CN101882750B - 半导体端面泵浦高功率单模风冷激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体端面泵浦高功率单模风冷激光器。第一泵浦源LD与第一耦合聚焦系统之间、第二泵浦源LD与第二耦合聚焦系统之间分别通过光纤连接；第一耦合聚焦系统和第二耦合聚焦系统输出的激光分别入射到所述增益介质；第一耦合聚焦系统和第二耦合聚焦系统与增益介质之间分别设有第一折反镜和第二折反镜；第一折反镜的反射光路上设有热透镜补偿全反镜；第二折反镜的反射光路上设有调Q开关和全反镜；增益介质外侧设有第一温度控制装置和第二温度控制装置，分别用于控制与增益介质的a轴垂直的所有表面和与增益介质的c轴垂直的所有表面的温度。本发明的激光器功率大、效率高且发出的光束质量优良。

Description

半导体端面泵浦高功率单模风冷激光器
技术领域
本发明涉及一种激光器，具体地说，是一种半导体端面泵浦高功率单模风冷激光器。
背景技术
采用激光二极管泵浦的端面泵浦固体激光器因其装置紧凑、光束质量好、效率高等特点而受欢迎。但是，要实现大功率基模端面泵浦固体激光器十分困难，国内尚未见功率超过30W的端面泵浦激光器产品的报道，在国际上也只有光谱物理等少数几家激光公司能做到。
在适合激光二极管泵浦的众多激光晶体中， Nd:YVO4晶体因受激发射截面大、吸收光谱宽、偏振输出等优点倍受人们青睐（参见“用于飞秒紫外激光产生的LD泵浦高效Nd:YVO4绿光激光器研究”，光子学报，2000，29(11)：1 053～1 055页）。但是，Nd:YVO4晶体导热性能较差，只有Nd:YAG的一半，在大功率泵浦时将会产生明显的热透镜效应；同时，由于Nd:YVO4为双轴晶体，其“c”轴方向的热膨胀系数为“a”轴方向的2.5倍，泵浦光加热时热膨胀不均匀，使晶体内部产生机械应力，当这种热应力较大时，会使晶体变形甚至损坏，严重影响激光器的工作稳定性和输出光的光束质量。所以，在采用高功率激光二极管作为泵浦源时，热效应成为急需解决的问题。
在解决纵向热透镜的问题时可对热效应进行补偿（参见“大功率LD端面抽运Nd:YAG Z型腔内热效应补偿的研究”，中国激光，2002，A29(8)：673～676页；“固体激光器热透镜焦距的自适应补偿”，中国激光，1999，A26(3)：205～208页；“可自适应补偿热透镜效应的固体激光谐振腔”，物理学报，2000，49(8)：1495～1 498页），但补偿方法大都是通过加入附加的光学元件，这不但加大了光路的调节难度，而且增大了损耗，从而降低了激光输出功率。
克服纵向热效应采用轴不对称散热法，即冷却垂直于Nd:YVO4晶体“c”轴的两个面，而“a”轴两面不冷却（参见美国专利US 5410559，发明名称 “Diode pumped laser with strong thermal lens crystal”)，用这种方法在低功率泵浦时可以得到圆光斑输出，但如果选用大功率的激光二极管作为Nd:YVO4的泵浦源时，因为Nd:YVO4晶体上的大量热量不能及时散开而使输出的激光光斑为椭圆形，严重时还会损坏晶体。
此外，由于受晶体中的热效应所产生的热应力不能超过Nd:YVO4晶体的断裂应力的限制，增益介质的单位面积上存在最大泵浦功率及输出功率(《Power scaling of diode-pumped Nd:YVO4 Lasers》，IEEE Quantum Electronics，2002，38(9)：P1291～1299)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种功率大、效率高且光束质量优良的半导体端面泵浦高功率单模固体激光器。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种半导体端面泵浦高功率单模风冷激光器，包括第一泵浦源激光二极管LD、第二泵浦源LD、第一耦合聚焦系统、第二耦合聚焦系统以及增益介质，所述第一泵浦源LD与第一耦合聚焦系统之间、第二泵浦源LD与第二耦合聚焦系统之间分别通过光纤连接；第一耦合聚焦系统和第二耦合聚焦系统输出的激光分别从相对的两侧入射到所述增益介质；所述第一耦合聚焦系统和第二耦合聚焦系统与增益介质之间分别设有第一折反镜和第二折反镜；所述第一折反镜的反射光路上设有热透镜补偿全反镜；所述第二折反镜的反射光路上设有调Q开关和全反镜；所述增益介质外侧设有第一温度控制装置和第二温度控制装置，分别用于控制与增益介质的a轴垂直的所有表面和与增益介质的c轴垂直的所有表面的温度。
进一步地，所述激光器的谐振腔为“U”型、“Z”型、“L”型或“V”型谐振腔。
进一步地，所述第一泵浦源LD和第二泵浦源LD所采用的泵浦方式为端面泵浦。
进一步地，所述第一泵浦源LD和第二泵浦源LD所采用的泵浦方式为单端面泵浦、双端面泵浦或四端面泵浦。
进一步地，所述第一泵浦源LD和第二泵浦源LD的激光晶体为Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4或Nd:YLF的键合或胶合晶体。
进一步地，所述第一泵浦源LD和第二泵浦源LD的激光晶体为Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4或Nd:YLF的普通激光晶体。
进一步地，所述增益介质为长方体、正方体或者圆柱体形状。
进一步地，所述第一折反镜和第二折反镜与第一耦合聚焦系统和第二耦合聚焦系统的输出光路之间的夹角为0~90度。
本发明利用冷却装置对增益介质进行冷却，并且两路控温系统分别控制与增益介质的a轴垂直的所有表面和与增益介质的c轴垂直的所有表面的温度，这样通过两端面的温度差来保证a轴、c轴热膨胀率相同，保证输出光斑的光束质量。
附图说明
图1是本发明的半导体端面泵浦高功率单模风冷激光器一实施例的结构原理图。
图中：1. 热透镜补偿全反镜，2.第一泵浦源LD，3.光纤，4.第一耦合聚焦系统，5.第一折反镜，6.增益介质，7.第二折反镜，8. 第二耦合聚焦系统，9. 第二泵浦源LD，10.调Q开关，11.全反镜，12.第一温度控制装置，13.第二温度控制装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明的半导体端面泵浦高功率单模风冷激光器包括：第一泵浦源LD（Laser Diode，激光二极管）、第一泵浦源LD、光纤、第一耦合聚焦系统、第二耦合聚焦系统、增益介质、调Q开关、热透镜补偿全反镜、第一温度控制装置、第二温度控制装置及输出镜（图中未示出）。其中，光纤分别将第一泵浦源LD与第一耦合聚焦系统相连，将第二泵浦源LD与第二耦合聚焦系统相连；第一耦合聚焦系统和第二耦合聚焦系统输出的激光分别从相对的两侧入射到增益介质，增益介质可以切割成长方体、正方体或者圆柱体形状；第一耦合聚焦系统和第二耦合聚焦系统与增益介质之间分别设有第一折反镜和第二折反镜，第一折反镜和第二折反镜与第一耦合聚焦系统和第二耦合聚焦系统的输出光路之间的夹角为0~90度；热透镜补偿全反镜设置在第一折反镜的反射光路上；调Q开关和全反镜设置在第二折反镜的反射光路上；增益介质外侧设有第一温度控制装置和第二温度控制装置，分别用于控制与增益介质的a轴垂直的所有表面和与增益介质的c轴垂直的所有表面的温度。
本发明的激光器的谐振腔可以是“U”型、“Z”型、“L”型或“V”型谐振腔。第一泵浦源LD和第二泵浦源LD所采用的泵浦方式为端面泵浦，即可以是单端面泵浦，也可以是双端面泵浦或四端面泵浦。第一泵浦源LD和第二泵浦源LD的激光晶体可以是Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4或Nd:YLF等键合或胶合晶体，也可以是Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4或Nd:YLF等普通激光晶体。
本发明的激光器中，增益介质输出的光为线偏振光，并且在不同轴方向上的热膨胀系数也不同，第一、第二温度控制装置分别对增益介质进行冷却，并且两路控温系统分别控制增益介质的a轴垂直的所有表面和与增益介质的c轴垂直的所有表面，这样通过两端面的温度差来保证a轴、c轴热膨胀率相同，从而保证输出光斑的光束质量，同时提高了晶体的破坏阈值；通过精确的设计热透镜补偿全反镜，增大了晶体处基模光斑的尺寸，同时能够保证激光器在不同泵浦功率下谐振腔的稳定性。
本发明可以对Nd:YVO4晶体的破坏阈值进行计算，保证了该晶体长期稳定性运转；并对一定掺杂浓度下Nd:YVO4晶体对泵浦光的吸收达到一定吸收效率所需要的晶体长度进行计算，保证了该激光器具有高的光光转换效率。本发明通过对激光器的谐振腔结构、热透镜焦距等进行详细设计，同时采用热透镜补偿全反镜，使该激光器实现基模运行，从而保证了该激光器具有高的光束质量；本发明可以采用一块、两块或多块激光晶体，在采用双端面泵浦单块Nd:YVO4晶体时，相对于双端面泵浦双块晶体激光器，不但减少了激光器成本，而且降低了激光器调节难度，增强了激光器的适用性；该激光器可以采用“U"型谐振腔结构，使得激光器的体积小，结构紧凑。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (3)

