CN103457152B - 无水冷激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无水冷激光器，包括：主振荡器泵浦源（1）、主振荡器能量光纤（2）、主振荡器耦合系统（3）、主振荡器激光晶体（4）、第一偏振片（5）、第一四分之一波片（6）、普克尔盒（7）、平凹输出镜（8）、扩束系统（9）、第一45°全反镜（10）、第二45°全反镜（11）、第二偏振片（12）、第二四分之一波片（13）、功率放大器激光晶体（14）、功率放大器耦合系统（15）、功率放大器能量光纤（16）、功率放大器泵浦源（17）和第三偏振片（18）。本发明具有体积小、功耗低、无水冷全固态的特点；在保证高峰值功率大能量和单横模输出的情况下，还能保证外触发与出光时间抖动为十几ns的能力。

Description

无水冷激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种无水冷激光器。

背景技术

基于主振荡功率放大器(MOPA，MasterOscillatorPower-Amplifier)的激光器，尤其是端面泵浦的主振荡功率放大器，既能保持主振荡器的高光束质量，又能保证高的峰值功率、高的转换效率、大能量输出，该类激光器被广泛应用于激光加工、远程测绘、空间雷达等领域。半导体激光器(LD，LaserDiode)作为泵浦源，因其与传统灯泵浦相比具有结构紧凑、寿命长、能量转换效率高、易于热管理等优势，被广泛使用在主振荡功率放大器中。连续或准连续的半导体激光器已经在中小功率的工业激光器中得到了广泛应用，脉冲式半导体激光器也已经有了成型的产品。以半导体激光器作为泵浦源，此类主振荡功率放大器具有输出能量高、脉宽窄、结构紧凑等优点，具有广泛的实用价值。

按泵浦方式来分类，端面泵浦可以分为连续端面泵浦和脉冲式端面泵浦。连续端面泵浦多以光纤方式输出泵浦光，此类泵浦光光斑均匀，输出功率从几瓦到几千瓦。连续端面泵浦的MOPA激光器，输出光束质量好(单横模)，重复频率高，其光束质量在X方向为1.28，在Y方向为1.21；也有输出单脉冲大能量的MOPA激光器，其脉冲宽度为60ns，重复频率5kHz，光束质量小于1.3。但是，它们都采用水冷的方式，因为连续泵浦功率大，产生的热量多。于是，出现了脉冲式端面泵浦，泵浦源平均功率较低，可以采用传导冷却或者风冷方式，大大减少了增益晶体或泵浦源被污染的机会，其光束质量小于1.5，但单脉冲能量只有54mJ，限制了远程测距的距离。

侧面泵浦板条MOPA无水冷激光器，结构简单，输出单脉冲能量大，但是，采用脉冲二极管直接泵浦，泵浦光的均匀性影响输出光的光束质量。

如何在无水冷全固态、高峰值功率、大能量输出的情况下，保证光束为单横模，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无水冷激光器，用以解决上述现有技术存在的问题之一。

为解决上述技术问题，本发明提供一种无水冷激光器，包括：

主振荡器泵浦源(1)，用于提供泵浦光；

主振荡器能量光纤(2)，用于对主振荡器泵浦源(1)输出的泵浦光进行传输和匀化；

主振荡器耦合系统(3)，用于将主振荡器能量光纤(2)传输的泵浦光耦合进主振荡器激光晶体(4)；

主振荡器激光晶体(4)，用于提供主振荡器增益；

第一偏振片(5)，用于使主振荡器激光晶体(4)输出的激光起偏，偏振方向为水平方向；

第一四分之一波片(6)，用于使来自第一偏振片(5)的激光偏振方向旋转45°；

普克尔盒(7)，用于在主振荡器激光晶体(4)上的能级粒子数达到最大时，控制平凹输出镜(8)输出激光；

平凹输出镜(8)，与主振荡器激光晶体(4)的左端面构成主振荡器谐振腔，透过部分激光，输出种子光，偏振方向为水平方向；

扩束系统(9)，对平凹输出镜(8)输出种子光进行扩束；

第一45°全反镜(10)和第二45°全反镜(11)，对扩束后的种子光进行全反射，使其射入第二偏振片(12)；

第二偏振片(12)，透射水平方向的种子光，反射垂直方向的种子光；

第二四分之一波片(13)；使通过其的种子光偏振态旋转45°；

功率放大器激光晶体(14)，用于对第二四分之一波片(13)传输的种子光进行放大；放大后种子光再次通过第二四分之一波片(13)，其偏振态再次旋转45°，成为垂直方向的种子光，第二偏振片(12)将其反射至第三偏振片(18)，经第三偏振片(18)反射输出放大光；

