CN104917046A - 宽温度范围工作的全固态激光器 - Google Patents

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孟俊清
陈苏园
杨海龙
谢银
王明建
陈卫标
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一种宽温度范围工作的全固态激光器，包括大功率LED光源、两个正交放置的保罗棱镜、激光增益介质、偏振片和1/4波片。所述的大功率LED光源用于产生泵浦光；所述的正交保罗棱镜、激光增益介质、偏振片和1/4波片位于同一光轴，构成谐振腔，产生激光；所述的激光增益介质为Nd:Cr:YAG、Nd:Ce:YAG或Nd:Cr:Ce:YAG；所述的偏振片与光轴的夹角为布儒斯特角；所述的1/4波片为输出激光波长对应的零级波片。该发明结构紧凑、性能稳定，可在-40-+60℃的100℃温度范围内稳定工作。

Description

宽温度范围工作的全固态激光器
技术领域
本发明涉及一种激光器，特别是一种可在-40-+60℃温度范围内稳定工作的全固态激光器。
背景技术
发光二极管简称为LED(Light Emitting Diode)，是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。其原理是：当给LED加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和从N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。LED具备对温度不敏感、体积小、耗电低、寿命长、效率高、亮度高、无毒环保等优点，封装后的LED防尘、防水汽、防静电，在显示和照明领域应用广泛。
传统固体激光器通常采用闪光灯或者激光二极管(Laser Diode,LD)作为泵浦源。闪光灯泵浦是利用惰性气体电离后，通过大电流时气体变为高温等离子体而发出高亮度的光进行泵浦。闪光灯具有较宽的发射光谱，但其光谱只有一小部分可以为增益介质所吸收，导致其能量转换效率很低。LD泵浦是利用其产生的激光进行泵浦，其能量转换效率较高，但LD中心波长随温度漂移的系数一般为0.3nm/℃，LD波长随温度的漂移会导致以其作为泵浦源的激光器只能工作在一个特定的温度下，如果不对LD采取主动温控措施则激光器难以实现在-40-+60℃的宽温度范围内获得稳定输出，同时LD成本非常昂贵。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的固体激光器输出功率受温度影响大的缺点，提供一种宽温度范围工作的全固态激光器，该全固态激光器结构紧凑、性能稳定，可在-40-+60℃的100℃温度范围内稳定工作。
本发明的技术解决方案如下：
一种宽温度范围工作的全固态激光器，其特点在于包括大功率LED光源、第一保罗棱镜、激光增益介质、偏振片、1/4波片和第二保罗棱镜，所述的大功率LED光源是将数个单颗功率在1W以上的LED密集阵列排布构成，用于产生泵浦光；所述的第一保罗棱镜、激光增益介质、偏振片、1/4波片和第二保罗棱镜依次位于同一光轴上并构成谐振腔，产生激光；所述的偏振片与光轴的夹角为布儒斯特角；所述的1/4波片为输出激光波长对应的零级波片；所述的大功率LED光源的中心波长随温度的漂移系数小于0.1nm/℃；所述的第一保罗棱镜的棱线和第二保罗棱镜的棱线相互正交。
所述的大功率LED光源是中心波长在400nm-450nm之间的大功率蓝光LED，或者在550nm-600nm之间的大功率黄光LED，或大功率白光LED。
所述的激光增益介质为Nd:Cr:YAG、Nd:Ce:YAG或Nd:Cr:Ce:YAG晶体，晶体形状是方棒、圆棒或之字形板条；
采用大功率蓝光LED或黄光LED或白光LED作为泵浦源，采用两个正交放置的保罗棱镜作为谐振腔镜，谐振腔中的1/4波片采用与输出激光波长对应的零级波片，保证激光器对温度的不敏感。腔内激光经过偏振片后形成水平方向的线偏振光，经过1/4波片后，变成圆偏振光，由第二保罗棱镜反射再次通过1/4波片后，变成垂直方向的线偏振光，此时的线偏振光无法再次通过偏振片，由偏振片耦合输出。
本发明与已有技术相比具有如下的优点：
1、如图3(见参考文献1：Yue Lin,etc.Study of Temperaure sensitive opticalparameters and junction temperature determination of light-emitting diodes,Appl.Phy.Lett.100,202108,2012.)所示，大功率蓝光LED的发射峰值波长随温度的漂移系数＜0.1nm/℃，同时大功率蓝光LED的发射谱宽约为18nm，而Nd:Cr:YAG、Nd:Ce:YAG或Nd:Cr:Ce:YAG等激光晶体在400-450nm以及550-600nm的吸收峰宽度都近50nm，因此采用大功率蓝光LED在400-450nm范围内泵浦Nd:Cr:YAG、Nd:Ce:YAG或Nd:Cr:Ce:YAG晶体，可以实现对温度的不敏感；同理，采用大功率黄光LED在550-600nm范围内泵浦Nd:Cr:YAG、Nd:Ce:YAG或Nd:Cr:Ce:YAG晶体，或者采用大功率白光LED在400-450nm以及550-600nm范围内泵浦Nd:Cr:YAG、Nd:Ce:YAG或Nd:Cr:Ce:YAG晶体，也可以实现对温度的不敏感。此外，采用LED作为泵浦源，还具有体积小、耗电低、寿命长、效率高、防尘、防水汽、防静电、价格便宜、便于集成等优点。
