CN107516812A

CN107516812A - 激光器

Info

Publication number: CN107516812A
Application number: CN201710894151.XA
Authority: CN
Inventors: 杨涛; 林百科; 邓卫平; 方占军; 臧二军; 曹建平
Original assignee: National Institute of Metrology
Current assignee: National Institute of Metrology
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2017-12-26

Abstract

本发明公开一种激光器，涉及固体激光器领域。其中激光器包括泵浦模块和激光增益模块，泵浦模块将基态电子直接泵浦到激光发射能级以产生泵浦光源，激光增益模块将泵浦光源转化为激光。本发明通过采用直接泵浦方式，可有效降低泵浦能耗，降低激光器的热效应，提高激光的输出功率、光转化效率和输出功率稳定性。

Description

激光器

技术领域

本发明涉及固体激光器领域，特别涉及一种直接泵浦的非平面单块环形激光器。

背景技术

随着激光高精密光谱、光学频率测量和空间激光器等精密测量物理领域的发展，高功率、高稳定性、低功耗和高能效的激光器的发展成为迫切需要。但是在高功率激光器的工作过程中，由于量子亏损效应会产生大量的热量，过多的热量累积不仅降低激光稳定性，更有可能对增益介质本身产生致命的影响。同时，高功率泵浦激光产生的热透镜效应导致激光输出功率的下降，因此研制低功耗、高能效的固体激光器成为是科研工作者的一个重要研究方向。

目前的固体激光器的主要泵浦方式是四能级系统方式，泵浦光先将电子从基态能级泵浦到高激发态能级上，高激发态能级上的电子经过无辐射跃迁到激光能级上，最后再受激辐射到低激发态能级上产生激光。而直接泵浦是准四能级结构，泵浦光将基态能级的电子直接泵浦到激光能级上，再受激辐射到次低激发态能级上发射出激光，泵浦能级差比传统泵浦小，泵浦的能量损耗将有效的降低。

另一方面，单块结构激光器具有高质量单模单频激光输出，但是由于单块本身特殊的结构设计，晶体的发热区域较为集中，其散热效率低于普通激光器，若提高泵浦功率，会导致单块晶体温度剧烈升高，不仅使光转换效率下降，同时会对激光频率稳定性、功率稳定性和激光器运行寿命产生较大影响，甚至损坏激光增益介质。

发明内容

本发明实施例提供一种激光器，可有效降低泵浦能耗，降低激光器的热效应，提高激光的输出功率、光转化效率和输出功率稳定性。

根据本发明的一个方面，提供一种激光器，包括：

泵浦模块，用于将基态电子直接泵浦到激光发射能级以产生泵浦光源；

激光增益模块，用于将泵浦光源转化为激光。

在一个实施例中，激光增益模块包括单块环形振荡腔，以便泵浦光源在单块环形振荡腔中进行振荡以转化为激光。

在一个实施例中，单块环形振荡腔为非平面单块晶体。

在一个实施例中，非平面单块晶体至少包括四个面，其中第一面为输入输出耦合面，第二面至第四面为全反射面，以便入射光在第一至第四面之间振荡。

在一个实施例中，第一面作为部分偏振面，第二面至第四面作为相位补偿波片。

在一个实施例中，非平面单块晶体的入射光与输出光垂直。

在一个实施例中，激光增益模块还包括热沉和制冷片，其中：

非平面单块晶体设置在热沉上，制冷片对非平面单块晶体的温度进行控制。

在一个实施例中，激光增益模块还包括输入匹配透镜和输出匹配透镜，其中：

泵浦光通过输入匹配透镜入射到非平面单块晶体中，非平面单块晶体输出的激光通过输出匹配透镜输出。

在一个实施例中，泵浦模块包括泵浦二极管、温度控制器、直流驱动电源，其中：

泵浦二极管在直流驱动电流的驱动下产生泵浦光；

温度控制器用于控制泵浦二极管的温度。

在一个实施例中，泵浦光的波长大于850nm。

在一个实施例中，泵浦模块还包括依次设置在泵浦二极管输出光方向上的准直透镜和耦合透镜，其中：

准直透镜用于提高泵浦光的准直度；

耦合透镜用于调整泵浦光模式。

在一个实施例中，耦合透镜还用于调整泵浦光入射非平面单块晶体的角度和位置。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明激光器一个实施例的示意图。

图2为泵浦方式能级图。

图3为本发明单块环形振荡腔一个实施例的示意图。

图4为本发明激光增益模块一个实施例的示意图。

图5为本发明泵浦模块一个实施例的示意图。

图6为本发明泵浦模块另一实施例的示意图。

图7为两种泵浦方式下的激光输出功率和斜效率使用率。

图8为在3W功率输出时两种泵浦方式下的激光功率波动示意图。

图9为在3W功率输出时两种泵浦方式下的非平面单块环形振荡腔的控温电流波动示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为本发明激光器一个实施例的示意图。如图1所示，激光器可包括泵浦模块1和激光增益模块2。其中，其特征在于，包括：

