CN103337775A - 一种光纤端面泵浦激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤端面泵浦激光器，包括：半导体泵浦源、传输模块、耦合模块、谐振腔以及半导体制冷模块，其中，谐振腔中包含激光晶体，半导体制冷模块分别设置于半导体泵浦源和激光晶体上；半导体泵浦源发出的泵浦光经过传输模块进行传输和匀化后进入耦合模块，耦合模块将传输模块处理后的泵浦光耦合进入谐振腔的激光晶体，激光晶体在泵浦光的激励下产生增益激光，增益激光经过谐振腔处理后输出。本发明采用直径粗的能量光纤传输和匀化高峰值功率准连续泵浦光，使泵浦光极度均匀；采用大能量端面泵浦，效率高，功耗小；在保证高峰值功率大能量和高光束质量输出的情况下，还能保证小的发散角。

Description

一种光纤端面泵浦激光器
技术领域
本发明涉及全固态激光器技术领域，尤其涉及一种光纤端面泵浦激光器。
背景技术
全固态激光器（Diode Pumped solid state Laser，简称DPL）具有效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长等优点，市场需求十分巨大。全固态激光技术是目前我国在国际上为数不多的从材料源头直到激光系统集成拥有整体优势的高技术领域之一，具备了在部分领域加速发展的良好基础，已经成为激光技术发展的主要方向。无水冷高峰值功率的DPL以其体积小、重量轻、效率高等特点在军事国防、医疗卫生和空间雷达等领域迅速发展，其研究受到极大关注。
按泵浦方式来分类，无水冷全固态激光器可分为侧面泵浦、端面泵浦和混合泵浦等类型。端面泵浦无水冷激光器，为了得到大的能量输出，采用导光锥将泵浦光耦合进激光晶体的形式，但导光锥的出光面必须靠近激光晶体端面，晶体端面镀全反膜，没有全反镜，不利于压缩发散角。也有采用垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL）作为端面泵浦源，由于其发射光斑呈圆性，易集成为大面积阵列，可以直接聚焦到晶体表面，在增加后反镜时，其输出光束质量好、发散角小，但输出能量只有18mJ。
如何在无水冷全固态、高峰值功率大能量输出的情况下，保证小的发散角和好的光束质量，是当前急需解决的一个技术难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种光纤端面泵浦激光器，在输出高峰值功率的情况下，保证较高的光束质量。
本发明采用的技术方案是，所述光纤端面泵浦激光器，包括：半导体泵浦源、传输模块、耦合模块、谐振腔以及半导体制冷模块，其中，谐振腔中包含激光晶体，半导体制冷模块分别设置于半导体泵浦源和激光晶体上；
半导体泵浦源发出的泵浦光经过传输模块进行传输和匀化后进入耦合模块，耦合模块将传输模块处理后的泵浦光耦合进入谐振腔的激光晶体，激光晶体在泵浦光的激励下产生增益激光，增益激光经过谐振腔处理后输出。
进一步的，作为一种可选的技术方案，在所述谐振腔中，双色平凹镜与平面输出镜作为谐振腔的边界，泵浦光透过双色平凹镜入射到激光晶体中，激光晶体在泵浦光的激励下产生增益激光，增益激光依次经过偏振片、四分之一波片、普克尔盒处理后射入平面输出镜，由平面输出镜进行反射和透射。
进一步的，每当激光晶体中的能级反转粒子数达到最大时为普克尔盒上电。
进一步的，作为另一种可选的技术方案，在所述谐振腔中，双色平凹镜与平面输出镜作为谐振腔的边界，泵浦光透过双色平凹镜入射到激光晶体中，激光晶体在泵浦光的激励下产生增益激光，增益激光经过被动调Q晶体处理后射入平面输出镜，由平面输出镜进行反射和透射。
