CN107768968B - 一种半导体泵浦被动调q系统opo激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体泵浦被动调Q系统OPO激光器，包括机座、聚光组件、KTP组件、Q开关组件、全反镜组件、输出镜、风扇和端板；所述机座由机体及安装在机体内的前腔和后腔构成，前腔和后腔通过左激光棒孔连通；所述聚光组件安装在后腔内，所述风扇通过螺钉固定于聚光组件的顶部，所述KTP组件固定于前腔内，所述输出镜安装于前腔的前端位置，所述Q开关组件和全反镜组件安装于端板上，所述输出镜和全反镜组件构成激光谐振腔。本发明提供的OPO激光器体积小，可靠性高，工作寿命长，并且能够实现重频人眼安全激光的输出，应用在人眼安全激光器以及重频人眼安全激光测距机等产品中。

Description

一种半导体泵浦被动调Q系统OPO激光器

技术领域

本发明属于固体激光器技术领域，更具体地，涉及一种半导体泵浦被动调Q系统OPO激光器。

背景技术

光学参量振荡(OPO)激光器利用非线性晶体的非线性效应，能够用1.064um的泵浦激光产生1.57um的人眼安全激光辐射，被广泛应用在激光测距、环境检测和激光雷达等领域。OPO激光器还具有可以高重复频率工作，容易获得较大输出能量的优点，在军用激光器领域备受青睐。

现有OPO激光器多采用氪灯作为泵浦源，灯泵浦激光器的能量转换效率低，氪灯寿命短需要经常维护更换，同时灯泵浦激光器需要庞大的冷却系统吸收工作时产生的大量废热，导致激光器体积庞大，由于其产生的废热过多，导致其无法满足重频测距机的要求。

此外，OPO激光器采用调Q技术以获得高峰值功率、窄脉宽脉冲激光，而传统的电光调Q开关系统体积大，在建立Q开关脉冲输出的基础上无法兼顾小型化。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种半导体泵浦被动调Q系统OPO激光器，采用半导体作为泵浦源，及可饱和吸收染料调Q的被动调Q技术，其目的在于解决现有OPO激光器结构体积大、寿命短和可靠性低的问题，以满足军用固体激光器的小型化、长寿命和高可靠性需要。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种半导体泵浦被动调Q系统OPO激光器，包括机座、聚光组件、KTP组件、Q开关组件、全反镜组件、输出镜和端板；

机座为平面平行腔结构，包括机体，及安装在机体内部并通过中空导管连接的的前腔和后腔聚光组件放置在后腔内，并通过后腔内部的矩形槽进行固定，KTP组件固定于前腔内，输出镜与机座中放置前腔的一端相连接，端板的一侧与机座中放置后腔的一端相连接，全反镜组件固定在端板的另一侧，Q开关组件安装在端板和全反镜组件之间；后腔中的聚光组件穿过端板与Q开关组件相连，输出镜和全反镜组件构成激光谐振腔；

聚光组件包括半导体泵浦模块和激光棒，激光棒同轴放置在半导体泵浦模块的内腔中；Q开关组件采用Cr⁴⁺晶体实现被动调Q以产生高功率窄脉冲激光，KTP组件采用KTP晶体对高功率窄脉冲激光进行光参量放大。

优选的，上述OPO激光器，其前腔的一端开有输出镜孔，另一端开有左激光棒孔，输出镜通过输出镜孔与前腔相连；

后腔上靠近前腔的一端开有左激光棒孔，另一端开有右激光棒孔，前腔和后腔通过左激光棒孔保持连通，输出镜孔、左激光棒孔和右激光棒孔同轴设置；后腔的右激光棒孔四周还设有螺纹孔，用于安装端板；

端板上设有激光棒孔、出线孔及螺纹间隙孔，端板通过螺纹间隙孔连接安装到机座上后，激光棒孔与输出镜孔、左激光棒孔、右激光棒孔同轴；激光棒依次穿过前腔和后腔上的左激光棒孔、后腔上的右激光棒孔和端板上的激光棒孔并与Q开关组件相连。

