CN104577688B - 一种宽温环形激光二极管泵浦激光器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽温环形激光二极管泵浦激光器，包括冷却热沉、环形巴条阵列、增益介质、调Q晶体，所述冷却热沉为中心设有圆孔的长方体，所述环形巴条阵列固定连接于冷却热沉圆孔的表面，所述环形巴条阵列包括至少2种发射波长的巴条，相邻巴条之间间隔相同，相邻的相同发射波长的巴条之间间隔巴条数之差≤1，调Q晶体键合在增益介质的一端，巴条阵列中巴条在常温时的发射光谱分布，是根据增益介质吸收谱、巴发射波长的温漂系数以及巴发射功率的温漂数据进行设计的，保证在激光器使用环境的温度范围内，增益介质吸收的巴条阵列泵浦功率基本相同，从而保证在宽温度环境内，激光器输出能量的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及激光放大器领域，具体而言涉及一种宽温环形激光二极管泵浦激光器及其设计方法。
背景技术
LD(激光二极管)泵浦固体激光器具有体积小，输出能量大，使用寿命长等优点。LD泵浦激光器的泵浦单元LD巴条，其发射泵浦光的中心波长和发射光功率，具有随工作环境温度变化而变化的特性：随着温度的增加，中心波长发生红移(变长)、发射光功率下降；反之，随着温度的降低，中心波长发生蓝移(变短)、发射光功率升高。所以，当LD泵浦激光器的工作环境温度变化时，激光器增益介质吸收的泵浦光能量会发生变化，导致激光器的输出能量变化，工作环境温度变化较大时，激光器甚至会无法实现能量输出。
在LD泵浦激光器的使用中，常常会遇到较为严苛的工作环境，-20℃至50℃就是野外使用常见的温度环境要求。为了实现在较宽温度环境中稳定运行的要求，需要对激光器进行宽温环境功能改进。一种常用的方法是在激光器上加装主动温度控制系统，如使用半导体制冷片对LD温度进行控温，使LD阵列中单巴条的输出波长和输出功率保持稳定，从而实现激光器的稳定输出。这种方法需要为主动温控系统提供额外的运行能源，同时主动温控系统会增加激光器系统复杂性、体积和重量，并降低激光器系统的运行可靠性和抗干扰性，不利于激光器的小型化、轻量化设计。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种宽温环形激光二极管泵浦激光器及其设计方法，利用本发明的巴条设计方法可精确计算出所需各发射波长的巴条数目，该装置适用于-20℃—50℃的宽温环境，有效泵浦功率稳定，组装简单，体积小，重量轻。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种宽温环形激光二极管泵浦激光器，包括冷却热沉、环形巴条阵列、增益介质、调Q晶体，所述增益介质和调Q晶体均为圆柱状，所述冷却热沉为中心设有圆孔的长方体，所述环形巴条阵列固定连接于冷却热沉圆孔的表面，所述环形巴条阵列包括至少2种发射波长的巴条，相邻巴条之间间隔相同，相邻的相同发射波长的巴条之间间隔巴条数之差≤1，调Q晶体键合在增益介质的一端。
进一步，所述增益介质的轴心与环形巴条阵列的轴心重合。
进一步，所述增益介质远离调Q晶体的一端镀有激光波长全反射膜。
进一步，所述增益介质与调Q晶体键合的一端镀有激光波长部分反射膜。
进一步，所述环形巴条阵列至少为1个。
另，本发明还提供一种宽温环形激光二极管泵浦激光器的巴条数目设计方法，宽温环形激光二极管泵浦激光器的结构包括冷却热沉、环形巴条阵列、棒状的增益介质、调Q晶体，所述增益介质和调Q晶体均为圆柱状，所述冷却热沉为中心设有圆孔的长方体，所述环形巴条阵列固定连接于冷却热沉圆孔的表面，所述环形巴条阵列包括至少2种发射波长的巴条，相邻巴条之间间隔相同，相邻的相同发射波长的巴条之间间隔巴条数之差≤1，调Q晶体键合在增益介质的一端，所述巴条数目设计方法包括如下步骤：
