CN101752777A - 一种半导体或闪光灯泵浦微片激光模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体激光模块，属于晶体材料在光电领域的应用，可以应用于激光测距与定位系统中。本发明的主要内容由激光增益介质，被动调Q晶体，和光参量振荡器(OPO)组成的微型固体激光模块，可应用于激光测距和定位系统中，传统的激光测距仪体积较大，装配和调节不便，发出的光波长对人眼有害，成本较高等等缺点，本发明具有装配调节方便，成本低，对人眼无害，体积小，单次脉冲能量高，脉冲重复率高等优点。

Description

一种半导体或闪光灯泵浦微片激光模块

技术领域

本发明涉及一种应用于激光测距的激光模块，尤其涉及一种半导体或闪光灯泵浦微片激光模块。

技术背景

波长1.4～2μm的激光，在辐射人眼时，大部分会被晶状体吸收，只有少数到达视网膜，对人眼损伤低，因此这一波段内的激光被称为人眼安全激光。在这一波段内，最安全的激光波长在1.54μm附近，目前获得该波长人眼安全激光的方法主要有拉曼频移激光器技术、铒玻璃激光器技术和OPO技术。

拉曼频移需要借助高压气体(CH4)拉曼管才能实现，激光器系统结构复杂，可靠性差；铒玻璃激光器是能够直接实现1.54μm人眼安全激光输出的器件，但铒玻璃是三能级激光系统，振荡阈值高，玻璃基质抗激光损伤能力差，可调范围窄。相比之下，全固态人眼安全光学参量振荡器(OPO)具有二极管泵浦固体激光器高效率、长寿命、结构紧凑、体积小、重量轻、高重复频率的特点，同时又具有人眼安全概念，军用和民用前景广阔，在高重频激光测距机和目标指示器，医学研究，以及激光雷达、光电对抗、激光扫描成像等领域有众多应用。

一束频率为f1(泵浦光频率简称泵频)的强激光和一束频率为f2(信号频率简作信频)的弱激光同时射入非线性介质时，如信频光被放大，同时产生频率为f3(f1＝f2+f3)的闲置频率光，这种现象称为光参量放大。若将此非线性介质置于谐振腔中，入射镜对泵频光透射，对信频光或闲频光(或两者)高反射，出射镜对泵频光高反对信频光或闲频光(或两者)部分反射，则在频率为f1的激光作用下，从出射镜将输出频率为f2和f3的激光。这就是光参量振荡器。它是一种可调谐激光器，可以以脉冲工作，也可以连续工作。

早期参量激光的研究发展并不快，无法与其它可调谐光源相竞争。其原因主要是参量激光对工作物质材料特性要求十分苛刻，既要有宽透过谱、高损伤阈值、大的有效非线性系数及易于生长成高质量、大体积的单晶，同时还要具备高功率、高光束质量的激光泵浦源。近年来以KTP、BBO、LBO、KTA、PPLN、PPKTP等为代表的新型优质非线性晶体的出现，及泵浦激光器光束质量的改进，促进了OPO激光技术的发展

在典型的OPO中，一台频率固定或可调的泵浦激光器的泵浦光被转换成两个具有新的不同的可调频率的光，具有较高能量的光被称为信号光(signal)，而另一束则被称为闲置光(idler)。对于低功率泵浦激光器而言，OPO可以选择泵浦增强型、双谐振腔或三谐振腔，因为它的非线性转换过程可以通过单个或多个谐振腔中的光束共振而得到增强。

用于近红外OPO的非线性晶体主要有KTP，KTA，BBO，PPLN等，其中PPLN实现OPO运转是当今国内外研究的热点，但国内生产PPLN的技术还不成熟，尚不能提供可靠的晶体，BBO在空气中极易潮解，并且它的有效非线性系数较KTP晶体要小得多，不利于OPO的有效运转，KTA虽然在3～5μm波段具有比KTP更好的红外透射性，但KTA-OPO常表现出较高的阈值和较低的转换效率，KTP由于其具有非线性系数大，抗损伤阈值高，透光范围广，走离角小，允许角大等特点被广泛应用于红外光参量振荡器。

激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法。脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。激光测距仪已经被广泛应用于以下领域：电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，反恐/军事，农业，林业，房地产，休闲/户外运动等。

