CN117477338B - 一种径向浓度渐变高光束质量中红外激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种径向浓度渐变高光束质量中红外激光器，属于优化激光器技术领域，包括：基础Er：YAG激光器主体、谐振腔、输出镜，其特征在于，在所述谐振腔内部，还包括被动调Q晶体Fe：ZnSe晶体、Er：YAG侧面泵浦模块；所述谐振腔中，所述Er：YAG侧面泵浦模块采用侧面泵浦和掺铒激光晶体棒对种子光源进行放大处理，并通过所述Fe：ZnSe晶体进行处理得到高质量的脉冲激光；其中，所述Fe：ZnSe晶体为套筒结构；所述Fe：ZnSe晶体的浓度沿径向方向逐渐提高。本发明在腔内增加了被动调Q晶体Fe：ZnSe晶体，在Fe：ZnSe晶体的边缘部分对输出激光有强吸收效果，使输出激光有孔径光阑效应，达到提高光束质量的效果。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种径向浓度渐变高光束质量中红外激光器。
背景技术
2.94μm Er:YAG激光器，因其波段位于水吸收峰内，被广泛应用于医疗、科研、军事等领域。在医疗领域，多用于眼科医疗、病变组织的刮除，及牙髓切除手术等医疗领域。在科研领域，可作为光学参量振荡器OPO的有效光源，通过非线性变频技术，实现远红外激光输出。在军事领域，多用于遥感及红外对抗等领域。
其中，中红外波段，位于众多分子的指纹识别区，中红外激光具有广泛的应用，它可以用作气体探测、激光雷达等的光源。在近红外波段，对于铒激光的多波长研究已经比较成熟，由于掺铒光纤有较大的增益范围和较低的饱和功率，因此可以选择插入式光学元器件来实现选频的效果，从而实现多个波长的同时输出及选择输出。
随着LD泵浦技术的应用，Er:YAG激光器的发展突飞猛进。相对于传统的灯泵浦LD具有效率高、体积小、寿命长等优点，并且能大幅减少产生的废热。LD侧面泵浦是实现大功率激光输出的有效方式。2017年，Xu等人使用150Hz、300μs的泵浦源，侧面泵浦双端键合YAG的50%掺杂浓度的Er:YAG激光器，得到了平均功率为10W的准连续激光，光-光转化效率和斜率效率分别为5.6%和9.1%。由此不难看出LD侧面泵浦仍存在着效率较低、光束质量差的问题。
基于此，本领域技术人员亟需对现有LD侧面泵浦存在效率较低、光束质量差的问题进行改善。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种径向浓度渐变高光束质量中红外激光器，本发明采用在谐振腔内增加了被动调Q晶体Fe：ZnSe晶体，并使被动调Q晶体边缘部分对输出激光有强吸收效果，使输出激光有孔径光阑效应，达到提高光束质量的效果。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种径向浓度渐变高光束质量中红外激光器，包括：基础Er：YAG激光器主体、谐振腔、输出镜，在所述谐振腔内部包括被动调Q晶体Fe：ZnSe晶体；
所述Fe：ZnSe晶体为不镀膜的饱和吸收体；
其中，在所述谐振腔内部，还包括Er：YAG侧面泵浦模块；
在所述谐振腔的内部沿光路方向依次设置所述Er：YAG侧面泵浦模块、所述Fe：ZnSe晶体以及所述输出镜；
所述谐振腔中，所述Er：YAG侧面泵浦模块采用侧面泵浦和掺铒激光晶体棒对种子光源进行放大处理，并通过所述Fe：ZnSe晶体进行处理得到高质量的脉冲激光；
其中，所述Fe：ZnSe晶体为套筒结构；所述Fe：ZnSe晶体的浓度沿径向方向逐渐提高。
需要说明的是，采用的饱和吸收体Fe：ZnSe晶体在边缘部分对输出激光有强吸收效果，使得输出激光有孔径光阑效应，达到提高光束质量的效果。
优选的，在所述谐振腔内部，还包括Er：YAG侧面泵浦模块；
所述谐振腔中，所述Er：YAG侧面泵浦模块采用侧面泵浦和掺铒激光晶体棒对种子光源进行放大处理，并通过所述Fe：ZnSe晶体进行处理得到高质量的脉冲激光；
其中，所述Fe：ZnSe晶体为套筒结构；所述Fe：ZnSe晶体的浓度沿径向方向逐渐提高。
