整，其直徑選擇應小于棒直徑，越小的通光孔徑，其防破壞效果越佳。為充分利用整個模體積，應選擇較大的通光孔徑。這里應根據諧振腔和工作物質的工作狀態而選取最佳值，保護環應隔絕邊緣光通過腔鏡反射回工作物質，使傳輸光不產生實焦點，避免工作物質及腔內光學元件的破壞。如不限制邊緣光，也會在激光輸出的近場形成強的軸心光場分布，邊緣光通過放大并獲得增益而使放大級棒中心產生破壞。現舉一個典型實驗來說明保護環所起作用。在一臺采用非穩腔的調Q運行的NdYAG棒狀(Φ7×85mm)激光器中，當采用如上所示的保護環(內徑d＝6mm)時，高重復頻率工作，每個脈沖300mJ輸出時，工作物質仍未破壞，而去除保護環后，當輸出100mJ時，就產生了中心的破壞。本方法的采用可使激光損傷閾值提高三倍以上。由此看出邊緣效應是固體激光工作物質破壞的重要原因，消除邊緣效應可大大提高固體激光器的輸出。
權利要求
1.一種防止固體激光器工作物質及腔內光學元件破壞的方法，其特征是在固體激光器中，克服邊緣效應，使激光在傳輸中不產生實焦點，達到防止破壞的目的。
2.權利要求1所述的方法，其特征是在棒狀結構激光諧振腔中，在聚光腔兩端加小于棒直徑的光闌，以克服邊緣效應。
3.權利要求1所述的方法，其特征是直接加工工作物質，以克服邊緣效應。
4.權利要求1所述的方法，其特征是在棒狀工作物質激光器中，直接在封接套上加保護環或保護罩，以克服邊緣效應。
全文摘要
本發明“一種防止固體激光器工作物質及腔內光學元件破壞的方法”屬于激光技術中固體激光技術領域。本發明提出了固體激光器中激光工作物質及腔內光學元件的破壞機理及防止破壞的方法。在棒狀激光器中所采用的防破壞方法，簡便易行，可獲得更高功率密度的激光輸出。本發明可在各種固體激光器中使用，以提高激光輸出。
文檔編號H01S3/16GK1111841SQ9510107
公開日1995年11月15日 申請日期1995年1月16日 優先權日1995年1月16日
發明者張潤, 王偉力, 張世文 申請人:電子部第十一研究所