CN107994453B - 激光二极管泵浦的二硫化钨调QYb：GYSO全固态激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供激光二极管泵浦的二硫化钨调Q的Yb：GYSO全固态激光器，包括设置Yb:GdYSiO5激光晶体、泵浦源、光学耦合聚焦系统、平面泵浦镜、两个凹面镜、二硫化钨可饱和吸收平面反射镜及平面输出镜。本发明利用二硫化钨可饱和吸收平面反射镜，在Yb:GdYSiO5激光晶体上实现了双波长调Q激光脉冲的输出，取得双波长调Q脉冲激光工作中心波长1051nm和1091nm，脉冲宽度为8.3μs，重复频率为2.9KHz，平均输出功率为125mW。本发明具有很好的实用性和可操作性，结构紧凑小巧，适于重复生产和组装，适于批量化生产，具有成本较低，高重复频率，纳秒量级的脉冲宽度，高稳定性以及高光束质量的优点，可广泛应用于国防、工业、医疗、科研等领域，具有很好的应用前景和商业价值。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种激光二极管二硫化钨调Q的Yb:GdYSiO5全固态双波长脉冲激光器。
背景技术
激光二级管泵浦全固化脉冲激光器不仅能够输出高脉冲能量、高峰值功率、高光束质量的激光脉冲，而且具有结构紧凑，效率高，稳定性好等优点，被广泛应用在军事、工业、医疗和科研等领域。激光二级管泵浦全固化双波长脉冲激光器由于其能够同时在不同的两个波长运转，这就使其在激光显示，差分激光雷达、相干太赫兹辐射、泵浦探测、非线性频率以及医疗行业中都提供了应用的可能性。因此，激光二级管泵浦全固化双波长脉冲激光器成为了目前激光器研究的热点之一。
在众多的材料当中，掺杂Yb3+离子的激光材料具有很大的优势，这种晶体具有很多优良的特性，例如没有激发态的吸收，没有交叉弛豫，很高的量子效率，很小的量子亏损，很长的荧光寿命以及具有很宽的发射带宽，十分适合用作飞秒激光产生的增益介质。
Yb:GdYSiO5是一种新型的掺Yb3+离子的激光晶体，具有优异的物理化学和光学性能，是一种非常有潜力的用于产生脉冲激光的激光材料。
Yb:GdYSiO5激光晶体的吸收光谱包含了四个较强吸收峰，分别是900nm、918nm、950nm、976nm，其中976nm是最强的发射峰，和适合激光二极管直接泵浦。另外，Yb:GdYSiO5激光晶体的荧光光谱有四个强发射峰，分别是1004nm、1039nm、1056nm、1080nm，这就为获取多波长脉冲激光提供了可能性。
2008年，W.X.Li等人使用激光二极管泵浦Yb:GYSiO5激光晶体获得了中心波长为1045nm的脉冲激光(文献1.W.X.Li et al.,IEEE J.Quantum Elect.,44(5-6),567-572,(2008))。次年，B.B.Zhou等人使用钛宝石激光器泵浦Yb:GYSiO5激光晶体实现了脉冲激光，工作波长为1093nm(文献2.B.B.Zhou et al.,Opt.Lett.,34(1),31-33,(2009))。2011年，何晋平等人在Yb:GdYSiO5激光晶体上也实现了脉冲激光，工作波长为1056nm(文献3.J.P.He et al.,Chin.Phys.Lett.,28(8),084204,(2011))。2012年，J.F.Zhu等人在Yb:GdYSiO5激光晶体上也实现了脉冲激光，工作波长为1091nm(文献4.J.F.Zhu et al.,Opt.Lett.37(24),5190-5192,(2012))。2014年，W.L.Tian等人在Yb:GdYSiO5激光晶体上也实现了脉冲激光，工作波长为1050nm(文献5.W.L.Tian et al.,Chin.Opt.Lett.,12(3),031401,(2012))。