CN101719623A - 光纤耦合双端面泵浦全固态激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器，特别是一种光纤耦合双端面泵浦全固态激光器。它包含第一泵浦源、第二泵浦源、“

”型谐振腔、第一增益介质和第二增益介质，其中，所述的“

”型谐振腔主要由平面全反镜、输出耦合镜和两个二相色镜组成，所述的输出耦合镜和平面全反镜分别设在第一增益介质和第二增益介质的后方，所述的第一个二相色镜和第二个二相色镜分别设在第一泵浦源的泵浦光路上和第二泵浦源的泵浦光路上，并与所在的泵浦光路呈一定夹角，两个二相色镜呈90°夹角。其目的是为了设计一种输出功率大的光纤耦合双端面泵浦全固态激光器。与现有技术相比具有光束质量较好、激光基模动态输出稳定性好、长期工作稳定性较好等优点。

Description

光纤耦合双端面泵浦全固态激光器

技术领域

本发明涉及激光器，特别是一种光纤耦合双端面泵浦全固态激光器。

背景技术

半导体二极管泵浦全固态激光器是用激光二极管代替闪光灯去泵浦固体激光增益介质的激光器。早在60年代，用GaAs二极管波长为880nm的辐射泵浦Nd:CaWO4已得到1064nm的荧光输出。GaAs激光二极管(简称LD)发明后不久，人们已经认识到用LD代替闪光灯作泵浦源有效率高，寿命长和结构紧凑的优点。但LD在功率和可靠性方面均达不到泵浦源的要求，所以研究报告很少。70年代LD的功率没有很大的突破，但半导体二极管泵浦全固态激光器得研究在新的化学增益材料和波导激光等方面得到明显的进展。80年代，由于量子阱的出现，LD的阈值电流减小，连续和准连续的功率有了明显的提高，因而半导体二极管泵浦全固态激光器的工作也上了一个台阶。

自20世纪90年代以来，端面泵浦全固态激光器的发展日新月异，成为国际国内激光技术的研究热点。根据激光二极管及其列阵输出光功率的大小及输出光束的特点，通常有端面泵浦(纵向泵浦)和侧面泵浦(横向泵浦)两种方式。端面泵浦是中小功率LD泵浦固体激光器常用的一种泵浦方式，具有结构紧凑，整体效率高，空间模式好的特点。端面泵浦全固态激光器中，LD输出的空间相干光束，沿着光学谐振腔的轴向泵浦，光束聚焦在增益介质的一个小体积内。谐振腔的参数保证泵浦光和谐振腔模的激发空间能很好地重叠在一起，达到模式匹配。重叠程度直接影响光泵浦的率和输出光束的质量。同时，端面泵浦在入射方向的穿透深度很大，增益介质对泵浦光吸收充分，因而泵浦阈值功率低，斜效率较高。

大多端面泵浦全固态激光器，多采用单端面泵浦方式，由于受晶体中的热效应所产生热应力不能超过激光晶体的断裂应力的限制，增益介质单位面积上存在最大泵浦功率不能很高，因此输出激光功率相对较小，并由此产生的热透镜效应严重的影响了激光器的光束质量，同时长期运行稳定性也会受到很大影响，使得端面泵浦全固态激光器在实际激光应用中受到一定的限制。

发明内容

本发明的目的是设计一种输出功率大的光纤耦合双端面泵浦全固态激光器。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术解决方案：一种光纤耦合双端面泵浦全固态激光器，其特征在于它包含第一泵浦源、第二泵浦源、

型谐振腔、第一增益介质和第二增益介质，其中，所述的型谐振腔主要由平面全反镜、输出耦合镜和两个二相色镜组成，所述的第一增益介质设在所述的第一泵浦源的泵浦光路上，所述的输出耦合镜设在第一增益介质的后方，所述的第一个二相色镜设在第一泵浦源与第一增益介质之间的泵浦光路上，所述的第一个二相色镜与所在的泵浦光路呈一定夹角，使第一个二相色镜将谐振光运行方向改变90°；所述的第二增益介质设在所述的第二泵浦源的泵浦光路上，所述的平面全反镜设在第二增益介质的后方，所述的第二个二相色镜设在第二泵浦源与第二增益介质之间的泵浦光路上，所述的第二个二相色镜与所在的泵浦光路呈一定夹角，使第二个二相色镜将谐振光运行方向改变90°；所述的第一个二相色镜和第二个二相色镜以各自二相色镜所改变的谐振光光路重合在一起为基准进行位置设置，第一个二相色镜与第二个二相色镜呈90°夹角。

在所述的

型谐振腔内还设有调Q器件，调Q器件设在第一在增益介质与输出耦合镜之间，或调Q器件设在第一个二相色镜和第二个二相色镜之间所在的光路上。所述的调Q器件一般为声光调Q器件，如需高频输出时可选用电光调Q器件。