2、采用正交放置的保罗棱镜偏振耦合输出谐振腔，由于分别在一个方向上能够自对准，通过一个波片/偏振片组合就可以实现耦合输出，使得激光器结构简单，对大的温度变化保持不灵敏。
3、采用与输出激光波长对应的零级波片，可以保证激光器耦合输出率对温度的不敏感性。
附图说明
图1是本发明宽温度范围工作的全固态激光器无Q开关运转时的光路示意图；
图2是本发明宽温度范围工作的全固态激光器Q开关运转时的光路示意图；
图3是基于GaN衬底的大功率蓝光LED在不同电流下发射峰值波长与环境温度的关系曲线。
图1和图2中，1是大功率LED光源，2是第一保罗棱镜，3是激光增益介质，4是偏振片，5是1/4波片，6是第二保罗棱镜，7是泡克耳斯盒，8是1/2波片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本发明的宽温度范围工作的全固态激光器，包括大功率LED光源1、同光轴依次放置的第一保罗棱镜2、激光增益介质3、偏振片4、1/4波片5和第二保罗棱镜6。所述的第一保罗棱镜2、激光增益介质3、偏振片4、1/4波片5和第二保罗棱镜6位于同一光轴，构成谐振腔，产生激光；所述的激光增益介质3为Nd:Cr:YAG晶体，晶体形状是方棒、圆棒或之字形板条；所述的偏振片4与光轴的夹角为布儒斯特角；所述的1/4波片5为输出激光波长对应的零级波片。
所述的第一保罗棱镜2和第二保罗棱镜6棱线相互正交放置，构成稳定谐振腔。大功率LED光源1泵浦激光增益介质3，在谐振腔内产生激光。腔内激光通过偏振片4后形成水平方向(p方向)的线偏振光；经过1/4波片5后，变成圆偏振光；由第二保罗棱镜6反射，再次通过1/4波片5后，变成垂直方向的线偏振光(s方向)，此时的线偏振光无法再次通过偏振片4，由偏振片4耦合输出。
实施例2
如图1所示，该实施例与实施例1唯一的区别是所述的激光增益介质3为Nd:Ce:YAG晶体。
实施例3
如图1所示，该实施例与实施例1唯一的区别是所述的激光增益介质3为Nd:Cr:Ce:YAG晶体。
实施例4
如图2所示，本发明的宽温度范围工作的全固态激光器，包括大功率LED光源1、同光轴依次放置的第一保罗棱镜2、激光增益介质3、偏振片4、1/4波片5、泡克耳斯盒7、1/2波片8和第二保罗棱镜6。所述的第一保罗棱镜2、激光增益介质3、偏振片4、1/4波片5、泡克耳斯盒7、1/2波片8和第二保罗棱镜6位于同一光轴，构成谐振腔，产生激光；所述的激光增益介质3为Nd:Cr:YAG晶体，晶体形状是方棒、圆棒或之字形板条；所述的偏振片4与光轴的夹角为布儒斯特角；所述的1/4波片5和1/2波片8为输出激光波长对应的零级波片。
所述的第一保罗棱镜2和第二保罗棱镜6棱线相互正交放置，构成稳定谐振腔；所述的1/4波片5是耦合输出波片，1/2波片8是截止波片。Q开关运转由泡克耳斯盒7实现。采用加电压调Q。
从泵浦开始后到激光增益介质3中的粒子反转数密度积累到最大值之前，在泡克耳斯盒上不加电压。大功率LED光源1泵浦激光增益介质3，在谐振腔内产生激光。腔内激光通过偏振片4后形成水平方向(p方向)的线偏振光；经过1/4波片5后，变成椭圆偏振光；经过泡克耳斯盒7后，偏振态不发生改变；经过1/2波片8，由第二保罗棱镜6反射，再次通过1/2波片8，偏振态与之前相同；再经过泡克耳斯盒7，偏振态仍不发生改变；再经过1/4波片5后，变成垂直方向的线偏振光(s方向)，此时的线偏振光无法再次通过偏振片4，无法回到激光增益介质3构成振荡，腔内损耗极大，Q开关处于关闭状态。
在某时刻t，激光增益介质3中的粒子反转数密度积累到最大值，此时在泡克耳斯盒上加电压。大功率LED光源1泵浦激光增益介质3，在谐振腔内产生激光。腔内激光通过偏振片4后形成水平方向(p方向)的线偏振光；经过1/4波片5后，变成椭圆偏振光；经过泡克耳斯盒7后，变成垂直方向的线偏振光(s方向)；经过1/2波片8，由第二保罗棱镜6反射，再次通过1/2波片8，仍然是垂直方向的线偏振光(s方向)；再经过泡克耳斯盒7，变成椭圆偏振光，但此椭圆偏振光较之前的椭圆偏振光旋转了再经过1/4波片5后，又变成水平方向的线偏振光(p方向)，此时的线偏振光可以通过偏振片4，返回到激光增益介质3，在腔内往返振荡，腔内损耗降到很小，Q开关处于开启状态，激光器开始快速振荡，进而产生调Q巨脉冲激光。
实施例5
如图2所示，该实施例与实施例4唯一的区别是所述的激光增益介质3为Nd:Ce:YAG晶体。
实施例6
如图2所示，本实施例与实施例4唯一的区别是所述的激光增益介质3为Nd:Cr:Ce:YAG晶体。
实验表明，本发明结构紧凑、性能稳定，可在-40-+60℃的100℃温度范围内稳定工作。