2015年，J.F.Zhu等人再次利用Yb:GdYSiO5激光晶体上实现了脉冲激光，脉冲激光的中心波长可以工作在1054nm或者1094nm(文献6.J.F.Zhu et al.,Appl.Sci.,5,817-824,(2015))。2017年，Y.D.Wang等人也在Yb:GdYSiO5激光晶体上实现了脉冲激光，脉冲激光的中心波长为1058.5nm(文献7.Y.D.Wang et al.,Appl.Phys.Express,10(9),092701,(2017))。截至目前为止，在Yb:GdYSiO5激光晶体中实现的脉冲激光可以工作在不同的波长(如：1045nm、1050nm、1054nm、1056nm、1058.5nm、1091nm、1093nm、1094nm、)。
但是脉冲激光不能同时在双波长运转。上述的这些工作是基于SESAM(semiconductor saturable absorber mirror，半导体可饱和吸收镜)或者激光材料的克尔效应获取脉冲激光的。基于SESAM获取脉冲激光，受限于SESAM本身损伤阈值，制约着激光器的使用寿命及长期稳定性，而基于激光材料的克尔效应获取脉冲激光的宽度可以压缩至接近30fs，但是平均输出功率一般限制在几十毫瓦。
发明内容
本发明目的在于提供一种激光二极管泵浦二硫化钨调Q的Yb:GdYSiO5全固态双波长脉冲激光器，旨在解决现有的在Yb:GdYSiO5激光晶体中实现的脉冲激光全是单一波长和克服采用SESAM获取激光本身阈值受伤，而采用克尔效应的脉冲激光，功率较低的问题。
“二极管泵浦的连续和声光调Q的双波长激光器理论和实验研究”其公开了调Q双波长速率方法，但是其声光调Q是主动调Q，而基于二硫化钨可饱和吸收体的调Q是被动调Q。被动调Q与主动调Q相比的优点是激光腔结构简单，不需要外加额外电源(声光调Q器件需要电源驱动，二硫化钨可饱和吸收体不需要加电源，利用本身的非线性效应实现调Q),成本低，易于集成化产业化。另外，二硫化钨可饱和吸收体还具有响应时间短、吸收带宽宽，光损耗低等优点。
镀膜：一般来讲，镀膜厚度以及材料组分对镜片反射率起到决定作用。购买镜片时不关心镀膜的厚度，只考虑反射率、透射率和波长的问题。在实验中，高反介质膜要求对应波段的激光垂直入射时，反射率>99.9％；高透介质膜要求对应波段的激光垂直入射时，投射率>99.5％。
实现调Q脉冲输出的原理：调Q过程中，泵浦初期，腔内自发福射光强很小，可饱和吸收体的透过率很低，腔内损耗很大；随着泵浦脉冲不断作用，由于Q开关的非线性吸收，反转粒子数不断积累，开始形成腔内激光振荡，可饱和吸收体透过率随之增大，在接下来极短的时间内反转粒子数耗尽，形成调Q激光脉冲。
激光损伤阈值：是衡量一个光学元件承受光辐射能力的参数，代表元件可以承受的最大光功率密度(连续光源)或最大能量密度(脉冲光源)，常见单位分别是W/cm2和J/cm2。
本发明采用如下技术方案：
一种激光二极管二硫化钨调Q的Yb:GdYSiO5全固态双波长脉冲激光器包括：泵浦源、光学耦合聚焦系统、Yb:GdYSiO5激光晶体、泵浦镜、第一凹面镜、平面输出镜、第二凹面镜、二硫化钨反射镜；
泵浦源，用于输出泵浦激光，为激光器提供激励源；
光学耦合聚焦系统，用于将泵浦源输出的泵浦激光聚焦到Yb:GdYSiO5激光晶体上；
Yb:GdYSiO5激光晶体，接收光学耦合聚焦系统聚焦的泵浦激光，用于形成激光增益；
泵浦镜，接收Yb:GdYSiO5激光晶体产生的增益激光，并将增益激光原路返回，用于同第一凹面镜形成平凹腔结构；
第一凹面镜，接收Yb:GdYSiO5激光晶体产生的增益激光，用于同泵浦镜构成平凹腔结构，并反射到输出镜上；
输出镜，接收第一凹面镜反射的增益激光，用于增益激光起振后通过输出镜输出稳定的调Q双波长激光脉冲，并反射到第二凹面镜上；