泵浦模块1用于将基态电子直接泵浦到激光发射能级以产生泵浦光源。

其中，泵浦光的波长大于850nm。

激光增益模块2用于将泵浦光源转化为激光。

下面对相关工作原理进行说明。

如图2所示，如⁴F_5/2、⁴F_3/2、⁴I_11/2、⁴F_9/2分别为高能级激发态、激光发射能级、低能级激发态和基态。传统泵浦方式为4能级系统，从基态能级(⁴I_9/2的Z1)泵浦到高能级态(⁴F_5/2)，高能级态上的电子一般会快速无辐射跃迁到激光发射能级(⁴F_3/2)，发射出1064nm的光。泵浦跃迁能级较高，波长较短，一般波长小于810nm。直接泵浦一般将基态电子直接泵浦到激光发射能级，直接产生激光。泵浦能级较传统泵浦能级较低，能耗少，泵浦光波长一般比较长，泵浦波长大于850nm。

直接泵浦相比传统泵浦，虽然吸收峰的高度较小，吸收半高宽增加，两种泵浦方式下的原子布局数相差不多，但是直接泵浦量子发射效率和斯托克斯效率都提高。

基于本发明上述实施例提供的激光器，通过利用直接泵浦方式，可有效降低泵浦能耗，降低激光器的热效应，提高激光的输出功率、光转化效率和输出功率稳定性。

可选地，激光增益模块2中可包括单块环形振荡腔，以便泵浦光源在单块环形振荡腔中进行振荡以转化为激光。

例如，单块环形振荡腔可为非平面单块晶体，非平面单块晶体至少包括四个面。

如图3所示，非平面单块晶体21可包括四个面。其中第一面211为输入输出耦合面，也作为部分偏振面。第二面212、第三面213和第四面214为全反射面，也是相位补偿片，以便入射光在第一面211至第四面214之间振荡。

其中，该晶体外加入磁场后，不仅作为激光的增益介质，也作为法拉第旋转器。由于晶体的磁致旋光作用，3个全反射面的相位延迟特性与耦合面的部分偏振性构成了光学单向器型的激光振荡腔。

可选地，非平面单块晶体21的入射光与输出光垂直。

通过相应的实验研究发现，若选择用波长大于850nm的泵浦光源注入单块结构晶体中，可产生1064nm激光，并可有效提高单块激光器的光转换效率，有效降低激光产生过程中的量子损耗，大幅减少单块结构晶体产生的热累积效应。由于原有单块激光晶体高功率运行情况下，产生热累计效应太高，使得高质量的单块结构激光解决方案不能应用于高功率的应用环境。本发明突破了原有单块结构固体激光的功率输出极限，使单块晶体激光输出功率达到传统单块固体激光器的5倍以上，具有良好的市场应用前景。

可选地，激光增益模块2还包括热沉和制冷片。其中，非平面单块晶体设置在热沉(例如，铜质热沉)上，制冷片对非平面单块晶体的温度进行控制，同时还可通过使用一个密封罩将其与外界环境隔离。

可选地，激光增益模块2还包括输入匹配透镜22和输出匹配透镜23，如图4所示。其中：

泵浦光通过输入匹配透镜22入射到非平面单块晶体21中，非平面单块晶体21输出的激光通过输出匹配透镜23输出。

图5为本发明泵浦模块一个实施例的示意图。如图5所示，泵浦模块1包括泵浦二极管11、温度控制器12和直流驱动电源13。其中，泵浦二极管11在直流驱动电流的驱动下通过直接泵浦的方式产生泵浦光，温度控制器12用于控制泵浦二极管11的温度。

图6为本发明泵浦模块另一实施例的示意图。如图6所示，泵浦模块1还包括依次设置在泵浦二极管11输出光方向上的准直透镜14和耦合透镜15。

其中，准直透镜14用于提高泵浦光的准直度，耦合透镜15用于调整泵浦光模式，还可调整泵浦光入射非平面单块晶体的角度和位置。例如，可调整泵浦光以45度角入射非平面单块晶体。

本发明通过采用直接泵浦方式与非平面单块结构振荡腔结合，形成一种结构简单、体积小、效率高、能耗低的非平面单块固体激光器系统。该形式激光器系统可用于其他固体激光器系统中，其方法在原理上具有普遍适用性。该激光器系统实现了最高为4.5W的输出功率、60.3％的光转换效率和76.9％的斜效率，20个小时长时间的测量下，激光器功率波动小于±1％，单块晶体发热量波动在±0.5％。

下面通过具体示例对本发明进行说明。

首先，本发明所涉及的激光器系统的操作方法如下：

①非平面单块环形激光器固定在光学平台上，连接驱动电源和控温器。

②解锁激光电源，打开激光器泵浦激光控温器和单块晶体控温器。

③待泵浦激光温度和单块晶体温度稳定后，打开电源电流保护开关，调整泵浦激光电流至需要的数值。

④测量激光器输出功率，观察泵浦激光温度和单块晶体温度，待三者数值均趋于稳定后，激光器达到正常运行状态。

其中，驱动电源的输出直流是0～5A，二极管工作电压是3.4～4.7V，温度控制器的可控温度在-45～145℃，控温电流为-2～2A。二极管发出的泵浦光经过准直、耦合后，泵浦光的光束质量得到提高。

