CN111653926A - 一种小型化人眼安全脉冲激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化人眼安全脉冲激光器，包括：激光二极管、整形耦合系统、谐振腔、光学窗口片和外壳；所述激光二极管发出中心波长在940‑980nm、或1.47μm、或1.53μm的泵浦光，发散的泵浦光经整形耦合系统后进入谐振腔；所述整形耦合系统由两个凸透镜组成，用于实现泵浦光束的准直和尺寸的调节；所述谐振腔用于产生波长为1.6μm的脉冲人眼安全激光；所述光学窗口片为激光出射窗口，窗口的表面镀有1.6μm波段的增透膜；所述外壳为金属材料，激光二极管、整形耦合系统、谐振腔和光学窗口片均固定在外壳上。本发明以低泵浦功率实现高峰值功率、大能量的巨脉冲输出的新技术手段，且整体激光器设计结构紧凑，稳定耐用，微型便于携带，可适用于多种场景。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲激光器领域，尤其涉及一种小型化人眼安全脉冲激光器。
背景技术
人眼对光的接收是极其敏感，它由不同的屈光介质和光感受器组成，能使一定频率的光辐射到晶状体，并在视网膜上成像。眼球中的屈光介质具有很强的聚焦作用，能将入射光汇聚成很小的光斑，从而使视网膜单位面积内接收的光能比入射到角膜的光能提高了十万多倍，故高功率密度的激光非常容易在瞬间对人眼造成巨大伤害，故对人眼安全波段激光器的研究是十分有意义的。
人眼的屈光介质对不同频率的光具有不同的透过率和吸收特性：屈光介质的各组成部分对波长为300-380nm的近紫外光都分别有不同的吸收率，容易对人眼的浅层组织造成热损伤；380-780nm波段的可见光和波长在780-1400nm的近红外光主要被晶状体吸收，容易对视网膜造成伤害，引发辐射性白内障；而300nm以下和2100nm以上波段的激光对人眼的损伤阈值很高，且几乎都被角膜吸收，容易引发电光性眼炎等疾病。人眼的脆弱及其特殊结构，决定了人眼安全激光波段在1.4-2.1μm左右，该波段的激光对人眼的损伤阈值很高，且具有较高的水吸收系数，在辐射人眼时，大部分可以被屈光介质吸收，只有极少部分可以到达视网膜并成像，对人眼的危害较小。
处于1.6μm人眼安全波段的激光器同时也处于大气近红外透射窗口波段，相比于连续运转的激光器，具有高重频、窄脉宽、高峰值功率特性的1.6μm激光对烟雾的穿透力更强，可以实现远距离传输，在恶劣天气中进行远距离高精度的快速测距，在军事上意义重大。在实现人眼安全波段激光输出的同时，探索通过采用新型材料和新型结构等方式实现结构紧凑、稳定性高的小型化且具有高的性价比的1.6μm脉冲激光器一直是人们努力发展的目标，可以有效推动人眼安全激光加工、激光测距、激光雷达、生物医疗等多领域的应用。
发明内容
本发明提供了一种小型化人眼安全脉冲激光器，本发明以低泵浦功率实现高峰值功率、大能量的巨脉冲输出的新技术手段，且整体激光器设计结构紧凑，稳定耐用，微型便于携带，可适用于多种场景，详见下文描述：
一种小型化人眼安全脉冲激光器，所述激光器包括：外壳，所述外壳上设置有激光二极管、整形耦合系统、谐振腔、光学窗口片；
所述激光二极管发出中心波长在940-980nm、或1.47μm、或1.53μm的泵浦光，发散的泵浦光经整形耦合系统后进入谐振腔；
所述整形耦合系统由两个凸透镜组成，用于实现泵浦光束的准直和尺寸的调节；
所述谐振腔用于产生波长为1.6μm的脉冲人眼安全激光；
所述光学窗口片为激光出射窗口，窗口的表面镀有1.6μm波段的增透膜。
其中，所述谐振腔包括：第一输入镜、键合晶体和第一输出镜，
第一输入镜为对键合晶体激光入射端面所镀的第一入射膜，第一入射膜为对泵浦光的增透膜和对1.6μm波段的高反膜；
键合晶体由YAG晶体、第一增益介质和第一调Q晶体组成；
第一输出镜为对键合晶体激光输出端面所镀的第一输出膜，第一输出膜为对泵浦光的高反膜和对1.6μm波段的部分反射膜。
进一步地，所述YAG晶体为无掺杂晶体，所述第一调Q晶体为可饱和吸收体。
