CN211017731U - 一种二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器，包括用于产生中红外激光的二极管侧泵浦激光增益模块、用于构成光学谐振腔使中红外激光形成激光振荡输出的谐振腔镜，谐振腔镜分别由镀有2.7～3μm高反膜的谐振腔平面反射镜与镀有2.7～3μm部分反射膜的谐振腔凹面输出镜组成，所述二极管侧泵浦激光增益模块设置于光学谐振腔中形成中红外激光振荡，所述二极管侧泵浦激光增益模块包括二极管泵浦源和中红外激光增益介质，所述二极管泵浦源环绕中红外激光增益介质设置。本实用新型针对激光器侧泵浦模块设计了五边四圈的泵浦结构，同时将中红外激光增益参数设计与泵浦结构匹配，实现高效率高功率中红外激光输出。

Description

一种二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器

技术领域

本实用新型属于中红外固体激光技术领域，具体地说涉及一种二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器。

背景技术

输出波长在3～5μm范围内的中红外固体激光器因其体积小、重量轻、输出功率高等优势，在激光医疗、激光光谱学、环境监测以及光电对抗等领域有着重要应用前景，一直以来是国内外研究热点。

中红外固体激光器根据泵浦源类型可分为闪光灯侧泵浦和二极管侧泵浦激光器。闪光灯泵浦源成本低廉、单脉冲能量高，在中红外固体激光器中具有广泛的应用。由于闪光灯输出光谱宽，能被激活离子吸收利用的能量占比少，热效应非常严重，因此通常获得的中红外激光输出占空比不超过3％。二极管泵浦源体积小、且发射光谱窄，激活离子对泵浦光吸收效率高，逐渐成为中红外固体激光器的主要泵浦源。然而，受限于半导体泵浦源输出波长与中红外激射波长的巨大差异，比如泵浦波长为976nm，中红外激光波长为2.8μm，激光器的斯托克斯效率上限约为30％，这严重制约了光光转换效率的进一步提高，且剩余的泵浦光能量以热的形式积累在增益介质内，给增益介质造成损伤风险的同时，恶化输出激光的光束质量，限制了中红外激光输出功率。

因此，现有技术有待于进一步改进和发展。

发明内容

针对现有技术的种种不足，现提出一种二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器，以解决现有技术中存在的中红外固体激光器中热效应严重和光光转换效率低的问题，实现高效率高功率中红外激光输出。

本实用新型提供如下技术方案：

一种二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器，包括用于产生中红外激光的二极管侧泵浦激光增益模块、用于构成光学谐振腔使中红外激光形成激光振荡输出的谐振腔镜，所述二极管侧泵浦激光增益模块设置于光学谐振腔中，所述二极管侧泵浦激光增益模块包括二极管泵浦源和中红外激光增益介质，所述二极管泵浦源环绕中红外激光增益介质设置。

进一步地，所述谐振腔镜包括谐振腔平面反射镜和谐振腔凹面输出镜，平面反射镜和谐振腔凹面输出镜对应设置，谐振腔平面反射镜面心与谐振腔凹面输出镜球心位于光轴上，两者之间形成直线谐振腔，所述二极管侧泵浦激光增益模块设置于直线谐振腔中间位置。

进一步地，谐振腔平面反射镜和谐振腔凹面输出镜紧贴二极管侧泵浦激光增益模块设置，谐振腔平面反射镜和谐振腔凹面输出镜之间距离小于或等于100mm。

进一步地，所述谐振腔平面反射镜镜面镀有2.7～3μm且反射率大于99.5％的高反膜，谐振腔凹面输出镜镜面镀有2.7～3μm且反射率大于或等于90％的部分反射膜。

进一步地，所述中红外激光增益介质为均匀掺杂铒离子的石榴石晶体或倍半氧化物晶体，铒离子掺杂浓度大于或等于30％。

进一步地，中红外激光增益介质整体为圆柱结构，直径小于或等于3mm，长度小于或等于100mm。

进一步地，所述二极管泵浦源由若干二极管芯片构成，二极管芯片的封装结构为：中红外激光增益介质轴向上，二极管芯片分为多组，每组环绕中红外激光增益介质分布形成一圈，多圈二极管芯片沿中红外激光增益介质轴向均匀排布，中红外激光增益介质径向上，每组二极管芯片环绕中红外激光增益介质形成正多边形分布，每组中各二极管芯片以光轴为对称中心呈中心对称环绕中红外激光增益介质分布。

优选的，二极管泵浦源由20枚二极管芯片构成，二极管芯片沿光轴方向分成四圈，每一圈由5枚二极管芯片构成正五边形，分别均匀分布在中红外激光增益介质的轴向与径向上。

进一步的，二极管泵浦源的输出中心波长为960nm～980nm。

进一步地，所述二极管泵浦源冷却方式为微通道液体冷却方式，所述中红外激光增益介质为液体冷却方式，冷却液体温度为20～28℃，冷却液体流量为2～4L/min。

有益效果

本实用新型提供了一种二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器，与现有技术相比，其有益效果如下：

