CN103872571A

CN103872571A - 全固态激光装置

Info

Publication number: CN103872571A
Application number: CN201210545144.6A
Authority: CN
Inventors: 杜仕峰; 王彩丽; 彭钦军; 牛燕雄; 薄勇; 许家林; 张超; 崔大复; 许祖彦
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明提供一种全固态激光装置，包括有：多个串接的激光模块，每个激光模块包含激光晶体棒、多组半导体激光阵列及配套机械结构；所述激光晶体棒由Tm:YAG晶体两端键合白YAG晶体组成；腔镜A及腔镜B，所述腔镜A为全反镜，在其表面镀有2μm波长的高反膜；所述腔镜B为输出耦合镜，在其朝向所述光学谐振腔内的表面镀有2μm波长的部分反射膜，其另一面镀有2μm波长的增透膜；水冷系统，用于控制所述多个激光模块的温度；电源模块，用于给所述多个激光模块提供驱动电源；本发明提供的装置可以输出中心波长为2.07μm的高功率全固态Tm:YAG激光，其输出波长在大气中具有较高的透过率；该装置降低了设计复杂性，可广泛应用。

Description

全固态激光装置

技术领域

本发明涉及激光器领域，特别涉及一种能够输出中心波长为2.07μm的高功率全固态Tm:YAG激光的激光装置。

背景技术

中心波长为2μm的高功率激光在医学、光通信、遥感、雷达等领域具有重要的应用价值。其中，该类激光器的激光晶体棒一般采用Tm³⁺掺杂或Ho³⁺掺杂激光晶体来获得高功率的激光，在该方案中，泵浦源一般采用中心波长为0.785μm的GaAlAs半导体激光器，所述半导体激光器在生长、加工、封装等方面已成熟，且其性价比高，适用于产业化。

针对上述的Tm:YAG激光器，其输出中心波长在2.01μm和2.02μm，且该激光器结构比较简单，已实现超过100W的连续波和脉冲运转激光输出；但是，这些波长在大气中具有很多吸收线，其透过率较低；针对Ho激光器，其输出中心波长在2.09μm和2.12μm，该激光器结构比较复杂，一般采用多路合成技术方案，通常为3至5路，受合成机械结构转速限制，因此其很难实现高重频（>5KHz）高功率激光的输出。

针对2μm激光器的某些应用领域，需要2μm激光器不仅具有较高的输出功率，且其产生的波长在大气中应具有较高的透过率，且重复频率要求高（>5KHz），显然现有的方案并不能满足这样的要求；恰好中心波长为2.07μm的激光在大气中具有较好的透过率，能够避开GaAs吸收带，可以减少GaAs等OPO晶体泵浦时的吸收损耗；因此能够获得中心波长为2.07μm的高功率全固态Tm:YAG激光器在光电对抗等领域有重要的应用价值。

目前，R.C.Stoneman等人采用双折射晶体进行波长调谐，获得了280mW的2.07μm激光输出，但是，由于存在较大的插入损耗，将不利于产生高功率的激光输出。

由此看来，现有技术确有待于提高。

发明内容

针对现有技术中产生的激光波长透过率低、难以输出高功率激光的不足，本发明提供一种全固态激光装置，使得其可以输出中心波长为2.07μm的高功率全固态Tm:YAG激光。

为实现以上功能，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种全固态激光装置，包括有：

多个串接的激光模块；每个激光模块包含有激光晶体棒、多组半导体激光阵列及配套机械结构；所述激光晶体棒由Tm:YAG晶体两端键合白YAG晶体组成，所述配套机械结构用于固定所述多组半导体激光阵列及激光晶体棒；

腔镜A及腔镜B，用以组成光学谐振腔；其中，所述腔镜A为全反镜，在其表面镀有2μm波长的高反膜；所述腔镜B为输出耦合镜，在其朝向所述光学谐振腔内的表面镀有2μm波长的部分反射膜，在其另一面镀有2μm波长的增透膜；所述腔镜A及腔镜B分别位于所述多个串接激光模块的两侧；

