CN112448254A - 一种布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器 - Google Patents

一种布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器，在激光光轴上依次放置反射式布拉格体光栅、平凹透镜、小孔光阑、第一Nd：YAG晶体侧泵模块、90°石英旋光片、第二Nd:YAG晶体侧泵模块、偏振分光棱镜、偏硼酸钡电光调Q晶体、平凸全反镜等部件。以90°石英旋光片补偿了双棒串接的热效应，腔内通过设置负透镜来增大谐振腔的基膜尺寸，反射式布拉格体光栅充当谐振腔的半反镜耦合输出，获得了高光束质量、窄线宽激光。需要本发明通过特殊的腔型设计以及反射式布拉格体光栅技术的运用，在最小的设计空间内，使用了较少的光学元件，得到光束质量好的窄线宽激光输出，其体积小、结构紧凑，安装调试简便，工程上应用的价值性高。

Description

一种布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器
技术领域
本发明属于全固态固体激光器技术领域，涉及一种布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器，特别是涉及一种基于双棒串接构型的平凸非稳腔、以及反射式布拉格体光栅RBG作为谐振腔腔镜来实现高功率、高光束质量、窄线宽的激光器。
背景技术
双棒串接式的构型是为了获得高功率激光输出的常用方法，但是要在高功率输出下兼具良好的光束质量和窄线宽的激光特性，则需要通过腔内横模与纵模的模式控制措施。
从激光横模角度上看，使用小孔光阑选模法，能减少腔内的菲涅耳系数，提高腔内的模式鉴别能力，尽可能扩大腔内的基横模尺寸。
布拉格体光栅耦合输出技术，是腔内的纵模模式控制的关键元件，布拉格体光栅中心波长两侧窄带宽内的纵模才能具有高效的衍射效率，其增益高，起振阈值低，损耗低，在模式竞争中处于优势，能达到控制谐振腔输出光谱线宽的作用。
双棒串接谐振腔多基于90°石英旋光片对侧泵模块的热致双折射效应进行补偿，然后设计4f系统谐振腔、或者内置望远镜等方式来控制腔内的基模尺寸，但是此种方式的结构复杂，腔内的光学元件较多，腔长较长，不适合工程上应用。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器，通过运用激光器领域内双棒串接热效应补偿法、非稳定谐振腔设计、小孔光阑选模、布拉格体光栅耦合输出等各项关键技术，获得了能实现高重频工作、高光束质量输出、窄线宽激光输出的激光器。通过腔型的特殊设计，使用了最少的光学元器件获得了较好的光束性能的激光输出。
技术方案
一种布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器，其特征在于包括在激光光轴上依次放置的布拉格体光栅1，平凹透镜2，小孔光阑3，第一Nd：YAG晶体侧泵模块4，90°石英旋光片5，第二Nd:YAG晶体侧泵模块6，偏振分光棱镜7，偏硼酸钡BBO电光调Q晶体8和平凸全反镜9；其中：平凹透镜2的凹面曲率半径R＝800mm，焦距f＝-1600mm；平凸全反镜9凸面的曲率半径R＝1100mm；布拉格体光栅1与平凹透镜的距离L1＝20mm；平凹透镜2与第一Nd:YAG侧泵模块前端面的距离L2＝91mm；第一Nd:YAG侧泵模块后端面距离第二Nd:YAG侧泵模块前端面L3＝33mm；第二Nd:YAG侧泵模块后端面距离平凸全反镜9的光学腔长L4＝111mm。
所述布拉格体光栅1是正入射反射式布拉格体光栅，其衍射效率为75％，在22℃环境下的中心波长为1064.2nm，衍射带宽FWHM≤0.035nm，晶体尺寸为5mm×5mm×20mm。
所述的第一Nd:YAG晶体侧泵模块4和第二Nd:YAG晶体侧泵模块6采用了3对称式泵浦结构；激光棒尺寸为φ5.5mm×94mm，Nd3+粒子的掺杂浓度为0.7at％，LD阵列泵浦注入的峰值功率为600W，泵浦占空比为20％，重复频率为1kHz，侧泵模块通过恒温22℃的冷却水进行温控，温控精度为±0.1℃，在该工作条件下实测侧泵模块的热透镜焦距f＝1400mm，工作物质在该温控条件下受激发射激光的光谱中心波长为与光栅中心波长匹配的1064.2nm，线宽为0.1nm。
