CN112467508B

CN112467508B - 一种窄脉宽激光器

Info

Publication number: CN112467508B
Application number: CN202110114365.7A
Authority: CN
Inventors: 彭艳红; 杨毅; 韩湖平
Original assignee: Sichuan Guangtianxia Laser Technology Co ltd
Current assignee: Sichuan Guangtianxia Laser Technology Co ltd
Priority date: 2021-01-28
Filing date: 2021-01-28
Publication date: 2021-06-08
Anticipated expiration: 2041-01-28
Also published as: CN112467508A

Abstract

本发明提供的一种窄脉宽激光器，属于固体激光器领域。包括依次设置的激光二极管泵浦源、光纤耦合器、聚焦透镜组、由激光介质和可饱和吸收体组成的组合体、热沉和冷却液，所述激光介质的通光长度为0.6~0.8 mm，所述可饱和吸收体的通光长度为0.2~0.4 mm，所述冷却液流经激光介质端面、组合体侧面和未被可饱和吸收体覆盖的热沉表面，使得组合体内的热梯度存在沿光轴方向的分量。所述窄脉宽激光器可实现100 ps~1 ns的窄脉宽激光输出，并缩小激光器体积；通过采用对组合体端面冷却和侧面冷却，以使得组合体内的热梯度存在沿光轴方向的分量，能有效减少热透镜的产生，进而提高输出功率。

Description

一种窄脉宽激光器

技术领域

本发明属于固体激光器领域，具体涉及一种窄脉宽激光器。

背景技术

皮秒激光器具有窄脉宽、高峰值功率、高重复频率的优点，在医学美容、制造加工、激光探测、光信息处理等领域具有广泛的应用。获得皮秒激光脉冲的方法包括锁模、使用受激布里渊散射（SBS）压缩脉冲和短腔长调Q技术等。采用锁模技术可以获得皮秒甚至飞秒量级脉宽的超短脉冲，但锁模皮秒激光器体积大，对外腔和结构稳定性的要求极高，输出稳定性易受温度、振动的影响。SBS压缩脉冲需要使用甲醇、苯、四氯化碳等液体或气体介质，会使得激光器的结构十分复杂，并且可能对人体有害。

Q开关技术常用于获得巨脉冲激光，包括主动调Q技术、被动调Q技术、腔倒空等，其中基于被动调Q技术的激光器因其不需要高压、快速电光驱动器或射频调制器，而具有使用简便、容易实现激光器的小型化等优点。现有的采用被动调Q的固体激光器脉宽还比较宽，比如当使用Nd：YAG晶体作为激光介质和Cr⁴⁺：YAG晶体作为可饱和吸收体时，脉宽一般还在几百皮秒。目前的微片激光器腔长较长，一般都在几毫米至十几毫米范围，导致激光输出脉宽较宽，进一步压缩腔长受到结构上的限制，不便于安装调试，或者受到散热效率的制约，晶体尺寸无法进一步做小。CN201610816362.7提出的一种集成化调Q激光器虽然压缩了腔长，但输出光路复杂，激光器体积较大，已失去微片激光器体积小的优势。

发明内容

本发明提出了一种窄脉宽激光器，解决现有固体激光器难以获得窄脉宽激光输出并且冷却效果不好的问题。

本发明具体技术方案如下：

一种窄脉宽激光器，包括依次设置的激光二极管泵浦源、光纤耦合器、聚焦透镜组、由激光介质和可饱和吸收体组成的组合体、热沉和冷却液，其特征在于，所述激光介质的通光长度为0.6~0.8 mm，所述可饱和吸收体的通光长度为0.2~0.4mm，所述冷却液流经激光介质端面、组合体侧面和未被可饱和吸收体覆盖的热沉表面，使得组合体内的热梯度存在沿光轴方向的分量。

