CN113206429A - 一种小型化固体激光器 - Google Patents

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张普
雷健
关鹏
朱香平
韦永林
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Abstract

本公开是关于小型化小型化固体激光器，属于激光技术领域，用于解决现有激光器必须温控、体积大、抗失调性和稳定性差的问题。本发明提供的小型化固体激光器包括泵浦源、激光谐振腔和固体增益介质，所述泵浦源采用多组不同中心波长的bar条共同组成的半导体激光二极管阵列。本申请能够提供一种小型化、抗失调、免温控、双程倍频的纳秒级固体激光器。

Description

一种小型化固体激光器
技术领域
本公开涉及激光技术领域，尤其涉及一种小型化固体激光器。
背景技术
固态纳秒激光器具有较高的峰值功率和较窄的脉冲宽度，在精密测量、车载系统、激光雷达系统、航空系统、LIBS系统和卫星制导中有着广泛的应用。尤其是在军工方面的应用对激光发射源的要求十分之高。
但是，现有的固体激光器主要存在以下问题：
1、必须进行温控但温控装置由不利于小型化：LD具有输出光波长随着温度漂移而变化的温度特性。目前绝大多数的激光器都采用单波长泵浦，激光器的波长极其依赖于环境温度，如果环境温度与激光器工作温度范围相差较大，会导致输出波长振荡频率漂移、输出光斑质量变差以及输出功率的不稳等现象，因此激光器工作时必须配有复杂的温控装置对LD与激光晶体进行温度控制，但增加激光器的温控装置将增加激光器的整机体积和功耗。
2、抗失调性差：普通腔型的激光二极管抽运固体激光器在恶劣环境条件下易产生机械变形。目前，绝大多数的激光设备尤其是军用激光装备(如激光测距机及目标指示器等)都采用最简单谐振腔平行平面直腔结构，激光器谐振腔在恶劣环境下其平行度易变化，从而导致光束质量劣化和输出能量急剧下降，甚至失谐停止输出。现有的固体激光器在使用和维修过程中已暴露出一系列问题：可靠性差(故障率高)、光束质量差(测程/破坏力小)、对专业人员依赖性大、维修性差、维修成本高。
3、现有的固体激光器结构复杂，体积庞大，使用环境受限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型化的、抗失调的、免温控的、双程倍频的纳秒级固体激光器，来解决现有技术所存在的问题。本发明提供的技术方案如下：
根据本公开实施例的第一方面，提供一种小型化固体激光器，包括泵浦源、激光谐振腔和固体增益介质，所述泵浦源采用多组不同中心波长的bar条共同组成的半导体激光二极管阵列。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请采用多组不同中心波长的bar条共同组成半导体激光二极管阵列，作为固体激光器的泵浦源，使得在较宽的温度范围内，总能有一部分LD的泵浦光能和固体增益介质的吸收峰相匹配，从而实现激光器在宽温度范围免温控运转。能够通过多波长LDA泵浦，实现激光器的无水冷免温控，拓宽激光器的工作温度范围，减小系统的重量与体积，增加系统的便携性与可靠性，实现激光器的小型化。
在一个实施例中，所述固体激光器还包括热沉，所述半导体激光二极管阵列以及所述固体增益介质安装在所述热沉上；
所述激光谐振腔包括：
输出镜和第一全反射镜；
所述固体增益介质位于所述激光谐振腔中，所述激光谐振腔中还设置有角锥棱镜和光楔对；
所述角锥棱镜和所述输出镜分别设置于所述固体增益介质的两端，所述角锥棱镜设置于所述固体增益介质产生的激光出射端，所述角锥棱镜用于将所述固体增益介质产生的沿第一光路正向传输的激光经过三次反射后使其沿第二光路正向传输；所述第一光路与所述第二光路平行；
