CN102637995A - 一种功率比例可调的双波长或多波长激光器 - Google Patents

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孙崇玲
曹小龙
徐德刚
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Abstract

本发明公开了一种功率比例可调的双波长或多波长激光器，涉及固体激光器领域，所述激光增益介质的Nd3+掺杂浓度为0.05％～3％，所述控温装置调节所述激光增益介质的温度范围在-196～180℃之内；所述激光泵浦源发出的808nm泵浦光经所述耦合系统透镜组聚焦到所述激光增益介质中并吸收所述808nm泵浦光，所述激光增益介质在所述谐振腔反射镜和所述激光输出镜构成的谐振腔作用下产生振荡，所述控温装置调节所述激光增益介质的温度，同时输出双波长或者多波长激光。本发明解决了多波长固体激光器中由于增益竞争无法调节各波长功率比例的问题，极大地方便了多波长激光器的应用。

Description

一种功率比例可调的双波长或多波长激光器
技术领域
本发明涉及固体激光器，尤其涉及一种双波长或多波长同时输出并且功率比例可调的双波长或多波长激光器。
背景技术
以Nd:YAG和Nd:YVO4为代表的掺钕离子(Nd3+)激光器具有良好的物理特性和激光性能，是最为重要也是目前应用最为广泛的激光器。该类激光器中的激活离子Nd3+的三个能级跃迁过程4F3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2可以实现三个波段的激光输出，其波长一般分别位于900～950nm，1040～1070nm和1300～1350nm之内。其中4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2两个跃迁过程的激光下能级位于基态能级之上，属于四能级系统；而4F3/2→4I9/2跃迁过程的激光下能级是基态能级的一个斯塔克子能级，这种系统被称为准三能级系统，由于激光下能级的能量较低，热运动的存在会使这一子能级存在一定的粒子数，因此这种准三能级激光系统对工作物质温度的变化非常敏感。
掺Nd3+激光器可以实现的三个激光波段由于具有不同的受激发射截面，所以实现相应的激光输出所需要的条件也各不相同。通过合理设计谐振腔，控制激光输出镜对不同激光波段的透过率满足一定的条件(所需条件参考Hong-YuanShen等1991年发表在IEEE Journal of Quantum Electronics上的文章：SimultaneousMultiple Wavelength Laser Action in Various Neodymium Host Crystals)，可以实现两个波长或多个波长同时输出。这种双波长或多波长激光器效率高，结构简单，在激光雷达、探测、非线性光学频率变换等领域具有重要应用价值，到目前为止，国内外已经有多篇这类激光器的文章报道。
发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：
由于掺Nd3+激光器输出的几个激光波长上能级相同，他们之间存在着增益竞争的关系，不同的泵浦功率下各波长的输出功率比例往往是不同的，即便是泵浦功率不变，掺Nd3+激光器运行环境的细小变化便会导致各波长输出功率的波动。而在实际应用中，对双波长或多波长激光光源的成分，即各个波长的功率比例是有要求的，有时需要根据应用环境的变化而改变各波长激光的功率比例。但迄今为止，尚未有报道在固体激光器中可以方便地实现对同时输出的双波长或多波长激光器的功率组分比例进行任意调节和控制，这也使该类掺Nd3+激光器的实际应用受到很大限制。
发明内容
本发明提供了一种功率比例可调的双波长或多波长激光器，本发明大大提高了掺Nd3+双波长或多波长激光器的灵活性，扩大了这类激光器的应用范围，详见下文描述：
一种功率比例可调的双波长或多波长激光器，所述激光器包括：激光泵浦源、耦合系统透镜组、谐振腔反射镜、激光增益介质、控温装置和激光输出镜，