需要说明的是，与现有技术相比在本申请中使用三阵列二极管侧面泵浦源其主要优点是功率放大更容易，腔体设计更灵活。
优选的，所述掺铒激光晶体棒采用O形圈密封方式。
需要说明的是，将掺铒激光晶体采用O形圈密封方式，密封效果更好，在高密封效果下，本申请进一步提高了激光棒的散热效率。
优选的，所述掺铒激光晶体棒由固定中心长度掺杂铒原子的掺杂段和固定长度的未掺杂铒原子的扩散段组成；
其中，所述扩散段两端与所述掺杂段的表面的螺纹连接，所述掺铒激光晶体棒与所述基础Er：YAG激光器主体中的散热装置进行热交换操作。
需要说明的是，在本申请的侧抽运结构中，因存在两个未掺杂的扩散段YAG端盖所以进行一步减少了非抽运区域的重吸收损失。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种提高侧泵Er:YAG激光器的光束质量激光器，本发明在腔内增加了被动调Q晶体Fe：ZnSe晶体，在本发明中此饱和吸收体Fe：ZnSe晶体不镀膜，即中间部分为空，浓度逐渐向外提高，在Fe：ZnSe晶体的边缘部分对输出激光有强吸收效果，使输出激光有孔径光阑效应，达到提高光束质量的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1 附图为本发明的Fe：ZnSe晶体与激光器中其他器件结构关系示意图；
图2 附图为本发明的Fe：ZnSe晶体浓度变化方向示意图；
图3 附图为本发明的Fe：ZnSe晶体浓度变化曲线图。
图中：1、掺铒激光晶体棒；2、侧泵浦源、3、Fe：ZnSe晶体；4、输出镜。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
实施例1：
本实施例为提高光束质量，解决效率不高等问题，加入被动调Q晶体Fe：ZnSe晶体。
调Q技术是一种将激光能量压缩成一条非常窄的脉冲进行发射的技术，从而可以将光源的峰值功率提升几个数量级，这极大地促进了激光在应用层面的迅速发展。被动式Q开关是一种利用可饱和吸收体作为Q因子调制器的调Q方法，其特征是不需要外加的驱动设备，具有低成本、简单、紧凑和易于操作的特点。最初，可饱和吸收体处于未饱和状态。当泵浦将增益提升到超过损耗时，腔内功率开始缓 慢增长，直到强度足以让可饱和吸收体饱和，从而开始产生脉冲。在第二阶段，可饱和吸 收体完全饱和的阶段。此时，腔内功率增长得更快，直到净增益为零时达到脉冲功率最大 值。在第三阶段，净增益进一步耗尽，腔内功率逐渐衰减的阶段。最后，在第四阶段，吸 收器在脉冲发射后恢复，需要一个新的泵将增益再次提高到阈值水平并启动下一个周期。
本发明实施例公开了一种径向浓度渐变高光束质量中红外激光器，包括：基础Er：YAG激光器主体、谐振腔、输出镜，在谐振腔内部，还包括被动调Q晶体Fe：ZnSe晶体、Er：YAG侧面泵浦模块；
在谐振腔的内部沿光路方向依次设置Er：YAG侧面泵浦模块、Fe：ZnSe晶体以及输出镜；
谐振腔中，Er：YAG侧面泵浦模块采用侧面泵浦和掺铒激光晶体棒对种子光源进行放大处理，并通过Fe：ZnSe晶体进行处理得到高质量的脉冲激光；
其中，Fe：ZnSe晶体为套筒结构；Fe：ZnSe晶体的浓度沿径向方向逐渐提高。
具体地：
在本实施例中Fe：ZnSe晶体为不镀膜的饱和吸收体。
实施例2：
本实施例公开了一种径向浓度渐变高光束质量中红外激光器，包括：基础Er：YAG激光器主体、谐振腔、输出镜，在谐振腔内部，还包括被动调Q晶体Fe：ZnSe晶体、Er：YAG侧面泵浦模块；
在谐振腔的内部沿光路方向依次设置Er：YAG侧面泵浦模块、Fe：ZnSe晶体以及输出镜；
需要说明的是由于本申请在实际制备时对LD端泵浦的Er: yag2.94μm激光器进行了全面的研究。在不同掺杂比例下制备了4 mm厚的掺铒激光晶体棒。在泵浦源侧，2.9 μm处的高反射反射率R≥99.9%，976 nm 处的增反射反射率R≤2%。输出耦合器OC在 2.9 μm处有透过率T = 3%的涂层，在 976 nm 处没有特别高的反射。由于掺杂浓度较高，对泵浦激光的吸收可达 95%。采用光纤耦合的三阵 列二极管激光器，而不是光二极管。虽然这降低了系统的整体效率，但它增加了设计的简单性和可靠性，以获得良好的 波束形状。当泵浦功率为 3W 时，输出功率为 330mw，对应的光-光效率为 11%，最大斜率效率为 16%。
