CN113451870B - 适用于极端环境的高功率激光器及其激光产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种适用于极端环境的高功率激光器及其激光产生方法，以解决现有激光器在极端恶劣环境下，存在谐振腔的光束质量劣化和输出能量急剧下降，甚至失谐停止输出，以及输出波长振荡频率漂移、输出光斑质量变差、输出功率不稳的问题。适用于极端环境的高功率激光器，包括谐振腔和设置在谐振腔一侧的脉冲激光输出单元；谐振腔包括沿光路由左至右依次设置的角锥棱镜、至少一个泵浦模块、调q模块和输出偏振分束镜，设置在输出偏振分束镜反射光路上的反射偏振分束镜，以及依次设置在反射偏振分束镜反射光路上的光楔、倍频晶体和第三全反镜；本发明还公开一种适用于极端环境的高功率激光器的激光产生方法。

Description

适用于极端环境的高功率激光器及其激光产生方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种适用于极端环境的高功率激光器及其激光产生方法。
背景技术
大功率半导体激光器泵浦固体激光器(Diode-pumped solid-state laser)在光束质量、冷却技术、非线性频率转换等技术方面都取得了突破性进展，已经直接或间接应用于激光加工、激光医疗、激光显示、航空航天等领域。随着半导体激光器泵浦固体激光器的广泛应用，对极端环境下可靠性提出了更高的要求，如在材料加工中，要面临灰尘大、空气湿度大、温度较高的恶劣环境；用于航天和航空的激光器，在飞机引擎、航天器动力舱和发动机附近等将面临高温、空间辐射、运动过程中的巨大机械冲击及高频率的振动等考验；船载激光器不仅面临高振动冲击，并且还将面临高湿度的环境。
目前，对于高温、低温、高低温循环、振动、冲击等极端环境条件下工作及存储的高功率半导体激光器泵浦全固态激光器技术仍旧不够成熟。
一方面，LD泵浦的全固态激光器在极端恶劣环境条件下易产生机械变形，激光器谐振腔在恶劣环境下其平行度易变化，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。
另一方面，目前绝大多数的LD泵浦的全固态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，这些因素都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，半导体激光器泵源具有中心波长随着温度漂移而变化的温度特性。进而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，使现有固体激光器存在结构复杂，体积庞大，使用环境受限等问题。
发明内容
本发明在于解决目前LD泵浦的全固态激光器在极端恶劣环境条件下，一方面，存在激光器谐振腔的光束质量劣化和输出能量急剧下降，甚至出现失谐停止输出的问题；另一方面，激光器的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，而要解决这一问题，则会导致激光器存在结构复杂，体积庞大，使用环境受限的问题，而提供一种适用于极端环境的高功率激光器及其激光产生方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种适用于极端环境的高功率激光器，其特殊之处在于：包括谐振腔和设置在谐振腔一侧的脉冲激光输出单元；
所述谐振腔包括沿光路由左至右依次设置的角锥棱镜、至少一个泵浦模块、调q模块和输出偏振分束镜，设置在输出偏振分束镜反射光路上的反射偏振分束镜，以及依次设置在反射偏振分束镜反射光路上的光楔、倍频晶体和第三全反镜；所述反射偏振分束镜的反射面与输出偏振分束镜的反射光路呈45°夹角；
