CN115832857A - 一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调q激光器及方法 - Google Patents

一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调q激光器及方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及激光器领域，特别涉及一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器及方法。其中，紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器包括第一腔和第二腔，所述第一腔和所述第二腔在光路传播方向相互连接，共同构成激光器谐振腔，所述第一腔内部传输的第一光路和所述第二腔内部传输的第二光路分别位于两个平行平面内；本公开可以使激光器长宽比降低，体积得到压缩，结构更加紧凑，能够进一步实现小型化设计，更利于作为核心器件应用于距离测量、医学科学研究、光谱研究等领域。

Description

一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器及方法
技术领域
本公开涉及固体激光器领域，尤其涉及一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器及方法。
背景技术
1μm波段在距离测量、医学科学研究、光谱研究、天文学研究等诸多领域有重要的用途和广泛的应用前景。高峰值功率窄脉宽的1μm激光是激光打标的理想光源，其峰值功率、脉冲宽度等参数对激光打标的效果起决定性的影响。目前获得1μm波长激光的方法主要通过808nm/879nm/885nm泵浦增益介质Nd:YVO4、Nd:YAG晶体，808nm/938nm泵浦增益介质Nd:GAGG晶体，940nm泵浦增益介质Yb:YAG晶体，980nm泵浦增益介质Yb:KYW晶体等。上述增益介质的上能级寿命都相对较短。例如Nd:YAG晶体的荧光寿命仅为230μs。因此需要大量LD阵列泵浦掺Nd3+/Yb3+晶体，才能获得大能量、高峰值、低阈值、高转换效率的1μm激光输出。
长脉冲泵浦大能量激光主要通过准连续激光二极管泵浦谐振腔内的固体增益介质实现，即通过光参量振荡获得脉冲激光。但是，由于固体激光增益介质固有的弛豫振荡特性，输出的长脉冲激光存在无法消除的弛豫尖峰，使得控制纵模的难度加大，容易产生模式跳变。专利号为CN105244747A的中国专利“一种高能量长脉冲激光获得装置、方法及用途”公开了一种连续窄线宽的可调谐单频激光器作为种子源，通过多级放大获得高能量、可调谐的单频窄线宽激光。但是该专利提出的方法和装置结构复杂，导致激光器体积大、成本过高。
另一方面，基于倍频原理的长脉冲泵浦大能量调Q激光器往往要在一个谐振腔内完成激光振荡和非线性倍频，因谐振腔内要放置激光晶体、倍频晶体和调Q器件，导致其谐振腔尺寸长，激光器长宽比过高，进一步限制了大能量调Q激光器在紧凑型设备系统中的应用。为解决上述技术问题，本发明提出一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器，利用叠层结构压缩谐振腔平面尺寸，将谐振腔由平面上的“一字型”结构转换为空间上“十字型”结构，采用两块倾斜放置的反射镜将“十字型”结构两个部分连接起来。利用此种结构后，激光器“一字型”谐振腔转变为“十字型”结构，通过增加谐振腔的宽度和高度的方式，显著降低谐振腔长度。由此，一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器长宽比降低，体积得到压缩，结构更加紧凑，光束质量更高，能够进一步实现小型化设计，更利于作为核心器件应用于距离测量、医学科学研究、光谱研究等领域。
发明内容
本公开为了解决长脉冲泵浦激光器中存在体积大、能量低的技术问题，本公开提供了一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器及方法。
