CN107465067A - 固体微片激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体微片激光器，包括：固体微片激光晶体，用于连续输出激光；所述固体微片激光晶体包括相对的第一晶体通光面及第二晶体通光面，所述第一晶体通光面及第二晶体通光面相对的部分表面，镀有反射介质膜，形成微型腔镜；激光泵浦源，设置于所述固体微片激光晶体侧面的位置上，用于输出泵浦光，从侧面入射到固体微片激光晶体。所述固体微片激光器输出激光模式为单纵模与基横模，频率成分单一，并可实现激光器两侧同时出光。本发明可以广泛应用于侧面泵浦的单模固体微片激光器的设计与组装过程中，并可进一步用于阵列激光器的设计。

Description

固体微片激光器

技术领域

本发明涉及一种固体微片激光器，尤其涉及一种基于侧面泵浦的单模固体微片激光器，属于激光器领域。

背景技术

固体微片激光器作为一种新型的激光器结构，通常指谐振腔长在毫米量级的微小型固体激光器，泵浦源一般采用半导体激光器以获得较高的泵浦效率。与传统的激光器相比，固体微片激光器具有激光线宽窄、光束质量好、相干长度长等优点，因此在测量领域有着较好的发展前景。微片激光器还具有全固态、体积小、结构简单、泵浦效率高、运行稳定、寿命长的优点，从而在激光雷达、遥感、生物医学、微机械、空间通信等许多领域都有广泛的应用前景。

对于精密测量领域应用的激光，一般要求激光运转在单纵模、基横模模式。目前用于固体微片激光器的泵浦主要采取端面泵浦方式，通过整形、聚焦的手段将泵浦光斑半径聚焦在固体微片激光器输出高斯光束的束腰半径之内，从而利用端面泵浦方式中的模式匹配，使固体微片激光器输出基横模的激光。

然而，端面泵浦方式对于泵浦光的聚焦性和定位准确性要求较高，当半导体激光泵浦源的驱动电流稳定性较低、环境变化比较剧烈或机械结构发生变形等时，泵浦光的性质变化或者泵浦聚焦点在微片上的泵浦位置发生变化的时候，微片激光器出射光的性质会随之发生变化，从而影响其应用。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种侧面泵浦的单模微型腔镜固体微片激光器。

一种固体微片激光器，其中，包括：

固体微片激光晶体，用于连续输出激光；

所述固体微片激光晶体包括相对的第一晶体通光面及第二晶体通光面，所述第一晶体通光面及第二晶体通光面相对的部分表面，镀有反射介质膜，作为微型腔镜，并形成激光谐振腔；

激光泵浦源，设置于所述固体微片激光晶体侧面的位置上，用于输出泵浦光，从侧面入射到固体微片激光晶体。

在其中一个实施例中，还包括准直聚焦元件，设置于入射到固体微片激光晶体的泵浦光的通光路径上，用于对泵浦光束进行准直聚焦。

在其中一个实施例中，所述反射介质膜为通过刻蚀方法形成在第一晶体通光面及第二晶体通光面的表面，用于约束激光谐振腔中腔镜的面积，形成微型腔镜，所述泵浦光经过准直聚焦元件聚焦之后的聚焦点位于微型腔镜的中心，所述泵浦光经过准直聚焦元件聚焦之后的聚焦点位于微型腔镜的中心。

在其中一个实施例中，所述准直聚焦元件为自聚焦透镜。

在其中一个实施例中，所述固体微片激光晶体输出的激光的纵模间隔大于出光带宽。

在其中一个实施例中，所述固体微片激光晶体从微型腔镜的两侧同时出光，且两侧出射激光特性完全相同。

在其中一个实施例中，所述固体微片激光晶体输出激光的模式为基横模。

在其中一个实施例中，所述固体微片激光晶体的厚度小于1mm，所述微型腔镜的尺寸为100μm到600μm。

在其中一个实施例中，所述固体微片激光晶体形成有多个微型腔镜间隔设置，每一微型腔镜包括相对设置于固体微片激光晶体中第一晶体通光面及第二晶体通光面的反射介质膜。

在其中一个实施例中，所述多个微型腔镜均匀分布形成微型腔镜阵列。本发明一种侧面泵浦的固体微片激光器，采用侧面泵浦方案，对泵浦光变化不敏感，具有体积小、易调节，激光输出光束质量好、稳定性高，可以广泛应用于侧面泵浦的单模固体微片激光器的设计与组装过程中，其激光输出光源使用，对精密测量领域有着重要的意义。