所述激光增益介质的Nd3+掺杂浓度为0.05％～3％，所述激光增益介质的两端面镀有1040nm～1070nm波段和/或1300nm～1350nm波段的增透膜，并且所述激光增益介质在900nm～950nm波段内镀有增透膜；所述控温装置调节所述激光增益介质的温度范围在-196～180℃之内；
所述激光泵浦源发出的808nm泵浦光经所述耦合系统透镜组聚焦到所述激光增益介质中并吸收所述808nm泵浦光，所述激光增益介质在所述谐振腔反射镜和所述激光输出镜构成的谐振腔作用下产生振荡，所述控温装置调节所述激光增益介质的温度，同时输出双波长或者多波长激光。
所述激光泵浦源具体为：直接输出的半导体激光器或光纤耦合输出的半导体激光器。
当所述激光泵浦源为所述光纤耦合输出的半导体激光器时，所述激光器还包括：激光传输光纤，
所述激光泵浦源发出的808nm泵浦光经过所述激光传输光纤输出，再经过所述系统透镜组聚焦到所述激光增益介质中。
所述激光增益介质具体为：Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GGG、Nd:GdVO4、Nd:LuVO4、Nd:YLF、Nd:YAP、Nd:KGW、Nd:YGG、Nd:YSGG、Nd:GSGG、Nd:GSAG或Nd:GYSGG中的任意一种，或上述任何一种掺Nd3+晶体与没有掺Nd3+晶体键合在一起的复合晶体材料或者光纤。
所述谐振腔反射镜和所述激光输出镜的基底材料具体为：
能透过900nm～1400nm激光的玻璃或晶体材料制作的镜片，或直接镀在所述激光增益介质上的介质膜。
所述谐振腔反射镜和所述激光输出镜靠近所述激光增益介质的一面具体为：平面镜、凹面镜或凸面镜中的任意一种。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
本发明提供了一种功率比例可调的双波长或多波长激光器，通过合理选择钕离子激光器的激光输出镜参数，可以实现900nm-950nm波段的激光与其他波段激光的同时输出，根据900nm～950nm激光输出随激光增益介质温度变化灵敏的原理，通过控制激光增益介质的温度，可以改变输出激光中该波段与其他波段激光的比例，实现输出激光功率组分可调，解决了多波长固体激光器中由于增益竞争无法调节各波长功率比例的问题，极大地方便了多波长激光器的应用。
附图说明
图1为本发明提供的一种功率比例可调的双波长或多波长激光器的结构示意图；
图2为本发明提供的一种功率比例可调的双波长或多波长激光器的另一结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：激光泵浦源；                    2：激光传能光纤；
3：耦合系统透镜组；                4：谐振腔反射镜；
5：激光增益介质；                  6：控温装置；
7：激光输出镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为了扩大掺Nd3+激光器的应用范围，本发明实施例提供了一种功率比例可调的双波长或多波长激光器，参见图1，详见下文描述：
一种功率比例可调的双波长或多波长激光器，包括：激光泵浦源1、耦合系统透镜组3、谐振腔反射镜4、激光增益介质5、控温装置6和激光输出镜7，
其中，激光增益介质5的Nd3+掺杂浓度为0.05％～3％；激光增益介质5的两端面镀有1040nm～1070nm波段和/或1300nm～1350nm波段的增透膜，并且激光增益介质5在900nm～950nm波段内镀有增透膜，控温装置6调节激光增益介质5的温度范围在-196～180℃之内；
激光泵浦源1发出的808nm泵浦光经过耦合系统透镜组3聚焦到激光增益介质5中并吸收808nm泵浦光，激光增益介质5在谐振腔反射镜4和激光输出镜7构成的谐振腔作用下产生振荡，控温装置6调节激光增益介质5的温度，同时输出双波长或者多波长激光。
其中，谐振腔反射镜4对激光泵浦源1发出的激光具有高透过率，对1040nm～1070nm波段和/或1300nm～1350nm波段具有高反射率，具有0.1％～80％的透过率；并且对900nm～950nm波段具有高反射率，具有0.1％～10％的透过率。
进一步地，为了满足实际应用中的多种需要，激光泵浦源1具体为：直接输出的半导体激光器或光纤耦合输出的半导体激光器。
