CN100440648C - 半导体端面泵浦的风冷单模绿光激光器 - Google Patents

半导体端面泵浦的风冷单模绿光激光器 Download PDF

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一种半导体端面泵浦的风冷单模绿光激光器，包括：一台具有驱动电源和输出耦合光纤的连续波激光二极管；由第一平凸透镜和第二平凸透镜组成的整形光学系统；由一凹面朝内的凹凸透镜、平面透镜和凸面朝内的平凸镜组成的一45°折反式谐振腔，在所述的平面透镜的激光输出方向还有一532nm45°折反平面镜，在该45°折反平面镜的透射方向由毛玻璃片和硅光二极管组成一激光输出功率波动的检测单元，该硅光二极管的输出端经一反馈单元与所述的驱动电源相连。本发明激光器的输出波长为532nm绿光，连续波运行模式平均输出功率达4瓦，光束质量因子M2≤1.1，TEM00单横模输出、整机风冷、体积小巧，特别适合于眼科治疗机、激光目标照明、激光打标、雕刻和激光表演等应用。

Description

半导体端面泵浦的风冷单模绿光激光器
技术领域
本发明涉及一种固体倍频激光器，特别是一种半导体端面泵浦的风冷单模绿光激光器。
技术背景
传统上绝大部分固体激光器都为灯泵激光器。泵浦灯多为从紫外到红外的连续宽光谱光源。而激光介质，如Nd:YAG的吸收谱为560～600nm、720～770nm和780～820nm三个窄波段，因此，大量未被吸收的泵浦光不仅对激光的产生毫无贡献，相反，会加热Nd:YAG棒和泵浦腔体，使Nd:YAG形成严重且不稳定的热透镜效应。纵向不稳定热透镜效应使激光器产生多模、脉宽展宽和功率不稳定。横向热透镜效应使固体激光介质产生大的热梯度，形成切向和径向应力双折射效应，使激光偏振态不稳定甚至退偏，导致激光输出效率下降、功率降低和不稳定。此外，灯泵浦的效率低下，导致需要大功率电源和大容量冷水机，温控的起伏又造成激光输出的不稳定。
近几年来，随着大功率半导体激光二极管阵列制造技术日益成熟，将半导体激光二极管用做固体激光器的泵浦光源成为可能。半导体激光二极管阵列发射的激光光谱宽度为2.2nm，温漂为0.25nm/℃，并可通过温控把半导体激光二极管的发射谱线调到Nd:YAG的最强吸收波段的中心光谱λc＝807.6±2nm处，而在此波段，Nd:YAG的吸收谱线宽度为2nm，所以半导体激光二极管的激光泵浦光可被Nd:YAG完全吸收。与灯泵浦相比，半导体激光二极管泵浦可大大降低Nd:YAG的热透镜效应和激光器的热致不稳定性。同时，由于半导体激光二极管泵浦效率高，从而节省了能耗，缩小了激光器整机的体积和重量。
随之，半导体激光二极管阵列侧面泵浦固体激光器及其倍频激光器得到了飞速的发展，并在各种领域得到了广泛应用。但是，侧面泵浦固体激光器及其倍频激光器虽然能获得大的输出功率，但却较难获得单模激光输出，并需具有一定体积的循环冷水机对二极管陈列进行水冷，令很多应用感到不便，甚至望而却步。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种半导体端面泵浦的风冷单模绿光激光器。该激光器的输出波长为532nm绿光，连续波运行模式平均输出功率达4瓦，光束质量因子M2≤1.1，TEM00单横模输出、整机风冷、体积小巧，特别适合于眼科治疗机、激光目标照明、激光打标、雕刻和激光表演等应用。
本发明的技术解决方案如下：
一种半导体端面泵浦的风冷单模绿光激光器，其特征在于包括：