附图说明

图1是本发明实施例所述侧面泵浦的单模微型腔镜固体微片激光器结构示意图。

图2是所述激光谐振腔基于基尔霍夫衍射积分，利用计算机程序进行仿真迭代计算得到的不同腔镜面积下的横模结果。

图3是所述微型腔镜激光谐振腔的横模模式、光束质量因子以及频率成分纯净度的测试结果。

主要元件符号说明

固体微片激光器	100
		固体微片激光晶体	1
晶体侧面	11
		第一晶体通光面	12
第二晶体通光面	13
		微型腔镜	14
激光泵浦源	2
		准直聚焦元件	3
泵浦光	4

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

请参阅图1，本发明实施例提供的侧面泵浦的固体微片激光器结构100包括：固体微片激光晶体1，用于连续输出激光，其中其泵浦光注入面为晶体侧面11；所述固体微片激光晶体1包括相对的两个通光面，包括第一晶体通光面12和/或第二晶体通光面13，其中第一晶体通光面12的部分表面镀有高反射介质膜，可作为激光器的输出镜；第二晶体通光面13的部分表面镀有高反射介质膜作为激光器的腔镜；第一晶体通光面12与第二晶体通光面13表面的镀膜经过工艺加工形成微型腔镜14，相对设置且面积相等。半导体激光泵浦源3，设置于所述固体微片激光晶体1的晶体侧面11的位置上，用于输出泵浦光4至晶体侧面11，以泵浦固体微片激光晶体1；准直聚焦元件3，设置于泵浦光4的通光路径上，用于对泵浦光束进行准直聚焦后，入射到固体微片激光晶体1。

所述侧面泵浦的单模固体微片激光器100输出激光模式为单纵模与基横模，频率成分单一。本实施例中，频率成分纯净度由扫描干涉仪测试。

所述固体微片激光晶体1为可以实现激光输出的固体激光晶体。本实施例中，所用固体微片激光晶体1为掺钕钒酸钇Nd:YVO₄晶体以及掺钕钇铝石榴石Nd：YAG晶体。

所述固体微片激光晶体1的泵浦光4，从晶体侧面11注入固体微片激光晶体1中。本实施例中，为实现较高的泵浦能量密度，对泵浦光入射侧面11做抛光处理。

所述固体微片激光晶体1的第一晶体通光面12的部分表面，镀有高反射介质膜作为输出镜；所述固体微片激光晶体1的第二晶体通光面13的部分表面镀有高反射介质膜作为腔镜，即固体微片激光晶体1的两个通光侧面协同激光晶体组成谐振腔。其中第二晶体通光面13上的介质膜反射率高于输出镜的介质膜反射率。本实施例中，第一晶体通光面12及第二晶体通光面13镀有1064nm高反射率的介质膜。通过调整两面介质膜的反射率参数，可以实现在侧面泵浦的情况下两面同时出光，且出射激光性质相同。反射介质膜可通过先在第一晶体通光面12及第二晶体通光面的表面镀膜，然后再用刻蚀方法在第一晶体通光面12及第二晶体通光面13的表面保留部分镀膜，用于约束激光谐振腔中腔镜的面积，形成微型腔镜。

所述半导体激光泵浦源2，设置于所述固体微片激光晶体1的晶体侧面11的位置上，即第一晶体通光面12与第二晶体通光面13之间的固体微片激光晶体1的侧面，用于沿晶体侧面11输出泵浦光4以侧面泵浦固体微片激光器。本实施例中，半导体激光泵浦源2的泵浦光波长为808nm，由电流源驱动。可以理解，激光泵浦源2还可为其他形式的泵浦源。