优选的，上述OPO激光器，还包括固定于聚光组件顶部的风扇，用于散去聚光组件产生的废热。

优选的，上述OPO激光器，其聚光组件还包括散热片和制冷片；所述散热片安装在半导体泵浦模块侧面上，制冷片安装在散热片和半导体泵浦模块之间，用于给半导体模块降温，并把废热传给散热片。

优选的，上述OPO激光器，其Q开关组件还包括晶体座，晶体座具有圆柱形的凹槽，Cr⁴⁺晶体安装在晶体座的凹槽内。

优选的，上述OPO激光器，其晶体座外壁开有工艺小孔，用于调整Cr⁴⁺晶体的方向。

优选的，上述OPO激光器，其KTP组件还包括KTP套、压圈、垫片、垫圈和KTP压圈；KTP晶体安装在KTP套中，KTP晶体和KTP套间设有垫片，压圈和垫圈分别放置在KTP晶体的两端，用于压紧KTP晶体；KTP压圈用于将KTP组件安装于机座的前腔。

优选的，上述OPO激光器，其KTP套为外圆内方中空的圆柱体；垫片上开有螺纹孔，用于压紧KTP晶体。

优选的，上述OPO激光器，其全反镜组件包括全反镜座、全反镜和压圈；全反镜座为空心圆柱体，其底部周边具有均匀分布的凸耳，空心圆柱体的轴向通孔为台阶孔，其内放置全反镜及安装压圈，全反镜座通过其凸耳和螺钉固定于端板上激光棒孔处，周边的凸耳用于调整全反镜的朝向，以调整光路。

优选的，上述OPO激光器，工作时，激光电源给半导体泵浦模块通电，半导体泵浦模块发出的808nm可见光均匀照射在激光棒上，激光棒吸收808nm可见光后开始积累上能级粒子数，当上能级的反转粒子数超过阈值时，在激光谐振腔内形成振荡而发射1.064um激光，1.064um激光经全反镜反射后，先经过Q开关组件，由Cr⁴⁺晶体调Q后获得峰值功率极高的窄脉宽脉冲激光，脉冲激光穿过聚光组件后，经KTP晶体光参量放大形成1.57um激光，由输出镜出射，实现1.57um人眼安全激光的输出。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的半导体泵浦被动调Q系统OPO激光器，采用半导体作为泵浦源，能量转换效率高，寿命长，可长时间工作，可靠性更高。

(2)本发明提供的半导体泵浦被动调Q系统OPO激光器，机座为圆弧形结构，相比传统的方形结构具备更好的稳定性；后腔内安装聚光组件，前腔内安装KTP组件，对空间利用率高，电源给半导体模块通电可控制半导体的发光时间，实现重频，从而应用在重频人眼安全激光测距机。

(3)本发明提供的半导体泵浦被动调Q系统OPO激光器采用Cr4⁺晶体调Q的被动调Q技术，相比传统的电光调Q系统，体积更小，有利于OPO激光器的小型化。

(4)本发明提供的半导体泵浦被动调Q系统OPO激光器，同时兼顾小型化、高可靠性和重频，通过合理的空间布局和结构设计，采用半导体侧面泵浦，使泵浦光能均匀分布在激光棒周围，提高转换效率，增加激光器的工作寿命；所有组成结构件均为普通金属材料件与塑料件，在制造上不需要采用特殊加工工艺，降低了制作成本、提高了生产效率，在高可靠性和长工作时间人眼安全激光器以及重频人眼安全激光测距机等产品研制和验证中显示出巨大的优越性，能满足军用激光器复杂环境的需求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的OPO激光器的主视图；

图2是本发明实施例提供的OPO激光器的剖视图；

图3是本发明实施例提供的OPO激光器机座的剖视图；

图4是本发明实施例提供的OPO激光器端板的主视图；

图5是本发明实施例提供的OPO激光器聚光器件的剖视图；

图6是本发明实施例提供的OPO激光器KTP组件的剖视图；

图7是本发明实施例提供的OPO激光器Q开关组件的主视图；

图8是本发明实施例提供的OPO激光器全反组件的剖视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明实施例提供的半导体泵浦被动调Q系统OPO激光器的主视图，图2是半导体泵浦被动调Q系统OPO激光器沿光轴方向的剖视图；具体地，本实施例提供的半导体泵浦被动调Q系统OPO激光器包括机座1、聚光组件2、磷酸钛氧钾(Potassium TitanylPhosphate，KTP)组件3、Q开关组件4、全反镜组件5、输出镜6、风扇7和端板8；

