CN103779771A - 高功率的双频固体微片激光器装置 - Google Patents

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胡淼
黄前锋
郑尧元
孙骁
张飞
徐亚希
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Abstract

本发明涉及一种高功率的双频固体微片激光器装置。本发明装置包括第一抽运源、第一光纤、自聚焦透镜、微片晶体、输出镜、第一反射镜和放大系统。第一抽运源输出的光耦合到第一光纤，通过自聚焦透镜汇聚到增益介质为Nd:YVO4的微片晶体，微片晶体输出的光通过输出镜、第一反射镜射入到放大系统一侧的双色镜中，经过放大系统的增益介质为双端键合的Nd:YVO4复合晶体后从放大系统另一侧的双色镜反射输出，从而获得高功率的激光；所述的微片晶体放在第一温控槽中，所述的输出镜和自聚焦透镜下方均设有移位装置。本发明结构比较简单、制作比较容易，通过调整预抽运参数，可以实现高功率激光的输出。

Description

高功率的双频固体微片激光器装置
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体是一种高功率的双频固体微片激光器装置。
背景技术
激光器问世以来，固体激光器一直占据着重要的位置，由于具有转换效率高、热负载小、寿命长、结构紧凑以及良好的稳定性等优点，激光二极管端面抽运的全固态激光器发展十分迅猛，是当前激光技术领域的研究热点之一，但连续抽运固态激光器的功率水平严重制约了高平均功率固体激光技术的进一步快速发展。2006年，张鹏等报道了采用2mm厚、1at%掺杂的Nd:YAG微片增益介质，通过调整腔内两块1/4玻片的角度，实现功率为85mW双频激光输出。2010年，Rolland A通过Nd:YAG-LiTaO3微片激光器，获得输出功率为10 mW的双频激光输出。2012年，吴霞等报道了在腔内采用1块F-P标准具选模和2块1/4玻片产生激光模式分裂的实验，最后实现功率为34 mW的双频激光输出。2012年，台湾新竹交通大学的陈永富教授团队在比较了Nd:YVO4，Nd:GdVO4，Nd:LuVO4晶体的特性后，采用Nd:LuVO4晶体在12 W入射功率的条件下，分别输出0.4 W的1085.7 nm和1.7 W的1088.5 nm双频激光输出。
发明内容
为了克服连续抽运固态激光器的功率比较低的不足，本发明提出了通过行波放大器获得高功率的固体微片激光器装置。
本发明包括第一抽运源、第一光纤、自聚焦透镜、微片晶体、输出镜、第一反射镜和放大系统，第一抽运源输出的光耦合到第一光纤，通过自聚焦透镜汇聚到增益介质为Nd:YVO4的微片晶体，微片晶体输出的光通过输出镜、第一反射镜射入到放大系统一侧的双色镜中，经过放大系统的增益介质为双端键合的Nd:YVO4 复合晶体后从放大系统另一侧的双色镜反射输出，从而获得高功率的激光；所述的微片晶体放在第一温控槽中，所述的输出镜和自聚焦透镜下方均设有移位装置。
所述的放大系统包括复合晶体，以复合晶体为中心、对称设置的双色镜、透镜对、第二光纤和第二抽运源；第二抽运光输出的光耦合到第二光纤，经透镜对、双色镜后进入复合晶体；所述的位于复合晶体两侧的透镜对构成成像系统；所述的复合晶体放置于第二温控槽中。
本发明有益效果：整个装置的设计结构比较简单、制作比较容易，通过调整预抽运参数，可以实现高功率激光的输出，在激光雷达、激光测距、光生毫米波空间通信、电子对抗等方面具有广泛的应用，是一种具有较大应用前景的高功率的双频固体微片激光器装置。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
在图1中，整个高功率的双频固体微片激光器装置包括LD抽运源1、单模光纤2、自聚焦透镜3、微片晶体5、移位控制器4、6、温控装置7、输出镜8、反射镜9、11、放大系统10、衰减片12、频谱分析仪13以及光学支架。其中放大系统包括LD抽运源14、25、光纤15、24、透镜16、17、22、23、复合晶体19、双色镜18、21以及温控设备20组成。LD的抽运1波长为808 nm，抽运光耦合系统采用耦合效率为85%的自聚焦透镜3，微片晶体5中增益介质为掺杂浓度为1at.-%的Nd:YVO4晶体，尺寸为Φ20 mm×0.9 mm，微片晶体4折射率为1.96。微片晶体5的前端面镀1064 nm全反射膜(R>99.8%)和808 nm增透膜T>96%，后端面镀1064 nm的增透膜T>96%。输出镜8的前端面镀1064 nm高反射膜(R=80%)，作为谐振腔的输出镜；输出镜8和微片晶体5分离，微片晶体5厚度和空气间隙之间的长度为谐振腔腔长。移位控制器4用于控制自聚焦透镜3，改变自聚焦透镜3与微片晶体5的距离，使激光腔模与介质中的增益分布达到模式匹配，达到双频微片激光器的最佳输出状态，位移控制器6用于控制输出镜8，改变输出镜8与微片晶体5之间的距离来调整谐振腔腔长，输出不同的激光模式；微片晶体5放在温控槽7中，温控装置精度为0.1 K，用于控制输出激光光谱的漂移；微片晶体5两端面与输出镜8前端面均为平面，平行度小于5"；光谱分析仪13的最低分辨率为0.02 nm，检测输出的激光频谱。并且单模光纤2中心、自聚焦透镜3、微片晶体5中心处于同一光轴上。
在放大系统10中，抽运源14、25为德国DILAS公司生产的两个高功率光纤耦合输出的半导体激光器，最高输出功率为50W，输出激光的中心波长为808nm，光纤15、24端面直径为400μm，数值孔径(NA)为0.22，通过调整温控设备的温度可以调节其中心波长，以达到与晶体吸收峰的有效匹配。光纤15、24耦合输出的抽运光经由两个焦距分别为18.5mm的透镜16、23和37mm的透镜17、22组成的成像系统，并透过双色镜18、21后进入激光晶体19，最终形成的抽运光斑直径可通过调节耦合系统参量进行调整。两个双色镜18、21面向成像系统的一面镀有对808nm激光45°的高透膜，面向晶体的一面镀有对808nm激光45°的高透膜和对1064nm激光45°的高反膜。为了减小因热效应而引起的晶体端面形变，采用了双端键合的Nd:YVO4 复合晶体19，其大小为3mm×3mm×( 2+ 16+ 2) mm，Nd3+掺杂原子数分数为0. 3%。复合晶体19的两个端面均镀有对808nm和1064nm的高透膜。为了有效地冷却晶体19，将其放置于温控设备20槽里。即将晶体19将其放置于四周用厚度为0.1nm的铟箔包裹后放置于紫铜制作的热沉当中用循环水进行冷却，温度设定在20                                               。
本发明的工作过程：激光二极管输出抽运光源，经过光纤传输到自聚焦透镜对输出的光进行聚焦，以提高激光的转换效率；经过自聚焦透镜的激光进入在前端面镀1064 nm全反射膜(R>99.8%)和808 nm增透膜(T>96%)，后端面镀1064 nm增透膜(T>96%)的微片晶体和前端面镀1064 nm高反射膜(R=80%)反射镜之间形成的激光谐振腔产生激光振荡，输出的激光通过放大系统进行放大之后，输出的激光中仍然掺杂一些不需要的波段的激光，通过反射特定波长的反射镜来消除这些不需要的激光，选择所需的特定波长的激光；特定波长的激光经过衰减片，最后将其频谱显示在频谱分析仪中。
在放大系统中，其放大过程为两个高功率光纤耦合输出的半导体激光器输出808nm中心波长的激光耦合到光纤中，通过光纤耦合输出的抽运光经由两个焦距分别为18.5和37mm的透镜组成的成像系统，并透过面向成像系统的一面镀有对808nm激光45°的高透膜，面向晶体的一面镀有对808nm激光45°的高透膜和对1064nm激光45°的高反膜的双色镜后进入双端键合的Nd:YVO4 复合晶体。其中调整温控设备的温度可以调节抽运光的中心波长，以达到与晶体吸收峰的有效匹配，通过调节耦合系统参量进行调整抽运光斑直径大小。

