CN202695968U - 基于键合晶体的被动调q激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于键合晶体的被动调Q激光器，包括谐振腔，置于谐振腔内的键合晶体，所述谐振腔为直腔式结构的谐振腔，所述谐振腔包括设置与前端的全反镜、侧面泵浦系统以及后端的耦合输出镜，所述全反镜、侧面泵浦系统以及后端耦合输出镜设置在同一轴线上。本实用新型采用Nd:YAG晶体、Cr4+:YAG晶体及不掺杂YAG晶体进行热键合而成的特殊晶体组件作为激光晶体及调Q晶体，并通过使用808nm半导体激光器侧泵系统对其进行泵浦而获得1064nm脉冲激光输出。与传统系统相比，采用上述技术方案可大大简化其系统结构，降低成本，并能实现高平均功率及峰值功率的巨脉冲激光输出，可广泛应用于激光加工、激光医疗、激光变频及科学研究领域。

Description

基于键合晶体的被动调Q激光器

技术领域

本实用新型涉及激光器领域，特别涉及一种基于键合晶体的被动调Q激光器。

背景技术

由于Nd:YAG（钇铝石榴石晶体）具有良好的物理特性和光学特性，且生长技术成熟，已经成为了目前最常用的全固态激光晶体，其产生的1064nm激光尤其是调Q的1064nm激光被广泛应用于激光打标、激光切割、红外制导、生物医学及激光变频等领域。早在1968年，麦道宇航公司的Ross实现了第一台用GaAs LD（867nm）泵浦的Nd:YAG激光器。而随着技术的发展，全固态Nd:YAG激光器获得了长足的发展。据报道，东芝公司报道了最高输出功率达到11.3kW的半导体激光器抽运的全固态激光装置。在能获得大功率的连续1064nm激光输出后，研究重点转向了如何实现高峰值功率的1064nm激光脉冲输出问题上。目前，主要通过调Q技术来获得能量巨大的激光巨脉冲，而主要的调Q技术包括机械调Q、声光调Q、电光调Q、被动调Q等几种方法，目前以声光调Q技术的应用最为广泛。

现有技术中，一般采用大功率侧面泵浦系统配合声光调Q开关可以轻易获得上千瓦以上峰值功率的1064nm激光输出，但需要在谐振腔内添加Q开关，同时需要外部电源驱动Q开关，导致系统变得相对复杂，体积庞大，且谐振腔增长而使激光在高泵浦功率下运行时，更容易受热透镜效应影响而失稳。另外，声光Q开关价格昂贵，也限制了技术的应用发展。而被动调Q技术虽然相对简单，可以大大简化系统结构，但由于可饱和吸收体一般为薄片结构，无法进行有效散热，使之难以在高功率下运行。目前多数被动调Q激光系统是采用低功率的端泵形式。另外，可饱和吸收体对基频激光有较强的吸收，热透镜效应也非常明显，不利于激光的稳定输出。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构紧凑、性能稳定、高平均功率以及高峰值功率的侧面泵浦1064nm激光系统。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型一种基于键合晶体的被动调Q激光器，包括谐振腔，所述谐振腔为直腔式结构的谐振腔，所述谐振腔包括设置于前端的全反镜、侧面泵浦系统以及后端的耦合输出镜，所述全反镜、侧面泵浦系统以及耦合输出镜设置在同一轴线上，侧面泵浦系统中置有键合晶体。

优选的，所述侧面泵浦系统包括水冷系统，泵浦源、增益介质以及可饱和吸收体。

优选的，所述全反镜以及耦合输出镜可以是平面镜、平凹镜或者平凸镜；所述全反镜以及耦合输出镜也可以是通过键合晶体两端分别镀1064nm全反膜或者部分反射膜的全反镜和耦合输出镜。

优选的，所述泵浦源为激光二极管阵列，所述激光二极管阵列的激光二极管的输出波长为808nm。

优选的，所述键合晶体是作为激光晶体的掺钕钇铝石榴石晶体、作为可饱和吸收体对激光进行调Q的掺铬钇铝石榴石晶体及降低整个晶体棒的热效应的非掺杂钇铝石榴石晶体进行热键合而成的晶体组件。

