CN114552355A - 一种偏振分离复合腔钬激光器 - Google Patents

一种偏振分离复合腔钬激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种偏振分离复合腔钬激光器，属于固体激光技术领域，能够解决现有的Tm/Ho键合激光器输出脉宽较大，无法实现窄脉宽输出的问题。所述钬激光器包括：泵浦源、耦合透镜组、第一腔镜、键合晶体、偏振片、电光调Q晶体和输出耦合镜；耦合透镜组用于将泵浦激光耦合进键合晶体；键合晶体为Tm和Ho掺杂YLF晶体，键合晶体用于在泵浦激光的激发下，产生Tm激光和Ho激光；偏振片用于反射σ偏振Tm激光，并透射π偏振Ho激光；钬激光器还包括第二腔镜，第二腔镜设置在偏振片的反射光路上；第一腔镜用于透射泵浦激光，并反射Tm激光；第二腔镜用于反射Tm激光；输出耦合镜用于透射预设比例的Ho激光，并反射其余的Ho激光。本发明用于钬激光器。

Description

一种偏振分离复合腔钬激光器
技术领域
本发明涉及一种偏振分离复合腔钬激光器，属于固体激光技术领域。
背景技术
全固态钬(Ho)激光器常用实现方式包括：砷化镓铝激光半导体(LD)(波长范围750nm～810nm)泵浦铥(Tm)离子敏化的Tm、Ho共掺激光器；1.9μm激光泵浦单掺杂钬激光器；铥激光器腔内共振泵浦钬激光器，以及Tm/Ho键合激光器。
Tm、Ho共掺激光器存在严重的合作上转换损耗，在室温下只有数毫瓦的激光输出，甚至不出光。1.9μm激光泵浦Ho激光器系统结构复杂，体积庞大，造价昂贵，且LD到最终Ho激光输出的光光转换效率低下。1.9μmLD泵浦钬激光器的结构虽然更加紧凑，目前可以实现30％～40％的光光转换效率，但是，1.9μmLD的激光器中所用单个靶条价格比传统砷化镓铝LD的价格高一个数量级；发射谱宽达15nm，不利于匹配掺Ho增益介质的吸收峰(3～5nm宽)。
Tm/Ho键合激光器建立在腔内泵浦Ho激光器的基础上，将掺Tm和掺Ho增益介质键合为同一块增益介质，能够在常规砷化镓铝LD的泵浦下高效地实现Ho激光输出，并比腔内泵浦Ho激光器更加紧凑、便捷。其中，掺杂Ho离子的YLiF4(YLF)激光器由于在q开关获得高能激光脉冲方面有优势，在激光雷达、医学和遥感等领域具有广泛的应用价值。然而现有的Tm/Ho键合激光器大多输出脉宽较大，无法实现窄脉宽输出的目的。
发明内容
本发明提供了一种偏振分离复合腔钬激光器，能够解决现有的Tm/Ho键合激光器输出脉宽较大，无法实现窄脉宽输出的问题。
本发明提供了一种偏振分离复合腔钬激光器，包括：泵浦源，以及依次设置在所述泵浦源的出光光路上的耦合透镜组、第一腔镜、键合晶体、偏振片、电光调Q晶体和输出耦合镜；
所述泵浦源用于出射泵浦激光；
所述耦合透镜组用于将所述泵浦激光耦合进所述键合晶体；
所述键合晶体为Tm和Ho掺杂YLF晶体，所述键合晶体用于在所述泵浦激光的激发下，产生Tm激光和Ho激光；
所述偏振片用于反射σ偏振Tm激光，并透射π偏振Ho激光；
所述钬激光器还包括第二腔镜，所述第二腔镜设置在所述偏振片的反射光路上；所述第一腔镜用于透射所述泵浦激光，并反射所述Tm激光；所述第二腔镜用于反射所述Tm激光；
所述输出耦合镜用于透射预设比例的Ho激光，并反射其余的Ho激光。
可选的，所述键合晶体为Tm:YLF晶体和Ho:YLF晶体通过扩散键合方式整合而成。
可选的，所述电光调Q晶体为RTP晶体。
可选的，所述预设比例为2％～12％。
可选的，所述第一腔镜、所述第二腔镜和所述输出耦合镜均为平凹镜，其凹面曲率为100mm～700mm。
可选的，所述钬激光器还包括冷却结构，所述键合晶体设置在所述冷却结构上，所述冷却结构用于对所述键合晶体进行冷却。
可选的，所述钬激光器还包括导热件，所述导热件包覆所述键合晶体。
可选的，所述泵浦源为半导体泵浦源，所述泵浦激光的波长为792nm。
可选的，所述第一腔镜和所述第二腔镜均对波长在750nm～900nm之间的激光增透，并对波长在1850nm～2150nm之间的激光高反。
