CN109149338B - 一种Er:YAG单频固体激光器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提升Er:YAG单频固体激光器能量与效率的方法与系统，属于激光技术领域。为了减少热透镜效应及上能级效应对激光输出的影响，低掺杂浓度的Er:YAG晶体或陶瓷成为增益介质的首选。但由于其掺杂浓度低，为实现大功率大能量的单频激光输出，通常需要单频种子激光注入到调Q脉冲从动激光器以及一个甚至多个放大器组成。本发明公开了一种提升Er:YAG单频固体激光器能量与效率的系统，通过种子注入方式即可得到大能量的单频激光输出。本发明不但可以解决大能量单频激光输出采用大功率泵浦源并提高增益介质的掺杂浓度导致输出效率低下的问题，同时避免了过多的放大结构而导致的复杂系统，便于实现小型化大能量的单频激光输出。

Description

一种Er:YAG单频固体激光器系统
技术领域
本发明属于激光技术领域，涉及一种Er:YAG单频固体激光器系统，实现高能量、高效率的激光输出。
背景技术
1.6μm波段的激光是人眼安全的激光，且处于大气窗口(1.5～1.8μm和2～2.4μm)，能够满足激光雷达对较高大气透过率的要求。从器件成熟度的角度考虑，1.6μm属于通信波段，可以直接使用通信波段各类成熟的器件，包括响应度高的探测器和易于小型化的光纤器件，因此1.6μm的激光雷达易于实现小型化。从特殊气体分子吸收的角度考虑，CH4气体在1.6μm波段有丰富的吸收峰，因此1.6μm激光器可以用于CH4差分吸收激光雷达，实现CH4气体的快速、实时探测。1.6μm恰好处于掺Er材料的受激辐射波段范围，近年来利用掺Er增益介质所研制的激光器被广泛地应用于空间光通讯、激光测风雷达、激光成像雷达、差分吸收雷达等方面。常用的掺Er增益介质有Er:YAG晶体、Er:YAG陶瓷以及Er玻璃等。
为了减少热透镜效应及上能级效应对激光输出的影响，掺杂浓度为0.2at％到0.5at％的Er:YAG晶体或陶瓷等成为增益介质的首选。但由于其掺杂浓度低，输出效率难以提升。为了实现大功率大能量的单频激光输出，现有的激光器系统通常采用两种方式：第一种是采用大功率泵浦源并提高增益介质的掺杂浓度，采用这种方式通常会给温控系统带来较大的负荷，并且随着增益介质掺杂浓度的提高，热透镜效应及上能级转换效应的影响也会增大，所以激光器系统整体输出效率也会随之下降；第二种是采用激光功率放大技术，这种方案往往需要一个单频种子激光器、一个脉冲从动激光器以及一个放大器，系统组成复杂，为了得到更高的功率或能量输出甚至需要两个或多个放大器，增加了系统的体积。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种Er:YAG单频固体激光器系统，能够实现大功率大能量的高效率单频激光输出，并且系统简单、体积小。
本发明的一种Er:YAG单频固体激光器系统，包括单频连续种子激光器、脉冲从动激光器、探测器和可编程逻辑控制模块，所述脉冲从动激光器包括两台以上的泵浦源以及与泵浦源个数相同的Er:YAG增益介质；所述泵浦源分别对Er:YAG增益介质进行端面谐振泵浦；所述Er:YAG增益介质掺杂浓度为0.2at.％到0.5at.％；所述脉冲从动激光器的谐振腔为环形腔。
其中，所述泵浦源个数为2，所述泵浦源分别为1532nm的光纤激光器及1470nm的半导体激光器。
其中，所述单频种子激光器为1.6μm单频固体激光器。
其中，所述脉冲从动激光器还包括耦合透镜组，用于耦合两台泵浦源的泵浦激光光斑模式以及种子激光器的激光光斑模式。
其中，所述环形腔为8字型腔或矩形腔。
其中，所述Er:YAG增益介质为Er:YAG晶体或Er:YAG陶瓷。
有益效果：
