CN113314935B - 一种高功率偏振激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高功率偏振激光装置，包括依次放置的高反镜(2)、激光增益模块(1)、偏振片(3)、在偏振片(3)反射光s偏振激光的光路上放置的s光输出镜(4)以及在偏振片(3)透射光p偏振激光的光路上放置的p光输出镜(5)，所述s光输出镜(4)使所述s偏振激光垂直反射按原光路返回与所述高反镜(2)形成谐振，所述p光输出镜(5)使p偏振激光垂直反射按原光路返回与所述高反镜(2)形成谐振。该装置采用Tm:YAG晶体作为激光增益介质，通过精密匹配p偏振激光和s偏振激光增益与损耗关系，实现高功率偏振激光输出，是一种高效、紧凑、高可靠性的2μm波段偏振激光的新技术途径。

Description

一种高功率偏振激光装置
技术领域
本发明涉及一种高功率固体激光器，特别涉及一种高功率偏振激光装置。
背景技术
～2μm相干辐射光源由于其特有的一些优越特性，在激光测距、激光遥感、激光成像、医学诊断和治疗、科学研究、材料处理、光学信号处理、数据处理、环境监测等领域已显示出越来越广泛的应用前景。
目前，通过直接激光过程产生～2μm激光的技术方案，主要是采用半导体激光器泵浦掺铥(Tm3+)、钬(Ho3+)等稀土离子的激光增益介质，直接产生2μm全固态激光。目前全固态2μm激光实现途径主要集中在以下几种：(1)790nm左右半导体激光器泵浦单掺Tm3+激光晶体，如Tm:YAG，Tm:YLF等，获得2μm波段激光输出；(2)用790nm左右的半导体激光器泵浦Tm3+，Ho3+双掺的晶体，如Tm,Ho:YLF，Tm,Ho:YAG等，获得2.1μm激光输出；(3)采用790nm左右的半导体激光器泵浦某些单掺Tm3+离子的晶体输出激光，再用该Tm激光泵浦掺杂Ho离子的晶体获得2μm输出，例如LD泵浦Tm:YLF或Tm:GdVO4输出1.9μm激光再泵浦Ho:YLF或Ho:YAG。对于2μm高功率偏振激光的产生，一般采用上述第三种方案，但是，上述方案均需要先产生1.9μm激光再泵浦产生～2μm激光、存在级联激光过程，因此，激光器复杂、系统效率不高。
YAG晶体是目前使用最广泛的激光增益介质的基质材料。但是，由于Tm:YAG激光量子亏损大、热效应严重，且增益谱线丰富、激光通道多，特定波长输出困难、无法实现高功率偏振激光输出，尚未有通过泵浦Tm：YAG晶体实现偏振激光输出的技术方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种高功率偏振激光装置，该装置采用Tm:YAG作为激光增益介质，通过精密匹配p偏振激光和s偏振激光增益与损耗关系，实现高功率偏振激光输出，是一种高效、紧凑、高可靠性的2μm波段偏振激光的新技术途径。
一种高功率偏振激光装置，包括：高反镜(2)、激光增益模块(1)、偏振片(3)、s光输出镜(4)和p光输出镜(5)，其中，所述高反镜(2)、激光增益模块(1)和偏振片(3)依次共光轴放置；所述s光输出镜(4)位于所述偏振片(3)反射光s偏振激光的光路上，且与s偏振激反射光的传输方向垂直设置，并与所述高反镜(2)形成谐振腔；所述p光输出镜(5)位于所述偏振片(3)透射光p偏振激光的光路上，且与透射光的传输方向垂直设置，并与所述高反镜(2)形成谐振腔；所述s光输出镜(4)和所述p光输出镜(5)中的一个输出的激光为所述高功率偏振激光装置的输出激光。
进一步的，所述激光增益模块(1)包含泵源(11)、激光增益介质(12)以及散热装置(13)；所述泵源(11)采用780nm波段的激光二极管，放置在所述激光增益介质(12)的侧面或端面；所述激光增益介质(12)采用Tm:YAG晶体，被所述泵源(11)泵浦后产生受激辐射，输出激光；所述散热装置(13)与激光增益介质(12)的侧面接触，对所述激光增益介质(12)进行夹持固定和对所述激光增益介质(12)散热。