所述的小孔光阑直径为φ3mm。
所述小孔光阑3为中空毛玻璃。
所述的90°石英旋光片采用无应力的粘接方式。
所述平凸全反镜9的凸面镀1064nm全反射膜，反射率R≥99.8％。
所述偏硼酸钡BBO电光调Q晶体8的尺寸为7mm×7mm×25mm，四分之一波电压为6.5kV，需要采用预偏置的方式进行调Q关门。
所述的偏振分光棱镜7对P方向偏振光的透过率：≥95％，S光的反射率：≥99.5％，激光损伤阈值：≥800MW/cm2。
所述布拉格体光栅1是由美国OptiGrate公司生产。
有益效果
本发明提出的一种布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器，基于双棒串接构型进行了一种平-凸谐振腔的设计，使用90°石英旋光片补偿了双棒串接的热效应，腔内通过设置负透镜来增大谐振腔的基膜尺寸，反射式布拉格体光栅RBG充当谐振腔的半反镜耦合输出，获得了高光束质量、窄线宽激光。需要在激光光轴上依次放置反射式布拉格体光栅(RBG)、平凹透镜、小孔光阑、第一Nd：YAG晶体侧泵模块、90°石英旋光片、第二Nd:YAG晶体侧泵模块、偏振分光棱镜PBS、偏硼酸钡BBO电光调Q晶体、平凸全反镜等部件。
本发明先在特定温控条件和泵浦功率的注入下，对Nd:YAG晶体侧泵模块进行了热透镜焦距的测量和受激辐射光谱的测定，然后基于上述测试结果对平-凸非稳定谐振腔进行设计，在保证整体结构设计紧凑，使用最少的光学元件的要求下实现了平均功率20W、重复频率1kHz、发散角2.6mrad、激光线宽0.035nm的高光束质量、窄线宽激光输出。
本发明的优点是：
本发明通过特殊的腔型设计以及反射式布拉格体光栅技术的运用，在最小的设计空间内，使用了较少的光学元件，得到光束质量好的窄线宽激光输出，其体积小、结构紧凑，安装调试简便，工程上应用的价值性高。
附图说明
图1：激光器整体构型图
附图1激光器整体构型图。其中：1——布拉格体光栅，2——平凹透镜，3——小孔光阑，4——第一Nd:YAG晶体侧泵模块，5——90°石英旋光片，6——第二Nd:YAG晶体侧泵模块，7——偏振分光棱镜，8——偏硼酸钡BBO电光调Q晶体，9——平凸全反镜。
图2：双棒串接式平凸谐振腔构型图
其中A——反射式布拉格体光栅RBG工作面等效成一个平面，B——平凹透镜等效成一个等焦距的双凹负透镜，C——第一Nd:YAG晶体侧泵模块和第二Nd:YAG晶体侧泵模块等效成中间具有一个正的热透镜，两端是棒一半的YAG晶体折射率为1.82，D——平凸全反镜等效成曲率相同的一个凸面。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
布拉格体光栅RBG耦合输出的双棒串接式激光器，其包括：布拉格体光栅1，平凹透镜2，小孔光阑3，第一Nd：YAG晶体侧泵模块4，90°石英旋光片5，第二Nd:YAG晶体侧泵模块6，偏振分光棱镜7，偏硼酸钡BBO电光调Q晶体8，平凸全反镜9。
传统的准连续QCW的侧泵模块在工作时会对固体激光棒产生严重的热效应，包括热致双折射引起的热退偏效应、热透镜效应等，当激光谐振腔内放置偏振器件，如偏振分光棱镜7时，激光输出的光斑呈现出十字形，光束质量差，转化效率低，使用90°石英旋光片5对两个掺杂浓度相同，泵浦构型相同的第一Nd:YAG晶体侧泵模块4和第二Nd:YAG晶体侧泵模块6的进行了热退偏效应的补偿。
通过He-Ne光聚焦法测量了第一Nd:YAG晶体侧泵模块在工作条件下的热焦距值f＝1400mm，由于布拉格体光栅1充当谐振腔的半反镜，其面型为平面，因此平凸全反镜9设计了特殊的曲率R＝1100mm，构成了平凸非稳定谐振腔，并且在腔内增加了平凹负透镜2其焦距f＝-1600mm来增大谐振腔内的基模光斑尺寸，基模光斑尺寸变大能降低激光器的发散角，获得好的光束质量。
