CN202111365U - 一种被动调q微片激光器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种激光器，属于激光技术领域。一种被动调Q微片激光器，其特征在于包括以下部件：半导体激光器，作为泵浦光源用于泵浦激光介质；激光介质，置于半导体激光器正面，产生受激辐射;可饱和吸收体，置于激光介质之后，部分吸收激光介质发出的受激辐射，产生激光脉冲输出；耦合光学系统，将所述半导体激光器产生的激光束整形并耦合到激光介质内；激光谐振腔，由两面反射腔镜组成，用于形成激光振荡输出；滤光片，用于反射激光脉冲输出的部分能量；光电二极管，用于检测激光脉冲输出信号；所述激光介质与可饱和吸收体位于所述激光谐振腔内。本实用新型将激光介质与可饱和吸收体组合成一体，有利于产生更短脉宽的激光脉冲输出。

Description

一种被动调Q微片激光器
技术领域
本实用新型涉及激光技术领域，尤其涉及一种被动调Q激光器。
背景技术
相对于经常需要高电压、快速响应的电光开关的主动调Q激光器，被动调Q激光器由激光辐射本身来实现Q值变化，因而具有很多优势，例如设计简单、结构简单以及低成本等，因而受到了广泛的关注。
在被动调Q激光器中主要利用可饱和吸收体来产生短脉宽、高峰值功率的激光脉冲输出。可饱和吸收体的主要特性是其对光的吸收的饱和效应，表现为其对光的吸收随着入射光强的增加而下降，透过率增加，最终达到饱和或“漂白”。当放置在激光谐振腔内时，可饱和吸收体就产生可变光损耗改变谐振腔的Q值。当泵浦源开始泵浦激光介质时，可饱和吸收体对激光介质发出的较弱的荧光有强吸收，远未达到饱和状态，此时激光介质的反转粒子数不断累积；随着泵浦源的持续作用，激光介质的荧光发射变强，可饱和吸收体加速透明，由于吸收饱和作用，激光强度增加更快，吸收体最终完全饱和，谐振腔的损耗处于最低状态，而激光介质累积的反转粒子数大大超过此时的阈值，于是激光器输出一个尖峰脉冲。由于一般可饱和吸收体的饱和过程都发生在极短的时间内，储存激光上能级的能量迅速释放，使得输出激光脉冲具有极高的峰值功率。
最早用于被动调Q的可饱和吸收体主要是各类染料，但是由于染料容易变质和有毒等缺点，使用渐少。上个世纪90年代以来，一系列新型被动调Q可饱和吸收体相继出现，基本上取代了染料的地位，并正在努力替代主动调Q技术。
目前在被动调Q微片激光器中，最常用的可饱和吸收体是Cr:YAG晶体，通常用于产生1064nm的短脉冲输出；可以采用Nd:YAG或Nd: YVO4作为激光介质，如Zayhowski在美国专利No. 5,394,413及文献“Microchip lasers, Optical Materials, vol. 11, pp 255-267 (1999) ”中所介绍的。Cr:YAG晶体由于其吸收谱，并不适用于产生1.1μm以上波长的激光被动调Q输出。1.5~1.6μm属于人眼安全光谱，近年来在激光测距，激光雷达与光通信等领域，此波段的脉冲激光器发展十分迅速。近几年，人们发展了很多钴掺杂的固体材料，作为可饱和吸收体用于实现1.3～1.6μm被动调Q脉冲输出的。相对于以往经常用做1.5μm光谱段可饱和吸收体的铀掺杂的CaF2晶体等材料，钴掺杂的晶体材料，如钴掺杂尖晶石具有更大的基态吸收截面与更小的激发态吸收截面，可以实现具有更短脉宽以及更高峰值功率的激光脉冲输出。
相对于电光调Q与声光调Q的主动调Q技术，被动调Q的主要缺点在于：由于受到激光辐射本身控制其Q值变化，无法实现外触发精确控制Q开关的打开时间；由于可饱和吸收体饱和时依然有一定的残余吸收损耗，带来一定的腔内损耗，被动调Q相对而言无法实现更强的功率输出与转换效率。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种被动调Q微片激光器，实现短脉宽、高峰值功率的激光脉冲输出，并获取精确的激光脉冲时间信号。
技术方案
一种被动调Q微片激光器，其特征在于：包括以下部件：
