CN106486885B - 固体激光器 - Google Patents

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Abstract

一种固体激光器，包括泵浦源和泵浦尾纤、沿该泵浦尾纤的泵浦激光输出方向依次是第一耦合透镜、第二耦合透镜、泵浦端腔镜、激光增益介质和输出腔镜，在所述的激光增益介质的上下端面是上热沉、下热沉，所述的泵浦端腔镜、输出腔镜及激光增益介质构成激光谐振腔，其特点在于所述的激光增益介质是由多片微米级厚度的薄片状激光晶体和多片微米级厚度的薄片高热导率材料通过高温键合形成的周期性的复合增益介质。本发明可实现高功率、高光束质量和高偏振度的激光输出。

Description

固体激光器
技术领域
本发明涉及全固态高功率激光器，特别是一种固体激光器，可实现高功率、高光束质量、线偏振激光输出。
背景技术
高功率固体激光器已经成为了工业生产中的重要工具，在许多应用领域不仅需要激光具有较高的功率而且需要具备较高的光束质量。但是，由于量子损耗、吸收散射等损耗的存在，高功率固体激光器工作时有较大比例的能量会转化为废热，而常规的激光晶体热导率不高，从而导致高功率时出现严重的热效应，包括热透镜、热致双折射、热致波前畸变、热致介质炸裂等，这不仅限制了固体激光器功率的提升，而且降低输出激光的光束质量。为了降低固体激光器中的热效应，目前最成功的技术是采用减薄激光晶体的方法，主要包括板条结构和薄片结构(disk)。其中板条结构固体激光器中高功率时热效应仍然严重；而薄片结构固体激光器虽然已经实现了高功率激光输出，但需要多程泵浦、光学系统结构复杂。近年来，研究人员提出了采用透明的高热导率材料来结合激光增益介质发展高功率激光器，但一般仅仅利用高热导率材料作为激光窗口材料、或者仅仅作为纯粹的热传导材料，传统的高功率固体激光器中的热效应问题依然存在。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提出一种固体激光器，该激光器可实现高功率、高光束质量和高偏振度的激光输出。
本发明通过以下技术方案实现：
一种固体激光器，包括泵浦源和泵浦尾纤、沿该泵浦尾纤的泵浦激光输出方向依次是第一耦合透镜、第二耦合透镜、泵浦端腔镜、激光增益介质和输出腔镜，在所述的激光增益介质的上下端面是上热沉、下热沉，所述的泵浦端腔镜、输出腔镜及激光增益介质构成激光谐振腔，其特点在于所述的激光增益介质是由多片微米级厚度的薄片状激光晶体和多片微米级厚度的薄片高热导率材料通过高温键合形成的周期性的复合增益介质。
所述的泵浦源由多个激光二极管组成，输出波长范围为790纳米到830纳米，输出的光谱宽度为1纳米到3纳米之间。
所述的泵浦尾纤为多模光纤，包层直径为200微米或400微米，数值孔径为0.22。
所述的泵浦尾纤为单包层多模光纤，泵浦激光在包层中以全反射方式传输，传输效率大于95％。
所述的第一耦合透镜和第二耦合透镜为凸透镜，焦距为50毫米，数值孔径为0.3，双面镀790纳米到830纳米的增透膜，泵浦光透过率大于98％。
所述的泵浦端腔镜为K9材料的平面透镜，为镀膜双色透镜，对泵浦光增透，对激光(1030纳米到1090纳米)的反射率大于99％。
所述的激光增益介质为薄片状激光晶体，晶体材料包括Nd:YAG、Nd:YVO4或Nd:glass。
所述的高热导率材料是热导率为490W/m/K的SiC，或热导率为～3300W/m/K的金刚石。
所述的上热沉、下热沉由铜或铝材加工而成，中间有通水孔便于水冷，上热沉和下热沉可采用分离结构，也可采用组合式结构。
所述的输出腔镜为K9材料的平面透镜，为镀膜双色透镜，对泵浦光的反射率大于99.8％，对透过1030纳米到1090纳米激光的透过率为1％到50％之间。
所述的激光晶体为微米量级厚度为几十到几百微米的超薄晶体薄片，掺杂浓度为0.5％到4％；
所述的高热导率材料SiC或金刚石薄片材料的厚度为几十到百微米量级的薄片，对1微米激光的透过率大于90％。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下:
由于本发明，所述的激光增益介质是由多片微米级厚度的薄片状激光晶体和多片微米级厚度的薄片高热导率材料通过高温键合形成的周期性复合增益介质。因而提升了增益介质的整体热导率。激光器工作时所产生的热量可以通过高热导率材料快速传导到上下热沉进行高效散热，从根本上解决了激光晶体热导率低、容易形成热效应的问题。可实现高功率、高光束质量的激光输出，同时通过激光的布儒斯特角传输的偏振选择特性来实现高偏振度的正交偏振激光输出，同一个激光增益介质可以得到两种偏振激光。
