CN102882112A

CN102882112A - 一种提高输出光束质量的偏振式的调q激光器

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Publication number: CN102882112A
Application number: CN2012103879596A
Authority: CN
Inventors: 李强; 苏艳丽; 罗旭; 雷訇; 惠勇凌; 姜梦华
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-10-14
Filing date: 2012-10-14
Publication date: 2013-01-16

Abstract

本发明涉及一种提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，属于激光技术领域。该激光器包括泵浦源、激光增益介质、具有各向吸收异性和动态光阑特性的可饱和吸收体、腔镜。通过采用偏振光泵浦，利用可饱和吸收体的各向吸收异性和动态光阑特性实现调Q激光器的偏振输出，并提高输出光束质量。本发明具有简单有效、易于调节、工作稳定可靠、实用性强、适用范围广的优势，解决了传统调Q激光器输出偏振方向不稳定，输出光束质量不高的问题。

Description

一种提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体为一种提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器。

背景技术

脉冲激光在工业加工、激光雷达、远程传感、非线性频率变换等领域发挥着重要的作用。目前，被动调Q技术是比较常用的产生短脉宽、高重复频率、高峰值功率激光脉冲输出的方法之一。但在很多工业及军事应用中，还要求激光输出光束具有稳定的线偏振特性和较高的光束质量，尤其是在非线性频率变换和用于激光功率放大的脉冲种子源中。

被动调Q激光器区别于主动调Q激光器，只需在腔内插入可饱和吸收体，无需外部驱动源控制，具有体积小、结构简单、制作成本低等优点，但采用被动调Q技术的脉冲激光器在工业及军事应用中通常存在以下问题：被动调Q激光器中由于可饱和吸收体的各向异性吸收特性，导致两个正交偏振的脉冲信号随机输出，不利于激光器稳定工作，而且当这种激光器用于MOPA功率放大时，对其输出光束质量提出了较高要求，极大限制了被动调Q激光器的广泛应用(Y. Wang, M. Gong, P.Yan, et al. Stable polarization short pulse passively Q-switched monolithic microchip laser with [110] cut Cr⁴⁺:YAG[J]. Laser Phys. Lett, 2009, 6 (11),788–790；R. Bhandari and T. Taira, “Megawatt level UV output from [110] Cr4+:YAG passively Q-switched microchiplaser,” Opt. Express19(23), 22510–22514 (2011)；刘朗，秘国江，黄茂全，MOPA激光系统中LD 抽运的单纵模主振荡器[J].中国激光，2004,31(5):527~530)。

根据发明人的技术调研，针对被动调Q激光器存在的问题，已有专利报道利用可饱和吸收体的各向吸收异性得到被动调Q激光器的线偏振脉冲输出，利用可饱和吸收体的动态光阑特性得到被动调Q激光器的高光束质量输出，但欲满足其线偏振脉冲输出要求，对可饱和吸收体的切割方向有明确要求，需采用[110]方向切割的Cr⁴⁺:YAG（中国专利，公开号：CN 101034786A，可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器）。关于通过改变可饱和吸收体的切割方向从而实现稳定偏振的调Q脉冲激光输出的作用已有文献资料报道（H. Sakai, A. Sone, H. Kan, and T. Taira, in: Technical Digest of the 20th Anniversary Meeting Advanced Solid-State Photonics, Incline Village, NV, USA, January 29–February 1,2006 (ASSP 2006), paper MD2.；Y. Wang, M. Gong, P.Yan, et al. Stable polarization short pulse passivelyQ-switched monolithic microchip laser with [110] cutCr⁴⁺:YAG[J]. Laser Phys. Lett, 2009, 6 (11),788–790；R. Bhandari and T. Taira, “Megawatt level UV outputfrom [110] Cr4+:YAG passively Q-switched microchip laser,” Opt. Express19(23), 22510–22514 (2011).）；关于可饱和吸收体的动态光阑特性对提高输出光束质量的作用已有文献资料报道，详见以下资料：郑权，陈颖新，赵岭，钱龙生，可饱和吸收体Cr:YAG 做被动调Q 元件时的选模作用[J].光子学报，2002,31(5),550~552；蓝信钜，激光技术，科学出版社，第二版，2005,125页；此外，采用变反射率镜作为输出耦合镜也具有提高输出光束质量的作用(克希耐尔著，孙文，江泽文等译，固体激光工程，科学出版社，2002,243页)。以上均不涉及利用偏振光泵浦，同时利用可饱和吸收体的动态光阑特性，获得被动调Q激光器的稳定线偏振和高光束质量输出的内容。