所述泵浦模块包括半导体激光器泵浦源和安装在半导体激光器泵浦源上的增益介质，所述增益介质设置在所述光路上；
所述脉冲激光输出单元包括设置在输出偏振分束镜透射光路上的分束镜、设置在分束镜反射光路上的第一全反镜，所述分束镜的反射面与输出偏振分束镜的透射光路呈45°夹角，所述第一全反镜的反射面与分束镜的反射光路呈90°夹角，第一全反镜的反射光反射至分束镜，经由分束镜透射，其透射光路上设置第二全反镜；
所述半导体激光器泵浦源用于向增益介质发射泵浦激光，增益介质将泵浦激光转化为基频激光；
基频激光经过角锥棱镜的反射后进入调q模块，所述调q模块用于将基频激光转化为基频脉冲激光；
一部分基频脉冲激光经过输出偏振分束镜的透射后入射至分束镜的反射面上，所述分束镜用于将基频脉冲激光反射至第一全反镜后，再经第一全反镜的反射、分束镜的透射后入射至第二全反镜，第二全反镜用于将基频脉冲激光向外部输出；另一部分基频脉冲激光依次经过输出偏振分束镜的反射、反射偏振分束镜的反射、光楔的透射后进入倍频晶体，倍频晶体将基频脉冲激光转化成倍频脉冲激光；
倍频脉冲激光经第三全反镜的反射按照原光路返回至角锥棱镜，倍频脉冲激光在谐振腔内进行往复光路循环；倍频脉冲激光在谐振腔内进行往复光路循环中，每当倍频脉冲激光到达输出偏振分束镜时，一部分倍频脉冲激光依次经输出偏振分束镜透射和脉冲激光输出单元向外部输出，另一部分倍频脉冲激光继续在谐振腔内进行往复光路循环。
进一步地，所述半导体激光器泵浦源采用半导体激光侧泵模块，半导体激光侧泵模块的巴条安装端面为半圆形，半圆形巴条安装端面上在周向均布有N个不同波长的LD巴条，N≥3。
进一步地，N个不同波长的LD巴条中，第i个LD巴条的波长λi根据下式进行计算：
Figure BDA0003065010080000031
其中：
i为整数，且1≤i≤N：
λP为增益介质的吸收峰；
△λ为增益介质的吸收带宽。
进一步地，所述增益介质设置在半圆形巴条安装端面的圆心处，所述半导体激光侧泵模块上还设置有散热器。
进一步地，所述增益介质选用激光晶体、激光玻璃或激光陶瓷；
其中激光晶体选用Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:GGG、Nd:YLF、Yb:YAG、Nd:KGW；
所述散热器选用传导冷却散热器或微通道液体冷却散热器；所述调q模块为调q晶体。
进一步地，所述泵浦模块设置有2M个，其中，M≥1；2M个导体激光器泵浦源依次在光路的上方和下方循环设置。
进一步地，所述泵浦模块设置有两个，两个导体激光器泵浦源分别设置在光路的上方和下方。
本发明还提供一种适用于极端环境的高功率激光器的激光产生方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)使半导体激光器泵浦源向增益介质发射泵浦激光；
2)增益介质将泵浦激光转化为基频激光；
3)使基频激光进入调q模块，调q模块将基频激光化成基频脉冲激光；
4)使一部分基频脉冲激光经过输出偏振分束镜的透射后入射至分束镜的反射面上，所述分束镜用于将基频脉冲激光反射至第一全反镜后，再经第一全反镜的反射、分束镜的透射后入射至第二全反镜，第二全反镜用于将基频脉冲激光向外部输出；
另一部分基频脉冲激光依次经过输出偏振分束镜的反射、反射偏振分束镜的反射、光楔的透射后进入倍频晶体，倍频晶体将基频脉冲激光转化成倍频脉冲激光；
5)使倍频脉冲激光经第三全反镜的反射按照原光路返回至角锥棱镜，倍频脉冲激光在谐振腔内进行往复光路循环；倍频脉冲激光在谐振腔内进行往复光路循环中，每当倍频脉冲激光到达输出偏振分束镜时，一部分倍频脉冲激光依次经输出偏振分束镜透射和脉冲激光输出单元向外部输出，另一部分倍频脉冲激光继续在谐振腔内进行往复光路循环。