(1)采用五边四圈的封装结构将二极管泵浦源均匀封装在中红外激光增益介质周围，获得了泵浦光与中红外激光的空间最佳匹配效率，并且对增益介质的掺杂浓度和结构参数进行了与二极管泵浦源分布结构相匹配的设计，改善了中红外激光增益介质对泵浦光的吸收效率和吸收部分泵浦光在增益介质内的光强分布均匀性，更有利于减小热效应，实现了高效率、高功率的中红外激光输出。

(2)基于二极管激光芯片的准连续工作模式，可实现占空比小于或等于15％，脉宽小于或等于1ms情况下的多种时间波形模式的准连续脉冲中红外激光输出，满足各种不同应用条件下对中红外激光器的需求，实现了激光器的最佳输出状态。

附图说明

图1是本实用新型具体实施例中二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器结构示意图；

图2是本实用新型具体实施例中二极管芯片与中红外激光增益介质分布示意图；

图3是本实用新型具体实施实施例中另一种二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器结构示意图。

图中：1谐振腔平面反射镜、2谐振腔凹面输出镜、3二极管侧泵浦激光增益模块、4中红外激光增益介质、5-9二极管泵浦源。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本实用新型创造。本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特性，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

一种二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器，如图1所示，包括用于产生中红外激光的二极管侧泵浦激光增益模块3、用于构成光学谐振腔使中红外激光形成激光振荡输出的谐振腔镜，所述二极管侧泵浦激光增益模块3设置于光学谐振腔中。

进一步的，所述二极管侧泵浦激光增益模块3包括二极管泵浦源5-9和中红外激光增益介质4，所述二极管泵浦源5-9环绕中红外激光增益介质4设置。

优选的，二极管侧泵浦激光增益模块3的外形尺寸设计为85mm(长)×50mm(宽)×95mm(高)，光轴中心高为70mm，实现整个中红外激光器结构的小巧紧凑。

进一步地，所述谐振腔镜包括谐振腔平面反射镜1和谐振腔凹面输出镜2，谐振腔平面反射镜1和谐振腔凹面输出镜2对应设置，谐振腔平面反射镜1面心与谐振腔凹面输出镜2球心位于光轴上，两者之间形成直线谐振腔，所述二极管侧泵浦激光增益模块3设置于直线谐振腔中间位置。谐振腔平面反射镜1和谐振腔凹面输出镜2采用对中红外波段低吸收的氟化钙材料制成，曲率半径可选择为-50mm、-100mm和-200mm等。

进一步地，谐振腔平面反射镜1和谐振腔凹面输出镜2紧贴二极管侧泵浦激光增益模块3设置，以便尽量缩短腔长，减小空间中的水分子对中红外激光的损耗，例如谐振腔平面反射镜1和谐振腔凹面输出镜2之间的间距为100mm。

进一步地，所述谐振腔平面反射镜1镜面镀有2.7～3μm且反射率大于99.5％的高反膜，提供腔内激光振荡的正反馈；谐振腔凹面输出镜2镜面镀有2.7～3μm且反射率大于或等于90％的部分反射膜，提供腔内激光震荡大部分正反馈的同时实现中红外激光的输出。

进一步地，所述中红外激光增益介质4为均匀掺杂铒离子的石榴石晶体或倍半氧化物晶体，铒离子掺杂浓度大于或等于30％，晶体两侧端面均抛光，并且均镀有2.7～3μm透过率大于99.8％的增透膜。依据二极管泵浦源5-9的泵浦结构和强度选取晶体直径和长度参数。优选地，晶体的直径为2mm，长度为90mm。

进一步地，中红外激光增益介质4整体为圆柱结构，直径小于或等于3mm，长度小于或等于100mm。

进一步地，所述二极管泵浦源5-9的输出中心波长为960nm～980nm，二极管泵浦源5-9由若干二极管芯片构成，二极管芯片的封装结构为：中红外激光增益介质4轴向上，二极管芯片分为多组，每组环绕中红外激光增益介质4分布形成一圈，多圈二极管芯片沿中红外激光增益介质4轴向均匀排布，中红外激光增益介质4径向上，每组二极管芯片环绕中红外激光增益介质4形成正多边形分布，每组中各二极管芯片以光轴为对称中心呈中心对称环绕中红外激光增益介质4分布。

优选的，如图2所示，二极管泵浦源5-9由20枚二极管芯片构成，按照五边四圈的方式将二极管芯片封装在二极管侧泵浦激光增益模块3内，沿中红外激光增益介质4光轴方向均匀分布四圈，沿中红外激光增益介质4径向方向均匀分布五边，二极管芯片到中红外激光增益介质4表面的距离设计依据二极管芯片出光的发散角和中红外激光增益介质4直径。

进一步地，所述二极管芯片采用发射波长落在铒离子吸收谱线范围内的半导体激光器，例如输出波长在970±10nm的AlGaAs二极管芯片。二极管芯片的工作模式为准连续模式，占空比小于或者等于15％。