进一步的，所述被动调Q晶体为KD*P晶体或者Cr4+:YAG晶体。
进一步的，所述半导体泵浦源提供的泵浦光的峰值功率≤2000W，脉冲调制宽度为100～480μs，重复频率为10～100Hz；
所述传输模块为能量光纤，其纤芯直径为800～1000μm。
进一步的，所述激光晶体为Nd:YAG晶体或者Nd:YLF或者Nd:YVO4晶体，其长度为60～80mm，参杂原子分数为0.8～1%。
进一步的，所述耦合模块采用光学耦合系统；
当所述耦合模块的耦合比例为1：4时，激光晶体直径为5mm；
当所述耦合模块的耦合比例为1：5时，激光晶体直径为6mm；
当所述耦合模块的耦合比例为1：6时，激光晶体直径为7mm。
进一步的，所述半导体制冷模块将半导体泵浦源和激光晶体的温度控制在23±0.1℃。
进一步的，所述双色平凹镜的平面一侧镀有泵浦光增透膜，凹面一侧依次镀有泵浦光增透膜和增益激光全反膜；
所述平面输出镜对增益激光的透过率选择对增益激光输出能量最大时对应的透过率。
采用上述技术方案，本发明所述光纤端面泵浦激光器至少具有下列优点：
1）采用直径粗的能量光纤传输和匀化高峰值功率准连续泵浦光，使泵浦光极度均匀。
2）采用大能量端面泵浦，效率高，功耗小。
3）在保证高峰值功率大能量和高光束质量输出的情况下，还能保证小的发散角。
附图说明
图1为本发明第一实施例的光纤单端泵浦激光器的光路结构示意图；
图2为本发明第一实施例的光纤单端泵浦激光器输出的脉冲光波图；
图3为本发明第二实施例的光纤单端泵浦激光器的光路结构示意图；
图4为本发明第三实施例的光纤单端泵浦激光器的光路结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
本发明第一实施例，一种光纤端面泵浦激光器，其光路结构示意图如图1所示，所述光纤单端泵浦激光器，包括：半导体泵浦源1，用于提供高峰值功率脉冲（准连续）泵浦光；能量光纤2，用于对该泵浦光进行传输和匀化；耦合系统3，适于将泵浦光耦合进谐振腔中的激光晶体5，双色平凹镜4与平面输出镜9作为谐振腔的边界；激光晶体5，提供增益，即在泵浦光的激励下产生增益激光；双色平凹镜4，用于透射泵浦光，反射增益激光；偏振片6，使激光起偏，产生垂直方向偏振光或者水平方向偏振光；四分之一波片7，激光通过它偏振方向旋转45°；普克尔盒8，控制其上施加的电压，使得当不对该普克尔盒施加电压时相当于平片，当对该普克尔盒施加3800V电压时相当于四分之一波片的作用；平面输出镜9，部分透过激光和部分反射激光。
其中，从半导体泵浦源1发出的泵浦光经能量光纤2匀化和传输，通过耦合系统3和双色平凹镜4入射到激光晶体5上，激光起振后在双色平凹镜4和平面输出镜9组成的谐振腔内来回振荡，使激光晶体5积累的反转粒子数达到最大后，经普克尔盒8调Q输出激光。
半导体泵浦源1提供的泵浦光的峰值功率≤2000W，脉冲调制宽度为100～480μs，重复频率为10～100Hz。能量光纤的纤芯直径为800～1000μm。
激光晶体5可以为Nd:YAG晶体或者Nd:YLF或者Nd:YVO4晶体，其长度为60～80mm，参杂原子分数为0.8～1%。优选的，激光晶体5采用的是Nd:YAG晶体或者Nd:YLF。
耦合模块3采用光学耦合系统。当耦合模块3的耦合比例为1：4时，激光晶体5的直径为5mm；当耦合模块3的耦合比例为1：5时，激光晶体5的直径为6mm；当耦合模块3的耦合比例为1：6时，激光晶体5的直径为7mm。