进一步地，步骤1)中，所述半导体激光器泵浦源采用半导体激光侧泵模块，半导体激光侧泵模块的巴条安装端面为半圆形，半圆形巴条安装端面上在周向均布有N个不同波长的LD巴条，N≥3。
进一步地，步骤1)中，N个不同波长的LD巴条中，第i个LD巴条的波长λi根据下式进行计算：
Figure BDA0003065010080000051
其中：
i为整数，且1≤i≤N：
λP为增益介质的吸收峰；
△λ为增益介质的吸收带宽。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
一、本发明采用的一种适用于极端环境的高功率激光器，设置的谐振腔结构简单，通过角锥棱镜、输出偏振分束镜和反射偏振分束镜的结构设置，不仅缩小了激光器的空间体积，而且机械稳定性好，对腔镜失谐不敏感，有利于提高光束质量；同时由输出偏振分束镜和反射偏振分束镜、第一全反镜，分束镜，第二全反镜组成的偏振耦合双程输出单元具有输出耦合率可调、腔内有效功率低等优点，而且有利于提高激光脉冲倍频效率，进而提供了一种小型化、抗冲击振动、能够在高低温环境下可靠稳定工作存储的半导体激光泵浦全固态激光器。
二、本发明采用的一种适用于极端环境的高功率激光器，通过对设置多个不同波长的巴条，避免了半导体激光器泵源的中心波长随着温度漂移的情况产生，有效降低了环境温度对泵浦效率的影响，使激光器能够在高温、低温环境下稳定工作。
三、本发明采用的一种适用于极端环境的高功率激光器，通过定量的泵浦源波长选择解析公式，仅考虑半导体激光巴条数目、增益介质吸收峰、增益介质吸收带宽三个参数实现了每个半导体激光巴条的定量计算和选择，相对传统数值模拟方法更加简便，并且实现不同波长的等距定量计算。
附图说明
图1为本发明一种适用于极端环境的高功率激光器的结构示意图。
图2为本发明一种适用于极端环境的高功率激光器中泵浦模块的结构示意图。
图3为本发明一种适用于极端环境的高功率激光器中偏振耦合双程输出单元的结构示意图。
图中：
1-角锥棱镜，2-增益介质，3-散热器，4-半导体激光器泵浦源，7-调q模块，8-输出偏振分束镜，9-反射偏振分束镜，10-第一全反镜，11-分束镜，12-第二全反镜，13-光楔，14-倍频晶体，15-第三全反镜，41-第一巴条，42-第二巴条，43-第三巴条，44-第四巴条，45-第五巴条。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
如图1所示，一种适用于极端环境的高功率激光器包括谐振腔和设置在谐振腔一侧的脉冲激光输出单元，所述谐振腔的机械稳定性好，对腔镜失谐不敏感，可适应振动、冲击、温度大幅度变化等恶劣环境；
所述谐振腔包括沿光路由左至右依次设置的抗失调角锥棱镜1、两个泵浦模块、调q模块7和输出偏振分束镜8，设置在输出偏振分束镜8反射光路上的反射偏振分束镜9，以及依次设置在反射偏振分束镜9反射光路上的光楔13、倍频晶体14和第三全反镜15；所述反射偏振分束镜9的反射面与输出偏振分束镜8的反射光路呈45°夹角；
所述泵浦模块包括半导体激光器泵浦源4和安装在半导体激光器泵浦源4一侧的增益介质2，所述增益介质2设置在所述光路上，所述半导体激光器泵浦源4的另一侧设置有散热器3，所述散热器3选用传导冷却散热器或微通道液体冷却散热器，用于半导体激光器泵浦源4的散热；2个导体激光器泵浦源4分别间隔设置在光路的上方和下方，均可用于产生泵浦激光。
