CN113131320A - 一种铒玻璃平面波导被动调q激光器 - Google Patents

一种铒玻璃平面波导被动调q激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铒玻璃平面波导被动调Q激光器，采用铒玻璃平面波导结构，泵浦光入射后在波导结构中经过多次反射被近乎全部吸收，可以有效提高泵浦吸收效率。内包层选择对1.5μm波长的激光有极高吸收的材料，通过阻断自激振荡回路的方式，抑制ASE，提高脉冲输出能量。外包层采用大面设计，将增益介质内部的热沉积有效传递，减小热效应。本发明的新型增益介质模块采用热键合技术制备，可靠性强。本发明具有体积小，结构稳定紧凑，成本低廉的优势，易于实现工程应用。

Description

一种铒玻璃平面波导被动调Q激光器
技术领域
本发明涉及固体被动调Q激光器领域，具体涉及一种铒玻璃平面波导被动调Q激光器。
背景技术
激光测距是一种应用广泛的技术，激光在测距中使用的波长有1.06μm、1.5μm以及10.6μm等，相比于1.06μm和10.6μm波段，1.5μm波段的激光拥有极大的优势。1.5μm波段是人眼最安全的波长，对人眼的允许曝光量是1.06μm波段的激光的40万倍，是10.6μm波段的激光的100倍；1.5μm波长处于1.5-1.8μm的大气传输窗口，对烟、雾的穿透能力强；1.5μm波段激光的太阳光辐照度仅相当于1.06μm的40％，有利于降低接收器的背景噪声，提高目标与背景的对比度，在相同条件下测距能力更强。
随着三维激光雷达、无人机激光测距等技术的快速发展，将在目标寻找、避障和安全监控等高速三维图像或数据获取的领域发挥重要作用。激光测距技术对于激光器主要在能量和重频两方面有严格要求。输出能量越大，发散角越小，测程越远；重频越高，测距精度越高，可靠性越强。目前常用的端面泵浦铒玻璃被动调Q微型激光器，可以获得百μJ量级的单脉冲能量，测距距离一般为十几公里。提高窄脉冲激光输出能量将增加测距机的测距距离。但是，目前实现1.5μm激光输出的几种激光器中，掺铒光纤激光器由于芯径限制，输出峰值功率较低，且尺寸较大，制约了其在小尺寸测距机中应用；以半导体激光器为泵浦源，采用侧面泵浦的棒状、方形柱状铒玻璃激光器，热效应严重，且体积较大，限制其在小尺寸测距机中的应用；以半导体激光器为泵浦源，采用端面泵浦的棒状、方形柱状铒玻璃激光器，泵浦端面光功率密度较高，泵浦吸收不均匀，热透镜效应较严重，且随着增益介质长度增加存在再吸收现象，限制了输出脉冲能量的增加。
针对现有激光器存在的不足，本发明设计了一款毫焦量级被动调Q铒玻璃平面波导激光器，具有输出能量大、体积小、稳定性高等特点。满足人眼安全测距机大脉冲能量应用要求。采用热键合技术，制备了铒镱共掺磷酸盐玻璃激光器新型增益介质模块。
发明内容
本发明提供一种铒玻璃平面波导被动调Q激光器，以改进现有技术中LD泵浦铒玻璃激光器存在的体积大、效率低、能量小等问题，实现大能量、小体积、结构稳定紧凑的特点。
本发明的铒玻璃平面波导被动调Q激光器主要包括：增益介质模块1、泵浦源2、泵浦源耦合系统3。泵浦源2经过泵浦源耦合系统3，对LD快轴方向输出激光进行压缩聚焦后入射进入增益介质模块1，利用增益介质模块1侧面镀有940nm波长反射膜完成多次反射，增益介质充分吸收泵浦光，内包层阻断自激振荡的回路，抑制ASE；利用增益介质模块1左端所镀1535nm波长全反膜，右端所镀1535nm波长部分反射膜构成谐振腔结构，产生激光振荡，从增益介质模块1的右端获得激光输出。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种大能量、小型化、结构稳定紧凑的铒玻璃平面波导被动调Q激光器，如图1。主要包括增益介质模块1、泵浦源2、泵浦源耦合系统3。
所述增益介质模块1为铒玻璃平面波导与调Q晶体的键合模块，铒玻璃平面波导为一个双包层平面波导结构，芯层为铒镱共掺磷酸盐玻璃，内包层为掺钴硅酸盐玻璃，外包层为K9光学玻璃，调Q晶体为掺钴尖晶石。内包层选择对1.5μm波长的激光有极高吸收的掺钴硅酸盐玻璃，通过阻断自激振荡回路的方式，抑制ASE，提高脉冲输出能量。设计角度及材料尺寸使泵浦光在波导内多次反射，保证泵浦光被充分吸收。通过热键合技术将铒镱共掺磷酸盐玻璃、掺钴硅酸盐玻璃、K9光学玻璃及掺钴尖晶石等光学材料制备为一体结构，在增益介质模块左端面为镀1535nm波长全反膜，右侧端面镀1535nm波长部分反射膜，在增益介质模块侧面泵浦光入射面镀940nm波长增透膜，其余面镀940nm波长全反膜。如图2。