可选的，所述输出耦合镜对波长在2050nm的激光的透射率为10％。
本发明能产生的有益效果包括：
本发明提供的偏振分离复合腔钬激光器，设计了一种σ偏振Tm:YLF激光腔内泵浦Ho:YLF的激光器混合腔，为了实现Tm/Ho:YLF激光器的主动调q，首先设计了对称耦合腔结构，将σ偏振Tm激光器与π偏振Ho激光器进行偏振分离，使σ偏振Tm激光与π偏振Ho激光分别在两个子腔产生振荡。通过对两个子腔的腔镜和腔长优化，可以实现两个子腔的腔内模式匹配。本发明为直接用二极管泵浦的、紧凑的窄脉宽脉冲钬激光种子源提供了一种可行的方案，相比现有的Tm/Ho键合激光器，本发明的激光器可以作为种子光源，通过继续对种子光源进行放大来实现高功率输出。
附图说明
图1为本发明实施例提供的偏振分离复合腔钬激光器的光路示意图。
部件和附图标记列表：
1、泵浦源；2、耦合透镜组；3、第一腔镜；4、键合晶体；5、偏振片；6、电光调Q晶体；7、输出耦合镜；8、第二腔镜。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
本发明实施例提供了一种偏振分离复合腔钬激光器，如图1所示，包括：泵浦源1，以及依次设置在泵浦源1的出光光路上的耦合透镜组2、第一腔镜3、键合晶体4、偏振片5、电光调O晶体6和输出耦合镜7；泵浦源1用于出射泵浦激光；耦合透镜组2用于将泵浦激光耦合进键合晶体4；键合晶体4为Tm和Ho掺杂YLF晶体，键合晶体4用于在泵浦激光的激发下，产生Tm激光和Ho激光；偏振片5用于反射σ偏振Tm激光，并透射π偏振Ho激光；钬激光器还包括第二腔镜8，第二腔镜8设置在偏振片5的反射光路上；第一腔镜3用于透射泵浦激光，并反射Tm激光；第二腔镜8用于反射Tm激光；输出耦合镜7用于透射预设比例的Ho激光，并反射其余的Ho激光。
术发明通过分析晶体光谱，发现Ho:YLF晶体在σ偏振的1903nm处的共振吸收比在π偏振的1886nm处的共振吸收要高，因此设计了一种σ偏振Tm:YLF激光腔内泵浦Ho:YLF的激光器混合腔。具体的，由第一腔镜3和第二腔镜8组成σ偏振Tm激光腔，由第一腔镜3和输出耦合镜7组成π偏振Ho激光腔。Tm激光腔内起振后共振泵浦产生Ho激光。通过两个子腔腔镜的曲率半径和腔长的优化很容易实现Tm激光和Ho激光的模式匹配。
参考图1所示，泵浦源1可以为半导体泵浦源，泵浦激光的波长优选为792nm。
耦合透镜组2：优选两个焦距为30mm的透镜，在792nm处增透，将泵浦激光耦合进键合晶体4。
第一腔镜3：优选为平凹镜，曲率半径优选100mm到700mm，更优选曲率半径为100mm，第一腔镜3对波长在750nm～900nm之间的激光增透，并对波长在1850nm～2150nm之间的激光高反。示例的，可以在792nm附近增透，在1.9μm～2.1μm高反，第一腔镜3作为两个子腔共同的腔镜。
键合晶体4：Tm和Ho掺杂YLF晶体，作为激光增益晶体。具体的，可以采用长度为14mm的a-cut 2.5at％Tm:YLF晶体和长度为9mm的a-cut 0.6at％Ho:YLF晶体，通过扩散键合将其整合成单个块体Tm、Ho:YLF晶体。在实际应用中，一般设置Tm:YLF晶体的长度大于Ho:YLF晶体的长度。
在工作过程中，为了对其散热，可以将键合晶体4设置在冷却结构上，利用冷却结构对键合晶体4进行冷却。该冷却结构可以为铜散热器；为了进一步保证键合晶体4的散热效果，可以利用导热件包覆该键合晶体4；示例的，可以用铟箔包裹该键合晶体4，并将其安装在铜散热器中，在16℃进行水冷却。
偏振片5：在1.9μm偏振分束，作为σ偏振Tm激光的其中一个腔镜，对Tm激光反射，同时对π偏振Ho激光增透。
电光调Q晶体6：可以为RTP晶体：优选为两块正交放置的RTP晶体。
输出耦合镜7：优选为平凹镜，曲率半径优选100mm到700mm，更优选曲率半径100mm，输出耦合镜7对波长在1850nm～2150nm之间的激光的透射率为2％～12％。示例的，可以在2.05μm处镀透过率为10％的膜，作为π偏振Ho激光的输出耦合镜7。
