CN201766283U

CN201766283U - 半导体泵浦固体激光器被动调q试验装置

Info

Publication number: CN201766283U
Application number: CN2010202732533U
Authority: CN
Inventors: 李凯; 陆鼎璇; 王志会; 田星
Original assignee: BEIJING REALLIGHT TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING REALLIGHT TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2020-07-28

Abstract

本实用新型提供一种带Cr4+:YAG晶体的半导体激光泵浦固体激光器的被动调Q技术的实验装置，它结构简单，使用方便，无电磁干扰，可获得峰值功率大、脉宽小的巨脉冲，实现了连续变脉冲。

Description

半导体泵浦固体激光器被动调Q试验装置

一、技术领域

本实用新型涉及激光器领域，特别涉及半导体泵浦固体激光器。

二、背景技术

半导体泵浦固体激光器(Diode-Pumped solid-state Laser，DPSL)，是以激光二极管(LD)代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。

三、发明内容

本实用新型提供一种包含Cr⁴⁺:YAG晶体的半导体激光泵浦固体激光器，其采用被动调Q技术。目前常用的调Q方法有电光调Q、声光调Q和被动式可饱和吸收调Q。本装置采用的调Q技术是可饱和吸收调Q的一种，它结构简单，使用方便，无电磁干扰，可获得半导体激光泵浦固体激光器的峰值功率大、脉宽小的巨脉冲，从而实现了连续变脉冲。

半导体激光泵浦固体激光器工作原理：上世纪80年代起，半导体激光器(LD)技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL的效率大大提高，体积大大减小。在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换(耦合)。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。

1.直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。

2.间接耦合：指先将LD输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。

常见的方法有：

1.自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。

2.组合透镜系统聚光：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。

3.光纤耦合：指用带尾纤输出的LD进行泵浦耦合，优点是结构灵活。

激光晶体是影响DPSL激光器性能的重要器件。为了获得高效率的激光输出，在一定运转方式下选择合适的激光晶体是非常重要的。目前已经有上百种晶体作为增益介质实现了连续波和脉冲激光运转，以钕离子(Nd³⁺)作为激活粒子的钕激光器是使用最广泛的激光器。其中，以Nd³⁺离子部分取代Y₃Al₅O₁₂晶体中Y³⁺离子的掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)，由于具有量子效率高、受激辐射截面大、光学质量好、热导率高、容易生长等的优点，成为目前应用最广泛的LD泵浦的理想激光晶体之一。从Nd:YAG的吸收中我们可以看出，Nd:YAG在807.5nm处有一强吸收峰。我们如果选择波长与之匹配的LD作为泵浦源，就可获得高的输出功率和泵浦效率，这时我们称实现了光谱匹配。但是，LD的输出激光波长受温度的影响，温度变化时，输出激光波长会产生漂移，输出功率也会发生变化。因此，为了获得稳定的波长，需采用具备精确控温的LD电源，并把LD的温度设置好，使LD工作时的波长与Nd:YAG的吸收峰匹配。

装置中的端面泵浦固体激光器的模式匹配技术是采用典型的平凹腔型结构图。激光晶体的一面镀泵浦光增透和输出激光全反膜，并作为输入镜，镀输出激光一定透过率的凹面镜作为输出镜。这种平凹腔容易形成稳定的输出模，同时具有高的光光转换效率，但在设计时必须考虑到模式匹配问题。则平凹腔中的g参数表示为：

g_{1} = 1 - \frac{L}{R_{1}} = 1,

g_{2} = 1 - \frac{L}{R_{2}}

根据腔的稳定性条件，0＜g₁g₂＜1时腔为稳定腔。故当L＜R₂时腔稳定。

同时容易算出其束腰位置在晶体的输入平面上，该处的光斑尺寸为：

ω_{0} = \sqrt{\frac{{[L (R_{2} - L)]}^{\frac{1}{2}} λ}{π}}

R₁为平面，R₂＝200mm，L＝80mm。由此可以算出ω₀大小。所以，泵浦光在激光晶体输入面上的光斑半径应该≤ω₀，这样可使泵浦光与基模振荡模式匹配，在容易获得基模输出。

半导体激光泵浦固体激光器的被动调Q技术，目前常用的调Q方法有电光调Q、声光调Q和被动式可饱和吸收调Q。本实验采用的Cr⁴⁺:YAG是可饱和吸收调Q的一种，它结构简单，使用方便，无电磁干扰，可获得峰值功率大、脉宽小的巨脉冲。Cr⁴⁺:YAG被动调Q的工作原理是：当Cr⁴⁺:YAG被放置在激光谐振腔内时，它的透过率会随着腔内的光强而改变。在激光振荡的初始阶段，Cr⁴⁺:YAG的透过率较低(初始透过率)，随着泵浦作用增益介质的反转粒子数不断增加，当谐振腔增益等于谐振腔损耗时，反转粒子数达到最大值，此时可饱和吸收体的透过率仍为初始值。随着泵浦的进一步作用，腔内光子数不断增加，可饱和吸收体的透过率也逐渐变大，并最终达到饱和。此时，Cr⁴⁺:YAG的透过率突然增大，光子数密度迅速增加，激光振荡形成。腔内光子数密度达到最大值时，激光为最大输出，此后，由于反转粒子的减少，光子数密度也开始减低，则可饱和吸收体Cr⁴⁺:YAG的透过率也开始减低。当光子数密度降到初始值时，Cr⁴⁺:YAG的透过率也恢复到初始值，调Q脉冲结束。

