CN111244734A - 中红外单模激光器 - Google Patents

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牛智川
张宇
杨成奥
张一�
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Abstract

本公开提供一种中红外单模激光器，包括：激光源，用于发出准直泵浦光；增益模块，用于接收所述泵浦光并生成受激辐射光；所述增益模块，包括：碳化硅散热片；碟片晶体，位于所述碳化硅散热片表面；以及铜热沉，包覆于所述碳化硅散热片及碟片晶体外，且留有通光孔；反射镜，用于反射所述受激辐射光；输出耦合镜，与所述碟片晶体以及反射镜成三角型排布，构成一个V型谐振腔，进而获得激光输出。

Description

中红外单模激光器
技术领域
本公开涉及激光器技术领域，尤其涉及一种新型的中红外单模激光器。
背景技术
2μm波段处于大气窗口中，该波段光源对CH4、CO和HF等污染气体具有很强的吸收，因此在环境污染检测、生物医学传感光谱学和远程气体检测等方面有重要的应用价值。此外，2μm高相干的辐射光源，在激光遥感、激光成像、光电对抗、光学信号处理、数据处理、差分吸收激光雷达等领域已显示出越来越广泛的应用前景。目前，2μm波段的激光器主要有GaSb基半导体激光器、掺Tm3+和Ho3+的固体和光纤激光器、掺Cr2+/Fe2+硫族化合物激光器。
碟片激光器具有高输出功率、高光束质量、近衍射极限的基模光束的一种新型激光器。目前以光纤激光器和碟片激光器为代表的新一代固体激光器已经成为激光器家族中的典型代表。由于碟片激光器具有稳定的光学外腔结构，还可以通过在腔内插入非线性光学晶体、双折射滤光片和F-P标准具等光学元件获得单模、窄线宽、高光束质量的激光输出。然而常用的碟片激光器通过光学镜面组合使光束多次(16或24)经过晶体，这样相当于将谐振腔进行多次折叠，但这会使碟片激光器的体积较大。而常见的单模激光器(DBR或DFB激光器)虽然可以实现单模激光输出，但是输出功率只有几十mW，难以得到广泛的应用。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种中红外单模激光器，以缓解现有技术中多冲程碟片激光器的体积较大和单冲程碟片激光器光束质量较差等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种中红外单模激光器，包括：
激光源，用于发出准直泵浦光；
增益模块，用于接收所述泵浦光并生成受激辐射光；所述增益模块，包括：
碳化硅散热片；
碟片晶体，位于所述碳化硅散热片表面；以及
铜热沉，包覆于所述碳化硅散热片及碟片晶体外，且留有通光孔；
反射镜，用于反射所述受激辐射光；
输出耦合镜，与所述碟片晶体以及反射镜成三角型排布，构成一个V型谐振腔，进而获得激光输出。
本公开实施例中，所述V型谐振腔中还依次设置有双折射滤光片以及F-P标准具。
本公开实施例中，所述激光源，包括：
半导体激光器泵浦源，用于发出泵浦光；以及
聚焦准直系统，用于将所述泵浦光准直后聚焦到聚焦反射镜上。
本公开实施例中，通过控制聚焦反射镜3的角度，可以改变碟片晶体7上的泵浦光位置和形状。
本公开实施例中，碟片晶体的尺寸为长宽为10mm的正方形或直径为10mm的圆形。
本公开实施例中，所述V型谐振腔的腔长为32～200mm。
本公开实施例中，所述碟片晶体厚度为500-1000μm。
本公开实施例中，所述碟片晶体的下表面设置有对793nm和1940nm的反射率大于99.9％的光学高反膜。
本公开实施例中，所述碟片晶体的上表面设置有对793nm和1940nm的反射率小于0.5％的光学增透膜。
本公开实施例中，所述的双折射滤光片厚度为1-3mm，F-P标准具厚度为0.1-0.5mm。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开中红外单模激光器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)可以产生高输出功率、高光束质量、近衍射极限的基模的2um波段的激光光束；
(2)不受传统碟片激光器的热翻转限制而实现高功率的激光输出。
附图说明
图1为本公开实施例中红外单模激光器的结构示意图。
图2为本公开实施例中红外单模激光器的增益模块的具体结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-泵浦源；2-聚焦准直系统；3-聚焦反射镜；4-反射镜；