所述脉冲激光输出单元包括设置在输出偏振分束镜8透射光路上的分束镜11、设置在分束镜11反射光路上的第一全反镜10，所述分束镜11的反射面与输出偏振分束镜8的透射光路呈45°夹角，所述第一全反镜10的反射面与分束镜11的反射光路呈90°夹角，第一全反镜10的反射光反射至分束镜11，经由分束镜11透射，其透射光路上设置第二全反镜12；
所述角锥棱镜1的后向反射和自身的准直特性可用于提高2个导体激光器泵浦源4和两个散热器3的可靠性，角锥棱镜1的匀光特性也能够对激光增益的不均匀和热畸变进行光学补偿，对振荡激光具有翻转和匀化的作用，改善激光光束质量。
所述增益介质2选用激光晶体、激光玻璃或激光陶瓷；其中激光晶体选用Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:GGG、Nd:YLF、Yb:YAG、Nd:KGW。本实施例中选用的激光晶体为Nd:YVO4。
所述半导体激光器泵浦源4采用半导体激光侧泵模块，半导体激光侧泵模块的巴条安装端面为半圆形，半圆形巴条安装端面上在周向均布有5个不同波长的LD巴条。
由于半导体激光器的波长随温度产生漂移，为了使激光器在宽温度范围内工作，所述半导体激光器泵浦源4采用多波长泵浦源，第i个LD巴条的波长λi根据下式进行计算，其中i为整数，且1≤i≤5：
Figure BDA0003065010080000081
λP为增益介质2的吸收峰；
△λ为增益介质2的吸收带宽。
半导体激光器泵浦源4对Nd:YVO4晶体棒进行泵浦时，Nd:YVO4的吸收峰λP为808.7nm，吸收带宽△λ为20nm，根据上述公式可计算可得到5个巴条的中心波长分别为：
第一巴条41的波长λ1＝798.7nm，第二巴条42的波长λ2＝803.7nm，第三巴条43的波长λ3＝808.7nm，第四巴条44的波长λ4＝813.7nm，第五巴条45的波长λ5＝818.7nm。
根据5个不同的波长加工5个LD巴条，将5个不LD巴条均布在半导体泵浦模块上。
所述调q模块7为调q晶体，用于将连泵浦激光转化为脉冲激光，实现纳秒或皮秒量级脉冲激光输出，调q晶体可选用主动调q晶体或被动调q晶体；本实施例所选的调q晶体为RTP晶体，RTP具有大的电光系数，高抗损伤阈值，容易实现10ns以内脉冲激光输出。经过调q模块进行电光调制后变为脉冲激光，一部分脉冲激光经过输出偏振分束镜8和反射偏振分束镜9入射到光楔对13上，光楔配对组合使用，可有效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。再经过倍频晶体14后变成532nm倍频光，经过第三全反镜15反射后的光又按照原光路返回。
所述倍频晶体14可选用KTP、BBO、LBO等非线性晶体，实现脉冲激光的二倍频输出，进而改变了脉冲激光的波长。
如图3所示，所述输出偏振分束镜8、反射偏振分束镜9、分束镜11、第一全反镜10，第二全反镜12组成了偏振耦合双程输出单元，采用偏振耦合方式出光，具有输出耦合率可调、腔内功率密度低、避免光学损伤等优势，适合大能量激光输出。同时，输出偏振分束镜8和反射偏振分束镜9、分束镜11、第一全反镜10，第二全反镜12组成了偏振耦合双程倍频输出单元能够使输出偏振分束镜8输出的激光反射回谐振腔，可有效提高倍频效率。此激光器的优点是能够在高低温环境下工作，并适应高冲击振动环境。
本实施例中，半导体激光器泵浦源4向增益介质2发射泵浦激光，增益介质2将泵浦激光转化为基频激光；基频激光进入调q模块7，所述调q模块7将基频激光转化为基频脉冲激光；
一部分基频脉冲激光经过输出偏振分束镜8的透射后入射至分束镜11的反射面上，所述分束镜11用于将基频脉冲激光反射至第一全反镜10后，再经第一全反镜10的反射、分束镜11的透射后入射至第二全反镜12，第二全反镜12用于将基频脉冲激光向外部输出；另一部分基频脉冲激光依次经过输出偏振分束镜8的反射、反射偏振分束镜9的反射、光楔13的透射后进入倍频晶体14，倍频晶体14将基频脉冲激光转化成倍频脉冲激光；
