CN201270374Y - 一种半导体光纤耦合泵浦的红外固体激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型为克服现有全固态激光器体积大结构复杂，散热性能较差的缺点，提供一种结构简单的半导体光纤耦合泵浦的固体激光器，该激光器由泵浦源、微透镜组和谐振腔组成，谐振腔包括前腔镜、激光晶体、调Q模块和后腔镜，泵浦源和谐振腔设置为两个独立模块，泵浦源外设置有半导体散热结构，泵浦源发出的泵浦光经微透镜组由光纤接入谐振腔内，谐振腔为中空圆柱形结构，前腔镜、激光晶体、调Q模块和后腔镜沿激光光路方向依次设置在中空结构内。所述泵浦源散热结构由热电制冷片、散热片和热电偶组成。其有益效果是：结构简单、散热性能好、光能利用率高、光束质量好。

Description

一种半导体光纤耦合泵浦的红外固体激光器

技术领域

本实用新型涉及全固态激光器(Diode-Pumped Solid-State Laser)，特别涉及一种半导体光纤耦合泵浦的红外固体激光器。

背景技术

目前，全固态激光器的主要结构包括泵浦源、激光晶体和谐振腔，泵浦源和谐振腔采用水冷或半导体材料风冷散热，由于泵浦源和谐振腔相互靠近，距离小，散热效果较差。同时，现有的散热部件结构复杂，体积庞大，影响激光器的光能利用率、光束质量以及整体体积。

发明内容

本实用新型为克服上述现有全固态激光器的缺点，提供一种简洁的半导体光纤耦合泵浦的固体激光器。

本实用新型实现发明目的，采用的技术方案是：一种半导体光纤耦合泵浦的红外固体激光器，由泵浦源、微透镜组、光纤和谐振腔组成，谐振腔包括前腔镜、激光晶体、调Q模块和后腔镜，泵浦源和谐振腔设置为两个独立模块，泵浦源外设置有半导体散热结构，泵浦源发出的泵浦光经微透镜组由光纤接入谐振腔内，谐振腔为中空圆柱形结构，前腔镜、激光晶体、调Q模块和后腔镜沿激光光路方向依次设置在中空结构内。所述半导体散热结构由热电制冷片、散热片和热电偶组成，散热片成百叶式分布，热电制冷片位于散热片中间位置，热电偶靠近热电制冷片设置在泵浦源上。

本实用新型通过一根传能光纤把泵浦光源连接至激光谐振腔，激光泵浦源被密封在模组中，并内置于风冷的散热结构内部，能防灰尘、防腐蚀，并在工业环境中易于安装，对现有的生产线也容易改造和安装。采用半导体光纤耦合系统，能利用微型光学折射镜对来自半导体的泵浦光重新整型，与传统的侧泵浦方式半导体固体激光器相比，其整体转化效率明显地得到优化。激光谐振腔的圆柱型设计自身实现了最佳的热交换效果与最短的激光预热时间，同时与泵浦源的散热结构分离设置，更加有利于系统的散热和冷却。本实用新型中泵浦源和谐振腔的分离设计使得现场维护十分简便，无须打开或移动激光谐振腔，即能够在现场快速而容易地拆换泵浦源模块。

本实用新型中激光晶体采用Nd：YVO₄晶体，其具有光束质量高和输出功率稳定的特点。高质量的光束是该激光器得以成功运用于不同应用的保证，例如雕刻、退火、切除和改色。通过汽化、表面改性、去涂层等手段，能够灵活地在金属和塑料等很多材料上作出优秀标记。几乎在所有的行业中都可以发现其使用价值，例如机械零件、珠宝、手表、汽车仪表、手机按键、电子元件、医疗器材等行业。

目前直接激光二极管阵列泵浦的YAG或YVO₄激光器面临一个显著的矛盾：直接使用半导体激光器泵浦时，谐振腔体积庞大，并且由于半导体激光器输出的光斑是方形的，因此需要增加光斑整型等光学元件而增加了整个光路中的光学损耗。侧向泵浦的谐振腔结构由于泵浦面积增大，因此可以获得较高的功率，但是泵浦光和激光的匹配性差，光束质量差。使用光纤耦合泵浦的方式有效的克服了这些问题，并且使得泵浦源和谐振腔分离，激光器发热最多的两个元件，半导体泵浦源和激光晶体得以分离散热，再加以特殊的圆柱形腔结构，使得整个激光器的热稳定性非常出众。同时使用半导体制冷的方法对半导体泵浦源进行冷却，代替了庞大的水冷系统，使用铝质或铜质散热片，材料和散热面积的选择依据泵浦功率而定，半导体泵浦源中放置热敏电阻或热电偶对晶体温度进行监测，半导体泵浦源和散热片及热电制冷片之间通过导热化合物胶接触在一起，减小接触热阻，并通过螺钉压紧。

本实用新型中晶体两端面镀1064nm和808nm增透膜，以保证泵浦光808nm和激光1064nm能够充分进入晶体里，避免晶体端面耦合损耗和其他腔内损耗。直接使用普通波长790nm/808nm半导体激光器作为YAG/YVO₄晶体的泵浦源，通过光纤耦合的方式泵浦掺杂Nd离子的YVO₄晶体，并可使用电光调Q或声光调Q的方法实现脉冲输出，激光在腔内振荡，圆柱形谐振腔采用硬质铝和铜制成，热导系数高，导热效果好，可以有效的将腔内激光晶体，调Q晶体以及其他光学元件吸收的热量及时地散发到外部空间中。