聚光组件2和KTP组件3安装在机座1的内部，输出镜6安装在机座1的前端，端板8、Q开关组件4和全反镜组件5依次安装在机座1的后端，风扇7安装于机座1上。

如图3所示，是本发明实施例提供的OPO激光器机座的剖视图，机座1由机体1-6、前腔1-1和后腔1-2构成，前腔1-1和后腔1-2包裹在机体1-6中，并通过一中空导管1-7相连接；在本实施例中，前腔1-1优选为圆柱形，前腔1-1的前端和后端分别开有输出镜孔1-4和左激光棒孔1-5；后腔近似为矩形，后腔1-2的前端和后端分别开有左激光棒孔1-5和右激光棒孔1-3，前腔1-1和后腔1-2通过左激光棒孔1-5保持连通，输出镜孔1-4、左激光棒孔1-5和右激光棒孔1-3同轴设置；后腔1-2的后端还开有用于安装端板8的螺纹孔(图中未显示)，后腔内部开有矩形槽，用于安装聚光组件2。

如图4所示，端板8上设有激光棒孔8-1、出线孔8-2及螺纹间隙孔8-3，端板8通过螺纹间隙孔8-3连接安装到机座1上后，激光棒孔8-1与输出镜孔1-4、左激光棒孔1-5和右激光棒孔1-3同轴。

如图1所示，聚光组件2固定于机座1的后腔1-2内，KTP组件3固定于机座1的前腔1-1内，风扇7通过螺钉固定于聚光组件2的顶部，用于散去聚光组件2产生的废热；输出镜6通过输出镜孔1-4安装于前腔1-1的前端，端板8通过螺纹间隙孔8-3安装在后腔1-2的后端，所述全反镜组件5安装于端板8的激光棒孔8-1位置，所述Q开关组件4安装在端板8和全反镜组件5之间。

如图5所示，聚光组件2包括半导体泵浦模块2-1、激光棒2-2、散热片2-3和制冷片2-4，激光棒的材料优选为Nd:YAG；半导体泵浦模块2-1具有筒状内腔，其横截面为双半圆形；半导体泵浦模块2-1安装在后腔两侧的矩形槽内，激光棒2-2依次穿过前腔1-1和后腔1-2上的左激光棒孔1-5、后腔1-2上的右激光棒孔1-3和端板8上的激光棒孔8-1安装在后腔1-2中，激光棒2-2与筒状内腔同轴，采用半导体侧面泵浦，使泵浦光能均匀分布在激光棒周围，提高光转换效率；散热片2-3安装在半导体泵浦模块2-1侧面上，制冷片2-4安装在散热片2-3和半导体泵浦模块2-1之间，制冷片2-4通过对流形式给半导体模块2-1降温，然后把废热传给散热片2-3。

如图6所示，KTP组件3由KTP晶体3-1、KTP套3-2、压圈3-3、垫片3-4、垫圈3-5和KTP压圈3-6(图1中位于KTP组件和输出镜之间)组成，KTP套3-2为外圆内方中空的圆柱体，KTP晶体3-1安装在KTP套3-1的矩形槽内，KTP晶体3-1和KTP套3-2间设有垫片3-4，垫片3-4一侧开有螺纹孔，用于压紧KTP晶体，KTP晶体3-1和垫片3-4的两端分别安装垫圈3-5和压圈3-3，用于压紧KTP晶体3-1，KTP压圈3-6用于将KTP组件3固定于机座1前腔1-1内。

如图7所示，Q开关组件4由晶体座4-1和Cr⁴⁺晶体4-2组成，晶体座4-1为具有圆柱形的凹槽，Cr⁴⁺晶体4-2通过绲边的形式安装在晶体座4-1的凹槽内，与晶体座4-1的凹槽同心，晶体座4-1外壁开有工艺小孔，用于调整Cr⁴⁺晶体的方向；

