CN103457145A - 一种激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光器，包括：依次设置的第一半导体泵浦源、第一能量光纤、第一耦合系统、激光晶体和谐振腔单元；其中，谐振腔单元中设置有抗失谐器，所述抗失谐器包括两块形状为直角三角形的楔形镜，且两块楔形镜的斜边平行。本发明激光器能够输出光束质量高、重复频率低、大能量激光；在谐振腔内加入了抗失谐器，对冲击振动不敏感，且无水冷全固态，能够在多种环境中应用。

Description

一种激光器

技术领域

本发明涉及光电技术领域，特别是涉及一种激光器。

背景技术

无水冷高峰值功率DPL（Diode Pumped solid state Laser，全固态激光器），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，随着应用平台越来越广泛，对激光器冲击、振动的要求也越来越严格。

按泵浦方式来分类，无水冷全固态激光器可分为侧面泵浦、端面泵浦等类型。侧面泵浦具有结构简单、泵浦功率大的特点，可以输出大能量激光；但是，单棒输出光的圆度不够高。于是，出现双棒串接的泵浦模式，有效的补偿了激光的均匀性，但功耗和体积将会增大。于是，端面泵浦无水冷激光器应运而生，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（VCSEL，Vertical Cavity Surface EmittingLaser）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，可以增加后反镜，其输出光束质量好，发散角小；但输出能量只有40mJ左右，且没有抗失谐装置。为了抗失谐，将后腔镜改为直角圆锥形，具有抗失谐、易调试、无硬边衍射损耗的特点；但是直角圆锥形没有曲率，不利于压缩输出激光发散角。

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，以及能够抗失谐，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激光器，用以至少解决上述现有技术存在的问题之一。

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光器，包括：依次设置的第一半导体泵浦源、第一能量光纤、第一耦合系统、激光晶体和谐振腔单元；其中，谐振腔单元中设置有抗失谐器，所述抗失谐器包括两块形状为直角三角形的楔形镜，且两块楔形镜的斜边平行。