本发明的Er:YAG单频固体激光器系统，脉冲冲动激光器中采用两个以上的泵浦源，采用掺杂浓度为0.2at％到0.5at％的Er:YAG陶瓷作为增益介质，总泵浦功率比较大，并且增加了增益介质的数量，得到大能量的高效率单频激光输出，在提高输出效率的同时，无需再增加额外的放大器，可实现大功率大能量的单频激光输出，与采用大功率泵浦源并提高增益介质的掺杂浓度相比，降低了温控系统的负荷，减少了热透镜效应及上能级效应，提高了输出效率；与采用激光功率放大技术相比，无需再增加额外的放大器，缩小了系统的体积，便于实现小型化大能量激光输出。解决为实现大功率大能量的单频激光输出而采用大功率泵浦源并提高增益介质的掺杂浓度而导致输出效率低下的问题，并且系统简单、体积小。
附图说明
图1为本发明腔型为“8”字环形腔的系统结构示意图。
图2为本发明腔型为矩形环形腔的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种Er:YAG单频固体激光器系统，包括单频连续种子激光器、脉冲从动激光器以及可编程逻辑控制电路模块。
其中，所述单频连续种子激光器用于产生单频连续种子激光，单频连续种子激光注入到脉冲从动激光器中；
所述脉冲从动激光器包括两台以上的泵浦源、与泵浦源个数相同的Er:YAG陶瓷增益介质、谐振腔、调Q装置以及压电陶瓷；所述Er:YAG陶瓷增益介质掺杂浓度为0.2at％到0.5at％；脉冲从动激光器用于产生高能量脉冲输出，通过单频连续激光进行注入锁定后，脉冲从动激光器的光场在种子光信号上建立，实现大能量单频脉冲输出；
可编程逻辑控制电路模块，用于控制脉冲激光器谐振腔长的改变，发出锁定信号并触发Q开关，实现注入锁定。
所述泵浦源分别对Er:YAG陶瓷增益介质进行端面谐振泵浦；
所述谐振腔为环形腔；所述压电陶瓷用于主动改变脉冲从动激光器谐振腔长，实现注入锁定；谐振腔内谐振信号由探测器探测反馈到可编程逻辑控制电路模块中，控制电路控制调Q装置及压电陶瓷完成种子注入，注入锁定后，所述固体激光器系统实现大能量单频脉冲输出。
本实施例中单频种子激光器为1.6μm的单频固体激光器。脉冲从动激光器包括两台泵浦源、三个耦合透镜、Er:YAG陶瓷增益介质(掺杂浓度为0.2at％到0.5at％)、环形谐振腔、温控模块、调Q装置以及压电陶瓷。
其中，Er:YAG增益介质可以为Er:YAG晶体或Er:YAG陶瓷。
本发明总泵浦功率比较大外加增益介质的增加，不要放大器也能实现大功率输出，输出效率也没有降低。
系统简单体积小，没有增加后续的放大器就实现了大能量输出。
其中，(1)为了最大程度提升激光功率及能量的输出，两台泵浦源可以采用分别为1532nm光纤激光器以及1470nm半导体激光器，分别对Er:YAG陶瓷进行端面谐振泵浦。泵浦源选择1532nm光纤激光器以及1470nm半导体激光器能进一步提升激光功率及能量的输出的原因是：由于增益介质Er:YAG在波长1532nm处拥有着更高的吸收峰，并且1532nm的光纤激光器光束质量较好，可以提高整体激光器的输出效率，但由于当前的技术限制，1532nm的光纤激光器较1470nm半导体激光器输出的泵浦功率低，若使用两台1532nm的光纤激光器作为泵浦源，虽然可以提高激光器输出的效率，但相应得到的激光输出也会受到限制；而1532nm的半导体激光器虽然可以得到一个相对比较高的泵浦输出，但增益介质Er:YAG在波长1532nm处的吸收峰比较窄，经过线宽压窄的1532nm的半导体激光器会降低其泵浦功率的输出，并且线宽压窄的1532nm的半导体激光器线宽及光束质量并没有1532nm的光纤激光器好，对于激光器整体效率提升不高，而增益介质Er:YAG在波长1470nm附近吸收峰比较宽，非常适合使用半导体激光器泵浦，与经过线宽压窄的1532nm的半导体激光器相比，1470nm半导体激光器可达到的泵浦功率更大，更容易得到大功率大能量的激光输出，若使用两台1470nm半导体激光器作为泵浦源会降低激光器整体输出效率，因此在泵浦源的选择上为1532nm光纤激光器及1470nm半导体激光器各一台，可以在保证输出效率的情况下提升激光功率及能量的输出；。
