CN112350147A - 一种基于环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及中红外激光器领域，尤其涉及一种基于环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器，包括多个泵浦装置，相邻两个泵浦装置按照预设角度放置，泵浦装置包括半导体激光器和耦合透镜组，每个耦合透镜组的一侧均放置有复合晶体，耦合透镜组和复合晶体之间均放置有二色镜，多个二色镜构成环形谐振腔；声光调Q开关位于复合晶体和二色镜之间，并沿环形谐振腔内振荡光束的传播方向放置；全反镜位于二色镜反射的光路上。本发明提出的一种基于环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器，解决现有的中红外激光器难以获得高重复频率、窄脉宽、高功率以及高光束质量脉冲激光的问题。

Description

一种基于环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器
技术领域
本发明涉及中红外激光器领域，尤其涉及一种基于环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器。
背景技术
2.7-3.0μm波段的中红外激光处于水的吸收峰，能够激发水分子的高速动能，在眼科、牙科、骨科等领域的重要应用是作为手术刀，为了减小激光对周围软组织的损伤，激光脉冲宽度应该尽可能小于软组织的热弛豫时间。此外，2.7-3.0μm波段的中红外激光又是泵浦非线性晶体产生8-13μm中长红外激光的优质泵浦源，高重频、高峰值功率的激光脉冲可以提高转换效率。
现有的激光器存在的问题在于：
(1)电光、声光、可饱和吸收、机械等Q开关很难同时获得高重频、高峰值功率、窄脉宽的2.7-3.0μm波段的中红外脉冲激光。
(2)难以同时保证高输出功率和高光束质量的问题。采用闪光灯和半导体激光器侧面泵浦，尽管获得的激光输出功率高，但是侧面泵浦模式匹配比较差，很难获得高光束质量激光输出。采用半导体激光器对一块Er:YSGG晶体一端进行泵浦，产生的振荡光的模式和泵浦光模式匹配效果好，使得产生的激光脉冲光束质量较高，但是泵浦光的注入能量受到限制，从而导致输出激光功率较低。
(3)解决现有技术中采用闪光灯侧面泵浦Er:Cr:YSGG晶体产生有害热多的问题；解决Er:YSGG晶体对970nm半导体激光吸收系数少，光光转换效率较低的问题。
发明内容
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器，其特殊之处在于，包括
多个泵浦装置，相邻两个所述泵浦装置按照预设角度放置，所述泵浦装置包括半导体激光器和耦合透镜组，每个所述耦合透镜组的一侧均放置有复合晶体，所述耦合透镜组和复合晶体之间均放置有二色镜，多个所述二色镜构成环形谐振腔；
声光调Q开关，位于复合晶体和二色镜之间，沿所述环形谐振腔内振荡光束的传播方向放置；
全反镜，位于所述二色镜反射的光路上。
优选的是：所述复合晶体为Er:Cr:YSGG/YSGG，Er:Cr:YSGG/YSGG由Er:Cr:YSGG晶体两端键合YSGG晶体组成。
优选的是：所述复合晶体的外侧包裹有铟箔，所述铟箔安装在水冷的铜块内。
优选的是：每个所述二色镜的双面均镀有970nm高透膜、654nm高透膜和450nm高透膜中的一种，每个所述二色镜在靠近所述复合晶体一面镀有2.79μm高反射率膜以及970nm高反射率膜、654nm高反射率膜和450nm高反射率膜中的一种。
优选的是：所述半导体激光器至少为三个，包括第一半导体激光器、第二半导体激光器和第三半导体激光器；所述二色镜为三个，包括第一二色镜、第二二色镜和第三二色镜；所述复合晶体为三个，包括第一复合晶体、第二复合晶体和第三复合晶体。
优选的是：所述第一半导体激光器为970nm半导体激光器、所述第二半导体激光器为654nm半导体激光器，所述第三半导体激光器为450nm半导体激光器；
所述第一二色镜、第二二色镜和第三二色镜双面分别镀有970nm60度高透膜、654nm60度高透膜和450nm60度高透膜，所述第一二色镜在靠近与所述第一复合晶体的一面镀有2.79μm高反射率膜以及450nm60度高反射率膜，所述第二二色镜在靠近所述第二复合晶体的一面镀有2.79μm高反射率膜以及970nm60度高反射率膜，所述第三二色镜在靠近所述第三复合晶体的一面分别镀有2.79μm高反射率膜以及654nm60度高反射率膜。