倍频脉冲激光经第三全反镜15的反射按照原光路返回至角锥棱镜1，倍频脉冲激光在谐振腔内进行往复光路循环；每当倍频脉冲激光到达输出偏振分束镜8时，一部分倍频脉冲激光依次经输出偏振分束镜8透射和脉冲激光输出单元向外部输出，另一部倍频脉冲激光继续在谐振腔内进行往复光路循环。
本实施例还提供一种适用于极端环境的高功率激光器的激光产生方法，包括以下步骤：
1)使半导体激光器泵浦源4向增益介质2发射泵浦激光；
2)增益介质2将泵浦激光转化为基频激光；
3)使基频激光进入调q模块7，调q模块7将基频激光化成基频脉冲激光；
4)使一部分基频脉冲激光经过输出偏振分束镜8的透射后入射至分束镜11的反射面上，所述分束镜11用于将基频脉冲激光反射至第一全反镜10后，再经第一全反镜10的反射、分束镜11的透射后入射至第二全反镜12，第二全反镜12用于将基频脉冲激光向外部输出；
另一部分基频脉冲激光依次经过输出偏振分束镜8的反射、反射偏振分束镜9的反射、光楔13的透射后进入倍频晶体14，倍频晶体14将基频脉冲激光转化成倍频脉冲激光；
5)使倍频脉冲激光经第三全反镜15的反射按照原光路返回至角锥棱镜1，倍频脉冲激光在谐振腔内进行往复光路循环；每当倍频脉冲激光到达输出偏振分束镜8时，一部分倍频脉冲激光依次经输出偏振分束镜8透射和脉冲激光输出单元向外部输出，另一部倍频脉冲激光继续在谐振腔内进行往复光路循环，提高谐振腔的倍频效率。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或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 (6)

1.一种适用于极端环境的高功率激光器，其特征在于：
包括谐振腔和设置在谐振腔一侧的脉冲激光输出单元；
所述谐振腔包括沿光路由左至右依次设置的角锥棱镜(1)、至少一个泵浦模块、调q模块(7)和输出偏振分束镜(8)，设置在输出偏振分束镜(8)反射光路上的反射偏振分束镜(9)，以及依次设置在反射偏振分束镜(9)反射光路上的光楔(13)、倍频晶体(14)和第三全反镜(15)；所述反射偏振分束镜(9)的反射面与输出偏振分束镜(8)的反射光路呈45°夹角；
所述泵浦模块包括半导体激光器泵浦源(4)和安装在半导体激光器泵浦源(4)上的增益介质(2)，所述增益介质(2)设置在所述光路上；
所述脉冲激光输出单元包括设置在输出偏振分束镜(8)透射光路上的分束镜(11)、设置在分束镜(11)反射光路上的第一全反镜(10)，所述分束镜(11)的反射面与输出偏振分束镜(8)的透射光路呈45°夹角，所述第一全反镜(10)的反射面与分束镜(11)的反射光路呈90°夹角，第一全反镜(10)的反射光反射至分束镜(11)，经由分束镜(11)透射，其透射光路上设置第二全反镜(12)；
所述半导体激光器泵浦源(4)用于向增益介质(2)发射泵浦激光，增益介质(2)将泵浦激光转化为基频激光；
基频激光经过角锥棱镜(1)的反射后进入调q模块(7)，所述调q模块(7)用于将基频激光转化为基频脉冲激光；
一部分基频脉冲激光经过输出偏振分束镜(8)的透射后入射至分束镜(11)的反射面上，所述分束镜(11)用于将基频脉冲激光反射至第一全反镜(10)后，再经第一全反镜(10)的反射、分束镜(11)的透射后入射至第二全反镜(12)，第二全反镜(12)用于将基频脉冲激光向外部输出；另一部分基频脉冲激光依次经过输出偏振分束镜(8)的反射、反射偏振分束镜(9)的反射、光楔(13)的透射后进入倍频晶体(14)，倍频晶体(14)将基频脉冲激光转化成倍频脉冲激光；
