CN103050870A

CN103050870A - 可光纤输出的新型微片激光器

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Publication number: CN103050870A
Application number: CN2012103950651A
Authority: CN
Inventors: 王璞; 金东臣
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2032-10-17
Also published as: CN103050870B

Abstract

本发明公开了一种可光纤输出的新型微片激光器,属于激光技术与非线性光学领域。本发明主要包括激光二极管泵浦源、光纤输出系统、光学准直系统、激光增益介质以及光学元件。泵浦光通过光纤输出系统后进入光学准直系统准直，聚焦到增益介质上，增益介质前后放有镀膜的光学元件，增益介质和前后放有镀膜的光学元件形成三明治结构的激光谐振腔，激光谐振腔产生的激光沿泵浦光入射方向返回，再次通过光学准直系统，经由光纤输出系统输出。本发明的特点在于三明治微片结构使用光纤泵浦同时光纤输出，无需额外的输出装置，可纤芯泵浦或包层泵浦，大大提高系统的灵活性，同时这种结构还可以用于半导体可饱和吸收镜、单壁碳纳米管或石墨烯等材料进行脉冲调制，实现稳定脉冲输出。

Description

可光纤输出的新型微片激光器

技术领域

本发明公开了一种可光纤输出的新型微片激光器,属于激光技术与非线性光学领域。

背景技术

微片激光器（microchip laser）的概念最初是由美国林肯国家实验室的J.J.Zayhowski和Mooradian在1989年提出的。微片激光器是指谐振腔的长度在mm量级的具有微型腔结构的端面泵浦激光器件。典型的微片激光器是将介质膜直接镀在增益介质的两通光面上，从而形成微型谐振腔。由于增益介质大都在1mm以下，所以容易获得单频激光输出。这种激光器的特点是体积小，结构紧凑，运行稳定。这种激光器可以在连续或脉冲状况下运转，既可以利用主动调Q或被动调Q机制来获得脉冲输出,也可以利用增益开光机制来获得增益开关脉冲输出。然而，问题是微片激光器一般光束质量较差，在空间传输一定距离后，光束发散较严重，影响实际操作与应用，难以实现远距离作业，同时空间传输的光束不易实现任意方向的转换，需要依靠复杂的光学元件。

对于可光纤输出的激光器，能轻易胜任各种多维任意空间的加工应用，使得机械系统的设计变得非常简单、灵活。光纤由纤芯、包层和涂覆层组成，具有较高柔韧性，可以进行弯曲，对灰尘、震荡、冲击、温度、湿度具有很高的容忍度，可以胜任恶劣的工作环境。光纤泵浦、光纤传输还具有损耗低的优点，可以适用于长距离传输，保证光束质量的同时减小传输损耗，明显优于普通空间输出。

发明内容

本发明的目的是利用微片激光器设计与光纤结构相结合，既可以利用微片激光器高功率领域的优势，也可以利用光纤输出的优良特性，满足高功率作业的同时，减少传输损耗，实现远距离作业，同时便于多维任意空间的加工应用。本发明实现全固化微片激光器的光纤泵浦和光纤输出，无需其他输出装置，可利用超短腔设计实现稳定单频输出，也可用半导体可饱和吸收镜、单壁碳纳米管或石墨烯等调制元件进行脉冲调制，实现稳定脉冲输出。同时根据不同晶体、不同泵浦波长以及泵浦光斑的需要，可提供纤芯泵浦和包层泵浦。其中，纤芯泵浦需结合波分复用光纤耦合器使用；包层泵浦需结合光纤合束器使用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

主要包括：激光二极管泵浦源、光纤输出系统、光学准直系统、激光增益介质和光学元件，其中光纤输出系统可以是一个隔离器加两个波分复用光纤耦合器，也可以是一个泵浦保护器加一个光纤合束器；隔离器和泵浦保护器是为了防止反馈光对泵浦源造成影响和损伤,波分复用光纤耦合器和光纤合束器是为了实现反馈光的光纤输出。泵浦光依次通过光纤输出系统的隔离器和两个波分复用光纤耦合器,经过光学准直系统准直、聚焦到增益介质上，而增益介质前后放有镀膜的光学元件，形成三明治结构的激光谐振腔，产生的激光再次通过光学准直系统，经由光纤输出系统输出。若谐振腔采用超短腔设计，能够实现单频激光输出，同时这种结构还可以利用石墨烯、碳纳米管材料可饱和吸收波长范围宽、导热性好的特点实现微片激光器不同波长的带宽脉冲调制。

