一種寬溫環形激光二極管泵浦激光器及其設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及激光放大器領域，具體而言涉及一種寬溫環形激光二極管泵浦激光器 及其設計方法。
【背景技術】
[0002] LD(激光二極管）泵浦固體激光器具有體積小，輸出能量大，使用壽命長等優點。 LD泵浦激光器的泵浦單元LD巴條，其發射泵浦光的中心波長和發射光功率，具有隨工作環 境溫度變化而變化的特性：隨著溫度的增加，中心波長發生紅移（變長）、發射光功率下降； 反之，隨著溫度的降低，中心波長發生藍移（變短）、發射光功率升高。所以，當LD泵浦激光 器的工作環境溫度變化時，激光器增益介質吸收的泵浦光能量會發生變化，導致激光器的 輸出能量變化，工作環境溫度變化較大時，激光器甚至會無法實現能量輸出。
[0003] 在LD泵浦激光器的使用中，常常會遇到較為嚴苛的工作環境，-20°c至50°C就是 野外使用常見的溫度環境要求。為了實現在較寬溫度環境中穩定運行的要求，需要對激光 器進行寬溫環境功能改進。一種常用的方法是在激光器上加裝主動溫度控制系統，如使用 半導體制冷片對LD溫度進行控溫，使LD陣列中單巴條的輸出波長和輸出功率保持穩定，從 而實現激光器的穩定輸出。這種方法需要為主動溫控系統提供額外的運行能源，同時主動 溫控系統會增加激光器系統復雜性、體積和重量，并降低激光器系統的運行可靠性和抗干 擾性，不利于激光器的小型化、輕量化設計。
【發明內容】
[0004] 針對上述現有技術中存在的問題，本發明提供一種寬溫環形激光二極管泵浦激光 器及其設計方法，利用本發明的巴條設計方法可精確計算出所需各發射波長的巴條數目， 該裝置適用于-20°c - 50°C的寬溫環境，有效泵浦功率穩定，組裝簡單，體積小，重量輕。
[0005] 為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
[0006] 一種寬溫環形激光二極管泵浦激光器，包括冷卻熱沉、環形巴條陣列、增益介質、 調Q晶體，所述增益介質和調Q晶體均為圓柱狀，所述冷卻熱沉為中心設有圓孔的長方體， 所述環形巴條陣列固定連接于冷卻熱沉圓孔的表面，所述環形巴條陣列包括至少2種發 射波長的巴條，相鄰巴條之間間隔相同，相鄰的相同發射波長的巴條之間間隔巴條數之差 < 1，調Q晶體鍵合在增益介質的一端。
[0007] 進一步，所述增益介質的軸心與環形巴條陣列的軸心重合。
[0008] 進一步，所述增益介質遠離調Q晶體的一端鍍有激光波長全反射膜。
[0009]進一步，所述增益介質與調Q晶體鍵合的一端鍍有激光波長部分反射膜。
[0010] 進一步，所述環形巴條陣列至少為1個。
[0011] 另，本發明還提供一種寬溫環形激光二極管泵浦激光器的巴條數目設計方法，寬 溫環形激光二極管泵浦激光器的結構包括冷卻熱沉、環形巴條陣列、棒狀的增益介質、調Q 晶體，所述增益介質和調Q晶體均為圓柱狀，所述冷卻熱沉為中心設有圓孔的長方體，所述 環形巴條陣列固定連接于冷卻熱沉圓孔的表面，所述環形巴條陣列包括至少2種發射波長 的巴條，相鄰巴條之間間隔相同，相鄰的相同發射波長的巴條之間間隔巴條數之差< 1，調 Q晶體鍵合在增益介質的一端，所述巴條數目設計方法包括如下步驟：
[0012] (1)通過測量得到作為增益介質的激光晶體的吸收譜曲線函數〇 (X)，其中，自 變量X為巴條的發射波長，選定巴條的發射波長范圍為Xfa-Xm+a，將波長范圍尚散化為入i±a、A2±a???入m±a，共m個數值段；
[0013] (2)確定需要的工作溫度范圍為-20°C至50°C，測量所述溫度范圍內，單巴條發射 功率函數p(T)、巴條發射波長的溫漂系數k，其中，自變量T為溫度，將溫度范圍離散化為 ?.八土!:，共s個數值段，且s<m;
[0014] (3)當室溫20°C時，巴條發射波長分布函數為n(A)，其中，n為巴條數目；溫度為 1\時，巴條的發射波長變為X+k(T-20)，激光晶體吸收的泵浦光能量為
【主權項】
1. 一種寬溫環形激光二極管泵浦激光器，包括冷卻熱沉、環形巴條陣列、增益介質、調 Q晶體，所述增益介質和調Q晶體均為圓柱狀，其特征在于，所述冷卻熱沉為中心設有圓孔 的長方體，所述環形巴條陣列固定連接于冷卻熱沉圓孔的表面，所述環形巴條陣列包括至 少2種發射波長的巴條，相鄰巴條之間間隔相同，相鄰的相同發射波長的巴條之間間隔巴 條數之差< 1，調Q晶體鍵合在增益介質的一端。
