CN2599843Y

CN2599843Y - 一种全固态固体激光器

Info

Publication number: CN2599843Y
Application number: CN 03235547
Authority: CN
Inventors: 陈泽民; 李玉华; 黄维玲
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2003-02-21
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2004-01-14
Anticipated expiration: 2013-02-21

Abstract

本实用新型公开了一种全固态固体激光器，包括作为泵浦光源的二个半导体激光器、耦合系统、谐振腔和半导体制冷冷却装置，所述谐振腔采用Nd：YV04薄片晶体作为激光增益介质，并包括对称位于Nd：YV04薄片晶体的两端外的全反射镜和平面输出耦合镜，及靠近Nd：YV04薄片晶体的二端面并与之形成夹角的折叠用平面全反射镜；半导体激光器位于Nd：YV04薄片晶体的两侧；并分别置于冷却装置上；半导体激光器发出的泵浦光通过柱面镜聚焦到晶体内。该激光器采用多折腔技术使增益介质的体积得到充分的利用。半导体激光器与增益介质间的耦合采用简单有效的柱面镜耦合方式。冷却采用半导体制冷传导冷却方式，使整个激光器实现了全固态化。

Description

一种全固态固体激光器

技术领域

本实用新型属于激光器器件技术领域，具体涉及一种全固态固体激光器，它采用柱透镜耦合的双端半导体激光器(LD)泵浦全固态固体激光器，其谐振腔采用了多次折叠技术。

背景技术

八十年代中期以来，随着半导体激光器实用化水平的提高，半导体激光器泵浦的固体激光器得到迅猛发展。该类器件不仅使固体激光器真正实现了全固态，而且具有高效率、长寿命、结构紧凑、频率稳定等其他激光器不可比拟的优点。国内外的研究部门和厂商纷纷研制性能各异的全固态激光器，并迅速在激光器市场占有一席之地。特别是半导体激光泵浦的全固态激光器，可以广泛的应用于光谱，相干通信，激光雷达，引力波探测，二次谐波产生，参量振荡及压缩态光场产生等领域。

端面泵浦所用的大功率LD大都为一维阵列激光二极管，它的发光面长从几百纳米到几毫米，宽为1微米，输出功率从几瓦到几十瓦。它的发散角在x，y不对称，一般垂直于结平面方向发散角为30°~40°，平行于结平面方向发散角为10°。对LD光束整形通常采用一准直透镜和一聚焦透镜，因LD发光面和发散角的不对称，使进入增益介质的泵浦光尺寸较大且呈椭圆状，将影响整个激光器的最终转换效率。根据LD发光面和发散角的不对成性，可在准直透镜和聚焦透镜之间加一扩束棱镜对，实现整个整形系统的x，y方向不同的放大倍率，可达到较好的泵浦尺寸，但棱镜对较难调整且损耗较大。

发明内容

本实用新型的目的在于设计了一种全固态固体激光器，该激光器泵浦耦合方式简便、整体转换效率高。

为实现上述实用新型目的，一种全固态固体激光器，包括作为泵浦光源的二个半导体激光器、耦合系统、谐振腔和半导体制冷冷却装置，其特征在于：所述谐振腔采用Nd:YVO4薄片晶体作为激光增益介质，该谐振腔还包括对称位于Nd:YVO4薄片晶体的两端外的全反射镜和平面输出耦合镜，以及靠近Nd:YVO4薄片晶体的二端面并与之形成夹角的折叠用平面全反射镜，全反射镜相互平行；半导体激光器位于Nd:YVO4薄片晶体(5)的两侧；并分别置于冷却装置上；半导体激光器发出的泵浦光通过柱面镜聚焦到晶体内。

本实用新型设计的全固态固体激光器具有以下优点：

1、采用薄片Nd:YVO4晶体，双端泵浦方式，两个LD bar发出的光经过柱透镜直接耦合进入晶体，在晶体内形成两个焦点，提高了泵浦光在晶体内的泵浦功率密度，并与基模模体积相匹配。

2、其谐振腔采用多折腔技术使增益介质的体积得到充分的利用。

3、采用半导体制冷传导冷却方式，使整个装置结构紧凑，操作方便，免去了水冷系统带来的诸多不利因素，适于工业化批量生产及应用。

附图说明

图1为本实用新型半导体耦合系统的结构示意图；

图2为本实用新型激光器结构示意图；其中：

1---平面全反射镜，对1064nm的反射率≥99.7％；

2、2’---折叠用平面1064nm全反射镜；

3、3’---半导体激光器；

4---平面输出耦合镜，1064nm波长透过率为30％；

5---Nd:YVO4薄片晶体；

6、6’---柱面镜；

7、7’---半导体制冷冷却装置。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本实用新型的实施方案。

本实用新型激光器的结构示意图如图2所示，包括作为泵浦光源的二个半导体激光器、耦合系统、谐振腔和半导体制冷冷却装置。谐振腔内放有增益介质5、折叠用全反射镜2、2’、平面输出耦合镜4和平面全反射镜1。