第二腔镜8：优选为平凹镜，曲率半径优选100mm到700mm，更优选曲率半径100mm，第二腔镜8对波长在750nm～900nm之间的激光增透，并对波长在1850nm～2150nm之间的激光高反。示例的，可以在792nm附近增透，在1.9μm～2.1μm高反。
本发明另一实施例提供了一种具体的偏振分离复合腔钬激光器，其中，第一腔镜3和第二腔镜8选用等曲率半径为100mm的平凹镜，对750～900nm的泵浦激光增透，对1850～2020nm的Tm激光高反。采用由第一腔镜3、偏振片5和第二腔镜8组成的子腔，在腔内产生σ偏振Tm激光振荡。输出耦合镜7在2050nm的Tm激光和Ho激光上透射率为10％，曲率半径为100mm，与第一腔镜3形成另一个子腔，用于π偏振Ho振荡。由于两个子腔的结构基本相同，Tm激光器和Ho激光器的模分布基本一致。电光调q(EOQ)元件由两个3mm×3mm×5mm RbTiOPO4(RTP)晶体组成。在EOQ方案中，在RTP晶体上加载λ/4电压(1.8kV)，与插入的偏振片5配合，对π偏振的Ho:YLF激光器进行q开关。泵浦源1为792nm光纤耦合激光器，最大输出功率为50W，其中光纤芯径为200μm，数值孔径为0.22。每个端面的截面为3mm×3mm的Tm/Ho:YLF晶体在792nm和1.8～2.1μm处进行了增透镀膜。增益介质(即键合晶体4)用铟箔包裹，安装在铜散热器中，在16℃进行水冷却。当半导体泵浦源功率达到8W时，获得111mW的2051nm钬激光1kHz调Q输出，脉冲宽度39ns。当半导体泵浦源功率达到14.5W时，获得389mW的2051nm钬激光5kHz调Q输出，脉冲宽度61ns。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种偏振分离复合腔钬激光器，其特征在于，包括：泵浦源，以及依次设置在所述泵浦源的出光光路上的耦合透镜组、第一腔镜、键合晶体、偏振片、电光调Q晶体和输出耦合镜；
所述泵浦源用于出射泵浦激光；
所述耦合透镜组用于将所述泵浦激光耦合进所述键合晶体；
所述键合晶体为Tm和Ho掺杂YLF晶体，所述键合晶体用于在所述泵浦激光的激发下，产生Tm激光和Ho激光；
所述偏振片用于反射σ偏振Tm激光，并透射π偏振Ho激光；
所述钬激光器还包括第二腔镜，所述第二腔镜设置在所述偏振片的反射光路上；所述第一腔镜用于透射所述泵浦激光，并反射所述Tm激光；所述第二腔镜用于反射所述Tm激光；
所述输出耦合镜用于透射预设比例的Ho激光，并反射其余的Ho激光。
2.根据权利要求1所述的钬激光器，其特征在于，所述键合晶体为Tm:YLF晶体和Ho:YLF晶体通过扩散键合方式整合而成。
3.根据权利要求1所述的钬激光器，其特征在于，所述电光调Q晶体为RTP晶体。
4.根据权利要求1所述的钬激光器，其特征在于，所述预设比例为2％～12％。
5.根据权利要求1所述的钬激光器，其特征在于，所述第一腔镜、所述第二腔镜和所述输出耦合镜均为平凹镜，其凹面曲率为100mm～700mm。
6.根据权利要求1所述的钬激光器，其特征在于，所述钬激光器还包括冷却结构，所述键合晶体设置在所述冷却结构上，所述冷却结构用于对所述键合晶体进行冷却。
7.根据权利要求6所述的钬激光器，其特征在于，所述钬激光器还包括导热件，所述导热件包覆所述键合晶体。
8.根据权利要求1所述的钬激光器，其特征在于，所述泵浦源为半导体泵浦源，所述泵浦激光的波长为792nm。
9.根据权利要求8所述的钬激光器，其特征在于，所述第一腔镜和所述第二腔镜均对波长在750nm～900nm之间的激光增透，并对波长在1850nm～2150nm之间的激光高反。
10.根据权利要求8或9所述的钬激光器，其特征在于，所述输出耦合镜对波长在2050nm的激光的透射率为10％。
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