CN216529827U - 单频可调谐1342nm连续光的直腔放大器及多级直腔放大系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单频可调谐1342nm连续光的直腔放大器及多级直腔放大系统，所述直腔放大器包括整形透镜组以及同光轴设置的一个单透镜、两个泵浦耦合装置、两个透反镜和两个放大增益介质，其中：两个放大增益介质分别位于所述单透镜的两侧，每一个透反镜位于一个泵浦耦合装置和一个放大增益介质之间，两个泵浦耦合装置的出光方向相对，第一透反镜将整形透镜组发出的光折射至第一放大增益介质内，第二放大增益介质发出的光通过第二透反镜反射出去。多级直腔放大系统包括两组以上的放大器，获得具有单纵模、窄线宽、频率可调谐、高能量、高质量的光束，使激光功率从百毫瓦提高到百瓦级水平。

Description

单频可调谐1342nm连续光的直腔放大器及多级直腔放大系统

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，特别是涉及一种单频可调谐1342nm连续光的直腔放大装置、放大系统及其放大方法。

背景技术

1.3μm波段的激光在光纤通讯、视频显示、激光彩色全息、激光美容及医疗、科学研究等领域有着广泛的应用前景。高功率和高光束质量的1342nm激光可应用于非线性变频，如二倍频可获得高功率的671nm红光。1342nm的四倍频336nm光可广泛用于光生物学、光医学和光成像等。

目前市场上，出射连续可调谐1342nm单频激光的固体激光器都有着能量较低的缺点，为了获得较高功率的单频连续可调谐激光器，需要对可调谐1342nm单频连续光进行放大，使得激光器输出的激光满足单频、窄线宽、高频率稳定度和高能量等特点。传统的泵浦光从正反两个方向纵向泵浦到同一个增益介质的放大器结构，存在热效应高，激光准直难度大，激光放大效率低的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术中激光器存在的技术缺陷，而提供一种单级的单频可调谐1342nm连续光的直腔放大器。

本实用新型的另一个目的提供一种多级直腔放大系统。

为实现本实用新型的目的所采用的技术方案是：

单频可调谐1342nm连续光的直腔放大器，包括对种子光进行整形的整形透镜组以及同光轴设置的一个单透镜、两个泵浦耦合装置、两个透反镜和两个放大增益介质，其中：

两个放大增益介质分别位于所述单透镜的两侧，每一个透反镜位于一个泵浦耦合装置和一个放大增益介质之间，两个泵浦耦合装置的出光方向相对，第一透反镜将整形透镜组发出的光折射至第一放大增益介质内，第二放大增益介质发出的光通过第二透反镜反射出去。

在上述技术方案中，所述整形透镜组包括隔离器和位于所述隔离器两侧的第一透镜和第二透镜。

在上述技术方案中，所述第一透镜为整形透镜，所述第二透镜为聚焦透镜。

在上述技术方案中，所述第一透反镜和第二透反镜与所述光轴之间的夹角均为45°，所述第一透反镜和第二透反镜平行设置，所述第一透反镜和第二透反镜对种子光为45度全反，对泵浦光45度全透。

在上述技术方案中，所述放大增益介质为YVO4-Nd:YVO4键和晶体。

在上述技术方案中，所述放大增益介质由紫铜包裹，由TEC制冷片控温。

在上述技术方案中，所述泵浦耦合装置内部为透镜组，优选的，种子光光斑与所述泵浦耦合装置的聚焦光斑的直径比为0.8。

本实用新型的另一方面，所述的直腔放大器的放大方法，包括以下步骤：

1342nm种子光经过光整形透镜组的整形后，经第一透反镜的反射注入到第一放大增益介质内，第一泵浦耦合装置将光纤出射的880nm泵浦激光整形会聚，经过第一透反镜后，聚焦到第一放大增益介质内，种子激光传播方向与泵浦激光同方向，经泵浦被放大的激光从第一放大增益介质经过单透镜再次聚焦进行第二放大增益介质内，此时第二泵浦耦合装置将泵浦光整形聚焦注入到第二放大增益介质内，激光传播方向与泵浦光逆向，经泵浦后再次放大，放大后的激光经第二透反镜反射出去。