进一步，所述抗失谐器由熔融石英材料或K9玻璃制成。

进一步，所述直角三角形的楔形镜的最小角为15°。

进一步，所述谐振腔单元包括：

第一双色45°全反镜，设置在所述第一耦合系统和激光晶体之间；

在第一所述双色45°全反镜的透射光路上，依次设置有激光晶体、所述抗失谐器和平面输出镜；

在第一所述双色45°全反镜的反射光路上，依次设置有45°全反镜、偏振片、四分之一波片、普克尔盒和平凹全反镜。

进一步，所述普克尔盒中调Q晶体为KD*P晶体或Cr4+:YAG晶体。

进一步，包括：所述谐振腔单元包括：

双色平凹镜，设置在所述第一耦合系统和激光晶体之间；

在所述激光晶体远离所述双色平凹镜的一侧，依次设置有Cr4+:YAG被动调Q晶体、所述抗失谐器和平面输出镜。

进一步，所述Cr4+:YAG被动调Q晶体透过率为30%；所述平面输出镜对波长为1064nm的激光透过率为50%。

进一步，在所述激光晶体远离所述第一耦合系统的一侧，依次设置有第二耦合系统、第二能量光纤和第二半导体泵浦源；

所述谐振腔单元包括：

第一双色45°全反镜，设置在所述第一耦合系统和激光晶体之间；在所述第一双色45°全反镜的反射光路上，依次设置有偏振片、四分之一波片、普克尔盒和平凹全反镜；

第二双色45°全反镜，设置在所述第二耦合系统和激光晶体之间；在所述第二双色45°全反镜的反射光路上，依次设置有所述抗失谐器和平面输出镜。

进一步，所述第一半导体泵浦源提供峰值功率≤2000W的泵浦光，泵浦光脉冲宽度为100～480μs；由半导体制冷片制冷；

所述第一能量光纤的纤芯直径为800～1000μm；

所述第一耦合系统的耦合比例为1:4；

所述激光晶体为Nd:YAG晶体或Nd:YLF晶体；由半导体制冷片制冷；

所述平面输出镜面向谐振腔的一面镀透过率为70%的1064nm介质膜，另一面镀1064nm增透膜。

进一步，所述第一半导体泵浦源和第二半导体泵浦源提供峰值功率≤2000W的泵浦光，泵浦光脉冲宽度为100～480μs；由半导体制冷片制冷；

所述第一能量光纤和第二能量光纤的纤芯直径为800～1000μm；

所述第一耦合系统和第二耦合系统的耦合比例为1:4；

所述激光晶体为Nd:YAG晶体或Nd:YLF晶体；由半导体制冷片制冷；

所述平凹全反镜的凹面镀1064nm激光全反膜；

所述平面输出镜面向谐振腔的一面镀透过率为70%的1064nm介质膜，另一面镀1064nm增透膜。

本发明有益效果如下：

本发明激光器能够输出光束质量高、重复频率低、大能量激光；在谐振腔内加入了抗失谐器，对冲击振动不敏感，且无水冷全固态，能够在多种环境中应用。

附图说明

图1是本发明实施例1一种激光器的结构示意图；

图2是本发明实施例中抗失谐器的结构示意图；

图3是没有抗失谐器的全反镜的光路图；

图4是本发明实施例2一种激光器的结构示意图；

图5是本发明实施例3一种激光器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

实施例1：

图1为抗失谐无水冷全固态激光器的光路结构示意图，如图1所示，本实施例涉及的激光器，包括：依次设置的第一半导体泵浦源、第一能量光纤、第一耦合系统、激光晶体和谐振腔单元；其中，谐振腔单元中设置有抗失谐器，所述抗失谐器包括两块形状为直角三角形的楔形镜，且两块楔形镜的斜边平行。

谐振腔单元包括：

第一双色45°全反镜，设置在所述第一耦合系统和激光晶体之间；

在第一所述双色45°全反镜的透射光路上，依次设置有激光晶体、所述抗失谐器和平面输出镜；

在第一所述双色45°全反镜的反射光路上，依次设置有45°全反镜、偏振片、四分之一波片、普克尔盒和平凹全反镜。

其中，从半导体泵浦源1发出的准连续泵浦光经能量光纤2匀化和传输，通过耦合系统3和双色45°全反镜4入射到激光晶体5上，激光起振后在平凹全反镜12和平面输出镜7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11调Q输出激光。

具体的，半导体泵浦源1，提供峰值功率≤2000W的准连续泵浦光，泵浦光脉冲宽度为100～480μs。例如，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，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0.2℃内。

能量光纤2的纤芯直径为800～1000μm。当高峰值功率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（或其它比例），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℃。激光晶体5也可以为Nd:YLF晶体。

谐振腔由平凹全反镜12和平面输出镜7组成，总腔长15cm。平凹全反镜12，凹面镀1064nm激光全反膜，曲率半径为10m。平面输出镜7面向腔内一面镀透过率为70%的1064nm介质膜，另一面镀1064nm增透膜。

抗失谐器6由熔融石英材料或K9玻璃制成，材料形状为直角三角形的楔形镜，直角三角形的最小角为15°。抗失谐器6由两块三角形熔融石英组成，其中两块三角形的斜边平行放置，每块楔形镜都镀有激光增透膜。如图2所示，当其中一块三角形倾斜时，对光路的影响并不大。而若没有抗失谐器6，如图3所示，全反镜旋转一个角度A，光路就会旋转2A，导致光斑变差或者不出光。