所述光楔对位于所述角锥棱镜和第一全反射镜之间；所述光楔对对沿第二光路正向传输的激光的光束角度进行微调；
所述第一全反射镜将经过所述光楔对的沿第二光路正向传输的激光反射后使其沿第二光路反向传输，所述第一全反射镜的反射光依次经过所述光楔对、角锥棱镜后，沿第一光路反向依次经过所述固体增益介质后通过输出镜输出。
在一个实施例中，所述角锥棱镜在z轴上倾斜预定角度放置；所述z轴为所述第一光路所指出射光轴。
在一个实施例中，所述预定角度为0～30°。
在一个实施例中，所述固体激光器还包括设置于所述角锥棱镜和所述光楔对之间的第二光路上的Q开关，所述Q开关将所述角锥棱镜出射的连续激光进行电光调制，以使所述连续激光变为脉冲激光；
所述Q开关包括：第一偏振片、第二偏振片、RTP晶体和其适配驱动电源；所述第一偏振片、RTP晶体、第二偏振片沿所述第二光路正向依次设置于所述角锥棱镜和所述光楔对之间，所述适配驱动电源与所述RTP晶体连接。
在一个实施例中，所述固体激光器还包括：设置于所述激光谐振腔内的倍频装置；
所述倍频装置位于所述第一光路上，所述倍频装置和所述角锥棱镜分设于所述固体增益介质的两端，所述倍频装置对经所述第一全反射镜反射回来并通过所述固体增益介质后沿所述第一光路反向传输的基频光进行双程倍频。
在一个实施例中，所述倍频装置包括：谐波镜、倍频晶体和所述输出镜；所述谐波镜设置于所述固体增益介质和倍频晶体之间，所述倍频晶体设置于所述谐波镜和输出镜之间；
所述谐波镜朝向所述角锥棱镜的一面镀基频光高透膜，另一面镀二倍频光高反膜，所述输出镜镀二倍频光高透膜。
在一个实施例中，所述固体激光器还包括设置于所述输出镜输出端的基频光回收装置，所述基频光回收装置用于将所述输出镜输出的基频光回收至所述倍频装置，以使回收的基频光进行再次倍频。
在一个实施例中，所述基频光回收装置包括分光镜和第二全反射镜；
所述分光镜位于所述第一光路反向传输方向上所述输出镜的后端，且所述分光镜的入射面与所述输出镜的的输出面成45°夹角；所述第二全反射镜设置于所述分光镜的反射光路上，所述第二全反射镜的入射面与所述分光镜的入射面成45°夹角；
所述输出镜还镀基频光高透膜，所述分光镜镀基频光高反膜和二倍频光高透膜，所述第二全反射镜镀基频光高反膜。
在一个实施例中，所述固体增益介质为Nd:YAG晶体棒或Nd：YVO4或Nd:GdVO4，所述倍频晶体为KTP晶体或LBO晶体或CLBO晶体，所述基频光波长为1064nm，所述二倍频光波长为532nm。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1为本发明提供的一种小型化固体激光器的实施例一的结构示意图；
图2为本发明提供的一种小型化固体激光器的实施例二的结构示意图；
图3为本发明提供的一种小型化固体激光器的实施例三的结构示意图；
图4为本发明提供的一种小型化固体激光器的实施例四的结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本公开实施例提供一种小型化固体激光器，该小型化固体激光器包括泵浦源、激光谐振腔和固体增益介质，其中，所述泵浦源采用多组不同中心波长的bar条共同组成的半导体激光二极管阵列。
激光器的工作温度范围由增益介质的吸收峰的宽度、增益介质对不同泵浦光的吸收系数、增益介质的量子效率共同决定。因此拓展激光器的稳定工作温度范围是降低激光器体积与功耗的重要手段。本发明采用多波长二极管对增益介质进行泵浦，反向利用LD的温漂特性使激光器在宽温度范围内免温控运转，拓宽激光器的工作温度范围。实现激光器的无水冷免温控，减小系统的重量与体积，增加系统的便携性与可靠性，实现激光器的小型化。