本实用新型的另一方面，一种多级直腔放大系统，包括N级所述的直腔放大器，前一个的所述直腔放大器的第二透反镜反射出的光照射至后一个相邻的所述直腔放大器的光整形透镜组内，N为大于等于2的自然数。

在上述技术方案中，N＝4或5。

在上述技术方案中，多级所述直腔放大器结构相同参数不同，随着种子光激光功率增大，泵浦光的功率增大，泵浦光经泵浦耦合装置聚焦后的光斑增大，激光晶体(YVO4-Nd:YVO4 键和晶体)的掺杂浓度降低，激光晶体的长度增加；

在上述技术方案中，当N＝5时，第一级、第二级、第三级、第四级和第五级直腔放大器的泵浦耦合装置的倍率分别为1：1.5、1：2、1：2、1：3和1：4

本实用新型的另一方面，所述的多级直腔放大系统的放大方法，包括以下步骤：

步骤1，在第一级直腔放大器中，1342nm种子光经过光整形透镜组的整形后，经第一透反镜的反射注入到第一放大增益介质内，第一泵浦耦合装置将光纤出射的880nm泵浦激光整形会聚，经过第一透反镜后，聚焦到第一放大增益介质内，种子激光传播方向与泵浦激光同方向，经泵浦被放大的激光从第一放大增益介质经过单透镜再次聚焦进行第二放大增益介质内，此时第二泵浦耦合装置将泵浦光整形聚焦注入到第二放大增益介质内，激光传播方向与泵浦光逆向，经泵浦后再次放大，放大后的激光经第二透反镜反射出去；

步骤2，第一级直腔放大器的第二透反镜反射出去的光进入下一级直腔放大器的光整形透镜组；

步骤3，重复步骤1-2进行逐级放大，直至最后一级直腔放大器的第二透反镜反射将激光反射出。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型的直腔放大器，对低能量的单频连续可调谐1342nm种子光进行双端正逆两个方向进行直腔放大，放大增益介质一分为两个，这样可以大大降低晶体的热效应，降低激光准直难度，使激光放大效率增大。

2.本实用新型的直腔放大器可将低功率的种子光进行放大，使得能量提高，并且可以保持种子光的优质特性。

3.多级直腔放大系统可以解决激光能量低的缺点，同时又保留了种子源的光谱特性，并且可获得高光束质量的激光。它包括两组以上的放大器，获得具有单纵模、窄线宽、频率可调谐、高能量、高质量的光束，使激光功率从百毫瓦提高到百瓦级水平。

附图说明

图1是实施例1直腔放大器的结构示意图。

图2是实施例3多级直腔放大系统的结构示意图。

图中：1-隔离器，2-第一透镜，3-第二透镜，4-第一泵浦耦合装置，5-第一透反镜，6-第一放大增益介质，7-第二放大增益介质，8-第二透反镜，9-第二泵浦耦合装置，10-单透镜， 11-第一级直腔放大器，12-第二级直腔放大器，13-第三级直腔放大器，14-第四级直腔放大器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

一种单频可调谐1342nm连续光的直腔放大器，包括整形透镜组以及同光轴设置的一个单透镜、两个泵浦耦合装置、两个透反镜和两个放大增益介质，其中：

两个放大增益介质分别位于所述单透镜10的两侧，每一个透反镜位于一个泵浦耦合装置和一个放大增益介质之间，第一透反镜5将整形透镜组发出的光折射至第一放大增益介质内，第二放大增益介质发出的光通过第二透反镜8反射出去。