传统的激光测距装置一般采用的是拉曼频移激光器技术、铒玻璃激光器技术。激光脉冲模块普遍存在着结构复杂，装配不便，价格昂贵，对人眼有害，脉冲能量小，重复率低等缺点。

本发明的目的是提供一种成本较低，装配方便，对人眼安全，而且重复工作频率和输出能量都很高且寿命长的使用OPO技术的固体激光模块来应用于激光测距装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够应用于激光测距仪的体积小，使用装配方便，重复频率和输出能量都比较高的固体激光模块。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案实现的，一种应用于激光测距的固体激光模块，由激光增益介质，被动调Q装置，光参量振荡器(OPO)构成的，在端面或者侧面灯泵浦或激光二极管泵浦下产生波长为1.54μm的脉冲激光。为了实现本发明目的，激光模块工作原理是：由氙灯或者半导体激光器端面或者侧面泵浦激光增益介质，由在激光增益介质泵浦端面和光参量振荡器光出射端面镀膜以构成激光谐振腔，谐振腔中输出光参量振荡所需要的泵浦光入射到被动调Q装置转化为脉冲光，脉冲光入射光参量振荡器，在光参量振荡晶体两端面镀膜以形成光参量谐振腔，脉冲光经过光参量振荡器的调谐，输出所需要波长的脉冲激光。依据上述原理，本发明的激光模块包括以下技术内容：(1)激光增益介质采用的是掺入了Nd3+离子的激光晶体，可以是Nd:YVO4，Nd:YAG，Nd:GdVO4，Nd:YAP，Nd:GGG，Nd:YLF，Nd:Glass等。选择Nd离子掺杂浓度为1％～3％和3～5mm晶体长度，使其能够得到最佳的泵浦效率，采用半导体激光器或者闪光灯对激光增益介质进行侧面或者端面泵浦。(2)对激光增益介质如Nd:YVO4，Nd:GdVO4，Nd:YLF，Nd:YAP进行相位匹配的角度切割以直接产生偏振光从而省去了起偏镜简化了器件结构，对于Nd:YAG，Nd:GGG，Nd:Glass进行布儒斯特角切割后使用一个与同样对配加工的端盖来补偿折射角。(3)采用Cr⁴⁺:YAG作为被动调Q晶体以产生激光脉冲，为了提高单次脉冲功率和改善光斑质量，选择合适初始透过率的Cr4+:YAG；(4)光参量振荡器(OPO)可采用KTP，KTA，BBO，PPLN，LBO，PPKTP晶体，晶体选择长度为10～20mm并与切割与之匹配的角度使其能够调谐输出1.54μm的脉冲激光，并能达到合适的输出功率。(5)在激光增益介质入射端面和光参量振荡器晶体的光出射面镀对激光增益介质激发波长高反射的介质膜，在两膜层间形成激光谐振腔，在光参量振荡器的光入射端面镀有对输出光高反射率的介质膜，在光出射面镀有对输出光部分反射的介质膜，两膜层之间形成光参量振荡谐振腔对需要的波长调谐输出。(6)严格控制激光增益介质，被动调Q晶体和光参量振荡器晶体的各个光出射端面与入射端面之间的平行度。(7)激光增益介质，被动调Q晶体，光参量振荡器使用光胶，胶合，侧面胶合固定的方式粘结在一起，其中对于Nd:YVO4，Nd:GdVO4，Nd:YLF，Nd:YAP等晶体采用光胶，胶合的方式粘结，在粘结过程中也要严格控制各个端面之间的平行度，对于Nd:YAG，Nd:GGG，Nd:Glass等晶体采用侧面胶合的方式粘结，要保证粘结底板的表面平行度，在粘结过程中严格控制各个端面之间的平行度。

附图说明

图1为本发明的激光模块原理示意图

图2为实施例1，2，3的激光模块结构示意图

图3为实施例4的激光模块结构示意图

具体实施方式

实施例一：如图2所示，由半导体激光二极管端面泵浦激光增益介质Nd:YVO4(201)，Nd:YVO4晶体进行相位匹配角切割以直接产生线偏光，Nd离子掺杂浓度为1％，长度2mm，产生的激光由被动调Q晶体Cr4+:YAG(202)转化为脉冲光，脉冲光通过光参量振荡器(OPO)(203)由KTP晶体构成调谐振荡输出1.54μm的脉冲激光，。其中半导体激光二极管泵浦波长为808nm，Nd:YVO4的808nm泵浦光入射端面(204)镀有对1.06μm波长光具有高反射率的介质膜，KTP的1.54μm光出射端面(206)镀有对1.06μm波长光具有高发射率的介质膜，两介质膜之间形成1.06μm的激光谐振腔，KTP的1.06μm光入射端面(205)镀有1.54μm波长光高反介质膜，并且在KTP的1.54μm光出射端面(206)镀有对1.54μm波长光部分反射介质膜，两膜之间构成的1.54μm光参量振荡谐振腔。实验中得到了单次脉冲能量为3.0mj，脉宽为0.27ns的激光束。

