CN101378171A

CN101378171A - 固体激光器

Info

Publication number: CN101378171A
Application number: CNA2007101212303A
Authority: CN
Inventors: 毕勇; 贾中达; 赵江山; 宫武鹏; 王斌; 颜博霞
Original assignee: Beijing Phoebus Vision Optoelectronic Co ltd; Academy of Opto Electronics of CAS
Current assignee: Beijing Phoebus Vision Optoelectronic Co ltd; Academy of Opto Electronics of CAS
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2009-03-04

Abstract

本发明提供了一种固体激光器，包括用于输出线性泵浦光的多个半导体激光器、用于对所述泵浦光进行耦合的光学耦合器件、能够将并行输入的激光并行输出的谐振腔和设置于所述谐振腔内的激光晶体；本发明提出针对多束并行固体激光同时应用的创新性想法，以多束固体激光的并行输出的形式，在一定程度上有效地实现了半导体泵浦固体激光技术的高效率大功率的输出问题，不仅可利用多路低功率激光的组合来实现高功率输出，而且在输出相同功率的前提下，本发明与单一半导体泵浦固体激光器相比，由于泵浦光的分束输出，可以较好地实现热力分散，减小晶体热负载，有效地解决了激光器晶体热效应问题，提高了电光转换效率和谐振腔设计灵活性。

Description

固体激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种能够并行输出的固体激光器。

背景技术

目前半导体激光器的发展情况，尚无法利用半导体激光器直接获得绿光的输出；红光半导体激光器虽然功率水平上相对较高，但是波段较为单一；蓝光半导体的输出应用目前也是只停留在低功率水平(<250mw)。尽管体积小、集成度高，但是光束质量较差，无法获得大功率的输出，同时在光谱覆盖程度上也还需要进一步的扩展，距离实际应用还有一定的差距。

半导体泵浦固体激光技术的出现改善了以往灯具泵浦的诸多不足，集成、高效，是当前固体激光技术发展的重要研究方向。利用半导体泵浦固体激光技术结合光学频率变换技术可以很好地实现紫外、深紫外以及可见光(尤其红、蓝、绿光波段)到红外区域的多谱段激光输出，在诸如激光显示、目标探测、生物医疗、化学研究以及军事航天应用等多个领域中具有极其重要的研究应用价值。此技术成熟度高，系统光束质量好，可连续调谐，波段覆盖性强，结构简单，集成度高，系统稳定性强，具有很好的规模化实用价值；不足之处在于因为材料、热力等相关因素的制约，激光电光转换效率不高，目前还无法在多谱段范围内简单、直接地获得高效率大功率的固体激光的输出。

现有的激光列阵并行输出的技术，有一种扩展腔面发射的激光技术(NECSEL)，如在申请号为WO2006105258的专利申请中介绍的那样，它是一种垂直的、扩展腔、表面发射的激光列阵并采用腔内非线性倍频的半导体激光器技术，是一种针对半导体激光列阵的技术。而固体激光器现有技术主要是针对一束固体激光的输出或者多束固体激光束耦合成一束激光的应用。

发明内容

因此，本发明的任务是克服现有技术存在的不足，从而提出一种并行输出的固体激光器。

本发明的固体激光器，包括用于输出线性泵浦光的多个半导体激光器、用于对所述泵浦光进行耦合的光学耦合器件、能够将并行输入的激光并行输出的谐振腔和设置于所述谐振腔内的激光晶体。

上述技术方案中，所述多个半导体激光器之间为串联、并联、或者串联并联相结合、或者各自独立。

上述技术方案中，所述多个半导体激光器组成半导体激光器模块，所述半导体激光器模块中的半导体激光器之间为串联、并联、或者串联并联相结合、或者各自独立。

上述技术方案中，使用多个半导体激光器模块输出线性泵浦光，所述多个半导体激光器模块之间可以串联、并联、或者串联并联相结合、或者各自独立。

上述技术方案中，所述谐振腔由输入腔镜和输出腔镜构成，或者以镀膜方式实现谐振腔，所述输出腔镜为平面输出镜、体布拉格光栅或球面反射镜线阵。

上述技术方案中，所述线性泵浦光以端面泵浦的方式对所述激光晶体进行泵浦。

上述技术方案中，所述光学耦合器件为耦合镜线阵或自聚焦透镜线阵，所述耦合镜线阵上的耦合镜与所述半导体激光器线阵上的半导体激光器一一对应，所述自聚焦透镜线阵上的自聚焦透镜与所述半导体激光器线阵上的半导体激光器一一对应；所述耦合镜线阵可以由多个独立的耦合镜构成，也可以将多个耦合镜制作成一个光学耦合器件。

