CN110212396A - 一种具有激光材料模块的微型人眼安全激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有激光材料模块的微型人眼安全激光器。该人眼安全激光器包括沿着光路方向依次设置的LD泵浦源、快轴准直镜、聚焦镜和激光材料模块，该激光材料模块是经过改进的激光材料模块，具有更好的散热性、安全性和可靠性，因此，使用上述激光材料模块可以大大拓宽了激光器的使用范围。

Description

一种具有激光材料模块的微型人眼安全激光器
技术领域
本发明涉及人眼安全激光器技术领域，且特别涉及一种具有激光材料模块的微型人眼安全激光器。
背景技术
激光雷达是高科技产业发展的重要元件之一，广泛应用于激光测距、3D扫遥感勘测描成像、天气测控、污染监控、激光绘图、激光告警系统、AGV叉车、家庭清洁机器人、娱乐机器人等领域，而激光雷达的核心部件主要是1.5μm人眼安全激光器。
目前产生1.5μm人眼安全激光的固体激光主要有以下两种技术路线：一是用现有成熟的1.06μm激光，采用非线性转换的方法把波长移到1.5μm，该技术的缺点是装置复杂、成本高、且激光效率低；二是LD泵浦固态材料如激光玻璃、激光晶体直接产生激光，然后再通过调Q技术实现脉冲激光输出，这种方式结构相对简单，但是激光输出效率、光束质量和稳定性问题未能得到有效解决。
一般小型二极管泵浦固体激光器，由于二极管激光器输出的激光波长随温度变化而变化，而通常激光增益介质的吸收波长范围都很窄，一般2-3nm，所以，需要对二极管激光器进行温度控制，这带来体积重量、功耗的增加，可靠性也降低。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有的铒玻璃人眼安全激光器的不足之处，改善了现有的铒玻璃人眼安全激光器的体积重量、功耗的增加，可靠性也降低的缺陷，提出具有激光材料模块的微型人眼安全激光器。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提供一种微型人眼安全激光器用激光材料模块，该激光材料模块包括依次键合的纯玻璃单元、激光玻璃单元、被动调Q晶体单元形成的复合键合体，以及镀制在复合键合体的纯玻璃单元和被动调Q晶体单元两个侧面的谐振腔膜。
本发明还提供一种具有激光材料模块的微型人眼安全激光器，其包括沿着光路方向依次设置的LD泵浦源、快轴准直镜、聚焦镜和上述的激光材料模块。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种具有激光材料模块的微型人眼安全激光器，在高低温的极限状态下，适当增加泵浦电流，即可在全温度范围内不用对二极管激光器进行温控，即达到免温控的效果，使得激光器的体积重量大大减小，功耗也大大减小，可靠性提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1中的激光材料模块的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1中的激光材料模块的各组成部件示意图；
图3为本发明实施例2中的具有激光材料模块的微型人眼安全激光器的示意图，
附图编号：1-单管二极管激光器；2-快轴准直镜；3-聚焦镜；4-激光材料模块；4-1-纯玻璃单元；4-2-激光玻璃单元；4-3-被动调Q晶体单元；4-4-第一光学薄膜；4-5-第二光学薄膜；4-6-强化固体片；5-窗口片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例提供的一种具有激光材料模块的微型人眼安全激光器进行具体说明。
