CN113889835A - 一种激光晶体、激光器以及百皮秒激光的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光晶体、激光器以及百皮秒激光的制备方法，其中，激光晶体包括：Nd:YAG晶体、Cr:YAG晶体和YAG晶体；Cr:YAG晶体的两个端面分别与Nd:YAG晶体和YAG晶体键合，形成第一键合面和第二键合面。本发明实施例提供的技术方案在提高晶体热损伤阈值的同时，实现了激光器紧凑的结构设计，实现激光器的尺寸小型化。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种激光晶体、激光器以及百皮秒激光的制备方法。
背景技术
目前，激光美容仪一般采用纳秒(ns)激光器作为光源，但该纳秒激光的应用仍存在某些难治性色素性疾病疗效不明显、色素沉着、色素脱失、对皮损周围正常皮肤有损伤等等局限性。
随着科技的不断进步，皮秒激光成为应用于激光美容的最新技术之一。对比纳秒激光，百皮秒激光由于更高的峰值功率和极短的脉冲宽度，对于色基更有靶向性，能够有效治疗色素性皮肤疾病、去除纹身，且在与人体皮肤的相互作用过程中几乎不产生热损耗，因此几乎无热烧蚀作用，因此也明显提高了患者体验舒适度。
目前常见的获得百皮秒脉冲激光器的技术路线主要有四种：锁模技术、基于纳秒激光的SBS脉宽压缩技术、薄片激光器技术和被动调Q技术。其中，被动调Q技术因为稳定性强、激光光束质量好等特性受到广泛青睐，被动调Q技术是在光路中插入可饱和吸收体，并合理设计腔型来获得百皮秒激光脉冲输出，然而目前常见的被动调Q激光器所获得的脉宽普遍在500ps以上，输出单脉冲能量也为较低的百微焦量级，治疗效果不如美国CYNOSURE公司(550ps)和以色列SYNERON公司(375ps)的同类产品，且市面上常见的激光器尺寸较大，不利于在精细化场合下的操作。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种激光晶体、激光器以及百皮秒激光的制备方法，本发明实施例提供的激光晶体通过简单紧凑的结构设计实现激光器的小型化需求。
为解决上述技术问题，本发明实施例第一方面提供了一种激光晶体，包括：Nd:YAG晶体、Cr:YAG晶体和YAG晶体；Cr:YAG晶体的两个端面分别与Nd:YAG晶体和YAG晶体键合，形成第一键合面和第二键合面。
进一步地，第一键合面和第二键合面相互平行。
进一步地，Nd:YAG晶体上设置有泵浦光入射端面；泵浦光入射端面与第一键合面相互平行设置。
进一步地，YAG晶体上设置有激光出射端面；激光出射端面与第二键合面相互平行设置。
进一步地，YAG晶体上设置有激光出射端面；激光出射端面与第二键合面呈预设角度设置，预设角度为28°～32°。
进一步地，Nd:YAG晶体中Nd3+的掺杂浓度为0.8～1.2at.％。
进一步地，泵浦光入射端面镀有激光高反膜和泵浦光高透膜。
本发明实施例第二方面提供了一种激光器，包括：如前述任一激光晶体；泵浦光器件，用于输出泵浦光；泵浦光耦合器件，设于泵浦光器件和激光晶体的泵浦光入射端面之间，泵浦光耦合器件用于将泵浦光器件输出的泵浦光耦合并射入激光晶体。
进一步地，激光器还包括：输出镜，设于激光晶体的激光出射端，输出镜与泵浦光入射端面之间构成激光谐振腔。进一步地，输出镜材料为YAG晶体，输出镜用于改变激光输出路径后将激光输出。
本发明实施例第三方面提供了一种百皮秒激光的制备方法，该方法利用前述任一激光器产生百皮秒级的激光。本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明实施例提供的技术方案在提高晶体热损伤阈值的同时，实现了激光器紧凑的结构设计，实现激光器的尺寸小型化。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的激光晶体的结构分布图；
图2是本发明实施例二提供的激光晶体的结构分布图；
图3是本发明实施例二提供的激光器的结构示意图；
图4是本发明实施例三提供的激光晶体的结构分布图；
图5是本发明实施例三提供的激光器的结构示意图。
附图标记：
1-Nd:YAG晶体；2-Cr:YAG晶体；3-YAG晶体；11-第一键合面；12-第二键合面；13-泵浦光入射端面；31-激光出射端面；4-泵浦光器件；5-泵浦光耦合器件；6-输出镜。
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。
图中所示出的各种区域、形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
为了使得公众能够更好的理解本发明，在对本发明提供的一种激光晶体以及激光器进行详细描述之前，首先进行术语定义。