所述的第一个二相色镜与所在的泵浦光路呈45°夹角，所述的第二个二相色镜与所在的泵浦光路呈135°夹角，二相色镜与泵浦光相对的一侧镀制有泵浦光增透介质膜，二相色镜与谐振光相对的一侧镀制有谐振光全反膜和泵浦光增透介质膜。

所述的第一泵浦源包含半导体激光二极管模块、光纤、光学聚焦***，其中，所述的光学聚焦***采用四片式耦合透镜组合而成。

所述的耦合透镜中的各镜片曲率为：第一片镜片的左曲率和右曲率半径分别为+46.1mm和+28.5mm；第二片镜片的左曲率和右曲率半径分别为+762.1mm和+70mm；第三片镜片的左曲率和右曲率半径分别为-69.2mm和-796.2mm；第四片镜片的左曲率和右曲率半径分别为+50.93mm和+54.83mm。

由于采用双面泵浦双晶体结构能够充分利用激活介质的体积，并且能在较大泵浦功率下稳定运行，可以获得较大的输出功率，在不影响激光器稳定的情况下，与单面泵浦激光器相比，泵浦功率可容许增加一倍，随之输出功率也增大到约为单面泵浦的二倍。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为本实施例结构原理示意图。

图2为光学聚焦***结构原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例包含第一泵浦源A、第二泵浦源B、

型谐振腔、第一增益介质5、第二增益介质10和调Q器件7，其中：

所述的第一增益介质5和第二增益介质10的材料、几何形状的各种特征完全相同。增益介质通常为Nd:YVO4，也可以是Nd:GdVO4或Nd:YLF等晶体。

所述的

型谐振腔主要由平面全反镜9、输出耦合镜8和两个二相色镜4、11组成，所述的第一增益介质5设在所述的第一泵浦源A的泵浦光路上，所述的输出耦合镜8设在第一增益介质5的后方，所述的第一个二相色镜4设在第一泵浦源A与第一增益介质5之间的泵浦光路上，所述的第一个二相色镜4与所在的泵浦光路呈一定夹角，使第一个二相色镜4将谐振光运行方向改变90°；所述的第二增益介质10设在所述的第二泵浦源B的泵浦光路上，所述的平面全反镜9设在第二增益介质10的后方，所述的第二个二相色镜11设在第二泵浦源B与第二增益介质10之间的泵浦光路上，所述的第二个二相色镜11与所在的泵浦光路呈一定夹角，使第二个二相色镜将谐11振光运行方向改变90°；所述的第一个二相色镜4和第二个二相色镜11以各自二相色镜所改变的谐振光光路重合在一起为基准进行位置设置，第一个二相色镜4与第二个二相色镜11呈90°夹角。

调Q器件7设在第一个增益介质5与输出耦合镜8之间，或调Q器件7设在第一个二相色镜4和第二个二相色镜11之间所在的光路上，它可以使激光输出以高重复频率脉冲输出。

所述的第一个二相色镜4与所在的泵浦光路呈45°夹角，所述的第二个二相色镜11与所在的泵浦光路呈135°夹角。二相色镜与谐振光相对的一侧镀制有谐振光全反膜和泵浦光增透介质膜，二相色镜与泵浦光相对的一侧镀制有泵浦光增透介质膜。

二相色镜镀制谐振光全反膜，目的是使谐振光在谐振腔内谐振时，既能够进行全反射，改变谐振光运行方向，又让谐振光在此处无能量损耗，使得腔内谐振光运行由直线变为折叠型，使光路中各个光学元件更加紧凑，以减小激光器整体长度。

二相色镜两侧镀制泵浦光增透介质膜，一方面使泵浦光在进入增益介质前，能使泵浦光大部分能量通过二相色镜，减小其泵浦光能量在此处的损耗，最大限度的进入增益介质，另一方面减少谐振光在二相色镜上的能量的损耗。

所述的第一泵浦源A包含半导体激光二极管模块1、光纤2、光学聚焦***3，同样，所述的第二泵浦源B也包含半导体激光二极管模块13、光纤14、光学聚焦***12，其中，所述的半导体激光二极管模块1和13的输出功率、输出波长等参数完全相同，所述的光纤2和14各种参数也完全相同，再如图2所示，所述的光学聚焦***3或12都采用四片式耦合透镜组合而成，所述的耦合透镜中的各镜片曲率为：第一片镜片15的左曲率和右曲率半径分别为+46.1mm和+28.5mm；第二片镜片16的左曲率和右曲率半径分别为+762.1mm和+70mm；第三片镜片17的左曲率和右曲率半径分别为-69.2mm和-796.2mm；第四片镜片18的左曲率和右曲率半径分别为+50.93mm和+54.83mm。

工作时，由二极管激光器模块1和13同时输出功率相等的两束泵浦光光束，两束光经耦合光纤2和14分别进入到两个参数相同的光学聚焦***3和12，光学聚焦***对能量不均匀、光斑发散的泵浦光进行整形，使之达到光斑大小为0.4mm、能量均匀的泵浦光，然后通过二相色镜4和11后进入到增益介质，两块相同的激光增益介质5和10吸收相同的泵浦光能量后分别产生荧光辐射，辐射产生的荧光在全反镜和输出耦合镜组成的激光谐振腔之间的