本发明实施例提供一种微型人眼安全激光器用激光材料模块，该激光材料模块包括依次键合的纯玻璃单元、激光玻璃单元、被动调Q晶体单元形成的复合键合体，以及镀制在复合键合体的纯玻璃单元和被动调Q晶体单元两个侧面的谐振腔膜。
本发明实施例提供一种人眼安全激光器用激光材料模块，包括依次键合的纯玻璃单元、激光玻璃单元、被动调Q晶体单元形成的复合键合体，以及在复合键合体的纯玻璃单元和被动调Q晶体单元两个侧面的谐振腔膜。在激光玻璃材质单元+被动调Q晶体单元热键合体上，再键合纯玻璃单元，由于高纯玻璃单元较好的散热特性，将激光玻璃材质单元产生的热传导出来，其热效应大大降低，将谐振腔膜直接镀在复合键合体的纯玻璃单元和被动调Q晶体单元两个侧面的谐振腔膜，保证了激光谐振腔的稳定性和可靠性，使得激光输出的光学质量得以大大提高。
在一些实施方式中，纯玻璃单元采用与激光玻璃单元相同的玻璃材质，激光玻璃单元采用掺Er、Yb离子的激光玻璃材质，被动调Q晶体单元采用Co2+:spinel材质，优选的，玻璃材质为石英玻璃。
在一些实施方式中，纯玻璃单元的尺寸为(1-3)×(1-3)×(4-4)mm3，激光玻璃单元的尺寸为(1-3)×(1-3)×(4-4)mm3，被动调Q晶体单元的尺寸为(1-3)×(1-3)×(0.5-1.5)mm3。
在一些实施方式中，纯玻璃单元、激光玻璃单元以及被动调Q晶体单元之间均采用光胶或深化光胶粘结成一体。
在一些实施方式中，谐振腔膜包括镀制在纯玻璃单元的一侧的第一光学薄膜，和镀制在被动调Q晶体单元的另一侧的第二光学薄膜，
优选的，第一光学薄膜的厚度为4-4.5μm，第二光学薄膜的厚度为3.5-4μm。
在一些实施方式中，第一光学薄膜为900nm-1000nm增透、1.5μm高反膜，第二光学薄膜为900nm-1000nm高反、1.5μm部分反射膜，第一光学薄膜和第二光学薄膜的损伤阈值均大于1GW/cm2@1.5μm。
本发明实施例提供人眼安全激光器用激光材料模块，包括依次键合的纯玻璃单元、激光玻璃单元、被动调Q晶体单元形成的复合键合体，以及在复合键合体的两个侧面镀制的第一、第二光学薄膜。本发明实施例中采用上述结构，由于作为激光增益介质的掺Er、Yb离子的石英玻璃的导热性较低，激光增益介质内部的热不容易传导出来，其热效应严重，热变形增大，在激光增益介质的前端设置纯玻璃单元可以将激光玻璃单元产生的热传导出来，使得激光输出的光学质量得以大大提高，再将激光晶体单元、被动调Q晶体单元紧密地结合在一起，并在沿光路方向的纯玻璃单元和被动调Q晶体单元的侧面镀制第一、第二光学薄膜，使整个谐振腔结构变得更加紧凑。与传统系统相比，该激光材料模块的使用可大大简化其系统结构，降低成本，并能实现高平均功率及峰值功率的巨脉冲激光输出。
在一些实施方式中，激光材料模块的两个相对的侧面上还设置有强化固体片，强化固体片包括硅片、碳化硅片以及蓝宝石片中的至少一种。
本发明实施例提供的激光材料模块由于在两个相对的侧面上粘接高导热加固片，提高了键合面牢固性提高，大大加固了激光材料模块的不同组成单元之间的键合面的整体键合强度，达到耐高低温冲击振动，可靠性提高。
本发明实施例还提供一种具有激光材料模块的微型人眼安全激光器，包括沿着光路方向依次设置的LD泵浦源、快轴准直镜、聚焦镜和上述的激光材料模块。
本发明实施例提供的一种具有激光材料模块的微型人眼安全激光器，包括沿着光路方向依次设置的LD泵浦源、快轴准直镜、聚焦镜和上述的激光材料模块。具有该激光材料模块的微型人眼安全激光器，能够实现输出激光波长1.5μm，脉冲宽度4-5ns、能量50uJ-300uJ，重频1hz-1khz，同时能够在-40℃-+65℃的全温度范围内工作。