第二凹面镜，接受输出镜反射的增益激光，用于将增益激光聚焦到二硫化钨反射镜上，并发射到二硫化钨反射镜；
二硫化钨反射镜，接受第二凹面镜反射的增益激光，并将增益激光原路返回，用于提供可饱和吸收。
进一步，泵浦源温度控制在22℃，输出激光的发射波长为976nm，额定输出功率为7W，耦合输出光纤芯径为50μm，数值孔径为0.22。
进一步，光学耦合聚焦系统包含所有光学元件的两面都镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜。
进一步，Yb:GdYSiO5激光晶体的Yb3+离子的掺杂浓度为5at.％，通光截面尺寸为6mm×5mm，通光截面为光学量级抛光，通光长度为2-4mm。
进一步，Yb:GdYSiO5激光晶体垂直放置，并被置于通冷却水的紫铜上，水的温度控制为14℃。
进一步，Yb:GdYSiO5激光晶体放置于泵浦镜位置。
进一步，泵浦镜的一面镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜，一面镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜以及1020nm-1100nm波段激光的高反介质膜。
进一步，泵浦镜为平面镜和第一凹面镜构成平凹腔系统，其镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜以及1020nm-1100nm波段激光的高反介质膜与第一凹面镜相对。
进一步，第一凹面镜的凹面镀有对1000nm-1100nm波段激光的高反介质膜，平面未镀膜。
进一步，第一凹面镜为平凹镜，凹面朝向激光腔内，并与泵浦镜构成平凹腔系统。
进一步，输出镜为平面镜，其中朝向激光腔内的一面镀有对1020nm-1100nm波段激光具有输出耦合率的介质膜，另一面镀有对1020nm-1100nm波段激光的高透介质膜。
进一步，第二凹面镜的凹面镀有对1000nm-1100nm波段激光的高反介质膜，平面未镀膜。
进一步，第二凹面镜为平凹镜，凹面朝向激光腔内，并将增益激光聚焦到二硫化钨平面反射镜上。
进一步，二硫化钨平面反射镜的基底是BK7玻璃，基底面向谐振腔的一面镀有对1030±30nm波段激光的高反介质膜，另一面未镀膜。
进一步的，二硫化钨平面反射镜是用二硫化钨纳米片溶液镀膜到基底制作而成的。
本发明首次基于二硫化钨可饱和吸收体在Yb:GdYSiO5激光晶体上实现了双波长调Q脉冲激光的输出，解决现有的在Yb:GdYSiO5激光晶体中实现的脉冲激光全是单一波长和克服采用SESAM获取激光本身阈值受伤，而采用克尔效应的脉冲激光，功率较低的问题。
本发明具有很好的实用性和可操作性，结构紧凑小巧、适于重复生产和组装，适于批量化生产、成本较低、高稳定性以及高光束质量等优点，可广泛应用于国防、工业、医疗、科研等领域，具有很好的应用前景和商业价值。
附图说明
图1为本发明的激光二极管泵浦二硫化钨调Q的Yb:GdYSiO5全固态双波长脉冲激光器的光路示意图；
图2(a)、图2(b)为采用示波器测得的脉冲序列信号示意图；
图3为采用示波器测得的脉冲宽度信号示意图；
图4为采用光谱仪测得的脉冲激光光谱信号示意图。
图中：1-泵浦源；2-光学耦合聚焦系统；3-泵浦镜；4-Yb:GdYSiO5激光晶体；5-第一凹面镜；6-第二凹面镜；7-二硫化钨反射镜；8、平面输出镜。
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，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
本发明的实施例：