激光器的模式方面控制包括，横模和纵模的控制上，横模方面，在第一Nd:YAG晶体侧泵模块4的激光棒前端位置放置了小孔光阑3来增大谐振腔的损耗，降低了激光的转化效率，但是进一步限制谐振腔内横模的起振个数。纵模方面，选用了布拉格体光栅1来使得腔内衍射带宽内的纵模具有高的增益从而利于振荡，其余纵模则被抑制，实现窄光谱的激光输出。整个激光器工作在1kHz重频，选用了偏硼酸钡BBO电光调Q晶体8通过预偏置的方式进行电光调Q，该激光器最终能实现1kHz重频、输出功率20W、激光线宽FWHM为0.035nm、脉冲宽度40ns、发散角2.6mrad的指标。
所述平凹透镜2前后通光面需镀1064nm增透膜，T≥99.8％，其凹面曲率半径R＝800mm，透镜焦距f＝-1600mm。
所述小孔光阑3为中空的毛玻璃，小孔光阑尺寸为Ф10mm×2mm，其中通光光阑的直径为Ф3mm。
所述90°石英选光片5需采用无应力粘接方式固定，任意方向的线偏振光通过后偏振方向选择90°。90°石英旋光片尺寸为Ф12.7mm×14.2mm，通光面镀1064nm增透膜。
所述偏振分光棱镜7对P光的透过率≥95％，S光的反射率≥99.5％，损伤阈值：≥800MW/cm2。偏振分光棱镜尺寸为12mm×12mm×12mm，通光面镀1064nm增透膜，胶合面镀偏振分光膜。
所述的平凸透镜9的凸面曲率半径R＝1100mm，凸面镀全反射膜，反射率R≥99.8％。平凹透镜的尺寸为Ф16mm×5mm，通光面需镀1064nm增透膜，凹面曲率半径为800mm，焦距f＝-1600mm，与布拉格体光栅的距离L1＝20mm，与第一Nd:YAG晶体侧泵模块前端面的距离L2＝91mm。平凸全反镜与第二Nd:YAG侧泵模块后端面的光学腔长L4＝111mm。
所述的偏硼酸钡BBO电光调Q晶体8，采用预偏调制方式进行关门，尺寸为7mm×7mm×25mm，四分之一波电压为6.5kV，通光面镀1064nm增透膜和高损伤阈值膜。
所述的第一Nd:YAG晶体侧泵模块4和第二Nd:YAG晶体侧泵模块的6采用了相同的三对称式泵浦构型，工作物质为Nd:YAG晶体，Nd3+离子的掺杂浓度为0.7at％，为了扩大散热表面，激光棒的尺寸选择为Ф5.5mm×94mm，单个模块中LD泵浦阵列的额定峰值功率为600W，在该泵浦功率下，模块温控在22℃时实测的热焦距值为1400mm，受激发射波长为1064.2nm与RBG中心波长相匹配能获得较高的效应，激光自然输出时线宽FWHM为0.1nm。
所述布拉格体光栅1为正入射的反射式布拉格体光栅，由美国OptiGrate公司生产，衍射效率为75％，在环境温度为22℃时，中心波长为1064.2nm，与侧泵模块实现高的波长匹配。其衍射带宽FWHM为0.035nm，布拉格体光栅的尺寸大小：5mm×5mm×20mm，通光面镀1064nm增透膜与抗激光损伤膜，衍射效率为75％，光谱线宽FWHM为0.035nm。
第二Nd:YAG晶体侧泵模块与第一Nd:YAG晶体侧泵模块完全相同,第二Nd:YAG侧泵模块前端面距离第一Nd:YAG侧泵模块后端面L3＝33mm。
此激光器的组装过程如下：首先，安装90°石英旋光片5，需要注意的是该部件在安装过程中不能存在任何的应力，可以用胶粘的方式进行固定，以90°石英旋光片为光轴基准，在其两侧先分别安装第一Nd：YAG晶体侧泵模块4和第二Nd:YAG晶体侧泵模块6，使得两个侧泵模块中的激光棒中心与光轴重合，然后安装偏振分光棱镜7和平凹透镜2，使得两个部件的通光中心与光轴重合，接着安装小孔光阑3，小孔光阑3的光阑中心需要与第一Nd:YAG晶体侧泵模块的激光棒中心重合，然后安装平凸全反镜8，平凸全反镜8凸面中心需要与光轴重合，此后安装布拉格体光栅1，对第一Nd:YAG晶体侧泵模块4和第二Nd:YAG晶体侧泵模块6串联进行供电，工作重频为1kHz，放电脉冲宽度为200μs，两个模块输出的泵浦总峰值功率为1.2kW，两个侧泵模块水路并联，通过恒温温控的水进行温控，水温温控为22℃，精度为±0.1℃。精确调节布拉格光栅1的俯仰和偏摆，使得激光静态输出时的能量达至最大，然后关闭激光电源，安装BBO电光调Q晶体8，将BBO电光调Q晶体调节至预偏关门的位置此时静态激光输出的能量最小并通过DG-3胶粘接固定，保证整个BBO晶体部件没有应力。

