CN101257184A

CN101257184A - 双波长综合泵浦紧凑型激光系统

Info

Publication number: CN101257184A
Application number: CNA2008100523649A
Authority: CN
Inventors: 丁欣; 张衡; 王睿; 姚建铨; 温午麒; 王鹏
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2008-09-03

Abstract

本发明涉及全固态激光器应用技术领域，具体讲涉及双波长综合泵浦紧凑型激光系统。为提供一种较以往激光器具有更低热量、更高效率、更高光束质量及更为稳定运转特点的激光输出的全固态激光器，本发明采用的技术方案是，双波长综合泵浦紧凑型激光系统，作为泵浦源的双波长激光器的输出经汇聚透镜投射到激光谐振腔的一个腔镜，该腔镜与激光谐振腔的另一个腔镜间设置有激光增益介质，另一个腔镜输出激光，激光谐振腔的振荡光束腰半径等于或略大于泵浦光束腰半径。本发明主要用于大功率、全固态、结构紧凑型、小体积、低功耗、低成本激光器的制造。

Description

双波长综合泵浦紧凑型激光系统

技术领域

本发明涉及全固态激光器应用技术领域，特别涉及大功率、低热量、高光束质量、高亮度、高效率、全固态紧凑型激光系统，具体讲，本发明涉及双波长综合泵浦紧凑型激光系统。

技术背景

对DPSSL(Diode PumpAll-Solid-State Laser二极管激光器泵浦的全固态激光器)激光系统来说，伴随着泵浦和激发的过程在激光增益介质中总会产生大量的热，这主要是由两种基本的物理过程而形成的：分别是由泵浦光与振荡光之间的光子能量差即斯托克斯频移(Stokesshift)及激光泵浦能级与激光上能级之间的耦合即量子效率(quantum efficiency)。这些热量在激光增益介质中形成的一系列热效应(包括热透镜、热退偏和热致双折射等)会明显地改变激光输出特性，如严重影响激光光束质量及强烈地干扰激光输出而降低激光器的平均输出功率。与此同时，热量的产生还会降低激光器谐振腔的稳定性，严重时甚至使激光器得不到稳定可靠的实际应用，这些问题都使热效应成为影响全固态激光器大功率、高效率、高光束质量运转的主要瓶颈。

在全固态激光系统中传统的泵浦方式是先将增益介质激活离子从基态泵浦到更高的能级而不是激光上能级，然后再弛豫到激光上能级后经受激辐射而发光。这种泵浦方式曾因激光增益介质对泵浦光具有较大的吸收系数而受到人们的欢迎，但随之而来的是上述弛豫过程在激光增益介质内部所造成的不可避免的大量热量的产生，这就为全固态激光器的稳定高效运转加入了诸多不利因素。上世纪六七十年代，人们为了解决以上泵浦方式所带来的大量热量的问题而提出了直接泵浦方式，即采用一定波长的泵浦光将激活离子从基态能级直接泵浦到激光上能级后经受激辐射而发光，此泵浦方式因为减少了弛豫过程而相应地减少了热量的产生。近年来，此种泵浦方式因量子效率高，产生热量少而受到了广泛关注并得到了快速地发展。但由于激光增益介质对这种泵浦方式的吸收系数较小而导致了激光器不能对泵浦光进行充分利用而降低了激光器整体的光光转换效率，并且由于大量没有被激光增益介质吸收的泵浦光和振荡光混合在一起共同输出而增加了所需输出激光的鉴别及提取难度。同时，就目前激光领域的技术水平而言，如果基于此种泵浦方式并想继续提高激光器整体的光光转换效率，只能通过以下两种方法：一是增加对未被激光晶体吸收而漏掉的泵浦光的反馈系统而使泵浦光重新被利用，但这种方法使激光系统复杂化并增加了激光器稳定运转的不良因素；二是提高激光增益介质的掺杂浓度，但这又受限于晶体生长方式及掺杂的工艺条件，实用起来较为复杂。

发明内容

克服现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种较以往激光器具有更低热量、更高效率、更高光束质量及更为稳定运转特点的激光输出的全固态激光器，本发明采用的技术方案是，双波长综合泵浦紧凑型激光系统，作为泵浦源的双波长激光器的输出经汇聚透镜投射到激光谐振腔的一个腔镜，该腔镜与激光谐振腔的另一个腔镜间设置有激光增益介质，另一个腔镜输出激光，激光谐振腔的振荡光束腰半径等于或略大于泵浦光束腰半径。

