CN102790346A - 一种ld泵浦高功率铥激光模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种LD泵浦高功率铥激光模块,包括安装在不锈钢支撑结构中的激光晶体棒、石英套管、LD阵列、导光结构和晶体端部加热套筒；激光晶体棒是Tm:YAG键合晶体棒；激光晶体棒两端的无掺杂部分长度≮35mm，掺杂部分长度为60mm，激光晶体棒两端的无掺杂部分密封定位安装在晶体安装孔内；导光结构铜基体内部设置有冷却LD阵列的水路；支撑结构内还有冷却Tm:YAG键合晶体棒的低温冷却水路。应用此激光模块可方便实现LD泵浦源和铥激光晶体的高低温冷却，在提高激光效率的基础上避免了因光学器件端面低温而产生水汽凝结造成器件损坏，同时减小了热透镜效应，保证长时间可靠运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种LD泵浦高功率铥激光模块，具体为一种用于组装高功率Tm:YAG激光器的LD泵浦高功率铥激光模块，属激光器件技术领域。
背景技术
掺铥钇铝石榴石激光器（Tm:YAG固体激光器）是一种很重要的激光光源，其发射2.01μm波长的中红外激光处于水蒸汽分子、二氧化碳分子及液态水的强吸收带，并可通过石英光纤传导，实现几百瓦的高功率激光发射，在遥感及医疗领域（特别是微创手术）具有十分广阔的应用前景。但由于Tm:YAG激光晶体温度对激光效率产生很大的影响，随着晶体温度的升高激光效率快速下降，因此良好的的冷却条件是确保Tm:YAG激光器实现高效、大功率激光输出的重要内容。但是，当激光晶体被冷却至较低温度时（特别在激光震荡间隙），激光晶体端面容易产生水汽凝结，这些凝结的水汽可强力吸收激光晶体所发射的2.01μm波长激光，从而导致激光晶体光学端面突然损坏现象经常发生。公知的防护因凝结水汽导致损坏的措施是密封或充氮气隔绝法隔绝水汽，如中国实用新型专利《一种高功率2μm波长医用铥激光器》（申请号：200720096813.0）公开的铥激光器，是将整个激光光路置于充有氮气的干燥箱内，其不足之处是要求很高的密封条件且时间稍长便容易失效，造成激光器损坏；中国发明专利《大功率铥激光器》（申请号：200710093817.8）是通过LD侧面泵浦Tm:YAG实现2.01μm波长激光输出，即存在水汽凝结现象，限制了激光效率提升。
综上所述，现有铥激光器及上述两个专利所公开的高功率Tm:YAG激光器，不足之处是：其核心器件之激光模块不能防止LD阵列发光面和Tm:YAG激光晶体光学面的水汽凝结，使激光器可靠性降低；特别的，激光器不能在较低温度下工作，大大降低了激光效率。
发明内容
本发明目的就是针对背景技术所述问题，公开一种LD泵浦高功率Tm:YAG固体激光模块。应用此激光模块可以方便组装出高功率Tm:YAG固体激光器，或通过变频及光参量振荡等技术实现向3～5μm波段扩展的激光器，且由于激光模块可方便实现LD泵浦源和铥激光晶体的高低温冷却，在提高激光效率的基础上避免了因光学器件端面低温而产生水汽凝结造成器件损坏，同时减小了热透镜效应，保证激光器长时间可靠运行。