功率放大器泵浦源(17)；用于提供泵浦光；

功率放大器能量光纤(16)；用于对功率放大器泵浦源(17)输出的泵浦光进行传输和匀化；

功率放大器耦合系统(15)，用于将功率放大器能量光纤(16)传输的泵浦光耦合进功率放大器激光晶体(14)。

进一步，主振荡器泵浦源(1)提供峰值功率≤500W的泵浦光，泵浦光脉冲宽度为100～480μs；主振荡器泵浦源(1)由半导体制冷片制冷；

功率放大器泵浦源(17)提供峰值功率≤2000W的泵浦光，泵浦光脉冲宽度为100～480μs。

进一步，主振荡器能量光纤(2)的纤芯直径为600～1000μm；功率放大器能量光纤(16)的纤芯直径为800～1000μm。

进一步，主振荡器耦合系统(3)的耦合比例为1:2；功率放大器耦合系统(15)的耦合比例为1：4。

进一步，主振荡器激光晶体(4)或功率放大器激光晶体(14)为Nd:YAG晶体；Nd:YAG晶体面向泵浦光端面镀1064nm全反膜和808nm高透模；另一端面镀1064nm增透膜和808nm增透模；功率放大器激光晶体(14)双端面镀1064nm增透膜和808nm增透膜；主振荡器激光晶体(4)或功率放大器激光晶体(14)由半导体制冷片制冷。

进一步，主振荡器激光晶体(4)或功率放大器激光晶体(14)为Nd:YLF。

进一步，平凹输出镜(8)向主振荡器谐振腔内的一面镀透过70％的1064nm介质膜，另一面镀1064nm增透膜。

进一步，普克尔盒(7)中调Q晶体为KD*P晶体；主振荡器激光晶体(4)，发射激光，激光通过第一偏振片(5)起偏，偏振方向为水平方向，水平方向的激光通过第一四分之一波片(6)，偏振方向旋转45°；此时普克尔盒(7)中KD*P晶体上并未施加电压，相当于平片，激光通过KD*P晶体偏振方向不改变，经主振荡器激光晶体(4)镀全反射膜面反射再一次通过第一四分之一波片(6)，偏振方向再次旋转45°，与第一偏振片(5)透光方向恰好成90°，激光不能通过；当在Nd:YAG晶体上能级粒子数达到最大时，给普克尔盒(7)中KD*P晶体施加电压，普克尔盒(7)相当于四分之一波片，激光通过平凹输出镜(8)输出。

进一步，扩束系统(9)的扩束比例为1:3。

进一步，用Cr4+:YAG被动调Q晶体(19)代替所述第一四分之一波片(6)和普克尔盒(7)。

本发明有益效果如下：

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，具有体积小、功耗低、无水冷全固态的特点；在保证高峰值功率大能量和单横模输出的情况下，还能保证外触发与出光时间抖动为十几ns的能力。

附图说明

图1是本发明实施例一中一种无水冷激光器的光路结构示意图；

图2是本发明实施例二中一种无水冷激光器的光路结构示意图。

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。

实施例一：

图1为主振荡功率放大器的无水冷激光器的光路结构示意图，如图1所示，该无水冷激光器包括：

主振荡器泵浦源1，用于提供高峰值功率准连续主振荡器泵浦光；

主振荡器能量光纤2，用于对主振荡器泵浦源1输出的泵浦光进行传输和匀化；

主振荡器耦合系统3，用于将主振荡器能量光纤2传输的泵浦光耦合进主振荡器激光晶体4；

主振荡器激光晶体4，用于提供主振荡器增益；

第一偏振片5，用于使主振荡器激光晶体4输出的激光起偏，偏振方向为水平方向；

第一四分之一波片6，用于使来自第一偏振片5的激光偏振方向旋转45°；

普克尔盒7，用于在主振荡器激光晶体4上的能级粒子数达到最大时，控制平凹输出镜8输出激光；普克尔盒7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四分之一电压时，相当于四分之一波片；