上述技术方案中，所述激光晶体为具有普通结构或三明治结构的块状晶体。

上述技术方案中，所述激光晶体的为Nd:YAG，Nd:YVO4，Nd:YLF，Nd:GdVO4，Yb:YAG，块状陶瓷材料，Nd:YAG陶瓷或半导体材料。

上述技术方案中，还包括光学非线性晶体，可以用于激光的倍频、和频和参量振荡，主要包括KTP、LBO、BBO、PPMgLN、PPLN、PPKTP等晶体。

上述技术方案中，还包括用于实现脉冲激光输出的调Q开关。

进一步地，所述调Q开关为主动调Q开关或被动调Q开关。

本发明提出针对多束并行固体激光同时应用的创新性想法，以多束固体激光的并行输出的形式，在一定程度上有效地实现了半导体泵浦固体激光技术的高效率大功率的输出问题。

采取上述技术方案，不仅可利用多路低功率激光的组合来实现高功率输出，而且在输出相同功率的前提下，本发明与单一半导体泵浦固体激光器相比，由于泵浦光的分束输出，可以较好地实现热力分散，减小晶体热负载，有效地解决了激光器晶体热效应问题，提高了电光转换效率和谐振腔设计灵活性；如果采用串联方式还可以将低压大电流电源改善为使用高压小电流电源，有效地提高了半导体激光器抗灾变能力以及减少了电源传输损耗；在需要变频的情况下，由于分束激光的使用，可不必再被迫使用损伤阈值高的变频材料，故而增加了材料的选择范围，可选择效果更优的变频材料，从而提高了非线性变换的效率，提高了光学元件的稳定可靠性。

本发明是实现高功率、高效率、高可靠性的固体激光输出的有效途径和方法。在激光照明应用领域具有很高的实用价值，可应用于雷达多点探测、激光显示、非相干照明、生物学检测、化学研究、表面多点分析等方面。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中:

图1是输出基频光的固体激光器；

图2是输出倍频光的固体激光器；

图3是输出和频光的固体激光器；

图4是输出差频光的固体激光器；

图面说明

1—半导体激光器 2—光学耦合镜

3—激光晶体 4—平面输出镜

5—半导体激光器模块 6—自聚焦透镜线阵

8—倍频晶体 9—体布拉格光栅

10—第一半导体激光器模块 11—第一自聚焦透镜线阵

12—第一平面输入镜 13—第一激光晶体

14—合束镜 15—和频晶体

17—第二半导体激光器模块 18—第二自聚焦透镜线阵

19—第二平面输入镜 20—第二激光晶体

24—调Q开关 26—平面输入镜

27—参量振荡晶体 28—球面反射镜线阵

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的解释和说明。

图1是一种输出基频光的固体激光器，选用N个输出波长为808nm的半导体激光器1制成半导体激光器线阵，N为整数且N≥2，每个半导体激光器1各自独立输出泵浦光，其输出光路上设置用于对所述泵浦光进行耦合作用的光学耦合器件，对应图1的实施例，所述光学耦合器件使用耦合镜线阵，且耦合镜线阵中的耦合镜2与所述半导体激光器线阵中的激光器一一对应，耦合镜线阵的输出光路上依次设置激光晶体3和平面输出镜4。其中，半导体激光器线阵出射的激光波长为808nm，耦合镜线阵中所有耦合镜的两面都镀有808nm增透膜(透过率大于99.8％)，激光晶体3采用整块的Nd:YAG块状晶体，入射面镀808nm增透膜(透过率大于99.8％)和1064nm高反膜(反射率大于99.8％)，出射面镀有808nm高反膜(反射率大于99.8％)和1064nm增透膜(透过率大于99.8％)。平面输出镜4入射面镀1064nm部分透过膜(透过率8％)，出射面镀1064nm增透膜(透过率大于99.8％)，激光晶体3的入射面和平面输出镜4的入射面之间形成了激光器的谐振腔，本领域技术人员可以理解，图1中谐振腔的腔长在30mm到80mm之间都是可以的，激光晶体3也可以使用2块或多块激光晶体。

上述激光晶体3还可以采用Nd:YVO₄，Nd:YLF，Nd:GdVO₄，Yb:YAG，块状陶瓷材料，Nd:YAG陶瓷或半导体材料制作，本领域技术人员应当理解，激光晶体3既可以采用普通结构，也可以采用三明治结构；所述平面输出镜4也可以使用球面反射镜线阵替代。

