CN104393475A - 一种全固态激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全固态激光器，该激光器采用具有多个光谱反射峰的波长选择性元件使泵浦系统发射的泵浦光波长随温度漂移离散化，而不再以连续的方式变化。选择合适的离散值分别对应激光工作物质较高的吸收系数，保证了激光工作物质对泵浦光的充分吸收，从而获得一个具有宽热不敏感范围的泵浦光束。利用该泵浦光束可实现宽温度区间正常工作且无温控的全固态激光器。

Description

一种全固态激光器

技术领域

本发明涉及一种全固态激光器，特别涉及一种在宽温区正常工作且无主动控温的全固态激光器。 

背景技术

半导体激光(LD)泵浦的固体激光器称为全固态激光器(DPL)，一般包括以下几部分：激光工作物质，一个能够吸收泵浦光束并放大形成至少一个激光辐射的增益介质；泵浦系统，包括至少一个LD，能够发出泵浦光束并用于泵浦增益介质；光传输系统，用于将泵浦系统产生的泵浦光束传输到增益介质中；光学谐振腔，用于振荡放大产生激光辐射。 

众所周知，泵浦系统发出的泵浦光光谱必须对应增益介质的吸收光谱，才能使激光器正常运行。而LD一般具有几个纳米宽的发射光谱，同时该光谱会随温度变化以0.25～0.3nm/℃的幅度变化。 

为了保证泵浦系统的发射光谱与激光工作物质的吸收光谱的一致性，需要在泵浦系统中加入温控系统，使LD的温度变化范围保证在0.5℃之内，以此来保证LD的发射光谱变化范围在0.2nm之内。 

然而在一些特殊应用中，激光器的重量和启动时间是非常重要的指标。增加温控系统，需要增加很多重量，并且一般需要1到2分钟的启动时间，这成为了半导体激光器的一个明显劣势。因此，目前DPL采用的技术效率较低，并且大多数较为笨重，不适应发展需要。要解决上述问题，有以下几种方案：提高增益介质对激光波长漂移的耐受性，以便泵浦光束多次通过激光工作物质从而得到充分吸收；或被动稳定泵浦LD的发射波长。然而，上述解决方案仅能获得一个波长漂移在3～5nm范围内，对应LD的温度漂移范围在10～20℃内的激光器。这种热不敏感范围，不足以满足目前对激光器的需求。 

本发明采用波长选择性元件将激光器泵浦LD的波长随温度漂移离散化，即在一定温度范围内LD波长被锁定在一个或几个峰值，而当温度进入下一范围后，波长发生跳变，而不是随温度连续变化。通过选择合适的峰值使其分别对应激光工作物质较高的吸收系数，从而可以实现宽温区内激光工作物质对泵浦LD较高的吸收率，即可避免在宽温区内激光工作物质对泵浦LD光吸收不充分的情况。同时，波长选择性元件不需要主动控温，从而实现了在宽温区正常工作且无温控的DPL. 

发明内容

本发明涉及一种DPL，该DPL的LD泵浦系统使获得一个宽热不敏感范围(例如-20到40℃)的泵浦光束成为可能，利用该泵浦光束，实现激光器在温度区间正常工作且无温控。 

本发明的目的是这样实现的： 

所述的激光器需要包括以下几部分：至少一个泵浦LD能够发射至少一个波长随温度而变化的泵浦光束；至少一个光束整形系统与泵浦LD相匹配；至少一个波长选择性元件，用于选择所述泵浦LD的其中一个或几个波长；至少一个激光工作物质能够吸收泵浦光束并放大；至少一个光学谐振腔用于振荡放大产生激光辐射。 

以Nd：YAG晶体用作激光工作物质为例，其在800nm附近的吸收系数不尽相同，会有一些离散的吸收峰值，而吸收峰之间会存在较低吸收系数的区间，这样在泵浦LD波长随温度连续变化的过程中，难免会在某些温度下LD波长并未对准Nd：YAG的吸收峰，从而导致激光晶体对泵浦光吸收不充分，无法实现宽的温度范围下DPL的正常运行。 