本公开提出一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器包括第一腔和第二腔，所述第一腔和所述第二腔在光路传播方向相互连接，共同构成激光器谐振腔，所述第一腔内部传输的第一光路和所述第二腔内部传输的第二光路分别位于两个平行平面内，所述第一光路和所述第二光路在空间上相互垂直；
所述第一腔包括全反镜1、LD阵列2、Tm, Ho:YAG晶体3、声光Q开关4、第一反射镜5；
所述第二腔包括第二反射镜6、腔镜7、倍频晶体8和输出镜9；
其中，所述第一腔沿竖直方向设置，在光路上依次设置所述全反镜1、所述Tm, Ho:YAG晶体3、所述声光Q开关4、所述第一反射镜5；
所述第二腔沿水平方向设置在所述第一腔所在平面上方或下方，在光路上依次设置所述第二反射镜6、所述腔镜7、所述倍频晶体8和所述输出镜9；
其中，所述全反镜1、所述第一反射镜5、所述第二反射镜6和所述输出镜9组成基频光腔；
所述腔镜7和所述输出镜9组成倍频光腔；
其中，所述第一反射镜5的反射面朝向斜上方，以将所述第一腔的出射光引导至所述第二腔；所述第二反射镜6的反射面朝向斜下方，以将所述第一腔的出射光接收至所述第二腔。通过所述第一反射镜5和所述第二反射镜6的位置设计，实现了所述第一腔和所述第二腔在光路传播方向上的连接，保证基频光能够在倍频光腔内传播；
所述LD阵列2放置于所述Tm, Ho:YAG晶体3侧面。
优选地，所述LD阵列2输出波长为792nm。
优选地，所述倍频晶体8为KTP晶体，将2.12μm基频光转化为1.06μm倍频光。
其中，所述全反镜1、所述第一反射镜5、所述第二反射镜6镀1.06μm全反膜；所述腔镜7镀2.12μm全反膜、1.06μm高透膜；所述输出镜9镀2.12μm增透膜、1.06μm全反膜。
优选地，所述全反镜1、所述第一反射镜5、所述第二反射镜6材质为K9玻璃；所述腔镜7、所述输出镜9材质为CaF2晶体。
优选地，所述第一反射镜5采用光栅反射镜，所述第二反射镜6采用啁啾反射镜。
所述Tm, Ho:YAG晶体3中Tm3+离子掺杂浓度为5-10%,优选为6%； Ho3+离子掺杂浓度为0.1-1%，优选为0.4%。
基于上述一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器的输出激光方法包括如下步骤：
S1.所述LD阵列2发出792nm泵浦光，侧面泵浦所述Tm, Ho: YAG晶体3；
S2.所述Tm, Ho:YAG晶体3中，Tm3+离子吸收792nm泵浦光发生能级跃迁，之后，通过Tm3+离子、Ho3+离子间能量转移，Ho3+离子被激发到上能级，实现Tm, Ho:YAG晶体3粒子数反转；
S3.当所述声光Q开关4加载电压时，基频光腔损耗大，所述声光Q开关4处于关闭状态，不能形成基频光振荡；同时在泵浦作用下，所述Tm, Ho:YAG晶体3内上能级粒子数便迅速增加；
S4.当所述声光Q开关4上的电压突然除去时，基频光腔损耗降低，所述声光Q开关4处于开启状态；
S5.重复上述步骤S3和S4，产生的2.12μm基频光脉冲可以在所述基频光腔内往复振荡；
S6.基频光腔内2.12μm基频光穿过所述倍频晶体8，由于非线性倍频效应，2.12μm基频光转化为1.06μm倍频光；
S7.1.06μm倍频光在倍频光腔内振荡，持续增益放大，最终生成的大能量1.06μm倍频光从所述输出镜9射出腔外。
本公开提供的一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器及方法与现有技术相比，具有以下技术效果：
本公开利用第一反射镜和第二反射镜将谐振腔分为设置于两个不同平面的第一腔和第二腔，对基频光腔进行层叠，利用叠层结构压缩谐振腔平面尺寸，将谐振腔由平面上的“一字型”结构转换为空间上“十字型”结构，采用两块倾斜放置的反射镜将“十字型”结构两个部分连接起来。利用此种结构后，激光器“一字型”谐振腔转变为“十字型”结构，通过增加谐振腔的宽度和高度的方式，显著降低谐振腔长度，提高激光器紧凑性；
本公开利用光栅反射镜和啁啾反射镜组合作为叠层谐振腔的光束连接机构，使输出激光光斑光束质量得到有效改善，实现了近基模激光输出；