一台有驱动电源和输出耦合光纤的连续波激光二极管；
由第一平凸透镜和第二平凸透镜组成的整形光学系统；
由一凹面朝内的凹凸透镜、平面透镜和凸面朝内的平凸镜组成的一45°折反式谐振腔，所述的凹凸透镜的凸面镀809nm增透膜，凹面镀0°，1064nm高反膜和809nm高透膜；所述的平凸镜的凸面镀0°，1064nm&532nm高反膜，所述的平面透镜为一块光学平板，一面镀45°，1064nm高反膜和532nm高透膜，另一面镀532nm增透膜；所述的平面透镜在所述的凹凸透镜和所述的平凸镜之间，将该45°折反式谐振腔分为两个光学臂，所述的平凸镜、平面透镜、凹凸透镜及置于所述的凹凸透镜和平面透镜之间的激光介质组成1064nm谐振腔，所述的平凸镜与平面透镜及置于该二者之间的倍频晶体组成倍频腔；所述的连续波激光二极管的输出耦合光纤的输出端位于所述的整形光学系统的前焦点，该整形光学系统的后焦点处于所述的激光介质之中。
在所述的平面透镜的透射光输出方向还有一532nm45°折反平面镜，在该45°折反平面镜的透射方向由毛玻璃片和硅光二极管组成一激光输出功率波动的检测单元，该硅光二极管的输出端经一反馈单元与所述的驱动电源相连。
所述的激光介质为Nd:YVO4、或Nd:YAG、或Nd:YLF等激光晶体。
所述的倍频晶体为LBO或KTP晶体。
所述的连续波激光二极管和激光介质及倍频晶体用半导体热电控制器严格控制温度。
在所述的45°折反平面镜的折反输出方向还设有激光扩束器。
在激光二极管驱动电源的驱动下，激光二极管阵列产生的809nm的泵浦光由输出耦合光纤输出，经由第一平凸透镜和第二平凸透镜组成的整形光学系统后聚焦到所述的激光介质之中，产生波长为1064nm的垂直线偏振激光基波，经倍频晶体倍频形成532nm的倍频光从平面透镜经平面镜折反输出，该输出激光功率的波动由激光检测反馈单元进行检测并反馈至所述的激光二极管阵列驱动电源，实时地修正驱动功率，使激光输出功率的波动趋小。
本发明的技术效果：
(1)本发明使用了一个特别的凹凸谐振腔，该腔结构不同于至今所有这类商用产品的腔结构，不仅考虑激光介质的热透镜效应，而且考虑倍频晶体的热透镜效应，所以它是一个双稳腔，稳定性好。即使前后腔镜之间产生±5mm的位移，也能保证激光器的稳定工作(见图5)。
(2)一般情况下，这类短腔激光器的单模(TEM00模)的模体积的光腰尺寸均小于1mm，而本发明的单模体积的光腰尺寸却能做到大于1mm。这样，在将泵浦光的光腰直径控制在0.8mm情况下，就能严格实现单模光腰＞泵浦光光腰的理想状态，从而保证了输出激光的高光束质量因子M2≤1.1(见图5)。
附图说明
图1为本发明半导体端面泵浦的风冷单模绿光激光器结构原理图。
图中：1-凹凸透镜  2-平面镜  3-平凸镜  4-平面镜  5-第一平凸透镜  6-第二平凸透镜  7-激光二极管输出耦合光纤  8-激光二极管  9-激光二极管驱动电源  10-激光输出功率反馈单元  11-LBO倍频晶体  12-毛玻璃片  13-硅光二极管  14-扩束镜  15-激光介质  16-输出激光束。
图2为1064nm基波输出功率随激光二极管电流的变化曲线。
图3为532nm绿光输出功率随激光二极管电流的变化曲线。
图4为输出激光稳定性曲线。
图5为TEMOO模直径和光束质量因子M2随前腔距离的变化曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为本发明半导体端面泵浦的风冷单模绿光激光器具体实施例的结构原理图。由图可见，本发明半导体端面泵浦的风冷单模绿光激光器包括：
