CN103414101A - 一种提高Nd:YAG被动调Q激光器输出特性的方法及装置 - Google Patents

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雷訇
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本发明属于激光领域。一种提高Nd:YAG被动调Q激光器输出特性的装置，包括半导体激光器（1）、泵浦耦合装置（2）、耦合输入镜（3）、Nd:YAG晶体（4）、被动调Q晶体（5）、耦合输出镜（6）、输出激光（7）；其特征在于：所述的Nd:YAG晶体（4）是使用[100]或[110]切割方向的Nd:YAG晶体棒或板条；对于[110]切割方向Nd:YAG晶体，其
Figure DDA00003667911200011
方向或方向平行于泵浦光偏振方向和Cr4+:YAG晶体晶轴放置；对于[100]切割方向Nd:YAG晶体，其[011]方向、
Figure DDA00003667911200013
或方向，平行于泵浦光偏振方向和Cr4+:YAG晶体晶轴放置。本发明由于振荡光偏振方向与特殊取向Nd:YAG晶体吸收较大的方向一致，因此可以极大的提高输出功率和消光比。

Description

一种提高Nd:YAG被动调Q激光器输出特性的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种使用半导体激光器端面泵浦特殊取向的Nd:YAG晶体（例如[100]、[110]切割方向的棒或板条），并通过适当选择Cr:YAG被动调Q晶体取向位置和泵浦偏振方向，来获得高输出功率及高消光比激光输出的方法，属于激光器制造领域。
背景技术
相比于主动调Q激光器，被动调Q激光器具有结构紧凑、低成本等优势，同时可以获得高峰值功率输出，在激光测距、激光打标、激光微加工等方面具有广泛应用。
Nd:YAG被动调Q激光器输出激光的偏振特性通常由泵浦偏振方向和Cr:YAG被动调Q晶体取向位置决定，通过使泵浦偏振方向和Cr:YAG被动调Q晶体晶轴方向的匹配，可以获得稳定的、高消光比的激光输出，但目前还没有通过改变Nd:YAG晶体切割方向，获得稳定的、高消光比、高输出功率的研究报道。
发明内容
本发明的目的在于利用特殊取向Nd:YAG晶体的各向异性，实现固定偏振方向，高输出功率和高消光比的被动调Q激光输出。
一种提高Nd:YAG被动调Q激光器输出特性的装置，包括半导体激光器1、泵浦耦合装置2、耦合输入镜3、Nd:YAG晶体4、被动调Q晶体5、耦合输出镜6、输出激光7；其特征在于：所述的Nd:YAG晶体（4）是使用[100]或[110]切割方向的Nd:YAG晶体棒或板条；
对于[110]切割方向Nd:YAG晶体，其
Figure BDA00003667911000011
方向或方向平行于泵浦光偏振方向和Cr4+:YAG晶体晶轴放置；
对于[100]切割方向Nd:YAG晶体，其[011]方向、
Figure BDA00003667911000021
或
Figure BDA00003667911000022
方向，平行于泵浦光偏振方向和Cr4+:YAG晶体晶轴放置。
一种提高Nd:YAG被动调Q激光器输出特性的方法，其特征在于，装置包括半导体激光器、泵浦耦合装置、耦合输入镜、Nd:YAG晶体、被动调Q晶体、耦合输出镜、输出激光；且所述的Nd:YAG晶体是使用[100]或[110]切割方向的Nd:YAG晶体棒或板条；
对于[110]切割方向Nd:YAG晶体，其
Figure BDA00003667911000023
方向或
Figure BDA00003667911000024
方向平行于泵浦光偏振方向和Cr4+:YAG晶体晶轴放置；
对于[100]切割方向Nd:YAG晶体，其[011]方向、
Figure BDA00003667911000025
或方向，平行于泵浦光偏振方向和Cr4+:YAG晶体晶轴放置。
[100]或[110]切割方向的Nd:YAG晶体棒或板条具有各向异性特性，对偏振光存在吸收较大方向，将Nd:YAG晶体该方向与被动调Q晶体（Cr:YAG）的光轴相对应。在激光器自由运转时，腔内振荡光的偏振方向由被动调Q晶体（Cr:YAG）光轴决定，由于振荡光偏振方向与特殊取向Nd:YAG晶体吸收较大的方向一致，因此可以极大的提高输出功率和消光比。
本发明用全新的思路实现了Nd:YAG被动调Q激光器稳定的、高消光比、高输出功率的激光输出，在已有的Nd:YAG被动调Q激光器基础上，具有以下优点：
高输出功率；
高消光比；
热退偏明显减小；
易于实现工程应用。
本发明具有实质性的特点和显著进步，本发明所述的方法可以广泛应用于Nd:YAG被动调Q激光器中，能够明显提高激光器的效率、稳定性、输出功率和消光比。
附图说明
图1是Nd:YAG被动调Q激光器示意图
图2是[110]切割方向Nd:YAG晶体棒结构示意图
图3是[110]切割方向Nd:YAG晶体板条结构示意图
图4是Nd:YAG晶体晶格示意图
图5是Cr:YAG晶体晶格示意图
图6不同Cr:YAG晶体角度下，[100]和[111]切割方向Nd:YAG晶体的输出功率
图7不同Cr:YAG晶体角度下，[100]和[111]切割方向Nd:YAG晶体的消光比
具体实施方式
