CN105470804A - 全固态激光器及其调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全固态激光器及其调试方法，全固态激光器包括：半导体泵浦源，用于输出泵浦光；耦合系统，用于传输和匀化泵浦光，并将泵浦光耦合进激光晶体；激光晶体，用于提供增益；双色平凸柱面全反镜，设置在耦合系统和激光晶体之间，用于透射泵浦光，反射激光；偏振片，用于起偏激光；四分之一波片，用于使通过的激光偏振方向旋转45°；普克尔盒，未施加电压时相当于平片，当对该普克尔盒施加四分之一电压时相当于四分之一波片；平凹柱面输出镜，输出激光。本发明全固态激光器提高了泵浦光重复频率，缩小了泵浦光间隔，提高了泵浦光功率密度，发散角小，提高了测距或成像距离，扩大了应用范围。

Description

全固态激光器及其调试方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种全固态激光器及其调试方法。

背景技术

无水冷高峰值功率的DPL(DiodePumpedsolidstateLaser，全固态激光器)以其体积小、重量轻、效率高等特点，在医疗卫生、空间雷达，乃至军事等领域迅速发展，其研究受到极大关注，随着应用的平台越来越广泛，对激光器光束质量、脉冲宽度的要求也越来越严格。

按泵浦方式来分类，无水冷全固态激光器可分为侧面泵浦、端面泵浦等类型。侧面泵浦具有结构简单，泵浦功率大的特点，可以输出大能量激光。但是，单棒输出光的圆度不够高，于是出现双棒串接的泵浦模式，有效的补偿了激光的均匀性；但功耗和体积也会增大。于是，端面泵浦无水冷激光器应运而生，采用导光锥将泵浦光耦合进激光晶体的形式，可以得到大的能量输出。但导光锥的出光面必须靠近激光晶体端面，晶体端面镀全反膜。没有全反镜，不利于压缩发散角。也有采用垂直腔面发射激光器(VCSEL，VerticalCavitySurfaceEmittingLaser)作为端面泵浦源，由于其发射光斑呈圆性，易集成为大面积阵列，可以直接聚焦到晶体表面，可以增加后反镜，其输出光束质量较好，但也不是单横模，不利于激光成像的应用，脉冲宽度也不窄，峰值功率小于10MW。

但是，如何在无水冷全固态、高峰值功率输出的情况下，实现发散角小、光束质量好以及脉冲宽度窄，是当前急需解决的一个技术难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是一种全固态激光器及其调试方法，用以解决现有技术中存在的上述问题之一。

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种全固态激光器，包括：

半导体泵浦源，用于输出泵浦光；

耦合系统，用于传输和匀化泵浦光，并将泵浦光耦合进激光晶体；

激光晶体，用于提供增益；

双色平凸柱面全反镜，设置在耦合系统和激光晶体之间，用于透射泵浦光，反射激光；

偏振片，用于起偏激光；

四分之一波片，用于使通过的激光偏振方向旋转45°；

普克尔盒，未施加电压时相当于平片，当对该普克尔盒施加四分之一电压时相当于四分之一波片；

平凹柱面输出镜，输出激光。

进一步，半导体泵浦源每个Bar条都错位放置；泵浦光的峰值功率为≤2400W，脉冲宽度为100～480μs。

进一步，半导体泵浦源由半导体制冷片制冷，温度控制在0.2℃内。

进一步，耦合系统包括：平凸柱面聚焦镜、波导、平凸柱面准直镜和球面透镜；其中，两片平凸柱面聚焦镜将泵浦光聚焦进波导，泵浦光在波导传输过程中进行匀化，均匀的泵浦光经两片平凸柱面准直镜、一片球面透镜耦合进激光晶体。