从半导体激光器线阵发射的808nm激光光束经过耦合镜线阵后以端面泵浦的形式入射到激光晶体3上，从而产生波长为1064nm的激光，并经过平面输出镜4输出。

图1所示的实施例用N个半导体激光器构成线阵，以N路激光束组合形式实现了总功率N倍的效果，由此可见，以这种方法可一定程度上解决大功率激光输出的问题。

进一步地，还可以将图1中所有光学元件全部集成在一块激光系统底板之上，激光器系统底板不仅是激光系统相关组件的支撑和固定基础，而且还通过底板电路设计为相应组件的功能需要提供电路辅助支持，从而可以很好地实现激光系统的集成，避免电路明线的烦琐处置；同时极大地提高系统功能的可扩展性，可以根据实际要求，配合光学系统灵活地设置激光器系统的功能配置，形成模块化组装的激光系统。其中，激光晶体可采用铟箔焊接或者粘接于一个热沉上，再将热沉固定于激光器系统底板之上，其他光学元件如半导体激光器线阵、耦合镜线阵和平面输出镜都分别通过各自的底座或者直接固定到激光器系统底板上，所述激光器系统底板下附加散热器，利用液体冷却或气体冷却等方法进行散热；激光器的电子控制系统可以设置在激光系统底板上，也可以设置在顶盖上。

图2给出了一种输出倍频激光的固体激光器的结构。其中，选用N(N为整数，且N≥2)个输出波长为808nm的半导体激光器串联形成线阵，并且，将该半导体激光器线阵集成为一个半导体激光器模块5，输出的N束并行的808nm激光，经过由自聚焦透镜线阵制成的耦合器件后，端面泵浦于激光晶体3上，从激光晶体3出射的基频光经过倍频晶体8，进行激光的倍频，最后经由体布拉格光栅9输出。激光晶体3采用Nd:YAG晶体，其入射面镀有808nm增透膜(透过率大于99.8％)和1064nm高反膜(反射率大于99.8％)，出射面镀有808nm高反膜(反射率大于99.8％)和1064nm增透膜(透过率大于99.8％)，倍频晶体8采用PPLN晶体，并在PPLN晶体的入射面镀有1064nm增透膜(透过率大于99.8％)和532nm高反膜(反射率大于99.8％)，出射面镀有1064nm增透膜(透过率大于99.8％)和532nm增透膜(透过率大于99.5％)，体布拉格光栅9则是对波长1064nm高反和波长532nm增透。本实施例中的倍频晶体8还可以使用KTP，LBO，BBO，BiBO，PPKTP，KTA，CBO，CLBO，PPMgOLN，KNO₃，LN，KN，LiI及半导体材料等光学非线性晶体。

由于这种分束的方法，较好地实现了热力分散，减小了晶体热负载，有效地解决了半导体激光器晶体3热效应问题，提高了电光转换效率和谐振腔设计灵活性。同时，由于半导体激光器模块内部的N个半导体激光器采用串联的方式，所以可以使用高压小电流电源，从而避开使用低压大电流电源，有效地提高了半导体激光器抗灾变能力以及减少了电源传输损耗，提高了光学元件的可靠性。

图3是一种输出和频光的固体激光器。其中，泵浦源采用两个发射波长为808nm的半导体激光器模块，从第一半导体激光器模块10出射的激光顺序经过第一自聚焦透镜线阵11、第一平面输入镜12和第一激光晶体13后入射到合束镜14上，从第二半导体激光器模块17出射的激光顺序经过第二自聚焦透镜线阵18、第二平面输入镜19和第二激光晶体20后入射到合束镜14上，两组激光经过合束镜14合束后，再进入和频晶体15进行和频，从和频晶体15输出的和频光经过平面输出镜4输出。

上述固体激光器中，所述第一和第二平面输入镜12、19采用光学玻璃的平面镜，第一激光晶体13采用掺钕离子钒酸钇(Nd:YVO₄)，第二激光晶体20采用掺钕离子钇铝石镏石(Nd:YAG)，合束镜14采用光学玻璃的平面镜，和频晶体15采用LBO，输出镜采用光学玻璃的平面镜。第一和第二自聚焦透镜线阵11、18的双面镀808nm增透膜(透过率大于99.8％)，第一平面输入镜12的双面镀808nm增透膜(透过率大于99.8％)，出射面镀有对波长1342nm高反膜(反射率大于99.8％)，第二平面输入镜19的双面镀808nm增透膜(透过率大于99.8％)，出射面镀有对波长1064nm的高反膜(反射率大于99.8％)。第一激光晶体13双面镀1342nm增透膜(透过率大于99.8％)，且入射面镀808nm增透膜(透过率大于99.8％)，出射面镀808nm高反膜(反射率大于99.8％)；第二激光晶体20双面镀1064nm增透膜(透过率大于99.8％)，且入射面镀808nm增透膜(透过率大于99.8％)，出射面镀808nm高反膜(反射率大于99.8％)。合束镜14的双面镀1342nm的增透膜(透过率大于99.8％)，且出射面镀有对波长1064nm角度高反膜(反射率大于99.8％)。和频晶体15的双面制备对波长1342nm和1064nm增透膜(透过率大于99.8％)，入射面镀593nm高反膜(反射率大于99.8％)，出射面镀593nm的增透膜(透过率大于99.8％)。平面输出镜4的入射面制备对波长1342nm和1064高反膜(反射率大于99.8％)，双面镀593nm增透膜(透过率大于99.8％)。上述的和频晶体15还可以使用KTP，BBO，PPLN，PPMgOLN，PPKTP，KTA等晶体。