如图1所示，本发明装置包括半导体激光器1、泵浦耦合装置2、耦合输入镜3、Nd:YAG晶体4、被动调Q晶体（Cr:YAG）5、耦合输出镜6、输出激光7。下面以[110]方向切割Nd:YAG晶体棒和板条为例，如图2和图3所示，对本发明方法做进一步说明。
传统Nd:YAG晶体的切割方向通常为[111]方向，常见的Nd:YAG被动调Q激光器采用的是[111]切割方向的Nd:YAG晶体，该方向的Nd:YAG晶体具有各项同性特性；而特殊取向的Nd:YAG晶体的切割方向通常为[110]和[100]方向，该方向的Nd:YAG晶体具有各项异性特性，存在偏振吸收较大的方向。
下面以[110]切割方向的Nd:YAG晶体为例进行具体说明，如图2和图3所示，通光方向沿z轴方向，泵浦偏振方向沿y轴方向，Cr:YAG被动调Q晶体通光方向为[001]方向，其[010]方向沿y轴方向，与泵浦偏振方向平行，同时[010]方向为Cr:YAG被动调Q晶体对1064nm激光透射较大方向。为了获得高的输出功率和高的消光比，[110]切割方向的Nd:YAG晶体的通光方向为[110]方向，其
Figure BDA00003667911000031
方向沿y轴方向，与泵浦偏振方向和Cr:YAG被动调Q晶体[010]方向平行，此时，即泵浦偏振方向和Cr:YAG被动调Q晶体晶轴与特殊取向Nd:YAG晶体偏振吸收较大的方向一致，在这种情况下，就可以获得高输出功率、高消光比的激光。图2和图3表示了输出功率和消光比最大时，[110]切割方向Nd:YAG被动调Q激光器中，Nd:YAG晶体和Cr:YAG晶体的切割方向和泵浦偏振方向。
下面对提高Nd:YAG被动调Q激光器输出特性的原理进行说明。如图4所示，Nd3+总共有六个方向，xi方向平行于Nd:YAG晶体立方单元中X轴的方向，yi和zi方向平行于Nd:YAG晶体立方单元中面对角线的方向，即跃迁偶极子方向。根据偏振吸收选择规则，激光增益正比于(cos2(αa)na+cos2(αb)nb+cos2(αc)nc)，其中ni为a，b，c三个方向上的反转粒子数；αi是xi方向与偏振方向的夹角。假设泵浦偏振方向沿着
Figure BDA00003667911000048
方向，对于
Figure BDA00003667911000049
偏振方向增益正比于(1/2na+1/2nb)。由于谐振器内振荡光的建立起始于噪声，在泵浦能量只能使a和b两个方向上的上能级粒子数达到阈值，只有a和b两个方向上的反转粒子数被倒空，而对于垂直于泵浦偏振方向的c方向不存在粒子数向上能级反转，因此对于激光器第一个输出脉冲，偏振方向将沿
Figure BDA00003667911000047
方向。在这种情况下，沿该偏振方向的自由振荡输出激光功率和消光比明显会高于其它方向。
另一方面，Cr4+:YAG晶体利用其饱和吸收特性实现被动调Q，存在各向异性吸收特性。图5所示为Cr4+:YAG晶体沿YAG基质晶轴[001]切割时，Cr4+:YAG晶体在平行于[010]晶轴方向和[100]晶轴方向存在两个对1064nm波长几乎相同的透射峰。当任意两个透射峰中的一个与泵浦偏振方向和Nd:YAG晶体
Figure BDA00003667911000046
方向一致时，被动调Q输出激光功率和消光比明显会高于其它方向。
因此，对于如图2和图3所示的[110]切割方向Nd:YAG被动调Q激光器，在泵浦光偏振方向平行于[001]切割方向Cr4+:YAG晶体晶轴（[010]或[100]方向）的情况下，对于[110]切割方向Nd:YAG晶体，其
Figure BDA00003667911000043
方向（或
Figure BDA00003667911000044
方向，这个方向和方向等价）平行于泵浦光偏振方向和Cr4+:YAG晶体晶轴时，[110]切割方向Nd:YAG晶体板条的输出功率和消光比将明显高于传统的[111]切割方向Nd:YAG晶体；同理，对于[100]切割方向Nd:YAG晶体，其[011]方向（或
Figure BDA00003667911000041
和方向，这三个方向和[011]方向等价）平行于泵浦光偏振方向和Cr4+:YAG晶体晶轴时，[100]切割方向Nd:YAG晶体板条的输出功率和消光比将明显高于传统的[111]切割方向Nd:YAG晶体。
下面对提高Nd:YAG被动调Q激光器输出特性的实验研究进行说明。分别采用[100]和[111]切割方向Nd:YAG晶体棒作为增益介质，采用[001]切割方向的Cr:YAG晶体作为被动调Q晶体，使用光纤耦合半导体激光器端面泵浦。为了获得最佳的输出功率和消光比，使用1/2波片改变泵浦偏振方向，使其与[100]切割方向Nd:YAG晶体棒较大线偏振输出功率的方向相同，即[011]、
Figure BDA00003667911000051
和
Figure BDA00003667911000052
方向。在泵浦功率为2.5W，重复频率100Hz的条件下，在旋转Cr:YAG晶体方向，输出功率和消光比变化曲线如图6所示。从图中可以看出，采用[100]切割方向Nd:YAG晶体棒的输出功率明显高于[111]切割方向Nd:YAG晶体棒。
在同样的实验条件下，采用偏振分光棱镜对输出激光的消光比进行测量，如图7所示。从图中可以看出，采用[100]切割方向Nd:YAG晶体棒的消光比明显高于[111]切割方向Nd:YAG晶体棒。