Claims (10)

1.一种布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器，其特征在于包括在激光光轴上依次放置的布拉格体光栅(1)，平凹透镜(2)，小孔光阑(3)，第一Nd：YAG晶体侧泵模块(4)，90°石英旋光片(5)，第二Nd:YAG晶体侧泵模块(6)，偏振分光棱镜(7)，偏硼酸钡BBO电光调Q晶体(8)和平凸全反镜(9)；其中：平凹透镜(2)的凹面曲率半径R＝800mm，焦距f＝-1600mm；平凸全反镜(9)凸面的曲率半径R＝1100mm；布拉格体光栅(1)与平凹透镜的距离L1＝20mm；平凹透镜(2)与第一Nd:YAG侧泵模块前端面的距离L2＝91mm；第一Nd:YAG侧泵模块后端面距离第二Nd:YAG侧泵模块前端面L3＝33mm；第二Nd:YAG侧泵模块后端面距离平凸全反镜(9)的光学腔长L4＝111mm。
2.根据权利要求1所述布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器，其特征在于：所述布拉格体光栅(1)是正入射反射式布拉格体光栅，其衍射效率为75％，在22℃环境下的中心波长为1064.2nm，衍射带宽FWHM≤0.035nm，晶体尺寸为5mm×5mm×20mm。
3.根据权利要求1所述布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器，其特征在于：所述的第一Nd:YAG晶体侧泵模块(4)和第二Nd:YAG晶体侧泵模块(6)采用了3对称式泵浦结构；激光棒尺寸为φ5.5mm×94mm，Nd3+粒子的掺杂浓度为0.7at％，LD阵列泵浦注入的峰值功率为600W，泵浦占空比为20％，重复频率为1kHz，侧泵模块通过恒温22℃的冷却水进行温控，温控精度为±0.1℃，在该工作条件下实测侧泵模块的热透镜焦距f＝1400mm，工作物质在该温控条件下受激发射激光的光谱中心波长为与光栅中心波长匹配的1064.2nm，线宽为0.1nm。
4.根据权利要求1所述布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器，其特征在于：所述的小孔光阑直径为φ3mm。
5.根据权利要求1或4所述布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器，其特征在于：所述小孔光阑(3)为中空毛玻璃。
6.根据权利要求1所述布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器，其特征在于：所述的90°石英旋光片采用无应力的粘接方式。
7.根据权利要求1所述布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器，其特征在于：所述平凸全反镜(9)的凸面镀1064nm全反射膜，反射率R≥99.8％。
8.根据权利要求1所述布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器，其特征在于：所述偏硼酸钡BBO电光调Q晶体(8)的尺寸为7mm×7mm×25mm，四分之一波电压为6.5kV，需要采用预偏置的方式进行调Q关门。
9.根据权利要求1所述布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器，其特征在于：所述的偏振分光棱镜(7)对P方向偏振光的透过率：≥95％，S光的反射率：≥99.5％，激光损伤阈值：≥800MW/cm2。
10.根据权利要求1或2所述布拉格体光栅耦合输出的双棒串接式激光器，其特征在于：所述布拉格体光栅(1)是由美国OptiGrate公司生产。
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