Cr⁴⁺晶体的可饱和吸收特性使其在1μm波长附近的透射率随着功率密度的增大而增大，在功率密度增大到一定值时，Cr⁴⁺晶体就会被“漂白”，从而产生很高的透过率。开始泵浦时，激光谐振腔内损耗大，Q值低，不能发生激光振荡，上能级的反转粒子数持续累积；而随着在泵浦期间增益的增大并且增益大于往返损耗时，腔内的光通量急剧增大，Cr⁴⁺晶体基态吸收达到饱和，Q值升高，积累的上能级粒子雪崩式的跃迁到低能级，在极短的时间内将能量释放出来，获得峰值功率极高的窄脉宽脉冲激光。

如图8所示，全反镜组件5由全反镜座5-1、全反镜5-2、压圈5-3组成，全反镜座5-1为空心圆柱体，其轴向通孔为台阶孔，其内放置全反镜5-2及安装压圈5-3；全反镜座5-1底部周边具有均匀分布的凸耳，全反镜座5-1通过凸耳和螺钉固定于端板8的激光棒孔8-1处，周边的凸耳用于调整全反镜的朝向，以调整光路。

激光电源给半导体泵浦模块2-1通电，半导体泵浦模块2-1发出808nm可见光，照射在激光棒2-2上，激光棒2-2吸收808nm可见光后开始积累上能级粒子数，当上能级的反转粒子数超过阈值时，在激光谐振腔内形成振荡而发射1.064um激光，经全反镜5-2反射后，首先经过Q开关组件5-2，获得峰值功率极高的窄脉宽脉冲激光，穿过聚光组件2后，经KTP晶体光参量放大形成1.57um激光，由输出镜6出射，实现1.57um人眼安全激光的输出。

相比于现有的OPO激光器，本发明提供的半导体泵浦被动调Q系统OPO激光器体积小，可靠性高，工作寿命长，并且能够实现重频人眼安全激光的输出，从而应用在人眼安全激光器以及重频人眼安全激光测距机等产品中，组成结构件均采用普通材料，加工工艺简单，制造成本低。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体泵浦被动调Q系统OPO激光器，其特征在于，包括机座(1)、聚光组件(2)、KTP组件(3)、Q开关组件(4)、全反镜组件(5)、输出镜(6)和端板(8)；

所述机座(1)为平行腔结构，包括机体(1-6)，及安装在机体(1-6)内部并通过中空导管(1-7)连接的的前腔(1-1)和后腔(1-2)，所述聚光组件(2)放置在后腔(1-2)内，并通过后腔(1-2)内部的矩形槽进行固定，所述KTP组件(3)固定于前腔(1-1)内，所述输出镜(6)与机座(1)中放置前腔(1-1)的一端相连接，所述端板(8)的一侧与机座(1)中放置后腔(1-2)的一端相连接，所述全反镜组件(5)固定在端板(8)的另一侧，所述Q开关组件(4)安装在端板(8)和全反镜组件(5)之间；后腔(1-2)中的聚光组件(2)穿过端板(8)与Q开关组件(4)相连；

所述聚光组件(2)包括半导体泵浦模块(2-1)和激光棒(2-2)，所述激光棒(2-2)同轴放置在半导体泵浦模块(2-1)的内腔(2-5)中；所述Q开关组件(4)采用Cr⁴⁺晶体(4-2)实现被动调Q以产生高功率窄脉冲激光，所述KTP组件(3)采用KTP晶体(3-1)对高功率窄脉冲激光进行光参量放大；所述输出镜(6)和全反镜组件(5)构成激光谐振腔。

2.如权利要求1所述的OPO激光器，其特征在于，所述前腔(1-1)的一端开有输出镜孔(1-4)，另一端开有左激光棒孔(1-5)，输出镜(6)通过所述输出镜孔(1-4)与前腔(1-1)相连；

所述后腔(1-2)上靠近前腔(1-1)的一端开有左激光棒孔(1-5)，另一端开有右激光棒孔(1-3)，前腔(1-1)和后腔(1-2)通过所述左激光棒孔(1-5)保持连通，所述输出镜孔(1-4)、左激光棒孔(1-5)和右激光棒孔(1-3)同轴设置；后腔(1-2)的右激光棒孔(1-3)四周还设有螺纹孔，用于安装端板(8)；