优选的是：还包括第四半导体激光器、第四二色镜和第四复合晶体。
优选的是：所述第四半导体激光器为654nm半导体激光器；
所述第一二色镜、第二二色镜、第三二色镜和第四二色镜的双面分别镀有970nm45度高透膜、654nm45度高透膜、450nm45度高透膜和654nm45度高透膜，所述第一二色镜在靠近与所述第一复合晶体一面镀有2.79μm高反射率膜以及654nm45度高反射率膜，所述第二二色镜在靠近与所述第二复合晶体一面镀有2.79μm高反射率膜以及970nm45度高反射率膜，所述第三二色镜在靠近所述第三复合晶体一面分别镀有2.79μm高反射率膜以及654nm45度高反射率膜，所述第四二色镜在靠近所述第四复合晶体一面分别镀有2.79μm高反射率膜以及450nm45度高反射率膜。
优选的是：所述声光调Q开关的一端与高频振荡电源电连接。
优选的是：所述声光调Q开关采用TeO2作为声光晶体。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于本发明的优点：
1)本发明能够获得更高重复频率、更窄脉宽、更稳定、更高功率和更高光束质量的脉冲激光，该激光器在输出功率和光束质量两个相互制约的方面均得到了提高。
2)本发明中的泵浦源采用970nm、450nm和654nm的半导体激光器，相比于目前仅采用970nm半导体激光器直接泵浦和闪光灯泵浦，三波长混合泵浦改善了工作物质的热效应，提高了激光器的综合转换效率。
3)工作物质采用多个Er:Cr:YSGG/YSGG复合晶体，增加了泵浦光的注入能量，并且减小了单个Er:Cr:YSGG/YSGG复合晶体中的最大热负载、温度以及热应力，有效减小激光器内部热效应。
4)采用环形谐振腔，谐振腔中反射镜反射未被完全吸收的泵浦光，增加了泵浦光的利用率。泵浦方式采用端面泵浦，使得泵浦光的模式和震荡光模式匹配效果好，产生的激光脉冲光束质量较高，调和了高激光输出功率和高光束质量之间的矛盾。
5)采用腔倒空技术，输出脉冲间的能量积累与储存发生在谐振腔内，输出重频和脉冲宽度不再受激光工作物质特性影响，主要由超声频率和腔长来决定，在声光调Q开关的高重复频率下大大压缩了激光的脉冲宽度。
附图说明
图1为实施例1的中红外激光器的结构示意图；
图2为实施例2的中红外激光器的结构示意图。
图中：1-第一半导体激光器，2-第一耦合透镜组，3-第一二色镜，4-第一复合晶体，5-全反镜，6-第二二色镜，7-第二耦合透镜组，8-第二半导体激光器，9-第二复合晶体，10第三半导体激光器，11-第三耦合透镜组，12-第三二色镜，13-第三复合晶体，14-高频振荡电源，15-声光调Q开关，16-第四半导体激光器，17-第四耦合透镜组，18-第四二色镜，19-第四复合晶体。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式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方式。
一种基于环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器，包括多个泵浦装置、声光调Q开关15和全反镜5，相邻两个泵浦装置按照预设角度放置，泵浦装置包括半导体激光器和耦合透镜组，每个耦合透镜组的一侧均放置有复合晶体，耦合透镜组和复合晶体之间均放置有二色镜，多个二色镜构成环形谐振腔；声光调Q开关15位于复合晶体和二色镜之间，沿环形谐振腔内振荡光束的传播方向放置；全反镜5位于二色镜反射的光路上。谐振腔采用环形腔，谐振腔中二色镜反射未被完全吸收的泵浦光，增加了泵浦光的利用率。泵浦方式采用端面泵浦，使得泵浦光的模式和震荡光模式匹配效果好，产生的激光脉冲光束质量较高，调和了高激光输出功率和高光束质量之间的矛盾。
现有的泵浦方式普遍采用闪光灯侧面泵浦、半导体激光器侧面和端面泵浦，且谐振腔形状均为直形腔。由于闪光灯侧面泵浦Er:Cr:YSGG晶体，闪光灯发射谱线中仅有少部分被晶体吸收，其余转换为有害热，导致热透镜效应、热致双折射效应等。采用半导体激光器侧面泵浦Er:YSGG晶体，尽管注入的泵浦能量高，但是侧面泵浦模式匹配比较差，很难获得高光束质量激光输出；半导体激光器端面泵浦Er:YSGG晶体，泵浦光由聚光系统耦合到工作物质中，耦合损失少，使得泵浦效率较高，并且产生的振荡光的模式和泵浦光模式匹配效果好，使得产生的激光脉冲光束质量较高，但是目前采用单波长半导体激光器对一块晶体的一端进行泵浦，使得泵浦光的注入能量受到限制且泵浦光利用率低，进而导致输出激光功率较低。本发明基于Er:Cr:YSGG晶体中Er3+在970nm的吸收峰和Cr3+在450nm和654nm的吸收峰，采用三波长混合泵浦，提高了激光器的综合转换效率。采用端面泵浦方式，产生高质量的激光脉冲光束。该激光器在输出功率和光束质量两个相互制约的方面均得到了提高，再结合腔倒空技术，在声光调Q开关的高重复频率下大大压缩了激光的脉冲宽度。因此，采用本发明的技术方案能够获得更高重复频率、更窄脉宽、更稳定、更高功率和更高光束质量的脉冲激光。
