CN116526276A - 一种激光器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种激光器,包括:谐振组件和泵浦源;所述谐振组件包括:沿光路依次排列放置的全反射棱镜、块状激光晶体、转折棱镜、偏振片、λ/4波片、调Q晶体、光楔镜组以及高斯输出镜,其中全反射棱镜、块状激光晶体中的光路形成第一光路,偏振片、λ/4波片、调Q晶体、光楔镜组以及高斯输出镜中的光路形成与第一光路平行的第二光路,所述转折棱镜将第一光路和第二光路进行折叠;所述泵浦源包括各自向块状激光晶体发出泵浦光的两组LD阵列模块,泵浦源位于块状激光晶体两端后,使泵浦光在块状激光晶体中反射并沿晶体轴向传输。采用转折棱镜可以实现光路的折叠,从而压缩整个激光器的尺寸,同时能够在保证大能量输出条件下,实现较小的激光输出束散角。

Description

一种激光器
技术领域
本申请涉及全固态激光器技术领域,特别涉及一种用于激光目标指示器的高效率、低束散角LD面阵双端泵浦块状板条脉冲式固体激光器。
背景技术
激光目标指示器是激光制导武器系统中的重要组成部分,其性能直接影响全系统的精度和准度,激光器是激光目标指示器中的核心器件,而激光二极管(LD)泵浦的全固态激光器,具有高效、高可靠、长寿命等特点,可作为激光目标指示器中的激光光源。
激光二极管泵浦的块状板条激光器,由于激光在板条内部沿之字形传输,可有效补偿热透镜、热效应及热致双折射等热效应,所以板条激光器是实现高功率、大能量及高光束质量激光输出的有效手段之一。
对于LD泵浦的全固态激光器,泵浦方式主要包括大面泵浦、侧面泵浦、端面泵浦以及将板条晶体切割成其他形状的角泵浦等方式。对于大面泵浦而言,受限于板条厚度尺寸的限制,泵浦光在板条内部的吸收长度有限,进而影响泵浦光的吸收效率,另外大面泵浦不能实现板条两个大面的同时冷却,进而影响板条的冷却效果;对于侧面泵浦而言,泵浦光从两个侧面沿板条宽度方向注入板条,板条宽度方向的泵浦均匀性和温度分布均匀性较差,所以在宽度方向很难实现高光束质量的激光输出;而端面泵浦的板条激光器,泵浦光沿板条长度方向传输并被充分的吸收,通过一定的手段实现泵浦光在板条宽度方向的匀化分布,另外端面泵浦实现了泵浦光和冷却面的分离,可以实现双面同时高效冷却。
如何实现紧凑高效的端面泵浦板条结构,在大能量重频输出条件下,保证输出激光较小的束散角是亟需解决的问题之一。
发明内容
本申请提供一种激光器,能够保证在大能量重频输出条件下,实现了较小的激光输出束散角。
为实现上述发明目的,本申请提供一种激光器,包括谐振组件和泵浦源;
所述谐振组件包括:沿光路依次排列放置的全反射棱镜、块状激光晶体、转折棱镜、偏振片、λ/4波片、调Q晶体、光楔镜组以及高斯输出镜,其中所述全反射棱镜、所述块状激光晶体中的光路形成第一光路,所述偏振片、所述λ/4波片、所述调Q晶体、所述光楔镜组以及所述高斯输出镜中的光路形成与第一光路平行的第二光路,所述转折棱镜将第一光路和第二光路进行折叠;
所述泵浦源包括各自向所述块状激光晶体发出泵浦光的两组LD阵列模块,所述泵浦源位于所述块状激光晶体两端后,使所述泵浦光在所述块状激光晶体中反射并沿晶体轴向传输。
上述技术方案中,采用端面泵浦方式,泵浦光得到充分的吸收,泵浦面和冷却面得到有效分离,易于实现双面对称冷却,从而实现激光晶体的高效散热。
可选地,所述全反射棱镜为保罗棱镜。
可选地,所述每一所述LD阵列模块由多个激光二极管bar条垂直堆积而成。
可选地,所述块状激光晶体为Nd:YAG、Nd:YLF以及Yb:YAG中的任意一种。
可选地,所述块状激光晶体的横截面的尺寸为4mm×4mm 或5mm×5mm,所述块状激光晶体的轴向尺寸为40mm-80mm。
可选地,所述转折棱镜为直角棱镜或者角锥棱镜。
可选地,所述偏振片以布氏角放置。
可选地,所述高斯输出镜为凹凸镜,凸面为镀振荡波长对应的高斯分布的部分透射膜层,凹面为镀对应振荡激光波长的减反膜。
可选地,所述调Q晶体为RTP或BBO。