所述的光学准直系统（603）是两个透镜、或单个透镜、或Grin棱镜。

激光增益介质（301）为掺稀土元素的激光材料，掺杂的稀土元素是Nd、Yb、Er、Ho、Tm中的一种或多种，激光材料是Nd:YVO4、Yb:YAG、Yb:GdCOB、Er:Yb:glass、Ho:HLF、或Tm:YAP。

前置光学元件（401）以及后置光学元件（402）上镀的膜是对泵浦光的增透光学膜,或对激光全反射光学膜、或对激光部分反射的光学膜,或对泵浦光的增透光学膜,同时对激光全反射的光学膜、或对泵浦光的增透光学膜,同时对激光部分反射的光学膜。

前置光学元件（401）以及后置元件（402）是温度补偿介质、倍频晶体、波片、对振荡波长通过的光学玻璃或光学器件

光纤输出系统（602）还可以是一个泵浦保护器（3）和一个光纤合束器（4）组成，泵浦光依次通过泵浦保护器（3）和光纤合束器（4）。

使用胶合、光胶或深化光胶的方法将增益介质（301）、前置光学元件（401）以及后置光学元件（402）全固化为三明治结构。

本发明可光纤输出的新型微片激光器具有以下优点：

1、本发明利用微片激光器设计与光纤结构相结合，实现全固化微片激光器的光纤泵浦和光纤输出，无需其他输出装置，可利用超短腔设计实现稳定单频输出，也可用半导体可饱和吸收镜、单壁碳纳米管或石墨烯等调制元件进行脉冲调制，实现稳定脉冲输出。

2.本发明根据不同晶体、不同泵浦波长以及泵浦光斑的需要，可提供纤芯泵浦和包层泵浦。其中，纤芯泵浦需结合波分复用光纤耦合器使用；包层泵浦需结合光纤合束器使用。

3.本发明利用波分复用光纤耦合器实现激光的输出，与空间输出相比，更易采集和监测，将固体激光器与光纤系统结合起来

4、本发明使用胶合、光胶或深化光胶的方法实现微片激光器的全固化，增加结构稳定性，同时减小激光器体积，便于实现产业化

附图说明：

图1为实施例1可光纤输出的新型微片激光器示意图

图2为实施例2可光纤输出的新型微片激光器示意图

图3为实施例3可光纤输出的新型微片激光器示意图

图4为实施例4可光纤输出的新型微片激光器示意图

图5为实施例5可光纤输出的新型微片激光器示意图

图6为实施例6可光纤输出的新型微片激光器示意图

图7为实施例7可光纤输出的新型微片激光器示意图

601-激光二极管泵浦源；602-光纤输出系统；603-光纤准直系统；401-前置光学元件、402-后置光学元件；301-激光增益介质；1-隔离器；2-波分复用光纤耦合器；3-泵浦保护器；4-光纤合束器

具体实施方式

下面结合图示1、2、3、4、5、6、7对本发明作进一步说明，但不仅限于以下几种实施例。

实施例1

一种可光纤输出的新型微片激光器结构如图1所示。图中601为泵浦源，可选用中心波长为976nm、光纤耦合输出的半导体激光二极管；602为光纤输出系统，包括隔离器1和两个波分复用光纤耦合器2，隔离器是为了防止反馈光对泵浦源造成影响和损伤，波分复用光纤耦合器用于激光的输出；603为光学准直系统，包括两个透镜，对光束进行准直聚焦；401、402为镀膜的光学元件，前置光学元件401镀有对泵浦光增透光学膜和对激光全反射光学膜，后置光学元件402镀有对激光全反射光学膜；301为Yb：GdCOB晶体；光学元件401、402构成平行平面腔，将增益介质夹在中间，形成三明治结构，腔长只取决于晶体厚度，便于实现超短腔。

泵浦光依次通过光纤输出系统602的隔离器1和两个波分复用光纤耦合器2，经过光学准直系统603准直、聚焦到增益介质301上，而增益介质前后放有镀膜的前置光学元件401和后置光学元件402，光学元件401、402形成谐振腔，产生的激光沿泵浦光入射方向返回，通过波分复用光纤耦合器2输出。

