CN110943361A - 一种紧凑型mopa结构的宽温全固态激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型MOPA结构的宽温全固态激光器，包括：振荡级和放大级，振荡级输出光束经过放大级进行双程放大。本发明具有简易化、低成本的特点，能实现高光束质量的激光放大，可在‑30℃～60℃宽温范围内稳定工作。

Description

一种紧凑型MOPA结构的宽温全固态激光器
技术领域
本发明涉及全固态激光技术领域，尤其是一种紧凑型MOPA结构的宽温全固态激光器。
背景技术
全固态激光器是采用激光二极管(LD)作为泵浦源的固体激光器，目前已广泛应用于空间探测、生物医学和军事国防等领域。近年来随着技术和工艺的不断进步，全固态激光器越来越向小型化、稳定化方向发展；同时，在一些特殊领域如激光雷达应用中，需要大能量的激光器来提升其探测距离，并且要有较宽的工作温度范围来适应苛刻的工作环境。
但由于激光晶体自身的限制，能量过大会使晶体热效应过高而导致光束质量和转化效率下降。针对该问题，目前普遍采用基于MOPA结构的激光放大技术，振荡级产生低能量、高光束质量的种子光注入到一级或多级/多程放大模块中，从而产生大能量、高光束质量的激光输出。
然而，现有的MOPA结构大多采用侧泵模块作为放大级，侧泵模块体积较大，且其热效应比较严重，热致折射率变化和热应力形变会导致放大后的光束质量大大退化。采用相位共轭镜或加入波导对泵浦光进行匀化可使光束质量得到一定的补偿，但增加光学元件违背了小型化、简易化的初衷，提高了激光器的成本。此外，基于MOPA结构的激光器一般没有采取宽温措施，温度适应性较差，使其应用范围受到一定的限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种紧凑型MOPA结构的宽温全固态激光器，具有简易化、低成本的特点，能实现高光束质量的激光放大，可在-30℃～60℃宽温范围内稳定工作。
为解决上述技术问题，本发明提供一种紧凑型MOPA结构的宽温全固态激光器，包括：振荡级和放大级，振荡级输出光束经过放大级进行双程放大。
优选的，振荡级包括振荡级泵浦模块、后腔镜与输出镜共用底座、振荡级后腔镜、振荡级激光晶体、屋脊棱镜a、偏振片、1/4波片、调Q晶体、光楔对和输出镜；振荡级泵浦模块中泵浦光经准直聚焦后，透过振荡级后腔镜入射到振荡级激光晶体中，接着光束传输至屋脊棱镜a，方向被折转180°后从棱镜中射出，依次经过偏振片、1/4波片、调Q晶体、光楔对和输出镜，最后形成激光输出。
优选的，放大级包括屋脊棱镜b、分光镜、光电探测器、屋脊棱镜c、放大级泵浦模块、放大级后腔镜和放大级激光晶体；振荡级形成的激光输出光束入射到屋脊棱镜b上，光路被折转180°后出射至分光镜，小部分光被反射到放置于光路外的光电探测器，大部分光透过分光镜入射到屋脊棱镜c上，光路再次被折转180°后入射到放大级激光晶体中，接着传输到放大级后腔镜上，被反射后再次入射到放大级激光晶体中；放大级泵浦模块中泵浦光经准直聚焦后，透过放大级后腔镜入射到放大级激光晶体中，将两次经过放大级激光晶体的振荡级输出光束放大，最后输出至腔外。
优选的，振荡级泵浦模块和放大级泵浦模块中，泵浦源为半导体激光器、光纤耦合半导体激光器以及DBR激光器，泵浦方式为端面泵浦，泵浦源发出的泵浦光经过泵浦耦合透镜准直聚焦至激光晶体中。
优选的，振荡级后腔镜与放大级后腔镜为平凸镜，凸面朝向腔内直接补偿激光晶体的热透镜效应。无需在腔内插入负透镜补偿，凸面曲率半径可根据激光晶体等效热透镜焦距灵活调整。
优选的，后腔镜与输出镜共用底座为殷钢材质，热膨胀系数较小，温度引起的形变小。
