CN109698462A - 一种波长可变换的调q激光源 - Google Patents

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Abstract

一种波长可变换的调Q激光源，包括由激光二极管LD和光纤输出聚焦镜FOFM组成的泵浦聚焦系统，由泵浦镜DM、第一凹面镜M1、耦合输出镜OC、第二凹面镜M2以及半导体可饱和吸收镜SESAM构成的谐振腔，在所述谐振腔内设有激光无序晶体Nd:LMA和三棱镜Prism。本发明在Nd:LMA激光无序晶体上实现了波长可变换调Q激光脉冲的输出，输出的调Q激光中心波长可以调节为单波长和双波长状态。本发明激光源结构紧凑、成本低廉、波长可变换，在激光测距、激光雷达方面有潜在的应用价值。

Description

一种波长可变换的调Q激光源
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种波长可变换的调Q激光源。
背景技术
激光二极管泵浦的全固态调Q激光器具有结构紧凑、成本低廉等优点，并且输出的脉冲激光具有峰值功率高、光束质量优异等特性，因此在激光加工、激光测距、激光雷达等领域都有广泛的应用前景和商业价值。一般情况下，一台激光二极管泵浦的全固态调Q激光器输出的激光只能工作在某一个波长，不能实现变换到其他波长，或者同时工作在双波长或者多波长。所以，开发一种波长可变换调Q激光器有很有意义。Nd:LaMgAl11O19激光无序晶体的发射谱在近红外范围内有两个较强的发射峰，即1055nm和1082nm。这为开发波长可变换调Q激光器提供了一种可能。目前尚无基于SESAM调Q的Nd:LaMgAl11O19激光无序晶体调Q激光，更没有基于三棱镜波长可变换和SESAM调Q的Nd:LaMgAl11O19激光源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种波长可变换的调Q激光源，旨在解决目前尚无基于三棱镜波长可变换和SESAM调Q的Nd:LaMgAl11O19激光源的现状。
本发明采用如下技术方案：
一种波长可变换的调Q激光源，包括由激光二极管LD和光纤输出聚焦镜FOFM组成的泵浦聚焦系统，由泵浦镜DM、第一凹面镜M1、耦合输出镜OC、第二凹面镜M2以及半导体可饱和吸收镜SESAM构成的谐振腔，用于将增益激光在谐振腔内多次反射，在所述谐振腔内设有激光无序晶体Nd:LaMgAl11O19(简称Nd:LMA，下同)和三棱镜Prism。
进一步的，激光无序晶体Nd:LMA同时放置于光纤输出聚焦镜FOFM和第一凹面镜M1的焦点处，光纤输出聚焦镜FOFM与激光无序晶体Nd:LMA之间的距离为55mm，且在二者之间设置泵浦镜DM，Nd:LMA与泵浦镜DM之间的距离小于2mm，第一凹面镜M1与泵浦镜DM之间的距离为105mm；三棱镜Prism放置于第一凹面镜M1和耦合输出镜OC之间，与第一凹面镜M1相距310mm、与耦合输出镜OC相距200mm；耦合输出镜OC与第二凹面镜M2之间的距离为400mm，半导体可饱和吸收镜SESAM放置于第二凹面镜M2的焦点处，二者相距155mm；谐振腔总腔长为1170mm。
进一步的，所述激光二极管LD为泵浦源，用于为激光源提供能量，激光二极管LD的温度控制在25℃，光纤芯径为105μm，数值孔径0.22，激光波长为796nm。
进一步的，所述光纤输出聚焦镜FOFM用于接收并传输泵浦激光，将泵浦源输出的激光聚焦到激光无序晶体Nd:LMA中，对波长为796nm的激光的透过率大于99％。
进一步的，在所述泵浦镜DM、第一凹面镜M1、第二凹面镜M2以及半导体可饱和吸收镜SESAM朝腔内的一面均镀有对1000-1100nm波段激光的高反介质膜，耦合输出镜OC朝腔内的一面均镀有对1000-1100nm波段激光的透射率为10％的介质膜。
