基于直接液冷Yb:YAG薄片激光器的多光斑泵浦吸收方法

本发明涉及yb:yag薄片激光器，具体涉及基于直接液冷yb:yag薄片激光器的多光斑泵浦吸收方法。

背景技术：

1、自yb:yag薄片激光器产生以来，便引起了新一代激光技术革命。目前，最新一代的阿秒驱动光源是由高功率yb:yag薄片激光器泵浦的光参量放大系统产生的，由该系统得到的阿秒脉冲在带宽、峰值功率和平均功率均大幅度优于传统的掺钛蓝宝石激光器泵浦的光参量放大系统；并且由于yb:yag薄片激光器可直接得到高重复频率和高峰值功率的亚皮秒脉冲，所以其也是理想的thz脉冲源的驱动源；不仅如此，得益于yb:yag薄片激光器在支持高功率稳定运转的同时可以保证高光束质量输出，其在点焊和短接缝结合中均有出色的应用结果，因此，高功率yb:yag薄片激光器也已被广泛应用于工业界中。

2、由于量子缺陷效应的存在，激光器在高功率运转时，激光晶体会存在很强的热效应，得益于薄片增益介质大的表面积与体积比，该类结构具有优秀的散热能力；并且薄片增益介质在纵向的温度梯度很小，这极大地减少了光束通过薄片时引入的波前像差，使得热效应对激光光束质量的影响极小。

3、yb:yag薄片增益介质的热导率很低，通常将yb:yag薄片和具有高热导率的热沉相结合，通过水流直接冲击热沉底部，直接带走yb:yag薄片积累的热量；然而，为了确保yb:yag薄片散热能力的同时还需保证yb:yag薄片表面不发生形变且无内应力，这导致yb:yag薄片和热沉的结合工艺复杂，并且目前很难实现大口径yb:yag薄片和热沉结合；同时由于热沉式散热结构为单面散热，因此该散热方式的散热能力随着yb:yag薄片厚度的增加而急剧下降。

4、由于yb:yag薄片的纵向尺寸非常小，yb:yag薄片对泵浦光的单程吸收率较低；为了使得泵浦光充分的被吸收，往往需要多通泵浦方案，然而随着yb:yag薄片对泵浦光的吸收，其泵浦区域反转粒子数逐渐提升，将降低yb:yag薄片的吸收效率。同时泵浦通数越多，其多通泵浦结构就越复杂。为了保证每一通泵浦光在yb:yag薄片上的光斑重合，其调试难度也随着泵浦通数的增加而增加。同时，受限于热沉式yb:yag薄片的口径，为了进一步提高yb:yag薄片激光器的单程增益，无法直接泵浦多个区域，需要级联多个yb:yag薄片激光头，这极大地增加了yb:yag薄片激光器系统的体积。

5、针对上述缺陷，目前采用直接液冷的方式直接对yb:yag薄片进行散热，具体步骤为：在薄片的上下两个端面，水流以层流的形式直接带走薄片积累的热量；通过上述冷却方式进行散热，可以有效地缓解yb:yag薄片厚度的增加而导致的散热能力下降的缺点；同时，该冷却方式避免了复杂的yb:yag薄片和热沉的结合工艺，因此使用该散热方法可以直接使用更大口径、更厚的yb:yag薄片；然而，目前直接液冷yb:yag薄片激光头泵浦方式同热沉式yb:yag薄片激光头一致，只泵浦一个区域，导致其空间利用率低。

技术实现思路

1、本发明为解决现有级联yb:yag薄片激光头体积较大，且每套激光头均需独立的泵浦系统，以及yb:yag薄片液冷散热方法对多通泵浦光的吸收效率低、空间利用率低等问题，而提出基于直接液冷yb:yag薄片激光器的多光斑泵浦吸收方法。

2、本发明的设计思路为：通过成像光路，将匀滑后强度分布均匀的泵浦光斑依次成像至yb:yag薄片上的不同区域，之后再对该泵浦光斑反向依次成像；通过不断重复以上过程，从而使得yb:yag薄片各个区域被均匀泵浦，提高yb:yag薄片对泵浦光的吸收效率。

3、为实现上述目的，本发明提出的技术解决方案为：

4、基于直接液冷yb:yag薄片激光器的多光斑泵浦吸收方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