一台具有驱动电源9和输出耦合光纤7的连续波激光二极管8；
由第一平凸透镜5和第二平凸透镜6组成的整形光学系统；
由一凹面朝内的凹凸透镜1、平面透镜2和凸面朝内的平凸镜3组成的一45°折反式谐振腔，所述的凹凸透镜1的凸面镀809nm增透膜，凹面镀0°，1064nm高反膜和809nm高透膜；所述的平凸镜3的凸面镀0°，1064nm&532nm高反膜，所述的平面透镜2为一块光学平板，一面镀45°，1064nm高反膜和532nm高透膜，另一面镀532nm增透膜；所述的平面透镜2在所述的凹凸透镜1和所述的平凸镜3之间，将该45°折反式谐振腔分为两个光学臂，所述的平凸镜3、平面透镜2、凹凸透镜1及置于所述的凹凸透镜1和平面透镜2之间的激光介质15组成1064nm谐振腔，所述的平凸镜3与平面透镜2及置于该二者之间的倍频晶体15组成倍频腔；
所述的连续波激光二极管8的输出耦合光纤7的输出端位于所述的整形光学系统的前焦点，该整形光学系统的后焦点处于所述的激光介质15之中。
在所述的平面透镜2的激光输出方向还有一532nm45°折反平面镜4，在该45°折反平面镜4的透射方向由毛玻璃片12和硅光二极管13组成一激光输出功率波动的检测单元，该硅光二极管13的输出端经一反馈单元10与所述的驱动电源9相连。
所述的激光介质15为Nd:YVO4激光晶体或Nd:YAG、Nd:YLF等激光晶体。
所述的倍频晶体11为LBO或KTP晶体。
所述的激光二极管阵列8和激光介质15及倍频晶体11都用半导体热电控制器严格控制温度。
在所述的平面镜4的折反输出方向还设有激光扩束器14。
在激光二极管阵列驱动电源9的驱动下，激光二极管阵列8产生的809nm的泵浦光由输出耦合光纤7输出，经由第一平凸透镜5和第二平凸透镜6组成的整形光学系统后聚焦到所述的激光介质15的端面内，对Nd:YVO4进行泵浦，从而产生波长为1064nm的垂直线偏振激光基波，经LBO倍频晶体11倍频形成532nm的倍频光从平面透镜2经平面镜4折反输出，该输出激光的功率波动由毛玻璃片12和硅光二极管13组成一激光输出功率的检测单元检测，经反馈单元10反馈至所述的激光二极管阵列驱动电源9，实时地修正驱动功率。
下面举出该激光器的实施例的具体参数：
是用一台中心波长为809nm，连续波输出功率达30W的光纤耦合输出激光二极管阵列，经由二块Φ30第一平凸透镜5和第二平凸透镜6组成的一整形光学系统，将809nm的泵浦光聚焦到一块置于由一凹面朝内的凹凸透镜1、平面透镜2和凸面朝内的平凸镜3组成的一45°折反式谐振腔内的Nd:YVO4(掺钕矾酸钇)激光介质中，产生波长为1064nm的垂直线偏振激光基波。Nd:YVO4的体积为4×4×10mm，809nm泵浦光经整形系统进入Nd:YVO4的最小光斑为0.8mm。所述的凹凸透镜，其凸面镀809nm增透膜(AR809nm)，凹面镀0°1064nm高反膜和809nm高透膜(0°，HR1064&HT809nm)；平面透镜2为一块平板，一面镀45°1064nm高反和532nm高透膜(HR1064&532nm)，另一面镀532nm增透膜(AR532nm)；平凸镜3凸面镀0°1064nm&532nm高反膜(HR1064&532nm)。在平面透镜2和平凸镜3光学臂中置入I类相位匹配的LBO倍频晶体，使二次经过该晶体的由Nd:YVO4产生的1064nm基波中的二个垂直线偏振光子倍频产生一个水平线偏振的532nm光子，并由平面镜2输出。
