CN102299464A

CN102299464A - 微片固体激光器

Info

Publication number: CN102299464A
Application number: CN 201110207994
Authority: CN
Inventors: 周群立; 侯霞; 刘源
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2011-12-28

Abstract

一种微片固体激光器，其构成包括泵源VCSEL阵列，沿泵源VCSEL阵列的激光输出方向同光轴地依次是圆锥台形玻璃导管耦合器、泵浦聚焦透镜、掺Nd激光晶体、Cr⁴⁺:YAG被动调Q晶体，初始透过率为在45%到95%之间、后腔镜、第一耦合聚焦透镜、第二耦合准直透镜、第三耦合聚焦透镜、光纤跳线。本发明激光器具有结构简单紧凑，工作效率高，阈值低的特点。

Description

微片固体激光器

技术领域

本发明涉及固体激光器，特别是一种基于垂直腔面发射半导体激光器集成阵列端面泵浦的微片固体激光器。

背景技术

垂直腔面发射激光器阵列(以下简称为VCSEL阵列)近几年取得了很大的进展。与传统的边发射半导体激光器相比，它具有发散角小、单纵模工作、低阈值和圆形输出光束等优点：小的发散角和圆形对称的远、近场分布使其耦合不需要复杂昂贵的光束整型系统；光腔长度极短，导致其纵模间距拉大，可在较宽的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高；腔体积减少使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级，这导致许多物理特性大为改善。同时，VCSEL 阵列潜在的应用是能够被用来泵浦各种固体激光器，把 VCSEL阵列从功能性器件转化为功率器件，采用 VCSEL 阵列器件，取代传统的边发射半导体激光器阵列器件泵浦固体激光器，由于它们具有均匀的远场特性、基横模工作，有利于提高泵浦效率和泵浦的均匀性。这将成为发展高效率、高功率固体激光器的一种有效途径。例如用峰值波长为 808nm 的 VCSEL 阵列，适合于泵浦 Nd:YAG 和 Nd:YVO₄等固体激光器。

目前具有大的单脉冲能量和窄脉冲的 1.064μm 波段的固体脉冲激光器在激光测量、光电子对抗、激光遥感、激光医疗等领域有非常广泛的应用前景。而该波段的微片式激光器则具有很好的集成度，不仅光束质量好、能量转换效率高，而且体积小、寿命长，使用方便。但是，已有产品的光束质量及稳定性仍需提高，体积还需减小。研制高性能的微片式激光器，进一步提高器件的性能是当前努力的方向之一。为了实现结构尺寸更小，耦合效率更高 1.064μm 波段的固体激光器，可以在选择激光晶体的泵浦方式上利用 VCSEL阵列以上众多的优点，但是由于VCSEL阵列具有较大的泵浦光斑，有关如何实现 VCSEL 高效率耦合的报道还是很少，因此工作效率较低，阈值较高。为了能够充分的发挥 VCSEL 阵列的各方面优势，有必要采用一种新的结构，保证较高的泵浦效率，降低阈值。并且在设计中可以考虑省去滤波与整形系统，简化散热系统，在整体效能上更有优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微片固体激光器。该激光器具有结构简单紧凑，工作效率高，阈值低的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种微片固体激光器，特点在于其构成包括泵源VCSEL阵列，沿泵源VCSEL阵列的激光输出方向同光轴地依次是圆锥台形玻璃导管耦合器、泵浦聚焦透镜、掺Nd激光晶体、Cr⁴⁺:YAG被动调Q晶体，初始透过率为在45%到95%之间、后腔镜、第一耦合聚焦透镜、第二耦合准直透镜、第三耦合聚焦透镜、光纤跳线，所述的泵源VCSEL阵列固定在热电半导体制冷器的紫铜散热块上，所述的光纤跳线固定在外壳的后端面，所述的热电半导体制冷器的紫铜散热块固定在所述的外壳的前端面上，所述的泵源VCSEL阵列的发光光束的方向垂直于所述的紫铜散热块，所述的掺Nd激光晶体位于所述的泵浦聚焦透镜的焦点处，该掺Nd激光晶体的入射端镀有1064nm波段高反且对808nm波段高透的膜，所述的后腔镜为凹面镜，镀1064nm波段透过率在10%到40%之间的膜，所述的光纤跳线的光纤切面位于所述的第三耦合聚焦透镜的焦平面。