型光路中来回振荡，谐振振荡光在分别通过两个增益介质时，产生更强烈受激辐射，当型谐振腔内谐振振荡的光子数超过其本身的输出阈值时候，一部分谐振激光通过输出耦合镜，产生波长为1064nm的基模激光光束。随着泵浦光功率的增加，激光晶体吸收更多能量，谐振腔内受激产生的谐振光束的能量也越来越大，由此通过输出耦合镜产生的激光光束功率也随之增加。最终在增益介质注入总功率为60W(单个二极管激光器模块输出30W)时，激光连续输出最大功率为26.3W，相应光光转换效率为43.8％。此种类型的二极管激光器双端面泵浦的双晶体全固态激光器，将会在军事、科研、工业加工等领域具有很好的应用前途。

综上所述，本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、光束质量较好。两增益介质产生的热透镜组成共焦***，有效地避免高功率下单个晶体产生的严重的热透镜效应，增强腔体的热稳定性，提高了激光的输出功率和激光光束质量。

2、激光基模动态输出稳定性好。采用双泵泵浦双增益介质(激光晶体)，在泵浦光功率的逐渐增加，相应晶体的热焦距不断减小的整个过程中，泵浦光和腔模之间都可以维持非常好的模式匹配，也就是增加泵浦功率时，输出激光光束质量的改变很小，从而得到近基模高功率输出的高质量激光光束。

3、长期工作稳定性较好。采用双晶体双泵浦结构，避免高泵浦功率密度情况下可能导致的晶体损伤，减小单个晶体对产生热量的负担，增加散热面积，也为全风冷式整机散热结构设计提供可能。

4、器件排布紧凑。采用两次折叠的

型腔，大大缩小了激光器整体长度，使器件整体排布更为紧凑。

Claims (5)

1.一种光纤耦合双端面泵浦全固态激光器，其特征在于它包含第一泵浦源(A)、第二泵浦源(B)、

型谐振腔、第一增益介质(5)和第二增益介质(10)，其中，所述的

型谐振腔主要由平面全反镜(9)、输出耦合镜(8)和两个二相色镜(4)、(11)组成，所述的第一增益介质(5)设在所述的第一泵浦源(A)的泵浦光路上，所述的输出耦合镜(8)设在第一增益介质(5)的后方，所述的第一个二相色镜(4)设在第一泵浦源(A)与第一增益介质(5)之间的泵浦光路上，所述的第一个二相色镜(4)与所在的泵浦光路呈一定夹角，使第一个二相色镜(4)将谐振光运行方向改变90°；所述的第二增益介质(10)设在所述的第二泵浦源(B)的泵浦光路上，所述的平面全反镜(9)设在第二增益介质(10)的后方，所述的第二个二相色镜(11)设在第二泵浦源(B)与第二增益介质(10)之间的泵浦光路上，所述的第二个二相色镜(11)与所在的泵浦光路呈一定夹角，使第二个二相色镜将谐(11)振光运行方向改变90°；所述的第一个二相色镜(4)和第二个二相色镜(11)以各自二相色镜所改变的谐振光光路重合在一起为基准进行位置设置，第一个二相色镜(4)与第二个二相色镜(11)呈90°夹角。

2.根据权利要求1所述的光纤耦合双端面泵浦全固态激光器，其特征在于在所述的

型谐振腔内还设有调Q器件(7)，调Q器件(7)设在第一在增益介质(5)与输出耦合镜(8)之间，或调Q器件(7)设在第一个二相色镜(4)和第二个二相色镜(11)之间所在的光路上。

3.根据权利要求2所述的光纤耦合双端面泵浦全固态激光器，其特征在于所述的第一个二相色镜(4)与所在的泵浦光路呈45°夹角，所述的第二个二相色镜(11)与所在的泵浦光路呈135°夹角，二相色镜与谐振光相对的一侧镀制有谐振光全反膜和泵浦光增透介质膜，二相色镜与泵浦光相对的一侧镀制有泵浦光增透介质膜。

4.根据权利要求3所述的光纤耦合双端面泵浦全固态激光器，其特征在于所述的第一泵浦源(A)包含半导体激光二极管模块(1)、光纤(2)、光学聚焦***(3)，其中，所述的光学聚焦***(3)采用四片式耦合透镜组合而成。

5.根据权利要求4所述的光纤耦合双端面泵浦全固态激光器，其特征在于所述的耦合透镜中的各镜片曲率为：第一片镜片(15)的左曲率和右曲率半径分别为+46.1mm和+28.5mm；第二片镜片(16)的左曲率和右曲率半径分别为+762.1mm和+70mm；第三片镜片(17)的左曲率和右曲率半径分别为-69.2mm和-796.2mm；第四片镜片(18)的左曲率和右曲率半径分别为+50.93mm和+54.83mm。

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