图1所示为本发明提供的一种小型化固体激光器的实施例一的结构示意图，如图1中所示，该固体激光器包括泵浦源2、激光谐振腔和固体增益介质3、热沉4，所述泵浦源2、固体增益介质3安装在所述热沉4上，热沉4用于对泵浦源2和固体增益介质3进行自然散热。所述激光谐振腔由输出镜7和第一全反射镜15组成，固体增益介质3产生的基频光在在该谐振腔内实现谐振，获得高功率密度的基波。
如图1所示，所述固体增益介质3位于所述激光谐振腔中，且本实施例中，激光谐振腔中还设置有角锥棱镜1和光楔对14。其中，角锥棱镜1和输出镜7分别设置于固体增益介质3的两端，具体地，角锥棱镜1设置于固体增益介质3产生的激光出射端，角锥棱镜1用于将固体增益介质3产生的沿第一光路正向(定义图1中上部虚线往左方向为第一光路正向)的激光经过三次反射后使其第二光路正向(定义图1中下部虚线往右方向为第二光路正向)传输；所述第一光路与所述第二光路平行。如图1中所示，光楔对14位于角锥棱镜1和第一全反射镜15之间，光楔对14对角锥棱镜1出射的沿第二光路正向传输的激光的光束角度进行微调。第一全反射镜15将经过光楔对14的沿第二光路正向传输的激光反射后使其沿第二光路反向传输，第一全反射镜15的反射光依次经过光楔对14、角锥棱镜1后，沿第一光路反向依次经过固体增益介质3后通过输出镜(7)输出。
图1所示固体激光器的工作原理为：采用多波长二极管2对固体增益介质3进行泵浦，得到的基频光经过角锥棱镜1三次折射后输出连续激光给光楔对14进行光束角度微调，光楔对14出射的激光经第一全反射镜15反射后依次经过光楔对14、角锥棱镜1，固体增益介质3后通过输出镜7出射。显然，图1所示的固体激光器用于提供连续激光。
本实施例提供的固体激光器中使用角锥棱镜，由于角锥棱镜的3个内反射面互相垂直，在有效入射角内的入射光线都可以严格地按平行于入射光线的相反方向反射回去，因此输出镜7和全射反镜15所在结构平面的角度变化或角锥棱镜1本身的角度变化都不会影响最终出射面和全射反镜15的光学平行性，从而保证了谐振腔的稳定性，解决了现有技术由于谐振腔平行度能够以变化所导致的容易失调的问题。加入角锥棱1后还有效的缩短了腔长，形成折叠腔，使激光器的结构更为紧凑，实现了系统的小型化。此外，在腔内加入了光束角度微调装置—光楔对14，光楔对14由2片光楔配对组合使用，可有效的提高光楔的调节角度范围和精度，成为保证激光器长期稳定工作的关键。
在一可选实施例中，角锥棱镜1在z轴上倾斜预定角度放置，所述z轴为所述第一光路所指光轴。优选地，所述预定角度为0～30°。本实施例中，角锥棱镜在z轴方向倾斜一定角度放置，这样既不会破坏光路的准直性和平行性，又可避免经过角锥棱镜前后两束光因腔中器件发生的散射反射等干扰，更加保证了系统的稳定性。
图2所示为本发明提供的一种小型化固体激光器的实施例二的结构示意图，如图2中所示，在图1所示固体激光器的基础上，该固体激光器还包括设置于所述激光谐振腔内的Q开关，所述Q开关设置于角锥棱镜1和光楔对14之间的第二光路上，所述Q开关将角锥棱镜1出射的连续激光进行电光调制，以使所述连续激光变为脉冲激光。
具体地，如图2中所示，所述Q开关包括：第一偏振片11、第二偏振片13、RTP晶体12和其适配驱动电源；第一偏振片11、RTP晶体12、第二偏振片13沿所述第二光路正向依次设置于角锥棱镜1和光楔对14之间，所述适配驱动电源(图中未示出)与RTP晶体12连接。其中，由于使用的RTP晶体具有大的电光系数，高抗损伤阈值，为双轴晶体，存在自然双折射，所以在使用时必须补偿自然双折射产生的相位差，因此此处RTP晶体12的数量为2块，且这2块RTP晶体沿通光方向旋转90°，形成双晶体补偿；第一偏振片11的偏振方向与光轴成45°设置，从而压缩电场方向的厚度，延长通光方向长度，可以大幅度的减小调制电压，减轻了驱动电源的体积与开发难度，增加了激光系统的便携性。显然，由于增加了Q开关，图2所示实施例提供的固体激光器能够提供脉冲激光。
