CN113422281A - 一种激光发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光器领域，公开了激光发射装置，包括外壳、泵浦源和沿光路依次设置的反射镜、被动调Q元件、激光工作介质、输出镜，泵浦源包括半导体激光器、反射元件、温度控制结构和设置在反射元件与外壳之间的绝热板，半导体激光器包括半圆环件和若干根巴条，若干根巴条以半圆周排布的方式封装在半圆环件上，激光工作介质夹持在反射元件的反射腔与半圆环件之间，温度控制结构包括设置在反射元件上的热沉、设置在热沉上的半导体制冷器和设置在半导体制冷器上的散热器，半圆环件设置在热沉面向反射腔的侧面上，该激光发射装置能够有效的对半导体激光器进行温度控制，保证了激光发射装置的可靠性、和稳定性。

Description

一种激光发射装置

技术领域

本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种激光发射装置。

背景技术

近年来激光在测距方面的应用极其广泛，尤其是在户外远距离测距中的发展更为迅速。但是受制于激光器无法很好的适应户外各种极端条件，例如高温、低温、强震抖动等条件，正是因为这种原因，严重的影响了其发展。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种激光发射装置，其旨在解决温度过高或者过低都会造成激光器输出不稳定，能量降低，甚至不出光的技术问题。

为达到上述目的，本发明提供的方案是：

一种激光发射装置，包括外壳、谐振腔、激光工作介质、被动调Q元件和泵浦源，所述谐振腔、所述激光工作介质、所述被动调Q元件和所述泵浦源均安装在所述外壳内，所述谐振腔包括反射镜和输出镜，所述反射镜、所述被动调Q元件、所述激光工作介质和所述输出镜沿光路依次设置，所述泵浦源用于发出激光，为激光工作介质提供能量，所述泵浦源包括半导体激光器、反射元件、温度控制结构和绝热板，所述半导体激光器包括半圆环件和若干根巴条，若干根所述巴条以半圆周排布的方式封装在所述半圆环件上，所述反射元件具有反射腔，所述激光工作介质夹持在所述反射腔与所述半圆环件之间，所述温度控制结构包括热沉、半导体制冷器和散热器，所述热沉设置在所述反射元件上，所述半圆环件设置在所述热沉面向所述反射腔的侧面上，所述半导体制冷器设置在所述热沉背离所述反射腔的侧面上，所述散热器设置在半导体制冷器上，所述绝热板设置在所述反射元件与所述外壳之间。

优选地，若干根所述巴条分成两组，两组所述巴条一前一后封装在半圆环件内，每组所述巴条设置有24根。

优选地，若干根所述巴条以波长为805nm、808nm、810nm三波长混装的封装形式封装在半圆环件内。

优选地，所述巴条的发光面距离所述激光工作介质的外表面的距离为1mm。

优选地，所述反射镜的曲率半径为-5000mm，所述输出镜的曲率半径为-3000mm，所述反射镜任一端面的镀膜指标为HR@1064nm，所述输出镜一端面的镀膜指标为1064nm增透膜，另一端面的镀膜指标为PR@1064nm，透过率为30％。

优选地，所述激光工作介质为Nd:YAG晶体棒，所述Nd:YAG晶体棒的长度为45mm，直径为4mm，Nd³⁺离子的掺杂浓度为1.1at％，所述Nd:YAG晶体棒两端面的镀膜指标为AR@1064nm。

优选地，所述被动调Q元件采用Cr⁴⁺：YAG晶体，所述被动调Q元件两端面的镀膜指标为AR@1064nm，初始透过率为30％。

优选地，所述激光发射装置还包括用于调整谐振腔的光路的光楔对，所述光楔对位于所述反射镜和所述被动调Q元件之间，所述光楔对包括第一光楔和第二光楔，所述第一光楔和所述第二光楔的斜面对齐紧靠在一起。

优选地，所述第一光楔和所述第二光楔的楔角角度均为10分。

优选地，所述激光发射装置还包括光束整形透镜组，所述光束整形透镜组位于所述输出镜的输出光路上，所述光束整形透镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜的曲率相同，凹凸方向相反。

本发明提供的激光发射装置具有以下优点：

第一，温度控制结构通过半导体制器对热沉进行温控，并通过散热器与内部环境进行热交换，由于内部器件与外部环境已经完全隔离开来，使得外部环境对内部的温度变化影响很小，因此，内部的半导体制冷器能够有效的对半导体激光器进行温控，保证了激光输出的稳定性，并且在高温、低温时都能够正常工作，满足了户外工作的严格苛刻条件。