1.一种半导体双端面泵浦高功率单模风冷激光器，其特征在于，包括第一泵浦源激光二极管LD、第二泵浦源LD、第一耦合聚焦系统、第二耦合聚焦系统以及单块Nd:YVO4晶体，所述第一泵浦源LD与第一耦合聚焦系统之间、第二泵浦源LD与第二耦合聚焦系统之间分别通过光纤连接；第一耦合聚焦系统和第二耦合聚焦系统输出的激光分别从相对的两侧入射到所述Nd:YVO4晶体；所述第一耦合聚焦系统和第二耦合聚焦系统与Nd:YVO4晶体之间分别设有第一折反镜和第二折反镜；所述第一折反镜的反射光路上设有热透镜补偿全反镜；所述第二折反镜的反射光路上设有调Q开关和全反镜；所述Nd:YVO4晶体外侧设有第一温度控制装置和第二温度控制装置，分别用于控制与Nd:YVO4晶体的a轴垂直的所有表面和与Nd:YVO4晶体的c轴垂直的所有表面的温度，并通过两端面的温度差使a轴、c轴热膨胀率相同。
2.根据权利要求1所述的半导体双端面泵浦高功率单模风冷激光器，其特征在于，所述Nd:YVO4晶体为长方体、正方体或者圆柱体形状。
3.根据权利要求1所述的半导体双端面泵浦高功率单模风冷激光器，其特征在于，所述第一折反镜和第二折反镜与第一耦合聚焦系统和第二耦合聚焦系统的输出光路之间的夹角为0~90度。
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