(1)通过测量得到作为增益介质的激光晶体的吸收谱曲线函数σ(λ)，其中，自变量λ为巴条的发射波长，选定巴条的发射波长范围为λ1-a—λm+a，将波长范围离散化为λ1±a、λ2±a···λm±a，共m个数值段；
(2)确定需要的工作温度范围为-20℃至50℃，测量所述温度范围内，单巴条发射功率函数p(T)、巴条发射波长的温漂系数k，其中，自变量T为温度，将温度范围离散化为T1±t、T2±t···Ts±t，共s个数值段，且s＜m；
(3)当室温20℃时，巴条发射波长分布函数为n(λ)，其中，n为巴条数目；温度为T1时，巴条的发射波长变为λ+k(T-20)，激光晶体吸收的泵浦光能量为
(4)确定激光晶体需要吸收的泵浦光能量为常数W，在步骤(1)所述的每一个波长数值段中选取中值λx，所述波长数值对应的激光晶体吸收值为σ(λx)，在步骤(2)所述的每一个温度数值段中选取中值Tz，所述温度数值Tz对应的单巴条发射功率为p(Tz)，将所述σ(λx)、p(Tz)和系数k代入步骤(3)的函数式中，得到如下方程组
(5)求解步骤(4)的方程组，得到通解，由于巴条阵列中巴条数量必须为整数，对得到的通解中n(λx)取整，得到若干组整数解(n11(λ1)、n21(λ2)···nm1(λm))、(n12(λ1)、n22(λ2)···nm2(λm))···(n1y(λ1)、n2y(λ2)···nmy(λm))；
(6)将步骤(5)得到的整数解逐个代入步骤(3)的泵浦光能量方程，得到实际泵浦光能量为(W11、W21···Ws1)、(W12、W22···Ws2)···(W1y、W2y···Wsy)，计算实际激光晶体吸收的泵浦光能量与常数W差的平方得到偏离值ΔW，将每一组的ΔW相加，取相加得数最小的一组，对应的巴条数目为n1、n2···nm。
进一步，所述增益介质的轴心与环形巴条阵列的轴心重合。
进一步，所述增益介质远离调Q晶体的一端镀有激光波长全反射膜。
进一步，所述增益介质与调Q晶体键合的一端镀有激光波长部分反射膜。
进一步，所述环形巴条阵列至少为1个。
本发明的有益效果如下：
1、采用上述巴条数目设计方法，可以精确计算出不同中心波长的巴条数目，使增益介质在-20-50℃稳定吸收，保证激光器在宽温环境稳定工作；
2、巴条数目设计方法中，考虑到了激光晶体的吸收函数、不同温度下单巴条发射功率函数、巴条发射波长的温漂系数，贴合实际，结果精确；
3、将巴条发射波长范围和使用温度范围离散化，简化计算又不造成大的偏差；
4、作为增益介质的激光晶体与调Q晶体键合在一起，可以减小激光器的体积，使用时无需再对调Q晶体进行调节，省时省力，结构紧凑；
5、巴条阵列可以根据需要安装一个或多个，巴条阵列个数越多，增益介质的吸收越稳定；
6、相同发射波长的巴条均匀排列在环形巴条阵列中，保证增益介质在圆周各个方向吸收的泵浦激光能量均相同，保证激光的输出质量。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的增益介质与调Q晶体键合示意图；
图3为本发明实施例二的增益介质吸收谱图；
图4为本发明的单bar条在不同温度下的发射功率图；
图5为本发明实施例二设计bar条组波长分布图；
图6为本发明实施例二不同温度下被吸收的有效泵浦功率图；
图7为本发明实施例二的激光器实测的输出脉冲能量曲线图；
图8为本发明实施例三的增益介质吸收谱图；
图9为本发明实施例三设计bar条组波长分布图；
图10为本发明实施例三不同温度下被吸收的有效泵浦功率图；
图11为对比实验一不同温度下被吸收的有效泵浦功率图；
图12为对比实验二不同温度下被吸收的有效泵浦功率图。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例一：