直腔放大器的工作原理是将低功率的1342nm种子光进行直腔放大，1342nm种子光为单频连续光，虽然光功率较低，约百毫瓦级，但具有单纵模、窄线宽(线宽小于500KHZ)、频率可调谐、光束质量高(M2<1.2)的特点，种子光经过光整形透镜组的整形后，经第一透反镜5反射后注入到第一放大增益介质6内。第一泵浦耦合装置4将光纤出射的880nm泵浦激光整形会聚，经过第一透反镜5后，与1342nm种子光同向注入到聚焦到第一放大增益介质6 内，使得1342nm激光进行增益放大，种子激光传播方向与泵浦激光同方向，经泵浦被放大的激光从第一放大增益介质6内，经单透镜10再次聚焦进入第二放大增益介质7内，单透镜 10具有对光进行整形作用，匹配逆向泵浦与种子光的大小，此时第二泵浦耦合装置9将880nm 泵浦光整形聚焦注入到第二放大增益介质7内，对1342nm种子光进行再次放大，激光传播方向与泵浦光逆向，经泵浦后再次放大，放大后的激光经第二透反镜8反射出去。此时放大器完成了第一级的双端直腔放大。

实施例2

整形透镜组包括隔离器1和位于所述隔离器1两侧的第一透镜2和第二透镜3，隔离器1 的作用是隔离了沿原路返回的种子光，避免干扰种子光，保证种子光的稳定性。第一透镜2 对种子光进行整形，使发散的种子光尽量平行传输，第二经透镜3为聚焦透镜，它主要把整形后的种子光聚焦到合适的光斑大小注入到增益介质内，使得种子光满足高效放大的要求，聚焦光斑大小由透镜组参数决定。

在直腔放大器中，整形透镜组组需要把光斑直径整形到320um，而第一泵浦耦合装置4 和第二泵浦耦合装置9需要将泵浦光整形到300um，使种子光和泵浦光的光斑直径大小比例约为0.8，满足模式匹配要求。

第一透反镜5和第二透反镜8对种子光为45度全反，对880nm泵浦光45度全透，对于种子光和泵浦光纵向模式匹配的调节起到关键作用；泵浦耦合装置内部为透镜组，有不同比例对光纤出射的880nm泵浦光进行整形聚焦。

泵浦光采用光纤耦合激光二极管激光器，输出中心波长为880nm，光纤直径为200um，数值孔径N.A.为0.22，它的倍率为1:1.5、1:2、1:3和1：1.4等，可根据放大要求不同来选择不同倍率，匹配种子光斑大小。光纤输出的抽运光经第一泵浦耦合装置4和第一泵浦耦合装置4后，分别从正反两个方向纵向聚焦注入到第一放大增益介质6和第二放大增益介质7 内，使得种子光高效率放大。泵浦激光器出射的激光后经光纤传输，光纤连接到泵浦耦合装置上，泵浦耦合装置内是透镜组，来整形汇聚泵浦光的，泵浦光光斑大小指的是泵浦光经耦合装置聚焦后的光斑大小，焦点在晶体内。

第一放大增益介质6和第二放大增益介质7均为YVO4-Nd:YVO4键和晶体，键合晶体可有效改善因Nd:YVO4晶体的热导率低造成的热效应问题，避免了端面膜层因高温和热应力而遭到破坏，提高了抗光伤阐值。晶体内有种子光和泵浦光聚焦在内部，整体热量较大，它由紫铜包裹，传导性好，有利于散热，水冷带走整个热量，TEC制冷片进行精确控温。TEC控温模式更加灵活和精确，且方便调节。

实施例3

一种多级直腔放大系统，包括两个及以上的如实施例1或实施例2所述的直腔放大器，多级直腔放大器结构相同，但参数会随激光功率的变化有所不同，当1342nm激光功率增大时，泵浦光的功率和光斑大小将会增加，激光晶体的掺杂浓度会依次降低，晶体长度也将增加。

前一个的所述直腔放大器的第二透反镜8反射出的光照射至后一个相邻的所述直腔放大器的光整形透镜组内。

如图2所示，通过第一级直腔放大器11放大的激光，再次进入第二级直腔放大器12进行放大，再次通过第三级直腔放大器13、第四级直腔放大器14逐级放大，形成了一个多级放大系统。因为每放大一级，1342nm激光能量都要改变，注入到激光晶体内的光能量密度也有所改变，因此，1342nm激光的光斑大小和泵浦光斑大小也要改变，具体参数见表1。