Claims (2)

1.一种提高Nd:YAG被动调Q激光器输出特性的装置，包括半导体激光器（1）、泵浦耦合装置（2）、耦合输入镜（3）、Nd:YAG晶体（4）、被动调Q晶体Cr:YAG（5）、耦合输出镜（6）、输出激光（7）；其特征在于：所述的Nd:YAG晶体（4）是使用[100]或[110]切割方向的Nd:YAG晶体棒或板条；
对于[110]切割方向Nd:YAG晶体，其
Figure FDA00003667910900011
方向或
Figure FDA00003667910900012
方向平行于泵浦光偏振方向和Cr4+:YAG晶体晶轴放置；
对于[100]切割方向Nd:YAG晶体，其[011]方向、
Figure FDA00003667910900013
或
Figure FDA00003667910900014
方向，平行于泵浦光偏振方向和Cr4+:YAG晶体晶轴放置。
2.一种提高Nd:YAG被动调Q激光器输出特性的方法，其特征在于，装置包括半导体激光器（1）、泵浦耦合装置（2）、耦合输入镜（3）、Nd:YAG晶体（4）、被动调Q晶体Cr:YAG（5）、耦合输出镜（6）、输出激光（7）；且所述的Nd:YAG晶体（4）是使用[100]或[110]切割方向的Nd:YAG晶体棒或板条；
对于[110]切割方向Nd:YAG晶体，其
Figure FDA00003667910900015
方向或
Figure FDA00003667910900016
方向平行于泵浦光偏振方向和Cr4+:YAG晶体晶轴放置；
对于[100]切割方向Nd:YAG晶体，其[011]方向、
Figure FDA00003667910900017
或
Figure FDA00003667910900018
方向，平行于泵浦光偏振方向和Cr4+:YAG晶体晶轴放置。
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