实施例二：如图2所示，由半导体激光二极管端面泵浦激光增益介质Nd:YAP(201)，Nd:YAP相位匹配角度切割直接产生线偏光，Nd离子掺杂浓度为1％，长度2mm，泵浦光由被动调Q晶体Cr4+:YAG(202)转化为脉冲光，脉冲光通过光参量振荡器(OPO)(203)调谐振荡输出1.54μm的脉冲激光，光参量振荡器(OPO)(203)由KTA晶体构成，晶体长度为20mm。调谐振荡输出1.54μm的脉冲激光。Nd:YAP的808nm泵浦光入射端面(204)镀有对1.06μm波长光具有高反射率的介质膜，KTA得1.54μm光出射端面(206)镀有对1.06μm波长光具有高发射率得介质膜，两介质膜之间形成1.06μm的激光谐振腔，KTA的1.06μm光入射端面(205)镀有1.54μm波长光高反介质膜，并且在KTA的1.54μm光出射端面(206)镀有对1.54μm波长光部分反射介质膜，两膜之间构成的1.54μm光参量振荡谐振腔。实验中得到了单次脉冲能量为2.1mj，脉宽为0.29ns的激光束。

实施例三：如图2所示，由半导体激光二极管端面泵浦激光增益介质Nd:YLF(201)，Nd:YLF晶体相位匹配角度切割以产生线偏光，Nd离子掺杂浓度为2％，长度2mm。泵浦光由被动调Q晶体Cr4+:YAG(202)转化为脉冲光，脉冲光通过光参量振荡器(OPO)(203)调谐振荡输出1.54μm的脉冲激光，光参量振荡器(OPO)(203)由KTA晶体构成，晶体长度为20mm，调谐振荡输出1.54μm的脉冲激光。Nd:YLF的808nm泵浦光入射端面(204)镀有对1.05μm波长光具有高反射率的介质膜，KTA(203)的1.54μm光出射端面(206)镀有对1.05μm波长光具有高反射率的介质膜，两介质膜之间形成1.05μm的激光谐振腔，KTA(203)的1.05μm光入射端面(205)镀有1.54μm波长光高反介质膜，并且在KTA(203)的1.54μm光出射端面(206)镀有对1.54μm波长光部分反射介质膜，两膜之间构成的1.54μm光参量振荡谐振腔。实验中得到了单次脉冲能量为2.5mj，脉宽为0.27ns的激光束。

实施例四：如图3所示，由闪光灯侧面泵浦激光增益介质Nd:YAG(301)，Nd:YAG晶体布儒斯特角切割，并使用对配端盖进行双折射补偿，Nd离子掺杂浓度为2％，长度4mm，激光增益介质与端盖加工的角度(305)为布儒斯特角。泵浦光由被动调Q晶体Cr4+:YAG(302)转化为脉冲光，脉冲光通过光参量振荡器(OPO)(303)调谐振荡输出1.54μm的脉冲激光，光参量振荡器(OPO)(303)由KTP晶体构成，晶体长度为20mm。Nd:YAG棒的其中一个端面(304)镀有对1.06μm波长光具有高反射率的介质膜，KTP(303)的1.54μm光出射端面(307)镀有对1.06μm波长光具有高反射率的介质膜，两介质膜之间形成1.06μm的激光谐振腔，KTP的1.06μm光入射端面(306)镀有1.54μm波长光高反介质膜，并且在KTP的1.54μm光出射端(307)镀有对1.54μm波长光部分反射介质膜，两膜之间构成的1.54μm光参量振荡谐振腔。实验中得到了单次脉冲能量为2.0mj，脉宽为0.36ns的激光束。

Claims (8)

1.一种固体激光模块，由激光增益介质，被动调Q装置，光参量振荡器(OPO)构成的，其特征在于在端面或者侧面灯泵浦或激光二极管泵浦下产生波长为1.54μm的脉冲激光，可以应用于激光测距与定位系统中。

2.根据权利要求1所述的激光模块，其激光增益介质是Nd:YAG或Nd:YAP或Nd:YVO4或Nd:YLF或Nd:GdVO4或Nd:GGG或Nd:Glass。

3.根据权利要求1和2所述的激光模块，其被动调Q装置是Cr4+:YAG晶体构成的。

4.根据权利要求1所述的激光模块，其光参量振荡器(OPO)是KTA或KTP或BBO或LBO或PPLN或PPKTP。

5.根据权利要求1和2所述的激光模块，其特征在于：激光增益介质入射端面与光参量振荡器的光出射端面均镀有对增益介质激发波长光高反射的介质膜以构成激光谐振腔；光参量振荡器光入射端面镀有对输出光高发射的介质膜，光出射端镀有对输出光部分反射的介质膜从而构成光参量振荡谐振腔以获得所需要的波长输出光。

6.根据权利要求1，4和5所述的激光增益介质，其特征在于：对晶体进行布儒斯特角切割使其直接产生线偏振光，从而简化了器件的结构。

7.根据权利要求1，4和5所述的激光增益介质，被动调Q晶体，光参量振荡晶体的光出射，入射端面之间要严格保证平行度。

8.根据权利要求1所述的固体激光模块，其特征在于激光增益介质，被动调Q晶体和光参量振荡器(OPO)采用光胶，胶合或者侧面胶合的方式粘接在一起，粘结完成之后也要严格保证各端面之间的平行度。

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