第一凹面镜M1用于和泵浦镜DM形成平凹结构并且反射增益激光，泵浦镜DM用于透过泵浦激光以及反射增益激光。第二凹面镜M2用于将增益激光聚焦到半导体可饱和吸收镜SESAM上提供高激光功率密度并且反射增益激光。耦合输出镜OC，用于反射增益激光并且输出部分增益激光。
进一步的，所述半导体可饱和吸收镜SESAM对于不同强度激光提供不同损耗，使其连续激光成为调Q脉冲激光，其中心波长为1040nm，恢复时间为500fs。
进一步的，所述激光无序晶体Nd:LMA的尺寸为3mm×3mm×5mm，Nd3+的掺杂浓度为5at.％，切割方向为a向。激光无序晶体Nd:LMA作为激光源的增益介质，工作在上能级粒子反转状态时，用于提供增益激光。
进一步的，所述三棱镜Prism以布儒斯特角放置在谐振腔内，用于调节(变换)增益激光的波长，实现增益激光波长转换。
本发明的有益效果：
本发明解决的两个技术难点为：
(1)改变波长
在波长改变过程中，首先需要选择合适的激光增益介质，即考虑激光增益介质的发射谱是否支持激光波长改变。例如Nd:YAG激光增益介质在近红外范围内(1000-1100nm)的主发射峰位于1030nm处，1030nm处的发射峰比其波长的发射谱要强很多，这就导致激光除了位于主发射峰的其他波长处的输出功率会很低，因此，一般情况下这类增益介质不适合用来实现波长变化激光器，即使强制实现波长调节，激光的波长变化范围会很小且输出的功率也会很低，没有实际应用价值；
本发明将Nd:LMA激光无序晶体作为激光增益介质，其发射谱在近红外范围(1000-1100nm)内有两个较强的发射峰，即1055nm和1082nm，这就为实现波长可变换激光器提供了可能；
其次，需要选择合适的调节波长技术或者元器件，常见的方法是在相关镜子上镀某个波长的窄带高反射率膜，使得只有这个波长的激光才能震荡，通过改变镀膜的波长调节激光器的波长，但是这种方法需要更换激光器的镜子，操作起来复杂，每次更换镜子需要重新调试激光器；
本发明设置的三棱镜，对不同波长增益激光(1000-1100nm)的折射率不同，所以不同波长增益激光通过三棱镜时偏折角不同(增益激光通过三棱镜会将不同波长增益激光分开)，只有角度合适的增益激光才能在谐振腔内多次振荡并且得以输出，因此通过稍微调节三棱镜与激光的相对角度就可以实现激光波长的变化，这种方法操作简便并且易于实现机械化。
(2)如何在调节波长的过程中保持激光器运转在调Q状态
在调节波长的过程中，激光的功率会随着波长的改变而发生改变，激光功率较低时不能使SESAM启动调Q，功率过高会使调Q状态不稳定，只有合适的激光功率才能使调Q激光稳定的运转。
本发明通过调节激光增益介质的掺杂浓度，长度，以及SESAM的非饱和损耗、调制深度、SESAM上的激光能量密度(激光能量密度由激光功率以及激光在SESAM上的尺寸来决定，激光在在SESAM上的尺寸由第二凹面镜与SESAM之间的距离有很大联系)等参数，使得在调节波长的过程中，激光器运转在稳定的调Q状态。
综上，本发明采用激光二极管作为泵浦、SESAM实现被动调Q、三棱镜调节激光波长，在Nd:LMA激光无序晶体中获取了波长可变换的调Q激光脉冲的输出。本发明输出的调Q激光中心波长可以调节为单波长和双波长状态。单波长状态时，调Q激光中心波长可以为1056nm，对应的重复频率为157.8kHz、脉冲宽度为2.64μs、平均功率为404.2mW；调Q激光中心波长也可以为1083nm，对应的重复频率为101.9kHz、脉冲宽度为3.93μs、平均功率为200.8mW。双波长状态时，调Q激光中心波长可以为1056nm和1083nm，对应的重复频率为101.5kHz、脉冲宽度为2.52μs、平均功率为406.0mW。
本发明激光源结构紧凑、成本低廉、波长可变换，在激光测距、激光雷达方面有潜在的应用价值。
附图说明
图1为本发明激光源的光路示意图，图中，(1)激光二极管LD，(2)光纤输出聚焦镜FOFM，(3)泵浦镜DM，(4)激光无序晶体Nd:LaMgAl11O19，(5)第一凹面镜M1，(6)三棱镜Prism，(7)耦合输出镜OC，(8)第二凹面镜M2，(9)半导体可饱和吸收镜SESAM；