波长选择性元件(如多波长光子晶体)具有多个光谱反射峰，在各峰值的位置具有特定的反射率，其作为一种滤波装置放置于准直过的LD前面，使LD辐射光被约束在光谱反射率峰值对应的波长上，实现了泵浦LD的波长随温度变化以离散形式变化，并且这些离散值对应多个预定波长中的其中一个，而这些所述的预定波长对应所述激光晶体的各个吸收峰。也就是说在上述条件下，利用波长选择性元件能够获得一个宽温区对激光工作物质具有高吸收效率的泵浦光束。在不同温度下，每次选择一个或者多个波长值，对应激光工作物质的吸收峰，从而获得具有一个极宽热不敏感范围的泵浦光束。然后经光束整形将泵浦光耦合至激光工作物质，通过谐振腔将工作物质辐射受激放大产生激光，从而实现了宽温区无温控DPL的正常工作。 

本发明的一种全固态激光器优越性在于： 

本发明的上述全固态激光器采用具有多个光谱反射峰的波长选择性元件将泵浦LD的波长随温度漂移离散化，使得LD波长被锁定在一个或几个激光工作物质的吸收峰值，保证了激光工作物质对泵浦LD的充分吸收，实现了在宽温区(例如-20到40℃)正常工作且不需要主动温控的DPL，相比于已知的带有温控系统的激光器，其具有重量轻，启动时间短，功耗低，待机时间长等优点；相比于已知的被动稳定LD波长的激光器，其热不敏感范围更大，即可以在更宽的温度范围内正常工作。 

附图说明

图1是本发明具体实施例1和2的简化框图； 

图2是实施例1中泵浦系统的示意图； 

图3是实施例1中LD泵浦波长选择示意图； 

图4是实施例1中所用波长选择性元件的光谱反射峰示意图； 

图5是实施例1中LD波长随温度以离散形式变化示意图； 

图6是实施例2中泵浦系统的示意图； 

图7是实施例2中LD泵浦波长选择示意图。 

具体实施方式

实施例1 

如图1所示，本实施例中的激光器包括泵浦系统1、光传输系统2、激光晶体3和光学谐振腔4： 

激光晶体3采用Nd：YAG晶体，尺寸为Φ5x25mm，Nd³⁺掺杂浓度为1％，晶体双端面镀1064nm增透膜，可以吸收泵浦光束5，并放大产生沿X-X轴方向的激光辐射； 

一个标准的光传输系统2，如聚焦透镜，用于引导泵浦系统1发射的泵浦光束5进入激光晶体3，从而获得X-X轴方向上的激光辐射； 

一个标准的光学谐振腔4，包括一个全反镜7和一个输出镜8(输出耦合率40％)，两片镜片彼此相对放置。光学谐振腔4通过振荡放大激光晶体3泵浦得到的激光辐射，达到一定强度后，透过输出镜8沿X-X轴方向获得激光输出6； 

泵浦系统1，其结构由图2具体示出，包括一个激光二极管10，被安装在热沉9上，能够发射一泵浦光束5，波长在800nm附近；一个标准的准直装置11，例如一个准直透镜，与激光二极管10相匹配；还包括一块波长选择性元件12，本实施例中采用多波长光子晶体。 

激光工作物质Nd：YAG晶体在800nm附近的吸收谱线如图3所示，为了保证晶体对泵浦光能够充分吸收，选择泵浦LD波长分别锁定到三个吸收峰λ₁、λ₂、λ₃处，对应的波长分别为795.5、804.7、813.3nm.而图2中波长选择性元件12多波长光子晶体的光谱反射峰如图4所示，经设计其反射峰P1，P2，P3对应的波长分别对应所选择的三个吸收峰波长，为795.5、804.7、813.3nm。多波长光子晶体在光谱反射率的峰值P1至P3的位置具有特定的反射率R，其作为一种滤波装置放置于准直过的激光二极管10前面，辐射光14每次都被约束在光谱反射率峰值P1至P3对应的波长上，实现辐射14的光谱离散化，使得泵浦光束5的波长与温度的函数成为可能。当温度从-20到40℃变化时，激光二极管10发出的泵浦光束5的波长随温度不再以连续的方式变化，而是如图5所示，以离散形式变化，每一个温度下LD波长被锁定在λ₁至λ₃中一个或两个波长，从而保证激光晶体3对泵浦光束5始终具有良好的吸收，实现了从-20℃到40℃较宽的热不敏感范围且无主动控温。 