以五级连接的直腔放大器为例，表1中晶体(YVO4-Nd:YVO4键和晶体)掺杂浓度随着 1342nm激光功率的增加而减小，泵浦光斑大小(泵浦光经耦合装置聚焦后的光斑大小，光斑位于晶体内)和光功率随着1342nm激光功率的增加而增大。其中泵浦光斑大小改变由不同倍率的泵浦耦合装置决定，第一级直腔放大器的倍率为1：1.5，第二级和第三级直腔放大器的倍率为1：2，第四级直腔放大器的倍率为1：3，第五级直腔放大器的倍率为1：4。

表1.多级直腔放大系统的主要设计参数

在第一级直腔放大器11中，进到第一放大增益介质6中的种子光为1W，出了第一放大增益介质6后，功率放大到了1.5W，也就是进入第二放大增益介质7时，种子光是1.5W，1W用20W泵浦光，可达到饱和，1.5W因为功率大不容易饱和，所以可选用30W泵浦光，随着直腔放大器级数的增加，种子光的功率逐渐增大，在后续级别的直腔放大器中前后可采用相同功率的泵浦光。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (11)

1.单频可调谐1342nm连续光的直腔放大器，其特征在于，包括对种子光进行整形的整形透镜组以及同光轴设置的一个单透镜、两个泵浦耦合装置、两个透反镜和两个放大增益介质，其中：

两个放大增益介质分别位于所述单透镜的两侧，每一个透反镜位于一个泵浦耦合装置和一个放大增益介质之间，两个泵浦耦合装置的出光方向相对，第一透反镜将整形透镜组发出的光折射至第一放大增益介质内，第二放大增益介质发出的光通过第二透反镜反射出去。

2.如权利要求1所述的直腔放大器，其特征在于，所述整形透镜组包括隔离器和位于所述隔离器两侧的第一透镜和第二透镜。

3.如权利要求2所述的直腔放大器，其特征在于，所述第一透镜为整形透镜，所述第二透镜为聚焦透镜。

4.如权利要求1所述的直腔放大器，其特征在于，所述第一透反镜和第二透反镜与所述光轴之间的夹角均为45°，所述第一透反镜和第二透反镜平行设置，所述第一透反镜和第二透反镜对种子光为45度全反，对泵浦光45度全透。

5.如权利要求1所述的直腔放大器，其特征在于，所述放大增益介质为YVO4-Nd:YVO4键和晶体。

6.如权利要求1所述的直腔放大器，其特征在于，所述放大增益介质由紫铜包裹，由TEC制冷片控温。

7.如权利要求1所述的直腔放大器，其特征在于，所述泵浦耦合装置内部为透镜组，种子光光斑与所述泵浦耦合装置的聚焦光斑的直径比为0.8。

8.一种多级直腔放大系统，其特征在于，包括N级如权利要求1-7中任一项所述的直腔放大器，前一个的所述直腔放大器的第二透反镜反射出的光照射至后一个相邻的所述直腔放大器的光整形透镜组内，N为大于等于2的自然数。

9.如权利要求8所述的多级直腔放大系统，其特征在于，N＝4或5。

10.如权利要求8所述的多级直腔放大系统，其特征在于，多级所述直腔放大器结构相同参数不同，随着种子光激光功率增大，泵浦光的功率增大，泵浦光经泵浦耦合装置聚焦后的光斑增大，激光晶体(YVO4-Nd:YVO4键和晶体)的掺杂浓度降低，激光晶体的长度增加。

11.如权利要求10所述的多级直腔放大系统，其特征在于，当N＝5时，第一级、第二级、第三级、第四级和第五级直腔放大器的泵浦耦合装置的倍率分别为1：1.5、1：2、1：2、1：3和1：4。

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