CN105281193A - 一种用于2.79μm有效补偿热退偏效应的激光器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于2.79μm有效补偿热退偏效应的激光器结构，包括全反腔片、调Q晶体、起偏器、半导体泵浦模块、激光棒、输出腔片、退压调Q高压模块、激光电源和激光水冷系统。半导体泵浦模块通过激光电源提供能量发光，产生的光泵浦光对准激光棒发射以便最大限度的进入激光棒内对激光棒进行泵浦；起偏器用于产生分离P光和S光，使P光和S光分别在两支路中形成振荡，以有效地补偿热退偏效应；调Q晶体和起偏器串联组成电光Q开关，调Q晶体由退压调Q模块提供1/4波电压形成所述电场，并通过激光电源控制调Q电压的脉冲时间；激光电源为半导体泵浦模块提供能量并同时控制水冷系统、电光Q开关等进行协调工作。

Description

一种用于2.79μm有效补偿热退偏效应的激光器结构

技术领域

本发明涉及激光器领域，具体是一种用于2.79μm有效补偿热退偏效应的激光器结构。

背景技术

2.79μm波长的YSGG铒激光在生物医疗、科研、军事等领域有着重要的应用。由于水和羟基磷灰石对该波长激光的有效吸收，可将其用于眼角膜、牙齿和骨骼等组织的精准切削或消融，纳秒级的窄脉冲能极大地减小激光对周围组织的热损伤，并提高切削精度，是一种精准切削或消融的理想医用激光源。此外，高峰值功率、高脉冲能量的2.79μm脉冲激光还能用作光学参量振荡器的泵浦源，以获得足够强的3-12μm的中红外激光，在远距离大气探测、毒气检测、光电对抗等领域有着重要的应用。因此，发展2.79μm窄脉冲、高能量的激光技术和激光器具有重要的应用价值。

纳秒脉冲激光需要通过调Q技术来实现，2.79μm波长激光调Q主要有电光调Q、声光调Q、FTIR调Q、饱和吸收体调Q等方法。在精确操控和探测应用领域的高能量激光器中，电光Q开关凭借其效率高、开关速度快、稳定可控等优势发挥着不可替代的作用。合适的红外电光晶体是Q开关的关键，优良的Q开关晶体在工作波长应该具有透光性好、损伤阈值高、物化性能稳定、不易潮解等特点。科学家已经研制出几种优良性能2-3μm近红外电光晶体，由于铌酸锂晶体(LN)的电光系数大，所需的四分之一波电压小。

以往闪光灯泵浦系统存在热效应严重，转换效率低，难以获得高重频高能量的激光输出的问题，无法满足需求。

发明内容本发明的目的是提供一种用于2.79μm有效补偿热退偏效应的激光器结构，以解决现有技术闪光灯泵浦系统存在热效应严重、转换效率低的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种用于2.79μm有效补偿热退偏效应的激光器结构，其特征在于：包括周围环绕有半导体泵浦模块的激光棒，激光棒前端前方设有输出腔片，还包括激光电源、退压调Q高压模块、两组调Q晶体、起偏器，所述调Q晶体为长方体状的铌酸锂晶体，铌酸锂晶体经X-Y-Z方向切割形成LN电光的调Q晶体，且调Q晶体的X轴方向加电场、沿Z轴方向通光，其中第一组调Q晶体的Z轴与激光棒中心轴同轴，第一组调Q晶体的前端与激光棒后端相对，且第一组调Q晶体的后端后方设有全反腔片，所述起偏器设在激光棒后端与第一组调Q晶体前端之间，第二组调Q晶体设置在起偏器一侧，且第二组调Q晶体Z轴一端倾斜对准起偏器，第二组调Q晶体Z轴另一端外亦设有全反腔片，由两组调Q晶体和起偏器构成电光Q开关，两组调Q晶体分别与退压调Q高压模块连接，由退压调Q高压模块分别向两组调Q晶体施加电场，所述激光电源分别供电至退压调Q高压模块、半导体泵浦模块；

激光电源向半导体泵浦模块提供能量，半导体泵浦模块产生泵浦光，泵浦光进入激光棒内进行泵浦产生高脉冲激光，在激光棒前端高脉冲激光经过输出腔片出射，在激光棒后端高脉冲激光经过电光调Q开关调Q后，再经过全反腔片反射后依次经过激光棒、输出腔片出射。

所述的一种用于2.79μm有效补偿热退偏效应的激光器结构，其特征在于：还包括激光水冷系统，所述激光水冷系统分别通过管路与激光棒、半导体泵浦模块连接，所述激光电源供电至激光水冷系统，由激光水冷系统向激光棒、半导体泵浦模块提供恒温冷却水。

所述的一种用于2.79μm有效补偿热退偏效应的激光器结构，其特征在于：所述激光棒采用Er:YSGG激光晶体，激光棒的前、后端端面分别镀2.79μm增透膜。

所述的一种用于2.79μm有效补偿热退偏效应的激光器结构，其特征在于：所述全反腔片的朝向激光棒前端的一面镀2.79μm全反膜，输出腔片的朝向激光棒前端的一面镀80%反射膜，输出腔片的朝向激光棒后端的一面镀2.79μm增透膜。

