CN101540470A

CN101540470A - 一种激光器

Info

Publication number: CN101540470A
Application number: CN200910110971A
Authority: CN
Inventors: 吴砺; 凌吉武; 陈燕平; 卢秀爱
Original assignee: Photop Technologies Inc
Current assignee: Photop Technologies Inc
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2009-09-23

Abstract

本发明涉及激光领域，尤其涉及激光器结构。本发明的激光器，包括泵浦腔、泵浦光源、光学耦合系统和其他光学元件。其中，所述的泵浦腔在泵浦点处留有通光孔，其他周围均包覆反射膜层，泵浦光源的位置与通光孔处对应。其形成除通光孔外对泵浦光高反射率的封闭腔。从而泵浦光在封闭腔中多次反射，除少量泵浦光从泵浦光通光孔逸出外，大部分被激光增益介质吸收。本发明的结构有利于提高增益介质对泵浦光吸收效率；可用于制作宽温度工作范围激光器，降低或消除温度变化引起半导体激光波长漂移对激光器功率影响；可减小激光增益介质体积，同时由于激光增益介质长度可较短，而减小激光阈值。

Description

一种激光器

技术领域

本发明涉及激光领域，尤其涉及激光器结构。

背景技术

LD泵浦固体激光器，由于具有效率高、光束质量好、寿命长、结构紧凑、重复频率高等优点而得到广泛应用。但LD发出的光具有较大的发散角，当采用LD或LD阵列进行端面或侧面泵浦时，需对其进行高效率的准直和会聚。目前主要采用透镜组、光纤耦合、透镜光导和自聚焦微透镜等耦合方式，但采用耦合方式会带来泵浦光的损耗，限制激光器能量转换效率，尤其存在结构复杂、成本昂贵等缺点。且通常采用的LD泵浦方式，泵浦光只能单次或两次通过增益介质，对于吸收系数较低的增益介质，或泵浦波长不在增益介质吸收中心带时，大部分的泵浦光能量被浪费了。

发明内容

针对上述问题，本发明采用新的激光器的泵浦腔结构来改善增益介质对泵浦光的吸收效率。

本发明的激光器，包括泵浦腔、泵浦光源、光学耦合系统和其他光学元件。其中，所述的泵浦腔在泵浦点处留有通光孔，其他地方均镀泵浦波长反射膜层，泵浦光源的位置与通光孔处对应。其形成除通光孔外对泵浦光高反射率的封闭腔。从而泵浦光在封闭腔中多次反射，除少量泵浦光从泵浦光通光孔逸出外，大部分被激光增益介质吸收。

进一步的，所述的泵浦光源可以是单个LD、阵列LD或者其他非LD泵浦光源；所述的泵浦方式可以是端面泵浦或侧面泵浦。

进一步的，所述的通光孔对应于所述的泵浦光源采用单个通光孔、多个排列的通光孔或者通光长条；所述的泵浦光源可根据通光孔与通光面的比例合理选择泵浦光功率。

进一步的，所述的泵浦腔内的激光增益介质结构可以采用双包层光学棒状、圆柱状、方形、波导腔等形式。

进一步的，所述的光学耦合系统采用光纤耦合、光学透镜耦合或直接耦合。

进一步的，所述的反射膜层是通过在激光增益介质表面镀高反射膜形成。泵浦光反射膜可直接在增益介质的前端面镀膜，也可与镀反射膜的光学元件光胶、胶合或深化光胶粘结。

所述的反射膜层是通过在激光增益介质侧表面与空气或液体界面形成。

所述的反射膜层是通过在激光增益介质表面胶合折射率低于所述激光增益介质折射率的胶层、光胶层或衬底材料形成。

所述的反射膜层的任一侧面可以是如上所述的形成方式，并相互结合形成。

进一步的，所述的泵浦腔可为微片式激光腔，也可为分离腔；所述的其他光学元件如倍频晶体、调Q晶体或标准具。

泵浦腔可为微片式激光腔，则采用激光增益介质单片通过光胶、胶合、深化光胶构成泵浦光全内反射面。或激光增益介质是棒状的，则侧面为光学表面棒状激光增益介质与套管之间加低于激光增益介质胶层和液体构成全内反射面。