如图1所示，本发明实施例的激光二极管泵浦二硫化钨调Q的Yb:GdYSiO5全固态双波长脉冲激光器由：泵浦源1、光学耦合聚焦系统2、泵浦镜3、Yb:GdYSiO5激光晶体4、第一凹面镜5、第二凹面镜6、二硫化钨反射镜7、平面输出镜8组成；
在本发明的实施例中，泵浦源1，为光纤耦合输出的半导体激光器，用于输出泵浦激光为激光器提供激励，温度控制为22℃，输出激光波长为976nm，额定输出功率为7W，光线芯径为50μm，数值孔径为0.22；
光学耦合聚焦系统2，用于将泵浦激光聚焦到Yb:GdYSiO5激光晶体4上，泵浦激光经光纤输出后通过1：1的光学耦合聚焦系统2聚焦，聚焦后的光斑直径约为50μm，工作距离为47mm；包含的所有光学元件的两面都镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜；
泵浦镜3，为激光器的端镜，用于反射激光；
Yb:GdYSiO5激光晶体4，Yb3+离子的掺杂浓度为5at.％，Yb3+离子的掺杂浓度较小时，提供的增益较小，输出激光功率小；Yb3+离子的掺杂浓度较大时，会出现浓度淬灭效应，自吸收效应也会增强，从而降低输出激光的功率。所以需要选择一个合适Yb3+离子的掺杂浓度，一般情况下Yb3+离子的掺杂浓度5at.％-30at.％较为合适。
泵浦镜3的一面镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜，另一面镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜以及1020nm-1100nm波段激光的高反介质膜。
通光截面尺寸为6mm×5mm，激光介质的通光截面主要是根据实验操作以及散热两个方面考虑。尺寸太小不利于实验操作，尺寸太大浪费激光材料并且不利于散热。一般情况下是通光截面的长宽可以是：3mm、4mm、5mm、6mm，通光截面为光学量级抛光，通光长度为2-4mm，激光介质的通光长度较小时，提供的增益较小，输出激光功率小；激光介质的通光长度较大时，自吸收效应增强，也会降低输出激光的功率。所以需要选择一个合适激光介质的通光长度。
一般情况下激光介质的通光长度2mm-4mm较为合适。
Yb:GdYSiO5激光晶体4垂直放置并且距离泵浦镜2mm-3mm的位置，并被置于通冷却水的紫铜上，水的温度控制为14℃，以便激光晶体均匀散热，保证稳定地高光束质量激光输出；
第一凹面镜5，用于保证Yb:GdYSiO5激光晶体4上的激光束腰与泵浦光的模式匹配，镜片镀有对1000nm-1100nm波段激光的高反介质膜(R>99.9％)，曲率半径R＝200mm，选择200mm的凹面镜为了使激光与泵浦光在晶体上匹配，与泵浦镜3构成平凹腔系统；
第二凹面镜6，用于将激光聚焦到二硫化钨反射镜7上，提供足够的功率密度，凹面镜将激光聚焦到二硫化钨反射镜上，激光的光斑变小，同样的功率下，激光的功率密度就强，使二硫化钨起可饱和吸收体的作用，镜片镀有对1000nm-1100nm波段激光的高反介质膜(反射率R>99.9％)，曲率半径R＝300mm；
二硫化钨反射镜7，用于对激光起到可饱和吸的收用从而实现脉冲激光的输出，采用二硫化钨纳米片溶液镀膜到基底制作而成，基底是BK7玻璃，基底面向谐振腔的一面镀有对1030±30nm波段激光的高反介质膜(反射率R>99.9％)；
平面输出镜8，用于输出激光，朝向激光腔内的一面镀有对1020nm-1100nm波段激光具有输出耦合率的介质膜(透射率T＝1.5％)，另一面镀有对1020nm-1100nm波段激光的高透介质膜(反射率R>99.9％)。