所述的泵浦源为940nm半导体巴条激光器。
所述的泵浦耦合系统将半导体泵浦光通过一个柱透镜，对LD快轴方向输出激光进行压缩聚焦后进入激光增益介质，其中聚焦光斑大小保证泵浦光在波导内传输。
与现有的激光器相比，本发明用全新的结构实现了大能量、小体积、结构紧凑稳定的被动调Q激光器的目标，本发明具有如下优点：
1、本发明采用双包层铒玻璃波导结构，泵浦光经过多次反射后被增益介质大量吸收，从而有效提高泵浦吸收效率。
2.本发明设计的双包层铒玻璃波导结构，内包层选择对1.5μm波长的激光有极高吸收的材料，通过阻断自激振荡回路的方式，抑制ASE，提高脉冲输出能量。
3、本发明设计的新型增益介质模块，采用双包层铒玻璃波导结构，将增益介质内部的热沉积有效传递，改善热效应管理。
4、本发明采用新型增益介质模块，将平面波导与被动调Q晶体键合成一体结构，降低损耗，结构更加紧凑稳定，易于实现小型化。
此外本发明整体结构成本低，具有实质性的特点和显著进步，本发明所述的方法可以广泛应用于人眼安全激光器中，易于实现小型化、大能量的目标，实现工程应用。
附图说明
图1是铒玻璃平面波导被动调Q激光器方案示意图。
图1中：1、新型增益介质模块，2、泵浦源。
图2是增益介质模块结构与尺寸图(左为主视图，右为侧视图)。
图3是泵浦耦合系统效果图。
图4是增益介质模块光线反射路径图。
具体实施方式
下面结合附图1至图4对本发明的铒玻璃平面波导被动调Q激光器的内容作进一步说明：
图1是铒玻璃平面波导被动调Q激光器方案示意图。图中1、新型增益介质模块，2、泵浦源，3、泵浦耦合系统。所述增益介质模块为铒玻璃平面波导与调Q晶体键合模块，铒玻璃平面波导为一个双包层平面波导结构，芯层为铒镱共掺磷酸盐玻璃，内包层为掺钴硅酸盐玻璃，外包层为K9光学玻璃，调Q晶体为掺钴尖晶石。内包层选择对1.5μm波长的激光有极高吸收的掺钴硅酸盐玻璃，通过阻断自激振荡回路的方式，抑制ASE，提高脉冲输出能量。通过热键合技术将铒镱共掺磷酸盐玻璃、掺钴硅酸盐玻璃及K9光学玻璃三种光学材料制备为平面波导结构，通过热键合技术将双包层平面波导与调Q晶体制备成一体结构，在增益介质模块左端面为镀1535nm波长全反膜，右侧端面镀1535nm波长部分反射膜，在增益介质模块侧面泵浦光入射端面镀940nm波长增透膜，其余面镀940nm波长全反膜。泵浦光由入射端面进入后，泵浦光在增益介质模块中多次反射，从而被充分吸收，经过激光振荡产生激光输出。
泵浦源为中心波长940nm(非晶体吸收峰值)巴条半导体激光器(940±5nm)。
泵浦耦合系统将半导体泵浦光通过柱透镜，对LD快轴方向输出激光进行压缩聚焦后进入激光增益介质，保证泵浦光在波导内传输。
图2是增益介质模块结构与尺寸图，其中铒玻璃(4)的宽度为0.8mm，钴玻璃(5)厚度为0.1mm，K9光学玻璃(6)的宽度为3mm，入射端面切角为76°，泵浦光入射方向另一端面切角为70°，平面波导的厚度为1mm，平面波导的长度为10mm，调Q晶体掺钴尖晶石晶体(7)长度为2mm，厚度为1mm，宽度为7mm。
图3为泵浦光耦合系统效果图，泵浦光斑耦合前大小为0.8mm*10mm，快轴方向发散角为17.5°，慢轴方向发散角为8°，经过微透镜耦合后，光斑大小为0.13mm*10mm，快轴方向发散角为0.5°，慢轴方向发散角为8°。
图4为增益介质模块光线反射路径图，泵浦光经泵浦光耦合系统后，经过入射窗口，非垂直进入增益介质模块，在反射结构作用下，在增益介质模块内多次反射，保证了泵浦光被有效充分吸收，经过zemax软件追迹仿真，泵浦光吸收效率达到92％以上。
本发明提供一种铒玻璃平面波导被动调Q激光器，实现mJ级能量输出、小体积、结构稳定紧凑的特点。采用平面波导结构，通过泵浦光的多次反射，保证泵浦光被多次吸收，实现了高增益和高效率；采用对1.5μm附近的波段有效吸收的材料为内包层，抑制了ASE；采用热键合方式制备，热键合复合晶体将增益介质内部的热沉积有效传递，改善热效应管理减小热效应，提高光束质量；制备成一体化的增益介质模块，相比于分离器件激光器，体积小，结构更稳定紧凑。当泵浦光光输入脉冲宽度3ms，单脉冲能量210mJ时，获得脉冲能量2mJ，脉宽6ns、光束质量M2为1.5的激光输出。本发明所述的新型增益介质模块可以广泛应用于人眼安全激光器中，易于实现小型化、大能量的目标，实现工程应用。