进一步的，所述泵源(11)放置在所述激光增益介质(12)的端面时，所述高反镜(2)位于泵源和激光增益介质(12)之间，其上镀有对于所述泵源(11)发出的泵浦光高透过率的膜，所述泵源(11)发出的泵浦光经过高反镜(2)后进入激光增益介质(12)。
进一步的，设置s光输出镜和p光输出镜的透过率，实现所述s偏振激光的增益损耗和所述p偏振激光增益损耗的匹配，实现所述输出激光的波长为2μm波段。
进一步的，所述高反镜(2)腔内一侧镀对于s偏振激光和p偏振激光高
反射率的膜；
s光输出镜(4)腔内一侧镀对于s偏振激光预设透过率的膜、另一侧镀对于s偏振激光高透过率的膜；p光输出镜(5)腔内一侧镀对于p偏振激光预设透过率的膜、另一侧镀对于p偏振激光高透过率的膜。
进一步的，所述高反射率为大于99.8％的反射率，所述高透过率为大于99.8％的透过率。
进一步的，所述s光输出镜(4)对于s偏振激光的预设透过率为4％～20％；所述p光输出镜(5)对于p偏振激光的预设透过率为0.5％～10％，此时，高功率偏振激光装置的输出激光为s偏振激光。
进一步的，所述s光输出镜(4)对于s偏振激光的预设透过率为0.5％～10％；所述p光输出镜(5)对于p偏振激光的预设透过率为4％～20％，此时，高功率偏振激光装置的输出激光为p偏振激光。
进一步的，所述偏振片(3)为45°偏振片，或者为55.6°偏振片。
进一步的，所述高功率偏振激光装置包含至少两个激光增益模块，所述激光增益模块进行串联。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明实施方式提供的一种高功率偏振激光装置，采用780nm波段的激光二极管LD泵浦Tm:YAG晶体，进一步通过精密匹配s偏振激光和p偏振激光的增益损耗，直接产生2μm波段偏振激光输出，与以往技术方案相比，不需要级联激光过程，提高了系统的电光效率、紧凑性和可靠性，同时由于Tm：YAG晶体优异的热力学和机械性能，单模块输出功率极限提高，有利于高功率偏振激光输出。
附图说明
图1为本发明高功率偏振激光装置的结构示意图；
图2为包含另一偏振片的高功率偏振激光装置的结构示意图；
图3为包含侧泵形式的高功率偏振激光装置结构示意图；
图4为包含端泵形式的高功率偏振激光装置结构示意图；
图5为本发明高功率偏振激光装置的另一结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
申请人通过系统地理论推导和大量的实验研究，发现了Tm:YAG晶体激光振荡过程中偏振态随增益损耗关系演化的独特现象，结合理论计算提出了其增益与损耗设置方法，可实现通过采用Tm：YAG晶体，实现2μm波段偏振激光输出，这是一种实现高效、紧凑、高可靠性的2μm波段偏振激光的新技术途。
第一实施例
基于以上发现，本发明提供一种高功率偏振激光装置，包括高反镜2、激光增益模块1、偏振片3、s光输出镜4以及p光输出镜5，其中高反镜2、激光增益模块1、偏振片3依次共光轴放置、所述s光输出镜4位于所述偏振片3反射光光路上且与反射光的传输方向垂直，所述p光输出镜5位于偏振片3透射光光路上且与透射光的传输方向垂直。所述s光输出镜4将偏振片3反射光路上的s偏振激光部分垂直反射按原路返回后，同高反镜2形成谐振腔，部分出射形成偏振激光，所述p光输出镜5将所述偏振片3透射光路上的p偏振激光部分垂直反射按原路返回，与高反镜2形成谐振，部分出射形成偏振激光。本发明所述的高功率偏振激光装置的输出激光通过p偏振激光所在的透射光路或者s偏振激光所在的反射光路输出。所述输出激光是指本申请中高功率偏振激光装置输出的目标激光，为s偏振激光或p偏振激光。
