CN102610992B - 一种实现对泵浦光高吸收效率的Nd：YAG激光器方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实现对泵浦光高吸收效率的Nd：yag激光器方法，包括激光二极管泵浦源、激光谐振腔，激光介质Nd：YAG，其特征是：在沿泵浦光传播方向，所述的激光介质Nd：YAG后面有一块Nd：YVO4 介质用于实现对泵浦光的充分吸收，当泵浦光通过全部Nd：YAG激光介质以后，处于Nd：YAG晶体808.6nm波长吸收谱以内的泵浦光功率将完全被吸收，而处于Nd：YAG晶体吸收谱以外的泵浦光功率则进入Nd：YVO4 晶体，由Nd：YVO4 晶体吸收；当激光器工作时，两种晶体吸收的能量均可以转化成共同波长的振荡激光，实现高效率的激光输出。本发明利用了Nd：YAG介质优良的导热和光电性能和Nd：YVO4介质的宽带吸收特点，实现了两者的优点结合并克服了各自的弱点。本发明可以提高泵浦光能量利用效率20%左右。
Description
技术领域
本发明涉及一种端面抽运的激光二极管泵浦固体激光器，特别是一种实现对泵浦光高吸收效率的Nd：YAG激光器方法。
背景技术
激光二极管固体激光器，主要由泵浦源激光二极管、耦合系统、谐振腔组成。谐振腔是激光器的核心部分，其中激光介质是实现将泵浦能量转化成激光能量的枢纽。泵浦源激光二极管发射泵浦光，经过耦合系统作用于谐振腔内的激光介质，产生激光振荡所需要的粒子数反转。激光介质有各种类型，通常根据激光器所发射的激光波长和物理参数的特殊要求选取。其中掺Nd：YAG由于其优良的导热性能、机械性能和光学性能，是目前最常用的激光介质，通常所采用的发射波是1064nm波长。
在二极管泵浦Nd：YAG激光器中，端面泵浦方式是紧凑型结构中最常用的泵浦方法。特别是光纤耦合LD端面泵浦的泵浦方式，目前比较普遍。这种端面泵浦的优点集中表现在①LD输出的泵浦光具有较好的轴对称性，相应耦合系统也只需要采用轴对称的光学系统，耦合系统的设计将大为简化。②泵浦光呈轴对称分布,其热透镜效应更接近于理想透镜,通过耦合系统,可以控制热透镜焦距的大小,为对谐振腔的调控提供了可能。③有利于减小激光器的体积实现紧凑结构。
高效率的二极管泵浦固体激光器是目前紧凑型激光器的一个重要发展方向。这里效率指的是对泵浦光的利用效率。激光器光转换效率的表达式为：
实现高效率的固体激光器，一方面需要提高泵浦光的吸收效率，要求激光介质的吸收波长最大限度地覆盖泵浦光的发射波长，这就是波长匹配；另一方面需要控制泵浦光的空间分布，并且最大限度地使泵浦光的分布区被振荡光分布区所覆盖，这就是泵浦光与振荡光的空间匹配。
和侧面泵浦比较，端面泵浦方式在实现激光器高效率运行方面有独特的优点。主要体现在泵浦光的传播和吸收方向与振荡光能够很好重叠，因此能够最大限度的实现泵浦光和振荡光之间的空间匹配。但是，要提高波长匹配，端面泵浦并没有带来特别的优点。对于以1064nm波长工作的端面泵浦Nd：YAG激光器而言，泵浦光和激光介质的波长匹配并不十分理想。