808nm泵浦光泵浦Nd:YAG晶体5，使其粒子数反转，发射激光。第一双色45°全反镜4，透射泵浦光，反射激光；激光在经过双色45°全反镜4和45°全反镜8反射后，照射到偏振片9，通过偏振片9起偏，偏振方向为垂直方向，垂直方向的激光通过四分之一波片10，偏振方向旋转45°。控制施加在普克尔盒11上的电压，使得当不对该普克尔盒11施加电压时其相当于平片，当对该普克尔盒11施加四分之一电压时其相当于四分之一波片。来自四分之一波片10的激光照射普克尔盒11，此时普克尔盒11中KD*P晶体或Cr4+:YAG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，经平凹全反镜12反射再一次通过四分之一波片10，偏振方向再次旋转45°，此时，与偏振片9透光方向恰好成90°，激光不能通过。当Nd:YAG晶体上能级粒子数达到最大时，此时给KD*P晶体或Cr4+:YAG晶体加上3800V高压，普克尔盒11相当于四分之一波片，通过其激光偏振方向旋转45°；可以通过偏振片9，最终激光通过平面输出镜7输出1064nm激光。

在输入电流160A，重复频率20Hz时，仔细调节平凹全反镜12和平面输出镜7，使其输出能量最大，并且通过CCD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75mJ，光光转换效率达到15.2%，输出激光发散角为1.7mrad。

实施例2：

图4为抗失谐无水冷全固态被动调Q激光器的光路结构示意图，如图4所示，本实施例的激光器，包括：第一半导体泵浦源1，第一能量光纤2，第一耦合系统3，双色平凹镜13，激光晶体5，Cr4+:YAG被动调Q晶体14，抗失谐器6，平面输出镜7。其中，第一半导体泵浦源1、第一能量光纤2、第一耦合系统3、激光晶体5和谐振腔单元依次设置；谐振腔单元包括：双色平凹镜13，设置在所述第一耦合系统3和激光晶体5之间；在所述激光晶体5远离所述双色平凹镜13的一侧，依次设置有Cr4+:YAG被动调Q晶体14、所述抗失谐器6和平面输出镜7。抗失谐器6包括两块形状为直角三角形的楔形镜，且两块楔形镜的斜边平行。

具体的，Cr4+:YAG被动调Q晶体6初始透过率为30%，厚度为4mm，平面输出镜对1064nm透过率为50%，双色平凹镜4和平面输出镜7构成的谐振腔长14cm。在输入电流190A，重复频率20Hz时，输出单脉冲能量48mJ，光光转换效率9.6%，脉冲宽度8.3ns。

实施例3：

图5为光纤双端泵浦抗失谐无水冷全固态激光器的光路结构示意图，如图5所示，本实施例涉及的激光器，包括：第一半导体泵浦源1和第二半导体泵浦源15，第一能量光纤2和第二能量光纤16，第一耦合系统3和第二耦合系统17，第一双色45°全反镜4和第二双色45°全反镜18，激光晶体5，平凹全反镜12，普克尔盒11，四分之一波片10，偏振片9，抗失谐器6和平面输出镜7。激光晶体5一侧依次设置有第一耦合系统3、第一能量光纤2和第一半导体泵浦源1；另一次依次设置有第二耦合系统17、第二能量光纤16和第二半导体泵浦源15；

谐振腔单元包括：

第一双色45°全反镜4，设置在所述第一耦合系统3和激光晶体5之间；在所述第一双色45°全反镜4的反射光路上，依次设置有偏振片9、四分之一波片10、普克尔盒11和平凹全反镜12；

第二双色45°全反镜18，设置在所述第二耦合系统17和激光晶体5之间；在所述第二双色45°全反镜18的反射光路上，依次设置有所述抗失谐器6和平面输出镜7。

第二耦合系统17、第二能量光纤16和第二半导体泵浦源15分别于第一耦合系统3、第一能量光纤2和第一半导体泵浦源1结构相同，不再详细描述。

在双端光纤泵浦时，泵浦能量增大为1000mJ，泵浦宽度为250μs。在重复频率20Hz时，输出最大单脉冲能量135mJ，光斑非常均匀，发散角为1.8mrad。

实施例1、2、3中，激光晶体4还可以为Nd:YLF，泵浦光波长换为798nm，泵浦宽度480μs以及换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。

