CN108448377A - 升压式电光调Q大能量2μm纳秒脉冲激光器及制造方法 - Google Patents

升压式电光调Q大能量2μm纳秒脉冲激光器及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种升压式电光调Q大能量2μm纳秒脉冲激光器及制造方法，所述激光器包括泵浦源、耦合透镜、凹面输入镜、Tm:LuAG激光晶体、凹面全反镜、平面全反镜、电光晶体和输出镜；所述泵浦源发出的激光依次经过耦合透镜和凹面输入镜入射到Tm:LuAG激光晶体，经过Tm:LuAG激光晶体的增益激光由凹面全反镜反射到达平面全反镜，然后被反射并原路返回，到达凹面输入镜后反射，经过电光晶体到达输出镜；所述电光调制电源为电光晶体提供升压式调制信号。本发明能够获得10.6mJ，85ns的2025nm激光输出。

Description

升压式电光调Q大能量2μm纳秒脉冲激光器及制造方法
技术领域
本发明属于固体激光技术领域，尤其涉及一种升压式电光调Q大能量2μm纳秒脉冲激光器及制造方法。
背景技术
2μm激光在激光雷达，光电对抗，激光医学，光学参量振荡(OPO)等方面有着重大应用需求。目前实现2μm波段大脉冲能量的激光输出主要是参杂Tm或Ho两种离子。绝大多数Tm掺杂晶体发射波长在2μm波长以下，1950nm附近的水吸收峰严重限制了它们的应用；Ho参杂的晶体虽然波长在2100nm左右，但是需要昂贵的Tm光纤激光器泵浦。而Tm:LuAG晶体发射波长在2023nm附近，远离水吸收峰，处在大气窗口，使得大脉冲能量的Tm:LuAG激光器在激光雷达系统和光学参量振荡(磷锗锌晶体在2μm以下透过率急剧下降)中具有巨大的开发潜力。但是目前Tm:LuAG晶体严重的热效应导致大脉冲能量的实现上存在严重困难，最大的Tm:LuAG脉冲激光报道(使用声光调Q方式)只有3.7mJ，脉冲宽度204ns，现有技术中关于该波段10mJ以上的大脉冲能量的激光器未有报道。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种升压式电光调Q大能量2μm纳秒脉冲激光器及制造方法，采用X型谐振腔和电光调Q系统，所述谐振腔包括凹面输入镜、Tm:LuAG晶体、凹面全反镜、平面全反镜和输出镜，调Q系统包括YAG起偏器、LiNbO3晶体和1/4波片，在升压式100HZ重复频率下调制。本发明的激光器能够得到10.6mJ，85ns的2025nm激光输出。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于升压式电光调Q的2μm波段大能量纳秒脉冲激光器，包括依次设置的泵浦源、耦合透镜、凹面输入镜、Tm:LuAG激光晶体、凹面全反镜、平面全反镜、电光晶体和输出镜；所述泵浦源发出的激光依次经过耦合透镜和凹面输入镜入射到Tm:LuAG激光晶体，经过Tm:LuAG激光晶体的增益激光由凹面全反镜反射到达平面全反镜，然后被反射并原路返回，到达凹面输入镜后反射，经过电光晶体到达输出镜，经过电光晶体到达输出镜；所述电光调制电源为电光晶体提供升压式调制信号。
进一步地，还包括起偏器，所述凹面全反镜反射的光束经起偏器到达平
面全反镜。进一步地，所述电光晶体和输出镜之间还设有1/4波片。
进一步地，Tm:LuAG激光晶体规格为4mm*4mm*8mm，Tm3+掺杂浓度
为6at.％。
进一步地，所述电光晶体为9mm*9mm*25mm的LiNbO3晶体。
进一步地，所述泵浦源为15到30度可调的连续运转的793nm激光二极管，最大输出功率30W。
