CN103887698A

CN103887698A - 一种高效的单泵源双端对称式泵浦激光器

Info

Publication number: CN103887698A
Application number: CN201410089574.0A
Authority: CN
Inventors: 庄凤江
Original assignee: Huaqiao University
Current assignee: Huaqiao University
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2014-06-25

Abstract

本发明提供一种高效的单泵源双端对称式泵浦激光器，包括半导体激光泵浦源和沿光轴依次放置的泵浦光耦合光纤、准直透镜、第一聚焦透镜、第一谐振腔镜、激光增益介质、第二谐振腔镜、第二聚焦透镜、泵浦光全反镜；还包括激光输出耦合镜，由第一谐振腔镜、第二谐振腔镜和激光输出耦合镜组成L形的激光谐振腔。本发明通过合理地配置光学元件，优化泵浦结构设计抵消激光增益介质的热效应；采用回收利用的方法解决泵浦光单程吸收不完全的问题，大大提高泵浦光的利用率；实现了高效高功率高光束质量的端面泵浦激光器。该激光器简单紧凑，大大节省硬件成本，调试安装方便，综合性能优异，可以广泛应用于基频激光、变频激光及调Q锁模激光等全固态激光技术领域。

Description

一种高效的单泵源双端对称式泵浦激光器

技术领域

本发明涉及激光技术应用领域，特别是涉及一种高效的单泵源双端对称式泵浦激光器。

背景技术

全固态激光器（DPSSL，Diode Pumped Solid State Laser）具有效率高、性能可靠、重量轻、结构简单紧凑、输出光束质量好，功率稳定性较高和价格低等实用化的优点。作为全固态激光器的核心组件，半导体激光泵浦源是尤为重要的。正因为半导体二极管制造技术的飞速发展，全固态激光器的性能也不断地提高。目前，单个由光纤耦合输出的半导体二极管泵浦源，其激光功率可达75W、100W，甚至几百瓦。然而，由于激光晶体性能的限制，简单地提高泵浦光功率无法直接获得高功率高光束质量的激光输出。在实际应用中，现有典型的单端面泵浦激光器的输出功率主要受限制于两个问题。第一，高功率的泵浦光单程通过激光晶体不能被完全吸收；第二，单端的泵浦容易引起激光晶体的一侧受热不均匀而导致晶体内的热效应，最终使输出激光的光束质量发生严重的畸变。因此，只有有效地改进端面泵浦结构，才能实现高效的激光输出。

目前为止，现有技术中最为典型的泵浦设计仍然是单端泵浦结构的激光器。为了进一步提高端面泵浦激光器的输出功率，双端泵浦激光器被人们提出来。其中，典型的双端面泵浦激光器为采用两个相同的半导体二极管泵源同时泵浦激光晶体的两侧（中国专利公开号CN102044837A和CN202695966U）。尽管该设计可以克服光束的畸变，获得较高较好的光束质量，但是该结构没有考虑泵浦光单程吸收不完全的问题，且需要由两个二极管泵浦源构成。相对单泵源而言，过程更为复杂，设备成本高，实际应用较为困难。另一种典型的结构为单二极管双端泵浦激光器（中国专利公开号CN102570266A）。该设计是将一个二极管泵源的泵浦光平均分成两份后，分别通过泵浦光转折镜注入激光晶体的两端。该结构可以克服光束的畸变，获得较高较好的光束质量，但是该结构也没有考虑泵浦光单程吸收不完全的问题。此外，该结构中利用了多个泵浦光全反镜，不仅使结构复杂，而且泵浦光也在多次反射中衰减浪费。针对这些问题，本发明对此进行了改进，提出了一种高效的单泵源双端对称式泵浦激光器。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效的单泵源双端对称式泵浦激光器，其可提高泵浦光的利用率，克服泵浦光单程吸收不完全的问题和激光晶体引起的热效应，获得高效的高功率高光束质量的激光输出。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高效的单泵源双端对称式泵浦激光器，其特征在于：包括半导体激光泵浦源和沿光轴依次放置的泵浦光耦合光纤、准直透镜、第一聚焦透镜、第一谐振腔镜、激光增益介质、第二谐振腔镜、第二聚焦透镜、泵浦光全反镜；