5-铜热沉；6-碳化硅散热片；7-碟片晶体；8-双折射滤光片；
9-F-P标准具；10-输出耦合镜；11-铜热沉下半部分；
12-Ti/Pt/Au金属层；13-In焊料层；
14-光学高反膜；15-光学增透膜。
具体实施方式
本公开提供了一种中红外单模激光器，所述中红外单模激光器,将泵浦光聚焦到聚焦反射镜上，通过聚焦反射镜将泵浦光反射至碟片晶体表面，聚焦反射镜的焦点为与碟片晶体表面上。使受激辐射光放大的碟片晶体与输出耦合镜构成谐振腔，获得激光输出。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种中红外单模激光器，结合图1和图2所示，所述中红外单模激光器，包括：
激光源，用于发出准直泵浦光；
所述激光源，包括：
半导体激光器泵浦源1，用于发出泵浦光；
聚焦准直系统2，用于将所述泵浦光准直后聚焦到聚焦反射镜3上；
增益模块，用于接收所述泵浦光并生成受激辐射光；
所述增益模块，包括：
碳化硅散热片6，包括
碟片晶体，位于所述碳化硅散热片6表面；以及
铜热沉5，包覆于所述碳化硅散热片及碟片晶体外，且留有通光孔；
反射镜4，用于反射所述受激辐射光；
输出耦合镜10，与所述碟片晶体7以及反射镜4成三角型排布，构成一个V型谐振腔，进而获得激光输出。
所述V型谐振腔中还依次设置有双折射滤光片8以及F-P标准具9。
所述光学谐振腔的腔长为32～200mm；优选选择所述光学谐振腔的腔长为100mm。
半导体激光器泵浦源1为大功率半导体激光器，其发射波长为785nm、793nm，并可以调节工作温度，可跟具体的环境温度进行工作波长的稳定。半导体激光器泵浦源为商用的半导体激光器，输出波长为793nm的激光。半导体激光器泵浦源可以进行±5℃的小范围温度调节，其中793nm位于Tm:YAP碟片(增益)晶体的吸收曲线内，碟片晶体的厚度为500um-1000um，碟片晶体的尺寸为长宽为10mm的正方形或直径为10mm的圆形。增益介质为Tm：YAP碟片晶体。Tm:YAP是二极管泵浦发射2μm波段激光的重要晶体，其输出激光波长为1940nm和1980nm。
聚焦准直系统由2片镀有增透膜的凸透镜组成，泵浦光通过第一个凸面镜先进行泵浦光的准直，在经过第二个凸面镜进行泵浦光的聚焦。聚焦后的泵浦光入射进聚焦反射镜3中，聚焦反射镜改变了入射光的角度，使泵浦光以一个较小的角度入射至碟片晶体7表面。通过控制聚焦反射镜3的角度，可以改变碟片晶体7上的泵浦光位置和形状，实现碟片激光器输出光束质量的优化。通过调节聚焦系统的距离和焦距，能够实现泵浦光斑在碟片晶体上的缩放；
通过将半导体激光泵浦源的泵浦光准直并聚焦到聚焦反射镜上，并通过聚焦反射镜反射到碟片晶体上，起到均匀泵浦碟片晶体的作用。聚焦准直系统是独立的光学器件，通过调节聚焦准直系统中透镜的距离和焦距，能够控制半导体激光泵浦源发出的泵浦光在碟片晶体上的光斑尺寸。聚焦反射镜为平凹镜，其中凹面镀有对793nm激光的反射率大于99.9％的光学介质膜。聚焦反射镜将经过聚焦准直系统的泵浦光反射进入碟片晶体表面，减小泵浦光的椭圆度。通过聚焦反射镜3改变泵浦光入射到碟片晶体7的角度，在碟片表面形成一个近似圆形的泵浦光斑。
在所述光学谐振腔内，沿所述输入端碟片晶体7至所述输出耦合镜10的方向依次设置有反射镜4、双折射滤光片8、F-P标准具9。
所述输出耦合镜10为平凹镜，所述平凹镜的凹面朝向所述光学谐振腔。
所述输出耦合镜的表面镀有光学薄膜，凹面镀有第四光学薄膜，所述的第四光学薄膜对1940nm激光的反射率为98％；平面镀有第五光学薄膜，所述第五光学薄膜对1940nm激光的反射率小于0.5％。
所述反射镜4反射激光表面镀有第三光学镀膜，所述第三光学镀膜对1940nm激光的反射率大于99.9％。反射镜位于谐振腔内部，改变腔内激光的方向，与碟片晶体和输出耦合镜构成一个V型谐振腔。所述的双折射滤光片厚度为1-3mm，F-P标准具厚度为0.1-0.5mm，所述双折射滤光片、F-P标准具可以通过改变腔内某些波长或者模式的损耗从而达到输出单模，高功率激光的效果。