采用以上实验装置，在激光二极管50mJ的泵浦下，温度从-20到40℃变化时，激光器均能正常工作，输出1064nm激光能量为5mJ，实现了宽温区无温控DPL的正常工作。 

实施例2 

如图1所示，本实施例中的激光器包括泵浦系统1、光传输系统2、激光晶体3和光学谐振腔4。其中光传输系统2、激光晶体3和光学谐振腔4与实施例1中相同，不再重述。 

泵浦系统1，其结构由图6具体示出，包括由10个LD组成的LD阵列10，被安装在热沉9上，发射波长在880nm附近的泵浦光束；每一个LD都经过一个微透镜11准直；还包括一块波长选择性元件12，本实施例中采用法布里-珀罗(FP)薄膜干涉片。 

激光工作物质Nd：YAG晶体在880nm附近的吸收谱线如图7所示，为了保证晶体对泵浦光能够充分吸收，选择泵浦LD波长分别锁定到三个吸收峰λ₁、λ₂、λ₃处，对应的波长分别为869.0、875.5、885.8nm.而图6中FP薄膜干涉片的反射峰P1，P2，P3对应所选择的三个吸收峰波长，分别为795.5、804.7、813.3nm，其作为一种滤波装置放置于准直过的LD阵列10前面，LD泵浦光每次都被约束在光谱反射率峰值P1至P3对应的波长上，实现了光谱离散化。当温度从-20到40℃变化时，LD阵列10发出的泵浦光束5的波长随温度以离散形式变化，每一个温度下LD波长被锁定在λ₁至λ₃中一个或两个波长，从而保证激光晶体3对泵浦光束5始终具有良好的吸收，实现了从-20℃到40℃较宽的热不敏感范围且无主动控温。 

采用以上实验装置，在LD阵列100mJ的泵浦下，温度从-20到40℃变化时，激光器均能正常工作，输出1064nm激光能量为15mJ，实现了宽温区无温控DPL的正常工作。 

本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出相应的改变和变型，但这些相应的改变和变型都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。 

Claims (7)

1.一种全固态激光器，该激光器包括泵浦系统、光传输系统、激光工作物质和光学谐振腔；其特征在于：

所述的泵浦系统包括至少一个波长选择性元件，用于选择半导体激光(LD)发出的泵浦光束的波长；所述的波长选择性元件具有多个光谱反射峰，对应特定分离的波长，温度变化时LD波长会被锁定在光谱反射峰对应的波长上，从而使泵浦系统获得具有多个不同预定波长的泵浦光束，实现了泵浦光波长随温度漂移离散化；所述的预定波长分别对应激光工作物质较高的吸收系数，保证了激光工作物质对泵浦LD的充分吸收，从而获得一个具有宽热不敏感范围的泵浦光束；所述的宽热不敏感范围的泵浦光束可用于实现宽温度区间正常工作且无主动控温的全固态激光器。

2.按权利要求1所述的一种全固态激光器，其特征在于，所述的波长选择性元件可以是多波长光子晶体、法布里-珀罗薄膜干涉片、光栅或镀有多层介质膜的基片，具有多个光谱反射峰。

3.按权利要求1所述的一种全固态激光器，其特征在于，所述的泵浦系统除包括至少一个波长选择性元件外还包括至少一个LD用于发射至少一个泵浦光束和至少一个准直装置用于接收和准直所述泵浦光束。

4.按权利要求1所述的一种全固态激光器，其特征在于，所述的光传输系统可以是一个或多个透镜、波导或自由空间，用于引导泵浦系统发射的泵浦光束进入激光工作物质。

5.按权利要求1所述的一种全固态激光器，其特征在于，所述的激光工作物质可以为晶体或陶瓷，形状可以为圆棒状或板条状，可以吸收泵浦光束并放大。

6.按权利要求1所述的一种全固态激光器，其特征在于，所述的光学谐振腔包括一个全反镜和一个输出镜，可以振荡放大激光工作物质泵浦得到的激光辐射，达到一定强度后实现激光输出。

7.按权利要求1所述的一种全固态激光器，其特征在于，所述的激光工作物质的泵浦方向可以是纵向、横向、半横向或其它任何方向。