术语定义：
泵浦：即泵，又名帮浦、抽运；与泵不同的是，泵浦一词主要出现于激光领域。是指给激光工作物质提供能量使其形成粒子数反转的过程。
激光的脉宽：即激光的脉冲宽度，是指激光功率维持在一定值时所持续的时间。不同的激光器，其脉冲宽度可以在很大范围内变化。
端面泵浦：泵浦光源通过光纤传导照射晶体出光端面。
高透：高透射率。
高反：高反射率。
实施例一
请参照图1，本发明实施例一提供的一种激光器，该激光器尺寸较小、结构紧凑且规则，利于实现激光器的小型化。
在本实施例中，激光晶体包括YAG晶体3、Cr:YAG晶体2和Nd:YAG晶体1，这三种晶体依次键合形成小尺寸被动调Q激光晶体。
其中，YAG晶体3与Cr:YAG晶体2之间形成第二键合面12，Cr:YAG晶体2与Nd:YAG晶体1之间形成第一键合面11，第一键合面11和第二键合面12相互平行。
其中，Nd:YAG晶体1上设置有与第一键合面11相互平行的泵浦光入射端面13，YAG晶体3上设置有与第二键合面12相互平行的激光出射端面31，具体地，第一键合面11与泵浦光入射端面13分别位于Nd:YAG晶体1上位置相对的两个端面，第二键合面12与激光出射端面31分别位于YAG晶体3上位置相对的两个端面。
本实施例中，第一键合面11、第二键合面12、泵浦光入射端面13以及激光出射端面31均相互平行，泵浦光从泵浦光入射端面13垂直射入，穿过第一键合面11和第二键合面12后从激光出射端面31垂直输出目标激光，在整个泵浦过程中，激光路径呈直线传递，方向不发生偏移，便于调节。
在本实施例中，泵浦光入射端面13镀有对泵浦光波长高透过率的高透膜以及对激光波长高反射率的高反膜，可选地，高反膜为1064nm高反膜，高透膜和高反膜构成的光学膜系作为激光器的后腔镜对泵浦光进行过滤，实现对目标输出激光波长的控制。
在本实施例中，YAG晶体3的激光出射端面31镀覆有对部分波长的激光有反射作用的膜系，该膜系的作用相当于输出镜6，可使激光谐振并输出目标激光。
本实施例中，激光垂直于激光出射端面31输出，没有路径偏折，因此，此时激光出射端面31镀覆的膜系能够对激光形成谐振，其作为输出镜6与泵浦光入射端面13之间构成激光谐振腔。
具体地，本实施例中的Nd:YAG晶体1的截面为6×6mm2，厚度为3.7mm，Nd3+的掺杂浓度为1.2at.％。
本实施例中的Cr:YAG晶体2的截面为6×6mm2，厚度为3.5mm，为可吸收激光波长的被动调Q器件，即一种插入损耗随腔内光强递减的装置，用于形成百皮秒激光脉冲。
本实施例中的YAG晶体3截面为6×6mm2，厚度为2mm，用于降低激光产生过程中的晶体热效应，防止Cr:YAG晶体2产生热损伤，同时改善输出激光的光束质量。
本实施例中的Cr:YAG晶体2为可饱和吸收体，初始透过率为10～30％。
在具体地实施方式中，泵浦光由泵浦光入射端面13入射到激光晶体中，并被Nd:YAG晶体1吸收，以粒子数反转的形式储存能量。泵浦光入射端面13与激光出射端面31上对激光波长部分反射的膜系相当于输出镜6共同构成激光谐振腔，激光在谐振腔内形成振荡并输出。
本实施例中的激光晶体厚度不足10mm，且激光路径没有偏折，通过膜系便可形成激光谐振腔，因此激光谐振腔的长度即为激光晶体的长度，腔长非常短，稳定性较高，可输出小于270ps脉宽的脉冲激光，该激光晶体构成的激光器结构紧凑，形状规则，小型化程度高。
实施例二
请参照图2和图3，本实施例二提供的激光晶体与实施例一的晶体结构基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：
本实施例二中，激光出射端面31与第二键合面12呈预设角度设置，可选地，预设角度为28°～32°，具体地，预设角度为30°。
本实施例中，泵浦光垂直于泵浦光入射端面13射入激光晶体，此时，激光出射端面31与泵浦光入射方向呈60°，因此，激光从激光出射端面31输出时会发生偏折。
本实施例中，YAG晶体3的激光出射端面31不镀覆膜系，YAG晶体3设有激光出射端面31的一端设有输出镜6，输出镜6与激光偏折后的路径相互垂直。
本实施例中的激光器用于产生预定方向线偏振的激光输出。
在持续泵浦条件下，Nd:YAG晶体1内形成足够多的反转粒子数时，腔内激光开始振荡，光强持续增强，而同时Cr:YAG晶体2引入的插入损耗迅速减小，最后由输出镜6输出能量3mJ，脉宽270ps的激光脉冲。
本实施例晶体热损伤阈值高，且保留了端面夹角，可产生预定方向线偏振输出激光。
实施例三
请参照图4和图5，本实施例三提供的一种激光晶体与实施例二的结构基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：