本发明采用偏振光泵浦，同时利用可饱和吸收体的动态光阑特性，获得被动调Q激光器的稳定线偏振和高光束质量输出，具有低成本、简单有效、适用范围广、实用性强的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，该激光器具有结构紧凑、简单有效、工作稳定可靠、适用范围广、实用性强的优点。

本发明特征在于，至少包含：泵浦源、激光增益介质、具有各向吸收异性和动态光阑特性的可饱和吸收体、腔镜，所述泵浦源为半导体激光器，所发出的泵浦光为线偏振光，可直接或通过耦合透镜后入射到激光增益介质中，泵浦源的发射谱与激光增益介质的吸收谱匹配；激光增益介质产生激光输出；所述可饱和吸收体的吸收沿径向改变；所述激光增益介质和可饱和吸收体为两块分立的晶体，或者通过工艺结合成一种复合晶体，其结合工艺采用扩散键合、液相外延、气相外延、金属有机气相沉积四种工艺之一，或在激光增益介质中同时掺入激光增益离子和可饱和吸收离子，构成自饱和吸收的激光介质；所述腔镜至少包括一个后腔镜和一个耦合输出镜；后腔镜为镀有对泵浦源发射波长增透并对激光增益介质发射的激光波长高反的光学膜，其高反膜的反射率大于99%；耦合输出镜镀有对激光波长部分透过的光学膜。

所述可饱和吸收体为其可饱和吸收离子的掺杂浓度沿径向改变的可饱和吸收体，其中心掺杂浓度低、边缘掺杂浓度高，或者为通光面加工成凹面或凸面的可饱和吸收体，增强可饱和吸收体的动态光阑特性，从而提高输出光束质量。

所述后腔镜以光学介质膜的形式镀在激光增益介质面向泵浦源的端面上，对泵浦光增透，对激光波长高反射，其高反膜的反射率大于99%，该激光增益介质面向输出的通光面上镀有对激光波长增透的光学膜。

所述耦合输出镜为一种镀在可饱和吸收体通光面上的反射率沿径向变化的光学薄膜，其中心反射率高、边缘反射率低，或者为分立的耦合输出镜。

所述激光器采用包括直腔、折叠腔、环形腔在内的各种腔型结构。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：本发明提出的通过采用偏振光泵浦，同时利用可饱和吸收体的动态光阑特性，从而用于提高输出偏振特性与输出光束质量的调Q激光器，具有简单有效、实用性强、适用范围广、工作稳定可靠的优势，解决了传统工业及军事应用中存在的输出偏振方向不稳定、输出光束质量不高的问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器第一个实施例的结构示意图。

图2为本发明提供的一种提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器第二个实施例的结构示意图。

图3为本发明提供的一种提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器第三个实施例的结构示意图。

图1~图3中，1—半导体激光器，2—耦合透镜，3—以光学介质膜形式镀在增益介质上的后腔镜，4—激光增益介质，5—可饱和吸收元素掺杂浓度沿径向改变的可饱和吸收体，6—以变反射率膜形式镀在可饱和吸收体上的耦合输出镜，7—通光面加工成凹面的可饱和吸收体，8—耦合输出镜。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明作进一步说明：

图1为本发明提供的一种提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器的第一个实施例。本发明的思想可以应用于各种腔型的激光器，如直腔、折叠腔；激光增益介质和可饱和吸收体为两块分立的晶体，或者通过工艺结合成一种复合晶体，其结合工艺采用扩散键合、液相外延、气相外延、金属有机气相沉积四种工艺之一，或在激光增益介质中同时掺入激光增益离子和可饱和吸收离子，构成自饱和吸收的激光介质。这里选用直腔、增益介质和可饱和吸收体扩散键合为一体的复合晶体作为本发明的一个方便说明的实施例。