在图1中，泵浦源1，用于输出泵浦激光；光学耦合聚焦系统2，用于将泵浦激光聚焦到Yb:GdYSiO5激光晶体上；泵浦镜3，构成谐振器的一个端镜并于第二凹面镜5构成平凹腔结构，其镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜以及1020nm-1100nm波段激光的高反介质膜与第一凹面镜相对；激光晶体Yb:GdYSiO5 4，用于形成激光增益；第二凹面镜5，用于与泵浦镜3形成平凹腔结构；第二凹面镜6，用于将激光聚焦到二硫化钨反射镜7上；二硫化钨反射镜7，用于构成谐振器的另一个端镜并且起到可饱和吸收作用；平面输出镜8，耦合输出增益激光。
本发明的工作原理：
其中从泵浦源1发射的泵浦激光经过耦合聚焦系统2和泵浦镜3后聚焦到Yb:GdYSiO5激光晶体4上，增益激光起振后入射到泵浦镜3，并由泵浦镜3将其原路返回，到达第一凹面镜5并被反射到平面输出镜8上，增益激光再由平面输出镜8反射到第二凹面镜6上，再由第二凹面镜6反射到二硫化钨反射镜7，增益激光由二硫化钨反射镜7将其原路返回，即增益激光由二硫化钨反射镜7反射到第二凹面镜6，再反射到平面输出镜8，再反射到第一凹面镜5，再反射到泵浦镜3，构成闭合光路形成激光振荡，增益激光起振后通过平面输出镜8输出稳定的双波长调Q激光脉冲。
本发明中，用ABCD矩阵计算得到晶体上的束腰直径为58.8μm，与泵浦激光在晶体上的直径50μm相匹配。
ABCD矩阵是传输矩阵，用来判断激光腔是否是稳腔，计算激光腔内任意位置的激光的束腰半径以及发散角。
本发明中，用ABCD矩阵计算得到二硫化钨反射镜7上的束腰直径为89.8μm，保证能够提供高的功率密度使二硫化钨能够起到可饱和吸收的作用。本发明激光二极管泵浦二硫化钨调Q的Yb:GdYSiO5全固态双波长脉冲激光器可以获得输出功率为125mW的稳定双波长调Q脉冲激光，用示波器以及高速光电二极管记录以及测量脉冲激光的序列，如图2(a)、图2(b)所示。本发明的效果：
1.合理设计激光腔，使得泵浦光与激光在增益介质上的光斑模式匹配，有利于提高激光的效率，从而提高激光的输出功率。
2.合理设计激光腔，控制激光聚焦到在二硫化钨反射镜的束腰半径以及激光功率密度，使得二硫化钨及能起到可饱和吸收体的作用，又达不到二硫化钨的损伤阈值，从而增加了激光器的寿命，提高了其稳定性。
3.选择具有多波长振荡可能的激光介质Yb:GdYSiO5。
用示波器以及高速光电二极管记录以及测量脉冲激光的宽度，脉冲宽度8.4μs，如图3所示。脉冲激光在光谱仪上所测得的光谱如图4所示，中心波长为1051nm和1091nm。
本发明具有很好的实用性和可操作性，结构紧凑小巧，适于重复生产和组装，适于批量化生产，成本较低，激光单向输出，高稳定性以及高光束质量等优点，可广泛应用于国防、工业、医疗、科研等领域，具有很好的应用前景和商业价值。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.激光二极管泵浦的二硫化钨调Q的Yb：GYSO全固态激光器，其特征在于，它包括泵浦源(1)、光学耦合聚焦系统(2)、泵浦镜(3)、Yb:GdYSiO5激光晶体(4)、第一凹面镜(5)、第二凹面镜(6)、二硫化钨反射镜(7)、平面输出镜(8)；
泵浦源(1)，用于输出泵浦激光，为激光器提供激励；
光学耦合聚焦系统(2)，用于将泵浦源(1)输出的泵浦激光聚焦到Yb:GdYSiO5激光晶体(4)上；
泵浦镜(3)，构成谐振器的一个端镜并与第二凹面镜(5)构成平凹腔结构；
Yb:GdYSiO5激光晶体(4)，用于形成激光增益；
第一凹面镜(5)，用于与泵浦镜(3)形成平凹腔结构：
第二凹面镜(6)，用于将激光聚焦到二硫化钨反射镜(7)上；
二硫化钨反射镜(7)，用于构成谐振器的另一个端镜并且起到可饱和吸收作用；
平面输出镜(8)，耦合输出增益激光；
