CN111769434A - 一种避免泵浦光漂白被动调q晶体的微片激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种避免泵浦光漂白被动调Q晶体的微片激光器，包括泵浦源、泵浦耦合系统、增益介质、抑制ASE晶体、被动调Q晶体、泵浦光和激光分离结构。在微片激光器一侧切45°角结构，泵浦光和激光通过此面的膜被分离开，避免了泵浦光对被动调Q晶体的漂白。通过热键和技术，各晶体有效牢固地结合，可提高激光器的稳定性，利于实现微片激光器的小型化。且键合后的晶体结合界面稳定，有利于晶体散热。本发明广泛应用于其他测距用的固体激光器中，易于实现小型化、大能量、窄脉宽的目标，易于实现工程应用。本发明完全避免泵浦光进入可饱和吸收调Q晶体中，从而避免了泵浦漂白问题，提高振荡激光输出的单脉冲能量，减小脉冲宽度。

Description

一种避免泵浦光漂白被动调Q晶体的微片激光器
技术领域
本发明设计一种大能量、小体积、ps量级脉冲宽度的掺镱钇铝石榴石被动调Q微片激光器。设计了一种新的微片激光器结构，包括避免泵浦光漂白被动调Q晶体的结构，抑制ASE的结构，并通过掺镱钇铝石榴石与掺钒钇铝石榴石、掺铬钇铝石榴石之间的键合，构成了一种新结构的微片激光器，属于固体激光器技术领域。
背景技术
激光二极管(LD)泵浦的掺镱钇铝石榴石被动调Q全固体微型激光器具有结构紧凑简单、可靠性高、体积小、单脉冲能量大、脉冲宽度窄(ps)等特点。在激光测距中有着极大的应用需求。而且激光器的单脉冲能量越高，脉宽越窄，可以测到的距离越远。另外这种激光器还具有稳定性好，激光光束质量好等特点，可作为皮秒放大器的激光种子源。
激光测距是利用光在两物体之间传递时间来计算距离长度，激光单脉冲能量越大，脉冲宽度越窄，可测量的范围越大。其中，皮秒脉冲激光具有高的峰值功率和短的脉冲宽度，使得测距系统的测程得到提升。
现有的被动调Q微片激光器常常是增益介质和可饱和吸收调Q晶体直接结合在一起。当泵浦激光从端面泵浦时，由于微片激光器增益介质的长度较短，导致有一部分泵浦光未被激光增益介质完全吸收，部分剩余泵浦光进入到可饱和吸收调Q晶体中被吸收，可饱和吸收调Q晶体吸收泵浦光后会造成调Q微片激光器输出的单脉冲能量降低，脉宽变宽，这种现象叫做泵浦漂白。2003年John J.Zayhowski，对这种现象进行了分析，为了减小这种现象，他提出采用高浓度增益介质、增加腔长或者在增益介质和调Q元件Cr:YAG之间镀上泵浦光和振荡激光分色膜，使泵浦光反射回去，避免进入可饱和吸收调Q晶体中，而振荡激光可以正常通过。但这些方法都存在不足，通过采用高浓度增益介质避免泵浦漂白的方法，会导致浓度猝灭；而增加腔长减小泵浦漂白的方法，会使微片激光器的脉宽变宽；在增益介质和调Q元件中间镀膜减小泵浦漂白的方法，会造成这两部件难于牢固结合为一体，使整体激光器的稳定性降低。
本发明的目的在于设计了一种避免泵浦光漂白被动调Q晶体的微片激光器，具有体积小、结构紧凑、光束质量好、单脉冲能量大、脉冲宽度窄、成本低等特点；并通过键合技术，制备出一款被动调Q微片激光器。
发明内容
本发明提出并实现了一种避免泵浦光漂白被动调Q晶体的微片激光器，其结构如图1所示，包括：泵浦源1、泵浦耦合系统2、增益介质3、抑制ASE晶体4、被动调Q晶体5、泵浦光和激光分离结构6。
泵浦光1经过一个透镜组合，从微片激光器的增益介质3端面耦合进入增益介质3中，使泵浦光聚焦的焦点位于增益介质3的中心；泵浦光经过增益介质3被吸收后，剩余泵浦光到达分离结构6处从侧面射出；振荡激光经过泵浦光和激光分离结构6被反射到被动调Q晶体5中，最后从被动调Q晶体5的下端输出。泵浦光和激光分离结构6是切割微片激光器右侧形成的45°面，在45°面镀有振荡激光全反膜，泵浦光增透膜，可饱和吸收调Q晶体结合在增益介质下方。
进一步地，所述泵浦源1为光纤耦半导体激光器，单管耦合且偏振输出。