其中，所述谐振腔包括：第二输入镜、第二增益介质、第一镀膜、第二镀膜、第二调Q晶体、第三镀膜、第四镀膜和第二输出镜，
第二输入镜为对第二增益介质入射端面所镀的第二入射膜，第二入射膜为对泵浦光的增透膜和对1.6μm波段的高反膜；
第二增益介质的激光输出端面镀有第一镀膜，第一镀膜为对泵浦光和1.6μm波段的高透膜；
第二调Q晶体两端分别镀有第二镀膜和第三镀膜，两处均是镀有对泵浦光和1.6μm波段的高透膜；
第二输出镜朝向腔内设置有第四镀膜，第四镀膜为对泵浦光的高反膜和对1.6μm波段的部分反射膜。
进一步地，所述第二调Q晶体为可饱和吸收体，所述第二输出镜为平面镜或平凹镜。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、该激光器首次提出用中心波长在940-980nm、或1.47μm、或1.53μm激光二极管作为泵浦源对Er:YAG晶体、Er:Yb:YAG晶体或Er:Yb:Pr:YAG晶体进行泵浦，并在具体的谐振腔设计中，采用键合晶体和非键合晶体两种设计手段，以实现泵浦光的受激振荡，获得1.6μm波段的人眼安全脉冲激光输出；
2、谐振腔采用两种不同设计结构：
第一种结构采用键合晶体谐振腔，在键合晶体两端镀膜分别作为输入镜和输出镜，大大缩小了谐振腔体积，利于激光器的小型化，而且键合晶体里的YAG晶体有冷却的效果，减少热透镜效应，提高光-光转换效率，改善输出激光脉冲的光束质量，利于激光系统的集成化；
第二种结构采用非键合晶体谐振腔，是以镀多层宽带介质膜来实现泵浦光与1.6μm波段激光的充分利用，减少端面损耗，且分体结构具有较大的自由设计空间，易于实现不同参数的1.6μm波段激光输出；
3、该人眼安全脉冲激光器结构简单紧凑体积小，稳定性高，可实现小型化并应用于工业和军事装备，在激光测距、激光加工、激光雷达、激光种子源等多领域具有重要的应用价值。
附图说明
图1为人眼安全脉冲激光器的结构示意图；
图2为图1中谐振腔的结构示意图；
图3为图1中谐振腔的另一结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：激光二极管； 2：整形耦合系统；
3：谐振腔； 4：光学窗口片；
5：外壳；
3-1：第一输入镜； 3-2：YAG晶体；
3-3：第一增益介质； 3-4：第一调Q晶体；
3-5：第一输出镜；
3-6：第二输入镜； 3-7：第二增益介质；
3-8：第一镀膜； 3-9：第二镀膜；
3-10：第二调Q晶体； 3-11：第三镀膜；
3-12：第四镀膜； 3-13：第二输出镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
人眼安全脉冲激光器结构简单紧凑体积小，输出激光脉冲波段特殊，既位于人眼安全波段，又处于大气传输窗口，可传输距离远，可实现小型化并应用于工业和军事装备，在通信、国防、医疗、工农业、科研等多领域内都有广泛的应用。相比于气体激光器、染料激光器以及光纤激光器，固体激光器峰值功率较高且输出能量大，机械性能良好，结构紧凑耐用便于微型化操作。由于1.6μm波段激光的特殊性，如何产生窄脉宽、高能量、高光束质量的1.6μm波段脉冲激光已成为国内外研究热点，而采用激光二极管泵浦掺杂YAG晶体固体激光器是目前最为理想的方法之一。在具体的激光器谐振腔设计中采用键合晶体和非键合晶体两种设计手段，不仅提高了光-光转换效率和输出功率，改善了光束质量，更是为1.6μm波段激光脉冲的产生提供了多种可能。另外，得益于谐振腔的精巧结构设计，1.6μm波段的人眼安全脉冲激光器可实现小型化、集成化，便于携带并应用于多种场景，实用性很强。
为了获得人眼安全高功率脉冲激光，本发明提出了一种小型化人眼安全脉冲激光器，该激光器以激光二极管作为泵浦源，发出中心波长在940-980nm、或1.47μm、或1.53μm的泵浦光，并将发散的泵浦光整形耦合后作用于谐振腔，最终得到1.6μm波段的人眼安全脉冲激光。