所述端板(8)上设有激光棒孔(8-1)、出线孔(8-2)及螺纹间隙孔(8-3)，端板(8)通过所述螺纹间隙孔(8-3)连接安装到机座(1)上后，所述激光棒孔(8-1)与输出镜孔(1-4)、左激光棒孔(1-5)、右激光棒孔(1-3)同轴；所述激光棒(2-2)依次穿过前腔(1-1)和后腔(1-2)上的左激光棒孔(1-5)、后腔(1-2)上的右激光棒孔(1-3)和端板(8)上的激光棒孔(8-1)并与Q开关组件(4)相连。

3.如权利要求2所述的OPO激光器，其特征在于，还包括风扇(7)，所述风扇(7)固定于聚光组件(2)的顶部，用于散去聚光组件(2)产生的废热。

4.如权利要求3所述的OPO激光器，其特征在于，所述聚光组件(2)还包括散热片(2-3)和制冷片(2-4)；所述散热片(2-3)安装在半导体泵浦模块(2-1)侧面上，所述制冷片(2-4)安装在散热片(2-3)和半导体泵浦模块(2-1)之间，制冷片(2-4)用于给半导体模块(2-1)降温，并把废热传给散热片(2-3)。

5.如权利要求4所述的OPO激光器，其特征在于，所述Q开关组件(4)还包括晶体座(4-1)，所述晶体座(4-1)具有圆柱形的凹槽，所述Cr⁴⁺晶体(4-2)安装在晶体座(4-1)的凹槽内。

6.如权利要求5所述的OPO激光器，其特征在于，所述晶体座(4-1)外壁开有工艺小孔，用于调整Cr⁴⁺晶体(4-2)的方向。

7.如权利要求6所述的OPO激光器，其特征在于，所述KTP组件(3)还包括KTP套(3-2)、压圈(3-3)、垫片(3-4)、垫圈(3-5)和KTP压圈(3-6)；KTP晶体(3-1)安装在所述KTP套(3-2)中，KTP晶体(3-1)和KTP套(3-2)间设有垫片(3-4)，所述压圈(3-3)和垫圈(3-5)分别放置在KTP晶体(3-1)的两端，用于压紧KTP晶体(3-1)；所述KTP压圈(3-6)用于将KTP组件(3)安装于机座(1)的前腔(1-1)。

8.如权利要求7所述的OPO激光器，其特征在于，所述KTP套(3-2)为外圆内方中空的圆柱体；所述垫片(3-4)上开有螺纹孔(3-6)，用于压紧KTP晶体(3-1)。

9.如权利要求8所述的OPO激光器，其特征在于，所述全反镜组件(5)包括全反镜座(5-1)、全反镜(5-2)和压圈(5-3)；所述全反镜座(5-1)为空心圆柱体，其底部周边具有均匀分布的凸耳，空心圆柱体的轴向通孔(7-4)为台阶孔，其内放置全反镜(5-2)及安装压圈(5-3)，所述全反镜座(5-1)通过其凸耳和螺钉固定于端板(8)上激光棒孔(8-1)处，周边的凸耳用于调整全反镜(5-2)的朝向，以调整光路。

10.如权利要求9所述的OPO激光器，其特征在于，激光电源给半导体泵浦模块(2-1)通电，所述半导体泵浦模块(2-1)发出的808nm可见光均匀照射在激光棒(2-2)上，所述激光棒(2-2)吸收808nm可见光后开始积累上能级粒子数，当上能级的反转粒子数超过阈值时，在所述激光谐振腔内形成振荡而发射1.064μm激光，1.064μm激光经全反镜(5-2)反射后，先经过Q开关组件(4)，由Cr⁴⁺晶体(4-2)调Q后获得峰值功率极高的窄脉宽脉冲激光，所述脉冲激光穿过聚光组件(2)后，经KTP晶体(3-1)光参量放大形成1.57μm激光，由输出镜(6)出射，实现1.57μm人眼安全激光的输出。