作为本发明一个优选的实施例：复合晶体为Er:Cr:YSGG/YSGG，Er:Cr:YSGG/YSGG由Er:Cr:YSGG晶体两端键合YSGG晶体组成。工作物质采用三个Er:Cr:YSGG/YSGG复合晶体，增加泵浦光的注入能量，并且减小单个Er:Cr:YSGG/YSGG复合晶体中的最大热负载、温度以及热应力，有效减小激光器内部热效应。
采用多波长混合泵浦的方式泵浦Er:Cr:YSGG晶体。基于Er3+位于970nm特征吸收峰以及Cr3+位于450nm和654nm的特征吸收峰，通过Cr3+和Er3+间共振能量转移，采用450nm、654nm和970nm三个波长的半导体激光器端面泵浦Cr:Er:YSGG晶体。Cr3+通过吸收450nm和654nm的半导体激光，将处于基态4A2的Cr3+激发到4T1和4T2，然后Cr3+将能量转移到Er3+的上激光能级4I9/2或4I11/2，快速无辐射弛豫到4I11/2，最后4I11/2跃迁到能级4I13/2产生2.79μm的激光。此外，Er3+吸收970nm的半导体激光，将基态的Er3+直接激发到上能级4I11/2，然后处于上能级4I11/2跃迁到能级4I13/2产生2.79μm的激光。
作为本发明一个优选的实施例：复合晶体的外侧包裹有铟箔，铟箔安装在水冷的铜块内。
作为本发明一个优选的实施例：每个二色镜的双面均镀有970nm高透膜、654nm高透膜和450nm高透膜中的一种，每个二色镜在靠近复合晶体一面镀有2.79μm高反射率膜以及970nm高反射率膜、654nm高反射率膜和450nm高反射率膜中的一种。
作为本发明一个优选的实施例：声光调Q开关15的一端与高频振荡电源电连接，采用腔倒空技术，输出脉冲间的能量积累与储存发生在环形谐振腔内，输出重频和脉冲宽度不再受激光工作物质特性影响，主要由超声频率和腔长来决定，在声光调Q开关的高重复频率下大大压缩了激光的脉冲宽度。
作为本发明一个优选的实施例：声光调Q开关15采用TeO2作为声光晶体。
本发明的工作原理：声光调Q开关15和高频振荡电源14相连，当声光调Q开关15未加射频电信号时，半导体激光器发射的光通过耦合透镜组端面泵浦复合晶体，在环形谐振腔内建立起极强的激光振荡；第一个半导体激光器发出的未被利用的激光可以由第二个半导体激光器相对应的二色镜反射，从而泵浦与其相邻的复合晶体，增加了泵浦光的利用率。在腔内粒子数密度达到最大值后，声光调Q开关15上突然施加射频电信号形成超声场，激光束几乎全部发生偏转，偏转后的光束依次经过二色镜和全反镜5反射后输出，完成一次腔倒空激光输出，外加射频电信号周期性的变化，就获得了高重复频率和稳定高峰值功率的窄脉宽2.79μm脉冲激光。
实施例1：一种环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器，如图1所示，包括第一半导体激光器1、第二半导体激光器8、第三半导体激光器10、第一耦合透镜组2、第二耦合透镜组7、第三耦合透镜组11、第一二色镜3、第二二色镜6、第三二色镜12、第一复合晶体4、第二复合晶体9、第三复合晶体13、全反射镜5、高频振荡电源14和声光调Q开关15。
第一半导体激光器1、第二半导体激光器8和第三半导体激光器10分别为970nm半导体激光器、654nm半导体激光器和450nm半导体激光器，第一半导体激光器1、第二半导体激光器8和第三半导体激光器10发射的光分别通过第一耦合透镜组2、第二耦合透镜组7和第三耦合透镜组11端面泵浦第一复合晶体4、第二复合晶体9和第三复合晶体13；第一二色镜3、第二二色镜6和第三二色镜12构成三角形结构环形腔。
第一复合晶体4、第二复合晶体9和第三复合晶体13均为Er:Cr:YSGG/YSGG，其由Er:Cr:YSGG晶体两端键合YSGG晶体组成。Er:Cr:YSGG晶体来产生2.79μm的激光，YSGG晶体用来降低热效应和提高输出功率。三个Er:Cr:YSGG/YSGG复合晶体分别被铟箔包裹，安装在水冷的铜块中。