本发明的泵浦腔可以用于制作宽温激光器，也可应用于低吸收系数的增益介质系统。

本发明采用如上技术方案的优点在于：

本发明的结构有利于提高增益介质对泵浦光吸收效率，尤其是对于吸收系数较低的增益介质，或泵浦波长不在增益介质吸收中心带的情况。

本发明的结构可用于制作宽温度工作范围激光器，降低或消除温度变化引起半导体激光波长漂移对激光器功率影响，尤其是应用于高功率、野外环境的激光器，增加输出功率稳定性。

本发明对低吸收系数激光增益介质亦可使泵浦光被充分吸收，同时避免采用增加激光增益介质长度来增加吸收的方式。可减小激光增益介质体积，同时由于激光增益介质长度可较短，而减小激光阈值。

附图说明

图1(a)是本发明的第一实施例的示意图；

图1(b)是本发明的第一实施例的泵浦腔的侧视图；

图1(c)是本发明的第一实施例的另一种泵浦腔的示意图；

图1(d)是本发明的第二实施例的示意图；

图1(e)是本发明的第三实施例的示意图；

图2(a)是本发明的第四实施例的示意图；

图2(b)是本发明的第四实施例的泵浦腔的侧视图；

图3(a)是本发明的第五实施例的示意图；

图3(b)是本发明的第六实施例的泵浦腔的示意图；

图3(c)是本发明的泵浦腔的通光面示意图；

图3(d)是本发明的泵浦腔的另一种通光面示意图；

图3(e)是本发明的第七实施例的示意图；

图3(f)是本发明的第八实施例的波导结构泵浦腔的示意图；

图4(a)是本发明的第九实施例的示意图；

图4(b)是本发明的第十实施例的示意图；

图4(c)是本发明的第十一实施例的示意图；

图4(d)是本发明的第十一实施例的泵浦腔的通光面示意图；

图4(e)是本发明的第十一实施例的泵浦腔的另一种通光面示意图；

图5是本发明的第十二实施例的示意图。

具体实施方式

现结合附图说明和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明采用新的泵浦腔结构来提高激光增益介质对泵浦光的吸收效率。该结构包括LD泵浦系统，光学耦合系统及谐振腔。该谐振腔中增益介质可为棒状、方状、波导腔等形式，在泵浦光入射端面除泵浦光通光孔外，其余不能产生全内反射表面均镀上对泵浦光高反的膜层，以形成泵浦光的接近封闭结构的反射腔。LD泵浦光进入增益介质后将在该泵浦光的腔内多次反射，大部分将被增益介质吸收，只有少量通过通光孔损失。因而本发明可提高增益介质对泵浦光的吸收。

图1(a)-图1(e)系列图所示为本发明的端面泵浦形式激光器示意图，采用双包层光学棒状增益介质构成谐振腔。图1(a)中101为LD泵浦源，102为耦合透镜，103为基质材料，104为激光增益介质，105A、105B为衬底材料，106A、106B为光胶膜层，其折射率低于基质材料103与激光增益介质104的折射率，从而在基质材料103、激光增益介质104形成波导腔结构。激光增益介质截面可以为矩形，如图1(b)所示。通光面镀膜，膜S1为对泵浦光λ₀高反的膜，但在膜层S1中心处根据聚焦后LD泵浦光发光面积大小空出一块面积S2作为泵浦光通光孔，S2镀对泵浦光增透的膜，膜S3为对泵浦光λ₀增透，对振荡波长光λ₁高反的膜；膜S4为对泵浦光λ₀高反，对振荡波长光λ₁部分反射的膜。LD输出的泵浦光聚焦到S2进入谐振腔，在激光增益介质104腔中通过全内反射传输，并被激光增益介质104吸收，一次通过未被吸收的泵浦光将被膜S4反射再次通过激光增益介质104，仍未被吸收的泵浦光中的大部分光将被反射膜S1反射而在膜S1与膜S4之间往复振荡。当泵浦光来回振荡一次时，从透光孔损失的光为面积比S2/S0，S0为泵浦光振荡有效截面，若S0直径为Φ2mm，S2直径为Φ0.2mm，则来回的损失仅为10％，其余泵浦光将最终被增益介质吸收，从而提高对泵浦光的吸收效率。采用基质材料103与激光增益介质104胶合可使面S1、面S2的镀膜更为容易。如图1(c)所示，也可以只采用激光增益介质104，利用激光增益介质104侧面抛光光学表面形成全内反射侧面，该结构将更为简单。本发明结构也可采用分离腔结构，如图1(d)所示的第二实施例，其中101为LD泵浦源，102为耦合透镜，103为基质材料，104为激光增益介质，105为衬底材料，107为后腔镜，对泵浦光λ₀高反，对振荡波长光λ₁部分反射。同第一实施例一致，膜S1为对泵浦光λ₀高反的膜，但在膜层S1中心处根据聚焦后LD泵浦光发光面积大小空出一块面积S2作为泵浦光通光孔，S2镀对泵浦光增透的膜，膜S3为对泵浦光λ₀增透，对振荡波长光λ₁高反的膜；膜S4为对泵浦光λ₀高反，对振荡波长光λ₁部分反射的膜。