进一步地，所述的透镜组合是泵浦耦合系统2，半导体激光器的泵浦光通过泵浦耦合系统2后被聚焦准直，然后耦合进入到增益介质3中。经过泵浦耦合系统2的聚焦光斑大小保证泵浦光在增益介质3内的传输，且不会进入到抑制ASE晶体中。泵浦耦合系统2的透镜组合是两个凸透镜，都为非球面镜。
进一步地，所述的增益介质3是掺镱钇铝石榴石，抑制ASE晶体4是掺钒钇铝石榴石。增益介质3的上下层都为掺钒钇铝石榴石，中间层是掺镱钇铝石榴石，各层之间通过键合技术结合组成三明治结构。
进一步地，所述泵浦光和激光分离结构6是切割微片激光器右侧掺镱钇铝石榴石形成的45°面，然后在45°面镀上振荡激光全反膜，泵浦光增透膜膜。激光和泵浦光经过45°面后被分离开。
进一步地，所述被动调Q晶体5是掺铬钇铝石榴石，激光从分离结构反射到被动调Q晶体5中，最后从被动调Q晶体5的下端面输出，下端面镀1030nm激光部分透过率膜。
与现有的微片激光器相比，本发明采用全新的结构实现了小体积、结构紧凑、大能量、窄脉宽的被动调Q微片激光器的目标，本发明具有如下优点：
1、采用新型微片激光器结构
设计在微片激光器一侧切45°角结构，泵浦光和激光通过此面的膜被分离开，避免了泵浦光对被动调Q晶体的漂白，可以提高被动调Q微片激光器的稳定性和提高输出激光的单脉冲能量，降低脉冲宽度。
2、通过在增益介质上下层键合V:YAG来抑制ASE
采用对1030nm有吸收的V:YAG晶体吸收自发辐射，降低ASE的影响，提高能量存储效率，提高激光器的输出能量。而且V:YAG也可以作为增益介质的热沉，对增益介质进行散热，减小激光器热效应。
3、采用热键和技术
通过热键和技术，各晶体可以有效牢固地结合，可提高激光器的稳定性，利于实现微片激光器的小型化。且键合后的晶体结合界面稳定，有利于晶体散热。
4.采用[110]切割取向的Cr:YAG
在大信号下，Cr:YAG对1μm附近激光表现为各向异性吸收，[110]切割方向Cr:YAG晶体有一个较大透射方向。相比于[001]切割方向Cr:YAG晶体，[110]切割方向Cr:YAG晶体作为可饱和吸收调Q晶体，消光比会有所增加，脉冲稳定性也有所增加。
本发明具有实质性的特性和结构明显的改善，本发明所述的方法可以广泛应用于其他测距用的固体激光器中，易于实现小型化、大能量、窄脉宽的目标，易于实现工程应用。
本发明可以完全避免泵浦光进入可饱和吸收调Q晶体中，从而避免了泵浦漂白问题，提高了振荡激光输出的单脉冲能量，减小了脉冲宽度。
附图说明
图1是避免泵浦光漂白被动调Q晶体的被动调Q微片激光器结构示意图
图1中：1、泵浦源，2、泵浦耦合系统，3、增益介质，4、抑制ASE晶体，5、被动调Q晶体，6、泵浦光和激光分离结构。
图2是被动调Q微片激光器截面图
图3是掺镱钇铝石榴石Yb:YAG的吸收光谱
图4是掺钒钇铝石榴石V:YAG的吸收光谱
图5是掺铬钇铝石榴石Cr:YAG的吸收光谱
图6是[110]切割的掺铬钇铝石榴石Cr:YAG各向吸收特性
图7是泵浦耦合系统ZEMAX模拟光路图
图8是泵浦耦合系统通过刀口法测得的光斑变化图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的避免泵浦光漂白被动调Q晶体微片激光器的具体实施内容作进一步的说明：
参阅图1是避免泵浦光漂白被动调Q晶体的微片激光器结构图。此被动调Q微片激光器是由泵浦源1、泵浦耦合系统2、增益介质3、抑制ASE晶体4、被动调Q晶体5、泵浦光和激光分离结构6组成。