参见图1，人眼安全脉冲激光器包括：激光二极管1、整形耦合系统2、谐振腔3、光学窗口片4和外壳5。其中，谐振腔3的结构参见图2或图3的结构示意图。
参见图2，谐振腔3包括：第一输入镜3-1、YAG晶体3-2、第一增益介质3-3、第一调Q晶体3-4和第一输出镜3-5。
参见图3，另一谐振腔3包括：第二输入镜3-6、第二增益介质3-7、第一镀膜3-8、第二镀膜3-9、第二调Q晶体3-10、第三镀膜3-11、第四镀膜3-12和第二输出镜3-13。
激光二极管1为连续、准连续或脉冲运转，发出中心波长在940-980nm、或1.47μm、或1.53μm的泵浦光，发散的泵浦光经整形耦合系统2准直和聚焦后进入谐振腔3，通过受激振荡产生1.6μm波段的人眼安全脉冲激光，并由固定在金属外壳5上的光学窗口片4输出。
其中，整形耦合系统2由两个凸透镜组成，用于实现泵浦光的准直和尺寸的调节，其光束口径调整和准直为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。
其中，光学窗口片4为激光出射窗口，窗口的表面镀有对1.6μm波段的增透膜，光学窗口片4的中心点应与输出激光中心点在同一水平线上，其具体材质和尺寸为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。
其中，外壳5为金属材料，激光二极管1、整形耦合系统2、谐振腔3和光学窗口片4均固定在外壳5上。
其中，谐振腔3采用键合晶体和非键合晶体两种结构设计：
(1)谐振腔3的第一种结构：
第一输入镜3-1为对键合晶体激光入射端面所镀的第一入射膜，该第一入射膜为在端泵面处镀有对泵浦光的增透膜和对1.6μm波段的高反膜，从激光二极管1发出的泵浦光经整形耦合系统2准直和聚焦后由第一输入镜3-1入射进谐振腔3中。
谐振腔3的结构中，除第一输入镜3-1和第一输出镜3-5外，还内置一块键合晶体，该键合晶体由YAG晶体3-2、第一增益介质3-3和第一调Q晶体3-4组成。
其中，YAG晶体3-2为无掺杂的晶体，与同基质掺杂的第一增益介质3-3和第一调Q晶体3-4键合后，端面温升很小，起到热沉的作用，有效降低热效应，提高单脉冲能量，改善激光光束质量。
其中，第一增益介质3-3可吸收泵浦光使光束能量增加，补偿谐振腔损耗，实现粒子数反转以产生激光，可选用晶体材料为Er:YAG晶体、Er:Yb:YAG晶体或Er:Yb:Pr:YAG晶体。
其中，第一调Q晶体3-4为可饱和吸收体，对激光波长有强吸收作用，更改其初始透过率，可实现不同功率和脉冲宽度的纳秒脉冲激光输出，可选用晶体材料为Cr:ZnSe、Cr:ZnS、Co:ZnSe、Co:ZnS、石墨烯、Bi2Te3、黑磷、TiS2、WS2或MoS2。
第一输出镜3-5为对键合晶体激光输出端面所镀的第一输出膜，该第一输出膜为在激光输出端面镀有对泵浦光的高反膜和对1.6μm波段的部分反射膜，以此作为输出镜。
综上，通过上述的描述可以看出，第一输入镜3-1、第一输出镜3-5分别为键合晶体激光入射端面、输出端面所镀的第一输入膜、第一输出膜，即第一输入镜3-1、第一输出镜3-5均由镀的膜构成，第一输入镜3-1对应的第一输入膜是对泵浦光的增透膜和对1.6μm波段的高反膜，第一输出镜3-5对应的第一输出膜是对泵浦光的高反膜和对1.6μm波段的部分反射膜。
(2)谐振腔3的第二种结构：
第二输入镜3-6为对第二增益介质3-7入射端面所镀的膜，该第二入射膜为在端泵面处镀有对泵浦光的增透膜和对1.6μm波段的高反膜，从激光二极管1发出的泵浦光经整形耦合系统2准直和聚焦后由第二输入镜3-6入射进入谐振腔3中。
第二增益介质3-7可吸收泵浦光使光束能量增加，补偿谐振腔损耗，实现粒子数反转以产生激光，可选用晶体材料为Er:YAG晶体、Er:Yb:YAG晶体或Er:Yb:Pr:YAG晶体。在第二增益介质3-7的激光输出端面镀有第一镀膜3-8，即在此处镀有对泵浦光和1.6μm波段的高透膜，以减小端面损耗。