在一可选实施例中，所述固体激光器还可以包括：设置于所述激光谐振腔内的倍频装置；所述倍频装置位于所述第一光路上，所述倍频装置和所述角锥棱镜(1)分设于所述固体增益介质(3)的两端，所述倍频装置对经所述第一全反射镜15反射回来依次通过所述光楔对14、Q开关、角锥棱镜1、固体增益介质3后沿所述第一光路反向传输的基频光进行双程倍频。
图3所示为本发明提供的一种小型化固体激光器的实施例三的结构示意图，如图3中所示，该固体激光器中的倍频装置由谐波镜5、倍频晶体6和所述输出镜7组成；该谐波镜5设置于固体增益介质3和倍频晶体6之间，倍频晶体6设置于谐波镜5和输出镜7之间。其中，谐波镜5朝向角锥棱镜1的一面镀基频光高透膜，另一面镀二倍频光高反膜，从而可以使基频光高透入谐波镜5并将倍频晶体6一侧返回的二倍频光再次反射回去倍频，能够实现多程二倍频。所述输出镜7镀二倍频光高透膜，以使通过倍频晶体6倍频后得到二倍频光高透出射输出镜7。
本实施例中在激光谐振腔内添加了谐波镜5、倍频晶体6，与输出镜7，一起组成了一个腔内双程倍频装置，可有效提高倍频效率。
在一可选实施例中，所述固体激光器还包括设置于输出镜7输出端的基频光回收装置，所述基频光回收装置用于将所述输出镜7输出的基频光回收至所述倍频装置，以使回收的基频光进行再次倍频。
图4所示为本发明提供的一种小型化固体激光器的实施例四的结构示意图，如图4中所示，所述基频光回收装置包括分光镜8和第二全反射镜9；其中，分光镜8位于所述第一光路反向传输方向上所述输出镜7的后端，且分光镜8的入射面与输出镜7的的输出面成45°夹角；第二全反射镜9设置于分光镜8的反射光路上，第二全反射镜9的入射面与分光镜8的入射面成45°夹角。本实施例中，输出镜7还镀基频光高透膜，分光镜8镀基频光高反膜和二倍频光高透膜，第二全反射镜9镀基频光高反膜。本实施例中，分光镜8对二倍频光高透，对基频光高反，第二全反射镜9将入射的全部基频光反射，此装置将基频光再次返回到二倍频装置，相当于一个基频回收装置，提高了基频光的倍频效率。使得输出光仅为二倍频的倍频激光。
优选地，本发明提供的固体激光器中，固体增益介质3为Nd:YAG晶体棒3或者也可以为Nd：YVO4、Nd:GdVO4等其他类似材料，所述倍频晶体6为KTP晶体、LBO晶体、CLBO晶体等，所述基频光波长为1064nm，所述二倍频光波长为532nm。
本发明大胆采用了多波长均匀侧向泵浦、RTP电光调Q、KTP倍频、角锥棱镜谐振、光楔对光束角度微调、基频光回收等综合技术，使得本发明所设计的激光器结构简洁、体小量轻、实现窄脉宽电光调Q运转，扩宽了应用范围。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种小型化固体激光器，包括泵浦源(2)、激光谐振腔和固体增益介质(3)，其特征在于，所述泵浦源采用多组不同中心波长的bar条共同组成的半导体激光二极管阵列。
2.根据权利要求1所述的小型化固体激光器，其特征在于，所述固体激光器还包括热沉(4)，所述泵浦源(2)以及所述固体增益介质(3)安装在所述热沉(4)上；
所述激光谐振腔包括：输出镜(7)和第一全反射镜(15)；
所述固体增益介质(3)位于所述激光谐振腔中，所述激光谐振腔中还设置有角锥棱镜(1)和光楔对(14)；
所述角锥棱镜(1)和所述输出镜(7)分别设置于所述固体增益介质(3)的两端，所述角锥棱镜(1)设置于所述固体增益介质(3)产生的激光出射端，所述角锥棱镜(1)用于将所述固体增益介质(3)产生的沿第一光路正向传输的激光经过三次反射后使其沿第二光路正向传输；所述第一光路与所述第二光路平行；