具体的，所述高反镜2的腔内一侧镀有对于s偏振激光和p偏振激光高反射率的膜，所述腔内一侧是指高反镜2朝向激光增益模块1的一侧；所述s光输出镜4的腔内一侧镀有对于s偏振激光预设透过率的膜，所述预设透过率根据需要设置，另一侧镀有对于所述s偏振激光高透过率的膜。p光输出镜5位于偏振片3透射光的光路上，且与所述透射光垂直。所述p光输出镜5的腔内一侧镀有对于p偏振激光预设透过率的膜，所述预设透过率根据需要设置，另一侧镀有对于所述p偏振激光高透过率的膜，所述腔内一侧是指朝向偏振片3的一侧，所述另一侧是指远离偏振片3的一侧。本领域技术人员可以理解的，本发明中，所述高反射率为大于99.8％的反射率，所述高透过率为大于99.8％的透过率。通过设置s光输出镜4对s偏振激光的预设透过率和p光输出镜5对p偏振激光的预设透过率，实现所述s偏振激光增益损耗以及所述p偏振激光增益损耗的匹配，从而进一步实现输出激光(特定波段)的偏振激光输出。其中，所述设置s偏振激光增益损耗以及所述p偏振激光增益损耗的匹配是指：所述s光输出镜4对于s偏振激光的预设透过率为4％～20％时，相应的，所述p光输出镜5对于p偏振激光的预设透过率为0.5％～10％，此时本发明中的高功率偏振激光装置的输出激光为s偏振激光；或者，所述s光输出镜4对于s偏振激光的预设透过率为0.5％～10％时，相应的，所述p光输出镜5对于p偏振激光的预设透过率为4％～20％，此时本发明中的高功率偏振激光装置的输出激光为p偏振激光。
s偏振激光和p偏振激光之间的增益损耗匹配具体实例例如下：所述s光输出镜4的预设透过率为4％时，所述p光输出镜5的预设透过率为0.5％，或者，所述s光输出镜4的预设透过率为2％时，所述p光输出镜5的预设透过率为8％，或者，所述s光输出镜4的预设透过率为10％时，p光输出镜5的预设透过率为20％，不同的增益损耗匹配方式均能实现较好的高功率偏振激光输出。
本实施例中，所述偏振片3上镀有预设角度的膜，优选的，为45度偏振片时，入射光线与法线的夹角为45°，有利于本发明中偏振激光装置的小型化和光路调整。或者，如图2所示的，为55.6度偏振片时，所述偏振片对于光线的反射效果更好，所述高功率偏振激光装置的效率更高。
本实施例的光路如下：激光增益模块1出射的光到达偏振片3，分离产生反射光和透射光，其中，所述反射光到达s光输出镜4后，部分出射形成s偏振激光，部分原路返回，在高反镜2和s光输出镜4之间形成谐振；透射光到达p光输出镜5后，部分出射形成p偏振激光，部分原路返回，在高反镜2和p光输出镜5之间形成谐振。
第二实施例
本发明高功率偏振激光装置的又一实施例如图3所示，包含高反镜2、激光增益模块1、偏振片3、s光输出镜4和p光输出镜5，其中，所述高反镜2、偏振片3、s光输出镜4和p光输出镜5的结构与前述实施例相同，在此不再赘述，所述激光增益模块1进一步包括泵源11、激光增益介质12和散热装置13，其中，所述泵源11为侧泵泵源，所述侧泵泵源为激光二极管(Laser Diode)，位于激光增益介质12的侧面，用于泵浦所述激光增益介质12，本实施例中，所述侧泵泵源的波长为780nm波段，所述780nm波段是指780nm～790nm波段，优选的，选用波长为785nm的激光二极管对110mm的激光增益介质12进行侧面泵浦，所述激光增益介质12采用Tm：YAG晶体，受激辐射；所述散热装置13与所述激光增益介质12的侧面接触，用于夹持固定激光增益介质12并为其散热。本实施例中，所述高功率偏振激光装置的输出激光为2μm波段的激光，所述2μm波段是指2μm～2.1μm波段。
具体光路过程为，785nm的泵源11对激光增益介质12进行侧面泵浦，所述激光增益介质12受激辐射，产生2.07μm的激光，经过45°偏振片3后，分离产生反射光和透射光，所述反射光为s偏振激光，经过s光输出镜4，在s光输出镜4和高反镜2之间形成谐振，所述透射光为p偏振激光，经过p光输出镜5后，在p光输出镜5和高反镜2之间也同样形成谐振，同时，设置s光输出镜4对2μm波段s偏振激光的透过率，设置p光输出镜5对2μm波段p偏振激光的透过率，实现s偏振激光和p偏振激光之间增益损耗的匹配，产生2.07μm高功率偏振输出激光。
可选的，所述高功率偏振激光装置的结构还可以如图4所示，其中，偏振片3、s光输出镜4和p光输出镜5与前述实施例相同，在此不再赘述。激光增益模块1包括泵源11、激光增益介质12和散热装置13，其中，所述泵源11为端泵泵源，所述端泵泵源和偏振片3分别位于激光增益介质12的两端，高反镜2位于端泵泵源和激光增益介质12之间，所述端泵泵源为780nm波段(例如为783nm)的激光二极管，其结构可以与所述侧泵泵源相同，所述泵源11发出的泵浦光经过高反镜2后进入激光增益介质12，对激光增益介质12进行泵浦，使激光增益介质12受激辐射，所述激光增益介质12采用Tm：YAG晶体，相应的，所述高反镜2镀有对激光二极管发出的泵源激光高透过率的膜，所述高透过率为大于99.8％的透过率。