2. 根據權利要求1所述的一種寬溫環形激光二極管泵浦激光器，其特征在于，所述增 益介質的軸心與環形巴條陣列的軸心重合。
3. 根據權利要求1所述的一種寬溫環形激光二極管泵浦激光器，其特征在于，所述增 益介質遠離調Q晶體的一端鍍有激光波長全反射膜。
4. 根據權利要求1所述的一種寬溫環形激光二極管泵浦激光器，其特征在于，所述增 益介質與調Q晶體鍵合的一端鍍有激光波長部分反射膜。
5. 根據權利要求1所述的一種寬溫環形激光二極管泵浦激光器，其特征在于，所述環 形巴條陣列至少為1個。
6. -種寬溫環形激光二極管泵浦激光器的巴條數目設計方法，其特征在于，寬溫環形 激光二極管泵浦激光器的結構包括冷卻熱沉、環形巴條陣列、增益介質、調Q晶體，所述增 益介質和調Q晶體均為圓柱狀，所述冷卻熱沉為中心設有圓孔的長方體，所述環形巴條陣 列固定連接于冷卻熱沉圓孔的表面，所述環形巴條陣列包括至少2種發射波長的巴條，相 鄰巴條之間間隔相同，相鄰的相同發射波長的巴條之間間隔巴條數之差< 1，調Q晶體鍵合 在增益介質的一端，所述巴條數目設計方法包括如下步驟： (1) 通過測量得到作為增益介質的激光晶體的吸收譜曲線函數〇 (X)，其中，自變量 入為巴條的發射波長，選定巴條的發射波長范圍為\-a -Xm+a，將波長范圍離散化為 入1土a、入2±a* ? ?Am±a，共m個數值段； (2) 確定需要的工作溫度范圍為_20°C至50°C，測量所述溫度范圍內，單巴條發射功率 函數P(T)、巴條發射波長的溫漂系數k，其中，自變量T為溫度，將溫度范圍離散化為±t、 T2±t* ?.八土!:，共s個數值段，且s<m; (3) 當室溫20°C時，巴條發射波長分布函數為n(A)，其中，n為巴條數目；溫度為時， 巴條的發射波長變為A+k(T-20)，激光晶體吸收的泵浦光能量為
(4) 確定激光晶體需要吸收的泵浦光能量為常數W，在步驟（1)所述的每一個波長數 值段中選取中值，所述波長數值對應的激光晶體吸收值為〇 (\)，在步驟（2)所述的 每一個溫度數值段中選取中值Tz，所述溫度數值Tz對應的單巴條發射功率為p(Tz)，將所述 〇UX)、P(TZ)和系數k代入步驟（3)的函數式中，得到如下方程組
(5) 求解步驟（4)的方程組，得到通解，由于巴條陣列中巴條數量必須為整數，對得到 的通解中以^取整巧到若干組整數解^^^、!^^)…*!^^))、^^^、 n22 (入 2) ? ? ? (入J) ? ? ? (nly (入i)、n2y (入 2) ? ? ?rv(入 ; (6) 將步驟（5)得到的整數解逐個代入步驟（3)的泵浦光能量方程，得到實際泵浦光能 量為（Wn、W21. ? .Wsl)、（W12、W22. ? .Ws2) ? ? ? (Wly、W2y. ? .Wsy)，計算實際激光晶體吸 收的泵浦光能量與常數W差的平方得到偏離值AW，將每一組的AW相加，取相加得數最小 的一組，對應的巴條數目為ni、n2, ?
7. 根據權利要求6所述的巴條數目設計方法，其特征在于，所述增益介質的軸心與環 形巴條陣列的軸心重合。
8. 根據權利要求6所述的巴條數目設計方法，其特征在于，所述增益介質遠離調Q晶體 的一端鍍有激光波長全反射膜。
9. 根據權利要求6所述的巴條數目設計方法，其特征在于，所述增益介質與調Q晶體鍵 合的一端鍍有激光波長部分反射膜。
10. 根據權利要求6所述的巴條數目設計方法，其特征在于，所述環形巴條陣列至少為 1個。
【專利摘要】本發明公開了一種寬溫環形激光二極管泵浦激光器，包括冷卻熱沉、環形巴條陣列、增益介質、調Q晶體，所述冷卻熱沉為中心設有圓孔的長方體，所述環形巴條陣列固定連接于冷卻熱沉圓孔的表面，所述環形巴條陣列包括至少2種發射波長的巴條，相鄰巴條之間間隔相同，相鄰的相同發射波長的巴條之間間隔巴條數之差≤1，調Q晶體鍵合在增益介質的一端，巴條陣列中巴條在常溫時的發射光譜分布，是根據增益介質吸收譜、巴發射波長的溫漂系數以及巴發射功率的溫漂數據進行設計的，保證在激光器使用環境的溫度范圍內，增益介質吸收的巴條陣列泵浦功率基本相同，從而保證在寬溫度環境內，激光器輸出能量的穩定性。
【IPC分類】H01S3-0941
【公開號】CN104577688
【申請號】CN201510027132
【發明人】嚴雄偉, 鄭建剛, 蔣新穎, 王振國, 張君, 田曉玲, 李明中, 吳登生, 張雄軍, 康民強, 鄧穎, 張永亮
【申請人】中國工程物理研究院激光聚變研究中心
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月20日