图4是一种输出差频激光的固体激光器。包括两路图2所示的半导体激光器模块平行输出作为泵浦光，所述泵浦光依次经过光学耦合器件2、激光晶体3、调Q开关24、平面输出镜4、平面输入镜26、参量振荡晶体27和球面反射镜线阵28后出射。

其中，每个半导体激光器模块选用N(N为整数，且N≥2)个输出波长为808nm的半导体激光器形成线阵，两个半导体激光器模块各自独立，同时输出多束并行激光来提供泵浦支持。所述光学耦合器件选用自聚焦透镜线阵，其双面镀808nm增透膜(透过率大于99.8％)。激光晶体3采用Nd:YAG，掺杂浓度为0.3％，入射面镀808nm增透膜(透过率大于99.8％)和1064nm高反膜(反射率大于99.8％)，出射面镀808nm高反膜(反射率大于99.8％)和1064nm增透膜(透过率大于99.8％)。声光Q开关24脉冲输出1064nm激光。平面输出镜4入射面镀1064nm部分透过膜(透过率为8％)，出射面镀1064nm增透膜(透过率大于99.8％)，平面输出镜4的入射面和激光晶体3的入射面之间构成第一谐振腔，腔长为76mm。平面输入镜26双面镀1064nm增透膜(透过率大于99.8％)，出射面镀对波长1550～1700nm的反射膜(反射率大于99.8％)，参量振荡晶体27采用PPMgLN晶体，双面镀对1064nm和1550～1700nm的增透膜(透过率大于99.8％)。球面反射镜线阵28的入射面镀1064nm高反膜(反射率大于99.8％)和1550～1700nm部分透过膜(透过率为5％)，出射面镀1550～1700nm增透膜(透过率大于99.8％)，其中，球面反射镜线阵28的入射面和平面输入镜26的出射面之间构成第二谐振腔，腔长为90mm。上述的参量振荡晶体还可以使用LBO，KTP，BBO，PPLN，PPKTP，KTA等晶体。

从上面的多个实施例可以看出，本发明的固体激光器可以输出红外光，也可以输出可见光。最后应说明的是，以上各附图中的实施例仅用以说明本发明的固体激光器的结构和技术方案，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种固体激光器，包括用于输出线性泵浦光的多个半导体激光器、用于对所述泵浦光进行耦合的光学耦合器件、能够将并行输入的激光并行输出的谐振腔和设置于所述谐振腔内的激光晶体。

2.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述多个半导体激光器之间为串联、并联、或者串联并联相结合、或者各自独立。

3.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述多个半导体激光器组成半导体激光器模块，所述半导体激光器模块中的半导体激光器之间为串联、并联、或者串联并联相结合、或者各自独立。

4.根据权利要求3所述的固体激光器，其特征在于，包括多个半导体激光器模块，所述多个半导体激光器模块之间为串联、并联、或者串联并联相结合、或者各自独立。

5.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述谐振腔由输入腔镜和输出腔镜构成，或者以镀膜方式实现谐振腔。

6.根据权利要求3所述的固体激光器，其特征在于，所述输出腔镜为平面输出镜、体布拉格光栅或球面反射镜线阵。

7.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述线性泵浦光以端面泵浦的方式对所述激光晶体进行泵浦。

8.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述光学耦合器件为耦合镜线阵或自聚焦透镜线阵。

9.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述激光晶体为具有普通结构或三明治结构的块状晶体。

10.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，还包括光学非线性晶体。

11.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，还包括用于实现脉冲激光输出的调Q开关。

12.根据权利要求11所述的固体激光器，其特征在于，所述调Q开关为主动调Q开关或被动调Q开关。

13.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，还包括激光系统底板、顶盖和固定于所述激光系统底板上的热沉，所述激光晶体和所述非线性晶体固定于所述热沉上。

14.根据权利要求13所述的固体激光器，其特征在于，所述激光晶体和所述非线性晶体通过铟箔焊接或粘接固定于所述热沉上。

15.根据权利要求13所述的固体激光器，其特征在于，所有激光器的所有光学元件都集成在所述激光系统底板上。

16.根据权利要求13所述的固体激光器，其特征在于，所述激光系统底板下部设有散热器。

17.根据权利要求16所述的固体激光器，其特征在于，所述散热器为采用液体冷却的散热器或采用气体冷却的散热器。

18.根据权利要求13所述的固体激光器，其特征在于，还包括设置在激光系统底板或顶盖上的电子控制系统。