CN106711760A - 一种基于波长锁定半导体激光模块的铥激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于波长锁定半导体激光模块的铥激光器，属于激光技术领域。该铥激光器包括波长锁定的窄线宽半导体激光器模块、泵浦光准直聚焦模块和激光谐振腔模块；半导体泵浦光经波长锁定的窄线宽半导体激光器模块输出到泵浦光准直聚焦模块后，通过激光谐振腔模块输出。本发明通过上述技术方案实现了大功率Tm激光器在室温下的高效率输出，将其光光转换效率提高到45％。

Description

一种基于波长锁定半导体激光模块的铥激光器
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于波长锁定半导体激光模块的铥激光器，用以提高大功率LD泵浦Tm激光器光光转换效率。
背景技术
稀土铥Tm离子掺杂固态激光器的激光波长覆盖了水分子及温室气体分子的特征吸收峰，在遥感、环境监测以及生物医疗等领域有广泛的应用价值和前景。同时，该激光器也是过度金属掺杂激光器和基于磷锗锌晶体的光参量振荡器的大功率泵浦源，用于实现中红外3～5微米激光输出。目前，Tm激光器的工作物质有光纤、晶体以及陶瓷三大类。其中，掺铥激光晶体具有结构紧凑、易于装卸和工艺成熟等特点而得到广泛应用。在Tm激光晶体中，钇铝石榴石YAG晶体具有高机械性能、高热导率以及易于扩散键合等综合优势，成为2微米Tm激光器研制的首选材料。在逐步提高半导体泵浦Tm:YAG激光器在室温下的输出功率的同时，激光器效率的提高最为关键，这体现在激光器的光光转换效率上。光光效率的提高，一方面增加了同一泵浦吸收功率下的激光输出功率，另一方面则减少了激光晶体中热量的积聚，改善了易受热效应影响的激光光束质量恶化和输出功率饱和问题。
针对准三能级Tm激光器对温度敏感，存在基态再吸收损耗及能量上转换损耗等特点，目前提高Tm:YAG激光器效率的主要方法有两钟，一种是将激光晶体冷却到零下温度，例如通过液氮或液氦来降温；另一种是减低泵浦光功率。然而这两种方法均无法满足实际应用中对室温工作和高功率输出的要求。综合国内外文献报道，目前室温下工作的高功率Tm:YAG激光器均采用普通的半导体激光器泵浦。半导体激光器的工作波长随泵浦功率的增加和半导体温度的增加而出现红移，容易偏离激光晶体的吸收峰，造成激光转换效率减低。与此同时，普通半导体激光器的线宽在3nm左右，虽然与激光晶体的吸收峰或激发峰的半高宽相近，但能够得到最有效吸收的泵浦光子也只是位于吸收峰位置占小部分比例的光子。因此，当前室温下大功率Tm：YAG激光器的光光转换效率均低于35％。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提出了一种基于波长锁定半导体激光模块的铥激光器，用以实现大功率Tm激光器在室温下的高效率输出，将其光光转换效率提高到45％。
本发明提出的一种基于波长锁定半导体激光模块的铥激光器，包括波长锁定的窄线宽半导体激光器模块、泵浦光准直聚焦模块和激光谐振腔模块；半导体泵浦光经波长锁定的窄线宽半导体激光器模块输出到泵浦光准直聚焦模块后，通过激光谐振腔模块产生激光输出。
优选地，该波长锁定的窄线宽半导体激光器模块包括波长锁定的窄线宽半导体激光器和多模光纤，该波长锁定的窄线宽半导体激光器包括半导体激光器和体布拉格光栅，半导体激光器发出的半导体泵浦光经过体布拉格光栅进行波长锁定及线宽压缩后输出给多模光纤。
优选地，激光谐振腔模块为平凹腔结构，包括高反射率腔镜、夹有激光晶体的冷却铜块以及耦合输出镜。
更优选地，夹有激光晶体的冷却铜块包括冷却铜块以及安装在铜块里面的激光晶体，激光晶体为单端键合的Tm：YAG晶体。
更优选地，冷却铜块上设置有水嘴，与外置的控温水箱组成激光晶体的水冷回路，冷却水温度控制在10-25℃。
更优选地，激光晶体掺杂部分长度为14—20mm，掺杂浓度在2—5a.t.％之间，键合的无掺杂部分长度<4mm。
更优选地，高反射率腔镜和耦合输出镜以及激光晶体的对称中心调整到同一条直线上。
更优选地，高反射率腔镜的第二面与激光晶体第一面的距离小于10mm，激光晶体第二面与耦合输出镜第一面的距离在10-50mm之间。