优选的，半导体泵浦源1中的半导体激光器在25℃输出波长808nm泵浦光，在输入电流190A时输出最大峰值功率2000W，泵浦光的脉冲调制宽度为250μs，所以最大输出单脉冲能量500mJ。半导体泵浦源1由一片57W功率半导体制冷片制冷，温度控制在23±0.1℃范围内。高峰值功率808nm泵浦光由纤芯直径为800μm能量光纤2传输到耦合系统3，能量光纤2最大承受峰值功率8KW，能量光纤2长度为2m，使808nm泵浦光在传输过程中变得非常均匀，在传输过程中，808nm泵浦光损耗小于1%。均匀的808nm泵浦光通过耦合系统3进入激光晶体5，耦合系统3的耦合比例为1:4，所以在晶体中的最小光斑直径为3.2mm。激光晶体5为Nd:YAG晶体，参杂原子分数为0.8%，直径为5mm，长度为60mm。Nd:YAG晶体由一片40W功率半导体制冷片制冷，温度控制在23±0.1℃范围内。
在谐振腔中，双色平凹镜4平面一侧镀808nm泵浦光增透膜，凹面一侧镀1064nm增益激光全反膜和808nm泵浦光增透膜，曲率半径为8～12m，优选的为10m。平面输出镜9面向谐振腔内镀透过70%的1064nm介质膜，另一面镀1064nm增透膜。本实施例的谐振腔的总腔长可以做到仅14cm。
808nm泵浦光泵浦激光晶体5，使其粒子数反转，发射激光，激光通过偏振片6起偏，假设偏振方向为垂直方向，垂直方向的激光通过四分之一波片7，偏振方向旋转45°，此时普克尔盒8中KD*P晶体上并未加3800V高压，相当于平片，激光通过KD*P晶体偏振方向不改变，经双色平凹镜4反射再一次通过四分之一波片7，偏振方向再次旋转45°，此时，与偏振片6透光方向恰好成90°，激光不能通过。在Nd:YAG晶体上能级反转粒子数达到最大时，通常是经过230μs时达到最大，此时给KD*P晶体加上3800V高压，激光通过平面输出镜9输出1064nm激光。
在输入电流160A，重复频率20Hz时，仔细调节双色平凹镜4和平面输出镜9，使其输出能量最大，并且通过CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）观察输出光斑，使光斑最圆。然后逐渐加大电流，在190A时，输出最大单脉冲能量82mJ，光光转换效率达到16.4%，输出激光发散角为1.7mrad，输出脉冲波形如图2所示，脉冲宽度为8.2ns。
本发明第二实施例，一种光纤端面泵浦激光器，其光路结构示意图如图3所示，本实施例的所述光纤端面泵浦激光器与第一实施例的大致相同，区别在于，本实施例用被动调Q代替了第一实施例谐振腔中的偏振片、四分之一波片和普克尔盒，起到的作用是相同的。
该光纤单端泵浦激光器，包括：半导体泵浦源1，能量光纤2，耦合系统3，双色平凹镜4，激光晶体5，Cr4+:YAG被动调Q晶体6，平面输出镜7。
具体的，Cr4+:YAG被动调Q晶体6初始透过率为30%，平面输出镜7对1064nm透过率为50%，双色平凹镜4和平面输出镜7构成的谐振腔可以做到11cm。在输入电流190A，重复频率20Hz时，输出单脉冲能量57mJ，光光转换效率11.4%，脉冲宽度7.9ns。
本发明第三实施例，一种光纤端面泵浦激光器，其光路结构示意图如图4所示，本实施例的所述光纤端面泵浦激光器与第一实施例的原理相同，区别在于，本实施例采用双端光纤泵浦，使两路泵浦光同时入射到一个激光晶体5的两个端面。
如图4所示，该光纤端面泵浦激光器，包括：第一半导体泵浦源1和第二半导体泵浦源9，第一能量光纤2和第二能量光纤8，第一耦合系统3和第二耦合系统7，谐振腔中包括：第一双色45°平面镜4和第二双色45°平面镜6，Nd:YAG激光晶体5，平凹全反镜10，普克尔盒11，四分之一波片12，偏振片13和平面输出镜14。第一双色45°平面镜4和第二双色45°平面镜6的面向泵浦光一侧镀有增透膜，面向增益激光的一侧镀有全反膜。谐振腔的边界仍然为平凹全反镜10和平面输出镜14。