在一些实施方式中，LD泵浦源是光纤耦合输出的半导体激光器，优选的，半导体激光器采用cos封装的金锡焊二极管激光器。
在一些实施方式中，泵浦源为输出波长920-980nm的半导体激光器，优选的，泵浦源的输出波长为940nm。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
参见附图1，一种激光材料模块4，该激光材料模块4包括纯玻璃单元、激光玻璃单元和被动调Q晶体单元键合形成复合键合体，以及镀制在该复合键合体两侧的谐振腔膜，上述的整体结构保证了激光谐振腔的稳定性和可靠性，使得激光器的体积重量大大减小，功耗也大大减小，可靠性提高。
参见附图2，激光材料模块4包括复合键合体和镀制在复合键合体的两个侧面的谐振腔膜，其中，复合键合体包括纯玻璃单元4-1、激光玻璃单元4-2、被动调Q晶体单元4-3，纯玻璃单元4-1采用高纯石英玻璃，激光玻璃单元4-2采用掺Er、Yb离子的石英玻璃，被动调Q晶体单元4-3采用Co2+:spinel材质，纯玻璃单元的尺寸为(1-3)×(1-3)×(4-4)mm3，激光玻璃单元的尺寸为(1-3)×(1-3)×(4-4)mm3，被动调Q晶体单元的尺寸为(1-3)×(1-3)×(0.5-1.5)mm3。
谐振腔膜包括镀制在纯玻璃单元4-1一侧的第一光学薄膜4-4和被动调Q晶体单元4-3的一侧的第二光学薄膜4-5，并将此两表面加工成互相平行的平面，于是在第一光学薄膜4-4和第二光学薄膜4-5表面形成了激光谐振腔，第一光学薄膜为900nm-1000nm增透、1.5μm高反膜，第二光学薄膜为900nm-1000nm高反、1.5μm部分反射膜，第一光学薄膜和第二光学薄膜的损伤阈值均大于1GW/cm2@1.5μm。
最后在激光材料模块4的两个相对的侧面用硅片4-6夹持，以提升其导热性能和可靠性。
根据试验数据，其中纯玻璃单元4-1、激光玻璃单元4-2及被动调Q晶体单元4-3的尺寸为1.5×1.5×3mm3、1.5×1.5×4mm3、1.5×1.5×1mm3，可以获得2-5ns、150-200μJ的1.5μm的激光输出；尺寸为3.0×3.0×3mm3、3.0×3.0×4mm3、3.0×3.0×1.2mm3，则可获得2-5ns、200-400μJ的1.5μm的激光输出。
实施例2
参见图3，一种具有激光材料模块的微型人眼安全激光器，包括沿着光路方向依次设置的LD泵浦源1、快轴准直镜2、聚焦镜3和上述的激光材料模块4以及窗口片5。
该微型人眼安全激光器的工作原理如下：采用金锡焊cos封装的单管二极管激光器1，单管二极管激光器1是采用特种工艺焊接在镀金的激光器基体座上，保证了良好的导热性、牢固性和可靠性，金锡焊cos封装的单管二极管激光器1输出940nm波长，通过光学整形系统的快轴准直镜2和聚焦镜3，对激光材料模块4进行端面泵浦，产生1.5μm波段激光通过一个窗口片5输出。
该微型人眼安全激光器可以实现：在泵浦电流为6-10A、泵浦脉宽1-3ms的注入条件下，可获得能量为100-300μJ、脉冲宽度为2-6ns、束散角为8-12mrad的激光输出。
实施例3
本实施例的微型人眼安全激光器可以实现：在泵浦电流为6A、泵浦脉宽为2ms的条件下，获得了能量为98μJ、脉冲宽度为3.6ns、束散角为8.2mrad、光斑直径为100μm的激光输出。
实施例4
本实施例的微型人眼安全激光器可以实现：在泵浦电流为8A、泵浦脉宽为3ms的条件下，获得了能量为180μJ、脉冲宽度为4.0ns、束散角为10mrad、光斑直径为110μm的激光输出。
实施例5
本实施例的微型人眼安全激光器可以实现：在泵浦电流为10A、泵浦脉宽为3ms的条件下，获得了能量为303μJ、脉冲宽度为5.6ns、束散角为12mrad、光斑直径为120μm的激光输出。