在前腔镜和后腔镜上镀高反膜，保证了波长1064nm的激光在前腔镜和后腔镜之间形成振荡。为保证1064nm波长激光在Nd：YVO₄晶体的出射，在晶体的输出端面镀增透膜。

本实用新型的有益效果是：结构简单、散热性能好、光能利用率高、光束质量好。

附图说明

图1，本实用新型的激光器结构剖视图。

图2，图1的A-A截面图。

图中，1 泵浦源、2 谐振腔、3 散热结构、4 微透镜组、5 光纤、6前腔镜、7 激光晶体、8 调Q模块、9 后腔镜、10 热电制冷片、11 散热片、12 热电偶。

具体实施方式

如图1所示，一种半导体光纤耦合泵浦的红外固体激光器由808nmInGaAsP/InP半导体泵浦源1、微透镜组4、光纤5、微透镜组4、前腔镜6、Nd：YVO₄晶体7、声光调Q模块8、后腔镜9按光路方向依次排列组成，泵浦源1和谐振腔2设置为两个独立模块，泵浦源外设置有半导体散热结构3，泵浦源1发出的泵浦光经微透镜组4由光纤5接入谐振腔2内，谐振腔2为中空圆柱形结构，前腔镜6、激光晶体7、调Q模块8和后腔镜9沿激光光路方向依次设置在中空结构内。半导体泵浦源散热结构由热电制冷片10、散热片11和热电偶12组成，散热片11成百叶式分布，热电制冷片10位于散热片中间位置，热电偶12靠近热电制冷片10设置在泵浦源1上。Nd：YVO₄晶体两端面分别镀808nm和1064nm波长的增透膜，晶体通过铜质谐振腔进行散热，热电制冷片10对半导体泵浦源进行制冷，热量通过散热片11传输到周围空气中，半导体泵浦源中放置热电偶12对温度进行监测，并通过热电制冷控制器对热电制冷片进行控制，将温度控制在20℃附近。泵浦光源使用波长为790nm或808nm的InGaAsP/InP激光二极管阵列，输出功率40W，条形光斑经过微透镜组4耦合进入光纤5，传输后再通过另一组微透镜组4经过输入平面前腔镜聚焦到Nd：YVO₄晶体前端面，激励Nd：YVO₄晶体中的Nd离子，得到1064nm的激光输出。

本实用新型将半导体泵浦源1发出的泵浦光通过微透镜组4耦合到光纤5中，通过光纤5将泵浦激光传输到谐振腔2的端面，再通过另一组微透镜组4准直聚焦后经过前腔输入镜6聚焦到晶体端面，实现光纤耦合泵浦结构。谐振腔2采用特殊的圆柱形结构，谐振腔2内各元件通过其外部的圆形截面结构依次连接在一起，采用硬质铝和铜制造谐振腔，并加工出圆形肋板增加散热面积，使得整个腔的散热更加高效和稳定，Nd：YVO₄激光晶体两端面和前腔镜、后腔镜面上进行如下镀膜处理：

1.Nd：YVO₄晶体输入端面镀增透膜：<0.5％@808nm&1064nm

2.Nd：YVO₄晶体输出端面镀增透膜：<0.5％@808nm&1064nm

3.输入镜镀膜：<0.5％@808nm，>99.5％@1064nm

4.输出镜镀高反膜：>99.5％＠808nm HR@1064nm。

Claims (5)

1.一种半导体光纤耦合泵浦的红外固体激光器，由泵浦源、微透镜组和谐振腔组成，谐振腔包括前腔镜、激光晶体、调Q模块和后腔镜，其特征在于：泵浦源(1)和谐振腔(2)设置为两个独立模块，泵浦源(1)外设置有半导体散热结构(3)，泵浦源(1)发出的泵浦光经微透镜组(4)由光纤(5)接入谐振腔(2)内，谐振腔(2)为中空圆柱形结构，前腔镜(6)、激光晶体(7)、调Q模块(8)和后腔镜(9)沿激光光路方向依次设置在中空结构内。

2.根据权利要求1所述的一种半导体光纤耦合泵浦的红外固体激光器，其特征在于：所述半导体散热结构(3)由热电制冷片(10)、散热片(11)和热电偶(12)组成，散热片(11)成百叶式分布，热电制冷片(10)位于散热片中间位置，热电偶(12)靠近热电制冷片(10)设置在泵浦源(1)上。

3.根据权利要求1所述的一种半导体光纤耦合泵浦的红外固体激光器，其特征在于：所述泵浦源(1)的泵浦光波长为808nm，激光输出波长为1064nm，所述激光晶体(7)为Nd:YVO₄晶体。

4.根据权利要求3所述的一种半导体光纤耦合泵浦的红外固体激光器，其特征在于：所述Nd:YVO₄晶体两端面镀1064nm和808nm增透膜。

5.根据权利要求3所述的一种半导体光纤耦合泵浦的红外固体激光器，其特征在于：所述前腔镜(6)和后腔镜(9)上镀有1064nm高反膜。

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