即，当激光泵浦源1光纤耦合输出的半导体激光器时，本发明实施例还包括：激光传输光纤2，激光泵浦源1发出的808nm泵浦光经过激光传输光纤2输出，再经过系统透镜组3聚焦到激光增益介质5中。
进一步地，为了满足实际应用中的多种需要，激光增益介质5具体为：Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GGG、Nd:GdVO4、Nd:LuVO4、Nd:YLF、Nd:YAP、Nd:KGW、Nd:YGG、Nd:YSGG、Nd:GSGG、Nd:GSAG或Nd:GYSGG中的任意一种，或上述任何一种掺Nd3+晶体与没有掺Nd3+晶体键合在一起的复合晶体材料或者光纤。
进一步地，为了满足实际应用中的多种需要，谐振腔反射镜4和激光输出镜7的基底材料具体为：能透过900nm～1400nm激光的玻璃或晶体材料制作的镜片，或直接镀在激光增益介质5上的介质膜。
其中，谐振腔反射镜4和激光输出镜7靠近激光增益介质5的一面具体为：平面镜、凹面镜或凸面镜中的任意一种。
其中，具体实现时，控温装置采用现有技术中通用的装置，例如：液氮、干冰、半导体制冷/加热器，加热炉等，本发明实施例对此不做限制。
其中，具体实现时，还可以在功率比例可调的双波长或多波长激光器的基础上进行非线性光学频率变换获得其他波段的激光器，例如：倍频、和频或差频等，本发明实施例在此不再赘述。
下面以三个具体的实施例对本发明实施例提供的一种功率比例可调的双波长或多波长激光器的可行性，详见下文描述：
实施例1：
参见图1，激光泵浦源1为激光二极管阵列，激光增益介质5为Nd:GYSGG晶体，尺寸3mm×3mm×6mm，掺杂浓度为1.1％，两个端面均镀有1040nm～1070nm波段和/或1300nm～1350nm波段的增透膜，并且在900nm～950nm波段内镀有增透膜(在808nm、937nm和1060nm处透过率均大于99％)；激光二极管阵列输出的中心波长在808nm附近，最高输出功率可达30W，激光传输光纤2的纤芯直径400微米，数值孔径0.22，耦合系统透镜组3的成像比例为1∶0.8，聚焦后的光斑为320微米；控温装置6为Nd:GYSGG晶体控温，谐振腔由谐振腔反射镜4和激光输出镜7组成。
控温装置6采用半导体制冷片对Nd:GYSGG晶体控温，制冷功率12W，其冷面直接与包裹Nd:GYSGG晶体的热沉接触，热面产生的热量由循环水带走。控温装置6的温度控制精度为±0.1℃，可以实现3℃～40℃的温度控制。
谐振腔反射镜4为平面镜，基质材料为K9玻璃，靠近激光二极管阵列一面镀有808nm增透膜(透过率大于98.5％)，靠近谐振腔一面镀有808nm增透膜(透过率大于98％)和900nm～1100nm的高反膜(反射率大于99.8％)。
激光输出镜7靠近Nd:GYSGG晶体一面为凹面镜，曲率半径50mm，凹面镀1060nm部分透过(透过率45％)和937nm部分透过(透过率0.25％)的介质膜，平面镀900nm～1100nm的增透膜(透过率大于99.8％)。
激光二极管阵列发出的808nm泵浦光经激光传输光纤2输出，再经过系统透镜组3聚焦到Nd:GYSGG晶体中并被晶体吸收，Nd:GYSGG晶体中的激活离子在808nm泵浦光的作用下由低能级跃迁到高能级，产生的反转粒子再通过受激辐射跃迁到激光波段的下能级，可以实现937nm和1060nm两个波段激光的输出。通过控温装置6调节Nd:GYSGG晶体的工作温度，将影响激光上能级向准三能级937nm激光下能级的跃迁，从而影响该波长的输出功率。937nm和1060nm波段的激光上能级相同，由于它们之间存在增益竞争的关系，937nm激光功率的增加或减少将导致1060nm激光的减少或增加，从而实现了双波长激光器中这两个波段激光功率的比例调节。在注入Nd:GYSGG晶体的泵浦功率为3.14W时，
1)控制Nd:GYSGG晶体的温度为2℃，双波长激光输出总功率为220mW，937nm激光的输出功率为193mW，1060nm激光的输出功率为27mW，937nm激光的输出功率比例为87.6％；
2)控制Nd:GYSGG晶体的温度为11℃，双波长激光输出总功率为182mW，937nm激光的输出功率为95mW，1060nm激光的输出功率为87mW，937nm激光的输出功率比例变为52.2％；