实施例6
本实施例的微型人眼安全激光器与实施例2中相同，不同之处仅在于纯玻璃单元4-1的长度不同。
由于键合后的总长度形成即为激光谐振腔的腔长，其腔长决定了输出激光脉冲的宽度，一般为2-10ns。如果脉冲宽度过窄，在2-3ns范围，激光谐振腔内的峰值功率密度非常大，达到了GW/cm2的量级，达到甚至超过激光增益介质膜的损伤阈值，极其容易损伤激光增益介质膜，带来激光器的可靠性降低。同时，如果脉冲宽度过宽，在8-10ns范围，则又影响其测距的精度。经试验验证，高纯石英玻璃在4-6mm范围时，输出的激光脉冲宽度较为适当约4-6ns，使得激光谐振腔内的峰值功率密度降低到损伤阈值以下，提高了可靠性，同时也达到了测距机的探测器响应灵敏度的要求。
实施例7
本实施例的微型人眼安全激光器与实施例2中相同，不同之处仅在于被动调Q晶体单元4-3的性能不同。
Co2+:spinel作为激光腔内的被动调Q元件，其核心性能为初始透过率。初始透过率的高低直接影响激光器的阈值、激光输出能量等参数，Co2+:spinel初始透过率低则其储能效果好，输出能量则较高，但阈值也会随之增加。反之则输出能量低，阈值也相应较低。经试验验证，Co2+:spinel透过率在90％左右最佳，能同时满足激光器对阈值和输出能量的要求。
对比例1
一种人眼安全激光器用激光材料模块，该激光材料模块的组成包括：纯激光玻璃单元4-2，该激光材料模块的散热特性较差，作为激光增益介质时，当高重频、高功率密度的泵浦光端面耦合进该激光增益介质时，会影响输出激光光学质量。
对比例2
一种人眼安全激光器用激光材料模块，该激光材料模块的组成包括：激光玻璃单元4-2和被动调Q晶体单元4-3，一方面，2个单元的晶体热键合，是两种不同材料的键合，其键合面的牢固度不高，在高低温冲击振动环境下，容易断裂，另外一方面，由于激光玻璃单元4-2的导热性较低，该激光增益介质内部的热不容易传导出来，其热效应严重，热变形增大，则该类激光器只能在低重复频率如10hz以下工作。
对比例3
一种人眼安全激光器用激光材料模块，该激光材料模块的组成包括：纯玻璃单元4-1、激光玻璃单元4-2、被动调Q晶体单元4-3，在激光玻璃单元4-2、被动调Q晶体单元4-3的晶体热键合体上，再与纯玻璃单元4-1键合，由于高纯玻璃单元4-1较好的散热特性，将激光玻璃单元4-2产生的热传导出来，其热效应大大降低，使得激光输出的光学质量得以大大提高。
对比例4
一种人眼安全激光器用激光材料模块，该激光材料模块的组成包括：纯玻璃单元4-1、激光玻璃单元4-2、被动调Q晶体单元4-3，将纯玻璃单元4-1、激光玻璃单元4-2、被动调Q晶体单元4-3键合形成复合键合体，在复合键合体的纯玻璃单元和被动调Q晶体单元两个侧面镀制谐振腔膜，并在以上的结构体的两个相对的侧面上键合硅片4-6，采用侧面粘接高导热加固片4-6，大大加固了复合键合体的整体强度，达到耐高低温冲击振动，可靠性提高。
与现有技术相比，本发明实施例具有以下的有益效果：
1.免温控效果：采用Er、Yb离子掺杂的激光玻璃材质，对泵浦光的吸收带宽很宽，从920nm-980nm，因此当采用现在较成熟的940nm波长二极管单管激光器，在输出940nm的中心波长下，按4-5℃/nm，则在-40℃-+65℃的全温度范围内，该组成为Er：Yb离子掺杂的激光玻璃的激光增益介质能有效吸收泵浦光，在高低温的极限状态下，适当增加泵浦电流，即可在全温度范围内不用对二极管激光器进行温控，即达到免温控的效果，使得激光器的体积重量大大减小，功耗也大大减小，可靠性提高。
2.激光材料模块的键合面牢固性提高：采用侧面粘接高导热加固片，大大加固了激光材料模块的不同组成单元之间的键合面的整体键合强度，达到耐高低温冲击振动，可靠性提高。