如图1、图2所示，一种宽温环形激光二极管泵浦激光器，包括冷却热沉1、环形巴条阵列2、增益介质3、外壳4、调Q晶体5。所述增益介质3和调Q晶体5均为圆柱状，所述外壳4套装在所述冷却热沉1外，所述冷却热沉1为中心设有贯通的圆孔的长方体，所述环形巴条阵列2固定连接于冷却热沉1圆孔的表面，所述增益介质3的半径小于所述冷却热沉1的圆孔的半径，所述增益介质3穿过所述冷却热沉1的圆孔，所述增益介质3的轴心与环形巴条阵列2的轴心重合，所述环形巴条阵列2包括至少2种发射波长的巴条，相邻巴条之间间隔相同，相邻的相同发射波长的巴条之间间隔巴条数之差≤1，并且尽可能的趋于均匀分布，保证增益介质在圆周各个方向吸收的泵浦激光能量均相同，保证激光的输出质量。所述环形巴条阵列至少为1个，环形巴条阵列2个数越多，增益介质3的吸收越稳定。
如图2所示，所述增益介质3和调Q晶体5均为圆柱状，调Q晶体5键合在增益介质3的一端，可以减小激光器的体积，使用时无需再对调Q晶体进行调节，省时省力，结构紧凑。所述增益介质3远离调Q晶体5的一端镀有激光波长全反射膜作为腔镜，激光入射以后不能再从此端出射，所述增益介质3与调Q晶体5键合的一端镀有激光波长部分反射膜作为输出镜，激光波长达到要求值后，激光可以从输出镜出射。
另，本发明还提供一种宽温环形激光二极管泵浦激光器的巴条数目设计方法，如图1、图2所示，宽温环形激光二极管泵浦激光器的结构包括冷却热沉1、环形巴条阵列2、增益介质3、外壳4和调Q晶体5，所述外壳4套装在所述冷却热沉1外，所述冷却热沉1为中心设有贯通的圆孔的长方体，所述环形巴条阵列至少为1个，所述环形巴条阵列2固定连接于冷却热沉1圆孔的表面，所述环形巴条阵列2包括至少2种发射波长的巴条，相邻巴条之间间隔相同，相邻的相同发射波长的巴条之间间隔巴条数之差≤1，所述增益介质3和调Q晶体5均为圆柱状，所述增益介质3的轴心与环形巴条阵列2的轴心重合，调Q晶体5键合在增益介质3的一端，所述增益介质3远离调Q晶体5的一端镀有激光波长全反射膜，所述增益介质3与调Q晶体5键合的一端镀有激光波长部分反射膜，所述巴条数目设计方法包括如下步骤：
(1)测量得到作为增益介质3的激光晶体的吸收谱曲线函数σ(λ)，其中，自变量λ为巴条的发射波长，选定巴条的发射波长范围为λ1-a—λm+a，将波长范围离散化为λ1±a、λ2±a···λm±a，共m个数值段，将波长范围离散化，简化计算，不对结果造成大的偏差；
(2)确定需要的工作温度范围为-20℃至50℃，测量所述温度范围内，各个发射波长单巴条的发射功率函数p(T)、巴条发射波长的温漂系数k，其中，自变量T为温度，将温度范围离散化为T1±t、T2±t···Ts±t，共s个数值段，将温度范围离散化，简化计算，不对结果造成大的偏差；
(3)当室温20℃时，巴条发射波长分布函数为n(λ)，其中，n为巴条数目；温度为T1时，巴条的发射波长变为λ+k(T-20)，激光晶体吸收的泵浦光能量为
本方程式考虑到了激光晶体的吸收函数、不同温度下单巴条发射功率函数、巴条发射波长的温漂系数，贴合实际，结果精确；
(4)确定激光晶体需要吸收的泵浦光能量为常数W，在步骤(1)所述的每一个波长数值段中选取中值λx，所述波长数值对应的激光晶体吸收值为σ(λx)，在步骤(2)所述的每一个温度数值段中选取中值Tz，当温度为Tz时，单巴条发射功率为p(Tz)，巴条发射波长为λx+k(Tz-20)，激光晶体吸收值为σ(λx+k(Tz-20))，将所述σ(λx+k(Tz-20))、p(Tz)和系数k代入步骤(3)的函数式中，得到如下方程组
(5)求解步骤(4)的方程组，得到通解，由于巴条阵列中巴条数量必须为整数，对得到的通解中n(λx)取整，得到若干组整数解(n11(λ1)、n21(λ2)···nm1(λm))、(n12(λ1)、n22(λ2)···nm2(λm))···(n1y(λ1)、n2y(λ2)···nmy(λm))；