本公开利用LD阵列发出的792nm长脉冲泵浦光抽运基频光腔内的Tm, Ho: YAG晶体，获得2.12μm基频光脉冲。再利用倍频晶体，实现腔内倍频，获得1.06μm激光。相较于传统通过高峰值功率泵浦源抽运Nd:YAG晶体技术，本公开提出长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器，可以利用少量LD阵列实现大能量1.06μm激光输出，具备结构紧凑、成本低、泵浦要求低的特点，从而扩展了1μm激光获取技术方案。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1示出了Tm, Ho: YAG晶体与Nd: YAG晶体的荧光寿命对比图；
图2示出了一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器顶视图；
图3示出了一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器斜视图；
图4示出了一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器输出光斑图。
实施方式
现在将参照若干示例性实施例来论述本公开的内容。应当理解，论述了这些实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本公开的内容，而不是暗示对本公开的范围的任何限制。
如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”要被解读为“至少一个其他实施例”。
实施例
图1示出了Tm, Ho: YAG晶体与Nd: YAG晶体的荧光寿命对比图。Tm, Ho: YAG晶体的荧光寿命是Nd: YAG晶体荧光寿命的50倍以上，Tm, Ho: YAG晶体所需泵浦峰值功率远小于Nd: YAG晶体，因此Tm, Ho: YAG晶体激光器所需LD阵列数量小于Nd: YAG晶体激光器。
图2和图3分别示出了一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器顶视图和斜视图。如图2和图3所示，一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器包括第一腔和第二腔，所述第一腔和所述第二腔在光路传播方向相互连接，共同构成激光器谐振腔，所述第一腔内部传输的第一光路和所述第二腔内部传输的第二光路分别位于两个平行平面内，所述第一光路和所述第二光路在空间上相互垂直；
所述第一腔包括全反镜1、LD阵列2、Tm, Ho:YAG晶体3、声光Q开关4、第一反射镜5；
所述第二腔包括第二反射镜6、腔镜7、倍频晶体8和输出镜9；
其中，所述第一腔沿竖直方向设置，在光路上依次设置所述全反镜1、所述Tm, Ho:YAG晶体3、所述声光Q开关4、所述第一反射镜5；
所述第二腔沿水平方向设置在所述第一腔所在平面上方或下方，在光路上依次设置所述第二反射镜6、所述腔镜7、所述倍频晶体8和所述输出镜9；
其中，所述全反镜1、所述第一反射镜5、所述第二反射镜6和所述输出镜9组成基频光腔；
所述腔镜7和所述输出镜9组成倍频光腔；
其中，所述第一反射镜5的反射面朝向斜上方，以将所述第一腔的出射光引导至所述第二腔；所述第二反射镜6的反射面朝向斜下方，以将所述第一腔的出射光接收至所述第二腔。通过所述第一反射镜5和所述第二反射镜6的位置设计，实现了所述第一腔和所述第二腔在光路传播方向上的连接，保证基频光能够在倍频光腔内传播；
所述LD阵列2放置于所述Tm, Ho:YAG晶体3侧面。
优选地，所述LD阵列2输出波长为792nm。
优选地，所述倍频晶体8为KTP晶体，将2.12μm基频光转化为1.06μm倍频光。
其中，所述全反镜1、所述第一反射镜5、所述第二反射镜6镀1.06μm全反膜；所述腔镜7镀2.12μm全反膜、1.06μm高透膜；所述输出镜9镀2.12μm增透膜、1.06μm全反膜。
优选地，所述全反镜1、所述第一反射镜5、所述第二反射镜6材质为K9玻璃；所述腔镜7、所述输出镜9材质为CaF2晶体。