图1(e)所示为采用光纤耦合泵浦的结构，只是耦合方式改变外，其他与上述实施例一样。其中101为LD泵浦源，1021为第一耦合透镜，1022为第二耦合透镜，第一耦合透镜1021与为第二耦合透镜1022间设有光纤，103为基质材料，104为激光增益介质，105A、105B为衬底材料，106A、106B为光胶膜层，其折射率低于基质材料103、激光增益介质104，从而在基质材料103、激光增益介质104形成波导腔结构。膜S1为对泵浦光λ₀高反的膜，但在膜层S1中心处根据聚焦后LD泵浦光发光面积大小空出一块面积S2作为泵浦光通光孔，S2镀对泵浦光增透的膜，膜S3为对泵浦光λ₀增透，对振荡波长光λ₁高反的膜；膜S4为对泵浦光λ₀高反，对振荡波长光λ₁部分反射的膜。

图2(a)所示第四实施例结构采用双包层光学加工棒，其中201为LD，202为光学耦合系统，203基质材料，可为金属、陶瓷或晶体等，204为圆棒状的激光增益介质如Nd:YAG棒、Nd:YVO₄棒、激光陶瓷等，基质材料203与激光增益介质204可用光学胶层205如UV胶进行胶合，胶的厚度应较薄以保证导热，同时光学胶层205的折射率低于激光增益介质204以保证光在激光增益介质204中传播时形成全内反射，激光增益介质204的侧面抛光并镀膜构成谐振腔。膜S1为对泵浦光λ₀高反的膜，但在膜层S1中心处根据聚焦后LD泵浦光发光面积大小空出一块面积S2作为泵浦光通光孔，S2镀对泵浦光增透的膜，膜S3为对泵浦光λ₀增透，对振荡波长光λ₁高反的膜；膜S4为对泵浦光λ₀高反，对振荡波长光λ₁部分反射的膜。该结构的横截面如图2(b)所示，该结构的操作原理与图1系列实施例结构类似。

图3(a)所示的第五实施例是采用圆柱状结构激光增益介质，其端面为光滑光学表面，侧面外侧为空气，由于空气折射率约为1，低于增益介质303，因而入射泵浦光可在增益介质303中发生全内反射，其中301为耦合透镜，302为基质材料，膜S1、膜S3为对泵浦波长高反的膜，膜S2为对泵浦光增透，对振荡波长高反的膜。泵浦光在腔内的反射原理与图1系列类似。同时也可在增益介质303边缘胶合基质材料302，用以保护介质边缘，并防止边缘漏光，如图3(b)所示。该结构的谐振腔可为微片腔也可采用分离腔，如图3(e)所示，其中304可为其它光学元件如：倍频晶体，调Q元件，标准具等，305为后腔镜。本发明结构可采用LD直接贴面泵浦，也可采用LD阵列端面多孔泵浦以获得较大的泵浦功率，其对应的通光面为如图3(c)所示的圆形截面通光孔、图3(d)所示的方形截面通光孔。其通光面为Φ3mm，可采用多个泵浦源通过通光孔同时泵浦。

本发明也可采用方状波导腔结构。本发明波导腔结构的具体制作方法也申请了专利《一种波导激光器和波导放大器及制造方法》，于此不再赘述。其中激光增益介质的厚度及宽度均达到微米量级，长度为几厘米。激光增益介质通过光学加工，镀膜，胶合方法使其上下及左右四个侧面均被折射率低于增益介质的衬底材料或胶层包围，结构类似于图1(b)；或只有两个侧面被包围，如图3(f)所示，而形成波导结构。其中303为增益介质，306为胶层或光胶层，307为衬底材料。可采用LD直接端面泵浦，或经过透镜、光波导耦合后再去泵浦增益介质。该结构可进一步限制泵浦光的传输范围，并提高腔内光功率密度，因而提高对泵浦光的吸收效率。