优选的，所述的键合晶体的组合顺序是掺钕钇铝石榴石晶体与掺铬钇铝石榴石晶体的一端键合，掺铬钇铝石榴石晶体的另一端与非掺杂钇铝石榴石晶体键合。

优选的，所述掺钕钇铝石榴石晶体长度与侧面泵浦系统的泵浦区域长度相当，整根键合晶体棒长度与能被水冷的区域的长度相当。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本实用新型采用Nd:YAG晶体（掺钕钇铝石榴石晶体）、Cr⁴⁺:YAG晶体（掺铬钇铝石榴石）及不掺杂YAG晶体（非掺杂的钇铝石榴石晶体）进行热键合而成的特殊晶体组件作为激光晶体及调Q晶体，并通过使用808nm半导体激光器（LD）侧泵系统对其进行泵浦而获得1064nm脉冲激光输出。与传统系统相比，本实用新型可大大简化其系统结构，降低成本，并能实现高平均功率及峰值功率的巨脉冲激光输出，可广泛应用于激光加工、激光医疗、激光变频及科学研究领域。

2、本实用新型可将激光晶体、调Q晶体紧密地结合在一起，使整个谐振腔结构变得更加紧凑，同时键合在一起的晶体棒可在侧泵系统自带的水冷系统中同时进行水冷，克服了以往的被动调Q系统中无法对可饱和吸收体进行冷却而不能在高泵浦功率下运行的缺点。

3、本实用新型在末端键合进一段非掺杂的YAG晶体防止了温度较高的C⁴⁺:YAG晶体（因为可饱和吸收体对1064nm激光有较大吸收）的端面暴露在空气中而导致散热不良使热效应增大。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

标号说明：1、全反镜；2、侧面泵浦系统；3、耦合输出镜；4、Nd:YAG晶体；5、Cr⁴⁺:YAG晶体；6、非掺杂YAG晶体。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种基于键合晶体的被动调Q激光器，包括谐振腔2所述谐振腔2为直腔式结构的谐振腔，所述谐振腔2包括设置于前端的全反镜1、侧面泵浦系统2以及后端的耦合输出镜3，所述全反镜1、侧面泵浦系统2以及后端耦合输出镜3设置在同一轴线上，侧面泵浦系统2中置有键合晶体。

所述侧面泵浦系统2包括水冷系统、泵浦源、增益介质及可饱和吸收体，要求以输出波长为808nm的LD阵列为泵浦源，因为Nd:YAG晶体（掺钕钇铝石榴石晶体）的吸收峰在808nm左右，通过泵浦源可使Nd:YAG晶体激发出1064nm的激光。

所述键合晶体为将Nd:YAG晶体4、Cr⁴⁺:YAG晶体5（掺铬钇铝石榴石晶体）及非掺杂YAG晶体6（非掺杂的钇铝石榴石）进行热键合而成的特殊晶体组件，其所述的键合晶体的组合顺序是Nd:YAG晶体4与Cr⁴⁺:YAG晶体5的一端键合，Cr⁴⁺:YAG晶体5的另一端与非掺杂YAG晶体6键合。键合晶体中的Nd:YAG晶体4作为激光晶体，Cr⁴⁺:YAG晶体5作为可饱和吸收体对激光进行调Q，非掺杂YAG晶体6作用是降低整个晶体棒的热效应。通过此设计可将激光晶体、调Q晶体紧密地结合在一起，使整个谐振腔结构变得更加紧凑，同时键合在一起的晶体棒可在侧泵系统自带的水冷系统中同时进行水冷，克服了以往的被动调Q系统中无法对可饱和吸收体进行冷却而不能在高泵浦功率下运行的缺点。另外，末端键合进一段非掺杂的YAG晶体防止了温度较高的C⁴⁺:YAG晶体（因为可饱和吸收体对1064nm激光有较大吸收）的端面暴露在空气中而导致散热不良使热效应增大。

所述技术方案中采用的键合晶体其Nd:YAG晶体4长度应该与侧面泵浦系统LD的泵浦区域长度相当，整根键合晶体棒长度应该与能被水冷的区域的长度相当。这保证了可饱和吸收体Cr⁴⁺:YAG不受808nm的泵浦光影响，又能保证整根键合晶体能够利用水冷系统进行降温。