所述的一种用于2.79μm有效补偿热退偏效应的激光器结构，其特征在于：所述调Q晶体的两Y-Z面分别镀金作为电极，保证了电场的均匀性，调Q晶体的双X-Y面分别镀2.79μm增透膜。

本发明采用的半导体泵浦Er:YSGG晶体将大大减小激光器的热效应，提高转换效率和重复频率，可获得高能量和高光束质量的2.79μm激光输出。

本发明优点为：

（1）本发明采用半导体侧面泵浦电光调QEr:YSGG激光，产生脉冲激光。利用半导体泵浦系统以获得高脉冲能量激光，在调Q模式下有利于获得高重频、高能量、窄脉宽的调Q激光。

（2）本发明采用退压式Q开关，调Q晶体选用铌酸锂（LN）晶体，该晶体不潮解、物理化学性能稳定，在2.79μm波长的透光性好，电光系数大，具有其它调Q晶体无法比拟的优势，保证中红外脉冲激光器输出能量大、脉冲短、光束质量好，长期工作稳定可靠。

（3）本发明调Q晶体采用铌酸锂（LN）晶体，为减小四分之一波电压，将X-Y-Z方向切割的LGS电光调Q晶体设计为长方体，在晶体X轴方向加横向电场（电场方向与光路垂直），两Y-Z面镀金作为电极保证了电场的均匀性，沿Z轴方向通光，双X-Y面镀2.79μm增透膜，体积小，结构简单可靠。

（4）本发明使用起偏器分离P光和S光，使P光和S光分别在两支路中形成振荡，以有效地补偿热退偏效应，解决了高能量泵浦时热退偏问题，使得输出的激光光斑模式好，能量分布均匀。

（5）本发明中铌酸锂晶体的加电场的Y-Z两对应平行侧面上镀有金膜，使其上加有的横向电场更均匀，调Q的效果也更佳。

（6）本发明中水冷系统的循环回路中优选串接去离子净化过滤器，保证了水冷却部件冷却温度的稳定性。

（7）本发明采用半导体泵浦Er:YSGG，将大大减小激光器的热效应，提高转换效率和重复频率，可获得高能量和高光束质量的2.79μm激光输出。

附图说明

图1为本发明结构原理图。

具体实施方式

参见图1所示，一种用于2.79μm有效补偿热退偏效应的激光器结构，包括周围环绕有半导体泵浦模块4的激光棒5，激光棒5前端前方设有输出腔片6，还包括激光电源8、退压调Q高压模块7、两组调Q晶体21和22、起偏器3，调Q晶体21和22为长方体状的铌酸锂晶体，铌酸锂晶体经X-Y-Z方向切割形成LN电光的调Q晶体，且调Q晶体的X轴方向加电场、沿Z轴方向通光，其中第一组调Q晶体21的Z轴与激光棒5中心轴同轴，第一组调Q晶体21的前端与激光棒5后端相对，且第一组调Q晶体21的后端后方设有全反腔片11，起偏器3设在激光棒5后端与第一组调Q晶体21前端之间，第二组调Q晶体22设置在起偏器3一侧，且第二组调Q晶体22Z轴一端倾斜对准起偏器3，第二组调Q晶体22Z轴另一端外亦设有全反腔片12，由两组调Q晶体21、22和起偏器3构成电光Q开关，两组调Q晶体21、22分别与退压调Q高压模块7连接，由退压调Q高压模块7分别向两组调Q晶体21、22施加电场，激光电源8分别供电至退压调Q高压模块7、半导体泵浦模块4；

激光电源8向半导体泵浦模块4提供能量，半导体泵浦模块4产生泵浦光，泵浦光进入激光棒5内进行泵浦产生高脉冲激光，在激光棒5前端高脉冲激光经过输出腔片6出射，在激光棒5后端高脉冲激光经过电光调Q开关调Q后，再经过全反腔片11、12反射后依次经过激光棒5、输出腔片6出射。

还包括激光水冷系统9，激光水冷系统9分别通过管路与激光棒5、半导体泵浦模块4连接，激光电源8供电至激光水冷系统9，由激光水冷系统9向激光棒5、半导体泵浦模块4提供恒温冷却水。

激光棒5采用Er:YSGG激光晶体，激光棒5的前、后端端面分别镀2.79μm增透膜。

全反腔片11、12的朝向激光棒前端的一面镀2.79μm全反膜，输出腔片6的朝向激光棒前端的一面镀80%反射膜，输出腔片6的朝向激光棒后端的一面镀2.79μm增透膜。