在此基础上，研制了二极管侧面泵浦的2.94μmEr:YAG激光器。与端泵结构相比，侧泵结构的主要优点是功率放大更容易，腔体设计更灵活。因此，在本实施例中所使用的Er：YAG侧面泵浦模块，包括：掺铒激光晶体棒和侧面泵浦；侧面泵浦为三阵列二极管侧面泵浦源。
具体地：
在本实施例中掺铒激光晶体棒采用O形圈密封方式。
掺铒激光晶体棒由固定中心长度掺杂铒原子的掺杂段和固定长度的未掺杂铒原子的扩散段组成；
其中，扩散段两端与掺杂段的表面的螺纹连接，掺铒激光晶体棒与基础Er：YAG激光器主体中的散热装置进行热交换操作。
为了进一步对实施例的技术效果进行说明，本实施例还具体公开了以下数据内容：根据LD纵向方向的46 mm,80mm的Er:YAG棒由中心50mm掺杂50%Er原子掺杂浓度的部分和15 mm未掺杂的YAG扩散段组成，扩散段两端与表面制作的螺纹连接，以与冷却液进行良好的热交换。在本实施例的侧抽运结构中，两个未掺杂铒原子的YAG端盖对于减少非抽运区域的重吸收损失是特别必要的。此外，YAG端盖的结构大大降低了由于掺铒激光晶体棒表面胀形而导致的热断裂和晶状体的可能性。由于掺铒激光晶体棒采用了o形圈密封，进行直接水冷却，提高了激光棒的散热效率，降低了生产成本。同时本实施例将LD泵浦源在150Hz,300μs时进行了优化。当二极管泵浦功率为184 W 时，2.94μm的最大输出功率 为10.2W。激光阈值发生在约 32 W 的二极管泵浦功率。最大光-光效率为5.6%，斜率效率为9.1%。基础Er：YAG激光器主体中冷却器的温度已经改变，操纵二极管阵列的波长和优化温度的掺铒激光晶体棒最大值 2.94 μm 激光输出。侧抽运的激光效率一般低于端抽运，因此为了提高侧泵激光器的光束质量实施例在腔内增加了被动调Q晶体Fe：ZnSe晶体，此饱和吸收体Fe：ZnSe晶体不镀膜，即中间部分为空，浓度逐渐向外提高，在边缘部分对输出激光有强吸收效果，使输出激光有孔径光阑效应，达到提高光束质量的效果。
需要说明的是，在实际应用时，包括但不限于上述数据。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种径向浓度渐变高光束质量中红外激光器，包括：基础Er：YAG激光器主体、谐振腔、输出镜，其特征在于，在所述谐振腔内部包括被动调Q晶体Fe：ZnSe晶体；
所述Fe：ZnSe晶体为不镀膜的饱和吸收体；
其中，在所述谐振腔内部，还包括Er：YAG侧面泵浦模块；
在所述谐振腔的内部沿光路方向依次设置所述Er：YAG侧面泵浦模块、所述Fe：ZnSe晶体以及所述输出镜；
所述谐振腔中，所述Er：YAG侧面泵浦模块采用侧面泵浦和掺铒激光晶体棒对种子光源进行放大处理，并通过所述Fe：ZnSe晶体进行处理得到高质量的脉冲激光；
其中，所述Fe：ZnSe晶体为套筒结构；所述Fe：ZnSe晶体的浓度沿径向方向逐渐提高。
2.根据权利要求1所述的一种径向浓度渐变高光束质量中红外激光器，其特征在于，在所述谐振腔内部，还包括Er：YAG侧面泵浦模块；
其中，所述Er：YAG侧面泵浦模块，包括：掺铒激光晶体棒和侧面泵浦；所述侧面泵浦为三阵列二极管侧面泵浦源。
3.根据权利要求2所述的一种径向浓度渐变高光束质量中红外激光器，其特征在于，所述掺铒激光晶体棒采用O形圈密封方式。
4.根据权利要求2所述的一种径向浓度渐变高光束质量中红外激光器，其特征在于，所述掺铒激光晶体棒由固定中心长度掺杂铒原子的掺杂段和固定长度的未掺杂铒原子的扩散段组成；
其中，所述扩散段的两端与所述掺杂段的表面的螺纹连接，所述掺铒激光晶体棒与所述基础Er：YAG激光器主体中的散热装置进行热交换操作。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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