进一步地，所述激光介质为Nd：Y₃Al₅O₁₂（Nd：YAG）晶体、铒玻璃、钕玻璃等材料。

进一步地，所述Nd：YAG晶体中Nd离子的掺杂浓度为1~1.2%。

进一步地，所述可饱和吸收体为Cr⁴⁺：Y₃Al₅O₁₂（Cr⁴⁺：YAG）晶体或Co：LaMgAl₁₁O₁₉（Co：LMA）晶体等材料。

进一步地，所述组合体的激光介质端面依次镀泵浦光波长增透膜和激光波长的高反膜。

进一步地，所述组合体的可饱和吸收体端面依次镀泵浦光波长的高反膜和与激光波长的半反膜。

进一步地，所述聚焦透镜组由两个凸透镜构成，匹配两个凸透镜的焦距使得泵浦光能聚焦在组合体中心。

进一步地，所述热沉内设有一个作为激光输出通道的通孔，孔径为约1 mm。

进一步地，所述光纤耦合器、聚焦透镜组、组合体与热沉内的通孔同轴设置。

本发明所得窄脉宽激光器的工作原理为：激光二极管泵浦源发出的泵浦光经光纤耦合器耦合后，被聚焦透镜组聚焦入射到组合体的激光介质端面；组合体被泵浦光泵浦后，激光工作介质辐射荧光，当通过可饱和吸收体的荧光功率密度增大到一定值后，其透射率陡然变大，此时组合体内部建立起Q开关脉冲；然后组合体所产生的激光从组合体的可饱和吸收体端面入射至热沉内的通孔，并射出；

同时采用流动的冷却液对激光介质端面、组合体侧面和未被可饱和吸收体覆盖的热沉表面进行冷却；组合体内被泵浦区域会产生大量的热，一部分的热被流经激光介质端面的冷却液冷却，即端面冷却，使得组合体被泵浦区域的热梯度存在沿光轴方向的分量，另一部分的热传导到组合体未被泵浦区域，被组合体未被泵浦区域冷却，即侧面冷却。而组合体内未被泵浦区域的冷却由流经激光介质端面的冷却液冷却、流经组合体侧面的冷却液冷却和冷却液流经未被可饱和吸收体覆盖的热沉表面后组合体对未被泵浦区域的传导冷却构成，因此组合体未被泵浦区域对组合体被泵浦区域的侧面冷却并非是均匀的，两侧相较于中间区域冷却效果更好，组合体被泵浦区域的侧面冷却非传统侧面冷却的效果，热梯度方向也存在沿光轴方向的分量。当热梯度存在沿光轴方向的分量时，能够减少组合体内部的热透镜的产生。

本发明的有益效果为：

1、本发明提出的窄脉宽激光器通过采用通光长度为0.6~0.8mm的激光介质和通光长度为0.2~0.4 mm的可饱和吸收体，组成腔长仅为约1 mm的组合体，实现100 ps~1ns的窄脉宽激光输出，并缩小激光器体积；

2、优选地，采用以Nd：YAG晶体为激光介质、Cr⁴⁺：YAG晶体为可饱和吸收体的窄脉宽激光器，可实现100 ps以下脉宽的激光输出；

3、本发明通过采用对组合体端面冷却和侧面冷却，以使得组合体内的热梯度存在沿光轴方向的分量，能有效减少热透镜的产生，进而提高输出功率；

4、本发明提出的窄脉宽激光器的重复频率由泵浦光的重复频率或功率直接决定，具有重复频率易控制的优点。

附图说明

图1为本发明实施例1提出的窄脉宽激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例1提出的窄脉宽激光器中组合体泵浦区域的热梯度示意图；

附图标记如下：

1. Nd：YAG晶体；2. Cr⁴⁺：YAG晶体；3. 激光二极管泵浦源；4. 光纤耦合器；5A. 聚焦透镜组中靠近光纤耦合器的凸透镜；5B. 聚焦透镜组中靠近组合体的凸透镜；6. 热沉；7. 冷却液；8. 组合体被泵浦区域。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本方明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

本实施例提供了一种窄脉宽激光器，结构如图1、2所示，包括依次设置的激光二极管泵浦源3、光纤耦合器4、聚焦透镜组、由通光长度为0.7 mm的Nd：YAG晶体1和通光长度为0.3 mm的Cr⁴⁺：YAG晶体2键合而成的组合体、热沉6和冷却液7；