调Q晶体21、22的两Y-Z面分别镀金作为电极，保证了电场的均匀性，调Q晶体21、22的双X-Y面分别镀2.79μm增透膜。

本发明由全反腔片11和12、调Q晶体21和22、起偏器3、半导体泵浦模块4、激光棒5、输出腔片6、退压调Q高压模块7、激光电源8和激光水冷系统9构成。

激光棒5由半导体泵浦模块4环绕，半导体泵浦模块4通过激光电源8提供能量发光，产生的光泵浦光对准激光棒5发射以便最大限度的进入激光棒5内对激光棒5进行泵浦；激光水冷系统9与激光棒5和半导体泵浦模块4相连接，为激光棒5和半导体泵浦模块4提供恒温冷却作用；起偏器3用于产生分离P光和S光，使P光和S光分别在两支路中形成振荡，以有效地补偿热退偏效应；调Q晶体21、22和起偏器3串联组成电光Q开关，调Q晶体为铌酸锂晶体，X-Y-Z方向切割的长方体LN电光调Q晶体，晶体X轴方向加电场，沿Z轴方向通光；由退压调Q高压模块7提供1/4波电压形成所述电场，并通过激光电源8控制调Q电压的脉冲时间；激光电源8为半导体泵浦模块4提供能量并同时控制水冷系统9、退压调Q高压模块7等进行协调工作。

全反腔片1和输出腔片6的基片材料均为白宝石（Al2O3）等材料制作的镜片，其中全反腔片1的单面镀2.79μm全反膜，输出腔片6的双面分别镀2.79μm增透膜和80%反射膜。激光棒5采用Er:YSGG激光晶体，激光棒5的两端面镀2.79μm增透膜。调Q晶体为铌酸锂晶体（LGS）沿X-Y-Z方向切割设计为方柱状，调Q晶体的X轴方向加电场，调Q晶体的两Y-Z面镀金作为电极保证了电场的均匀性，沿调Q晶体的Z轴方向通光，调Q晶体双X-Y面镀2.79μm增透膜。而电光Q开关工作需要线偏振光，本发明中起偏器3用于产生分离P光和S光，使P光和S光分别在两支路中形成振荡，以有效地补偿热退偏效应。激光器使用半导体泵浦模块4进行泵浦。激光棒5放置在半导体泵浦模块4内用恒温循环水进行冷却，激光水冷系统9设计采用较大的水流量以保证有较高冷却效率，从而获得均匀的光斑和较高的输出能量。

根据LN电光系数大的特性，电光调Q开关设计为退压方式工作。

对上述优化后，本发明可以在1-50Hz重复频率下工作，实现短脉冲、高能量的激光输出。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的一种用于2.79μm有效补偿热退偏效应的结构装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种用于2.79μm有效补偿热退偏效应的激光器结构，其特征在于：包括周围环绕有半导体泵浦模块的激光棒，激光棒前端前方设有输出腔片，还包括激光电源、退压调Q高压模块、两组调Q晶体、起偏器，所述调Q晶体为长方体状的铌酸锂晶体，铌酸锂晶体经X-Y-Z方向切割形成LN电光的调Q晶体，且调Q晶体的X轴方向加电场、沿Z轴方向通光，其中第一组调Q晶体的Z轴与激光棒中心轴同轴，第一组调Q晶体的前端与激光棒后端相对，且第一组调Q晶体的后端后方设有全反腔片，所述起偏器设在激光棒后端与第一组调Q晶体前端之间，第二组调Q晶体设置在起偏器一侧，且第二组调Q晶体Z轴一端倾斜对准起偏器，第二组调Q晶体Z轴另一端外亦设有全反腔片，由两组调Q晶体和起偏器构成电光Q开关，两组调Q晶体分别与退压调Q高压模块连接，由退压调Q高压模块分别向两组调Q晶体施加电场，所述激光电源分别供电至退压调Q高压模块、半导体泵浦模块；

激光电源向半导体泵浦模块提供能量，半导体泵浦模块产生泵浦光，泵浦光进入激光棒内进行泵浦产生高脉冲激光，在激光棒前端高脉冲激光经过输出腔片出射，在激光棒后端高脉冲激光经过电光调Q开关调Q后，再经过全反腔片反射后依次经过激光棒、输出腔片出射。

2.根据权利要求1所述的一种用于2.79μm有效补偿热退偏效应的激光器结构，其特征在于：还包括激光水冷系统，所述激光水冷系统分别通过管路与激光棒、半导体泵浦模块连接，所述激光电源供电至激光水冷系统，由激光水冷系统向激光棒、半导体泵浦模块提供恒温冷却水。

3.根据权利要求1所述的一种用于2.79μm有效补偿热退偏效应的激光器结构，其特征在于：所述激光棒采用Er:YSGG激光晶体，激光棒的前、后端端面分别镀2.79μm增透膜。

4.根据权利要求1所述的一种用于2.79μm有效补偿热退偏效应的激光器结构，其特征在于：所述全反腔片的朝向激光棒前端的一面镀2.79μm全反膜，输出腔片的朝向激光棒前端的一面镀80%反射膜，输出腔片的朝向激光棒后端的一面镀2.79μm增透膜。

5.根据权利要求1所述的一种用于2.79μm有效补偿热退偏效应的激光器结构，其特征在于：所述调Q晶体的两Y-Z面分别镀金作为电极，保证了电场的均匀性，调Q晶体的双X-Y面分别镀2.79μm增透膜。