附图说明
图1是本发明固体激光器的基本结构示意图。
图2是本发明的周期性复合增益介质结构中平行偏振的激光传输示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1是本发明固体激光器的基本结构示意图。由图可见，本发明固体激光器包括泵浦源1、泵浦尾纤2、第一耦合透镜3、第二耦合透镜4、泵浦端腔镜5、激光增益介质和输出腔镜10，在所述的激光增益介质的上下端面分别是上热沉8、下热沉9，所述的泵浦端腔镜5、输出腔镜10及激光增益介质构成激光谐振腔，所述的激光增益介质是由多片微米级厚度的薄片状激光晶体6和多片微米级厚度的薄片高热导率材料7通过高温键合形成的周期性的复合增益介质。
所述的泵浦源为连续激光二极管，所述的激光增益介质为薄片状激光晶体。
所述的连续激光二极管泵浦源由多个激光二极管组成，输出波长范围为790纳米到830纳米，输出的光谱宽度为1纳米到3纳米之间。
所述的泵浦尾纤为多模光纤，包层直径为200微米或400微米，数值孔径为0.22。
所述的泵浦尾纤为单包层多模光纤，泵浦激光在包层中以全反射方式传输，传输效率大于95％。
所述的第一耦合透镜和第二耦合透镜为凸透镜，焦距为50毫米，数值孔径为0.3，双面镀790纳米到830纳米的增透膜，泵浦光透过率大于98％。
所述的泵浦端腔镜为K9材料的平面透镜，为镀膜双色透镜，对泵浦光增透，对激光(1030纳米到1090纳米)高反(反射率大于99％)。
所述的激光增益介质为薄片状激光晶体，晶体材料包括Nd:YAG、Nd:YVO4和Nd:glass。
所述的高热导率材料为具有极高热导率的碳化硅(SiC)或金刚石(diomand)薄片材料。
所述的上热沉、下热沉由铜或铝材加工而成，中间有通水孔便于水冷，上热沉和下热沉可采用分离结构，也可采用组合式结构。
所述的输出腔镜为K9材料的平面透镜，为镀膜双色透镜，对泵浦光的反射率大于99.8％，对透过1030纳米到1090纳米激光的透过率为1％到50％之间。
所述的激光晶体为微米量级厚度为几十到几百微米的超薄晶体薄片，掺杂浓度为0.5％到4％；
所述的高热导率材料SiC或金刚石薄片材料的厚度为几十到百微米量级的薄片，对1微米激光的透过率(不计菲涅耳反射损失)大于90％。
泵浦源1输出连续波激光，通过泵浦尾纤2入射到第一耦合透镜3上，通过第一耦合透镜3和第二耦合透镜4后泵浦激光聚焦到激光增益介质上，复合增益介质由激光增益介质6和高热导率材料7采用周期性交替键合形成。泵浦端腔镜5和输出腔镜10形成激光谐振腔。上热沉8和下热沉9中加工水通道，通过循环水把增益介质中产生的废热带走。
周期性复合增益介质结构的激光晶体6采用微米量级的薄片结构，高热导率材料7的厚度也在微米量级。激光晶体6和高热导率材料7采用高温键合的方式形成结构牢固的整体。
激光以布儒斯特角穿过激光晶体表面，保证平行偏振光的反射分量为零，使得平行偏振光低损耗通过，形成激光振荡，输出腔镜10为部分透过(1030纳米到1090纳米透过率为1％到50％之间)，从而平行偏振的激光通过输出腔镜输出。垂直偏振光入射到晶体表面时部分反射、部分透射，高泵浦时也会形成振荡，此时，晶体表面反射部分作为输出激光。这种布儒斯特角传输方式不仅使得输出的激光具备非常高的偏振度(线偏振光)，而且通过这种布儒斯特角偏振选择方式可以从同一个激光器中输出多束激光。
实施例1：
本发明的实施例1，泵浦源采用波长808纳米的激光二极管，输出功率大于40瓦，激光谱线宽度3纳米，泵浦尾纤为单包层的400微米、数值孔径为0.22的多模光纤，第一耦合透镜和第二耦合透镜都是K9玻璃的双凸透镜，焦距皆为50毫米，数值孔径为0.3；激光晶体采用Nd:YVO4，厚度为200微米，一起5层晶体，高热导率材料为6H-SiC(SiC的构型之一)，厚度为500微米，层数为6层，交叉键合形成周期性复合增益介质结构；泵浦端腔镜和输出腔镜都是K9玻璃制作的双色镜，二者形成激光谐振腔，泵浦端腔镜对泵浦光增透对激光高反，输出腔镜对泵浦光高反对激光部分透过，透过率采用15％。当泵浦光超过一定功率时(约7瓦)，观察到激光输出，输出功率随着泵浦光功率线性增长，最大功率为10瓦，对于吸收的泵浦光的斜率效率为～30％。输出激光波长对于平行偏振光为1064.3纳米，而对于垂直偏振光激光波长为1063.7纳米。两种不同偏振的激光输出功率比可以通过改变输出腔镜的激光透过率来调节。