(6)将步骤(5)得到的整数解逐个代入步骤(3)的泵浦光能量方程，得到实际泵浦光能量为(W11、W21···Ws1)、(W12、W22···Ws2)···(W1y、W2y···Wsy)，计算实际泵浦光能量与常数W差的平方得到偏离值ΔW，将每一组的ΔW相加，取相加得数最小的一组，对应的巴条数目为n1、n2···nm。采用上述巴条数目设计方法，可以精确计算出不同中心波长的巴条数目，使增益介质3在-20-50℃稳定吸收，保证激光器在宽温环境稳定工作。
实施例二：
选取Nd:YAG为增益介质3，Cr:YAG为调Q晶体5，根据本发明实施例一的巴条阵列2设计方法进行设计，步骤如下：
(1)通过测量得到作为增益介质3的激光晶体的吸收谱曲线函数σ(λ)，如图3所示，其中，自变量λ为巴条的发射波长，激光晶体吸收峰对应的波长为808nm，选定巴条的发射波长范围为790-826nm，将波长范围离散化为790±1.5nm、793±1.5nm···826±1.5nm，共13个数值段；
(2)确定需要的工作温度范围为-20℃至50℃，测量上述温度范围内，各个发射波长的单巴条发射功率函数p(T)，如图4所示、巴条发射波长的温漂系数k＝0.28nm/℃，其中，自变量T为温度，将温度范围离散化为-20±5℃、-10±5℃···50±5℃，共8个数值段；
(3)当室温20℃时，巴条发射波长分布函数为n(λ)，其中，n为巴条数目；温度为T1时，巴条的发射波长变为λ+k(T-20)，激光晶体吸收的泵浦光能量为
(4)确定激光晶体需要吸收的泵浦光能量为常数W＝5000w，在步骤(1)所述的每一个波长数值段中选取中值λx，即λ1＝790nm，λ2＝793nm···λ13＝826nm，在步骤(2)所述的每一个温度数值段中选取中值Tz，即T1＝-20℃，T2＝-10℃···T8＝50℃，在温度为Tz时，单巴条发射功率为p(Tz)，巴条发射波长为λx+k(Tz-20)，激光晶体吸收值为σ(λx+k(Tz-20))，将所述σ(λx+k(Tz-20))、p(Tz)和系数k代入步骤(3)的函数式中，得到如下方程组
(5)求解步骤(4)的方程组，得到由n(λ1)、n(λ2)···n(λ13)表示的通解，由于巴条阵列2中巴条数量必须为整数，对得到的通解中n(λ1)、n(λ2)···n(λ13)取整，得到若干组整数解(n11(λ1)、n21(λ2)···n131(λ13))、(n12(λ1)、n22(λ2)···n132(λ13))···(n1y(λ1)、n2y(λ2)···n13y(λ13))；
(6)将步骤(5)得到的整数解逐个代入步骤(3)的泵浦光能量方程，得到实际泵浦光能量为(W11、W21···W81)、(W12、W22···W82)···(W1y、W2y···W8y)，计算实际泵浦光能量与常数W差的平方得到偏离值ΔW，即ΔW11＝(W11-W)2，ΔW21＝(W211-W)2···ΔW81＝(W81-W)2，将每一组的ΔW相加，取相加得数最小的一组，结果如图5所示，可以得到对应发射波长为790nm、793nm、796nm、799nm、802nm、805nm、808nm、812nm、815nm、817nm、820nm、823nm、826nm的巴条数目为6、8、9、6、5、4、2、0、0、0、2、4、4。
再按照本发明实施例一所述的一种宽温环形激光二极管泵浦激光器进行组装，由于巴条总数为13条，发射波长为808nm的巴条为2条，该2条巴条的间隔一侧为5条，另一侧为6条，环形巴条阵列2设置为3个，完成后在-20℃-50℃对被增益介质吸收的有效泵浦功率进行检测，结果如图6、图7所示。结果表明该设计可以保证在激光器使用环境的温度范围内(-20℃至50℃)，增益介质吸收的环形巴条阵列2泵浦功率基本相同，激光器输出的脉冲能量为72±5mJ，抖动小于7％，实现了在宽温度环境中稳定运行的功能，确保了激光器输出能量的稳定性。