图2是调Q激光工作在单波长状态(1056nm)时的时间序列和光谱曲线；(a)和(b)为不同时间尺度下的脉冲序列信号示意图；(c)为对应的光谱曲线。
图3是调Q激光工作在单波长状态(1083nm)时的时间序列和光谱曲线；(a)和(b)为不同时间尺度下的脉冲序列信号示意图；(c)为对应的光谱曲线。
图4是调Q激光工作在双波长状态(1056nm和1083nm)时的时间序列和光谱曲线；(a)和(b)为不同时间尺度下的脉冲序列信号示意图；(c)为对应的光谱曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种波长可变换的调Q激光源，包括由激光二极管LD 1和光纤输出聚焦镜FOFM 2组成的泵浦聚焦系统，由泵浦镜DM 3、第一凹面镜M15、耦合输出镜OC 7、第二凹面镜M28以及半导体可饱和吸收镜SESAM 9构成的谐振腔，在所述谐振腔内设有激光无序晶体
Nd:LMA 4和三棱镜Prism 6。
激光无序晶体Nd:LMA同时放置于光纤输出聚焦镜FOFM和第一凹面镜M1的焦点处，光纤输出聚焦镜FOFM与激光无序晶体Nd:LMA之间的距离为55mm，且在二者之间设置泵浦镜DM，Nd:LMA与泵浦镜DM之间的距离小于2mm，第一凹面镜M1与泵浦镜DM之间的距离为105mm；三棱镜Prism放置于第一凹面镜M1和耦合输出镜OC之间，与第一凹面镜M1相距310mm、与耦合输出镜OC相距200mm；耦合输出镜OC与第二凹面镜M2之间的距离为400mm，半导体可饱和吸收镜SESAM放置于第二凹面镜M2的焦点处，二者相距155mm；谐振腔总腔长为1170mm。
(泵浦镜DM—第一凹面镜M1—耦合输出镜OC—第二凹面镜M2—半导体可饱和吸收镜SESAM，105mm+310mm+200mm+400mm+155mm)
激光二极管LD和光纤输出聚焦镜FOFM作为泵浦聚焦系统，用于将泵浦激光聚焦入射到激光无序晶体Nd:LMA中，其中激光二极管LD的温度控制在25℃，激光波长为796nm，耦合输出光纤芯径为105μm，数值孔径0.22；光纤输出聚焦镜FOFM用于连接激光二极管LD耦合输出光纤，将泵浦激光准直聚焦，镀有对波段为796nm的激光的透过率大于99％的介质膜。
在本实施例中，泵浦镜DM和半导体可饱和吸收镜SESAM为谐振腔的两个端镜。增益激光由泵浦镜DM反射到第一凹面镜M1，再由第一凹面镜M1通过三棱镜后反射到输出镜OC，再由输出镜OC反射到第二凹面镜M2，再由第二凹面镜M2反射到半导体可饱和吸收镜SESAM，再由半导体可饱和吸收镜SESAM原路依次反射到第二凹面镜M2、输出镜OC、第一凹面镜M1、泵浦镜DM，形成反射回路。增益激光在谐振腔内反射过程中透射过激光无序晶体Nd:LMA、三棱镜Prism、输出镜OC，其中激光无序晶体Nd:LMA用于增益激光的放大、三棱镜Prism用于调节增益激光的波长、输出镜OC用于输出部分增益激光。
激光无序晶体Nd:LMA作为激光增益介质，尺寸为3mm×3mm×5mm，Nd3+的掺杂浓度为5at.％，切割方向为a向。
半导体可饱和吸收镜SESAM用于形成调Q脉冲，其中心波长为1040nm，恢复时间为500fs。
三棱镜Prism用于调节增益激光的波长，通过微调三棱镜Prism的角度实现增益激光波长转换。
泵浦镜DM、第一凹面镜M1、第二凹面镜M2以及半导体可饱和吸收镜SESAM朝腔内的一面均镀有对1000-1100nm波段激光的高反介质膜，耦合输出镜OC朝腔内的一面均镀有对1000-1100nm波段激光的透射率为10％的介质膜。
本发明采用使用激光二极管LD泵浦、半导体可饱和吸收镜SESAM调Q在Nd:LMA激光无序晶体上实现了被动调Q的激光输出，进一步通过调节三棱镜的角度获取了波长可变换调Q激光的输出。