在本公开实施例中，如图2所示，铜热沉底部部分为11，其上设置有多层Ti/Pt/Au金属层12及-In焊料层13，在所述碳化硅散热片6和碟片晶体7之间也设置有多层Ti/Pt/Au金属层12及-In焊料层13，所述碟片晶体的下表面(靠近铜热沉一侧)设置有对793nm和1940nm的反射率大于99.9％的光学高反膜，所述碟片晶体的上表面(远离铜热沉一侧)设置有对793nm和1940nm的反射率小于0.5％的光学增透膜；所述增益模块碟片晶体7厚度为500-1000μm，尺寸为长宽为10mm的正方形或直径为10mm的圆形。材料为Tm:YAP时，其输出波长为1940nm、1980nm；碟片晶体7的表面镀有光学介质膜，碟片晶体表面和碳化硅散热片表面通过磁控溅射进行金属化表面处理，依次沉积Ti/Pt/Au材料，厚度分别为50nm、50nm、300nm。金属化后的碳化硅散热片和铜热沉表面通过热蒸发金属铟焊料，厚度为6μm。在真空焊接回流炉中与铜热沉进行封装成碟片激光器增益模块。其中铜热沉分为两部分，热沉平面部分与碳化硅散热片相接触，上部分与碟片晶体相接触，用于减少碟片晶体内的热积累。
所述碟片晶体7表面和碳化硅散热片6表面通过磁控溅射进行金属化表面处理，金属化后的表面通过热蒸发金属铟的镀制，在真空焊接回流炉中与铜热沉5进行封装成碟片激光器增益模块。其中铜热沉分为两部分两部分，热沉平面部分与碳化硅散热片相接触，上部分与碟片晶体相接触，减少碟片晶体内的热积累。
在碟片晶体与输出耦合镜形成的光学谐振腔内，依次插入反射镜、双折射滤光片和F-P标准具，反射镜位于谐振腔内部，与碟片晶体和输出耦合镜构成一个V型谐振腔。其中双折射滤光片厚度为1-3mm，F-P标准具厚度为0.1-0.5mm，双折射滤光片和F-P标准具可以通过在谐振腔内引入与(频率)波长有关的选择性损耗，使损耗小的激光模式振荡，损耗大的激光模式被抑制从而达到输出单模，高功率激光的效果。
本公开提供的新型的中红外单模激光器，由于采用小角度入射泵浦光的方式，采用Tm：YAP作为碟片增益晶体，可以产生高输出功率、高光束质量、近衍射极限的基模的2um波段的激光光束。
本公开采用碳化硅散热片和上下两部分铜热沉充分的减少碟片晶体表面的热积累，从而不受传统碟片激光器的热翻转限制而实现高功率的激光输出。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开中红外单模激光器有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种中红外单模激光器，利用了半导体激光器对碟片晶体组成的增益介质进行小角度端面泵浦，使得上述受激辐射光放大的碟片晶体与输出耦合镜构成谐振腔，获得激光输出。通过聚焦准直镜改变泵浦激光的入射角度，优化入射进入碟片晶体表面的泵浦光斑。谐振腔内插入的双折射滤光片、标准具可以通过改变腔内某些波长或者模式的损耗从而达到输出单模，高功率的激光的效果。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中红外单模激光器，包括：
激光源，用于发出准直泵浦光；
增益模块，用于接收所述泵浦光并生成受激辐射光；所述增益模块，包括：
碳化硅散热片；
碟片晶体，位于所述碳化硅散热片表面；以及
铜热沉，包覆于所述碳化硅散热片及碟片晶体外，且留有通光孔；
反射镜，用于反射所述受激辐射光；
输出耦合镜，与所述碟片晶体以及反射镜成三角型排布，构成一个V型谐振腔，进而获得激光输出。
2.根据权利要求1所述的中红外单模激光器，所述V型谐振腔中还依次设置有双折射滤光片以及F-P标准具。
3.根据权利要求1所述的中红外单模激光器，所述激光源，包括：
半导体激光器泵浦源，用于发出泵浦光；以及
聚焦准直系统，用于将所述泵浦光准直后聚焦到聚焦反射镜上。
4.根据权利要求3所述的中红外单模激光器，通过控制聚焦反射镜3的角度，可以改变碟片晶体7上的泵浦光位置和形状。
5.根据权利要求1所述的中红外单模激光器，碟片晶体的尺寸为长宽为10mm的正方形或直径为10mm的圆形。
6.根据权利要求1所述的中红外单模激光器，所述V型谐振腔的腔长为32～200mm。
7.根据权利要求1所述的中红外单模激光器，所述碟片晶体厚度为500-1000μm。
8.根据权利要求1所述的中红外单模激光器，所述碟片晶体的下表面设置有对793nm和1940nm的反射率大于99.9％的光学高反膜。
9.根据权利要求1所述的中红外单模激光器，所述碟片晶体的上表面设置有对793nm和1940nm的反射率小于0.5％的光学增透膜。
10.根据权利要求1所述的中红外单模激光器，所述的双折射滤光片厚度为1-3mm，F-P标准具厚度为0.1-0.5mm。
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