平凹输出镜8，与主振荡器激光晶体4的左端面构成主振荡器谐振腔，透过部分激光，输出种子光，偏振方向为水平方向；

扩束系统9，对平凹输出镜8输出种子光进行扩束；

第一45°全反镜10和第二45°全反镜11，对扩束后的种子光进行全反射，使其射入第二偏振片12；

第二偏振片12，透射水平方向的种子光，反射垂直方向的种子光；

第二四分之一波片13；使通过其的种子光偏振态旋转45°；

功率放大器激光晶体14，用于对第二四分之一波片13传输的种子光进行放大；放大后种子光再次通过第二四分之一波片13，其偏振态再次旋转45°，成为垂直方向的种子光，第二偏振片12将其反射至第三偏振片18，经第三偏振片18反射输出放大光；

功率放大器泵浦源17；用于提供高峰值功率准连续泵浦光；泵浦光的峰值功率≤2000W，脉冲宽度为100～480μs。

功率放大器能量光纤16；用于对功率放大器泵浦源17输出的泵浦光进行传输和匀化；其纤芯直径为800～1000μm。

功率放大器耦合系统15，用于将功率放大器能量光纤16传输的泵浦光耦合进功率放大器激光晶体14；其耦合比例为1：4或其它比例。

其中，从主振荡器泵浦源1发出的准连续泵浦光经主振荡器能量光纤2匀化和传输，通过主振荡器耦合系统3入射到主振荡器激光晶体4上，激光起振后在由激光晶体4左端面和平凹输出镜8组成的谐振腔内来回振荡，使主振荡器激光晶体4积累的反转粒子数达到最大，后经普克尔盒7调Q输出偏振方向为水平方向的种子光；种子光经扩束系统9扩束后，经第一45°全反镜10和第二45°全反镜11反射，并不改变种子光的偏振态；经第二偏振片12进入第二四分之一波片13，种子光偏振态旋转45°；种子光经功率放大器激光晶体14放大后，又一次通过第二四分之一波片13，偏振态再次旋转45°，与种子光初始偏振态成90°，不能通过第二偏振片12，经第二偏振片12和第三偏振片18反射输出放大光。

具体的，主振荡器泵浦源1，提供峰值功率≤500W的泵浦光，泵浦光脉冲宽度为100～480μs。例如，主振荡器泵浦源1，半导体激光器在25℃输出波长808nm泵浦光，在输入电流120A时输出最大峰值功率500W，调制宽度为250μs，所以最大输出单脉冲能量125mJ。主振荡器泵浦源1由一片40W功率半导体制冷片制冷，温度控制在0.2℃内。

主振荡器能量光纤2，其纤芯直径为600～1000μm。高峰值功率808nm泵浦光由纤芯直径为600μm的主振荡器能量光纤2传输到主振荡器耦合系统3。主振荡器能量光纤2最大承受峰值功率5KW，长度为2m，使808nm泵浦光在传输过程中变得非常均匀，损耗小于1％。均匀的808nm泵浦光通过主振荡器耦合系统3进入主振荡器激光晶体4。主振荡器耦合系统3的耦合比例为1:2(或其它比例)，所以在晶体中的最小光斑直径为1.2mm。

主振荡器激光晶体4为Nd:YAG晶体，掺杂原子分数为0.8％，直径为3mm，长度为30mm。Nd:YAG晶体面向泵浦光端面镀1064nm全反膜(R≥99.9％)和808nm高透模(T≥99.8％)；一端面镀1064nm增透膜(T≥99.9％)和808nm增透模(T≥99.9％)。主振荡器激光晶体4由一片40W功率半导体制冷片制冷，温度控制在23℃。