半导体激光器，作为泵浦光源用于泵浦激光介质；
激光介质，置于半导体激光器正面作为半导体激光器泵浦对象，产生受激辐射，所述激光介质采用掺铒元素的固态介质;
可饱和吸收体，置于激光介质之后，部分吸收激光介质发出的受激辐射，用于产生激光脉冲输出，所述可饱和吸收体采用掺钴材料的固态介质；
耦合光学系统，将所述半导体激光器所产生的激光束整形并耦合到所述激光介质内；
激光谐振腔，由两面反射腔镜组成，用于形成激光振荡输出；
滤光片，用于反射激光脉冲输出的部分能量；
光电二极管，用于检测激光脉冲输出信号；
所述激光介质与可饱和吸收体位于所述组成激光谐振腔的两面反射腔镜内，所述激光介质与可饱和吸收体均加工成微片，并贴合在一起组成整体。
所述组成激光谐振腔的两面反射腔镜分别为第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜与激光介质贴合在一起，所述第二反射镜与可饱和吸收体贴合在一起，所述第一反射镜采用镀膜方式直接镀膜在激光介质表面，第二反射镜采用镀膜方式直接镀膜在可饱和吸收体表面。
所述组成激光谐振腔的两面反射腔镜分别为第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜与激光介质贴合在一起，所述第二反射镜与可饱和吸收体贴合在一起，所述第一反射镜包括三层，从内到外分别为在激光介质表面的激光高反射膜、贴合在激光高反射膜外的导热光学元件、导热光学元件外的泵浦光增透膜，第二反射镜采用镀膜方式直接镀膜在可饱和吸收体表面。
所述半导体激光器的发射激光波长范围为915nm～1000nm。
所述耦合光学系统包括至少一个光学透镜。
所述激光介质，其基质材料为磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、氟磷酸盐玻璃中的一种。
所述可饱和吸收体其基质材料采用MgAl6O10。
所述光电二极管采用InGaAs材料的光电二极管，其检测波长范围为1000nm～1650nm。
所述滤光片的两个表面均镀有介质膜，对激光谐振腔输出的激光脉冲增透。
所述滤光片与激光谐振腔表面成一定角度斜置。  
有益效果
本实用新型的被动调Q微片激光器通过将激光介质与可饱和吸收体做成微片的方法缩短了它们的长度，并将其贴合在一起，加上左右贴合上反射镜，因此形成的激光谐振腔的长度更短，能产生具有更短脉宽的激光脉冲输出，将光电二极管集成在激光器内，能获取精确的激光脉冲时间信号。
附图说明
图1为本实用新型实施例1示意图。
图2为本实用新型实施例2示意图。
图3为本实用新型实施例3示意图。
其中：101-半导体激光器，102-聚焦透镜，103-第一反射镜，104-第二反射镜，105-激光介质，106-可饱和吸收体，107-滤光片，108-光电二极管，109-散热底座，110-底座，111-导热光学元件，112-泵浦光增透膜，113-激光高反射膜，209-外壳底座，210-圆形激光器外壳。  
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本实用新型。
由于被动调Q输出的激光脉冲的时间抖动较大，在被动调Q激光器的应用中，需要一个快速响应的光电元件来接收激光脉冲信号，并将其转化为电脉冲信号用于触发。
实施例1
现结合图1来说明本实用新型的第一具体实施例。本实施例中采用钴掺杂的MgAl6O10晶体作为可饱和吸收体，实现1.3～1.6μm的被动调Q输出。采用铒掺杂激光玻璃、Nd:YAlO3、Er:YAG或Nd:KGW作为激光介质。铒掺杂的固体材料被用于产生1.5～1.6μm的激光输出，其中铒镱双掺杂的材料如磷酸盐玻璃是最经常实用的，其中的镱元素作为敏化粒子，对泵浦具有更大的吸收界面，用于吸收泵浦光，并将能量转移给铒离子。
钴掺杂尖晶石具有较大的基态吸收截面与较小的激发态吸收截面，可以实现具有更短脉宽以及更高峰值功率的激光脉冲输出，经常与铒掺杂的固体材料，如phosphate laser glass、YAG、YSGG等一同使用。例如Co:MgAl2O4及Co:MgAl6O10已被证实可以实现纳秒级的激光脉冲输出。