实施例三：
选取Nd:玻璃为增益介质3，Cr:YAG为调Q晶体5，根据本发明实施例一的巴条阵列2设计方法进行设计，步骤如下：
(1)通过测量得到作为增益介质3的激光晶体的吸收谱曲线函数σ(λ)，如图8所示，其中，自变量λ为巴条的发射波长，激光晶体吸收峰对应的波长为802nm，选定巴条的发射波长范围为784-820nm，将波长范围离散化为784±1.5nm、787±1.5nm···820±1.5nm，共13个数值段；
(2)确定需要的工作温度范围为-20℃至50℃，测量上述温度范围内，各个波长的单巴条发射功率函数p(T)，如图4所示、巴条发射波长的温漂系数k＝0.28nm/℃，其中，自变量T为温度，将温度范围离散化为-20±5℃、-10±5℃···50±5℃，共8个数值段；
(3)当室温20℃时，巴条发射波长分布函数为n(λ)，其中，n为巴条数目；温度为T1时，巴条的发射波长变为λ+k(T-20)，激光晶体吸收的泵浦光能量为
(4)确定激光晶体需要吸收的泵浦光能量为常数W＝5000w，在步骤(1)所述的每一个波长数值段中选取中值λx，即λ1＝784nm，λ2＝787nm···λm＝820nm，在步骤(2)所述的每一个温度数值段中选取中值Tz，即T1＝-20℃，T2＝-10℃···Ts＝50℃，在温度为Tz时，单巴条发射功率为p(Tz)，巴条发射波长为λx+k(Tz-20)，激光晶体吸收值为σ(λx+k(Tz-20))，将所述σ(λx+k(Tz-20))、p(Tz)和系数k代入步骤(3)的函数式中，得到如下方程组
(5)求解步骤(4)的方程组，得到由n(λ1)、n(λ2)···n(λ13)表示的通解，由于巴条阵列2中巴条数量必须为整数，对得到的通解中n(λ1)、n(λ2)···n(λ13)取整，得到若干组整数解(n11(λ1)、n21(λ2)···n131(λ13))、(n12(λ1)、n22(λ2)···n132(λ13))···(n1y(λ1)、n2y(λ2)···n13y(λ13))；
(6)将步骤(5)得到的整数解逐个代入步骤(3)的泵浦光能量方程，得到实际泵浦光能量为(W11、W21···W81)、(W12、W22···W82)···(W1y、W2y···W8y)，计算实际泵浦光能量与常数W差的平方得到偏离值ΔW，即ΔW11＝(W11-W)2，ΔW21＝(W211-W)2···ΔW81＝(W81-W)2，将每一组的ΔW相加，取相加得数最小的一组，结果如图9所示，可以得到对应发射波长为784nm、787nm、790nm、793nm、796nm、799nm、802nm、805nm、808nm、811nm、814nm、817nm、820nm的巴条数目为10、5、2、1、1、0、0、0、1、2、3、3、4。
再按照本发明实施例一所述的一种宽温环形激光二极管泵浦激光器进行组装，巴条总数为32条，发射波长为784nm的巴条为10条，其中有8个巴条间隔为2条，2个巴条间隔为3条，并且巴条间隔为3条的进行相对设置，以满足趋于均匀排列，环形巴条阵列2设置为4个，完成后在-20℃-50℃对被增益介质3吸收的有效泵浦功率进行检测，结果如图10所示。结果表明该设计可以保证在激光器使用环境的温度范围内(-20℃至50℃)，增益介质3吸收的环形巴条阵列2泵浦功率基本相同，确保了激光器输出能量的稳定性。
对比实验一：
按照本发明实施例二公开的激光器进行组装，不同的是巴条阵列2由实施例二激光晶体吸收的中心波长的巴条组成，即巴条的发射波长全部为808nm，在-20℃-50℃对被增益介质3吸收的有效泵浦功率进行检测，结果如图11所示。结果表明增益介质3吸收的有效泵浦功率受到温度的极大影响，出现非常大的波动，完全不能保证激光器输出能量的稳定性。