还包括激光输出耦合镜，由第一谐振腔镜、第二谐振腔镜和激光输出耦合镜组成L形的激光谐振腔；

第一聚焦透镜和第二聚焦透镜具有相同的焦距，激光增益介质的中心位于第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的焦点交汇处；泵浦光耦合光纤的输出端位于准直透镜的相应侧的焦点处。

上述激光增益介质采用Nd:YVO₄晶体、Nd:YAG晶体、Yb:YAG晶体、Ho:YAG晶体、Tm:YAG晶体、Nd:YLF、Tm:YLF晶体和Er,Yb:YAG晶体或陶瓷中的一种；或采用上述各晶体中的通过键合技术在两端键合其未掺杂的晶体获得的复合激光晶体。

上述激光增益介质的形状采用长方体的块状、圆柱体的块状、厚度1-2mm的板条形状或微片形状。

上述第一谐振腔镜和第二谐振腔镜具有对泵浦光高透、对基频光全反的双色膜系。

上述激光增益介质中具有特定的激活离子浓度，使泵浦光单程通过时吸收效率约为50%左右。

上述第二谐振腔镜的镜面垂直于所述激光谐振腔的光轴放置，上述第一谐振腔镜的镜面与光轴成某一折叠角，所述激光输出耦合镜垂直放置于光路末端。

用双色全反镜替代激光输出耦合镜，用45度输出耦合镜替代第一谐振腔镜，由45度输出耦合镜、第二谐振腔镜和双色全反镜组成L形的激光谐振腔；且在双色全反镜和45度输出耦合镜之间插入非线性光学晶体或调制元件，构成调制的变频激光器。

采用上述方案后，本发明一种高效的单泵源双端对称式泵浦激光器，具有以下优点：第一，设置泵浦光全反射镜，使剩余泵浦光再次通过激光增益介质，达到回收利用；第二，双端泵浦设计有利于抵消泵浦过程中的热效应，实现高光束质量；第三，该结构简单且紧凑，大大节省硬件成本，调试安装方便，实用性强。

本发明通过合理地配置光学元件，优化泵浦结构设计抵消激光增益介质的热效应，实现了高效高功率高光束质量的端面泵浦激光器。该激光器综合性能优异，可以广泛应用于基频激光、变频激光及调Q锁模激光等全固态激光技术领域。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例二的结构示意图；

其中，1：半导体激光泵浦源；2：泵浦光耦合光纤；3：准直透镜；4：第一聚焦透镜；5：第一谐振腔镜；6：第二谐振腔镜；7：第二聚焦透镜；8：泵浦光全反镜；9：激光增益介质；10：激光输出耦合镜；11：非线性光学晶体；12：双色全反镜；13：45度输出耦合镜。

具体实施方式

实施例一：

本发明一种高效的单泵源双端对称式泵浦激光器，如图1所示，包括半导体激光泵浦源1，泵浦光耦合光纤2，准直透镜3，第一聚焦透镜4，第一谐振腔镜5，第二谐振腔镜6，第二聚焦透镜7，泵浦光全反镜8，激光增益介质9，激光输出耦合镜10。

泵浦光耦合光纤2、准直透镜3、第一聚焦透镜4、第一谐振腔镜5、第二谐振腔镜6、第二聚焦透镜7和泵浦光全反镜8沿光轴依次放置。由第一谐振腔镜5、第二谐振腔镜6和激光输出耦合镜10组成激光谐振腔，该谐振腔为L形。第一谐振腔镜5和第二谐振腔镜6之间放置激光增益介质9。