所述的激光增益介质为Nd:YAG掺钕的钇铝石榴石晶体，相应的双波长泵浦光为809nm和885nm。

所述的激光增益介质为Nd:YVO₄掺钕的钒酸钇晶体，相应的双波长泵浦光为808nm和879nm。

其中，双波长综合泵浦紧凑型激光系统，一个波长所占总的泵浦功率比例为α，另一个波长所占比例为1-α，α取值在0.65和0.7之间。

所述的双波长激光器的构成为：LD二极管激光器侧面泵浦的准连续Nd:YAG激光器作为基频光源，经钛氧磷酸钾晶体倍频后输出到Ti:sapphire掺钛蓝宝石晶体激光器，对于Ti:sapphire掺钛蓝宝石晶体激光器：对两种波长同时有透过率为20％的输出耦合镜和两个反射镜组成其双波长激光运转谐振腔，所述的两个反射镜中的一个镀有对一种振荡光的高反膜，所述的两个反射镜中的另一个镀有对另一种振荡光的高反膜，腔内还包括两块布儒斯特角切割的重火石玻璃棱镜作为色散元件来辅助选频。

本发明具有以下效果：

1.相比于以往的传统泵浦和直接泵浦方式，综合泵浦方式能减少热量的产生及提高激光器整体的光光转换效率，并能提高激光器的输出功率，改善光束质量，从而有利于大功率、高效率DPSSL激光器的发展与应用。

2.使得长期困扰激光器尤其是大功率激光器运转产生热量高的根本性问题得到了有效地解决，从而降低了对激光器冷却设备的要求与苛刻性，与此同时能大大减小冷却设备的体积及工作功率，有利于在大功率全固态激光系统中将传统笨重的水冷装置改为小巧轻便的风冷装置，有利于大功率、全固态、结构紧凑型、小体积、低功耗、低成本激光器的发展与应用。

3.使得传统激光器在其相互制约的激光输出功率和光束质量两个方面共同得到改善，从而有利于大功率、高光束质量(M²接近1)的高亮度激光器的运转。大功率高亮度激光器是军事及工业上某些重要应用的核心器件，这类激光器不仅要求具有大的激光输出功率，同时还要求输出激光具有较好的光束质量，而传统意义上这两个因素之间的矛盾不可调和，到目前为止国际上还没有比较圆满的解决方案，综合泵浦方式的出现能很好地解决这一传统矛盾。

4.传统意义上提高激光器的输出性能大都是通过优化激光器腔型设计、提高激光晶体的光学性能及改善外设条件等方法来实现，而综合泵浦方式打破了传统的单一波长泵浦的概念，首次提出了从激光增益介质能级角度考虑的改善激光器输出性能的全新概念，使得双波长综合泵浦成为较以往各种泵浦方式更为理想的泵浦方式并有可能在未来得到广泛应用。

附图说明

图1为综合泵浦效率曲线关系图。

图2为双波长激光器结构图。

图3为本发明综合泵浦装置总体示意图。

具体实施方式

本发明结合传统泵浦方式对泵浦光吸收系数大而导致光光转换效率高及直接泵浦方式产生热量少及量子效率高等优点而形成一种全新的泵浦方式-“综合泵浦”。通过合理计算并经实验验证来确定两种不同泵浦光的最优化功率配比关系，从而能更好地同时弥补传统泵浦产生热量高及直接泵浦的光光转换效率低等问题，使得激光器产生的热量和输出功率达到一个最佳平衡点，以期达到全固态激光器的大功率、低热量和高光束质量的运转。从激光增益介质能级角度讲，通过合理地计算来选择两个所需泵浦波长的泵浦光并确定其最优的功率配比组合来作为激光器的泵浦光源，而使得从总体上提高了激光器的输出性能。

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明。

1、理论计算：

在固体激光器中，激光增益介质内产生的热量主要是由无辐射跃迁粒子(NR)和辐射跃迁粒子(RAD)引起的。即总体热量P_H可表示为：

P_H＝P_H(NR)+P_H(RAD) (1)

这里将以上两种离子的跃迁效率归一化，即η_NR+η_RAD＝1。

量子效率η_QE＝η_RAD＝1-η_NR。

对于无辐射跃迁粒子来说，它所吸收的泵浦光能量全部转化为晶体内部的热量，

即P_H(NR)＝(1-η_QE)P_abs (2)

对于辐射跃迁粒子来说，一部分以无辐射跃迁的形式(浓度猝灭，上能级转换等等)返回到激光下能级而产生热量P_H(QU)，并且由于斯托克斯转换而产生的热量为P_H(Stokes)，

即P_H(RAD)＝P_H(QU)+P_H(Stokes) (3)

而P_H(QU)＝η_QE(1-η_QU)P_abs (4)

P_H(Stokes)＝η_QEη_QU[1-λ_P/λ_L]P_abs (5)

将公式(4)和公式(5)代入公式(3)，并将公式(3)和公式(2)代入公式(1)，可得：

总热量P_H＝[1-(η_QEη_QU)λ_P/λ_L]P_abs (6)