水冷系统，用于控制所述多个激光模块的温度；

电源模块，用于给所述多个激光模块提供驱动电源。

优选的，所述多组半导体激光阵列为GaAlAs半导体激光阵列，所述多组半导体激光阵列围绕所述激光晶体棒均匀分布。

优选的，所述多组半导体激光阵列为五组半导体激光阵列，该五组半导体激光阵列围绕所述激光晶体棒呈72°均匀分布。

优选的，所述激光晶体棒直径为4mm，总长度为105mm；其中，所述Tm:YAG晶体长为69mm，其两端键合的白YAG晶体分别长18mm；所述Tm:YAG晶体掺杂浓度为2.5at.%～4at.%，所述Tm:YAG晶体在未键合白YAG晶体的侧表面刻有螺纹。

优选的，所述Tm:YAG晶体掺杂浓度为3.5at.%，且所述Tm:YAG晶体在未键合白YAG晶体的侧表面刻有深0.1mm、宽0.6mm的螺纹。

优选的，所述激光晶体棒两端的通光表面镀有2μm波长的增透膜，所述激光晶体棒两端的通光孔径大于95%。

优选的，所述每组半导体激光阵列包含12个半导体激光器，该12个半导体激光器呈双线六列排布，所述半导体激光器的运行模式为连续模式或脉冲模式。

优选的，所述半导体激光器发射的激光波长为785nm，线宽为2nm，所述半导体激光器的发光点列尺寸为11mm×0.1mm，所述半导体激光器的额定最大输出功率为20W。

优选的，所述腔镜A的反射率大于99.8%，所述腔镜B的反射率为95%。

优选的，所述水冷系统用于控制所述多个激光模块的温度，使其不超过12℃。

优选的，所述多个激光模块之间的距离为50mm，所述腔镜A与腔镜B分别位于所述多个串接激光模块的两侧，且与所述激光模块的距离均为25mm。

本发明提供一种全固态激光装置，其采用具有较低透过率的输出耦合镜，实现了中心波长为2.07μm的激光输出；采用多组半导体激光器阵列，每组半导体激光器阵列的发射中心波长为785nm，提供了高强度的泵浦激励；采用多个激光模块串接的技术，实现了百瓦级中心波长为2.07μm Tm:YAG激光的输出；本发明与常见的全固态Tm:YAG激光装置相比，其输出波长在大气中具有较高的透过率；该装置降低了设计复杂性，可广泛应用。

附图说明

图1为本发明中激光晶体棒的结构示意图；

图2为本发明一实施例中腔镜A、腔镜B以及激光模块组成的系统结构侧视示意图；

图3为本发明一实施例中激光模块与水冷系统组成的系统结构截面示意图；

图4为本发明中套管喷射冷却结构示意图。

具体实施方式

下面对于本发明所提出的一种全固态激光装置，结合附图和实施例详细说明。

本发明提供一种全固态激光装置，包括有：

多个串接的激光模块T、腔镜A及腔镜B、水冷系统及电源模块。

每个激光模块T包含有激光晶体棒1、多组半导体激光阵列2及配套机械结构；如图1所示，所述激光晶体棒1由Tm:YAG晶体101两端键合白YAG晶体102组成，所述配套机械结构用于固定所述多组半导体激光阵列2及激光晶体棒1；该配套机械结构通常包括冷却微通道、硅胶O型圈、铜质反光瓦、激光头端盖、激光头法兰、石英管、螺钉等；所述多个串接的激光模块T的数量不低于两个，在该实施例中以两个串接的激光模块T为例进行阐述。

腔镜A3及腔镜B4，用以组成光学谐振腔；其中，所述腔镜A3为全反镜，在其表面镀有2μm波长的高反膜；所述腔镜B4为输出耦合镜，在其朝向所述光学谐振腔内的表面镀有2μm波长的部分反射膜，在其另一面镀有2μm波长的增透膜；所述腔镜A3及腔镜B4分别位于所述多个串接激光模块T的两侧；如图2所示，该实施例中提供串接的激光模块T1与激光模块T2，所述腔镜A3及腔镜B4分别位于所述两个串接激光模块T的两侧。

水冷系统，用于控制所述多个激光模块T的温度；该水冷系统采用套管喷射冷却结构5，对激光晶体棒1与半导体激光器阵列2分别进行控温冷却。

电源模块，用于给所述多个激光模块T提供驱动电源；可以用一个电源模块对多个激光模块T一起供电，也可以用多个电源模块对多个激光模块T分别供电。

优选的，所述多组半导体激光阵列2为GaAlAs半导体激光阵列，所述多组半导体激光阵列2围绕所述激光晶体棒1均匀分布。

优选的，所述多组半导体激光阵列2为五组半导体激光阵列，该五组半导体激光阵列围绕所述激光晶体棒1呈72°均匀分布。

图3为所述激光模块T与水冷系统组成的系统结构截面示意图，水冷系统采用套管喷射冷却结构5，该套管喷射冷却结构5分为内外两层，其分别与激光晶体棒1同轴心地套于激光晶体棒1的外边，并用硅胶O型圈与激光模块T端头固定，形成密封水路，所述配套机械结构的铜质反光瓦6用于固定所述五组半导体激光阵列2及激光晶体棒1。