半导体激光泵浦固体激光器的倍频技术光波电磁场与非磁性透明电介质相互作用时，光波电场会出现极化现象。当强光激光产生后，由此产生的介质极化已不再是与场强呈线性关系，而是明显的表现出二次及更高次的非线性效应。倍频现象就是二次非线性效应的一种特例。倍频就是通过倍频晶体实现对Nd:YAG输出的1064nm红外激光倍频成532nm绿光。常用的倍频晶体有KTP、KDP、LBO、BBO和LN等。其中，KTP晶体在1064nm光附近有高的有效非线性系数，导热性良好，非常适合用于YAG激光的倍频。KTP晶体属于负双轴晶体，对它的相位匹配及有效非线性系数的计算，已有大量的理论研究，通过KTP的色散方程，人们计算出其最佳相位匹配角为：90°，对应的有效非线性系数d_eff＝7.36×10^-12V/m。倍频技术通常有腔内倍频和腔外倍频两种。腔内倍频是指将倍频晶体放置在激光谐振腔之内，由于腔内具有较高的功率密度，因此较适合于连续运转的固体激光器。腔外倍频方式指将倍频晶体放置在激光谐振腔之外的倍频技术，较适合于脉冲运转的固体激光器。

四、附图说明

图1是半导体泵浦固体激光器被动调Q试验装置的结构示意图

装置包括电源1、半导体激光头2、耦合系统3、激光晶体4(Nd:YAG)、被动调Q晶体5(Cr⁴⁺:YAG)、输出镜6、探测器7、示波器8、准直器9。

图2是半导体泵浦固体激光器被动调Q试验装置的调Q状态数据分析图，X轴是半导体泵浦固体激光器被动调Q试验装置的电流由0～2.5A，Y轴是半导体泵浦固体激光器被动调Q试验装置输出的功率值，曲线说明系统的能量输出值随电流变化增高的趋势

五、具体实施方式

1.当由电源1提供1.3A的电流，半导体激光头2发出的0.694W的激光，经过耦合透镜3汇聚到激光晶体4中，再由耦合系统3与输出镜6组成的谐振腔，输出0.293W的激光，再由耦合系统3与输出镜6组成的谐振腔中插入被动调Q晶体5，经由探测器7采集，信号由示波器8输出，测得调Q输出为025.6mW，脉冲宽度为0ns。

2.当由电源1提供1.5A的电流，半导体激光头2发出的0.847W的激光，经过耦合透镜3汇聚到激光晶体4中，再由耦合系统3与输出镜6组成的谐振腔，输出0.356W的激光，再由耦合系统3与输出镜6组成的谐振腔中插入被动调Q晶体5，经由探测器7采集，信号由示波器8输出，测得调Q输出为55.2mW，脉冲宽度为90ns。

3.当由电源1提供1.7A的电流，半导体激光头2发出的0.995W的激光，经过耦合透镜3汇聚到激光晶体4中，再由耦合系统3与输出镜6组成的谐振腔，输出0.401W的激光，再由耦合系统3与输出镜6组成的谐振腔中插入被动调Q晶体5，经由探测器7采集，信号由示波器8输出，测得调Q输出为82.3mW，脉冲宽度为100ns。

4.当由电源1提供1.9A的电流，半导体激光头2发出的1.148W的激光，经过耦合透镜3汇聚到激光晶体4中，再由耦合系统3与输出镜6组成的谐振腔，输出0.432W的激光，再由耦合系统3与输出镜6组成的谐振腔中插入被动调Q晶体5，经由探测器7采集，信号由示波器8输出，测得调Q输出为133.8mW，脉冲宽度为115ns。

5.当由电源1提供2.1A的电流，半导体激光头2发出的1.301W的激光，经过耦合透镜3汇聚到激光晶体4中，再由耦合系统3与输出镜6组成的谐振腔，输出0.466W的激光，再由耦合系统3与输出镜6组成的谐振腔中插入被动调Q晶体5，经由探测器7采集，信号由示波器8输出，测得调Q输出为025.6mW，脉冲宽度为120ns。

6.当由电源1提供2.3A的电流，半导体激光头2发出的1.453W的激光，经过耦合透镜3汇聚到激光晶体4中，再由耦合系统3与输出镜6组成的谐振腔，输出0.496W的激光，再由耦合系统3与输出镜6组成的谐振腔中插入被动调Q晶体5，经由探测器7采集，信号由示波器8输出，测得调Q输出为144.2mW，脉冲宽度为130ns。

Claims

1.一种半导体泵浦固体激光器被动调Q装置，包括电源、半导体激光头、耦合系统、激光晶体、被动调Q晶体、倍频晶体、输出镜、探测器、示波器、准直器，其特征在于：调Q的晶体是Cr⁴⁺:YAG，Cr⁴⁺:YAG晶体的位置在激光晶体与光学谐振腔的前腔片之间。

2.根据权利要求1所述的半导体泵浦固体激光器被动调Q装置，其特征在于：通过对晶体尺寸、端面镀膜的膜系设计等工艺控制，使得由泵浦源出来的激光被激光晶体收后再经过Cr⁴⁺:YAG，从而获得调Q效果的脉冲激光。

3.根据权利要求1所述的半导体泵浦固体激光器被动调Q装置，其特征在于：所述的Cr⁴⁺:YAG晶体是可饱和的。