第二，半导体激光器的巴条以半圆周排布的方式封装在半圆环件，激光工作介质夹持在反射腔与半圆环件之间，这样不仅能够节省空间，还能提高空间利用率，此外，还进一步提高了激光发射装置的集成度。工作时，半导体激光器通过外部供电产生808nm的激光，并按照一定的角度照射在激光工作介质上，以及通过反射元件反射的激光共同作用在激光工作介质上，有利于泵浦光的反射，提高了能量利用率，且激光工作介质采用此种方式加持和固定具有良好的散热效果，再配合热沉能够有效的为半导体激光器进行散热。

第三，反射腔能够有效的对激光工作介质进行散热，而且能够有效的提高能量利用率和输出能量，减少了资源浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的激光发射装置的光路示意图；

图2是本发明实施例提供的泵浦源和激光工作介质的组合示意图；

图3是本发明实施例提供的泵浦源和激光工作介质的部分组合示意图。

附图标号说明：

1、反射镜；2、光楔对；3、被动调Q元件；4、激光工作介质；5、输出镜；6、第一透镜；7、第二透镜；8、半导体激光器；9、反射元件；10、绝热板；11、热沉；12、半导体制冷器；13、散热器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1至图3所示，其为本发明的一种实施例的激光发射装置，能够有效的对半导体激光器8进行温度控制，使其工作在合理的范围内，保证了激光发射装置的可靠性和稳定性。

请参阅图1-图3，本发明实施例的激光发射装置包括外壳(图未示)、泵浦源、谐振腔、激光工作介质4和被动调Q元件3，泵浦源、谐振腔、激光工作介质4和被动调Q元件3均安装在外壳内，其中：

泵浦源发出激光，为激光工作介质4提供能量。泵浦源包括半导体激光器8、反射元件9、温度控制结构和绝热板10，半导体激光器8包括半圆环件和若干根巴条，若干根巴条以半圆周排布的方式封装在半圆环件上，反射元件9具有反射腔，激光工作介质4夹持在反射腔与半圆环件之间，工作时，半导体激光器8通过外部供电产生808nm的激光，并按照一定的角度照射在激光工作介质4上，以及通过反射元件9反射的激光共同作用在激光工作介质4上，这样有利于泵浦光的反射，提高了能量利用率，且激光工作介质4采用此种方式加持和固定具有良好的散热效果。温度控制结构包括热沉11、半导体制冷器12和散热器13，热沉11安装在反射元件9上，半圆环件设置在热沉11面向反射腔的侧面上，半导体制冷器12设置在热沉11背离反射腔的侧面上，散热器13设置在半导体制冷器12上，绝热板10设置在反射元件9与外壳之间，将泵浦源与外界环境隔离开，使泵浦源不受外界温度变化的影响。温度控制结构通过半导体制器对热沉11进行温控，并通过散热器13与内部环境进行热交换，由于内部器件与外部环境已经完全隔离开来，使得外部环境对内部的温度变化影响很小，因此，内部的半导体制冷器12能够有效的对半导体激光器8进行温控，保证了激光输出的稳定性，并且在高温、低温时都能够正常工作，满足了户外工作的严格苛刻条件。

可选地，为了提高泵浦的发光效率，若干根巴条分成两组，两组巴条一前一后封装在半圆环件内，每组巴条设置有24根。

进一步地，若干根巴条以波长为805nm、808nm、810nm三波长混装的封装形式封装在半圆环件内，这种混装方式能够有效地减少温度变化所带来的波长漂移。

进一步地，巴条的发光面距离激光工作介质4的外表面的距离为1mm，此时泵浦光照射进激光工作介质4的能量分布最为均匀，泵浦效率也是最高。

可选地，半圆环件为无氧铜镀金金属块。

可以理解地，半导体激光器8也可以用闪光灯代替。

可选地，反射元件9为无氧铜镀金金属块，其进行了镜面抛光处理，能够有效的对激光工作介质4进行散热，而且能够有效的提高能量利用率和输出能量，减少了资源浪费。

可选地，半导体制冷器12采用两片功率较低的半导体制冷片。

可选地，绝热板10采用聚醚醚酮材料，该材料具有很高的机械强度和良好的绝缘、绝热性能。能够有效的与外界环形进行绝热，并且与外壳进行绝缘。

谐振腔采用大小曲率相互补偿的双凹腔镜，具有一定的抗失调性。谐振腔包括反射镜1和输出镜5，反射镜1的曲率半径为-5000mm，输出镜5的曲率半径为-3000mm，反射镜1其中一端面的镀膜指标为HR@1064nm，输出镜5其中一端面的镀膜指标为1064nm增透膜，另外一端面的镀膜指标为PR@1064nm，透过率为30％，30％的透过功率能够保证谐振腔内有足够的能量，为被动调Q元件3的“漂白”提供了基础。