主振荡器谐振腔由主振荡器激光晶体4左端面和平凹输出镜8组成。平凹输出镜8曲率半径为200mm，平凹输出镜8面向主振荡器谐振腔内的一面镀透过70％的1064nm介质膜，另一面镀1064nm增透膜。

808nm泵浦光泵浦主振荡器激光晶体4，使其粒子数反转，发射激光，激光通过第一偏振片5起偏，偏振方向为水平方向，水平方向的激光通过第一四分之一波片6，偏振方向旋转45°，此时普克尔盒7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，经主振荡器激光晶体4镀全反膜面反射再一次通过第一四分之一波片6，偏振方向再次旋转45°，此时，与偏振片5透光方向恰好成90°，激光不能通过。在Nd:YAG晶体上能级粒子数达到最大时，此时给KD*P晶体加上3800V高压，激光通过平凹输出镜8，输出1064nm激光。

在输入电流100A，重复频率20Hz时，仔细调节平凹输出镜8，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120A时，输出最大单脉冲能量8mJ，输出光斑直径为1.2mm，偏振方向为水平方向。

主振荡器输出种子光，经扩束系统9扩束后，光斑直径扩大到3.6mm，扩束系统9的扩束比例为1:3。经第一45°全反镜10、第二45°全反镜11、第二偏振片12、第二四分之一波片13进入功率放大器激光晶体14，功率放大器激光晶体14为Nd:YAG晶体，其掺杂原子分数为0.8％，直径为5mm，长度为60mm。功率放大器激光晶体14双端面镀1064nm增透膜(T≥99.9％)和808nm增透膜(T≥99.9％)，功率放大器激光晶体14由一片40W功率半导体制冷片制冷，温度控制在23℃。经功率放大器激光晶体14双程放大后的种子光经偏振片18反射输出，输出最大单冲能量为81mJ，功率放大器光光转换效率达到17％。输出远场光斑，X方向光束质量为1.5，Y方向光束质量为1.6。通过DG535控制功率放大器泵浦和主振荡器调Q之间的延时，使输出单脉冲能量最大，由于电光调Q上升沿快，所以外触发与出光时间抖动为十几ns。

实施例二：

图2为实施例2主振荡功率放大器的无水冷激光器的光路结构示意图，如图2所示，无水冷激光器包括：

主振荡器泵浦源1；主振荡器能量光纤2；主振荡器耦合系统3；主振荡器激光晶体4；第一偏振片5；Cr4+:YAG被动调Q晶体19；平凹输出镜8；扩束系统9；第一45°全反镜10；第二45°全反镜11；第二偏振片12；第二四分之一波片13；功率放大器激光晶体14；功率放大器耦合系统15；功率放大器能量光纤16；功率放大器泵浦源17；第三偏振片18。

与实施例一相同的部件，其结构、功能以及效果也与实施例一相同，因此，本实施例不再详细描述。实施例一与实施例二的区别在于：实施例二没有使用第一四分之一波片6和普克尔盒7，而是采用了Cr4+:YAG被动调Q晶体19，Cr4+:YAG被动调Q晶体19初始透过率为30％，厚度为3mm，平面输出镜对1064nm透过率为50％，主振荡器激光晶体4左端面和平凹输出镜8构成的谐振腔长13cm。在输入电流120A，重复频率20Hz时，输出单脉冲能量5mJ，经功率放大系统放大后输出能量达55mJ。

实施例一和实施例二中，主振荡器激光晶体4和功率放大器激光晶体14还可以为Nd:YLF，泵浦光的波长改为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。

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 (8)