其中，对于前置元件401所镀的光学膜为权利要求4所述的光学膜中任意一种，后置元件402所镀的光学膜为权利要求4所述的光学膜中任意一种。

实施例2

一种可光纤输出的新型微片激光器结构如图2所示。图中601为泵浦源，可选用中心波长为976nm、光纤耦合输出的半导体激光二极管；602为光纤输出系统，包括隔离器1和两个波分复用光纤耦合器 2，隔离器是为了防止反馈光对泵浦源造成影响和损伤，波分复用光纤耦合器用于激光的输出；603为光学准直系统，利用一个透镜实现光束的准直聚焦；401、402为镀膜的光学元件，前置光学元件401镀有对泵浦光增透光学膜和对激光全反射光学膜，后置光学元件402镀有对激光全反射光学膜；301为Yb：GdCOB晶体；光学元件401、402构成平行平面腔，将增益介质夹在中间，形成三明治结构，腔长只取决于晶体厚度，便于实现超短腔。

实施例3

一种可光纤输出的新型微片激光器结构如图3所示。图中601为泵浦源，可选用中心波长为976nm、光纤耦合输出的半导体激光二极管；602为光纤输出系统，包括隔离器1和两个波分复用光纤耦合器2，隔离器是为了防止反馈光对泵浦源造成影响和损伤，波分复用光纤耦合器用于激光的输出；603为光学准直系统，利用Grin棱镜紧贴泵浦入射端面；401、402为镀膜的光学元件，前置光学元件401镀有对泵浦光增透光学膜和对激光全反射光学膜，后置光学元件402镀有对激光全反射光学膜；301为Yb：GdCOB晶体；光学元件401、402构成平行平面腔，将增益介质夹在中间，形成三明治结构，腔长只取决于晶体厚度，便于实现超短腔。

实施例4

一种可光纤输出的新型微片激光器结构如图4所示。图中601为泵浦源，可选用中心波长为808nm、光纤耦合输出的半导体激光二极管；602为光纤输出系统，包括泵浦保护器3和光纤合束器4，泵浦保护器是为了防止反馈光对泵浦源造成损伤，光纤合束器是实现光纤泵浦，同时光纤输出；603为光学准直系统，包括两个透镜，对光束进行准直聚焦；401、402为镀膜的光学元件，前置光学元件401镀有对泵浦光增透光学膜和对激光部分反射光学膜，后置光学元件402镀有对激光全反射光学膜；301为Nd：YVO₄晶体；光学元件401、402构成平行平面腔，将增益介质夹在中间，形成三明治结构，腔长只取决于晶体厚度，便于实现超短腔。

泵浦光依次通过光纤输出系统602的泵浦保护器3和光纤合束器4,经过光学准直系统603准直、聚焦通过前置光学元件401并耦合注入增益介质301，光学元件401、402形成谐振腔，产生的激光沿泵浦光入射方向返回，通过光纤合束器4输出。

实施例5

一种可光纤输出的新型微片激光器结构如图5所示。图中601为泵浦源，可选用中心波长为808nm、光纤耦合输出的半导体激光二极管；602为光纤输出系统，包括泵浦保护器3和光纤合束器4，泵浦保护器是为了防止反馈光对泵浦源造成损伤，光纤合束器是实现光纤泵浦，同时光纤输出；603为光学准直系统，包括一个透镜，对光束进行准直聚焦；401、402为镀膜的光学元件，前置光学元件401镀有对泵浦光增透光学膜和对激光部分反射光学膜，后置光学元件402镀有对激光全反射光学膜；301为Nd：YVO₄晶体；光学元件401、402构成平行平面腔，将增益介质夹在中间，形成三明治结构，腔长只取决于晶体厚度，便于实现超短腔。

泵浦光依次通过光纤输出系统602的泵浦保护器3和光纤合束器 4,经过光学准直系统603准直、聚焦通过前置光学元件401并耦合注入增益介质301，光学元件401、402形成谐振腔，产生的激光沿泵浦光入射方向返回，通过光纤合束器4输出。