5、步骤一、将入射的泵浦光处理为强度均匀分布的泵浦光斑；

6、步骤二、设定yb:yag薄片的泵浦区为n个，将处理后的泵浦光通过4f成像系统入射至yb:yag薄片上的第1泵浦区，再经第1泵浦区处的yb:yag薄片反射后，通过4f成像系统以不同于第1泵浦区的入射角入射至yb:yag薄片上的第2泵浦区，然后再以不同于第2泵浦区的入射角入射至第3泵浦区，依此类推，直至入射至第n泵浦区时，完成对泵浦光斑的正向成像；

7、所述yb:yag薄片为直接液冷yb:yag薄片结构；

8、步骤三、通过4f成像系统将第n泵浦区的泵浦光反向入射至yb:yag薄片上的第n泵浦区，再经第n泵浦区处的yb:yag薄片反射后，以与正向入射成像相同的角度入射至yb:yag薄片上的第n-1泵浦区，直至泵浦光反向入射至yb:yag薄片上的第1泵浦区时，完成对泵浦光斑的反向成像；

9、步骤四、判断yb:yag薄片对步骤三中反向入射至第1泵浦区的泵浦光的吸收率是否满足要求；若不满足吸收率要求，则重复步骤二和步骤三直至其满足吸收率要求；若满足吸收率要求，则完成对入射泵浦光的吸收。

10、进一步地，步骤二中，所述4f成像系统包括平行设置在yb:yag薄片一侧的抛物面反射镜、设置在抛物面反射镜反射光路上的第一平面反射镜和设置在第一平面反射镜反射光路上的第二平面反射镜；

11、所述抛物面反射镜还位于第二平面反射镜的反射光路上；所述第一平面反射镜和第二平面反射镜位于yb:yag薄片的另一侧；

12、所述第一平面反射镜和第二平面反射镜用于改变抛物面反射镜反射光束的传播方向，使得反射光束再次入射至抛物面反射镜上。

13、进一步地，所述4f成像系统包括平行设置在yb:yag薄片一侧的抛物面反射镜、设置在抛物面反射镜反射光路上的第一平面反射镜和设置在第一平面反射镜反射光路上的第二平面反射镜；

14、所述抛物面反射镜还位于第二平面反射镜的反射光路上；

15、所述抛物面反射镜、第一平面反射镜和第二平面反射镜位于yb:yag薄片的同一侧。

16、进一步地，所述设定的n个yb:yag薄片的泵浦区与抛物面反射镜之间的光程为抛物面反射镜的焦距，且泵浦光由抛物面反射镜出射后依次经第一平面反射镜、第二平面反射镜再到抛物面反射镜的总光程为抛物面反射镜焦距的2倍。

17、进一步地，步骤四中，yb:yag薄片的吸收率α与n个泵浦区之间满足下式：

18、

19、其中：α为yb:yag薄片的吸收率，nl为泵浦光的往返次数，n为泵浦区的个数，zdisk为yb:yag薄片厚度，n为yb:yag薄片总粒子数密度，σp为yb:yag有效吸收截面。

20、进一步地，步骤四具体为：

21、判断yb:yag薄片对步骤三中反向入射至第1泵浦区的泵浦光的吸收率是否满足要求；

22、当yb:yag薄片的吸收率＜98％，则重复步骤二和步骤三直至其满足吸收率要求；

23、当yb:yag薄片的吸收率≥98％，则完成对入射泵浦光的吸收。

24、本发明的有益效果：

25、【1】本发明基于直接液冷yb:yag薄片激光器的多光斑泵浦吸收方法不仅可以有效增加泵浦区域，提高yb:yag薄片的吸收效率，同时还提高了yb:yag薄片的空间利用率；相较于级联热沉式yb:yag薄片激光头的方法，该方法在增加了激光器的单程增益的同时，系统体积保持不变，并只需一套泵浦系统。

26、【2】本发明所采用的直接液冷yb:yag薄片结构的热导率较低，因此不同泵浦区域的热效应可独立考虑，其不会相互影响；同时，由于yb:yag本身会对自发辐射出的光子有较强的吸收，因此对于yb:yag薄片而言，不同区域间的放大的自发辐射效应是独立的。

27、【3】本发明通过4f光路系统将匀滑后强度分布均匀的泵浦光斑依次成像至yb:yag薄片上的不同区域，之后再对该泵浦光斑反向依次成像；通过不断重复以上过程，从而使得yb:yag薄片各个区域被均匀泵浦，并有效地提高了yb:yag薄片对泵浦光的吸收效率。