优选的，振荡级激光晶体和放大级激光晶体为激光器的增益介质，用于吸收泵浦光并产生激光输出，基质材料为氟化钇锂、钒酸盐、YAG(钇铝石榴石)晶体、玻璃或陶瓷，其中至少掺杂一种激活离子，激活离子为Nd3+、Yb3+、Cr3+或Tm3+。
优选的，屋脊棱镜为道威棱镜或一对反射镜。该结构能使激光器整体保持紧凑；同时，放大级之前的屋脊棱镜的摆放保持一定的倾斜，即长边与入射光夹角小于90°，以便从屋脊棱镜中出射的光束非垂直入射到放大级后腔镜上，被后腔镜反射后能够偏移出腔外，避免原路返回入射到振荡级中。
优选的，调Q方式为电光调Q、声光调Q及被动调Q等方式，若为电光调Q，调Q晶体为RTP、KD*P晶体。
优选的，光楔对由两个光楔斜面相对放置，用以在后腔镜和输出镜固定后微调腔内光路。
优选的，输出镜为平平镜，输出镜与后腔镜固定于同一底座上，与前述道威棱镜搭配可提升激光器稳定性。
优选的，分光镜为光束取样器，通过未镀膜表面提供的菲涅尔反射分割入射激光光束的一小部分至光电探测器，用以监测振荡级的输出特性；在第二表面镀增透膜，最大程度降低对通过光束的影响。
本发明的有益效果为：(1)本发明的激光器振荡级与放大级均采用端泵方式，热效应小，光束质量更好；放大级采用双程放大，充分提取激光晶体中的能量，效率高；同时，第二程放大后光束输出腔外，不会返回振荡级，因此振荡级与放大级之间无需添加光隔离器，使激光器结构简易化，降低了成本；(2)本发明的激光器采取的宽温措施为将振荡级的后腔镜与输出镜固定于同一殷钢底座，这样由温度变化引起的形变较小，且即使发生形变，后腔镜与输出镜也能保持同步偏移，与屋脊棱镜搭配可保持对光路失调的不敏感性；(3)本发明提供的激光器，腔内采用了多个屋脊棱镜，具有两个优点，一是折转光路形成U型腔，使激光器更加紧凑；二是如前所述，与后腔镜、输出镜底座配合，提升稳定性与宽温性能。
附图说明
图1为本发明的激光器结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种紧凑型MOPA结构的宽温全固态激光器，包括：振荡级和放大级，振荡级输出光束经过放大级进行双程放大。
振荡级包括振荡级泵浦模块1，后腔镜与输出镜共用底座2，振荡级后腔镜3，振荡级激光晶体4，屋脊棱镜5，偏振片6，1/4波片7，调Q晶体8，光楔对9，输出镜10。
振荡级泵浦模块1由中心波长884.9nm的LD及泵浦耦合透镜组成，LD发出的泵浦光被泵浦耦合透镜准直聚焦，经后腔镜入射到振荡级激光晶体端面。
后腔镜与输出镜共用底座2选用殷钢材质，热膨胀系数较小，温度引起的形变小，且即使发生形变，后腔镜与输出镜也能保持同步偏移，与后面的屋脊棱镜a5搭配可保持对光路失调的不敏感性。
振荡级后腔镜3是平凸透镜，镀808nm/885nm增透膜、1064nm高反膜，凸面朝向腔内以补偿激光晶体的热透镜效应，其曲率半径为激光晶体等效热透镜焦距的2倍。
振荡级激光晶体4为掺杂浓度1％的Nd:YAG晶体棒，其两端面镀泵浦光增透膜。
屋脊棱镜a5、屋脊棱镜b11和屋脊棱镜c14皆为道威棱镜，长端面镀1064nm增透膜，激光经长端面入射到棱镜内部，在两斜面处发生全发射后射出棱镜，将光路折转180°形成U型腔，保持激光器结构紧凑。
调Q晶体8为两个RTP晶体，正交放置以抵消其双折射效应，与偏振片6、1/4波片7组合形成电光调Q脉冲输出。
光楔对9由两个光楔中心对称放置，用以在后腔镜和输出镜固定后微调腔内光路。
输出镜10为平平镜，对1064nm波段激光透射率75％，输出镜与后腔镜固定于同一底座上，与前述道威棱镜搭配可提升激光器稳定性。
放大级包括：屋脊棱镜11，分光镜12，光电探测器13，屋脊棱镜14，放大级泵浦模块15，放大级后腔镜16，放大级激光晶体17。
屋脊棱镜11为道威棱镜，将振荡级输出光束折转180°入射至分光镜12。
分光镜12为光束取样器，通过未镀膜表面提供的菲涅尔反射分割入射激光光束的一小部分至光电探测器13，用以监测振荡级的输出特性；在第二表面镀增透膜，最大程度降低对通过光束的影响。