优选地，泵浦光准直聚焦模块是由两片规格相同的平凸透镜组成的共轭成像系统。
更优选地，多模光纤的输出端接口与泵浦光准直聚焦模块一同封装在同一个铝材料镜筒，该两片相同规格的平凸透镜填装到该铝材料镜筒中并固定，将多模光纤的输出端固定到铝材料镜筒的输入端，固定时确保多模光纤的输出端与镜筒输入端连接上时多模光纤的输入端面与平凸透镜第一面的距离为平凸透镜的后焦距，用以保证入射平凸透镜后的泵浦光得到准直。
本发明的有益效果：
1.本发明通过对Tm：YAG晶体吸收谱数据、高精度激发谱数据的一系列实验分析，本发明首次提出将作为激光器泵浦模块的大功率半导体激光器的波长锁定到Tm：YAG晶体的最佳激发峰位置并对其线宽进行压缩，并将具有上述特点的大功率LD应用到2微米Tm激光器件中，从而将Tm：YAG晶体的光光转换效率提高到45％，并实现大于10W的激光输出，光光转换效率高出同类型Tm：YAG激光器至少10％。
2.本发明可以通过一台冷却水箱将晶体和LD的工作温度控制在15℃±10℃的范围内，而不用考虑LD的输出波长和线宽会因为工作温度的变化而大幅改变，以致偏离晶体的激发峰，造成激光效率的减低。
3.本发明提出的整套系统结构紧凑、稳定和小型化。激光器的腔长在3-8cm范围内，光纤输出端接口和准直聚焦系统均封装在一个镜筒内，以便于固定在常规的光学调整架上。
4.本发明采用平凹腔设计激光谐振腔，具有大腔模体积，对激光模式进行优化以及增加谐振腔热稳定性范围的作用。
综上所述，采用本发明的技术方案可确保高功率Tm:YAG激光器在室温条件下保持高效率运行。
附图说明
图1是本发明提出的基于波长锁定半导体激光模块的铥激光器的结构示意图。
图2是本发明的激光谐振腔模块中Tm激光模块的整体结构示意图。
图中标记：1——波长锁定的窄线宽半导体激光器，2——多模光纤，3——铝材料镜筒，4、5——平凸透镜，6——高反射率腔镜，7——夹有激光晶体的冷却铜块，8——耦合输出镜，9——水嘴，10——铝材料隔热底座
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
本发明的工作原理是，通过体布拉格光栅将半导体激光器的波长锁定在Tm：YAG晶体的激发峰附近，线宽压缩到激发峰的半高宽之内。经过波长锁定和线宽压缩后的大功率泵浦光经过准直聚焦系统聚焦到扩散键合的Tm:YAG晶体上，并通过实验分析，将冷却水的水温控制在一个最佳的温度点上，具体是在10—25℃之间的某个特定值，以保证激光器效率的最大化。泵浦模块的创新、激光晶体的扩散键合和激光器工作温度的优化，均起到缓解晶体热量积聚，降低晶体热透镜效应以及减少准三能级激光系统热损耗的作用，最终体现在激光器光光转换效率的提高。
本发明提出的一种基于波长锁定半导体激光模块的铥激光器，如图1所示，包括波长锁定的窄线宽半导体激光器模块、泵浦光准直聚焦模块和激光谐振腔模块。
波长锁定的窄线宽半导体激光器模块包括波长锁定的窄线宽半导体激光器1和多模光纤2。本发明采用的波长锁定的窄线宽半导体激光器1，是在普通半导体激光器的基础上通过体布拉格光栅，将半导体激光的波长锁定到Tm:YAG晶体的最高激发峰附近，具体是在784.0～786.0nm范围内的某个特定波长，波长线宽压缩到0.5nm以下的某个特定值，该激光器可以采用DILAS公司制造的半导体激光器。半导体泵浦光经过窄线宽半导体激光器1的体布拉格光栅进行波长锁定及线宽压缩后，通过多模光纤2输出到泵浦光准直聚焦模块，该多模光纤2优选为SMA接口，芯径为400微米，数值孔径为0.22。
泵浦光准直聚焦模块是由两片规格相同的平凸透镜4、5组成的共轭成像系统，焦距在30-50mm范围内的某个特定长度。多模光纤2的输出端接口与准直聚焦模块一同封装在同一个铝材料镜筒3，以便于固定在光学调整架上。使用时，该两片相同规格的平凸透镜4、5填装到镜筒3中并固定；将多模光纤2的输出端固定到镜筒3的输入端，固定时确保多模光纤2的输出端与镜筒输入端连接上时多模光纤的输入端面与平凸透镜4第一面的距离刚好为平凸透镜4的后焦距，用以保证入射平凸透镜4后的泵浦光得到准直；将装好平凸透镜并连接上多模光纤的镜筒3固定在光学调制架上，优选采用四维调整架。半导体泵浦光经泵浦光准直聚焦模块后输出到谐振腔模块。