激光调试时，先不插入抗失谐器，待激光器调试好后，测试激光器输出激光的单脉冲能量、脉冲宽度以及发散角。然后插入抗失谐器，调节两三角形的平行斜边的距离，待两斜边的距离为1cm时，测试此时输出激光的单脉冲能量、脉冲宽度以及发散角，若输出单脉冲能量下降不超过10%，发散角无明显变化，表示抗失谐器已经调试好。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种激光器，其特征在于，包括：依次设置的第一半导体泵浦源、第一能量光纤、第一耦合系统、激光晶体和谐振腔单元；其中，谐振腔单元中设置有抗失谐器，所述抗失谐器包括两块形状为直角三角形的楔形镜，且两块楔形镜的斜边平行。

2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述抗失谐器由熔融石英材料或K9玻璃制成。

3.如权利要求1或2所述的激光器，其特征在于，所述直角三角形的楔形镜的最小角为15°。

4.如权利要求1或3所述的激光器，其特征在于，所述谐振腔单元包括：

第一双色45°全反镜，设置在所述第一耦合系统和激光晶体之间；

在第一所述双色45°全反镜的透射光路上，依次设置有激光晶体、所述抗失谐器和平面输出镜；

在第一所述双色45°全反镜的反射光路上，依次设置有45°全反镜、偏振片、四分之一波片、普克尔盒和平凹全反镜。

5.如权利要求4所述的激光器，其特征在于，

所述普克尔盒中调Q晶体为KD*P晶体或Cr4+:YAG晶体。

6.如权利要求1或3所述的激光器，其特征在于，包括：所述谐振腔单元包括：

双色平凹镜，设置在所述第一耦合系统和激光晶体之间；

在所述激光晶体远离所述双色平凹镜的一侧，依次设置有Cr4+:YAG被动调Q晶体、所述抗失谐器和平面输出镜。

7.如权利要求6所述的激光器，其特征在于，所述Cr4+:YAG被动调Q晶体透过率为30%；所述平面输出镜对波长为1064nm的激光透过率为50%。

8.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，在所述激光晶体远离所述第一耦合系统的一侧，依次设置有第二耦合系统、第二能量光纤和第二半导体泵浦源；

所述谐振腔单元包括：

第一双色45°全反镜，设置在所述第一耦合系统和激光晶体之间；在所述第一双色45°全反镜的反射光路上，依次设置有偏振片、四分之一波片、普克尔盒和平凹全反镜；

第二双色45°全反镜，设置在所述第二耦合系统和激光晶体之间；在所述第二双色45°全反镜的反射光路上，依次设置有所述抗失谐器和平面输出镜。

9.如权利要求1、2、5或7所述的激光器，其特征在于，

所述第一半导体泵浦源提供峰值功率≤2000W的泵浦光，泵浦光脉冲宽度为100～480μs；由半导体制冷片制冷；

所述第一能量光纤的纤芯直径为800～1000μm；

所述第一耦合系统的耦合比例为1:4；

所述激光晶体为Nd:YAG晶体或Nd:YLF晶体；由半导体制冷片制冷；

所述平面输出镜面向谐振腔的一面镀透过率为70%的1064nm介质膜，另一面镀1064nm增透膜。

10.如权利要求8所述的激光器，其特征在于，

所述第一半导体泵浦源和第二半导体泵浦源提供峰值功率≤2000W的泵浦光，泵浦光脉冲宽度为100～480μs；由半导体制冷片制冷；

所述第一能量光纤和第二能量光纤的纤芯直径为800～1000μm；

所述第一耦合系统和第二耦合系统的耦合比例为1:4；

所述激光晶体为Nd:YAG晶体或Nd:YLF晶体；由半导体制冷片制冷；

所述平凹全反镜的凹面镀1064nm激光全反膜；

所述平面输出镜面向谐振腔的一面镀透过率为70%的1064nm介质膜，另一面镀1064nm增透膜。

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