所述准直聚焦元件3设置于泵浦光通光路径中，对泵浦光进行准直，聚焦，使泵浦光的聚焦点位于刻蚀产生的优化的微型腔镜14的位置处，即泵浦光的聚焦点位于具有镀膜的第一晶体通光面12和第二晶体通光面13之间的固体微片激光晶体1中，泵浦光的聚焦点位于微型腔镜14的中心。本实施例中，准直聚焦元件3为自聚焦透镜。可以理解，所述准直聚焦元件3为可选元件，在半导体激光泵浦源2满足固体微片激光晶体1的泵浦条件的情况下，所述准直聚焦元件3也可省略。

具体的，所述第一晶体通光面12与所述第二晶体通光面13相对的部分表面，镀有高反射介质膜，形成激光谐振腔。对高反射介质膜进行刻蚀工艺加工，形成面积大大减小的介质膜区域，作为微型腔镜14。所述第一晶体通光面12与所述第二晶体通光面13具有镀膜的部分，在贯穿固体微片激光晶体1的厚度方向上，对称设置。所述微型腔镜14的面积可以根据激光波长及固体微片激光晶体的厚度进行选择；基于基尔霍夫衍射积分，通过改变激光器腔镜面积这一参数，对腔内的横模模式即自再现模模式进行仿真，从而优化谐振腔的腔镜面积参数，使固体微片激光器的纵模间隔大于固体微片激光器的出光带宽。具体过程如下。

请一并参阅图2，由于激光器的腔长L固定，以便激光器运转在单纵模状态，能够优化的激光器参数主要为激光器腔镜的面积。激光器的横模模式是由激光在腔镜的边缘产生多次衍射并在激光腔内多次折返，形成稳定的自再现模产生的。在平面平-平腔结构中，横模模式是由基尔霍夫衍射方程计算的。假设在激光谐振腔内，输出镜位置(x',y')处的光场分布为u(x',y')，激光器中的任意一点位置设定为(x,y)，在点(x,y)处的激光光场分布u(x,y)可以表示为：

其中，k为波矢的大小，ρ是输出镜位置(x',y')与激光器中的任意一点位置(x,y)的距离，s为包含输出镜位置(x',y')的平面，ds'是s平面上(x',y')处面积元的大小，θ为s平面上(x',y')处法线与输出镜位置(x',y')与激光器中的任意一点位置(x,y)连线的夹角。在有限元按照自再现模的性质，激光器内的激光场分布应处以稳态，即光场分布u(x',y')与u(x,y)之间仅存在着一个相同的衰减和滞后，即：

u(x,y)＝γu(x',y')

其中，γ为衰减因子，即光场分布u(x',y')与u(x,y)归一化后的结果相同。针对不同的腔镜形状，将其腔镜面积分为若干组件，在有限元条件下进行迭代，最后经过归一化得到的模式即为激光谐振腔稳定输出的横模模式。对上式中的激光光场分布进行近似如下：

在有限元条件下，激光光场可以表示为：

其中，C为常数，将光场迭代方程改写为矩阵形式，可以得到：

K＝[exp(-ikρ(m,n))]_l×l,u'＝CKu

经过仿真计算可知，当激光谐振腔的腔长L固定时，随着激光腔镜的面积的减小，其模式输出越来越趋近于基横模TEM₀₀。当面积值小于阈值参数时，激光器输出固定为基横模TEM₀₀。通过这一阈值参数，即可对刻蚀的参数进行确定。本实施例中，迭代计算基于计算机软件MATLAB进行。对于激光谐振腔腔长在1mm之内，即固体微片激光晶体的厚度小于1mm之内的情况，所述微型腔镜14的最大尺寸为100μm到600μm，所述最大尺寸为微型腔镜14的边长或直径。具体的，微型腔镜14设置为直径100μm到600μm的圆形或者边长为100μm到600μm的矩形。可以理解，微型腔镜14的形状也可为其他几何形状。另外，随着激光谐振腔长的减小，对应的微型腔镜14的面积也随之减小。具体谐振腔长对应的腔镜面积可以通过迭代计算得到。