图1是本实用新型的实施例1的示意图。采用的端面泵浦的方式。其中半导体激光器101作为泵浦源，产生泵浦激光束，耦合光学系统采用聚焦透镜102，通过聚焦透镜102泵浦激光束被汇聚到激光介质105内。半导体激光器101安装在散热底座109上，散热底座109采用导热材料，如AlN。激光介质105比可饱和吸收体106更靠近半导体激光器101，激光介质105与可饱和吸收体106一同放置在一个激光谐振腔内，此激光谐振腔由第一反射镜103与第二反射镜104组成，二者都是光学介质膜材料。
激光介质105产生激光增益，可饱和吸收体106产生短脉宽调Q脉冲输出。激光介质105与可饱和吸收体106胶合在一起组成微片。第一反射镜103采用镀膜方式直接镀膜在激光介质105表面上，对半导体激光器101发出的激光束具有高透过率，对产生的激光脉冲具有高反射率；第二反射镜104采用镀膜方式直接镀膜在可饱和吸收体106表面上，对产生的激光脉冲部分透射。由激光介质105、可饱和吸收体106、第一反射镜103与第二反射镜104组成的微片式激光谐振腔，缩短了激光腔长，降低腔损耗，更易于调节并实现高泵浦效率。
激光介质105是铒掺杂的固体材料，在900～1000nm光谱范围内具有较宽的吸收谱，可以实现高效泵浦。根据由于激光介质105对泵浦光的吸收系数通常随着波长变化，当采用不同的泵浦波长的半导体激光器时，激光介质105的厚度也因相应改变，以保证吸收足够能量的泵浦光来转换为激光脉冲输出。可饱和吸收体106是钴掺杂的固体材料可以实现1.3～1.6μm光谱范围内的被动调Q脉冲输出。
滤光片107用于透过激光脉冲并阻挡被激光介质105吸收后残留的泵浦光。滤光片107的两个表面都镀膜对激光脉冲增透，其中至少有一面对泵浦光高反。滤光片107透过了激光脉冲的绝大部分能量，但仍有很小一部分能量被反射。因此滤光片107被相对于第二反射镜104倾斜放置以避免反射的能量重新进入激光谐振腔，而是被InGaAs材料的光电二极管108接收。如图1所示，光电二极管108安装在底座110上。
实施例2
图2所展示的是本实用新型的第二具体实施例。在这一实施例中，第一反射镜103并不是单一的介质膜直接镀膜在激光介质105表面，而是由三部分组成：泵浦光增透膜112、导热光学元件111与激光高反射膜113。泵浦光增透膜112对泵浦光增透，而激光高反射膜113对激光脉冲高反。泵浦光增透膜112在导热光学元件111表面，导热光学元件111对泵浦光不吸收。第一反射镜103与激光介质105胶合在一起。激光介质105、可饱和吸收体106、第一反射镜103与第二反射镜104组成的微片式激光谐振腔，由于谐振腔内依然只有激光介质105与可饱和吸收体106，并不会改变腔长。
半导体激光器101发出的泵浦光绝大部分能量在激光介质105所吸收，且在靠近第一反射镜面103的一面。此时，第一反射镜103的另一个作用是将激光介质105内由于吸收泵浦光所产生的热量部分导出，减少其热负载。相比第一实施例，可以实现更高的泵浦功率与更高重复频率激光脉冲输出，有效降低了激光介质105的热透镜效应，保证了高泵浦功率作用时激光脉冲输出的稳定与光束质量的稳定。
实施例3
图3所展示的是本实用新型的第三具体实施例。其中包含有一个两端开口的圆形激光器外壳210，圆形激光器外壳210的一端密封安装了一个外壳底座209。半导体激光器101安装于外壳底座209上。聚焦透镜102汇聚半导体激光器101所产生泵浦光，汇聚到激光介质105内。激光介质105比可饱和吸收体106更靠近半导体激光器101，激光介质105与可饱和吸收体106一同放置在一个激光谐振腔内，此激光谐振腔由第一反射镜103与第二反射镜104组成，二者都是光学介质膜材料。