如图4所示，所述套管喷射冷却结构5的两层套管中间留有夹层空间，形成外夹层501；所述内层套管与激光晶体棒1之间形成内夹层502；在所述内层套管上规则的钻有若干直径为300μm的小孔，使得内外夹层联通，冷却水经过激光模块T的端头并从所述套管喷射冷却结构5一端的冷却水入口503流入所述外夹层501，然后通过内层套管所开的小孔喷射到激光晶体棒1的表面进行冷却，再从所述套管喷射冷却结构5另一端的内夹层502流出到另一侧激光模块T的端头，从冷却水出口504流出；所述水冷系统用于控制所述多个激光模块的温度，使其不超过12℃；在本实施例中采用去离子水作为水冷系统的冷却液，并将冷却温度控制在8℃。

优选的，如图1所示，所述激光晶体棒1的直径为4mm，总长度为105mm；其中，所述Tm:YAG晶体101长为69mm，其两端键合的白YAG晶体102分别长18mm；所述Tm:YAG晶体101掺杂浓度为2.5at.%～4at.%，所述Tm:YAG晶体101在未键合白YAG晶体的侧表面刻有螺纹。

优选的，所述Tm:YAG晶体101掺杂浓度为3.5at.%，且所述Tm:YAG晶体101在未键合白YAG晶体102的侧表面刻有深0.1mm、宽0.6mm的螺纹。

优选的，所述激光晶体棒1两端的通光表面镀有2μm波长的增透膜，所述激光晶体棒两端的通光孔径大于95%。

优选的，所述每组半导体激光阵列2包含12个半导体激光器，该12个半导体激光器呈双线六列排布，所述半导体激光器的运行模式为连续模式或脉冲模式。

优选的，所述腔镜A 3的反射率大于99.8%，所述腔镜B4的反射率为95%。

优选的，所述多个激光模块T之间的距离L2为50mm，所述腔镜A3与腔镜B4分别位于所述多个串接激光模块T的两侧，且与所述激光模块T的距离L1和L3均为25mm。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种全固态激光装置，其特征在于，包括有：

水冷系统，用于控制所述多个激光模块的温度；

电源模块，用于给所述多个激光模块提供驱动电源。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多组半导体激光阵列为GaAlAs半导体激光阵列，所述多组半导体激光阵列围绕所述激光晶体棒均匀分布。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述多组半导体激光阵列为五组半导体激光阵列，该五组半导体激光阵列围绕所述激光晶体棒呈72°均匀分布。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述激光晶体棒直径为4mm，总长度为105mm；其中，所述Tm:YAG晶体长为69mm，其两端键合的白YAG晶体分别长18mm；所述Tm:YAG晶体掺杂浓度为2.5at.%～4at.%，所述Tm:YAG晶体在未键合白YAG晶体的侧表面刻有螺纹。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述Tm:YAG晶体掺杂浓度为3.5at.%，且所述Tm:YAG晶体在未键合白YAG晶体的侧表面刻有深0.1mm、宽0.6mm的螺纹。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述激光晶体棒两端的通光表面镀有2μm波长的增透膜，所述激光晶体棒两端的通光孔径大于95%。

7.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述每组半导体激光阵列包含12个半导体激光器，该12个半导体激光器呈双线六列排布，所述半导体激光器的运行模式为连续模式或脉冲模式。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述半导体激光器发射的激光波长为785nm，线宽为2nm，所述半导体激光器的发光点列尺寸为11mm×0.1mm，所述半导体激光器的额定最大输出功率为20W。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述腔镜A的反射率大于99.8%，所述腔镜B的反射率为95%。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水冷系统用于控制所述多个激光模块的温度，使其不超过12℃。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个激光模块之间的距离为50mm，所述腔镜A与腔镜B分别位于所述多个串接激光模块的两侧，且与所述激光模块的距离均为25mm。