本发明可采用端面泵浦方式实现，即泵浦光方向与激光振荡方向相同，其特点是可通过调整通光面与通光孔比值来选择所需泵浦源。如果要求通光面大，则较适合采用中高功率如几瓦到几百瓦多模光纤耦合泵浦；小功率泵浦时宜采用单模光纤，可使泵浦点小，如几个微米，十几微米或更大一些，如比值为10μm/100μm，10μm/200μm等结构，此时可采用几百毫瓦到几瓦级量级的LD泵浦。本发明亦可采用侧面泵浦方式实现，如图4系列图所示。图4(a)表示采用侧面多孔泵浦如图1(a)、图2(a)、图3(e)等所示实施例结构，401为LD阵列，402为通光孔，403为本发明的泵浦腔；图4(b)采用侧面泵浦分离腔结构，其他与图4(a)所示的第九实施例一样，401为LD阵列，402为通光孔，403为本发明的泵浦腔；图4(c)则表示侧面多孔方式泵浦图3(a)所示实施例的泵浦腔结构，同理，401为LD阵列，402为通光孔，403为本发明的泵浦腔。泵浦源可采用LD阵列，亦可采用经光纤耦合的LD阵列，相应通光孔可为图4(d)所示的多孔圆状或方状结构，也可为图4(d)的多个排列的通光孔和图4(e)的通光长条结构。这种侧面泵浦方式也可应用于各种盘片激光器。侧面泵浦方式的优点在于可增加泵浦面积，适合高功率泵浦结构，且减少通光孔对泵浦光的损失。

图5所示的第十二实施例则是采用另外一种微片结构来实现本发明。其中501为KTP晶体，502为基质材料如YVO₄晶体，503为激光增益介质如Nd:YVO₄，504为波片，505为LD。采用LD泵浦激光增益介质产生基频光并经倍频晶体倍频可得到倍频光。可采用瓦级或数瓦级的泵浦光进行泵浦。

本发明的泵浦腔结构中反射膜与反射角的选取方法：由于LD发散角最大为40°，而晶体折射率约为2，晶体内张角为20°，则半角为10°，在10°范围，介质膜的反射率仍很好。单模光纤直接端面泵浦或多模光纤经聚焦后可改变张角，因而其输入角无需较多限制。反射膜可为介质反射膜，具有较高效率，也可采用金属膜，但其反射率大约为90％，损失会多一些。

以上各种结构中，方状结构加工较方便，而圆形结构泵浦均匀，更利于散热，因而各有优势，可根据实际需要选择应用。各反射腔可直接在侧面镀介质膜或金属膜，也可采用将镀有反射膜的光学元件通过光胶、胶合或深化光胶在介质侧面，或加反射镜构成分离腔。

本发明结构泵浦源可为单个LD或LD阵列，LD直接贴面泵浦，或经光学耦合系统聚焦后泵浦，也可采用单个光纤或光纤组直接贴面泵浦或光学系统耦合聚焦后泵浦。泵浦源也可采用其它种类激光，如激光的光束质量好，则通光孔可很小，从而泵浦光的损失也较少。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims

1.一种激光器，包括泵浦腔、泵浦光源、光学耦合系统和其他光学元件，其特征在于：所述的泵浦腔在泵浦点处留有通光孔，其他地方均镀泵浦波长反射膜层，泵浦光源的位置与通光孔处对应。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述的泵浦光源可以是单个LD、阵列LD或者其他非LD泵浦光源；所述的泵浦方式可以是端面泵浦。

3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述的泵浦光源可以是单个LD、阵列LD或者其他非LD泵浦光源；所述的泵浦方式可以是侧面泵浦。

4.根据权利要求1、2或3所述的激光器，其特征在于：所述的通光孔对应于所述的泵浦光源采用单个通光孔、多个排列的通光孔或者通光长条；所述的泵浦光源可根据通光孔与通光面的比例合理选择泵浦光功率。

5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述的泵浦腔内的激光增益介质结构可以采用双包层光学棒状、圆柱状、方形、波导腔等形式。

6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述的光学耦合系统采用光纤耦合、光学透镜耦合或直接耦合。

7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述的反射膜层是通过在激光增益介质表面镀高反射膜形成。

8.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述的反射膜层是通过在激光增益介质侧表面与空气或液体界面形成。

9.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述的反射膜层是通过在激光增益介质表面胶合折射率低于所述激光增益介质折射率的胶层、光胶层或衬底材料形成。

10.根据权利要求7、8或9任一所述的激光器，其特征在于：所述的反射膜层的任一侧面可以是如权利要求7，8，9所述形成方式，并相互结合形成。

11.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述的泵浦腔可为微片式激光腔，也可为分离腔；所述的其他光学元件如倍频晶体、调Q晶体或标准具。