实施例6

一种可光纤输出的新型微片激光器结构如图6所示。图中601为泵浦源，可选用中心波长为808nm、光纤耦合输出的半导体激光二极管；602为光纤输出系统，包括泵浦保护器3和光纤合束器4，泵浦保护器是为了防止反馈光对泵浦源造成损伤，光纤合束器是实现光纤泵浦，同时光纤输出；603为光学准直系统，包括一个Grin棱镜，对光束进行准直聚焦；401、402为镀膜的光学元件，前置光学元件401镀有对泵浦光增透光学膜和对激光部分反射光学膜，后置光学元件402镀有对激光全反射光学膜；301为Nd：YVO₄晶体；光学元件401、402构成平行平面腔，将增益介质夹在中间，形成三明治结构，腔长只取决于晶体厚度，便于实现超短腔。

实施例7

一种可光纤输出的新型微片激光器结构如图7所示。图中601为泵浦源，可选用中心波长为976nm、光纤耦合输出的半导体激光二极管；602为光纤输出系统，包括隔离器1和两个波分复用光纤耦合器2，隔离器是为了防止反馈光对泵浦源造成影响和损伤，波分复用光纤耦合器用于激光的输出；603为光学准直系统，包括两个透镜，对光束进行准直聚焦；401、402为镀膜的光学元件，前置光学元件401镀有对泵浦光增透光学膜和对激光全反射光学膜，后置光学元件402镀有对激光全反射光学膜；301为Yb：GdCOB晶体；201为石墨烯层数为1-10层的可饱和吸收体薄膜。光学元件401、402构成平行平面腔，将增益介质和石墨烯可饱和吸收体夹在中间，形成三明治结构，腔长主要取决于晶体厚度，便于实现超短腔。

泵浦光依次通过光纤输出系统602的隔离器1和两个波分复用光纤耦合器2,经过准直系统603准直、聚焦通过前置光学元件401并耦合注入增益介质301，光学元件401、402形成谐振腔，产生的激光经过可饱和吸收体201调制后沿泵浦光入射方向返回，通过波分复用光纤耦合器2输出。

Claims

1.可光纤输出的新型微片激光器，其特征在于：包括激光二极管泵浦源（601）、光纤输出系统（602）、光学准直系统（603）、激光增益介质（301）、前置光学元件（401）以及后置光学元件（402）；其中光纤输出系统（602）包括隔离器（1）和两个波分复用光纤耦合器（2），泵浦光依次通过光纤输出系统的隔离器（1）和两个波分复用光纤耦合器（2）,经过光学准直系统（603）准直、聚焦到增益介质（301）上，增益介质（301）前后放有镀膜的前置光学元件（401）和后置光学元件（402）形成三明治结构的激光谐振腔，激光谐振腔产生的激光沿泵浦光入射方向返回，再次通过光学准直系统（603），经由光纤输出系统（602）输出。

2.根据权利要求1所述的可光纤输出的新型微片激光器，其特征在于：所述的光学准直系统（603）是两个透镜、或单个透镜、或Grin棱镜。

3.根据权利要求1所述的可光纤输出的新型微片激光器，其特征在于：激光增益介质（301）为掺稀土元素的激光材料，掺杂的稀土元素是Nd、Yb、Er、Ho、Tm中的一种或多种，激光材料是Nd:YVO4、Yb:YAG、Yb:GdCOB、Er:Yb:glass、Ho:HLF、或Tm:YAP。

4.根据权利要求1所述的可光纤输出的新型微片激光器，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的可光纤输出的新型微片激光器，其特征在于：前置光学元件（401）是温度补偿介质、倍频晶体、波片、对振荡波长通过的光学玻璃或光学器件；后置元件（402）是温度补偿介质、倍频晶体、波片、对振荡波长通过的光学玻璃或光学器件。

6.根据权利要求1所述的可光纤输出的新型微片激光器，其特征在于：光纤输出系统（602）还可以由一个泵浦保护器（3）和一个光纤合束器（4）组成，泵浦光依次通过泵浦保护器（3）和光纤合束器（4）。

7.根据权利要求1所述的可光纤输出的新型微片激光器，其特征在于：使用胶合、光胶或深化光胶的方法将增益介质（301）、前置光学元件（401）和后置光学元件（402）全固化为三明治结构。