Claims (4)

1.一种宽温度范围工作的全固态激光器，其特征在于包括大功率LED光源(1)、第一保罗棱镜(2)、激光增益介质(3)、偏振片(4)、1/4波片(5)和第二保罗棱镜(6)；所述的大功率LED光源(1)是将数个单颗功率在1W以上的LED密集阵列排布构成，用于产生泵浦光；所述的第一保罗棱镜(2)、激光增益介质(3)、偏振片(4)、1/4波片(5)和第二保罗棱镜(6)依次位于同一光轴上并构成谐振腔；所述的偏振片(4)与光轴的夹角为布儒斯特角；所述的1/4波片(5)为输出激光波长对应的零级波片；所述的大功率LED光源(1)的中心波长随温度的漂移系数小于0.1nm/℃；所述的第一保罗棱镜的棱线和第二保罗棱镜的棱线相互正交。
2.根据权利要求1所述的宽温度范围工作的全固态激光器，其特征在于：所述的大功率LED光源(1)是中心波长在400nm-450nm之间的大功率蓝光LED，或者在550nm-600nm之间的大功率黄光LED，或大功率白光LED。
3.根据权利要求1所述的宽温度范围工作的全固态激光器，其特征在于：所述的激光增益介质(3)为Nd:Cr:YAG、Nd:Ce:YAG或Nd:Cr:Ce:YAG晶体，晶体形状是方棒、圆棒或之字形板条。
4.根据权利要求1至3任一项所述的宽温度范围工作的全固态激光器，其特征在于：在所述的1/4波片(5)和第二保罗棱镜(6)之间依次设有泡克耳斯盒(7)和1/2波片(8)。
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