所述组合体的Nd：YAG晶体1的长、宽均为3 mm，并在其端面依次镀808 nm增透膜和1064 nm高反膜；

所述组合体的Cr⁴⁺：YAG晶体2的长、宽均为3 mm，并在其端面依次镀808 nm高反膜和1064 nm半反膜，所述Cr⁴⁺：YAG晶体2端面通过铟焊固定在热沉6上；

所述聚焦透镜组由靠近光纤耦合器的凸透镜5A和靠近组合体的凸透镜5B组成，匹配两个凸透镜的焦距使得泵浦光能聚焦在组合体中心；

所述热沉6采用钨铜材料，热沉内设有一个作为激光输出通道的通孔，孔径为1mm；

所述光纤耦合器4、聚焦透镜组、组合体和热沉内的通孔同轴设置。

由于组合体被泵浦时将在内部积聚大量的热，温度上升，导致热透镜的产生，因此为了减少热透镜，需要对组合体进行冷却；组合体被泵浦时产生的热量首先从组合体被泵浦区域8（即图1所示的虚线框）传导到未被泵浦的区域，然后传导到热沉内，热沉内部热量扩散，实现热沉对组合体的冷却；本发明在靠近组合体的凸透镜5B和组合体之间设置有冷却液7流道，靠近组合体的凸透镜5B的一半嵌入冷却液7流道中，冷却液7流道覆盖Nd：YAG晶体1端面、组合体侧面和未被Cr⁴⁺：YAG晶体2覆盖的热沉6表面，以实现对Nd：YAG晶体1端面、组合体侧面和未被Cr⁴⁺：YAG晶体2覆盖的热沉6表面的冷却；冷却液7是流动的，流向如图1所示的虚线箭头方向。

本实施例采用波长为808 nm的激光二极管泵浦源3发出泵浦光，泵浦光经光纤耦合器4耦合后，被聚焦透镜组聚焦入射到组合体的Nd：YAG晶体1端面；组合体被泵浦光泵浦后，Nd：YAG晶体1辐射荧光，当通过Cr⁴⁺：YAG晶体2的荧光功率密度增大到一定值后，Cr⁴⁺：YAG晶体2的透射率陡然变大，此时组合体内部建立起Q开关脉冲；然后组合体所产生的激光从组合体的Cr⁴⁺：YAG晶体2端面入射至热沉6内的通孔，并射出；

同时采用冷却液对Nd：YAG晶体1端面、组合体侧面和未被Cr⁴⁺：YAG晶体2覆盖的热沉表面进行冷却。组合体内被泵浦区域8会产生大量的热，一部分的热被流经Nd：YAG晶体1端面的冷却液冷却，即端面冷却，使得组合体被泵浦区域8的热梯度存在沿光轴方向的分量，另一部分的热传导到组合体未被泵浦区域，被组合体未被泵浦区域冷却，即侧面冷却。而组合体内未被泵浦区域的冷却由流经Nd：YAG晶体1端面的冷却液冷却、流经组合体侧面的冷却液冷却和冷却液流经未被Cr⁴⁺：YAG晶体2覆盖的热沉表面后热沉对组合体未被泵浦区域的传导冷却构成，因此组合体未被泵浦区域对组合体被泵浦区域8的侧面冷却并非是均匀的，两侧相较于中间区域冷却效果更好，组合体被泵浦区域8被非泵浦区域的冷却非传统侧面冷却效果，热梯度方向也存在沿光轴方向的分量。热梯度存在沿光轴方向的分量时，能够减少组合体内部的热透镜的产生。考虑到相应材料的热传导系数和冷却面的大小，组合体被泵浦区域8（即图1所示的虚线框）的热梯度应如图2所示，可见，热梯度方向存在沿光轴方向的分量。

实验证明，当本实施例采用的激光二极管泵浦源3的波长为808 nm，功率为1 W，脉宽为200 μs，重复频率为1 kHz，激光介质Nd：YAG晶体1的钕离子掺杂浓度为1%，厚度为0.7mm，长、宽为3 mm，可饱和吸收体Cr⁴⁺：YAG晶体2的厚度为0.3 mm，长、宽为3 mm，初始透过率为80%，组合体可饱和吸收体端面镀的1064 nm半反膜的透过率为40%时，所得窄脉宽激光器能输出波长为1064 nm，单脉冲能量为10 μJ，脉宽为100 ps，重复频率为1 kHz，光束质量为M²<2的激光束。