在双端光纤泵浦时，泵浦能量增大为1000mJ，泵浦光的脉冲宽度为250μs。在重复频率20Hz时，输出最大单脉冲能量150mJ，光斑非常均匀，发散角为1.9mrad。
还可以将激光晶体5换为Nd:YLF晶体，泵浦光波长换为798nm，泵浦宽度480μs以及匹配相应的镜片镀膜参数，可以输出低重频、大能量、高光束质量的1053nm激光。
应当说明，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，比如使用类似的腔型，加大泵浦功率，在类似的腔型中缩短腔长，替换增益晶体以及相应的镜片镀膜参数和曲率等参数都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种光纤端面泵浦激光器，其特征在于，包括：半导体泵浦源、传输模块、耦合模块、谐振腔以及半导体制冷模块，其中，谐振腔中包含激光晶体，半导体制冷模块分别设置于半导体泵浦源和激光晶体上；
半导体泵浦源发出的泵浦光经过传输模块进行传输和匀化后进入耦合模块，耦合模块将传输模块处理后的泵浦光耦合进入谐振腔的激光晶体，激光晶体在泵浦光的激励下产生增益激光，增益激光经过谐振腔处理后输出。
2.根据权利要求1所述的光纤端面泵浦激光器，其特征在于，在所述谐振腔中，双色平凹镜与平面输出镜作为谐振腔的边界，泵浦光透过双色平凹镜入射到激光晶体中，激光晶体在泵浦光的激励下产生增益激光，增益激光依次经过偏振片、四分之一波片、普克尔盒处理后射入平面输出镜，由平面输出镜进行反射和透射。
3.根据权利要求2所述的光纤端面泵浦激光器，其特征在于，每当激光晶体中的能级反转粒子数达到最大时为普克尔盒上电。
4.根据权利要求1所述的光纤端面泵浦激光器，其特征在于，在所述谐振腔中，双色平凹镜与平面输出镜作为谐振腔的边界，泵浦光透过双色平凹镜入射到激光晶体中，激光晶体在泵浦光的激励下产生增益激光，增益激光经过被动调Q晶体处理后射入平面输出镜，由平面输出镜进行反射和透射。
5.根据权利要求4所述的光纤端面泵浦激光器，其特征在于，所述被动调Q晶体为KD*P晶体或者Cr4+:YAG晶体。
6.根据权利要求1所述的光纤端面泵浦激光器，其特征在于，所述半导体泵浦源提供的泵浦光的峰值功率≤2000W，脉冲调制宽度为100～480μs，重复频率为10～100Hz；
所述传输模块为能量光纤，其纤芯直径为800～1000μm。
7.根据权利要求1所述的光纤端面泵浦激光器，其特征在于，所述激光晶体为Nd:YAG晶体或者Nd:YLF或者Nd:YVO4晶体，其长度为60～80mm，参杂原子分数为0.8～1%。
8.根据权利要求1所述的光纤端面泵浦激光器，其特征在于，所述耦合模块采用光学耦合系统；
当所述耦合模块的耦合比例为1：4时，激光晶体直径为5mm；
当所述耦合模块的耦合比例为1：5时，激光晶体直径为6mm；
当所述耦合模块的耦合比例为1：6时，激光晶体直径为7mm。
9.根据权利要求1所述的光纤端面泵浦激光器，其特征在于，所述半导体制冷模块将半导体泵浦源和激光晶体的温度控制在23±0.1℃。
10.根据权利要求2所述的光纤端面泵浦激光器，其特征在于，所述双色平凹镜的平面一侧镀有泵浦光增透膜，凹面一侧依次镀有泵浦光增透膜和增益激光全反膜；
所述平面输出镜对增益激光的透过率选择对增益激光输出能量最大时对应的透过率。
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