第一聚焦透镜4和第二聚焦透镜7具有相同的焦距。激光增益介质9的中心位于第一聚焦透镜4和第二聚焦透镜7的焦点交汇处。

第二谐振腔镜6的镜面垂直于激光谐振腔的光轴放置；第一谐振腔镜5的镜面可与光轴成任意折叠角，本实施例中，第一谐振腔镜5的镜面与光轴成45°折叠角；激光输出耦合镜10垂直放置于光路末端。

其中：

半导体激光泵浦源1采用最大输出功率75W，发射中心波长为808nm的激光二极管模块。该激光二极管模块一般采用水冷散热，以保持较好的泵浦功率稳定性。其配有耦合光纤接孔，通过泵浦耦合光纤2输出。

泵浦光耦合光纤2采用光纤芯径为200μm，数值孔径为0.22的标准耦合接头光纤。泵浦光耦合光纤2的输入端连接于半导体激光泵浦源1的耦合光纤接孔，输出端位于准直透镜3的相应侧的焦点处。

准直透镜3和第一聚焦透镜4分别采用焦距为30mm和60mm的双凸透镜，并且双面镀有对808nm波长的高透膜。由准直透镜3和第一聚焦透镜4组成耦合比为1:2的透镜组，泵浦光经过该耦合比为1:2的透镜组准直聚焦后通过第一谐振腔镜5会聚到激光增益介质9中心。

激光增益介质9可采用Nd:YVO₄晶体、Nd:YAG晶体、Yb:YAG晶体、Ho:YAG晶体、Tm:YAG晶体、Nd:YLF、Tm:YLF晶体和Er,Yb:YAG晶体或陶瓷中的一种；或采用上述各晶体中的通过键合技术在两端键合其未掺杂的晶体获得的复合激光晶体(如YAG/Nd:YAG/YAG)。本实施例中，选用掺钕钒酸钇Nd:YVO₄晶体，尺寸为3×3×10mm³，Nd掺杂浓度为0.3at.%，根据晶体的吸收系数，其对泵浦光的单程吸收率约为50%左右。激光增益介质9的两个通光端面（对应于光轴的两个端面）均镀有对泵浦光808nm及1000-1100nm波段的增透膜（透过率大于99.8%）。使用时，为了减少激光晶体的热效应和提高转换效率，激光增益介质9的侧面（两个通光端面以外的表面）需采用金属铜块包裹，并通过TEC半导体制冷或水冷装置将其温度控制在温室范围。激光增益介质9的形状可采用长方体的块状、圆柱体的块状、厚度1-2mm的板条形状或微片形状。

第一谐振腔镜5在45度方向上镀制对808nm波长的泵浦光增透、对1000-1100nm波段全反的二色膜系，镜面法线与光轴成45度放置。

第二谐振腔镜6在0度方向上镀制对808nm波长的泵浦光增透、对1000-1100nm波段全反的二色膜系，镜面法线与光轴成0度放置。

第二聚焦透镜7采用焦距为60mm的双凸透镜，且双面镀有对808nm波长的高透膜。它与激光增益介质9的中心距离为60mm，未吸收的泵浦光经过泵浦光全反镜8反射再次会聚于激光增益介质9中心，达到对称泵浦的效果。

激光输出耦合镜10镀制对1064nm基波波长的部分透过膜，一般采用对1064nm透过率为15%-30%的镜片，其镜面法线与光轴成0度放置。

工作时，半导体激光泵浦源1发射的泵浦光经泵浦光耦合光纤2输出后，进入准直透镜3准直为平行光，再经过第一聚焦透镜4和第一谐振腔镜5会聚于激光增益介质9的中心并被吸收；剩余的泵浦光经过第二谐振腔镜6和第二聚焦透镜7还原为平行光并采用泵浦光全反镜8从激光增益介质9的另一端会聚在它的中心。基频光在由第一谐振腔镜5、第二谐振腔镜6和激光输出耦合镜10组成激光谐振腔内振荡，并通过激光输出耦合镜10输出。本实施例中，为了避免激光增益饱合现象，激光谐振腔内的各光学元件间的距离应当保持紧凑，有利于实现高功率输出。