由此，从泵浦源(1)输出的泵浦激光经过光学耦合聚焦系统(2)和泵浦镜(3)聚焦到Yb:GdYSiO5激光晶体(4)上，增益激光起振后入射到泵浦镜(3)，并由泵浦镜(3)将其原路返回，到达第一凹面镜(5)并被反射到平面输出镜(8)上，增益激光再由平面输出镜(8)反射到第二凹面镜(6)上，再由第二凹面镜(6)反射到二硫化钨反射镜(7)，增益激光由二硫化钨反射镜(7)将其原路返回，即增益激光由二硫化钨反射镜(7)反射到第二凹面镜(6)，再反射到平面输出镜(8)，再反射到第一凹面镜(5)，再反射到泵浦镜(3)，构成闭合光路形成激光振荡；
所述的Yb:GdYSiO5激光晶体(4)的Yb3+离子的掺杂浓度为5at.％；所述的二硫化钨平面反射镜(7)的基底是BK7玻璃，基底面向谐振腔的一面镀有对1030±30nm波段激光的高反介质膜，另一面未镀膜；二硫化钨平面反射镜(7)是用二硫化钨纳米片溶液镀膜到基底制作而成；
实现了双波长调Q激光的运转，其中心波长为1051nm和1091nm；
双波长调Q激光在时域上不重叠，相差39.9μs。
2.根据权利要求1所述的激光二极管泵浦的二硫化钨调Q的Yb：GYSO全固态激光器，其特征在于，所述的泵浦源(1)为光纤耦合输出多模激光二极管，其额定输出功率为7W，激光工作波长为976nm，耦合输出光纤直径为50μm，数值孔径为0.22；所述的平面输出镜(8)为平面镜，其中朝向激光腔内的一面镀有对1020nm-1100nm波段激光具有输出耦合率的介质膜，另一面镀有对1020nm-1100nm波段激光的高透介质膜。
3.根据权利要求1所述的激光二极管泵浦的二硫化钨调Q的Yb：GYSO全固态激光器，其特征在于，所述的光学耦合聚焦系统(2)包含的所有光学元件的两面都镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜；第二凹面镜(6)的凹面镀有对1000nm-1100nm波段激光的高反介质膜，平面未镀膜；所述的第二凹面镜(6)为平凹镜，凹面朝向激光腔内，并将增益激光聚焦到二硫化钨平面反射镜(7)上。
4.根据权利要求1所述的激光二极管泵浦的二硫化钨调Q的Yb：GYSO全固态激光器，其特征在于，所述的Yb:GdYSiO5激光晶体(4)的通光截面尺寸为6mm×5mm，通光截面为光学量级抛光，通光长度为2-4mm。
5.根据权利要求4所述的激光二极管泵浦的二硫化钨调Q的Yb：GYSO全固态激光器，其特征在于，所述的Yb:GdYSiO5激光晶体(4)垂直放置，并被置于通冷却水的紫铜上，水的温度控制为14℃。
6.根据权利要求5所述的激光二极管泵浦的二硫化钨调Q的Yb：GYSO全固态激光器，其特征在于，所述的Yb:GdYSiO5激光晶体(4)放置于距离泵浦镜(3)2-3mm的位置。
7.根据权利要求1所述的激光二极管泵浦的二硫化钨调Q的Yb：GYSO全固态激光器，其特征在于，所述的泵浦镜(3)的一面镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜，另一面镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜以及1020nm-1100nm波段激光的高反介质膜。
8.根据权利要求7所述的激光二极管泵浦的二硫化钨调Q的Yb：GYSO全固态激光器，其特征在于，所述的泵浦镜(3)为平面镜，并与第一凹面镜(5)构成平凹腔系统。
9.根据权利要求8所述的激光二极管泵浦的二硫化钨调Q的Yb：GYSO全固态激光器，其特征在于，所述的第一凹面镜(5)的凹面镀有对1000nm-1100nm波段激光的高反介质膜，平面未镀膜；所述的第一凹面镜(5)为平凹镜，凹面朝向激光腔内。
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