谐振腔中的增益介质采用a轴切割的掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)晶体，在1.064um波长处的有效发射截面为15.6×10^-19cm²，是Nd:YAG晶体的4倍左右。与相同掺Nd浓度的Nd:YAG晶体相比，Nd:YVO4在808nm波段的吸收系数要高近5倍，吸收带宽也较宽，YVO4掺杂浓度可以从0.1％到3％，而YAG最高只能到1.5％。因此Nd:YVO4晶体较Nd:YAG晶体具有低的泵浦阈值，高的转换效率。实例中Nd:YVO4晶体的掺杂浓度为0.6~1％，横截面为2×8mm，a轴通光，通光方向长度为14mm，侧面镀808nm增透膜，晶体的前表面镀1064nm减反膜，晶体对平行于c轴的偏振泵浦光的吸收系数为21.0cm^-1，对平行于a轴的偏振泵浦光吸收系数为10.4cm^-1，因此选用平行于c轴的偏振泵浦。

折叠用反射镜2、2’对1064nm的反射率≥99.7％，相互平行放置并与Nd:YVO4薄片晶体5端面形成一定的夹角，夹角大小主要根据晶体尺寸来调整，其位置应调整到尽可能地靠近主光轴。全反射镜1和平面输出耦合镜4对称位于Nd:YAG薄片晶体的两端外，全反射镜1可采用与平面全反射镜2、2’相同的全反射镜；平面输出耦合镜4，输出透过率经过最优化选择为对1064nm的透过率为30％。全反射镜1、平面输出耦合镜4和平面全反射镜2、2’放置的位置应使之形成Z字形的多折形谐振腔。

上述谐振腔为平-平腔方式，这种腔型设计上使得激光腔内基模模式与泵浦光模式匹配。光线可以往返多次通过晶体，充分利用了介质。当泵浦光激励激光增益介质时，一部分产生了所希望的粒子数反转，余下部分由于无辐射跃迁，基质的直接吸收及对粒子数反转无贡献的激活粒子跃迁以热的形式耗散在工作物质当中，使工作物质产生温升、热聚焦及双折射等物理效应，这些效应可近似等效为一光焦度为正的热透镜，这严重影响了激光器的性能。为了补偿热透镜可在棒端磨成有一定曲率凹面以消除热透镜影响，然而这种方法只有在整个运转中热焦距保持不变的情况下，基模才能得到改善，但热焦距稍有偏离，光束特性就立刻破坏。在腔型设计时，采用热不灵敏腔，保证在一定腔型时，光束发散角和模体积对于激光增益介质的平均热焦距的变化是不灵敏的，热不灵敏条件为|A+D|＝0，A和D是谐振腔光线传输矩阵的元素。所以，在激光器腔型设计时，可适当选取参数，以改善激光器由于泵浦而带来的热效应。

本实用新型的光源采用功率为15～80瓦、中心波长为808nm的半导体激光器3、3’，其发光面为10mm×1um，远场发散角40°。半导体激光器3、3’位于Nd:YVO4薄片晶体的两侧，通过柱面镜整形聚焦进入薄片晶体，两个半导体激光器的泵浦光在晶体内交叠，在晶体内部形成两个焦点。通过调整使其焦点位置与谐振腔的主光轴重合，尽可能地与基模光束相匹配。

本实用新型的耦合系统采用简单的二个柱面镜6、6’直接整形，它们分别位于半导体激光器与薄片晶体之间，使泵浦光从薄片两侧进入晶体。柱面透镜的尺寸和定位设计使得泵浦光可以被聚焦进晶体设定的位置。对于数十瓦的半导体激光器，其发射面为10mm×1um，柱面透镜沿其长方向放置，将半导体激光器输出的激光聚焦进入晶体内部。

Claims

1、一种全固态固体激光器，包括作为泵浦光源的二个半导体激光器、耦合系统、谐振腔和半导体制冷冷却装置，其特征在于：

所述谐振腔采用Nd:YVO4薄片晶体(5)作为激光增益介质，该谐振腔包括对称位于Nd:YVO4薄片晶体(5)的两端外的全反射镜(1)和平面输出耦合镜(4)，以及靠近Nd:YVO4薄片晶体(5)的二端面并与之形成夹角的折叠用平面全反射镜(2，2’)，全反射镜(2，2’)相互平行；

半导体激光器(3、3’)位于Nd:YVO4薄片晶体(5)的两侧；并分别置于冷却装置(7，7’)上；半导体激光器(3、3’)发出的泵浦光通过柱面镜(6、6’)聚焦到晶体(5)内。

2、权利要求1中所述的全固态固体激光器，其特征在于：所述耦合系统包括二个位于薄片晶片(5)与半导体激光器(3、3’)之间的柱面镜(6、6’)；通过柱面镜(6、6’)将半导体激光器发出的泵浦光聚焦到晶体(5)内部指定的位置。

3、权利要求1中所述的全固态固体激光器，其特征在于：所述多折形谐振腔，全反射镜(2，2’)在同一块晶体(5)内部形成的多次折叠的Z字形光束。