实施例二：

本发明的实施例二如图2所示，其与实施例1不同在于：用双色全反镜12替代激光输出耦合镜10，用45度输出耦合镜13替代第一谐振腔镜5，由45度输出耦合镜13、第二谐振腔镜6和双色全反镜12组成L形的激光谐振腔；且在双色全反镜12和45度输出耦合镜13之间插入非线性光学晶体11。具体如下：

非线性光学晶体11为三硼酸锂LBO晶体，尺寸为3×3×15mm³，其相位匹配角可根据温控的实际温度选择，例如25度时，匹配角为θ=90°，Φ=11.4°。非线性光学晶体11的两个通光端面（对应于光轴的两个端面）均镀有对倍频光532nm及1000-1100nm波段的增透膜（透过率大于99.8%）。非线性光学晶体11也可采用BIBO晶体、BBO晶体、KTP晶体中的一种，或是采用周期极化的PPLN晶体、PPLT晶体、PPKTP晶体中的一种。这些晶体在光学谐振腔内发生的非线性光学过程为倍频效应。

双色全反镜12的镜面垂直于光路放置。双色全反镜12镀制对倍频光532nm及基频光1064nm的双增透膜（反射率大于99.8%）。

45度输出耦合镜13在45度方向上镀制对532nm和808nm波长的光增透、对1000-1100nm波段全反的二色膜系，镜面法线与光轴成45度放置。基频光在由第二谐振腔镜6、45度输出耦合镜13和双色全反镜12组成的L形激光谐振腔内振荡；倍频激光由45度输出耦合镜13输出。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种高效的单泵源双端对称式泵浦激光器，其特征在于：包括半导体激光泵浦源和沿光轴依次放置的泵浦光耦合光纤、准直透镜、第一聚焦透镜、第一谐振腔镜、激光增益介质、第二谐振腔镜、第二聚焦透镜、泵浦光全反镜；

2.根据权利要求1所述的一种高效的单泵源双端对称式泵浦激光器，其特征在于：上述激光增益介质采用Nd:YVO₄晶体、Nd:YAG晶体、Yb:YAG晶体、Ho:YAG晶体、Tm:YAG晶体、Nd:YLF、Tm:YLF晶体和Er,Yb:YAG晶体或陶瓷中的一种；或采用上述各晶体中的通过键合技术在两端键合其未掺杂的晶体获得的复合激光晶体。

3.根据权利要求1或2所述的一种高效的单泵源双端对称式泵浦激光器，其特征在于：上述激光增益介质的形状采用长方体的块状、圆柱体的块状、厚度1-2mm的板条形状或微片形状。

4.根据权利要求1所述的一种高效的单泵源双端对称式泵浦激光器，其特征在于：上述第一谐振腔镜和第二谐振腔镜具有对泵浦光高透、对基频光全反的双色膜系。

5.根据权利要求1或2所述的一种高效的单泵源双端对称式泵浦激光器，其特征在于：上述激光增益介质中具有特定的激活离子浓度，使泵浦光单程通过时吸收效率约为50%左右。

6.根据权利要求1所述的一种高效的单泵源双端对称式泵浦激光器，其特征在于：上述第二谐振腔镜的镜面垂直于所述激光谐振腔的光轴放置，上述第一谐振腔镜的镜面与光轴成某一折叠角，所述激光输出耦合镜垂直放置于光路末端。

7.根据权利要求1所述的一种高效的单泵源双端对称式泵浦激光器，其特征在于：用双色全反镜替代激光输出耦合镜，用45度输出耦合镜替代第一谐振腔镜，由45度输出耦合镜、第二谐振腔镜和双色全反镜组成L形的激光谐振腔；且在双色全反镜和45度输出耦合镜之间插入非线性光学晶体或调制元件，构成调制的变频激光器。