图2是调Q激光工作在单波长状态(1056nm)时的时间序列和光谱曲线。图2(a)和(b)是采用示波器在不同时间尺度下测得的调Q脉冲是时间序列图，从图中可以看出调Q激光很稳定且无多脉冲、脉冲分裂等现象。图2(c)是采用光谱仪测得的调Q激光的光谱曲线，从图中可以看出调Q激光的中心波长位于1056nm。
图3是调Q激光工作在单波长状态(1083nm)时的时间序列和光谱曲线。图3(a)和(b)是采用示波器在不同时间尺度下测得的调Q脉冲是时间序列图，从图中可以看出调Q激光很稳定且无多脉冲、脉冲分裂等现象。图3(c)是采用光谱仪测得的调Q激光的光谱曲线，从图中可以看出调Q激光的中心波长位于1083nm。
图4是调Q激光工作在双波长状态(1056nm和1083nm)时的时间序列和光谱曲线。图4(a)和(b)是采用示波器在不同时间尺度下测得的调Q脉冲是时间序列图，从图中可以看出调Q激光很稳定且无多脉冲、脉冲分裂等现象。图4(c)是采用光谱仪测得的调Q激光的光谱曲线，从图中可以看出调Q激光工作在双波长状态，其中心波长位于1056nm和1083nm。
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 (8)

1.一种波长可变换的调Q激光源，其特征在于，包括由激光二极管LD(1)和光纤输出聚焦镜FOFM(2)组成的泵浦聚焦系统，由泵浦镜DM(3)、第一凹面镜M1(5)、耦合输出镜OC(7)、第二凹面镜M2(8)以及半导体可饱和吸收镜SESAM(9)构成的谐振腔，在所述谐振腔内设有激光无序晶体Nd:LaMgAl11O19(4)和三棱镜Prism(6)。
2.如权利要求1所述的一种波长可变换的调Q激光源，其特征在于，激光无序晶体Nd:LMA(4)同时放置于光纤输出聚焦镜FOFM(2)和第一凹面镜M1(5)的焦点处，光纤输出聚焦镜FOFM(2)与激光无序晶体Nd:LMA(4)之间的距离为55mm，且在二者之间设置泵浦镜DM(3)，Nd:LMA(4)与泵浦镜DM(3)之间的距离小于2mm，第一凹面镜M1(5)与泵浦镜DM(3)之间的距离为105mm；三棱镜Prism(6)放置于第一凹面镜M1(5)和耦合输出镜OC(7)之间，与第一凹面镜M1(5)相距310mm、与耦合输出镜OC(7)相距200mm；耦合输出镜OC(7)与第二凹面镜M2(8)之间的距离为400mm，半导体可饱和吸收镜SESAM(9)放置于第二凹面镜M2(8)的焦点处，二者相距155mm；谐振腔总腔长为1170mm。
3.如权利要求1所述的一种波长可变换的调Q激光源，其特征在于，所述激光二极管LD(1)为泵浦源，用于为激光源提供能量，激光二极管LD的温度控制在25℃，光纤芯径为105μm，数值孔径0.22，激光波长为796nm。
4.如权利要求1所述的一种波长可变换的调Q激光源，其特征在于，所述光纤输出聚焦镜FOFM(2)对波长为796nm的激光的透过率大于99％。
5.如权利要求1所述的一种波长可变换的调Q激光源，其特征在于，在所述泵浦镜DM(3)、第一凹面镜M1(5)、第二凹面镜M2(8)以及半导体可饱和吸收镜SESAM(9)朝腔内的一面均镀有对1000-1100nm波段激光的高反介质膜，耦合输出镜OC(7)朝腔内的一面均镀有对1000-1100nm波段激光的透射率为10％的介质膜。
6.如权利要求1所述的一种波长可变换的调Q激光源，其特征在于，所述半导体可饱和吸收镜SESAM(9)对于不同强度激光提供不同损耗，使其连续激光成为调Q脉冲激光，其中心波长为1040nm，恢复时间为500fs。
7.如权利要求1所述的一种波长可变换的调Q激光源，其特征在于，所述激光无序晶体Nd:LMA(4)的尺寸为3mm×3mm×5mm，Nd3+的掺杂浓度为5at.％，切割方向为a向。
8.如权利要求1所述的一种波长可变换的调Q激光源，其特征在于，所述三棱镜Prism(6)以布儒斯特角放置在谐振腔内，用于调节增益激光的波长，实现增益激光波长转换。
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