3.可以在超高重频下工作：采用加固的激光材料模块，由于加固片自身的高导热作用，且与激光器基体的紧密接触，使得激光器的激光材料模块体内的产生的热，能够迅速传导给激光器的外壳，另一方面，泵浦源二极管激光器是焊接在镀金的基体上，散热良好，从而使激光器能够工作在kHz级别的超高重复频率下，大大拓宽了该激光器的实用范围。
4.提高输出激光光束质量：在掺Er、Yb离子的激光玻璃材质单元+Co2+:spinel的被动调Q晶体单元热键合体上，再键合纯玻璃单元键合，由于高纯玻璃单元较好的散热特性，将掺Er、Yb离子的激光玻璃材质单元产生的热传导出来，其热效应大大降低，使得激光输出的光学质量得以大大提高。
以上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。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

Claims (10)

1.一种微型人眼安全激光器用激光材料模块，其特征在于，所述激光材料模块包括依次键合的纯玻璃单元、激光玻璃单元、被动调Q晶体单元形成的复合键合体，以及镀制在所述复合键合体的纯玻璃单元和被动调Q晶体单元两个侧面的谐振腔膜。
2.根据权利要求1所述的激光材料模块，其特征在于，所述纯玻璃单元采用与所述激光玻璃单元相同的玻璃材质，所述激光玻璃单元采用掺Er、Yb离子的激光玻璃材质，所述被动调Q晶体单元采用Co2+:spinel材质，优选的，所述玻璃材质为石英玻璃。
3.根据权利要求1所述的激光材料模块，其特征在于，所述纯玻璃单元的尺寸为(1-3)×(1-3)×(4-4)mm3，所述激光玻璃单元的尺寸为(1-3)×(1-3)×(4-4)mm3，所述被动调Q晶体单元的尺寸为(1-3)×(1-3)×(0.5-1.5)mm3。
4.根据权利要求1所述的激光材料模块，其特征在于，所述纯玻璃单元、所述激光玻璃单元以及所述被动调Q晶体单元之间均采用光胶或深化光胶粘结成一体。
5.根据权利要求1所述的激光材料模块，其特征在于，所述谐振腔膜包括镀制在所述纯玻璃单元的一侧的第一光学薄膜，和镀制在所述被动调Q晶体单元的另一侧的第二光学薄膜，
优选的，所述第一光学薄膜的厚度为4-4.5μm，所述第二光学薄膜的厚度为3.5-4μm。
6.根据权利要求5所述的激光材料模块，其特征在于，所述第一光学薄膜为900nm-1000nm增透、1.5μm高反膜，所述第二光学薄膜为900nm-1000nm高反、1.5μm部分反射膜，所述第一光学薄膜和所述第二光学薄膜的损伤阈值均大于1GW/cm2@1.5μm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的激光材料模块，其特征在于，所述激光材料模块的两个相对的侧面上还设置有强化固体片，所述强化固体片包括硅片、碳化硅片以及蓝宝石片中的至少一种。
8.一种具有激光材料模块的微型人眼安全激光器，其特征在于，所述微型人眼安全激光器包括沿着光路方向依次设置的LD泵浦源、快轴准直镜、聚焦镜和如权利要求1-7任一项所述的激光材料模块。
9.根据权利要求8所述的微型人眼安全激光器，其特征在于，所述LD泵浦源是光纤耦合输出的半导体激光器，优选的，所述半导体激光器采用cos封装的金锡焊二极管激光器。
10.根据权利要求8所述的微型人眼安全激光器，其特征在于，所述泵浦源为输出波长920-980nm的半导体激光器，优选的所述泵浦源的输出波长为940nm。
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