所述光楔对(14)位于所述角锥棱镜(1)和第一全反射镜(15)之间；所述光楔对(14)对沿第二光路正向传输的激光的光束角度进行微调；
所述第一全反射镜(15)将经过所述光楔对(14)的沿第二光路正向传输的激光反射后使其沿第二光路反向传输，所述第一全反射镜(15)的反射光依次经过所述光楔对(14)、角锥棱镜(1)后，沿第一光路反向依次经过所述固体增益介质(3)后通过输出镜(7)输出。
3.根据权利要求2所述的小型化固体激光器，其特征在于，所述角锥棱镜(1)在z轴上倾斜预定角度放置；所述z轴为所述第一光路所指光轴。
4.根据权利要求3所述的小型化固体激光器，其特征在于，所述预定角度为0～30°。
5.根据权利要求2所述的小型化固体激光器，其特征在于，所述固体激光器还包括设置于所述角锥棱镜(1)和所述光楔对(14)之间的第二光路上的Q开关，所述Q开关将所述角锥棱镜(1)出射的连续激光进行电光调制，以使所述连续激光变为脉冲激光；
所述Q开关包括：第一偏振片(11)、第二偏振片(13)、RTP晶体(12)和其适配驱动电源；所述第一偏振片(11)、RTP晶体(12)、第二偏振片(13)沿所述第二光路正向依次设置于所述角锥棱镜(1)和所述光楔对之间，所述适配驱动电源与所述RTP晶体(12)连接。
6.根据权利要求2-5任一项所述的小型化固体激光器，其特征在于，所述固体激光器还包括：设置于所述激光谐振腔内的倍频装置；
所述倍频装置位于所述第一光路上，所述倍频装置和所述角锥棱镜(1)分设于所述固体增益介质(3)的两端，所述倍频装置对经所述第一全反射镜(15)反射回来并通过所述固体增益介质(3)后沿所述第一光路反向传输的基频光进行双程倍频。
7.根据权利要求6所述的小型化固体激光器，其特征在于，所述倍频装置包括：谐波镜(5)、倍频晶体(6)和所述输出镜(7)；所述谐波镜(5)设置于所述固体增益介质(3)和倍频晶体(6)之间，所述倍频晶体(6)设置于所述谐波镜(5)和输出镜(7)之间；
所述谐波镜(5)朝向所述角锥棱镜(1)的一面镀基频光高透膜，另一面镀二倍频光高反膜，所述输出镜(7)镀二倍频光高透膜。
8.根据权利要求7所述的小型化固体激光器，其特征在于，所述固体激光器还包括设置于所述输出镜(7)输出端的基频光回收装置，所述基频光回收装置用于将所述输出镜(7)输出的基频光回收至所述倍频装置，以使回收的基频光进行再次倍频。
9.根据权利要求8所述的小型化固体激光器，其特征在于，所述基频光回收装置包括分光镜(8)和第二全反射镜(9)；
所述分光镜(8)位于所述第一光路反向传输方向上所述输出镜(7)的后端，且所述分光镜(8)的入射面与所述输出镜(7)的的输出面成45°夹角；所述第二全反射镜(9)设置于所述分光镜(8)的反射光路上，所述第二全反射镜(9)的入射面与所述分光镜(8)的入射面成45°夹角；
所述输出镜(7)还镀基频光高透膜，所述分光镜(8)镀基频光高反膜和二倍频光高透膜，所述第二全反射镜(9)镀基频光高反膜。
10.根据权利要求7所述的小型化固体激光器，其特征在于，所述固体增益介质(3)为Nd:YAG或Nd：YVO4或Nd:GdVO4，所述倍频晶体(6)为KTP晶体或LBO晶体或CLBO晶体，所述基频光波长为1064nm，所述二倍频光波长为532nm。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115224580A (zh) * 2022-09-16 2022-10-21 山东省科学院激光研究所 一种偏振可切换的短脉冲激光系统
CN115656983A (zh) * 2022-12-08 2023-01-31 武汉聚合光子技术有限公司 一种用于相干激光雷达的连续激光器

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