所述的圆台锥形玻璃导管是入射端口的直径D大于所述的VCSEL阵列发光面尺寸口径，出射端口的直径小的外表面镀金的圆锥筒壳体，用于对大发光面积的泵浦源光斑进行压缩，在经过泵浦聚焦透镜将泵浦光聚焦从所述的掺Nd激光晶体端面输入，实现端面泵浦。

本发明的技术效果：

1、本发明小的发散角和圆形对称的远、近场分布使光束整型系统更加简单紧凑；光腔长度极短，导致其纵模间距拉大，可在较宽的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高；腔体积减少使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级，这导致许多物理特性大为改善。

2、采用圆台锥形玻璃导管对高功率激光耦合，可获得更高的耦合质量,减少能量的浪费。可实现大的光斑面积的VCSEL阵列光束得到了有效的压缩，并且实现对微片固体激光晶体的泵浦较高效率的能量耦合，降低了阈值。

附图说明

图1为本发明微片固体激光器的较佳实施例的总体框图。

图2为本发明泵浦激光耦合系统结构侧面图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明微片固体激光器的较佳实施例的总体框图。由图可见，本发明微片固体激光器，其构成包括泵源VCSEL阵列1，沿泵源VCSEL阵列1的激光输出方向同光轴地依次是圆锥台形玻璃导管耦合器2、泵浦聚焦透镜3、掺Nd激光晶体4、Cr⁴⁺:YAG被动调Q晶体，初始透过率为在45%到95%之间5、后腔镜6、第一耦合聚焦透镜7、第二耦合准直透镜8、第三耦合聚焦透镜9、光纤跳线10，所述的泵源VCSEL阵列1固定在热电半导体制冷器11的紫铜散热块12上，所述的光纤跳线10固定在外壳13的后端面，所述的热电半导体制冷器11的紫铜散热块12与所述的外壳13的前端面相固定，所述的泵源VCSEL阵列1的发光光束的方向垂直于所述的紫铜散热块12，所述的掺Nd激光晶体4位于所述的泵浦聚焦透镜3的焦点处，该掺Nd激光晶体4的入射端面镀有1064nm波段高反且对808nm波段高透的膜，所述的后腔镜6为凹面镜，镀1064nm波段透过率在10%到40%之间的膜，所述的光纤跳线10的光纤切面位于所述的第三耦合聚焦透镜9的焦平面。

该激光器的泵源VCSEL阵列1固定在在热电半导体制冷器11之上的紫铜散热块12上，其发光光束的方向垂直于紫铜散热块12。整体装置的各个光学件均以VCSEL阵列1的发光面的中心线为光轴。首先调节圆锥台型玻璃导管2的位置，当横截面为圆形的激光进入圆锥台形玻璃导管时,该圆形的激光的中心轴与圆锥台型玻璃导管2的中心轴重合,且圆锥台型玻璃导管2的中心轴又通过泵浦聚焦透镜3与掺Nd激光晶体4的中心, VCSEL阵列1的发出的激光束的中心部分处直径为中心轴重合于激光中心轴的圆柱形激光在通过耦合器后直接入射到聚焦透镜，其他具有一定发散角的光线经过高反射膜反射后经过圆锥台型玻璃导管2出射端面并入射到聚焦透镜上。此时调节泵浦聚焦透镜3的位置使泵浦光聚焦，经过压缩了光斑大小的光束由于存在着一定的发散角，经过泵浦聚焦透镜3的聚焦，可以实现对掺Nd激光晶体4的有效泵浦。调节掺Nd激光晶体4的位置，使泵浦光的聚焦处位于晶体内部。掺Nd激光晶体4、Cr⁴⁺:YAG被动调Q晶体5与后腔镜6平行放置。调节掺Nd激光晶体4与后腔镜6的前后，左右，俯仰位置，输出1064nm波段的脉冲激光后固定。第一耦合聚焦透镜7、第二耦合准直透镜8、第三耦合聚焦透镜9分别垂直于光轴，使之曲率中心与光轴重合，调节第一耦合聚焦透镜7和第二耦合准直透镜8之间的距离，使之达到较好的准直扩束效果。调节第三耦合聚焦透镜9的前后左右，俯仰位置，使之能够高效率的耦合到光纤中。光纤跳线10的光纤切面放置在第三耦合聚焦透镜9的焦点附近处。