进一步地，所述凹面输入镜到Tm:LuAG激光晶体的距离为35mm，Tm:LuAG激光晶体长8mm，Tm:LuAG激光晶体到凹面全反镜距离30mm，凹面全反镜到全反镜距离60mm，凹面输入镜到平面输出镜距离150mm；输出镜透过率为20％。
进一步地，所述激光器在升压式100HZ重复频率下调制。
根据本发明的第二目的，本发明还提供了一种基于升压式电光调Q的2μm波段大能量纳秒脉冲激光器制造方法，包括以下步骤：
步骤1：搭建连续输出的X型腔，耦合头距离最前端Tm:LuAG晶体5cm，两臂折叠角在5°到15°之间，出光后调整输出镜和耦合头与晶体距离，优化输出功率至最大，泵浦源输出波长调整到789nm；
步骤2：起偏器以61°插入，打开激光器微调至功率最大；
步骤3：放入电光晶体，所述电光晶体放置时X轴或Y轴应与起偏器的起偏方向平行，通光表面应与光轴方向垂直，打开激光器微调电光晶体至输出功率最大；
步骤4：放入1/4波片，打开激光器旋转并微调1/4波片角度至输出功率最大；
步骤5：打开电光电源，电压调到3000V，设置电光晶体电源为升压模式；旋转1/4波片，通过光电探头探测脉冲激光，至示波器脉冲波形稳定；在增加泵浦功率的过程中，调整电光开关电源延时，至输出功率不再明显增大；
步骤6：优化脉冲激光器，微调各结构，使输出激光最大，脉冲波形最稳定。
进一步地，所述凹面输入镜到Tm:LuAG激光晶体的距离为35mm，Tm:LuAG激光晶体长8mm，Tm:LuAG激光晶体到凹面全反镜距离30mm，凹面全反镜到全反镜距离60mm，凹面输入镜到平面输出镜距离150mm。本发明的有益效果
1、本发明采用升压式电光调制方式，不同于现有的降压式，具有开关效果好，所需电压低，使用寿命长等优点。一般来说电光晶体有降压式和升压式两种加压模式，其中降压式(即包括一个起偏器和一块电光晶体，工作在1/4波长电压)最为常见，但是在实际应用中，特别是高的泵浦功率下，两者的组合并不能有效的开关光路，输出脉冲不稳定且降低了电光晶体的使用寿命；而升压式(即包括两个起偏器，中间放置电光晶体，工作在1/2波长电压)虽可有效关断光路，但因其需高达5000V以上的电压，实际应用较少。本发明中的升压式电光调制方式(即包括一个起偏器和一个1/4波片，中间放置电光晶体)，通过起偏器和1/4波片可以有效关断光路，而只需给电光晶体加1/4波长的电压，充分结合了上述两种加压模式的优点。
2、本发明采用了特殊设计的高透过率的X型谐振腔，腔型热稳定性好，可承受较高脉冲能量的输出。由于Tm:LuAG晶体的热效应比较严重，且考虑到调Q装置需要较大空间，普通的直线型腔热稳定性差，难以输出大能量的激光。本发明利用MATLAB软件模拟计算ABCD矩阵，设计了热稳定性高的X型谐振腔的参数(包括反射镜的曲率和反射镜之间的距离)，使得腔内激光模式半径和泵浦光束半径匹配良好，在较高泵浦功率下，激光器仍处于稳定状态。成功采用大透过率的输出镜(20％)，使得激光器可以安全工作在大脉冲能量状态下，而不至于激光器本身造成损伤。
3、经过试验，本发明可以输出10.6mJ，85ns，优于目前最大的Tm:LuAG脉冲激光报道(使用声光调Q方式，3.7mJ，204ns)。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明基于升压式电光调Q的2μm波段大能量纳秒脉冲激光器光路结构示意图；
图2为本发明的激光器输出的85ns单脉冲波形示意图。