1.一种无水冷激光器，其特征在于，包括：

主振荡器泵浦源(1)，用于提供泵浦光；

主振荡器能量光纤(2)，用于对主振荡器泵浦源(1)输出的泵浦光进行传输和匀化；

主振荡器耦合系统(3)，用于将主振荡器能量光纤(2)传输的泵浦光耦合进主振荡器激光晶体(4)；

主振荡器激光晶体(4)，用于提供主振荡器增益；

第一偏振片(5)，用于使主振荡器激光晶体(4)输出的激光起偏，偏振方向为水平方向；

第一四分之一波片(6)，用于使来自第一偏振片(5)的激光偏振方向旋转45°；

普克尔盒(7)，用于在主振荡器激光晶体(4)上的能级粒子数达到最大时，控制平凹输出镜(8)输出激光；

平凹输出镜(8)，与主振荡器激光晶体(4)的左端面构成主振荡器谐振腔，透过部分激光，输出种子光，偏振方向为水平方向；

扩束系统(9)，对平凹输出镜(8)输出种子光进行扩束；

第一45°全反镜(10)和第二45°全反镜(11)，对扩束后的种子光进行全反射，使其射入第二偏振片(12)；

第二偏振片(12)，透射水平方向的种子光，反射垂直方向的种子光；

第二四分之一波片(13)；使通过其的种子光偏振态旋转45°；

功率放大器激光晶体(14)，用于对第二四分之一波片(13)传输的种子光进行放大；放大后种子光再次通过第二四分之一波片(13)，其偏振态再次旋转45°，成为垂直方向的种子光，第二偏振片(12)将其反射至第三偏振片(18)，经第三偏振片(18)反射输出放大光；

功率放大器泵浦源(17)；用于提供泵浦光；

功率放大器能量光纤(16)；用于对功率放大器泵浦源(17)输出的泵浦光进行传输和匀化；

功率放大器耦合系统(15)，用于将功率放大器能量光纤(16)传输的泵浦光耦合进功率放大器激光晶体(14)；

其中，主振荡器激光晶体(4)或功率放大器激光晶体(14)为Nd:YAG晶体；Nd:YAG晶体面向泵浦光端面镀1064nm全反膜和808nm高透模；另一端面镀1064nm增透膜和808nm增透模；功率放大器激光晶体(14)双端面镀1064nm增透膜和808nm增透膜；主振荡器激光晶体(4)或功率放大器激光晶体(14)由半导体制冷片制冷；普克尔盒(7)中调Q晶体为KD*P晶体；主振荡器激光晶体(4)发射激光，激光通过第一偏振片(5)起偏，偏振方向为水平方向，水平方向的激光通过第一四分之一波片(6)，偏振方向旋转45°；此时普克尔盒(7)中KD*P晶体上并未施加电压，相当于平片，激光通过KD*P晶体偏振方向不改变，经主振荡器激光晶体(4)镀全反膜面反射再一次通过第一四分之一波片(6)，偏振方向再次旋转45°，与第一偏振片(5)透光方向恰好成90°，激光不能通过；当在Nd:YAG晶体上能级粒子数达到最大时，给普克尔盒(7)中KD*P晶体施加电压，普克尔盒(7)相当于四分之一波片，激光通过平凹输出镜(8)输出。

2.如权利要求1所述的无水冷激光器，其特征在于，主振荡器泵浦源(1)提供峰值功率≤500W的泵浦光，泵浦光脉冲宽度为100～480μs；主振荡器泵浦源(1)由半导体制冷片制冷；

功率放大器泵浦源(17)提供峰值功率≤2000W的泵浦光，泵浦光脉冲宽度为100～480μs。

3.如权利要求1所述的无水冷激光器，其特征在于，主振荡器能量光纤(2)的纤芯直径为600～1000μm；功率放大器能量光纤(16)的纤芯直径为800～1000μm。

4.如权利要求1所述的无水冷激光器，其特征在于，主振荡器耦合系统(3)的耦合比例为1:2；功率放大器耦合系统(15)的耦合比例为1：4。

5.如权利要求1所述的无水冷激光器，其特征在于，主振荡器激光晶体(4)或功率放大器激光晶体(14)为Nd:YLF。

6.如权利要求1所述的无水冷激光器，其特征在于，平凹输出镜(8)向主振荡器谐振腔内的一面镀透过70％的1064nm介质膜，另一面镀1064nm增透膜。

7.如权利要求1所述的无水冷激光器，其特征在于，扩束系统(9)的扩束比例为1:3。

8.如权利要求1～7任一项所述的无水冷激光器，其特征在于，用Cr4+:YAG被动调Q晶体(19)代替所述第一四分之一波片(6)和普克尔盒(7)。