二极管阵列8和Nd:YVO4及LBO的温度控制均由半导体热电控制器(TEC)实现。此外，为了保证激光输出功率的稳定性，本发明还加入了一套快速的光电反馈装置，使激光输出功率的不稳定性能保证低于5％。
试验表明：
(1)本发明使用了一个特别的凹凸谐振腔，该腔结构不同于至今所有这类商用产品的腔结构，不仅考虑激光介质的热透镜效应，而且考虑倍频晶体的热透镜效应，所以它是一个双稳腔，稳定性好。即使前后腔镜之间产生±5mm的位移，也能保证激光器的稳定工作，参见图5。
(2)一般情况下，这类短腔激光器的单模(TEM00模)的模体积的光腰尺寸均小于1mm，而本发明的单模体积的光腰尺寸却能做到大于1mm。这样，在将泵浦光的光腰直径控制在0.8mm情况下，就能严格实现单模光腰＞泵浦光光腰的理想状态，从而保证了输出激光的高光束质量因子M2≤1.1，参见图5。
(3)本发明激光器的输出波长为532nm绿光，连续波运行模式平均输出功率达4瓦，光束质量因子M2≤1.1，TEM00单横模输出、整机风冷、体积小巧，特别适合于眼科治疗机、激光目标照明、激光打标、雕刻和激光表演等应用。

Claims (5)

1、一种半导体端面泵浦的风冷单模绿光激光器，其特征在于包括：一台具有驱动电源(9)和输出耦合光纤(7)的连续波激光二极管(8)；
由第一平凸透镜(5)和第二平凸透镜(6)组成的整形光学系统；
由一凹面朝内的凹凸透镜(1)、平面透镜(2)和凸面朝内的平凸镜(3)组成的一45°折反式谐振腔，所述的凹凸透镜(1)的凸面镀809nm增透膜，凹面镀0°1064nm高反膜和809nm高透膜；所述的平凸镜(3)的凸面镀0°1064nm&532nm高反膜，所述的平面透镜(2)为一块光学平板，一面镀45°1064nm高反膜和532nm高透膜，另一面镀532nm增透膜；所述的平面透镜(2)在所述的凹凸透镜(1)和所述的平凸镜(3)之间，将该45°折反式谐振腔分为两个光学臂，所述的平凸镜(3)、平面透镜(2)、凹凸透镜(1)及置于所述的凹凸透镜(1)和平面透镜(2)之间的激光介质(15)组成1064nm谐振腔，所述的平凸镜(3)与平面透镜(2)及置于该二者之间的倍频晶体(11)组成倍频腔；
所述的连续波激光二极管(8)的输出耦合光纤(7)的输出端位于所述的整形光学系统的前焦点，该整形光学系统的后焦点处于所述的激光介质(15)之中。
2、根据权利要求1所述的半导体端面泵浦的风冷单模绿光激光器，其特征是在所述的平面透镜(2)的透射光输出方向还有一532nm45°折反平面镜(4)，在该45°折反平面镜(4)的透射方向由毛玻璃片(12)和硅光二极管(13)组成一检测激光输出功率波动的检测单元，该硅光二极管(13)的输出端经一反馈单元(10)与所述的驱动电源(9)相连。
3、根据权利要求1所述的半导体端面泵浦的风冷单模绿光激光器，其特征在于所述的激光介质(15)为Nd:YVO4激光晶体或Nd:YAG激光晶体或Nd:YLF激光晶体。
4、根据权利要求1所述的半导体端面泵浦的风冷单模绿光激光器，其特征在于所述的连续波激光二极管(8)和激光介质(15)及倍频晶体(11)都用半导体热电控制器严格控制温度。
5、根据权利要求2所述的半导体端面泵浦的风冷单模绿光激光器，其特征在于所述的45°折反平面镜(4)的折反输出方向还设有激光扩束器(14)。
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