第一二色镜3双面镀970nm60度高透膜，靠近第一复合晶体4的一面镀2.79μm和450nm60度高反射率膜；第二二色镜6双面镀654nm60度高透膜，靠近第二复合晶体9的一面镀2.79μm和970nm60度高反射率膜；第三二色镜12双面镀450nm60度高透膜，靠近第三复合晶体13的一面镀2.79μm和654nm60度高反射率膜。第一半导体激光器1泵浦第一复合晶体4时，剩余的970nm激光可以由第二二色镜6反射从而泵浦第二复合晶体9；第二半导体激光器8泵浦第二复合晶体9时，剩余的654nm激光可以由第三二色镜12反射从而泵浦第三复合晶体13；第三半导体激光器10泵浦第三复合晶体13时，剩余的450nm激光可以由第一二色镜3反射从而泵浦第一复合晶体4，增加了泵浦光的利用率。
声光调Q开关15放置在第三复合晶体13和第一二色镜3之间，声光调Q开关15的一端和高频振荡电源14相连，当声光调Q开关15未加射频电信号时三角形结构谐振腔处于高Q值低损耗状态，在三角形结构谐振腔内建立起极强的激光振荡，但无输出，在腔内粒子数密度达到最大值后，在声光调Q开关15上突然施加射频电信号形成超声场，使激光束几乎全部发生偏转，偏转后的光束依次经过第一二色镜3和全反镜5反射后输出，完成一次腔倒空激光输出，外加射频电信号周期性的变化，就获得了高重复频率和稳定高峰值功率的窄脉宽2.79μm脉冲激光。
声光调Q开关15采用TeO2作为声光晶体，外加射频电信号为矩形波周期性变化。光束与超声波传播方向夹角满足布拉格方程siniB＝λ/2nλs(λ为光波波长，n为介质对光波的折射率，λs为声波波长，iB为布拉格衍射角)，此时较高级的衍射光就会消失，只剩下发生偏转的1级衍射光。
实施例2：一种环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器，如图2所示，包括包括第一半导体激光器1、第二半导体激光器8、第三半导体激光器10、第四半导体激光器16、第一耦合透镜组2、第二耦合透镜组7、第三耦合透镜组11、第四耦合透镜组17、第一二色镜3、第二二色镜6、第三二色镜12、第四二色镜18、第一复合晶体4、第二复合晶体9、第三复合晶体13、第四复合晶体19全反射镜5、高频振荡电源14和声光调Q开关15。
第四半导体激光器16为654nm半导体激光器，通过增加654nm半导体激光器数量，增加654nm泵浦光注入功率。
第一半导体激光器1、第二半导体激光器8、第三半导体激光器10和第四半导体激光器16发射的光分别通过第一耦合透镜组2、第二耦合透镜组7、第三耦合透镜组11和第四耦合透镜组17端面泵浦第一复合晶体4、第二复合晶体9、第三复合晶体13和第四复合晶体19。第一二色镜3、第二二色镜8、第三二色镜12和第四二色镜18构成正方形结构环形腔。
第一二色镜3双面镀970nm45度高透膜，靠近第一复合晶体4的一面镀2.79μm和654nm45度高反射率膜；第二二色镜8双面镀654nm45度高透膜，靠近第二复合晶体9的一面镀2.79μm和970nm45度高反射率膜；第三二色镜12双面镀450nm45度高透膜，靠近第三复合晶体13的一面镀2.79μm和654nm45度高反射率膜；第四二色镜18双面镀654nm45度高透膜，靠近第四复合晶体19的一面镀2.79μm和450nm45度高反射率膜。
第一半导体激光器1泵浦第一复合晶体4时，剩余的970nm激光可以由第二二色镜8反射从而泵浦第二复合晶体9；第二半导体激光器6泵浦第二复合晶体9时，剩余的654nm激光可以由第三二色镜12反射从而泵浦第三复合晶体13；第三导体激光器10泵浦第三复合晶体13时，剩余的450nm激光可以由第四二色镜18反射从而泵浦第四复合晶体19；第四半导体激光器16泵浦第四复合晶体19时，剩余的654nm激光可以由第一二色镜3反射从而泵浦第一复合晶体4，这样增加了泵浦光的利用率。
声光调Q开关15放置在第四复合晶体19和第一二色镜3之间，声光调Q开关15和高频振荡电源14相连，当声光调Q开关15未加射频电信号时，在正方形谐振腔内建立起极强的激光振荡；在腔内粒子数密度达到最大值后，声光调Q开关15上突然施加射频电信号形成超声场，激光束几乎全部发生偏转，偏转后的光束依次经过第一二色镜3和全反镜5反射后输出，完成一次腔倒空激光输出，外加射频电信号周期性的变化，就获得了高重复频率和稳定高峰值功率的窄脉宽2.79μm脉冲激光。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器，其特征在于，包括
多个泵浦装置，相邻两个所述泵浦装置按照预设角度放置，所述泵浦装置包括半导体激光器和耦合透镜组，每个所述耦合透镜组的一侧均放置有复合晶体，所述耦合透镜组和复合晶体之间均放置有二色镜，多个所述二色镜构成环形谐振腔；