对于Nd：YAG晶体，它的吸收波长峰值位于808.6nm,吸收峰的半宽度(FWHM)只有1.04nm,全宽度不到3nm。而通常LD特别是大功率的LD，其发射谱在808nm波长处的半宽度接近3nm，全宽度超过5nm。两者在谱线宽度方面的不匹配会导致大约20～30%的泵浦光能量不能被吸收。这种不匹配的程度，还会因为LD中心波长对温度的过于敏感而加剧，实验表明，LD的中心波长随工作温度的升高而变大，变化率为0.3nm/℃。可以说这是实现高效率Nd：YAG激光器的一个重要的技术瓶颈。目前Nd：YAG激光器的效率最好只能达到55%左右，远远小于80%的理论极限，其重要原因也在于此。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、可靠性高、容易实现对泵浦光高吸收效率的Nd：YAG激光器方法。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的，一种实现对泵浦光高吸收效率的Nd：YAG激光器方法，包括激光二极管泵浦源、激光谐振腔，激光介质Nd：YAG，其特征是：在沿泵浦光传播方向，所述的激光介质Nd：YAG后面有一块Nd：YVO4介质用于实现对泵浦光的充分吸收，当泵浦光通过全部Nd：YAG激光介质以后，处于Nd：YAG晶体808.6nm波长吸收谱以内的泵浦光功率将完全被吸收，而处于Nd：YAG晶体吸收谱以外的的泵浦光功率则进入Nd：YVO4晶体，由Nd：YVO4晶体吸收；当激光器工作时，两种晶体吸收的能量均可以转化成共同波长的振荡激光，实现高效率的激光输出。
所述的激光介质Nd：YAG可以是Nd：YAG晶体，也可以是Nd：YAG陶瓷，还可以既掺Nd3+离子又掺有其他离子的YAG介质。
所述的激光谐振腔至少包括谐振腔输出镜，谐振腔反射镜和激光介质，激光介质位于谐振腔输出镜和谐振腔反射镜之间；谐振腔反射镜镀有对808nm波长泵浦光的高透膜以及对1064nm波长振荡光的高反射膜；Nd：YAG激光介质在谐振腔反射镜一侧；Nd：YVO4在谐振腔输出镜一侧；Nd：YAG和Nd：YVO4端面均镀有对1064nm波长振荡光的高反射膜和对808nm波长泵浦光的高透膜。
所述的激光谐振腔有主动调Q开关、被动调Q开关、倍频晶体。
所述的激光二极管泵浦源是指激光二极管，可以是直接输出的激光二极管也可以是光纤耦合输出的激光二极管。
所述的谐振腔反射镜既可以是独立的光学元件，又可以是通过在激光介质端面镀膜形成的高反射膜。
所述的倍频晶体镀有对1064nm波长振荡光的全透膜，输出镜对1064nm波长光全反。
所述的激光介质Nd：YAG的泵浦端面设置一个斜面反射镜，反射镜镀膜，实现1064nm波长振荡光沿表面反射时反射。
本发明的有益效果是，在沿泵浦光传播方向，所述的激光介质Nd：YAG后面有一块Nd：YVO4介质用于对泵浦光的充分吸收，当泵浦光通过全部Nd：YAG激光介质以后，处于Nd：YAG晶体808.6nm波长吸收谱以内的泵浦光功率将完全被吸收，而处于Nd：YAG晶体吸收谱以外的的泵浦光功率则进入Nd：YVO4晶体。由于Nd:YVO4晶体在808nm波长处的吸收带宽（全宽）高达15nm波长，远远超过了泵浦光的谱宽（5nm波长左右），于是，没有被Nd：YAG晶体吸收的能量将全部被Nd:YVO4晶体吸收。由于Nd:YVO4和Nd:YAG在1064nm波长处的发射谱重叠，Nd：YVO4晶体的中心发射波长为1064.3nm,发射谱宽度为0.8nm；Nd:YAG晶体的中心发射波长为1064.4nm,发射谱宽度为0.45nm。因此当激光器工作时，两种晶体吸收的能量均可以转化成共同波长的振荡激光，实现高效率的激光输出。
本发明一方面利用了Nd：YAG介质优良的导热和光电性能，另一方面利用了Nd：YVO4介质的宽带吸收特点，实现了两者的优点结合并克服了各自的弱点。本发明可以提高泵浦光能量利用效率20%左右。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的原理图,也是第一个实施例的构造图。