3)控制Nd:GYSGG晶体的温度为25℃，双波长激光输出总功率为150mW，937nm激光的输出功率为0mW，1060nm激光的输出功率为385mW，937nm激光的输出功率比例变为0％。
实施例2
参见图2，激光泵浦源1为激光二极管，耦合系统透镜组3为非球面镜，激光增益介质5为Nd:YAG晶体，尺寸3mm×3mm×6mm，掺杂浓度为1.1％，两个端面均镀有1040nm～1070nm波段和/或1300nm～1350nm波段的增透膜，并且在900nm～950nm波段内镀有增透膜(在808nm、946nm和1064nm处透过率均大于99％)，控温装置6为Nd:YAG晶体控温；谐振腔由谐振腔反射镜4(镀在Nd:YAG晶体一端的介质膜)和激光输出镜7组成；激光二极管输出的中心波长在808nm附近，最高输出功率可达5W，非球面镜的成像比例为1∶1，聚焦后的光斑为130微米。
控温装置6采用半导体制冷片对激光增益介质控温，制冷功率12W，其冷面直接与包裹Nd:YAG晶体的热沉接触，热面产生的热量由循环水带走。控温装置6的温度控制精度为±0.1℃，可以实现3℃～40℃的温度控制。
谐振腔反射镜4对808nm增透(透过率大于98.5％)，对900nm～1100nm的高反(反射率大于99.8％)。
激光输出镜7靠近Nd:YAG晶体一面为凹面镜，基质材料为K9玻璃，腔内一面为凹面，曲率半径50mm，凹面镀1064nm部分透过(透过率45％)和946nm部分透过(透过率0.28％)的介质膜，平面镀900nm～1100nm的增透膜(透过率大于99.5％)。
由激光二极管发出的808nm泵浦光经非球面镜直接聚焦后入射到Nd:YAG晶体中并被晶体吸收，Nd:YAG晶体中的激活离子在808nm泵浦光的作用下由低能级跃迁到高能级，产生的反转粒子再通过受激辐射跃迁到激光波段的下能级，可以实现946nm和1064nm两个波段激光的输出。通过控温装置6调节Nd:YAG晶体的工作温度，将影响激光上能级向准三能级946nm激光下能级的跃迁，从而影响该波长的输出功率。946nm和1064nm波段的激光上能级相同，由于它们之间存在增益竞争的关系，946nm激光功率的增加或减少将导致1064nm激光的减少或增加，从而实现了双波长激光器中这两个波段激光功率的比例调节。在注入Nd:YAG晶体的泵浦功率为3W时，
1)控制Nd:YAG晶体的温度为3℃，双波长激光输出总功率为480mW，946nm激光的输出功率为320mW，1064nm激光的输出功率为160mW，946nm激光的功率比例为66.67％；
2)控制Nd:YAG晶体的温度为18℃，双波长激光输出总功率为460mW，946nm激光的输出功率为240mW，1064nm激光的输出功率为220mW，946nm激光的功率比例变为52.2％。
实施例3
参见图2，激光泵浦源1为激光二极管，耦合系统透镜组3为非球面镜，激光增益介质5为Nd:YAG晶体，尺寸3mm×3mm×6mm，掺杂浓度为1.1％，两个端面均镀有1040nm～1070nm波段和/或1300nm～1350nm波段的增透膜，并且在900nm～950nm波段内镀有增透膜(在808nm、946nm、1064nm和1319nm处透过率均大于99％)，控温装置6为Nd:YAG晶体控温；谐振腔由谐振腔反射镜4(镀在Nd:YAG晶体一端的介质膜)和激光输出镜7组成；激光二极管输出的中心波长在808nm附近，最高输出功率可达5W，非球面镜的成像比例为1∶1，聚焦后的光斑为130微米。
控温装置6采用半导体制冷片对激光增益介质控温，制冷功率12W，其冷面直接与包裹Nd:YAG晶体的热沉接触，热面产生的热量由循环水带走。控温装置6的温度控制精度为±0.1℃，可以实现3℃～40℃的温度控制。
谐振腔反射镜4对808nm增透(透过率大于98.5％)，对946nm、1064nm和1319nm高反(反射率大于99.8％)。
激光输出镜7靠近Nd:YAG晶体一面为凹面镜，基质材料为K9玻璃，腔内一面为凹面，曲率半径50mm，凹面镀1319nm部分透过(透过率5％)，1064nm部分透过(透过率45％)和946nm部分透过(透过率0.5％)的介质膜，平面镀900nm～1350nm的增透膜(透过率大于99.5％)。