进一步，耦合系统材料为石英或K9玻璃。

进一步，激光晶体为Nd:YAG或Nd:YLF晶体，掺杂原子分数为0.8％；散热面由半导体制冷片制冷，温度控制在23℃。

进一步，平凸柱面全反镜和平凹柱面输出镜组成谐振腔，总长10cm；平凸柱面全反镜3凸面镀激光全反膜；平凹柱面输出镜对激光部分透过。

进一步，普克尔盒中调Q晶体为KD*P晶体或者Cr4+:YAG晶体。

另一方面，本发明还提供一种全固态激光器，包括：

半导体泵浦源，用于输出泵浦光；

耦合系统，用于传输和匀化泵浦光，并将泵浦光耦合进激光晶体；

激光晶体，用于提供增益；

Cr4+:YAG被动调Q晶体和平凹柱面输出镜构成的谐振腔。

再一方面，本发明还提供一种全固态激光器的调试方法，包括：

步骤S101，半导体泵浦源发出的泵浦光泵浦激光晶体，使其粒子数反转，发射激光；

步骤S102，调节平凹柱面输出镜和平凸柱面全反镜，使平凹柱面输出镜输出能量最大；

步骤S103，当激光晶体上能级粒子数达到最大时，对普克尔盒施加电压，激光通过平凹柱面输出镜8输出激光。

本发明有益效果如下：

本发明全固态激光器提高了泵浦光重复频率，缩小了泵浦光间隔，提高了泵浦光功率密度，发散角小，提高了测距或成像距离，扩大了应用范围。

附图说明

图1为本发明的实施例1高光束质量无水冷全固态激光器X-Z方向的光路结构示意图；

图2为本发明的实施例1高光束质量无水冷全固态激光器Y-Z方向的光路结构示意图；

图3为本发明的实施例1中低泵浦光间隔和传统泵浦光间隔对比图；

图4为本发明的实施例1中高光束质量无水冷全固态激光器脉冲光波图；

图5为本发明的实施例2高光束质量无水冷全固态被动调Q激光器X-Z方向的光路结构示意图；

图6为本发明的实施例2高光束质量无水冷全固态被动调Q激光器Y-Z方向的光路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

实施方式1：

如图1、2所示，本实施例涉及一种全固态激光器，为高光束质量、无水冷全固态激光器，包括：

半导体泵浦源1，用于提供高峰值功率准连续泵浦光；

耦合系统2，用于传输和匀化高峰值功率准连续泵浦光，并将泵浦光耦合进激光晶体4；

激光晶体4，提供增益；

双色平凸柱面全反镜3，用于透射泵浦光，反射激光；

偏振片5，使激光起偏；

四分之一波片6，激光通过它偏振方向旋转45°；

普克尔盒7，控制其上施加的电压，使得当不对该普克尔盒施加电压时相当于平片，当对该普克尔盒施加四分之一电压时相当于四分之一波片；普克尔盒7中调Q晶体为KD*P晶体或者Cr4+:YAG晶体。

平凹柱面输出镜8，输出激光。

其中，从半导体泵浦源1发出的准连续泵浦光经耦合系统2匀化和传输，经双色平凸柱面全反镜3入射到激光晶体4上，激光起振后在平凸柱面全反镜3和平凹柱面输出镜8组成的谐振腔内来回振荡，使激光晶体4积累的反转粒子数达到最大，后经普克尔盒7调Q输出激光。

具体的，半导体泵浦源1，提供准连续泵浦光的峰值功率为≤2400W，脉冲宽度为100～480μs。半导体泵浦源1，每个Bar条都错位放置，保证经准直后的泵浦光的间隔最小，最小能够达到0.1mm，提高了泵浦功率密度；提高了整个Bar条热沉的散热面积，使泵浦光的占空比提高，可以高重复频率工作。低泵浦光间隔和传统泵浦光间隔对比如图3所示。在25℃输出波长808nm泵浦光，在输入电流200A时输出最大峰值功率2400W，调制宽度为250μs，所以最大输出单脉冲能量600mJ。半导体泵浦源1由两片57W功率半导体制冷片制冷，温度控制在0.2℃内。

耦合系统2材料为石英或K9玻璃。高峰值功率808nm泵浦光由耦合系统2传输和匀化，耦合系统2包括平凸柱面聚焦镜、波导、平凸柱面准直镜和球面透镜；其中，两片半径为10mm的平凸柱面聚焦镜将808nm泵浦光聚焦进尺寸为2.5mm×20mm×80mm的波导，808nm泵浦光在波导传输过程中变得非常均匀，在传输过程中，808nm泵浦光损耗小于2％。均匀的808nm泵浦光经两片半径为10mm的平凸柱面准直镜和半径为150mm的球面透镜耦合进激光晶体4，在晶体中的最小光斑尺寸为6×0.5mm。

激光晶体4为Nd:YAG或Nd:YLF晶体，掺杂原子分数为0.8％，尺寸为1mm×15mm×10mm；透光面1mm×15mm，散热面为15mm×10mm，散热面由两片40W功率半导体制冷片制冷，温度控制在23℃。

谐振腔由平凸柱面全反镜3和平凹柱面输出镜8组成，总腔长10cm。平凸柱面全反镜3，凸面镀1064nm激光全反膜，曲率半径为500mm。平凹柱面输出镜8对1064nm激光或1053nm激光部分透过。平凹柱面输出镜8曲率半径为2500mm，面向腔内镀透过70％的1064nm介质膜，另一面镀1064nm增透膜。

本实施例还涉及一种全固态激光器的调试方法，包括：

步骤S101，半导体泵浦源1发出的准连续泵浦光(808nm)泵浦激光晶体4(Nd:YAG)，使其粒子数反转，发射激光。

步骤S102，激光通过偏振片5起偏，偏振方向为垂直方向，垂直方向的激光通过四分之一波片6，偏振方向旋转45°，此时普克尔盒7中KD*P晶体上并未加3800V高压，相当于平片，激光通过KD*P晶体偏振方向不改变，经平凹柱面输出镜8反射再一次通过四分之一波片6，偏振方向再次旋转45°，此时，与偏振片6透光方向恰好成90°，激光不能通过。在输入电流100A，重复频率50Hz时，调节平凹柱面输出镜8和平凸柱面全反镜3，使其输出能量最大。