下面是本发明一个实施例1的主要部件具体参数：

VCSEL阵列1为发光中心光谱806nm，光谱宽Δλ=0.6nm,功率为3W。

掺Nd激光晶体4的泵浦光入射端镀有808nm波段高透、1064nm波段高反的膜，作为激光腔的前腔镜。Cr⁴⁺:YAG被动调Q晶体5的透过率分别为95%。

固体激光腔的结构为平凹腔。后腔镜6为镀有808nm波段高反，1064nm波段透过率分别为10%。

该激光器的泵源VCSEL阵列器件1固定在在热电半导体制冷器11的紫铜散热块12上，其发光光束的方向垂直于基座与圆锥形玻璃导管，整体光学件均以VCSEL阵列1发光面的中心线为光轴。调节圆锥台型玻璃导管2的位置，使之达到较小的光斑与较小的发散角。此时调节泵浦聚焦透镜3的位置及俯仰，使泵浦光聚焦，调节掺Nd激光晶体4的位置，使泵浦光的聚焦处位于晶体内部。掺Nd激光晶体4、Cr⁴⁺:YAG被动调Q晶体5与后腔镜6平行放置。调节掺Nd激光晶体4与后腔镜6的前后，左右，俯仰位置，输出1064nm波段的脉冲激光后固定。第一耦合聚焦透镜7、第二耦合准直透镜8、第三耦合聚焦透镜9分别垂直于光轴放置，使之曲率中心与光轴入射点重合，调节第一耦合聚焦透镜7和第二耦合准直透镜8之间的距离，使之达到较好的准直扩束效果。调节第三耦合聚焦透镜9的前后左右，俯仰位置，使之能够高效率的耦合到光纤中。光纤跳线10的光纤切面放置在第三耦合聚焦透镜9的焦点附近处。

实施例1的实验结果得到以下数据：

阈值P_th=1.171W，斜率效率Slope Efficiency=22.13%。

实施例2采用Cr⁴⁺:YAG被动调Q晶体5的初始透过率为70%， 1064nm波段透过率的后腔镜6的透过率为20%，得到如下数据:

阈值P_th=2.532W，斜率效率Slope Efficiency=20.76%。

实施例3采用Cr⁴⁺:YAG被动调Q晶体5的初始透过率为45%， 1064nm波段透过率的后腔镜6的透过率为40%，得到如下数据:

阈值P_th=3.345 W,斜率效率Slope Efficiency=17.56%。

综上所述，本发明具有结构紧凑、加工简单、调试方便、腔内损耗低、易于散热的特点，可以实现VCSEL阵列的高效率耦合泵浦掺Nd激光晶体，且可以实现固体倍频激光器的高效率、低阈值的激光输出。

Claims

1.一种微片固体激光器，特征在于其构成包括泵源VCSEL阵列（1），沿泵源VCSEL阵列（1）的激光输出方向同光轴地依次是圆锥台形玻璃导管耦合器（2）、泵浦聚焦透镜（3）、掺Nd激光晶体（4）、Cr⁴⁺:YAG被动调Q晶体，初始透过率为在45%到95%之间（5）、后腔镜（6）、第一耦合聚焦透镜（7）、第二耦合准直透镜（8）、第三耦合聚焦透镜（9）、光纤跳线（10），所述的泵源VCSEL阵列（1）固定在热电半导体制冷器（11）的紫铜散热块（12）上，所述的光纤跳线（10）固定在外壳（13）的后端面，所述的热电半导体制冷器（11）的紫铜散热块（12）与所述的外壳（13）的前端面相固定，所述的泵源VCSEL阵列（1）的发光光束的方向垂直于所述的紫铜散热块（12），所述的掺Nd激光晶体（4）位于所述的泵浦聚焦透镜（3）的焦点处，该掺Nd激光晶体（4）的入射端镀有1064nm波段高反且对808nm波段高透的膜，所述的后腔镜（6）为凹面镜，镀1064nm波段透过率在10%到40%之间的膜，所述的光纤跳线（10）的光纤切面位于所述的第三耦合聚焦透镜（9）的焦平面。

2.根据权利要求1所述的微片固体激光器，其特征是：所述的圆台锥形玻璃导管（2）是入射端口的直径D大于VCSEL阵列发光面尺寸口径，出射端口的直径小的外表面镀金的圆锥筒壳体，用于对大发光面积的泵浦源光斑进行压缩，再经过泵浦聚焦透镜（3）将泵浦光聚焦从所述的掺Nd激光晶体（4）端面输入，实现端面泵浦。