第二调Q晶体3-10为可饱和吸收体，对激光波长有强吸收作用，更改其初始透过率，可实现不同功率和脉冲宽度的纳秒脉冲激光输出，可选用晶体材料为Cr:ZnSe、Cr:ZnS、Co:ZnSe、Co:ZnS、石墨烯、Bi2Te3、黑磷、TiS2、WS2或MoS2。在第二调Q晶体3-10两端镀膜，即第二镀膜3-9和第三镀膜3-11，两处均是镀有对泵浦光和1.6μm波段的高透膜，以减小端面损耗。
第二输出镜3-13为平面镜或平凹镜，用以实现腔型为平平腔、或平凹腔的谐振腔结构，且第二输出镜3-13朝向腔内的第四镀膜3-12为对泵浦光的高反膜和对1.6μm波段的部分反射膜。
综上，通过上述的描述可以看出，第二输入镜3-6为第二增益介质3-7入射端面所镀的第二输入膜，即第二输入镜3-6由镀的膜构成，第二输入镜3-6对应的第二输入膜是对泵浦光的增透膜和对1.6μm波段的高反膜。
综上所述，本发明首先提出采用中心波长为940-980nm、或1.47μm、或1.53μm的激光二极管作为泵浦源，并提出了以键合晶体和非键合晶体两种不同的谐振腔结构来实现人眼安全脉冲激光的输出。第一种谐振腔结构采用具有高抗损伤阈值和极高热导率的键合晶体，将高纯度无掺杂的YAG晶体和增益介质以及调Q晶体键合，减少热透镜效应及腔内损耗，腔内粒子数密度增加，提高输出能量和峰值功率，改善输出激光脉冲的光束质量并缩小激光器体积；第二种谐振腔结构采用非键合晶体结构，以热学性能良好、荧光寿命长且散射损耗较低的掺杂YAG晶体作为人眼安全激光器增益介质，将中心波长在940-980nm、或1.47μm、或1.53μm的泵浦光入射进增益介质进行放大，并通过对激光波长有强吸收作用的可饱和吸收体进行调Q技术，整体结构中多处镀膜来实现泵浦光与1.6μm波段激光的充分利用，减少端面损耗，实现人眼安全激光脉冲输出。这类人眼安全脉冲激光器的结构都非常小巧紧凑，稳定耐用，携带方便，可适用于多种场景使用。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (5)
1.一种小型化人眼安全脉冲激光器，其特征在于，所述激光器包括：外壳，所述外壳上设置有激光二极管、整形耦合系统、谐振腔、光学窗口片；
所述激光二极管发出中心波长在940-980nm、或1.47μm、或1.53μm的泵浦光，发散的泵浦光经整形耦合系统后进入谐振腔；
所述整形耦合系统由两个凸透镜组成，用于实现泵浦光束的准直和尺寸的调节；
所述谐振腔用于产生波长为1.6μm的脉冲人眼安全激光；
所述光学窗口片为激光出射窗口，窗口的表面镀有1.6μm波段的增透膜。
2.根据权利要求1所述的一种小型化人眼安全脉冲激光器，其特征在于，所述谐振腔包括：第一输入镜、键合晶体和第一输出镜，
第一输入镜为对键合晶体激光入射端面所镀的第一入射膜，第一入射膜为对泵浦光的增透膜和对1.6μm波段的高反膜；
键合晶体由YAG晶体、第一增益介质和第一调Q晶体组成；
第一输出镜为对键合晶体激光输出端面所镀的第一输出膜，第一输出膜为对泵浦光的高反膜和对1.6μm波段的部分反射膜。
3.根据权利要求2所述的一种小型化人眼安全脉冲激光器，其特征在于，所述YAG晶体为无掺杂晶体，所述第一调Q晶体为可饱和吸收体。
4.根据权利要求1所述的一种小型化人眼安全脉冲激光器，其特征在于，所述谐振腔包括：第二输入镜、第二增益介质、第一镀膜、第二镀膜、第二调Q晶体、第三镀膜、第四镀膜和第二输出镜，
第二输入镜为对第二增益介质入射端面所镀的第二入射膜，第二入射膜为对泵浦光的增透膜和对1.6μm波段的高反膜；
第二增益介质的激光输出端面镀有第一镀膜，第一镀膜为对泵浦光和1.6μm波段的高透膜；
第二调Q晶体两端分别镀有第二镀膜和第三镀膜，两处均是镀有对泵浦光和1.6μm波段的高透膜；
第二输出镜朝向腔内设置有第四镀膜，第四镀膜为对泵浦光的高反膜和对1.6μm波段的部分反射膜。
5.根据权利要求4所述的一种小型化人眼安全脉冲激光器，其特征在于，所述第二调Q晶体为可饱和吸收体，所述第二输出镜为平面镜或平凹镜。
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