(2)三组耦合透镜分别用于耦合两台泵浦源的泵浦激光光斑模式以及用于种子注入的种子激光的光斑模式；。
(3)Er:YAG陶瓷作为增益介质，由于生长的陶瓷掺杂浓度可调，且易生长大尺寸，所需陶瓷的尺寸与浓度需与所述泵浦光源更好匹配，0.2at％到0.5at％的掺杂浓度用于降低激光器的上能级效应从而提高输出效率，基于1470nm半导体激光器的泵浦功率一般较1532nm光纤激光器更大，因此可以相应的稍微增大其泵浦的陶瓷的掺杂浓度以提高激光输出，但不宜过大导致过高的上能级效应降低输出效率；通常采用两台泵浦源分别泵浦两根掺杂浓度为0.2at％到0.5at％的Er:YAG陶瓷，如泵浦源功率较大，可另添加一到两根陶瓷并相应匹配透镜耦合系统增加对泵浦光的吸收，但总增益介质数量不宜超过4根，以免使得之后的注入锁定变得困难；。
(4)脉冲从动激光器谐振腔为环形腔，与驻波腔相比，同等体积下环形腔的腔长更长，因此结构比较紧凑，并且环形腔为行波腔，不存在空间烧孔效应，因此可以避免因空间烧孔效应对激光输出的影响。在环形腔腔型设计时，需在增益介质处使振荡光与泵浦光进行模式匹配从而降低激光器的整体阈值，并且各镜面上的光斑不宜过小导致能量过于集中损坏器件，同时应通过适当增大腔长来增加激光输出的脉冲宽度从而降低腔内的峰值功率保护器件；。
可编程逻辑控制电路模块是种子注入锁定激光器的关键部分。控制电路通过对压电陶瓷的控制，改变脉冲从动激光器腔长，寻找种子光在脉冲从动激光器中的谐振点，当程序寻找到种子光在脉冲从动激光器中谐振信号的最大值后，控制模块向调Q装置发送触发信号，完成注入锁定过程。在注入锁定过程中，种子信号和噪声信号同时存在于从动激光器中。如果种子信号在此过程中处于优势，则种子信号先会优于噪声信号提取脉冲从动激光器中的脉冲能量；反之，如果噪声信号处于优势，注入锁定过程将会破坏。在种子注入过程中，种子光耦合至从动激光器中的耦合系数Cc可以表示为：
Figure BDA0001766524500000041
其中，E1是种子光场信号，E2是从动激光器光场信号。由于光场信号受较多因素影响，其中，光斑半径差异、束腰纵向位置差异、束腰横向位置差异、耦合角度差异，这四个方面对耦合效率影响较大，而光斑半径差异、束腰纵向位置差异、束腰横向位置差异通过耦合透镜组的调节可以得到很大改善，由此我们主要对耦合角度差异进行对比。假设种子光场和从动激光器光场其它因素相同，只是耦合角度θ有所区别，上面的式子可以简化为：
Figure BDA0001766524500000042
其中θ是种子光场和从动激光器光场的耦合角度，ω1是光斑半径，λ是激光波长，当θ较小时，令λ/πω1为θ1，上述式子可进一步化简为：
Figure BDA0001766524500000043
对于本发明来讲，当调节种子光在一个增益介质中的耦合位置时，另一个增益介质中的耦合角度也会随之变化，因此耦合角度对耦合系数的影响很大，需要精细调节种子光在两个增益介质中的耦合。如泵浦源功率较大，可另添加一到两根陶瓷并相应匹配透镜耦合系统增加对泵浦光的吸收，但总增益介质数量不宜超过4根，否则过多的增益介质导致各增益介质中的种子光光场与从动激光器光场的耦合角度不易调节，降低耦合系数，增加注入锁定的困难，甚至无法完成注入锁定得到单频激光输出。
本实施例所提供的激光器为端泵双增益介质Er:YAG单频固体激光器，并且设计了两种腔型，“8”字环形腔和矩形环形腔。