第一个实施例中采用半导体激光器1作为泵浦源，所发射的泵浦光为线偏振光，通过耦合透镜2聚焦后入射到激光增益介质4中。半导体激光器1的发射谱与激光增益介质4的吸收谱匹配。后腔镜3对泵浦光增透，对激光高反，其高反膜的反射率大于99%。在该实施例中后腔镜3以光学介质膜的形式镀在增益介质4面向泵浦的端面上。激光增益介质4为可以产生激光输出的、且可饱和吸收体5对其发射波长具有可饱和吸收特性的固态激光工作物质，如Nd:YAG、Nd:YVO₄、Nd:glass等。激光增益介质4面向输出的通光面上镀对激光波长增透的光学膜。耦合输出镜6以变反射率膜形式镀在可饱和吸收体5上。

可饱和吸收体被广泛应用在被动调Q激光器中，其吸收电偶极子具有确定的方向，这种效应通常使激光器输出线偏振光。在第一个实施例中，利用了可饱和吸收体的各向异性特性，采用偏振光泵浦，通过控制泵浦光的偏振特性使沿可饱和吸收体中吸收电偶极子的方向优先吸收泵浦光，增强了各向异性吸收损耗，从而使激光器输出稳定的线偏振光，由此提高了输出脉冲的偏振稳定度；同时，可饱和吸收体5中可饱和吸收元素的掺杂浓度沿径向变化，同时其面向输出的通光面上镀变反射率膜作为耦合输出镜6，其中可饱和吸收元素的掺杂浓度为中心掺杂高，边缘掺杂低，本身具有动态光阑特性。变反射率膜为一种径向反射率可变的光学介质膜，中心反射率高，边缘低。振荡光束在中心轴线附近具有最高强度，优先漂白可饱和吸收体5轴线中心及附近位置，而对离轴线较远的位置，由于高阶横模的模式半径一般比基横模大，从而高阶横模的往返损耗比基横模大，不易漂白，因而高阶横模不易起振，从而提高输出光束质量。

图2为本发明提供的一种提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器的第二个实施例，其特征是，可饱和吸收体5中可饱和吸收元素的掺杂浓度沿径向变化，激光增益介质4和可饱和吸收体5结合成一种复合晶体，输出镜采用分立的耦合输出镜8，其实施原理与本发明的第一个实施例基本相同。

图3为本发明提供的一种提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器的第三个实施例，其特征是，可饱和吸收体7面向输出的端面加工成凹面，并且激光增益介质4和可饱和吸收体7结合成一种复合晶体，输出镜为分立的耦合输出镜8，其实施原理与本发明的第一个实施例基本相同。

Claims

1.一种提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，其特征在于，至少包含：泵浦源、激光增益介质、具有各向吸收异性和动态光阑特性的可饱和吸收体、腔镜，所述泵浦源为半导体激光器，所发出的泵浦光为线偏振光，直接或通过耦合透镜后入射到激光增益介质中，泵浦源的发射谱与激光增益介质的吸收谱匹配；激光增益介质产生激光输出；所述可饱和吸收体的吸收沿径向改变；所述激光增益介质和可饱和吸收体为两块分立的晶体，或者通过工艺结合成一种复合晶体，其结合工艺采用扩散键合、液相外延、气相外延、金属有机气相沉积四种工艺之一，或在激光增益介质中同时掺入激光增益离子和可饱和吸收离子，构成自饱和吸收的激光介质；所述腔镜至少包括一个后腔镜和一个耦合输出镜；后腔镜为镀有对泵浦源发射波长增透并对激光增益介质发射的激光波长高反的光学膜，其高反膜的反射率大于99%；耦合输出镜镀有对激光波长部分透过的光学膜。

2.根据权利要求1所述的一种提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，其特征在于，所述可饱和吸收体为其可饱和吸收离子的掺杂浓度沿径向改变的可饱和吸收体，其中心掺杂浓度低、边缘掺杂浓度高，或者为通光面加工成凹面的可饱和吸收体。

3.根据权利要求1所述的一种提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，其特征在于，所述耦合输出镜为一种镀在可饱和吸收体通光面上的反射率沿径向变化的光学薄膜，其中心反射率高、边缘反射率低，或者为分立的耦合输出镜。

4.根据权利要求1所述的一种提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，其特征在于，所述激光器为直腔、折叠腔或环形腔。