对比实验二：
按照本发明实施例三公开的激光器进行组装，不同的是巴条阵列2由实施例三激光晶体吸收的中心波长的巴条组成，即巴条的发射波长全部为802nm，在-20℃-50℃对被增益介质3吸收的有效泵浦功率进行检测，结果如图12所示。结果表明增益介质3吸收的有效泵浦功率受到温度的极大影响，出现非常大的波动，完全不能保证激光器输出能量的稳定性。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种宽温环形激光二极管泵浦激光器的巴条数目设计方法，其特征在于，宽温环形激光二极管泵浦激光器的结构包括冷却热沉、环形巴条阵列、增益介质、调Q晶体，所述增益介质和调Q晶体均为圆柱状，所述冷却热沉为中心设有圆孔的长方体，所述环形巴条阵列固定连接于冷却热沉圆孔的表面，所述环形巴条阵列包括至少2种发射波长的巴条，相邻巴条之间间隔相同，相邻的相同发射波长的巴条之间间隔巴条数之差≤1，调Q晶体键合在增益介质的一端，所述巴条数目设计方法包括如下步骤：
(1)通过测量得到作为增益介质的激光晶体的吸收谱曲线函数σ(λ)，其中，自变量λ为巴条的发射波长，选定巴条的发射波长范围为λ1-a—λm+a，将波长范围离散化为λ1±a、λ2±a···λm±a，共m个数值段；
(2)确定需要的工作温度范围为-20℃至50℃，测量所述温度范围内，单巴条发射功率函数p(T)、巴条发射波长的温漂系数k，其中，自变量T为温度，将温度范围离散化为T1±t、T2±t···Ts±t，共s个数值段，且s＜m；
(3)当室温20℃时，巴条发射波长分布函数为n(λ)，其中，n为巴条数目；温度为T1时，巴条的发射波长变为λ+k(T-20)，激光晶体吸收的泵浦光能量为
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(4)确定激光晶体需要吸收的泵浦光能量为常数W，在步骤(1)所述的每一个波长数值段中选取中值λx，所述波长数值对应的激光晶体吸收值为σ(λx)，在步骤(2)所述的每一个温度数值段中选取中值Tz，所述温度数值Tz对应的单巴条发射功率为p(Tz)，将所述σ(λx)、p(Tz)和系数k代入步骤(3)的函数式中，得到如下方程组
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(5)求解步骤(4)的方程组，得到通解，由于巴条阵列中巴条数量必须为整数，对得到的通解中n(λx)取整，得到若干组整数解(n11(λ1)、n21(λ2)···nm1(λm))、(n12(λ1)、n22(λ2)···nm2(λm))···(n1y(λ1)、n2y(λ2)···nmy(λm))；
(6)将步骤(5)得到的整数解逐个代入步骤(3)的泵浦光能量方程，得到实际泵浦光能量为(W11、W21···Ws1)、(W12、W22···Ws2)···(W1y、W2y···Wsy)，计算实际激光晶体吸收的泵浦光能量与常数W差的平方得到偏离值ΔW，将每一组的ΔW相加，取相加得数最小的一组，对应的巴条数目为n1、n2···nm。
2.根据权利要求1所述的巴条数目设计方法，其特征在于，所述增益介质的轴心与环形巴条阵列的轴心重合。
3.根据权利要求1所述的巴条数目设计方法，其特征在于，所述增益介质远离调Q晶体的一端镀有激光波长全反射膜。
4.根据权利要求1所述的巴条数目设计方法，其特征在于，所述增益介质与调Q晶体键合的一端镀有激光波长部分反射膜。
5.根据权利要求1所述的巴条数目设计方法，其特征在于，所述环形巴条阵列至少为1个。
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