本发明提供的侧面泵浦的单模微型腔镜固体微片激光器，以侧面泵浦的方式，通过控制其激光谐振腔长较短，使激光器的纵模间隔大于其出光带宽，保证所述固体微片激光器的单纵模输出。另外，基于基尔霍夫衍射积分，利用计算机程序进行仿真迭代计算，利用刻蚀的方法限制所述固体微片激光器的腔镜的面积，形成微型腔镜，从而有效改善侧面泵浦的固体微片激光器输出激光的横模模式。请一并参阅图3，通过所述方法，侧面泵浦的微型腔镜固体微片激光器输出激光模式为单纵模与基横模，频率成分单一。激光输出处于单纵模与基横模状态，频率成分纯净度好；激光器采用侧面泵浦方案，对泵浦光变化不敏感，具有体积小、易调节；通过设计调整两通光面镀膜的反射率，可以实现激光器的两侧同时出光，且两侧出光激光性质完全相同。

另外，还可在一片固体微片激光晶体上，同时形成多个微型腔镜，形成微型腔镜阵列。所述多个微型腔镜可间隔设置，或按照预定图形均匀分布形成微型腔镜阵列。通过设计阵列微型腔镜结构，可实现阵列激光器，并且保证该阵列激光器每个独立激光器性质基本接近。所述阵列激光器结构紧凑，性质稳定。激光输出光束质量好、稳定性高，可以广泛应用于侧面泵浦的单模固体微片激光器的设计与组装过程中，其激光输出光源使用，对精密测量领域有着重要的意义。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种固体微片激光器，其特征在于，包括：

固体微片激光晶体，用于连续输出激光；

所述固体微片激光晶体包括相对的第一晶体通光面及第二晶体通光面，所述第一晶体通光面及第二晶体通光面相对的部分表面，镀有反射介质膜作为微型腔镜，并形成激光谐振腔；

激光泵浦源，设置于所述固体微片激光晶体侧面的位置上，用于输出泵浦光，从侧面入射到固体微片激光晶体。

2.根据权利要求1所述的固体微片激光器，其特征在于，还包括准直聚焦元件，设置于入射到固体微片激光晶体的泵浦光的通光路径上，用于对泵浦光束进行准直聚焦。

3.根据权利要求2所述的固体微片激光器，其特征在于，所述反射介质膜为通过刻蚀方法形成在第一晶体通光面及第二晶体通光面的表面，用于约束激光谐振腔中腔镜的面积，形成微型腔镜，所述泵浦光经过准直聚焦元件聚焦之后的聚焦点位于微型腔镜的中心。

4.根据权利要求2所述的固体微片激光器，其特征在于，所述准直聚焦元件为自聚焦透镜。

5.根据权利要求1所述的固体微片激光器，其特征在于，所述固体微片激光晶体输出的激光的纵模间隔大于出光带宽。

6.根据权利要求1所述的固体微片激光器，其特征在于，所述固体微片激光晶体从微型腔镜的两侧同时出光，且两侧出射激光特性完全相同。

7.根据权利要求1所述的固体微片激光器，其特征在于，所述固体微片激光晶体输出激光的模式为基横模。

8.根据权利要求1所述的固体微片激光器，其特征在于，所述固体微片激光晶体的厚度小于1mm，所述微型腔镜的尺寸为100μm到600μm。

9.根据权利要求1所述的固体微片激光器，其特征在于，所述固体微片激光晶体形成有多个微型腔镜间隔设置，每一微型腔镜包括相对设置于固体微片激光晶体中第一晶体通光面及第二晶体通光面的反射介质膜。

10.根据权利要求9所述的固体微片激光器，其特征在于，所述多个微型腔镜均匀分布形成微型腔镜阵列。