图2是本发明第二个实施例的构造图。
图3是本发明的第三个实施例的构造图。
图4是本发明的第四个实施例的构造图。
图5是本发明的第五个实施例的构造图。
图6是本发明的第六个实施例的构造图。
图7是本发明的第七个实施例的构造图。
图中，1、激光二极管泵浦源；2、光学耦合单元；3、谐振腔反射镜；4、第一激光介质；5、第二激光介质；6、谐振腔输出镜；7、调Q开关；8、倍频晶体；9、光学透镜；10、参量振荡晶体；11、斜面反射镜；12、激光谐振腔。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种实现对泵浦光高吸收效率的Nd：YAG激光器方法，包括激光二极管泵浦源1、激光谐振腔12，第一激光介质4，第一激光介质是Nd：YAG，在沿泵浦光传播方向，第一激光介质4后面有第二激光介质5，第二激光介质5是Nd：YVO4。第二激光介质5用于吸收泵浦光，当泵浦光全部通过第一激光介质4后，处于第一激光介质4（Nd：YAG晶体808.6nm波长吸收谱）以内的泵浦光功率将完全被吸收，而处于第一激光介质4（Nd：YAG晶体吸收谱|）以外的的泵浦光功率则进入第二激光介质5（Nd：YVO4晶体），由第二激光介质5吸收。
工作时，激光二极管泵浦源1以一定的空间分布进入光学耦合单元2，将泵浦光射入激光谐振腔12中的第一激光介质4（Nd：YAG激光介质）上，对Nd：YAG激光介质进行泵浦。由于泵浦光的谱宽大于Nd：YAG激光介质的吸收带宽，一部分泵浦光能量不能被Nd：YAG激光介质吸收，进入第二激光介质5（Nd：YVO4激光介质）内，被第二激光介质5吸收。激光谐振腔12包括谐振腔反射镜3和谐振腔输出镜6,谐振腔反射镜3镀有对808nm波长泵浦光的高透膜以及对1064nm波长振荡光的高反射膜；Nd：YAG激光介质在谐振腔反射镜3一侧；第二激光介质5（Nd：YVO4激光介质）在谐振腔输出镜6一侧；第一激光介质4和第二激光介质5端面均镀有对1064nm波长振荡光的高反射膜和对808nm波长泵浦光的高透膜。谐振腔内所有光学元件同光轴。
图1给出的结构与和传统端面泵浦Nd：YAG激光不同，它考虑了第一激光介质4（Nd：YAG介质）由于泵浦光谱宽大于介质吸收宽度而导致的泵浦光能量吸收不充分的缺点，采取了补救措施，利用第二激光介质5（Nd：YVO4介质）进行了补充吸收。正是由于采取了这样的措施，激光器工作时将获得比不采取相应措施的激光器更高的泵浦光利用效率。
实施例2
图2给出另一个实施例，它与图1的不同之处在于，谐振腔输出镜6内侧放入了调Q开关7，调Q开关7用于实现Nd：YAG激光器的调Q脉冲输出。其中第二激光介质5（Nd：YVO4介质）的作用与图1完全相同。
实施例3
在图3中，第一激光介质4泵浦光端面一侧镀光学反射膜构成谐振腔反射镜，省去了图1和图2中的谐振腔反射镜3。
实施例4
在图4中，与前述三个实例不同，在激光谐振腔12内第二激光介质5的后面分别有同光轴的光倍频晶体8和光学透镜9，这种结构用于了Nd：YAG腔内倍频激光器。光倍频晶体8是一个透镜或者平镜，它的两面镀有对1064nm波长振荡光的全透膜，而它的靠近输出镜的表面上则镀有对532nm波长倍频光的全反射膜。谐振腔输出镜6则镀上了对1064nm波长振荡光的全反射膜和对532nm波长的全透过膜。
实施例5
图5是图4实例的一种变形，在图4的基础上增加了调Q开关7，实现了腔内倍频Nd：YAG调Q激光器。