进一步地，封装在二极管侧泵浦激光增益模块3内的二极管泵浦源5-9和中红外激光增益介质4均采用液体冷却方式进行散热，具体的，二极管泵浦源5-9冷却方式为微通道液体冷却方式，中红外激光增益介质4采用直接浸泡在冷却液中的方式，冷却液通过安装在二极管侧泵浦激光增益模块3上的一对快接头实现与外界的循环热交换，冷却液体温度为20～28℃，冷却液体流量为2～4L/min。

本实用新型在准连续直流电源的激励下，按照五边四圈分布的二极管泵浦源5-9产生的975nm泵浦光经冷却液折射后均匀地进入中红外激光增益介质4中并被激活离子吸收，激活离子由于能级跃迁产生波长为2.8μm的中红外激光经谐振腔镜反馈后形成激光振荡，从谐振腔凹面输出镜2输出。通过调整二极管泵浦源5-9的占空比可以获得不同重频和不同脉宽的脉冲激光，重频可以在50Hz～500Hz范围内连续可调，脉宽在50μs～500μs内连续可调，调节重频和脉宽同时调节凹面输出镜的反射率可以实现中红外激光输出功率的最佳输出状态。二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器输出的光光转换效率超过11％，中红外激光最大输出功率超过30W，达到了高效率、高功率、紧凑型的技术指标。

本实用新型可以通过在上述谐振腔镜内再插入一个二极管侧泵浦激光增益模块3，如图3所示，形成另一种二极管侧侧泵浦准连续输出的中红外激光器，新增二极管侧泵浦激光增益模块3有利于提高中红外激光器整体的激光输出功率及光束质量，同时两个二极管侧泵浦激光增益模块3在沿光轴垂直的平面内成90°正交放置，可实现激光在二极管侧泵浦激光增益模块内的热至退偏补偿，进一步提高了光束质量。

综上所述，本实用新型提出的一种二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器，在中红外固体激光领域尚不具备高斯托克斯效率的激光泵浦源情况下，通过改进激光器的泵浦结构，优化泵浦光源在增益介质内的强度分布，将中红外激光增益参数设计与泵浦结构匹配，实现高功率高占空比的准连续中红外激光输出。

以上已将本实用新型做一详细说明，以上所述，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能限定本实用新型实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器，其特征在于，包括用于产生中红外激光的二极管侧泵浦激光增益模块、用于构成光学谐振腔使中红外激光形成激光振荡输出的谐振腔镜，所述二极管侧泵浦激光增益模块设置于光学谐振腔中，所述二极管侧泵浦激光增益模块包括二极管泵浦源和中红外激光增益介质，所述二极管泵浦源环绕中红外激光增益介质设置。

2.根据权利要求1所述的二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器，其特征在于，所述谐振腔镜包括谐振腔平面反射镜和谐振腔凹面输出镜，平面反射镜和谐振腔凹面输出镜对应设置，谐振腔平面反射镜面心与谐振腔凹面输出镜球心位于光轴上，两者之间形成直线谐振腔，所述二极管侧泵浦激光增益模块设置于直线谐振腔中间位置。

3.根据权利要求2所述的二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器，其特征在于，谐振腔平面反射镜和谐振腔凹面输出镜紧贴二极管侧泵浦激光增益模块设置，谐振腔平面反射镜和谐振腔凹面输出镜之间距离小于或等于100mm。

4.根据权利要求2所述的二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器，其特征在于，所述谐振腔平面反射镜镜面镀有2.7～3μm且反射率大于99.5％的高反膜，谐振腔凹面输出镜镜面镀有2.7～3μm且反射率大于或等于90％的部分反射膜。

5.根据权利要求1所述的二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器，其特征在于，所述中红外激光增益介质为均匀掺杂铒离子的石榴石晶体或倍半氧化物晶体，铒离子掺杂浓度大于或等于30％。

6.根据权利要求5所述的二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器，其特征在于，中红外激光增益介质整体为圆柱结构，直径小于或等于3mm，长度小于或等于100mm。

7.根据权利要求1所述的二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器，其特征在于，所述二极管泵浦源由若干二极管芯片构成，二极管芯片的封装结构为：中红外激光增益介质轴向上，二极管芯片分为多组，每组环绕中红外激光增益介质分布形成一圈，多圈二极管芯片沿中红外激光增益介质轴向均匀排布，中红外激光增益介质径向上，每组二极管芯片环绕中红外激光增益介质形成正多边形分布，每组中各二极管芯片以光轴为对称中心呈中心对称环绕中红外激光增益介质分布。

8.根据权利要求7所述的二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器，其特征在于，二极管泵浦源由20枚二极管芯片构成，二极管芯片沿光轴方向分成四圈，每一圈由5枚二极管芯片构成正五边形，分别均匀分布在中红外激光增益介质的轴向与径向上。

9.根据权利要求1所述的二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器，其特征在于，二极管泵浦源的输出中心波长为960nm～980nm。

10.根据权利要求1所述的二极管侧泵浦准连续输出的中红外激光器，其特征在于，所述二极管泵浦源冷却方式为微通道液体冷却方式，所述中红外激光增益介质为液体冷却方式，冷却液体温度为20～28℃，冷却液体流量为2～4L/min。

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