系统在泵浦源开启后掺钕激光晶体中钕离子吸收泵浦光其内部的激活离子(Nd³⁺)粒子形成反转分布，但由于可饱和吸收体的存在，对受激辐射的1064nm的光波有较大吸收，使得激光的产生阈值非常高，反转粒子得以不断积累，直到辐射增大，可饱和吸收体对1064nm的光波将变为透明，由于阈值的忽然降低，大量反转粒子瞬间返回基态产生激光巨脉冲。

为了获得脉宽较窄，峰值功率较高的脉冲激光输出，要求整个直腔结构尽量紧凑，腔长尽量短，同时可以通过改变耦合输出镜对1064nm激光的透过率及可饱和吸收体Cr⁴⁺:YAG对1064nm光波的初始透过率来实现最佳输出。

为了更好的实施本被动调Q激光器，其中全反镜1采用直径为20mm的平面镜，镜面上镀高反1064nm光波的膜。侧面泵浦系统2采用北京吉泰实业科技有限公司型号为GTPC-75S的侧泵模块，并配有型号为GTPC2425的泵浦电源及水冷机一台。使用总长度为65mm，直径为3mm的键合晶体棒代替侧泵模块中原本的Nd:YAG晶体棒，键合晶体中的Nd:YAG晶体4的长度为61mm，Cr⁴⁺:YAG晶体5的长度2mm，不掺杂YAG晶体6的长度为2mm。其中，Cr⁴⁺:YAG晶体对1064nm光波的初始透过率为80%。耦合输出镜3采用直径为20mm的平面镜，其对1064nm的透过率为20%。总腔长（从全反镜1到耦合输出镜3的距离）为90mm。

按上述结构搭建激光系统，并采用氦氖激光器对各部件进行光路调整，使所有部件均处于同一轴线上。然后打开水冷机，设定水冷温度为22°C，开启侧面泵浦系统的电源，调节泵浦功率，在达到阈值后便会产生激光脉冲序列输出。随着泵浦功率的升高，其输出的激光脉冲序列的重复频率也将越来越高，平均功率也随之升高，而激光脉冲的宽度则只会发生微弱变化。在泵浦功率调节到最高时，能够获得平均功率达到54W以上的激光脉冲序列输出，整个系统热透镜效应不明显，功率稳定性高于3%，光斑质量好，M平方因子为1.87。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于键合晶体的被动调Q激光器，包括谐振腔，其特征在于，所述谐振腔为直腔式结构的谐振腔，所述谐振腔包括设置于前端的全反镜、侧面泵浦系统以及后端的耦合输出镜，所述全反镜、侧面泵浦系统以及耦合输出镜设置在同一轴线上，侧面泵浦系统中置有键合晶体。

2.根据权利要求1所述的基于键合晶体的被动调Q激光器，其特征在于，所述侧面泵浦系统包括水冷系统、泵浦源、增益介质以及可饱和吸收体。

3.根据权利要求1所述的基于键合晶体的被动调Q激光器，其特征在于，所述全反镜以及耦合输出镜是平面镜、平凹镜或平凸镜。

4.根据权利要求1所述的基于键合晶体的被动调Q激光器，其特征在于，所述全反镜以及耦合输出镜是通过键合晶体两端分别镀全反膜或者部分反射膜的全反镜和耦合输出镜。

5.根据权利要求1所属的基于键合晶体的被动调Q激光器，其特征在于，所述泵浦源为激光二极管阵列，所述激光二极管阵列中的激光二极管的输出波长为808nm。

6.根据权利要求1所属的基于键合晶体的被动调Q激光器，其特征在于，所述键合晶体是作为激光晶体的掺钕钇铝石榴石晶体、作为可饱和吸收体对激光进行调Q的掺铬钇铝石榴石晶体及降低整个晶体棒的热效应的非掺杂钇铝石榴石晶体进行热键合而成的晶体组件。

7.根据权利要求6所述的基于键合晶体的被动调Q激光器，其特征在于，所述的键合晶体的组合顺序是掺钕钇铝石榴石晶体与掺铬钇铝石榴石晶体的一端键合，掺铬钇铝石榴石晶体的另一端与非掺杂钇铝石榴石晶体键合。

8.根据权利要求6或7所述的基于键合晶体的被动调Q激光器，其特征在于，所述掺钕钇铝石榴石晶体长度与侧面泵浦系统的泵浦区域长度相当，整根键合晶体棒长度与能被水冷的区域的长度相当。