声光调Q开关(15)，位于复合晶体和二色镜之间，并沿所述环形谐振腔内振荡光束的传播方向放置；
全反镜(5)，位于所述二色镜反射的光路上。
2.根据权利要求书1所述的一种基于环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器，其特征在于，所述复合晶体为Er:Cr:YSGG/YSGG，Er:Cr:YSGG/YSGG由Er:Cr:YSGG晶体两端键合YSGG晶体组成。
3.根据权利要求书2所述的一种基于环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器，其特征在于，所述复合晶体的外侧包裹有铟箔，所述铟箔安装在铜块内。
4.根据权利要求书1-3任一所述的一种基于环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器，其特征在于，每个所述二色镜的双面均镀有970nm高透膜、654nm高透膜和450nm高透膜中的一种，每个所述二色镜在靠近所述复合晶体一面镀有2.79μm高反射率膜以及970nm高反射率膜、654nm高反射率膜和450nm高反射率膜中的一种。
5.根据权利要求书4所述的一种基于环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器，其特征在于，
所述半导体激光器至少为三个，包括第一半导体激光器(1)、第二半导体激光器(8)和第三半导体激光器(10)；
所述二色镜(4)为三个，包括第一二色镜(3)、第二二色镜(6)和第三二色镜(12)；
所述复合晶体为三个，包括第一复合晶体(4)、第二复合晶体(9)和第三复合晶体(13)。
6.根据权利要求书5所述的一种基于环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器，其特征在于，所述第一半导体激光器(1)为970nm半导体激光器、所述第二半导体激光器(8)为654nm半导体激光器，所述第三半导体激光器(10)为450nm半导体激光器；
所述第一二色镜(3)、第二二色镜(6)和第三二色镜(12)双面分别镀有970nm60度高透膜、654nm60度高透膜和450nm60度高透膜，所述第一二色镜(3)在靠近与所述第一复合晶体(4)的一面镀有2.79μm高反射率膜以及450nm60度高反射率膜，所述第二二色镜(6)在靠近所述第二复合晶体(9)的一面镀有2.79μm高反射率膜以及970nm60度高反射率膜，所述第三二色镜(12)在靠近所述第三复合晶体(13)的一面分别镀有2.79μm高反射率膜以及654nm60度高反射率膜。
7.根据权利要求书5所述的一种基于环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器，其特征在于，还包括第四半导体激光器(16)、第四二色镜(18)和第四二复合晶体(19)。
8.根据权利要求书7所述的一种基于环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器，其特征在于，所述第四半导体激光器(16)为654nm半导体激光器；
所述第一二色镜(3)、第二二色镜(8)、第三二色镜(12)和第四二色镜(18)的双面分别镀有970nm45度高透膜、654nm45度高透膜、450nm45度高透膜和654nm45度高透膜，所述第一二色镜(3)在靠近与所述第一复合晶体(4)一面镀有2.79μm高反射率膜以及654nm45度高反射率膜，所述第二二色镜(8)在靠近与所述第二复合晶体(9)一面镀有2.79μm高反射率膜以及970nm45度高反射率膜，所述第三二色镜(12)在靠近所述第三复合晶体(13)一面分别镀有2.79μm高反射率膜以及654nm45度高反射率膜，所述第四二色镜(18)在靠近所述第四复合晶体(19)一面分别镀有2.79μm高反射率膜以及450nm45度高反射率膜。
9.根据权利要求书1所述的一种基于环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器，其特征在于，所述声光调Q开关(15)的一端与高频振荡电源电连接。
10.根据权利要求书7所述的一种基于环形腔混合端泵脉冲输出中红外激光器，其特征在于，所述声光调Q开关(15)采用TeO2作为声光晶体。
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