对于传统808nm(λ₁)泵浦和直接879nm(λ₂)泵浦方式，η_QE分别取0.9和1，η_QU均取0.95，并针对两种不同的泵浦方式分别代入公式(6)，得：

产生的热量为 P_H1＝0.351P_abs P_H2＝0.215P_abs

同时产生的激光为 P_L1＝0.649P_abs P_L2＝0.785P_abs

对于本发明的综合泵浦方式，设总的泵浦功率为p W，其中808nm所占比例为α，功率P_P1＝pα，则879nm所占比例为1-α，功率P_P2＝p(1-α)。

晶体对两种泵光的吸收可表示为：

P_abs1＝β₁P_P1，P_abs2＝β₂P_P2(β₁，β₂分别为晶体对两种泵光的吸收百分比，这里β₁取1，β₂取0.68)。

则综合泵浦方式下产生的热量和输出光分别可表示为：

P_H＝0.351P_abs1+0.215P_abs2＝0.351P_P1+0.1462P_P2

P_L＝0.649P_abs1+0.785P_abs2＝0.649P_P1+0.5338P_P2

将P_P1和P_P2代入上式可得：

相对泵浦光的光光转换效率η_o-o＝0.5338+0.1152α；

相对吸收光的光光转换效率η_o-abs＝(0.5338+0.1152α)/(0.68+0.32α)，

以上两效率之和η＝η_o-o+η_o-abs为α的函数，做出对应的曲线关系，如图1所示：

图中α取值在0.65和0.7之间函数存在极值，此时α值即为最佳功率配比关系。

2、所需双波长激光器为自制，结构如图2，说明如下：

选用LD侧面泵浦的准连续Nd:YAG激光器作为基频光源，经KTP(KTiOPO₄)掺钛蓝宝石晶体倍频后，得到532nm绿光来作为Ti:sapphire激光器的泵浦源。

对于基频泵光：M1和M3镜组成Nd:YAG激光器谐振腔，M1为1064nm高反平镜，M3为1064nm高反/532nm高透输出平镜，M2为532nm高反/1064nm高透的谐波镜，激光器采用声光Q开关进行调制。F为焦距为150mm的透镜，用来将532nm绿光聚焦到Ti:sapphire晶体内部，提高泵浦功率密度。

对于Ti:sapphire激光器：M4和M5镜分别与M6镜组成了双波长激光运转的谐振腔，并且分别镀有对两种振荡光的高反膜，M6为对两种波长同时有透过率为20％的输出耦合镜(对于本实验采用的808nm和879nm泵光，M4镜镀850nm-950nm高反膜层，M5镜镀750nm-850nm高反膜层，M6镜镀750nm-950nm透过率为20％的膜层)，腔内采用两块布儒斯特角切割的重火石玻璃棱镜作为色散元件来辅助选频。实验中通过水平调节M4和M5镜即可对输出激光波长进行连续调谐。

对于激光增益介质：

可为Nd:YAG晶体，相应的双波长泵浦光为809nm和885nm；

可为Nd:YVO₄晶体，相应的双波长泵浦光为808nm和879nm；

3、综合泵浦实验装置图：

如图3所示：

a.系统全部采用全固态器件；

b.系统采用具有功率可调并稳定运转的双波长输出激光器作为泵浦源；

c.F为透镜，用来将泵浦光有效耦合到激光增益介质内部。M₁及M₂为激光谐振腔腔镜，其中M₁镀泵浦光高透及输出光高反膜层，M₂镀泵浦光高反及对输出光有最佳透过率的膜层。激光增益介质两端面镀泵浦光及输出光的双增透膜层。

Claims

1、一种双波长综合泵浦紧凑型激光系统，其特征在于，包括：作为泵浦源的双波长激光器的输出经汇聚透镜投射到激光谐振腔的一个腔镜，该腔镜与激光谐振腔的另一个腔镜间设置有激光增益介质，另一个腔镜输出激光，激光谐振腔的振荡光束腰半径等于或略大于泵浦光束腰半径。

2、根据权利要求1所述的一种双波长综合泵浦紧凑型激光系统，其特征在于，所述的激光增益介质为Nd:YAG掺钕的钇铝石榴石晶体，相应的双波长泵浦光为809nm和885nm。

3、根据权利要求1所述的一种双波长综合泵浦紧凑型激光系统，其特征在于，所述的激光增益介质为Nd:YVO₄掺钕的钒酸钇晶体，相应的双波长泵浦光为808nm和879nm。

4、根据权利要求1所述的一种双波长综合泵浦紧凑型激光系统，其特征在于，一个波长所占总的泵浦功率比例为α，另一个波长所占比例为1-α，α取值在0.65和0.7之间。

5、根据权利要求1所述的一种双波长综合泵浦紧凑型激光系统，其特征在于，所述的双波长激光器的构成为：LD二极管激光器侧面泵浦的准连续Nd:YAG激光器作为基频光源，经钛氧磷酸钾晶体倍频后输出到Ti:sapphire掺钛蓝宝石晶体激光器，对于Ti:sapphire掺钛蓝宝石晶体激光器：对两种波长同时有透过率为20％的输出耦合镜和两个反射镜组成其双波长激光运转谐振腔，所述的两个反射镜中的一个镀有对一种振荡光的高反膜，所述的两个反射镜中的另一个镀有对另一种振荡光的高反膜，腔内还包括两块布儒斯特角切割的重火石玻璃棱镜作为色散元件来辅助选频。