图中，101——激光二极管、102——光纤、201——耦合透镜、301——凹面输入镜、302——凹面全反镜、303——平面全反镜、304——输出镜、305——Tm:LuAG激光晶体、401——起偏器、402——电光晶体；403——1/4波片；404——电光调制电源；405，406——导线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了一种基于升压式电光调Q的2μm波段大能量纳秒脉冲激光器，包括激光二极管101、光纤102、耦合透镜201、凹面输入镜301、凹面全反镜302、平面全反镜303、输出镜304、Tm:LuAG激光晶体305、起偏器401、电光晶体402；1/4波片403；电光调制电源404；导线405，406。
其中，所述激光二极管101发出的激光经光纤102依次经过耦合透镜201和凹面输入镜301入射到Tm:LuAG激光晶体305，经过Tm:LuAG激光晶体305的增益激光由凹面全反镜302反射，经起偏器401到达平面全反镜303，然后被反射并原路返回，到达凹面输入镜301后反射，经过电光晶体402和1/4波片403到达输出镜304。所述电光调制电源404经导线405，406与电光晶体402连接，为电光晶体402提供调制信号。
所述激光二极管101(泵浦源)采用793nm温度在15到30度可调的连续运转的激光器，最大输出功率30W；纤芯直径100μm；耦合透镜201为1:1。
Tm:LuAG激光晶体305规格为4mm*4mm*8mm，Tm3+掺杂浓度为6at.％。
谐振腔采用X型谐振腔，包括凹面输入镜301、凹面全反镜302、全反镜303和平面输出镜304。整个腔长28.3cm，其中凹面输入镜301到Tm:LuAG激光晶体305的距离为35mm，Tm:LuAG激光晶体305长8mm，Tm:LuAG激光晶体305到凹面全反镜302距离30mm，凹面全反镜302到全反镜303距离60mm，凹面输入镜301到平面输出镜304距离150mm。
优选地，凹面输入镜曲率为75mm；凹面全反镜302曲率为50mm；输出镜304透过率为20％。
调Q系统包括起偏器401，电光晶体402和1/4波片403。
所述起偏器401为1mm厚的YAG起偏器；所述电光晶体402为9mm*9mm*25mm的铌酸锂晶体(LiNbO3晶体)；所述电光晶体由电光调制电源提供调制信号，所述电光调制电源加压3000V。
所述激光器在升压式100HZ重复频率调制下，获得10.6mJ，85ns的2025nm激光输出。
实施例二
本实施例的目的是提供一种实施例一所述激光器的制造方法。
步骤1：搭建X型腔。按照图1所示及相关参数，搭建连续输出的X型腔，注意耦合头距离最前端Tm:LuAG晶体5cm左右，两臂折叠角在5°到15°之间为宜，出光后调整输出镜和耦合头与晶体距离优化输出功率至最大。注意泵浦源输出波长调整到789nm附近为宜。
步骤2：插入起偏器。起偏器以61°插入，打开激光器微调至功率最大。注意起偏器处有较强的激光反射出激光腔，应避免眼睛与反射激光接触。
步骤3：放入电光晶体。电光晶体上下两个电极表面镀有金，以达到与电极铜片最好的接触效果。电光晶体放置时X轴或Y轴应与起偏器的起偏方向平行，通光表面应与光轴方向垂直。打开激光器微调电光晶体至输出功率最大。
步骤4：放入1/4波片。打开激光器旋转并微调1/4波片角度至输出功率最大。
步骤5：打开电光电源。电压调到3000V附近，设置电光晶体电源为升压模式。旋转1/4波片，通过光电探头探测脉冲激光，至示波器脉冲波形最稳定。在增加泵浦功率的过程中，注意调整电光开关电源延时，至输出功率不再明显增大为宜，以使存储在激光晶体的能量得到充分释放。