激光谐振腔模块包括高反射率腔镜6、夹有激光晶体的冷却铜块7以及耦合输出镜8。激光谐振腔模块为平凹腔结构，谐振腔的腔长在30—80mm之间，优选在40—80mm之间。高反射率腔镜6为镀有对激光波长的高反膜并且增透半导体泵浦波段的凹镜。夹有激光晶体的冷却铜块7为铥激光模块。耦合输出镜8为平镜，材质为红外石英玻璃JGS1，耦合透过率在2—8％之间。夹有晶体的冷却铜块7为Tm激光模块，包括冷却铜块以及安装在铜块里面的激光晶体；冷却铜块上设计有四个直径为6mm的水嘴9，如图2所示，与外置的控温水箱组成激光晶体的水冷回路；激光晶体为单端键合的Tm：YAG晶体，晶体掺杂部分长度为14—20mm，掺杂浓度在2—5a.t.％之间，键合的无掺杂部分长度<4mm。
使用时，将单端键合Tm:YAG晶体用铟片包起来后固定在铜块7上，如图2所示，同时用塑料水管将铜块上的四个水嘴9与水箱的出水口和入水口连接起来，形成对激光晶体的冷却回路。将冷却水温度控制在10-25℃中的一个特定值。
通过He-Ne激光器进行对光，将高反射率腔镜6和耦合输出镜8以及冷却铜块7中的激光晶体的对称中心调整到同一条直线上：腔镜6的第二面与铜块7中晶体第一面的距离小于10mm，铜块7中晶体第二面与耦合输出镜8第一面的距离在10-50mm之间。
在半导体激光器和激光晶体得到水箱控温的前提下，先进行小功率泵浦，例如泵浦光功率在4—8W的强度范围内，通过四维调整架和光学平移台调整镜筒3的泵浦光在晶体上聚焦光斑的位置，以获得在当前泵浦功率下所能得到的最大激光输出功率。
增加泵浦功率到半导体激光器所能提供的最大泵浦光功率25W左右，得到11W的2微米激光输出，测出泵浦光通过透镜4、5和第一面腔镜6后的实际功率为24.5W，算出光光转换效率为45％。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于波长锁定半导体激光模块的铥激光器，其特征在于，包括波长锁定的窄线宽半导体激光器模块、泵浦光准直聚焦模块和激光谐振腔模块；半导体泵浦光经波长锁定的窄线宽半导体激光器模块输出到泵浦光准直聚焦模块后，通过激光谐振腔模块产生激光输出。
2.根据权利要求1所述的铥激光器，其特征在于，该波长锁定的窄线宽半导体激光器模块包括波长锁定的窄线宽半导体激光器和多模光纤，该波长锁定的窄线宽半导体激光器包括半导体激光器和体布拉格光栅，半导体激光器发出的半导体泵浦光经过体布拉格光栅进行波长锁定及线宽压缩后输出给多模光纤。
3.根据权利要求1或2所述的铥激光器，其特征在于，该激光谐振腔模块为平凹腔结构，包括高反射率腔镜、夹有激光晶体的冷却铜块以及耦合输出镜。
4.根据权利要求3所述的铥激光器，其特征在于，该夹有激光晶体的冷却铜块包括冷却铜块以及安装在铜块里面的激光晶体，激光晶体为单端键合的Tm：YAG晶体。
5.根据权利要求4所述的铥激光器，其特征在于，该冷却铜块上设置有水嘴，与外置的控温水箱组成激光晶体的水冷回路，冷却水温度控制在10-25℃。
6.根据权利要求5所述的铥激光器，其特征在于，激光晶体掺杂部分长度为14—20mm，掺杂浓度在2—5a.t.％之间，键合的无掺杂部分长度<4mm。
7.根据权利要求6所述的铥激光器，其特征在于，高反射率腔镜和耦合输出镜以及激光晶体的对称中心调整到同一条直线上。
8.根据权利要求7所述的铥激光器，其特征在于，高反射率腔镜的第二面与激光晶体第一面的距离小于10mm，激光晶体第二面与耦合输出镜第一面的距离在10-50mm之间。
9.根据权利要求2所述的铥激光器，其特征在于，该泵浦光准直聚焦模块是由两片规格相同的平凸透镜组成的共轭成像系统。
10.根据权利要求9所述的铥激光器，其特征在于，多模光纤的输出端接口与泵浦光准直聚焦模块一同封装在同一个铝材料镜筒，该两片相同规格的平凸透镜填装到该铝材料镜筒中并固定，将多模光纤的输出端固定到铝材料镜筒的输入端，固定时确保多模光纤的输出端与镜筒输入端连接上时多模光纤的输入端面与平凸透镜第一面的距离为平凸透镜的后焦距，用以保证入射平凸透镜后的泵浦光得到准直。
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