可选地,所述块状激光晶体的两端为对称的45度倾斜斜面,所述斜面上镀1064nm宽角度增透膜,所述泵浦源位于所述块状激光晶体上下表面较宽一侧,且所述泵浦光朝向所述块状激光晶体的斜面入射,并使得所述泵浦光在所述块状激光晶体内进行反射。
在上述技术方案中,激光器包括谐振组件和泵浦源,谐振组件包括:激光晶体、转折棱镜、偏振片、λ/4波片、调Q晶体、光楔镜组以及高斯输出镜。这样,采用转折棱镜可以实现光路的折叠,以实现从第一光路折叠至第二光路,从而压缩整个激光器的尺寸,以便于实现激光器小型化。同时,泵浦耦合方式采用直接耦合或者耦合柱面镜组直接耦合方式,在高效耦合的基础上可以实现结构的小型化设计。并且采用调Q晶体,以实现腔内的Q值变化,通过全反射棱镜和高斯输出镜形成的凹凸非稳腔结构,以实现低束散角脉冲激光输出。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例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申请的一些实施例,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获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种激光器的示意图。
图中标记说明:1-全反射棱镜,2-第一LD阵列模块,3-第二LD阵列模块,4-块状激光晶体,5-转折棱镜,6-偏振片,7-λ/4波片,8-调Q晶体,9-光楔镜组,10-高斯输出镜。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
在本实施例中提供了一种激光器,图1是本申请实施例提供的一种激光器的示意图,如图1所述,该激光器可以包括谐振组件和泵浦源。
谐振组件包括:沿光路依次排列放置的全反射棱镜1、块状激光晶体4、转折棱镜5、偏振片6、λ/4波片7、调Q晶体8、光楔镜组9以及高斯输出镜10,其中全反射棱镜1、块状激光晶体4中的光路形成第一光路,偏振片6、所述λ/4波片7、调Q晶体8、光楔镜组9以及高斯输出镜中10的光路形成与第一光路平行的第二光路,通过转折棱镜5,可以将第一光路和第二光路进行折叠,从而实现激光器的小型化。
泵浦源包括各自向块状激光晶体4发出泵浦光的两组LD阵列模块,泵浦源位于块状激光晶体4两端面后,使泵浦光在块状激光晶体4中反射并沿着晶体轴向传输。
其中,泵浦源可以是发射激光的设备,也就是说,泵浦源中传输的泵浦光可以是激光。LD阵列模块和块状激光晶体4均放置在半导体制冷模块上。LD阵列模块包括第一LD阵列模块2和第二LD阵列模块3。LD阵列模块每组提供的泵浦光的峰值功率≤2000W,脉冲宽度为100~250μs,重复频率为1-100Hz。
LD阵列模块发出的泵浦光可以正对着块状激光晶体4的斜面进入块状激光晶体4,也可以与块状激光晶体4呈某种角度进入块状激光晶体4,以使所述泵浦光在所述块状激光晶体4中沿着晶体轴向传输。进而块状激光晶体4产生增益激光,之后经过转折棱镜5实现光路的折叠,以实现从第一光路折叠至第二光路,从而压缩整个激光器的尺寸,以实现激光器小型化。接着偏振片6激光起偏,产生垂直或者水平偏振光,然后经由λ/4波片7实现激光偏振变换,同时在调Q晶体8调制下实现低束散角脉冲激光输出,之后激光经光楔镜组9和高斯输出镜10实现激光的输出。
其中,从LD阵列模块发出的泵浦光直接进入块状激光晶体4,激光在全反射棱镜1和高斯输出镜10之间来回振荡,通过全反射棱镜1和高斯输出镜10形成的凹凸非稳腔结构,以提高激光光束质量,从而实现增益正反馈和选模。
在上述技术方案中,激光器包括谐振组件和泵浦源,谐振组件包括:激光晶体、转折棱镜、偏振片、λ/4波片、调Q晶体、光楔镜组以及高斯输出镜。这样,采用转折棱镜可以实现光路的折叠,以实现从第一光路折叠至第二光路,从而压缩整个激光器的尺寸,以便于实现激光器小型化。同时,泵浦耦合方式采用直接耦合或者耦合柱面镜组直接耦合方式,在高效耦合的基础上可以实现结构的小型化设计。并且采用调Q晶体,以实现腔内的Q值变化,通过全反射棱镜和高斯输出镜形成的凹凸非稳腔结构,以实现低束散角脉冲激光输出。
在一种可能的实施例中,所述全反射棱镜1为保罗棱镜。