Claims (9)

1.一种铒玻璃平面波导被动调Q激光器，其特征在于：包括增益介质模块、泵浦源、泵浦源耦合系统。所述的泵浦源为940nm半导体巴条激光器。
所述的泵浦耦合系统将半导体泵浦光通过一个柱透镜，对LD快轴方向输出激光进行压缩聚焦后进入激光增益介质，其中聚焦光斑大小保证泵浦光在波导内传输。
2.根据权利要求1所述的一种铒玻璃平面波导被动调Q激光器，其特征在于：所述增益介质模块为铒玻璃平面波导与调Q晶体的键合模块，铒玻璃平面波导为一个双包层平面波导结构，芯层为铒镱共掺磷酸盐玻璃，内包层为掺钴硅酸盐玻璃，外包层为K9光学玻璃，调Q晶体为掺钴尖晶石。通过热键合将铒镱共掺磷酸盐玻璃、掺钴硅酸盐玻璃、K9光学玻璃及掺钴尖晶石光学材料制备为一体结构。
3.根据权利要求1所述的一种铒玻璃平面波导被动调Q激光器，其特征在于：增益介质模块为铒玻璃平面波导与调Q晶体键合模块，铒玻璃平面波导为一个双包层平面波导结构。
4.根据权利要求1所述的一种铒玻璃平面波导被动调Q激光器，其特征在于：内包层材料采用的是对1.5μm有吸收、对泵浦光无吸收的掺钴硅酸盐玻璃(5)，阻断自激振荡的回路，抑制ASE，提高脉冲输出能量。
5.根据权利要求1所述的一种铒玻璃平面波导被动调Q激光器，其特征在于：增益介质模块为一体结构，结构紧凑稳定。
6.根据权利要求1所述的一种铒玻璃平面波导被动调Q激光器，其特征在于：泵浦源(2)经过泵浦源耦合系统(3)，对LD快轴方向输出激光进行压缩聚焦后进入增益介质模块(1)，通过增益介质模块镀有反射膜完成多次反射，在增益介质模块内产生激光振荡，从增益介质模块(1)的右侧调Q晶体端面产生激光输出。
7.根据权利要求1所述的一种铒玻璃平面波导被动调Q激光器，其特征在于：所述的泵浦耦合系统(3)对LD快轴方向输出激光进行聚焦准直后进入增益介质模块(1)。
8.根据权利要求1所述的一种铒玻璃平面波导被动调Q激光器，其特征在于：泵浦光进入增益介质模块(1)后，设计多次反射光路，提高泵浦吸收效率。
9.根据权利要求1所述的一种铒玻璃平面波导被动调Q激光器，其特征在于：所述的增益介质模块(1)，在泵浦源快轴方向，增益介质模块(1)左侧端面为镀1535nm波长全反膜，右侧端面镀1535nm波长半增半透膜，在泵浦光入射端面镀940nm波长增透膜，其余面镀940nm波长全反膜。
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