本发明腔型为“8”字环形腔的系统结构示意图如图1所示，单频种子激光器101，耦合透镜102用于调节种子激光器的激光光斑大小，使其与从动激光器中的激光达到模式匹配。第一泵浦源103为1532nm光纤激光器，第二泵浦源106为1470nm半导体激光器。第一准直聚焦透镜104、第一输入镜105、第二准直聚焦透镜107以及第二输入镜108，第一Er:YAG陶瓷109以及第二Er:YAG陶瓷110为增益介质。各个泵浦源泵浦光经由各自的导光光纤、准直聚焦透镜和输入镜分别入射到第一Er:YAG陶瓷109以及第二Er:YAG陶瓷110中。
从动激光器谐振腔由镀有对泵浦波长高透以及输出激光波长高反膜的输入镜111、贴了压电陶瓷的45°镜112、45°镜113以及镀有对输出激光波长部分反射膜的输出镜114组成。根据激光在谐振腔内的振荡方向，称为“8”字环形腔。调Q装置115为声光Q开关，种子激光耦合后通过经环形腔输出镜输出激光的其中一路注入到谐振腔当中。隔离器118用于保护种子激光器，防止从动激光器输出的激光反馈至种子激光器。压电陶瓷安置于一腔内45°镜后用于调节谐振腔的长度。谐振信号由探测器116探测反馈到可编程逻辑控制电路模块117中，控制电路控制调Q装置115及压电陶瓷完成种子注入，实现大能量单频脉冲激光输出。
本发明腔型为矩形环形腔的系统结构示意图如图2所示，单频种子激光器201；耦合透镜202用于调节种子激光器的激光光斑大小，使其与从动激光器中的激光达到模式匹配，第一泵浦源203为1532nm光纤激光器，第二泵浦源206为1470nm半导体激光器。第一泵浦源203的泵浦光经由导光光纤、第一准直聚焦透镜204、第一输入镜205入射到第一Er:YAG陶瓷中，第二泵浦源206的泵浦光经由第二准直聚焦透镜207、第二输入镜208入射到第二Er:YAG陶瓷中。从动激光器谐振腔由镀有对泵浦波长高透以及输出激光波长高反膜的输入镜211、贴了压电陶瓷的45°镜212、45°镜213以及镀有对输出激光波长部分反射膜的输出镜214组成。根据激光在谐振腔内的振荡方向，称为矩形环形腔。与“8”字腔相同，调Q装置215为声光Q开关，注入方式采用输出镜注入，种子激光耦合后通过经环形腔输出镜输出激光的其中一路注入到谐振腔当中。隔离器218用于保护种子激光器，防止从动激光器输出的激光反馈至种子激光器。谐振信号由矩形腔探测器216探测反馈到矩形腔可编程逻辑控制电路模块217中，压电陶瓷安置于一腔内45°镜219后用于调节谐振腔的长度，腔内45°镜219为镀有对泵浦波长高透以及输出激光波长高反膜的45°镜，用于滤除泵浦光，得到激光输出。
本发明的Er:YAG单频固体激光器系统，实现高输出效率的大能量的单频激光输出，与采用激光功率放大技术相比，无需再增加额外的放大器，缩小了系统的体积，便于实现小型化大能量激光输出，相比现有技术具有较大进步。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种Er:YAG单频固体激光器系统，包括单频连续种子激光器、脉冲从动激光器、探测器和可编程逻辑控制模块，其特征在于，所述脉冲从动激光器包括两台泵浦源以及与泵浦源个数相同的Er:YAG增益介质；所述两台泵浦源分别对Er:YAG增益介质进行端面谐振泵浦；所述Er:YAG增益介质掺杂浓度为0.2at.%到0.5at.%；所述脉冲从动激光器的谐振腔为环形腔；
其中，所述两台泵浦源分别为1532nm的光纤激光器及1470nm的半导体激光器，所述单频连续种子激光器为1.6μm单频固体激光器。
2.如权利要求1所述的一种Er:YAG单频固体激光器系统，其特征在于，所述脉冲从动激光器还包括耦合透镜组，用于耦合所述两台泵浦源的泵浦激光光斑模式以及所述单频连续种子激光器的激光光斑模式。
3.如权利要求1所述的一种Er:YAG单频固体激光器系统，其特征在于，所述环形腔为8字型腔或矩形腔。
4.如权利要求1所述的一种Er:YAG单频固体激光器系统，其特征在于，所述Er:YAG增益介质为Er:YAG晶体或Er:YAG陶瓷。
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