激光介质105与可饱和吸收体106与由第一反射镜103与第二反射镜104组成的激光谐振腔胶合在一起组成微片，结构与第一实施例相同。滤光片107用于透过激光脉冲并阻挡被激光介质105吸收后残留的泵浦光。滤光片107的两个表面都镀膜对激光脉冲增透，其中至少有一面对泵浦光高反。滤光片107透过了激光脉冲的绝大部分能量，但仍有很小一部分能量被反射。滤光片107被相对于第二反射镜104倾斜放置以避免反射的能量重新进入激光谐振腔，且密封于圆形激光器外壳210的另一个开口端。
采用InGaAs材料的光电二极管108安装于圆形激光器外壳210内部用于检测激光脉冲信号。如图3所示，被滤光片107所反射的激光脉冲并不是直接被光电二极管108所接收。由于激光脉冲的峰值功率很高，即使滤光片107所反射的仅是很小一部分能量，仍足以使光电二极管108饱和。因此应避免直接入射，而是先入射到圆形激光器外壳210的内壁上。圆形激光器外壳210的内壁的粗糙面对反射来的激光脉冲产生漫反射，漫反射的激光脉冲能量足够小，可以被光电二极管108接收而不至于产生饱和。

Claims (10)

1.一种被动调Q微片激光器，其特征在于：包括以下部件：
   半导体激光器，作为泵浦光源用于泵浦激光介质；
   激光介质，置于半导体激光器正面作为半导体激光器泵浦对象，产生受激辐射，所述激光介质采用掺铒元素的固态介质;
   可饱和吸收体，置于激光介质之后，部分吸收激光介质发出的受激辐射，用于产生激光脉冲输出，所述可饱和吸收体采用掺钴材料的固态介质；
   耦合光学系统，将所述半导体激光器所产生的激光束整形并耦合到所述激光介质内；
   激光谐振腔，由两面反射腔镜组成，用于形成激光振荡输出；
滤光片，用于反射激光脉冲输出的部分能量；
光电二极管，用于检测激光脉冲输出信号；
所述激光介质与可饱和吸收体位于所述组成激光谐振腔的两面反射腔镜内，所述激光介质与可饱和吸收体均加工成微片，并贴合在一起组成整体。
2.如权利要求1所述的被动调Q微片激光器，其特征在于：所述组成激光谐振腔的两面反射腔镜分别为第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜与激光介质贴合在一起，所述第二反射镜与可饱和吸收体贴合在一起，所述第一反射镜采用镀膜方式直接镀膜在激光介质表面，第二反射镜采用镀膜方式直接镀膜在可饱和吸收体表面。
3.如权利要求1所述的被动调Q微片激光器，其特征在于：所述组成激光谐振腔的两面反射腔镜分别为第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜与激光介质贴合在一起，所述第二反射镜与可饱和吸收体贴合在一起，所述第一反射镜包括三层，从内到外分别为在激光介质表面的激光高反射膜、贴合在激光高反射膜外的导热光学元件、导热光学元件外的泵浦光增透膜，第二反射镜采用镀膜方式直接镀膜在可饱和吸收体表面。
4.如权利要求1或2或3所述的被动调Q微片激光器，其特征在于：所述半导体激光器的发射激光波长范围为915nm～1000nm。
5.如权利要求1或2或3所述的被动调Q微片激光器，其特征在于：所述耦合光学系统包括至少一个光学透镜。
6.如权利要求1或2或3所述的被动调Q微片激光器，其特征在于：所述激光介质，其基质材料为磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、氟磷酸盐玻璃中的一种。
7.如权利要求1或2或3所述的被动调Q微片激光器，其特征在于：所述可饱和吸收体其基质材料采用MgAl6O10。
8.如权利要求1或2或3所述的被动调Q微片激光器，其特征在于：所述光电二极管采用InGaAs材料的光电二极管，其检测波长范围为1000nm～1650nm。
9.如权利要求1或2或3所述的被动调Q微片激光器，其特征在于：所述滤光片的两个表面均镀有介质膜，对激光谐振腔输出的激光脉冲增透。
10.如权利要求1或2或3所述的被动调Q微片激光器，其特征在于：所述滤光片与激光谐振腔表面成一定角度斜置。
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