倍频脉冲激光经第三全反镜(15)的反射按照原光路返回至角锥棱镜(1)，倍频脉冲激光在谐振腔内进行往复光路循环；倍频脉冲激光在谐振腔内进行往复光路循环中，每当倍频脉冲激光到达输出偏振分束镜(8)时，一部分倍频脉冲激光依次经输出偏振分束镜(8)透射和脉冲激光输出单元向外部输出，另一部分倍频脉冲激光继续在谐振腔内进行往复光路循环；
所述半导体激光器泵浦源(4)采用半导体激光侧泵模块，半导体激光侧泵模块的巴条安装端面为半圆形，半圆形巴条安装端面上在周向均布有N个不同波长的LD巴条，N≥3；
N个不同波长的LD巴条中，第i个LD巴条的波长λi根据下式进行计算：
Figure FDA0003941997260000021
其中：
i为整数，且1≤i≤N：
λP为增益介质(2)的吸收峰；
△λ为增益介质(2)的吸收带宽。
2.根据权利要求1所述的适用于极端环境的高功率激光器，其特征在于：所述增益介质(2)设置在半圆形巴条安装端面的圆心处，所述半导体激光侧泵模块上还设置有散热器(3)。
3.根据权利要求2所述的适用于极端环境的高功率激光器，其特征在于：所述增益介质(2)选用激光晶体、激光玻璃或激光陶瓷；
其中激光晶体选用Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:GGG、Nd:YLF、Yb:YAG、Nd:KGW；
所述散热器(3)选用传导冷却散热器或微通道液体冷却散热器；所述调q模块(7)为调q晶体。
4.根据权利要求1-3任一所述的适用于极端环境的高功率激光器，其特征在于：所述泵浦模块设置有2M个，其中，M≥1；2M个导体激光器泵浦源4依次在光路的上方和下方循环设置。
5.根据权利要求4所述的适用于极端环境的高功率激光器，其特征在于：所述泵浦模块设置有两个，两个半导体激光器泵浦源(4)分别设置在光路的上方和下方。
6.一种适用于极端环境的高功率激光器的激光产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)使半导体激光器泵浦源(4)向增益介质(2)发射泵浦激光；所述半导体激光器泵浦源(4)采用半导体激光侧泵模块，半导体激光侧泵模块的巴条安装端面为半圆形，半圆形巴条安装端面上在周向均布有N个不同波长的LD巴条，N≥3；N个不同波长的LD巴条中，第i个LD巴条的波长λi根据下式进行计算：
Figure FDA0003941997260000031
其中：
i为整数，且1≤i≤N：
λP为增益介质(2)的吸收峰；
△λ为增益介质(2)的吸收带宽；
2)增益介质(2)将泵浦激光转化为基频激光；
3)使基频激光进入调q模块(7)，调q模块(7)将基频激光转化成基频脉冲激光；
4)使一部分基频脉冲激光经过输出偏振分束镜(8)透射后入射至分束镜(11)的反射面上，所述分束镜(11)用于将基频脉冲激光反射至第一全反镜(10)后，再经第一全反镜(10)的反射、分束镜(11)的透射后入射至第二全反镜(12)，第二全反镜(12)用于将基频脉冲激光向外部输出；
另一部分基频脉冲激光依次经过输出偏振分束镜(8)的反射、反射偏振分束镜(9)的反射、光楔(13)的透射后进入倍频晶体(14)，倍频晶体(14)将基频脉冲激光转化成倍频脉冲激光；
5)使倍频脉冲激光经第三全反镜(15)的反射按照原光路返回至角锥棱镜(1)，倍频脉冲激光在谐振腔内进行往复光路循环；倍频脉冲激光在谐振腔内进行往复光路循环中，每当倍频脉冲激光到达输出偏振分束镜(8)时，一部分倍频脉冲激光依次经输出偏振分束镜(8)透射和脉冲激光输出单元向外部输出，另一部分倍频脉冲激光继续在谐振腔内进行往复光路循环。
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