Claims (11)

1.一种固体激光器，包括泵浦源(1)和泵浦尾纤(2)、沿该泵浦尾纤(2)的泵浦激光输出方向依次是第一耦合透镜(3)、第二耦合透镜(4)、泵浦端腔镜(5)、激光增益介质和输出腔镜(10)，在所述的激光增益介质的上下端面是上热沉(8)、下热沉(9)，所述的泵浦端腔镜(5)、输出腔镜(10)及激光增益介质构成激光谐振腔，其特征在于所述的激光增益介质是由多片微米级厚度的薄片状激光晶体(6)和多片微米级厚度的薄片高热导率材料(7)通过高温键合形成的周期性的复合增益介质；
激光以布儒斯特角穿过激光晶体表面，保证平行偏振光的反射分量为零，使得平行偏振光低损耗通过，形成激光振荡，输出腔镜(10)为部分透过，从而平行偏振的激光通过输出腔镜输出，垂直偏振光入射到晶体表面时部分反射、部分透射，高泵浦时也会形成振荡，此时，晶体表面反射部分输出激光。
2.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于所述的泵浦源(1)由多个激光二极管组成，输出波长范围为790纳米到830纳米，输出的光谱宽度为1纳米到3纳米之间。
3.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于所述的泵浦尾纤(2)为单包层多模光纤，泵浦激光在包层中以全反射方式传输，传输效率大于95％。
4.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于所述的第一耦合透镜(3)和第二耦合透镜(4)为凸透镜，焦距为50毫米，数值孔径为0.3，双面镀790纳米到830纳米的增透膜，泵浦光透过率大于98％。
5.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于所述的泵浦端腔镜(5)为K9材料的平面透镜，为镀膜双色透镜，对泵浦光增透，对激光高反。
6.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于所述的增益介质(6)为薄片状激光晶体，晶体材料为Nd:YAG、Nd:YVO4或Nd:glass。
7.根据权利要求6所述的固体激光器，其特征在于所述的激光晶体薄片为几十到几百微米，掺杂浓度为0.5％到4％。
8.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于所述的高热导率材料(7)是热导率为490W/m/K的SiC，或热导率为3300W/m/K的金刚石。
9.根据权利要求8所述的固体激光器，其特征在于所述的高热导率材料为几十到百微米量级的薄片，对1微米激光的透过率大于90％。
10.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于所述的上热沉(8)、下热沉(9)由铜或铝材料加工而成，中间有通水孔便于水冷，上热沉(8)和下热沉(9)采用分离结构或组合式结构。
11.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于所述的输出腔镜(10)为K9材料的平面透镜，为镀膜双色透镜，对泵浦光的反射率大于99.8％，对激光透过率为1％到50％之间。
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