在谐振组件中,全反射棱镜1使用通光面为凸面的保罗棱镜,曲率为-1~-2m,优选的曲率为-1.5m,同时通光面镀有1064nm增透膜。
在一种可能的实施例中,每一所述LD阵列模块由多个激光二极管bar条垂直堆积而成。
bar条可以为常规的10mm长bar条或者是5mm长的微型bar条。多组LD阵列模块采用垂直排列面阵模块。示例地,可以根据不同块状激光晶体4的吸收谱选择不同的LD阵列模块模块,同时根据不同的块状激光晶体4的尺寸选择不同bar条数的LD阵列模块及相应的发散角。
在一种可能的实施例中,所述块状激光晶体4为Nd:YAG、Nd:YLF以及Yb:YAG中的任意一种。
块状激光晶体4可以为单一掺杂浓度、两端键合YAG晶体、多段掺杂浓度(两边低掺杂,中间高掺杂)和渐变掺杂晶体(两端低、中间高)等激光晶体。
在一种可能的实施例中,所述块状激光晶体4的横截面的尺寸为4mm×4mm 或5mm×5mm,所述块状激光晶体4的轴向尺寸为40mm-80mm。
当块状激光晶体4的横截面尺寸为5mm×5mm时,块状激光晶体4的横截面尺寸尺寸与微型bar条长度匹配,即可以与5mm长的微型bar条阵列直接耦合。具体地,在块状激光晶体4的横截面尺寸为5mm×5mm时,LD阵列模块采用微型bar堆叠而成,每个bar条慢轴长度为5mm,发散角为10度。LD阵列模块沿快轴方向堆叠,每个bar条之间的间距为0.4-0.5mm,共10个bar条,快轴方向总宽度为5mm,每个bar条经过快轴准直镜进行准直,准直后的发散角为3度。将该LD阵列模块靠近块状激光晶体4直接泵浦,可以实现泵浦光与块状激光晶体4的高效耦合。示例地,可以采用单端或者是双端泵浦方式来进行耦合,可以实现高效低功耗设计。
当块状激光晶体4横截面尺寸与bar条长度不匹配时,可以采用三组耦合柱面镜组,对LD阵列模块的快慢轴进行改变以实现泵浦光与块状激光晶体4的耦合。
如图1所示,振荡激光在块状激光晶体4内部沿“之”字形传输,可以有效补偿晶体的热效应,晶体两个全反射在镀制光学膜后进行金属化,金属化后的块状激光晶体4通过铟焊的方式焊接到热沉上,并置于半导体散热器上,以实现有效的控温冷却。
在一种可能的实施例中,所述转折棱镜5为直角棱镜或者角锥棱镜。直角棱镜、角锥棱镜可以实现腔内光路的折叠,从而压缩整个激光器的尺寸。
在一种可能的实施例中,所述偏振片6以布氏角放置,以使得产生水平方向线的偏振振荡光。
LD阵列模块发出的泵浦光进入块状激光晶体4,并在两个斜面发生全反射,并沿块状激光晶体4横向方向传输以得到充分的吸收,使得块状激光晶体4发生粒子数反转,产生激光,激光通过偏振片6起偏,如果偏振方向为水平方向,水平方向的激光通过λ/4波片7,经过相位延迟成为圆偏振光,通过没有加高压的调Q晶体8后,偏振方向没有改变,经过高斯输出镜10反射后再一次经过λ/4波片7变成了竖直方向偏振的激光,无法通过偏振片6,此时谐振组件处于“关闭”状态,当块状激光晶体4上反转粒子数达到最大时,由于Nd:YAG的荧光寿命为230μs,在经过LD阵列模块泵浦230μs时,块状激光晶体4达到了最大的反转粒子数,此时偏振片6以布氏角放置,给调Q晶体8加上四分之一波电压,谐振组件处于“开启”转态,从而形成脉冲激光输出。
在一种可能的实施例中,高斯输出镜10为凹凸镜,凸面为镀振荡波长对应的高斯分布的部分透射膜层,凹面为镀对应振荡激光波长的减反膜。
凹凸镜两面曲率相同,曲率为1.5-3m,优选的曲率为2.4m,凸面镀1064nm部分透射膜,优选的透过率为70%,凹面镀1064nm增透膜。
在一种可能的实施例中,所述调Q晶体8为RTP或BBO。
在一种可能的实施例中,所述块状激光晶体4的两端为对称的45度倾斜斜面,所述斜面上镀1064nm宽角度增透膜,所述泵浦源位于所述块状激光晶体4上下表面较宽一侧,且所述泵浦光朝向所述块状激光晶体4的斜面入射,并使得所述泵浦光在所述块状激光晶体4内进行反射。
其中,块状激光晶体4可以如图1所示,上表面较下表面窄。此时,LD阵列模块处于块状激光晶体4下表面侧。示例地,也可以将块状激光晶体4翻转180度,即此时,块状激光晶体4上表面较下表面宽,这时,LD阵列模块处于块状激光晶体4上表面侧。