所述Tm, Ho:YAG晶体3中Tm3+离子掺杂浓度为5-10%,优选为6%； Ho3+离子掺杂浓度为0.1-1%，优选为0.4%。
基于上述一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器的输出激光方法包括如下步骤：
S1.所述LD阵列2发出792nm泵浦光，侧面泵浦所述Tm, Ho: YAG晶体3；
S2.所述Tm, Ho:YAG晶体3中，Tm3+离子吸收792nm泵浦光发生能级跃迁，之后，通过Tm3+离子、Ho3+离子间能量转移，Ho3+离子被激发到上能级，实现Tm, Ho:YAG晶体3粒子数反转；
S3.当所述声光Q开关4加载电压时，基频光腔损耗大，所述声光Q开关4处于关闭状态，不能形成基频光振荡；同时在泵浦作用下，所述Tm, Ho:YAG晶体3内上能级粒子数便迅速增加；
S4.当所述声光Q开关4上的电压突然除去时，基频光腔损耗降低，所述声光Q开关4处于开启状态；
S5.重复上述步骤S3和S4，产生的2.12μm基频光脉冲可以在所述基频光腔内往复振荡；
S6.基频光腔内2.12μm基频光穿过所述倍频晶体8，由于非线性倍频效应，2.12μm基频光转化为1.06μm倍频光；
S7.1.06μm倍频光在倍频光腔内振荡，持续增益放大，最终生成的大能量1.06μm倍频光从所述输出镜9射出腔外。
本公开利用倾斜放置的所述第一反射镜5和所述第二反射镜6将层叠态的两部分基频光腔连接在一起，降低基频光腔总长度，提高激光器紧凑性。输出的1.06μm激光是由所述Tm, Ho: YAG晶体3产生的2.12μm基频光经非线性倍频获得的。此公开可以减少泵浦光峰值功率和LD阵列数量，具备结构紧凑、成本低的特点，从而扩展了1μm激光获取技术方案。
实施例
虽然谐振腔的叠层设计会起到压缩体积的技术效果，但是激光经过立体折叠传输后会导致激光相位面的相位梯度出现位移，进一步地会导致激光光斑的畸化，影响输出激光光束质量。因此，在实施例一的基础上，设计所述第一反射镜5采用光栅反射镜，所述第二反射镜6采用啁啾反射镜二者进行组合，能够实现针对扭转光斑的色散消除作用，能够抵消空间上相位梯度的变化，防止激光光斑的畸化，有效地提高了输出激光光束质量。
装置具体结构即为在实施例一图1、图2的基础上将所述第一反射镜5采用光栅反射镜，所述第二反射镜6采用啁啾反射镜。
如图4（a）、4（b）所示，图4（a）示出了采用普通反射镜作为所述第一反射镜5和第二反射镜6时装置输出激光光斑图，图4（b）示出了采用光栅反射镜作为所述第一反射镜5和采用啁啾反射镜作为第二反射镜6时装置输出激光光斑图，通过对比能够看出，在采用了光栅反射镜-啁啾反射镜的组合作为叠层谐振腔的光束连接机构时，输出激光光斑光束质量得到有效改善，实现了近基模激光输出。
可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
进一步可以理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
进一步可以理解的是，除非有特殊说明，“连接”包括两者之间不存在其他构件的直接连接，也包括两者之间存在其他元件的间接连接。
进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器，其特征在于，
包括第一腔和第二腔，所述第一腔和所述第二腔在光路传播方向相互连接，所述第一腔和所述第二腔共同构成激光器谐振腔；所述第一腔内部传输的第一光路和所述第二腔内部传输的第二光路分别位于两个平面内；所述第一光路和所述第二光路在空间上相互垂直；
所述第一腔包括全反镜（1）、LD阵列（2）、Tm, Ho:YAG晶体（3）、声光Q开关（4）、第一反射镜（5）；
所述第二腔包括第二反射镜（6）、腔镜（7）、倍频晶体（8）和输出镜（9），
其中，所述第一腔沿竖直方向设置，在光路上依次设置所述全反镜（1）、所述Tm, Ho:YAG晶体（3）、所述声光Q开关（4）、所述第一反射镜（5）；
所述第二腔沿水平方向设置在所述第一腔所在平面上方或下方，在光路上依次设置所述第二反射镜（6）、所述腔镜（7）、所述倍频晶体（8）和所述输出镜（9）；
其中，所述全反镜（1）、所述第一反射镜（5）、所述第二反射镜（6）和所述输出镜（9）组成基频光腔；