步骤S103，在Nd:YAG晶体上能级粒子数达到最大时，普克尔盒7中KD*P晶体施加3800V高压，激光通过平凹柱面输出镜8输出1064nm激光。电流逐渐加大，在180A时，输出最大单脉冲能量36mJ，单横模激光，转换效率达到16.8％，输出脉冲宽度为2.976ns，如图4所示，对应的峰值功率大于12MW。

实施方式2：

如图5、6所示，本实施例涉及一种全固态激光器，为高光束质量无水冷全固态被动调Q激光器，包括：

半导体泵浦源1，耦合系统2，双色平凹柱面全反镜3，激光晶体4，Cr4+:YAG被动调Q晶体9，平凹柱面输出镜6。半导体泵浦源1、耦合系统2、双色平凹柱面全反镜3和激光晶体4与实施例1相同，本实施例不再详细描述。

Cr4+:YAG被动调Q晶体9初始透过率为30％，厚度为4mm，平凹柱面输出镜6对1064nm透过率为60％，双色平凸柱面镜3和平凹柱面输出镜6构成的谐振腔，长10cm。在输入电流180A，重复频率50Hz时，输出单脉冲能量24.8mJ，光光转换效率11.6％，输出光斑在出光口尺寸为6mm×0.5mm，在X方向发散角为0.3mrad，在Y方向发散角为2.8mrad。

还可以将激光晶体4换为Nd:YLF，泵浦光波长换为798nm，泵浦宽度480μs，以及换相应的镜片镀膜参数，可以输出高重频、窄脉宽、高光束质量的1053nm激光。

由上述实施例可以看出，本发明实施例具有以下方案：

(a)采用阶梯形Bar条排列，散热面积增大，提高了泵浦光重复频率；缩小了泵浦光间隔，提高了泵浦光功率密度。

(b)采用Y-Z方向非稳腔，提高了基模体积；X-Z方向无热焦距，发散角极其小。

(c)输出单横模光斑为线性，能整形成矩形或方形，扩大了其应用范围；峰值功率达到12MW，提高了测距或成像距离。

应当说明，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，比如改换半导体泵浦源的峰值功率和波长参数；使用类似的腔型，加大泵浦功率，在类似的腔型中缩短腔长，替换增益晶体以及相应的镜片镀膜参数和曲率等参数都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种全固态激光器，其特征在于，包括：

半导体泵浦源，用于输出泵浦光；

耦合系统，用于传输和匀化泵浦光，并将泵浦光耦合进激光晶体；

激光晶体，用于提供增益；

双色平凸柱面全反镜，设置在耦合系统和激光晶体之间，用于透射泵浦光，反射激光；

偏振片，用于起偏激光；

四分之一波片，用于使通过的激光偏振方向旋转45°；

普克尔盒，未施加电压时相当于平片，当对该普克尔盒施加四分之一电压时相当于四分之一波片；

平凹柱面输出镜，输出激光。

2.如权利要求1所述的全固态激光器，其特征在于，半导体泵浦源每个Bar条都错位放置；泵浦光的峰值功率为≤2400W，脉冲宽度为100～480μs。

3.如权利要求1或2所述的全固态激光器，其特征在于，半导体泵浦源由半导体制冷片制冷，温度控制在0.2℃内。

4.如权利要求1所述的全固态激光器，其特征在于，耦合系统包括：平凸柱面聚焦镜、波导、平凸柱面准直镜和球面透镜；其中，两片平凸柱面聚焦镜将泵浦光聚焦进波导，泵浦光在波导传输过程中进行匀化，均匀的泵浦光经两片平凸柱面准直镜、一片球面透镜耦合进激光晶体。

5.如权利要求4所述的全固态激光器，其特征在于，耦合系统材料为石英或K9玻璃。

6.如权利要求1、2、4或5所述的全固态激光器，其特征在于，激光晶体为Nd:YAG或Nd:YLF晶体，掺杂原子分数为0.8％；散热面由半导体制冷片制冷，温度控制在23℃。

7.如权利要求1、2、4或5所述的全固态激光器，其特征在于，平凸柱面全反镜和平凹柱面输出镜组成谐振腔，总长10cm；平凸柱面全反镜3凸面镀激光全反膜；平凹柱面输出镜对激光部分透过。

8.如权利要求1所述的全固态激光器，其特征在于，普克尔盒中调Q晶体为KD*P晶体或者Cr4+:YAG晶体。

9.一种全固态激光器，其特征在于，包括：

半导体泵浦源，用于输出泵浦光；

耦合系统，用于传输和匀化泵浦光，并将泵浦光耦合进激光晶体；

激光晶体，用于提供增益；

Cr4+:YAG被动调Q晶体和平凹柱面输出镜构成的谐振腔。

10.一种全固态激光器的调试方法，其特征在于，包括：

步骤S101，半导体泵浦源发出的泵浦光泵浦激光晶体，使其粒子数反转，发射激光；

步骤S102，调节平凹柱面输出镜和平凸柱面全反镜，使平凹柱面输出镜输出能量最大；

步骤S103，当激光晶体上能级粒子数达到最大时，对普克尔盒施加电压，激光通过平凹柱面输出镜8输出激光。