激光工作介质4，激光工作介质4的材料可选Nd：YAG、Yb：YAG、Er：YAG、Cr：YAG、Nd：glass、Yb：glass、Er：glass或Ti：sapphire等材料。具体地，本发明实施例的激光工作介质4为Nd:YAG晶体棒，Nd:YAG晶体棒长度为45mm，直径为4mm，Nd³⁺离子的掺杂浓度为1.1at％，Nd:YAG晶体棒两端面的镀膜指标为AR@1064nm。

被动调Q元件3，位于反射镜1与激光工作介质4之间，被动调Q元件3采用Cr⁴⁺：YAG晶体，被动调Q元件3两端面的镀膜指标为AR@1064nm。初始透过率为30％。Cr⁴⁺：YAG晶体的自激振荡不仅能够造成激光储能的浪费，也能造成激光光束质量变差，以及造成泵浦效率降低等现象，因此在实际应用过程中应尽力避免自激振荡现象的发生。为了有效抑制激光晶体处于高能级时的自激振荡，将被动调Q元件3与激光工作介质4呈一定角度放置，角度范围为3-5°。

反射镜1、被动调Q元件3、激光工作介质4、输出镜5沿光路依次设置，泵浦源为激光工作介质4提供能量。

本发明实施例的激光发射装置的工作方式如下：

半导体激光器8通过外部供电产生808nm的激光，并按照一定的角度照射在Nd:YAG晶体棒上，以及通过反射腔反射的激光共同作用在Nd:YAG晶体棒上，Nd:YAG晶体棒中的Nd³⁺离子通过吸收808nm的激光产生能级的跃迁，从基态变为激发态。从而造成了晶体内部粒子数反转，而处于激发态的粒子不稳定，所以在一定时间后会从激发态再次跃迁到基态，并且以光子的形式向外释放能量，该能量的波长为1064nm，随着时间的推移，1064nm的光子能量在不断的累积，而Cr⁴⁺：YAG晶体中的Cr⁴⁺离子会吸收1064nm的光子能量，但是当吸收到一定程度后Cr⁴⁺：YAG离子不会继续吸收1064nm的离子，此时1064nm的光子能量会完全通过该晶体，而此时该晶体的状态从黑色变为透明，即为“漂白”现象。

当光子能量通过Cr⁴⁺：YAG晶体时，会在激光谐振腔内中产生震荡，此时谐振腔起到受激放大的作用，并且产生巨型脉冲的激光输出。该脉冲的脉宽极窄，能够达到纳秒量级。

本发明实施例的激光发射装置具有以下优点：

第一，温度控制结构通过半导体制器对热沉11进行温控，并通过散热器13与内部环境进行热交换，由于内部器件与外部环境已经完全隔离开来，使得外部环境对内部的温度变化影响很小，因此，内部的半导体制冷器12能够有效的对半导体激光器8进行温控，保证了激光输出的稳定性，并且在高温、低温时都能够正常工作，满足了户外工作的严格苛刻条件。

第二，半导体激光器8的巴条以半圆周排布的方式封装在半圆环件，激光工作介质4夹持在反射腔与半圆环件之间，这样不仅能够节省空间，还能提高空间利用率，此外，还进一步提高了激光发射装置的集成度。工作时，半导体激光器8通过外部供电产生808nm的激光，并按照一定的角度照射在激光工作介质4上，以及通过反射元件9反射的激光共同作用在激光工作介质4上，有利于泵浦光的反射，提高了能量利用率，且激光工作介质4采用此种方式加持和固定具有良好的散热效果，再配合热沉11能够有效的为半导体激光器8进行散热。

第三，反射腔能够有效的对激光工作介质4进行散热，而且能够有效的提高能量利用率和输出能量，减少了资源浪费。

第四，激光发射装置采用双凹大小曲率相补偿的谐振腔具有抗失调型，并且能够有效的提高激光工作介质4内部的空间交叠率，提高了激光输出能量和转换效率。激光束腰位置位于被动调Q元件3附近能够有效的提高作用在被动调Q元件3上的能量密度，提高了调Q效率。

第五，被动调Q元件3与激光工作介质4呈一定角度放置，角度范围为3-5°，能够有效抑制激光晶体处于高能级时的自激振荡。

请参阅图1，激光发射装置还包括用于调整谐振腔的光路的光楔对2，利用光楔对2代替光学调整架等机械调节装置。光楔对2位于反射镜1和被动调Q元件3之间。光楔对2包括第一光楔和第二光楔，第一光楔和第二光楔结构相同，第一光楔两端面的镀膜指标均AR@1064nm，第二光楔两端面的镀膜指标均AR@1064nm。第一光楔和第二光楔的斜面对齐紧靠在一起，使二者沿光轴间距为零，保证光束通过光楔对2时不发生横向偏移，光楔的楔角非常小，其调节的范围有限，不像光学调整架那样角度范围非常大，因此在可靠性和稳定性方面比光学调整架要可靠的多，从而在一定的程度上具有抗失调性。