由激光二极管发出的808nm泵浦光经非球面镜直接聚焦后入射到Nd:YAG晶体中并被晶体吸收，Nd:YAG晶体中的激活离子在808nm泵浦光的作用下由低能级跃迁到高能级，产生的反转粒子再通过受激辐射跃迁到激光波段的下能级，可以实现946nm、1064nm和1319nm三个波段激光的输出。通过控温装置6调节Nd:YAG晶体的工作温度，将影响激光上能级向准三能级946nm激光下能级的跃迁，从而影响该波长的输出功率。三个波段的激光上能级相同，由于它们之间存在增益竞争的关系，946nm激光功率的增加或减少将导致1064nm激光和1319nm激光的减少或增加，从而实现了多波长激光器中这几个波段激光功率的比例调节。在注入Nd:YAG晶体的泵浦功率为4W时，
1)控制Nd:YAG晶体的温度为0℃，双波长激光输出总功率为600mW，946nm激光的输出功率为380mW，1064nm激光的输出功率为120mW，1319nm激光的功率为100mW，其中946nm激光的功率比例为63.3％；
2)控制Nd:YAG晶体的温度为20℃，双波长激光输出总功率为530mW，946nm激光的输出功率为180mW，1064nm激光的输出功率为220mW，1319nm激光的输出功率为130mW，946nm激光的功率比例变为34％。
综上所述，本发明实施例提供了一种功率比例可调的双波长或多波长激光器，通过合理选择钕离子激光器的激光输出镜参数，可以实现900nm-950nm波段的激光与其他波段激光的同时输出，根据900nm～950nm激光输出随激光增益介质温度变化灵敏的原理，通过控制激光增益介质的温度，可以改变输出激光中该波段与其他波段激光的比例，实现输出激光功率组分可调，解决了多波长固体激光器中由于增益竞争无法调节各波长功率比例的问题，极大地方便了多波长激光器的应用。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种功率比例可调的双波长或多波长激光器，其特征在于，所述激光器包括：激光泵浦源、耦合系统透镜组、谐振腔反射镜、激光增益介质、控温装置和激光输出镜，
所述激光增益介质的Nd3+掺杂浓度为0.05％～3％，所述激光增益介质的两端面镀有1040nm～1070nm波段和/或1300nm～1350nm波段的增透膜，并且所述激光增益介质在900nm～950nm波段内镀有增透膜；所述控温装置调节所述激光增益介质的温度范围在-196～180℃之内；
所述激光泵浦源发出的808nm泵浦光经所述耦合系统透镜组聚焦到所述激光增益介质中并吸收所述808nm泵浦光，所述激光增益介质在所述谐振腔反射镜和所述激光输出镜构成的谐振腔作用下产生振荡，所述控温装置调节所述激光增益介质的温度，同时输出双波长或者多波长激光。
2.根据权利1所述的一种功率比例可调的双波长或多波长激光器，其特征在于，所述激光泵浦源具体为：直接输出的半导体激光器或光纤耦合输出的半导体激光器。
3.根据权利2所述的一种功率比例可调的双波长或多波长激光器，其特征在于，当所述激光泵浦源为所述光纤耦合输出的半导体激光器时，所述激光器还包括：激光传输光纤，
所述激光泵浦源发出的808nm泵浦光经过所述激光传输光纤输出，再经过所述系统透镜组聚焦到所述激光增益介质中。
4.根据权利1或3所述的一种功率比例可调的双波长或多波长激光器，其特征在于，所述激光增益介质具体为：Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GGG、Nd:GdVO4、Nd:LuVO4、Nd:YLF、Nd:YAP、Nd:KGW、Nd:YGG、Nd:YSGG、Nd:GSGG、Nd:GSAG或Nd:GYSGG中的任意一种，或上述任何一种掺Nd3+晶体与没有掺Nd3+晶体键合在一起的复合晶体材料或者光纤。
5.根据权利1所述的一种功率比例可调的双波长或多波长激光器，其特征在于，所述谐振腔反射镜和所述激光输出镜的基底材料具体为：
能透过900nm～1400nm激光的玻璃或晶体材料制作的镜片，或直接镀在所述激光增益介质上的介质膜。
6.根据权利5所述的一种功率比例可调的双波长或多波长激光器，其特征在于，所述谐振腔反射镜和所述激光输出镜靠近所述激光增益介质的一面具体为：平面镜、凹面镜或凸面镜中的任意一种。
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