本发明技术方案是：一种LD泵浦高功率铥激光模块，包括不锈钢支撑结构和安装在不锈钢支撑结构中的激光晶体棒、石英套管、LD阵列、导光结构和晶体端部加热套筒；激光晶体棒是Tm:YAG键合晶体棒；导光结构为铜基体材料，导光结构表面抛光并镀金反射膜，所述激光晶体棒两端是无掺杂部分、中间是掺杂部分；其特征在于：所述激光晶体棒两端的无掺杂部分长度≮35mm，掺杂部分长度为60mm，激光晶体棒两端的无掺杂部分穿过不锈钢支撑结构的晶体安装孔，并通过密封件定位安装在晶体安装孔内；所述石英套管两端通过密封圈与支撑结构的套管连接孔压紧密封；所述加热套筒有二个，分别嵌入支撑结构两端，加热套筒内是激光晶体棒的无掺杂部分端部，加热套筒内径大于激光晶体棒端部外径，且与激光晶体棒无接触，加热套筒上还有温度检测装置；所述导光结构上开有耦合泵浦光的楔形导光狭缝，所述LD阵列是嵌在所述导光结构中的镓铝砷半导体激光阵列，导光结构铜基体的内部设置有冷却LD阵列的水路；不锈钢支撑结构内还有冷却Tm:YAG键合晶体棒的低温冷却水路。
如上所述的LD泵浦高功率铥激光模块，其特征在于：所述石英套管外表面镀银反射膜并围绕中心成120度均匀分布未镀膜通光狭缝。
本发明LD泵浦高功率铥激光模块的工作原理是：LD阵列在精确控温下发射处于Tm:YAG 吸收峰的785nm波长或781nm波长或两种波长组合的激光，激光束通过楔形导光狭缝后耦合入石英套管，辐射到激光晶体上。由于楔形狭缝的导光作用，激光耦合入冷却套管后发散角变大，部分泵浦光在套管内多次耦合，增强了泵浦的均匀性。导光狭缝内的空气和狭缝壁面充分接触，不受狭缝端部石英套管低温的影响，避免了LD激光发射间隙LD光学发射面出现水汽凝结而造成损坏，使激光运转可靠；激光晶体棒采用Tm:YAG键合晶体棒，被泵浦部分为掺杂晶体，两端安装及表面加热部分为非掺杂晶体，避免了Tm:YAG激光因准三能级运转而具有较高浓度的激光下能级粒子对震荡激光的吸收，可显著提高激光效率；激光晶体两端部分设置加热套管，在激光运行期间或运行间隙，中部掺杂部分被低温冷却的激光晶体两端部分被从表面加热，使激光晶体端面温度略高于环境温度，解决了因低温冷却激光晶体棒掺杂部分而使其光学端面水汽凝结的问题，避免表面膜层的突然损坏，同时激光运行过程中晶体掺杂部分和两端被加热部分热梯度相反，在一定程度上减小了铥激光的强热透镜效应，使激光模式得到优化。以此模块组装的铥激光器，可实现可靠、高效运转。
本发明LD泵浦高功率铥激光模块的有益效果是：
①两路独立的冷却回路，分别进行铥激光模块的Tm:YAG键合晶体棒低温冷却与LD阵列的常温冷却，大大提高了激光效率；
②由于楔形狭缝的导光作用，激光耦合入冷却套管后发散角变大，部分泵浦光在套管内多次耦合，增强了泵浦的均匀性；
③导光狭缝内的空气和狭缝壁面充分接触，不受狭缝端部石英套管低温的影响，避免了LD激光发射间隙，LD光学发射面出现水汽凝结而造成损坏，使激光器运转可靠；
④激光晶体棒采用Tm:YAG键合晶体棒，被泵浦部分为掺杂晶体，两端安装及表面加热部分为非掺杂晶体，避免了Tm:YAG激光因准三能级运转而具有较高浓度的激光下能级粒子对震荡激光的吸收，可显著提高激光效率；
⑤激光晶体两端部分设置加热套管，在激光运行期间或运行间隙，中部掺杂部分被低温冷却的激光晶体两端部分被从表面加热，使激光晶体端面温度略高于环境温度，解决了因低温冷却激光晶体棒掺杂部分而使其光学端面水汽凝结的问题，避免表面膜层的突然损坏；
⑥激光运行过程中晶体掺杂部分和两端被加热部分热梯度相反，在一定程度上缓解了铥激光的强热透镜效应；
本发明所公开的技术方案可确保LD泵浦高功率Tm:YAG固体激光模块在较低温条件下长时间、可靠运转。
附图说明
图1是本发明LD泵浦高功率铥激光模块结构示意图；
图2是本发明LD泵浦高功率铥激光模块泵浦耦合截面示意图。
图中标记：1—激光晶体棒，2—石英套管，31、32、33—LD阵列（三组），41、41、43—导光结构（三组），5—支撑结构，6—晶体端部加热套筒（二个）。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：