进一步地，第一光楔和第二光楔的楔角角度均为10分，其调节的范围极其有限，可靠性和稳定性更高。

请参阅图1，由于激光器产生的激光具有一定的发散角，而实际在激光测距中要求该角度要尽量的小，因此，激光发射装置还包括光束整形透镜组，光束整形透镜组位于谐振腔的输出光路上，从谐振腔输出的激光束经过光束整形透镜组整形后输出，光束整形透镜组包括第一透镜6和第二透镜7，第一透镜6和第二透镜7的曲率相同，凹凸方向相反。在本实施例中，第一透镜6为凸透镜，曲率为R＝200mm，第二透镜7为凹透镜，曲率为R＝-200mm。第一透镜6两端面的镀膜指标均为AR@1064nm，第二透镜7两端面的镀膜指标均为AR@1064nm。光束整形透镜组能够在一定程度上补偿由于球面镜本身特性所产生的像差，并且通过调整两片透镜的相对位置能够减小并优化激光器的发散角。

可选地，反射镜1、输出镜5、第一光楔和第二光楔、第一透镜6和第二透镜7均采用蓝宝石材料，该材料具有很高的机械强度和良好的透过率，在对抗户外的震动和冲击具有很好的机械性能，从而能够提高系统的可靠性和稳定性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光发射装置，其特征在于，包括外壳、谐振腔、激光工作介质、被动调Q元件和泵浦源，所述谐振腔、所述激光工作介质、所述被动调Q元件和所述泵浦源均安装在所述外壳内，所述谐振腔包括反射镜和输出镜，所述反射镜、所述被动调Q元件、所述激光工作介质和所述输出镜沿光路依次设置，所述泵浦源用于发出激光，为激光工作介质提供能量，所述泵浦源包括半导体激光器、反射元件、温度控制结构和绝热板，所述半导体激光器包括半圆环件和若干根巴条，若干根所述巴条以半圆周排布的方式封装在所述半圆环件上，所述反射元件具有反射腔，所述激光工作介质夹持在所述反射腔与所述半圆环件之间，所述温度控制结构包括热沉、半导体制冷器和散热器，所述热沉设置在所述反射元件上，所述半圆环件设置在所述热沉面向所述反射腔的侧面上，所述半导体制冷器设置在所述热沉背离所述反射腔的侧面上，所述散热器设置在半导体制冷器上，所述绝热板设置在所述反射元件与所述外壳之间。

2.如权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，若干根所述巴条分成两组，两组所述巴条一前一后封装在半圆环件内，每组所述巴条设置有24根。

3.如权利要求2所述的激光发射装置，其特征在于，若干根所述巴条以波长为805nm、808nm、810nm三波长混装的封装形式封装在半圆环件内。

4.如权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述巴条的发光面距离所述激光工作介质的外表面的距离为1mm。

5.如权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述反射镜的曲率半径为-5000mm，所述输出镜的曲率半径为-3000mm，所述反射镜任一端面的镀膜指标为HR@1064nm，所述输出镜一端面的镀膜指标为1064nm增透膜，另一端面的镀膜指标为PR@1064nm，透过率为30％。

6.如权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述激光工作介质为Nd:YAG晶体棒，所述Nd:YAG晶体棒的长度为45mm，直径为4mm，Nd³⁺离子的掺杂浓度为1.1at％，所述Nd:YAG晶体棒两端面的镀膜指标为AR@1064nm。

7.如权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述被动调Q元件采用Cr⁴⁺：YAG晶体，所述被动调Q元件两端面的镀膜指标为AR@1064nm，初始透过率为30％。

8.如权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述激光发射装置还包括用于调整谐振腔的光路的光楔对，所述光楔对位于所述反射镜和所述被动调Q元件之间，所述光楔对包括第一光楔和第二光楔，所述第一光楔和所述第二光楔的斜面对齐紧靠在一起。

9.如权利要求8所述的激光发射装置，其特征在于，所述第一光楔和所述第二光楔的楔角角度均为10分。

10.如权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述激光发射装置还包括光束整形透镜组，所述光束整形透镜组位于所述输出镜的输出光路上，所述光束整形透镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜的曲率相同，凹凸方向相反。

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