Claims (4)

1. 高功率的双频固体微片激光器装置，包括第一抽运源、第一光纤、自聚焦透镜、微片晶体、输出镜、第一反射镜和放大系统，其特征在于：第一抽运源输出的光耦合到第一光纤，通过自聚焦透镜汇聚到增益介质为Nd:YVO4的微片晶体，微片晶体输出的光通过输出镜、第一反射镜射入到放大系统一侧的双色镜中，经过放大系统的增益介质为双端键合的Nd:YVO4 复合晶体后从放大系统另一侧的双色镜反射输出，从而获得高功率的激光；所述的微片晶体放在第一温控槽中，所述的输出镜和自聚焦透镜下方均设有移位装置；
所述的放大系统包括复合晶体，以复合晶体为中心、对称设置的双色镜、透镜对、第二光纤和第二抽运源；第二抽运光输出的光耦合到第二光纤，经透镜对、双色镜后进入复合晶体；所述的位于复合晶体两侧的透镜对构成成像系统；所述的复合晶体放置于第二温控槽中。
2.根据权利要求1所述的高功率的双频固体微片激光器装置，其特征在于：还包括第二反射镜、衰减片和频谱仪，所述的第二反射镜接收来自放大系统的输出激光，用于改变光路和选取特定波长的光，所述的衰减片用于改变激光的功率大小，所述的频谱仪用于检测输出的激光频谱。
3.根据权利要求1所述的高功率的双频固体微片激光器装置，其特征在于：所述的第一抽运源产生波长为808nm连续抽运光；第一光纤采用单模光纤；自聚焦透镜用于调整耦合光进入微片晶体中的光斑大小，微片晶体采用各向异性的双频微片晶体，在微片晶体的前端面和后端面分别镀膜。
4.根据权利要求1所述的高功率的双频固体微片激光器装置，其特征在于：所述的第二抽运源为德国DILAS公司生产的高功率光纤耦合输出的半导体激光器；第二光纤的端面直径为400μm，数值孔径为0.22；透镜对中靠近复合晶体的一个透镜的焦距为37mm，另一个透镜的焦距为18.5m；双色镜面向成像系统的一面镀有对808nm激光45°的高透膜，面向复合晶体的一面镀有对808nm激光45°的高透膜和对1064nm激光45°的高反膜；复合晶体的两个端面均镀有对808nm和1064nm的高透膜。
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