步骤6：优化脉冲激光器。微调输出镜，起偏器，电光晶体，1/4波片等使输出激光最大，脉冲波形最稳定，以达到脉冲激光器最优化。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于升压式电光调Q的2μm波段大能量纳秒脉冲激光器，其特征在于，包括泵浦源、耦合透镜、凹面输入镜、Tm:LuAG激光晶体、凹面全反镜、平面全反镜、电光晶体、输出镜和电光调制电源；所述泵浦源发出的激光依次经过耦合透镜和凹面输入镜入射到Tm:LuAG激光晶体，经过Tm:LuAG激光晶体的增益激光由凹面全反镜反射到达平面全反镜，然后被反射并原路返回，到达凹面输入镜后反射，经过电光晶体到达输出镜；所述电光调制电源为电光晶体提供升压式调制信号。
2.如权利要求1所述的一种基于升压式电光调Q的2μm波段大能量纳秒脉冲激光器，其特征在于，还包括起偏器，所述凹面全反镜反射的光束经起偏器到达平面全反镜。
3.如权利要求1所述的一种基于升压式电光调Q的2μm波段大能量纳秒脉冲激光器，其特征在于，所述电光晶体和输出镜之间还设有1/4波片。
4.如权利要求1所述的一种基于升压式电光调Q的2μm波段大能量纳秒脉冲激光器，其特征在于，Tm:LuAG激光晶体规格为4mm*4mm*8mm，Tm3+掺杂浓度为6at.％。
5.如权利要求1所述的一种基于升压式电光调Q的2μm波段大能量纳秒脉冲激光器，其特征在于，所述电光晶体为9mm*9mm*25mm的LiNbO3晶体。
6.如权利要求1所述的一种基于升压式电光调Q的2μm波段大能量纳秒脉冲激光器，其特征在于，所述泵浦源为15到30度可调的连续运转的793nm激光二极管，最大输出功率30W。
7.如权利要求1所述的一种基于升压式电光调Q的2μm波段大能量纳秒脉冲激光器，其特征在于，所述凹面输入镜到Tm:LuAG激光晶体的距离为35mm，Tm:LuAG激光晶体长8mm，Tm:LuAG激光晶体到凹面全反镜距离30mm，凹面全反镜到全反镜距离60mm，凹面输入镜到平面输出镜距离150mm；输出镜透过率为20％。
8.如权利要求1所述的一种基于升压式电光调Q的2μm波段大能量纳秒脉冲激光器，其特征在于，所述激光器在升压式100HZ重复频率下调制。
9.一种基于升压式电光调Q的2μm波段大能量纳秒脉冲激光器制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：搭建连续输出的X型腔，耦合头距离最前端Tm:LuAG晶体5cm，两臂折叠角在5°到15°之间，出光后调整输出镜和耦合头与晶体距离，优化输出功率至最大，泵浦源输出波长调整到789nm；
步骤2：起偏器以61°插入，打开激光器微调至功率最大；
步骤3：放入电光晶体，所述电光晶体放置时X轴或Y轴应与起偏器的起偏方向平行，通光表面应与光轴方向垂直，打开激光器微调电光晶体至输出功率最大；
步骤4：放入1/4波片，打开激光器旋转并微调1/4波片角度至输出功率最大；
步骤5：打开电光电源，电压调到3000V，设置电光晶体电源为升压模式；旋转1/4波片，通过光电探头探测脉冲激光，至示波器脉冲波形稳定；在增加泵浦功率的过程中，调整电光开关电源延时，至输出功率不再明显增大；
步骤6：优化脉冲激光器，微调各结构，使输出激光最大，脉冲波形最稳定。
10.如权利要求9所述的一种基于升压式电光调Q的2μm波段大能量纳秒脉冲激光器制造方法，其特征在于，所述凹面输入镜到Tm:LuAG激光晶体的距离为35mm，Tm:LuAG激光晶体长8mm，Tm:LuAG激光晶体到凹面全反镜距离30mm，凹面全反镜到全反镜距离60mm，凹面输入镜到平面输出镜距离150mm。
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