实施例2

本实施例提供了一种窄脉宽激光器，包括依次设置的激光二极管泵浦源、光纤耦合器、聚焦透镜组、由通光长度为0.8 mm的铒玻璃和通光长度为0.2 mm的Co：LMA晶体键合而成的组合体、热沉和冷却液；其中，铒玻璃中铒的掺杂浓度为3%；Co：LMA晶体晶体初始透过率为95%；

所述组合体的铒玻璃的长、宽均为3 mm，并在其端面依次镀940 nm增透膜和1535nm高反膜；

所述组合体的Co：LMA晶体的长、宽均为3 mm，并在其端面依次镀940 nm高反膜和1535 nm、透过率为35%的半反膜，所述Co：LMA晶体端面通过铟焊固定在热沉上；

所述聚焦透镜组由两个凸透镜构成，匹配两个凸透镜的焦距使得泵浦光能聚焦在组合体中心；

所述热沉采用钨铜材料，热沉内设有一个作为激光输出通道的通孔，孔径为1 mm；

所述光纤耦合器、聚焦透镜组、组合体和热沉内的通孔同轴设置。

本实施例采用940 nm的激光二极管泵浦源对组合体进行泵浦，最终能实现脉宽为1ns的波长为1535 nm的激光输出。

实施例3

本实施例提供了一种窄脉宽激光器，包括依次设置的激光二极管泵浦源、光纤耦合器、聚焦透镜组、由通光长度为0.6 mm的Nd：YAG和通光长度为0.4 mm的Cr⁴⁺：YAG晶体键合而成的组合体、热沉和冷却液；其中Nd：YAG中钕离子的掺杂浓度为1%，Cr⁴⁺：YAG晶体初始透过率为90%；

所述组合体的Nd：YAG的长、宽均为3 mm，并在其端面依次镀808 nm增透膜和1064nm高反膜；

所述组合体的Cr⁴⁺：YAG晶体的长、宽均为3 mm，并在其端面依次镀808 nm高反膜和1064 nm透过率为40%的半反膜，所述Cr⁴⁺：YAG晶体端面通过铟焊固定在热沉上；

本实施例采用808 nm的激光二极管泵浦源对组合体进行泵浦，最终能实现脉宽为100 ps的波长为1064 nm的激光输出。

Claims

1.一种窄脉宽激光器，包括冷却液及依次设置的激光二极管泵浦源、光纤耦合器、聚焦透镜组、由激光介质和可饱和吸收体组成的组合体和热沉，其特征在于，所述激光介质的通光长度为0.6~0.8 mm，所述可饱和吸收体的通光长度为0.2~0.4 mm，所述冷却液流经激光介质端面、组合体侧面和未被可饱和吸收体覆盖的热沉表面，使得组合体内的热梯度存在沿光轴方向的分量，所述热沉采用钨铜材料，通过铟焊与可饱和吸收体固定。

2.根据权利要求1所述窄脉宽激光器，其特征在于，所述激光介质为Nd：YAG晶体、铒玻璃或钕玻璃。

3.根据权利要求1所述窄脉宽激光器，其特征在于，所述可饱和吸收体为Cr⁴⁺：YAG晶体或Co：LMA晶体。

4.根据权利要求1所述窄脉宽激光器，其特征在于，所述组合体的激光介质端面镀泵浦光波长增透膜和激光波长的高反膜。

5.根据权利要求1所述窄脉宽激光器，其特征在于，所述组合体的可饱和吸收体端面镀泵浦光波长的高反膜和与激光波长的半反膜。

6.根据权利要求1所述窄脉宽激光器，其特征在于，所述热沉内设有一个通孔，孔径为1mm。

7.根据权利要求1所述窄脉宽激光器，其特征在于，所述光纤耦合器、聚焦透镜组、组合体与热沉内的通孔同轴设置。