块状激光晶体4的两端为对称的45度倾斜斜面,斜面上镀1064nm宽角度增透膜,以减小菲涅尔反射。块状激光晶体4上下表面做抛光处理,并镀制3μm膜,以抑制倏逝波从而保证全反射效率。另外,在块状激光晶体4的两端分别键合不掺杂的YAG晶体,有效减小在泵浦条件下的热效应,未掺杂的YAG晶体长度为5mm,晶体中心端为掺杂晶体,掺杂浓度为0.1at%-1at%。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后,将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、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申请的一般性原理并包括本申请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,本申请的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
应当理解的是,本申请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。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (10)

1.一种激光器,其特征在于,所述激光器包括谐振组件和泵浦源;
所述谐振组件包括:沿光路依次排列放置的全反射棱镜、块状激光晶体、转折棱镜、偏振片、λ/4波片、调Q晶体、光楔镜组以及高斯输出镜,其中所述全反射棱镜、所述块状激光晶体中的光路形成第一光路,所述偏振片、λ/4波片、调Q晶体、光楔镜组以及高斯输出镜中的光路形成与第一光路平行的第二光路,所述转折棱镜将第一光路和第二光路进行折叠;
所述泵浦源包括各自向所述块状激光晶体发出泵浦光的两组LD阵列模块,所述泵浦源位于所述块状激光晶体两端后,使所述泵浦光在所述块状激光晶体中反射并沿晶体轴向传输。
2.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述全反射棱镜为保罗棱镜。
3.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述每一所述LD阵列模块由多个激光二极管bar条垂直堆积而成。
4.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述块状激光晶体为Nd:YAG、Nd:YLF以及Yb:YAG中的任意一种。
5.根据权利要求4所述的激光器,其特征在于,所述块状激光晶体的横截面的尺寸为4mm×4mm 或5mm×5mm,所述块状激光晶体的轴向尺寸为40mm-80mm。
6.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述转折棱镜为直角棱镜或者角锥棱镜。
7.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述偏振片以布氏角放置。
8.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述高斯输出镜为凹凸镜,凸面为镀振荡波长对应的高斯分布的部分透射膜层,凹面为镀对应振荡激光波长的减反膜。
9.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述调Q晶体为RTP或BBO。
10.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述块状激光晶体的两端为对称的45度倾斜斜面,所述斜面上镀1064nm宽角度增透膜,所述泵浦源位于所述块状激光晶体上下表面较宽一侧,且所述泵浦光朝向所述块状激光晶体的斜面入射,并使得所述泵浦光在所述块状激光晶体内进行反射。
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