参阅图2，微片激光器增益介质Yb:YAG部分上下面都键合了抑制ASE的晶体V:YAG。中间层是增益介质掺镱钇铝石榴石Yb:YAG，上下层是掺钒钇铝石榴石V:YAG，图2纸面内外两侧磨毛。微片激光器结构的右侧同为掺镱钇铝石榴石Yb:YAG，结构的下方是被动调Q晶体Cr:YAG。在微片激光器结构的右侧把掺镱钇铝石榴石切割为45°角，此切角面上镀有对940nm增透膜，对1030nm高反膜。泵浦光和振荡激光在此面会被分离。泵浦光从侧面射出，振荡激光经过反射后进入到可饱和吸收调Q晶体中，最后从调Q晶体下端面输出。设计的平平腔可以保证激光在腔内稳定振荡输出。本发明的结构采用小光斑泵浦光进行泵浦，可以实现高泵浦能量密度。设计增益介质的长度在1mm，厚度100μm，掺杂浓度为20％，对泵浦光的吸收效率可达86％。且微片激光器结构的左侧镀有对940nm高透膜，1030nm高反膜，结构下部Cr:YAG下侧面镀有1030nm部分透过率膜，透过率为50％。
被动调Q微片激光器的半导体泵浦源的功率为10W，中心波长940nm±5nm，光纤耦合输出，数值孔径NA＝0.22。泵浦耦合系统将940nm的泵浦光聚焦准直后耦合到微片激光器增益介质中，使聚焦后的泵浦光束腰位置在增益介质的中心处，这样整体在增益介质中的泵浦光斑直径变化较小，而且保证进入到增益介质中的光斑是最小的，保证了高的泵浦功率密度。
图3为增益介质掺镱钇铝石榴石的吸收光谱，掺镱钇铝石榴石Yb:YAG在900nm-1000nm有两个高的吸收峰，其中940nm波段附近有最大的吸收峰，几乎是970nm波段的两倍，所以用940nm泵浦光泵浦掺镱钇铝石榴石，有较高的泵浦效率。
图4是掺钒钇铝石榴石V:YAG的吸收光谱，掺钒钇铝石榴石V:YAG有5个吸收峰分别在425nm，600nm，800nm，1140nm，1320nnm附近，对掺镱钇铝石榴石激光器的激光有一定的吸收，而且V:YAG的基态吸收截面相对较大，对1030nm激光有较好的吸收，在微片激光器中，当泵浦功率密度高的时候，腔内各个方向会有强烈的自发辐射。当自发辐射光经过垂直于腔方向平行平面时，若反射回增益介质，会形成自激振荡，消耗上能级反转粒子数，造成增益介质存储能量降低，降低调Q反转粒子数密度，影响激光器的性能，降低激光输出的能量。本发明采用V:YAG作为抑制ASE的材料，键合在增益介质镱钇铝石榴石上下两侧，对垂直于激光方向的自发辐射吸收；图2纸面内外两侧磨毛，从而达到抑制ASE的目的。而且掺钒钇铝石榴石有较好的导热性，键合在增益介质上下两侧起到热沉的作用，对增益介质进行散热，提高激光器的稳定性。
图5是掺铬钇铝石榴石Cr:YAG的吸收光谱，从图中可以看出：它具有三个主要光谱吸收峰值：0.48μm，0.65μm和1μm。Cr:YAG晶体属于慢饱和吸收体在1μm波长附近，Cr:YAG晶体的基态吸收截面σgs＝8.7×10-18cm2，激发态吸收截面σes＝2.2×10-18cm2，Cr4+:YAG室温下热导率为0.12W/(cm·K)，损伤阈值为500MW/cm2，通过以上重要的特征参量可以看出，Cr:YAG晶体是一种可以作为Yb:YAG微片激光器被动调Q晶体，而且性能非常优越。同时可以看出Cr:YAG对940nm也有较大的吸收，当泵浦光经过增益介质后，如果没有被完全吸收就会进入到Cr:YAG中，造成Cr:YAG调Q的不稳定，造成激光输出能量变低，脉宽变宽。本发明的微片激光器所设计的增益介质长度较短，在1mm左右，如果采用直接键合在一起的方法，会导致940nm泵浦光没有被完全吸收进入到Cr:YAG中，造成泵浦漂白。所以设计在激光器结构的右侧切成45°角，泵浦光和激光在45°面被分离开，避免了泵浦光对被动调Q晶体的漂白。
图6是掺铬钇铝石榴石[110]切割方向吸收特性。Cr:YAG晶体在小信号(＜2MW/cm2)时的透过率是各向同性的，随着入射1μm附近激光的逐渐增大(2～100MW/cm2)，晶体内部Cr4+离子有三种取向，分别沿YAG三个晶轴方向，透过率是各向异性的。[110]切割方向Cr:YAG晶体，线偏振激光透过率同样呈周期性变化，在360°范围内存在两个周期，当θ角为0°(360°)、180°时，线偏振激光透射率最大，只有一个偏振方向。[110]切割方向Cr:YAG晶体作为可饱和吸收体时，能够获得稳定的激光脉冲输出。且Cr:YAG[110]切割方向与激光的方向平行，设计Cr:YAG[110]方向垂直于微片激光器最底面。