第三实施例：
为提高偏振激光装置的功率，同时降低热效应，本发明所述高功率偏振激光装置也可以如图5所示，与前述实施例不同之处在于，所述高功率偏振激光装置包含至少两个激光增益模块1，所述激光增益模块1进行串联，为便于描述，本发明实施例以两个激光增益模块1为例进行说明。所述激光增益模块1的结构同前述实施例中采用侧泵泵源的激光增益模块相同，在本实施中，所述激光增益模块通过785nm的泵源泵浦Tm：YAG晶体，实现2μm波段中某一特定波长的激光输出。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种高功率偏振激光装置，其特征在于，包括：
高反镜(2)、激光增益模块(1)、偏振片(3)、s光输出镜(4)和p光输出镜(5)，其中，
所述高反镜(2)、激光增益模块(1)和偏振片(3)依次共光轴放置；
所述s光输出镜(4)位于所述偏振片(3)反射光s偏振激光的光路上，且与反射光的传输方向垂直设置，并与所述高反镜(2)形成谐振腔；
所述p光输出镜(5)位于所述偏振片(3)透射光p偏振激光的光路上，且与透射光的传输方向垂直设置，并与所述高反镜(2)形成谐振腔；
所述s光输出镜(4)和所述p光输出镜(5)中的一个输出的激光为所述高功率偏振激光装置的输出激光；
所述激光增益模块(1)中的激光增益介质(12)采用Tm:YAG晶体，被泵源(11)泵浦后产生受激辐射；
设置s光输出镜和p光输出镜的透过率，实现所述s偏振激光的增益损耗和所述p偏振激光增益损耗的匹配，实现所述输出激光的波长为2μm波段；具体的，
所述s光输出镜(4)对于s偏振激光的预设透过率为4％～20％；所述p光输出镜(5)对于p偏振激光的预设透过率为0.5％～10％，此时，高功率偏振激光装置的输出激光为s偏振激光，或者
所述s光输出镜(4)对于s偏振激光的预设透过率为0.5％～10％；所述p光输出镜(5)对于p偏振激光的预设透过率为4％～20％，此时，高功率偏振激光装置的输出激光为p偏振激光。
2.如权利要求1所述的高功率偏振激光装置，其特征在于，所述激光增益模块(1)进一步包含泵源(11)、散热装置(13)；
所述泵源(11)采用780nm波段的激光二极管，放置在所述激光增益介质(12)的侧面或端面；
所述散热装置(13)与激光增益介质(12)的侧面接触，对所述激光增益介质(12)进行夹持固定和对所述激光增益介质(12)散热。
3.如权利要求2所述的高功率偏振激光装置，其特征在于，所述泵源(11)放置在所述激光增益介质(12)的端面时，
所述高反镜(2)位于泵源和激光增益介质(12)之间，其上镀有对于所述泵源(11)发出的泵浦光高透过率的膜，
所述泵源(11)发出的泵浦光经过高反镜(2)后进入激光增益介质(12)。
4.如权利要求3所述的高功率偏振激光装置，其特征在于，所述高反镜(2)腔内一侧镀对于s偏振激光和p偏振激光高反射率的膜；s光输出镜(4)腔内一侧镀对于s偏振激光预设透过率的膜、另一侧镀对于s偏振激光高透过率的膜；p光输出镜(5)腔内一侧镀对于p偏振激光预设透过率的膜、另一侧镀对于p偏振激光高透过率的膜。
5.如权利要求4所述的高功率偏振激光装置，其特征在于，所述高反射率为大于99.8％的反射率，所述高透过率为大于99.8％的透过率。
6.如权利要求1至3任一所述的高功率偏振激光装置，其特征在于，所述偏振片(3)为45°偏振片，或者为55.6°偏振片。
7.如权利要求6所述的高功率偏振激光装置，其特征在于，所述高功率偏振激光装置包含至少两个激光增益模块，所述激光增益模块进行串联。
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