屋脊棱镜14为道威棱镜，其摆放保持一定的倾斜，即长边与入射光夹角小于90°，以使从棱镜出射的光束非垂直入射到放大级后腔镜16上，从而能被反射偏移出腔外，避免原路返回入射到振荡级中。
放大级泵浦模块15由中心波长884.9nm的LD及泵浦耦合透镜组成，LD发出的泵浦光被泵浦耦合透镜准直聚焦，经后腔镜入射到放大级激光晶体端面，将振荡级激光放大后出射腔外。
放大级后腔镜16是平凸透镜，镀808nm/885nm增透膜、1064nm高反膜，凸面朝向腔内以补偿激光晶体的热透镜效应，其曲率半径为激光晶体等效热透镜焦距的2倍。
放大级激光晶体17为掺杂浓度1％的Nd:YAG晶体棒，其两端面镀泵浦光增透膜。

Claims (10)

1.一种紧凑型MOPA结构的宽温全固态激光器，其特征在于，包括：振荡级和放大级，振荡级输出光束经过放大级进行双程放大。
2.如权利要求1所述的紧凑型MOPA结构的宽温全固态激光器，其特征在于，振荡级包括振荡级泵浦模块、后腔镜与输出镜共用底座、振荡级后腔镜、振荡级激光晶体、屋脊棱镜a、偏振片、1/4波片、调Q晶体、光楔对和输出镜；振荡级泵浦模块中泵浦光经准直聚焦后，透过振荡级后腔镜入射到振荡级激光晶体中，接着光束传输至屋脊棱镜a，方向被折转180°后从棱镜中射出，依次经过偏振片、1/4波片、调Q晶体、光楔对和输出镜，最后形成激光输出。
3.如权利要求1所述的紧凑型MOPA结构的宽温全固态激光器，其特征在于，放大级包括屋脊棱镜b、分光镜、光电探测器、屋脊棱镜c、放大级泵浦模块、放大级后腔镜和放大级激光晶体；振荡级形成的激光输出光束入射到屋脊棱镜b上，光路被折转180°后出射至分光镜，小部分光被反射到放置于光路外的光电探测器，大部分光透过分光镜入射到屋脊棱镜c上，光路再次被折转180°后入射到放大级激光晶体中，接着传输到放大级后腔镜上，被反射后再次入射到放大级激光晶体中；放大级泵浦模块中泵浦光经准直聚焦后，透过放大级后腔镜入射到放大级激光晶体中，将两次经过放大级激光晶体的振荡级输出光束放大，最后输出至腔外。
4.如权利要求1所述的紧凑型MOPA结构的宽温全固态激光器，其特征在于，振荡级泵浦模块和放大级泵浦模块中，泵浦源为半导体激光器、光纤耦合半导体激光器以及DBR激光器，泵浦方式为端面泵浦，泵浦源发出的泵浦光经过泵浦耦合透镜准直聚焦至激光晶体中。
5.如权利要求1所述的紧凑型MOPA结构的宽温全固态激光器，其特征在于，振荡级后腔镜与放大级后腔镜为平凸镜，凸面朝向腔内直接补偿激光晶体的热透镜效应。
6.如权利要求1所述的紧凑型MOPA结构的宽温全固态激光器，其特征在于，后腔镜与输出镜共用底座为殷钢材质。
7.如权利要求1所述的紧凑型MOPA结构的宽温全固态激光器，其特征在于，振荡级激光晶体和放大级激光晶体为激光器的增益介质，用于吸收泵浦光并产生激光输出，基质材料为氟化钇锂、钒酸盐、YAG晶体、玻璃或陶瓷，其中至少掺杂一种激活离子，激活离子为Nd3+、Yb3+、Cr3+或Tm3+。
8.如权利要求1所述的紧凑型MOPA结构的宽温全固态激光器，其特征在于，调Q方式为电光调Q、声光调Q及被动调Q等方式，若为电光调Q，调Q晶体为RTP、KD*P晶体。
9.如权利要求1所述的紧凑型MOPA结构的宽温全固态激光器，其特征在于，输出镜为平平镜，输出镜与后腔镜固定于同一底座上。
10.如权利要求1所述的紧凑型MOPA结构的宽温全固态激光器，其特征在于，分光镜为光束取样器，通过未镀膜表面提供的菲涅尔反射分割入射激光光束的一小部分至光电探测器，用以监测振荡级的输出特性；在第二表面镀增透膜，最大程度降低对通过光束的影响。
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