如图1～2所示，本发明LD泵浦高功率铥激光模块包括激光晶体棒1，石英套管2，三组LD阵列31、32和33，三组导光结构41、42和43，支撑结构5，晶体端部加热套筒6。石英套管2两端通过密封圈和支撑结构的套管连接孔压紧密封，石英套管2外表面镀银反射膜，围绕轴向中心线成120度均匀分布的1mm宽通光缝。激光晶体棒1采用直径5mm的Tm:YAG键合晶体棒，被泵浦部分为掺杂晶体，两端安装及表面加热部分为非掺杂晶体，掺杂部分长60mm，每一端未掺杂部分长35mm，激光晶体棒1的两端由支撑结构5的晶体安装孔支撑并密封。键合晶体避免了Tm:YAG激光因准三能级运转而具有较高浓度的激光下能级粒子对震荡激光的吸收，可显著提高激光效率，激光晶体棒1两端部分设置加热套管6，在激光器运行期间或运行间隙，低温冷却的激光晶体棒1两端部分被从表面加热，使激光晶体棒1端部温度略高于环境温度，避免了因低温冷却造成激光晶体棒1端面水汽凝结而引起膜层损坏。激光运行过程中激光晶体棒1的掺杂部分和两端被加热部分热梯度相反，在一定程度上缓解了铥激光的强热透镜效应，使激光模式得到优化。以此模块组装的铥激光器，可实现可靠、高效运转。
LD阵列（31、32、33）采用三组共720W的镓铝砷（GaAlAs）半导体激光阵列，LD阵列在精确控温下发射处于Tm:YAG 吸收峰的785nm波长或781nm波长或两种波长组合的激光，激光束通过楔形导光狭缝后耦合入石英套管，辐射到激光晶体上。LD阵列嵌在导光结构（41、42、43）上，导光结构由铜基体制作出1mm宽的楔形导光狭缝，表面抛光镀金反射膜，导光结构内设置冷却水路。泵浦光束耦合通过导光结构的楔形狭缝耦合入冷却套管，辐射到激光晶体棒1上，由于楔形导光作用，泵浦光耦合入石英套管2后发散角度变大，部分光在石英套管2内多次反射耦合，增强了泵浦均匀性。导光狭缝内的空气和狭缝壁面充分接触，不受狭缝端部石英套管2低温的影响，避免了LD激光发射间隙LD光学发射面出现水汽凝结而造成损坏，使激光运转可靠；不锈钢支撑结构5内设置两路冷却水路使激光晶体棒1的冷却和LD阵列冷却分开，实现LD泵浦源和激光晶体棒1的高低温冷却。依此发明模块组装激光器，采用平平谐振腔结构，输出镜透过率为10%，在泵浦功率为700W时，得到150W稳定的2.01μm铥激光输出。
Claims (2)
1.一种LD泵浦高功率铥激光模块，包括不锈钢支撑结构和安装在不锈钢支撑结构中的激光晶体棒、石英套管、LD阵列、导光结构和晶体端部加热套筒；激光晶体棒是Tm:YAG键合晶体棒；导光结构为铜基体材料，导光结构表面抛光并镀金反射膜，所述激光晶体棒两端是无掺杂部分、中间是掺杂部分；其特征在于：所述激光晶体棒两端的无掺杂部分长度≮35mm，掺杂部分长度为60mm,激光晶体棒两端的无掺杂部分穿过不锈钢支撑结构的晶体安装孔，并通过密封件定位安装在晶体安装孔内；所述石英套管两端通过密封圈与支撑结构的套管连接孔压紧密封；所述加热套筒有二个，分别嵌入支撑结构两端，加热套筒内是激光晶体棒的无掺杂部分端部，加热套筒内径大于激光晶体棒端部外径，且与激光晶体棒无接触，加热套筒上还有温度检测装置；所述导光结构上开有耦合泵浦光的楔形导光狭缝，所述LD阵列是嵌在所述导光结构中的镓铝砷半导体激光阵列，导光结构铜基体的内部设置有冷却LD阵列的水路；不锈钢支撑结构内还有冷却Tm:YAG键合晶体棒的低温冷却水路。
2.如权利要求1所述的一种LD泵浦高功率铥激光模块，其特征在于：所述石英套管外表面镀银反射膜并围绕中心成120度均匀分布未镀膜通光狭缝。
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