实施例6
图6给出本方法在Nd：YAG参量振荡晶体10即OPO激光器中的应用。倍频晶体8和输出镜镀有对闲置光的全反射膜；倍频晶体8还镀有对1064nm波长振荡光的全透膜，输出镜对1064nm波长光全反；倍频晶体8还镀有对信号光的全反射膜，输出镜对信号光全透射。
实施例7
图7是双端面泵浦的激光器。图7中有两块Nd：YAG激光介质，从两块Nd：YAG的两个端面进行泵浦，其中一个Nd：YAG激光介质的泵浦端面设置一个斜面反射镜11，通常反射角度为45度，也可以是其他角度。该反射镜镀膜，以实现1064nm波长振荡光沿表面反射时实现高反射，同时镀膜对808nm波长泵浦光高透。
本发明通过提出多种方案，是要说明无论Nd：YAG激光器是何种形式，只要利用了Nd：YVO4介质进行辅助吸收，以提高对808nm波长泵浦光的吸收效率，均属于本发明的范围。本发明的意义体现在能有效提高以Nd：YAG为介质，1064nm波长光为基本振荡光的端面泵浦激光器的效率。
Claims (4)
1.一种实现对泵浦光高吸收效率的Nd：YAG激光器方法，激光器包括激光二极管泵浦源（1）、激光谐振腔（12），其特征是：所述的激光谐振腔（12）至少包括谐振腔输出镜（6）、谐振腔反射镜（3）、激光介质Nd：YAG晶体和激光介质Nd：YVO4晶体，激光介质Nd：YAG晶体和激光介质Nd：YVO4晶体位于谐振腔输出镜（6）和谐振腔反射镜（3）之间；在沿泵浦光传播方向，激光介质Nd：YAG晶体后面有一块激光介质Nd：YVO4晶体用于实现对泵浦光的充分吸收，当泵浦光通过全部激光介质Nd：YAG晶体以后，处于Nd：YAG晶体808.6nm波长吸收谱以内的泵浦光功率将完全被吸收，而处于Nd：YAG晶体吸收谱以外的泵浦光功率则进入Nd：YVO4晶体，由Nd：YVO4晶体吸收；当激光器工作时，两种晶体吸收的能量均可以转化成共同波长的振荡激光，实现高效率的激光输出；谐振腔反射镜（3）镀有对808nm波长泵浦光的高透膜以及对1064nm波长振荡光的高反射膜；激光介质Nd：YAG晶体在谐振腔反射镜（3）一侧；激光介质Nd：YVO4晶体在谐振腔输出镜（6）一侧；激光介质Nd：YAG晶体和激光介质Nd：YVO4晶体端面均镀有对1064nm波长振荡光的高反射膜和对808nm波长泵浦光的高透膜；所述的激光谐振腔(12)有调Q开关（7）和/或倍频晶体（8），所述的调Q开关（7）为主动调Q开关或被动调Q开关；所述的倍频晶体（8）镀有对1064nm波长振荡光的全透膜，谐振腔输出镜（6）对1064nm波长光全反；所述的激光介质Nd：YAG的泵浦端面设置一个斜面反射镜（11），斜面反射镜（11）镀膜，实现1064nm波长振荡光沿表面反射时反射。
2.根据权利要求1所述的一种实现对泵浦光高吸收效率的Nd：YAG激光器方法，其特征是：所述的激光介质Nd：YAG可以是Nd：YAG晶体，也可以是Nd：YAG陶瓷，还可以是既掺Nd3+离子又掺有其他离子的YAG介质。
3.根据权利要求1所述的一种实现对泵浦光高吸收效率的Nd：YAG激光器方法，其特征是：所述的激光二极管泵浦源（1）是指激光二极管，可以是直接输出的激光二极管也可以是光纤耦合输出的激光二极管。
4.根据权利要求1所述的一种实现对泵浦光高吸收效率的Nd：YAG激光器方法，其特征是：所述的谐振腔反射镜（3）既可以是独立的光学元件，又可以是通过在激光介质端面镀膜形成的高反射膜。
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