所述腔镜（7）和所述输出镜（9）组成倍频光腔；
其中，所述第一反射镜（5）的反射面朝向斜上方，以将所述第一腔的出射光引导至所述第二腔；所述第二反射镜（6）的反射面朝向斜下方，以将所述第一腔的出射光接收至所述第二腔。
2.根据权利要求1所述的紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器，其特征在于，所述第一腔内部传输的第一光路和所述第二腔内部传输的第二光路分别位于两个相互平行的平面内。
3.根据权利要求2所述的紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器，其特征在于，所述LD阵列（2）设置于所述Tm, Ho:YAG晶体（3）侧面。
4.根据权利要求1所述的紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器，其特征在于，所述LD阵列（2）输出波长为792nm。
5.根据权利要求1所述的紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器，其特征在于，所述倍频晶体（8）为KTP晶体，将2.12μm基频光转化为1.06μm倍频光。
6.根据权利要求5所述的紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器，其特征在于，所述全反镜（1）、所述第一反射镜（5）、所述第二反射镜（6）镀1.06μm全反膜；所述腔镜（7）镀2.12μm全反膜、1.06μm高透膜；所述输出镜（9）镀2.12μm增透膜、1.06μm全反膜。
7.根据权利要求1所述的紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器，其特征在于，所述全反镜（1）、所述第一反射镜（5）、所述第二反射镜（6）材质为K9玻璃；所述腔镜（7）、所述输出镜（9）材质为CaF2晶体。
8.根据权利要求1所述的紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器，其特征在于，所述第一反射镜（5）采用光栅反射镜，所述第二反射镜（6）采用啁啾反射镜。
9.根据权利要求7所述的紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器，其特征在于，所述Tm, Ho:YAG晶体（3）中Tm3+离子掺杂浓度为5-10%；Ho3+离子掺杂浓度为0.1-1%。
10.一种紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器的激光输出方法，采用了如权利要求1-9任一项所述的紧凑型长脉冲泵浦叠层变频大能量调Q激光器，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1.所述LD阵列（2）发出792nm泵浦光，侧面泵浦所述Tm, Ho: YAG晶体（3）；
S2.所述Tm, Ho:YAG晶体（3）中，Tm3+离子吸收792nm泵浦光发生能级跃迁，之后，通过Tm3+离子、Ho3+离子间能量转移，Ho3+离子被激发到上能级，实现Tm, Ho:YAG晶体（3）粒子数反转；
S3.当所述声光Q开关（4）加载电压时，基频光腔损耗大，所述声光Q开关（4）处于关闭状态，不能形成基频光振荡；同时在泵浦作用下，所述Tm, Ho:YAG晶体（3）内上能级粒子数便迅速增加；
S4.当所述声光Q开关（4）上的电压突然除去时，基频光腔损耗降低，所述声光Q开关（4）处于开启状态；
S5.重复上述步骤S3和S4，产生的2.12μm基频光脉冲可以在所述基频光腔内往复振荡；
S6.基频光腔内2.12μm基频光穿过所述倍频晶体（8），由于非线性倍频效应，2.12μm基频光转化为1.06μm倍频光；
S7.1.06μm倍频光在倍频光腔内振荡，持续增益放大，最终生成的大能量1.06μm倍频光从所述输出镜（9）射出腔外。
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