图7为设计的泵浦耦合系统模拟图。所用的LD光纤数值孔径NA＝0.22，使用时需经过透镜的准直和聚焦。另外在同样的泵浦功率下，泵浦光斑越小，则泵浦功率密度越大，能够在不产生废热的同时更容易达到泵浦的阈值。设计的增益介质厚度为100μm，所以要求聚焦光斑的直径在100μm以下。由于采用光纤耦合输出的芯径为105μm，采用普通透镜由于球差的影响很难将光斑聚小到100μm以下，实验用12mm和10mm的准直聚焦透镜组进行ZEMAX模拟，得到的聚焦光斑小于100μm、且功率集中，适合作为微片激光器的泵浦耦合系统。
图8为通过刀口法测量泵浦光斑直径变化图，测得泵浦光焦斑直径为83μm，小于增益介质的100μm厚度。而且泵浦光斑直径小于100μm的长度有1mm左右，可满足在微片激光器增益介质腔内长度中泵浦光斑直径都小于100μm，能使激光器有一个高的泵浦能量密度。
本发明设计了一种避免泵浦光漂白被动调Q晶体的被动调Q微片激光器，提出一种新型微片激光器结构：在微片激光器侧面切45°角。通过这种结构，避免了泵浦光对被动调Q晶体的漂白，提高了激光器的稳定性和输出激光的单脉冲能量，减小了脉冲宽度；采用V:YAG键合在增益介质Yb:YAG两侧，不仅抑制了ASE效应，还可以作为热沉，对增益介质有效地散热，减小了激光器热效应，提高了激光器的稳定性和激光器的光束质量；采用12mm和10mm透镜组合得到小泵浦光斑直径，提高了泵浦功率密度。采用新结构获得单脉冲能量20μJ，脉冲宽度200ps的调Q脉冲输出。本发明的新结构微片激光器可应用于激光测距中，易于实现小型化，大能量，窄脉宽的目标，易于实现工程应用。

Claims (6)

1.一种避免泵浦光漂白被动调Q晶体的微片激光器，其特征在于：
泵浦源(1)射出的泵浦光经过一个透镜组合，从微片激光器的增益介质(3)端面耦合进入增益介质(3)中，使泵浦光聚焦的焦点位于增益介质(3)的中心；泵浦光经过增益介质(3)被吸收后，剩余泵浦光到达分离结构6处从侧面射出；振荡激光经过泵浦光和激光分离结构(6)被反射到被动调Q晶体(5)中，最后从被动调Q晶体(5)的下端输出；泵浦光和激光分离结构(6)是切割微片激光器右侧形成的45°面，在45°面镀有振荡激光全反膜，泵浦光增透膜，可饱和吸收调Q晶体结合在增益介质下方。
2.根据权利要求1所述的一种避免泵浦光漂白被动调Q晶体的微片激光器，其特征在于：所述泵浦源(1)为光纤耦半导体激光器，单管耦合且偏振输出。
3.根据权利要求1所述的一种避免泵浦光漂白被动调Q晶体的微片激光器，其特征在于：所述的透镜组合是泵浦耦合系统(2)，半导体激光器的泵浦光通过泵浦耦合系统(2)后被聚焦准直，然后耦合进入到增益介质(3)中；经过泵浦耦合系统(2)的聚焦光斑大小保证泵浦光在增益介质(3)内的传输，且不会进入到抑制ASE晶体中；泵浦耦合系统(2)的透镜组合是两个凸透镜，都为非球面镜。
4.根据权利要求1所述的一种避免泵浦光漂白被动调Q晶体的微片激光器，其特征在于：所述的增益介质(3)是掺镱钇铝石榴石，抑制ASE晶体(4)是掺钒钇铝石榴石；增益介质(3)的上下层都为掺钒钇铝石榴石，中间层是掺镱钇铝石榴石，各层之间通过键合技术结合组成三明治结构。
5.根据权利要求1所述的一种避免泵浦光漂白被动调Q晶体的微片激光器，其特征在于：所述泵浦光和激光分离结构(6)是切割微片激光器右侧掺镱钇铝石榴石形成的45°面，然后在45°面镀上振荡激光全反膜，泵浦光增透膜膜；激光和泵浦光经过45°面后被分离开。
6.根据权利要求1所述的一种避免泵浦光漂白被动调Q晶体的微片激光器，其特征在于：所述被动调Q晶体(5)是掺铬钇铝石榴石，激光从分离结构反射到被动调Q晶体(5)中，最后从被动调Q晶体(5)的下端面输出，下端面镀1030nm激光部分透过率膜。
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