本实施例三中，激光出射端面31与第二键合面12呈30°设置，输出镜6材料为YAG晶体3，该输出镜6用于改变激光输出路径后将激光输出，具体地，该输出镜6将发生偏折的激光路径再次偏折，使其最终输出路径与泵浦光入射方向一致。
在具体实施方式中，YAG晶体材质的输出镜6呈楔形，该输出镜6包括偏折面和输出面，其中偏折面靠近激光出射端面31且与激光出射端面31平行，而输出面与第二键合面12相互平行，激光从激光出射端面31偏折输出后经过输出镜6偏折面再次偏折，最后经过输出面输出与泵浦光入射方向一致激光。
在另一具体实施方式中，YAG晶体材质的输出镜6呈曲面形，该输出镜6可通过曲面折射实现对激光输出方向的调节，使得激光输出方向与泵浦光入射方向一致。
本实施例中，YAG晶体材质的输出镜6端面包含有对激光波长部分反射的膜系，该膜系使激光谐振，并输出目标激光。
本实施例的光路没有偏折，便于调节，晶体热损伤阈值高，且保留了端面夹角，可便捷替换为实施例二中的激光器。
在上述实施例的具体实施方式中，泵浦光器件4输出泵浦光，泵浦光耦合器件5用于对泵浦光的光斑进行整形，以获得模式匹配，Nd:YAG晶体1用于吸收泵浦光；泵浦光器件4输出的泵浦光经过泵浦光耦合器件5耦合并射入激光晶体，并在激光谐振腔内振荡，最终产生百皮秒脉冲激光其中，激光传输路径见附图虚线所示。
在具体实施方式中，Nd:YAG晶体1固定于水冷热沉中进行散热；Nd:YAG晶体1、泵浦光耦合器件5和泵浦光器件4同轴放置。
通过上述实施例记载的激光晶体以及激光器，可制备得到百皮秒脉冲激光，即，脉宽为250～1000ps的激光。
本发明实施例旨在保护一种激光晶体、激光器以及百皮秒激光的制备方法，具备如下效果：
1、激光晶体通过键合YAG晶体降低整个晶体热效应，防止Cr:YAG晶体产生热损伤，改善输出激光的光束质量，提高晶体热损伤阈值。
2、通过将YAG、Nd:YAG和Cr:YAG三种晶体键合在一起，实现了结构紧凑，极大地缩小了百皮秒激光器的尺寸。
3、采用可饱和吸收体的被动调Q晶体以及腔长较短的特性，可直接产生脉冲宽度窄至300ps的激光，达到国际先进水平。
4、输出激光单脉冲能量达到mJ量级，为后续放大并最终得到百mJ量级的、激光医疗所急需的激光源提供了很好的技术捷径。
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。
Claims (11)
1.一种激光晶体，其特征在于，包括：Nd:YAG晶体(1)、Cr:YAG晶体(2)和YAG晶体(3)；
所述Cr:YAG晶体(2)的两个端面分别与所述Nd:YAG晶体(1)和所述YAG晶体(3)键合，形成第一键合面(11)和第二键合面(12)。
2.根据权利要求1所述的激光晶体，其特征在于，
所述第一键合面(11)和所述第二键合面(12)相互平行。
3.根据权利要求1所述的激光晶体，其特征在于，
所述Nd:YAG晶体(1)上设置有泵浦光入射端面(13)；
所述泵浦光入射端面(13)与所述第一键合面(11)相互平行设置。
4.根据权利要求1所述的激光晶体，其特征在于，
所述YAG晶体(3)上设置有激光出射端面(31)；
所述激光出射端面(31)与所述第二键合面(12)相互平行设置。
5.根据权利要求1所述的激光晶体，其特征在于，
所述YAG晶体(3)上设置有激光出射端面(31)；
所述激光出射端面(31)与所述第二键合面(12)呈预设角度设置，所述预设角度为28°～32°。
6.根据权利要求1所述的激光晶体，其特征在于，
所述Nd:YAG晶体(1)中Nd3+的掺杂浓度为0.8～1.2at.％。
7.根据权利要求1所述的激光晶体，其特征在于，所述泵浦光入射端面(13)镀有激光高反膜和泵浦光高透膜。
8.一种激光器，其特征在于，包括：
如权利要求1-5任一项所述的激光晶体；
泵浦光器件(4)，用于输出泵浦光；
泵浦光耦合器件(5)，设于所述泵浦光器件(4)和所述激光晶体的泵浦光入射端面(13)之间，所述泵浦光耦合器件(5)用于将所述泵浦光器件(4)输出的泵浦光耦合并射入所述激光晶体。
9.根据权利要求8所述的激光器，其特征在于，还包括：
输出镜(6)，设于所述激光晶体的激光出射端，所述输出镜(6)与所述泵浦光入射端面(13)之间构成激光谐振腔。
10.根据权利要求9所述的激光器，其特征在于，所述输出镜(6)材料为YAG晶体(3)，所述输出镜(6)用于改变激光输出路径后将激光输出。
11.一种百皮秒激光的制备方法，其特征在于，利用如权利要求8-10任一项所述的激光器产生百皮秒级的激光。
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| PB01 | Publication | ||
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