图7显示了两种泵浦方式的激光输出功率和斜效率。曲线71代表传统泵浦的输出光功率随泵浦功率的变化曲线，曲线72为直接泵浦的输出功率随泵浦功率的变化曲线。图中纵坐标为激光输出功率，横坐标为泵浦光入射到单块的功率。从图中可以看出，直接泵浦和传统泵浦的最大输出功率为4.5W和3.96W。在相同泵浦功率的情况下，直接泵浦的输出功率高于传统泵浦的输出功率。由图知道，直接泵浦的斜效率为76.9％，传统泵浦的斜效率为51.1％；直接泵浦的最大泵浦光-输出光转化效率为60.3％，传统泵浦的泵浦光-输出光转化效率为49％。相比于传统泵浦方式，直接泵浦的光转化效率和斜效率都比传统泵浦方式高10％以上。实验证明，直接泵浦相比传统泵浦方式，提高了输出效率，有利于增大激光器的激光输出。

图8表示相同输出功率为3W的时候，传统泵浦和直接泵浦方式功率稳定性对比。曲线81对比曲线82可以看出，传统泵浦的激光器工作30分钟后，激光输出的功率急剧下降，激光器无法正常工作。而直接泵浦激光器输出功率稳定，且可以长时间工作。激光器在预热2小时后，进入正常工作模式，在18个小时的测量时长内，输出功率波动小于±1％。相比传统泵浦激光器，直接泵浦激光器输出的稳定性显著提高。

图9为在相同驱动电源，相同输出功率3W的情况下，传统泵浦和直接泵浦方式下的非平面单块环形振荡腔控温电流的平方的变化情况。由于热量无法直接测量，因此通过计算温度控制器的散热量来估算单块传递到外界环境的热量。传统泵浦方式时，控温器的电流一直增加，工作30分钟后超过控温器电流限定值4.5A，控温器工作失效，激光器不能长时间运行，如曲线91所示。而直接泵浦方式时，温度控制器的电流一直在1A左右波动，波动范围小于±0.5％，如曲线92所示。振荡腔内的热量传递到外界环境的多少与控温电流有直接的联系，振荡腔内的热量转移越多，需要的控温电流就越大。图中纵坐标为控温电流I的平方，横坐标为时间分钟，控温器的传感器为负极性热敏电阻，通过热量公式Q＝I²Rt计算可知，传统泵浦通过控温器传递的热量是直接泵浦时控温传递的热量的7倍；采用直接泵浦方式能够有效的减少增益介质晶体热效应，提高激光器的输出特性，延长增益介质的寿命；在更高激光功率输出时，低能耗的优势会更加凸显。

通过实施本发明，可以得到以下有益效果：

1.结构简单且紧凑。

2.光转化效率高和斜效率高。

3.单块晶体发热量小，控温功率低；

4.激光器输出功率高，整个系统功耗极低。

5.适用于不同波长的激光器系统中，在原理上具有普遍适用性。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims

1.一种激光器，其特征在于，包括：

激光增益模块，用于将泵浦光源转化为激光。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，

所述激光增益模块包括单块环形振荡腔，以便泵浦光源在所述单块环形振荡腔中进行振荡以转化为激光。

3.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，

所述单块环形振荡腔为非平面单块晶体。

4.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，

所述非平面单块晶体至少包括四个面，其中第一面为输入输出耦合面，第二面至第四面为全反射面，以便入射光在第一至第四面之间振荡。

5.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，

第一面作为部分偏振面，第二面至第四面作为相位补偿波片。

6.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述非平面单块晶体的入射光与输出光垂直。

7.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述激光增益模块还包括热沉和制冷片，其中：

所述非平面单块晶体设置在所述热沉上，所述制冷片对所述非平面单块晶体的温度进行控制。

8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述激光增益模块还包括输入匹配透镜和输出匹配透镜，其中：

泵浦光通过所述输入匹配透镜入射到所述非平面单块晶体中，所述非平面单块晶体输出的激光通过所述输出匹配透镜输出。

9.根据权利要求2-8中任一项所述的激光器，其特征在于，泵浦模块包括泵浦二极管、温度控制器、直流驱动电源，其中：

泵浦二极管在直流驱动电流的驱动下产生泵浦光；

温度控制器用于控制泵浦二极管的温度。

10.根据权利要求9的激光器，其特征在于，

泵浦光的波长大于850nm。

11.根据权利要求9的激光器，其特征在于，泵浦模块还包括依次设置在泵浦二极管输出光方向上的准直透镜和耦合透镜，其中：

准直透镜用于提高泵浦光的准直度；

耦合透镜用于调整泵浦光模式。

12.根据权利要求11的激光器，其特征在于，

耦合透镜还用于调整泵浦光入射非平面单块晶体的角度和位置。