CN102244349B - 一种双波长端面泵浦的掺钕的钒酸钇晶体全固态激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波长端面泵浦的掺钕的钒酸钇晶体全固态激光器，涉及全固态激光技术领域，第一二极管激光器发出的第一泵浦光经第一激光传能光纤和第一耦合透镜组传输到合束平面镜；第二二极管激光器发出的第二泵浦光经第二激光传能光纤和第二耦合透镜组传输到合束平面镜；第一泵浦光和第二泵浦光在合束平面镜处合束，获取合束后泵浦光；经谐振腔反射镜聚焦于激光增益介质晶体内部；激光增益介质晶体吸收合束后的泵浦光，当激光增益介质晶体吸收的合束后的泵浦光达到阈值时，激光增益介质晶体产生受激辐射并在谐振腔内形成激光振荡，获取1064nm激光并通过激光输出镜输出；很好平衡输出功率和热效应，使固态激光器输出及运转达到最佳效果。

Description

一种双波长端面泵浦的掺钕的钒酸钇晶体全固态激光器

技术领域

本发明涉及全固态激光技术领域，特别涉及一种双波长端面泵浦的掺钕的钒酸钇晶体全固态激光器。

背景技术

对于LD(激光二极管)泵浦的固体激光器，使用传统的808nm泵浦方式会在振荡光形成过程中产生大量的热量。这些热量在激光增益介质中形成的一系列热效应(包括热透镜、热退偏和热致双折射等)会明显地改变固体激光器输出特性，例如：严重影响激光光束质量及强烈地干扰激光输出而降低激光器的平均输出功率。不仅如此，过多的热沉积还会降低激光器谐振腔的稳定性，严重时甚至使固体激光器得不到稳定运转。可以看出，严重的热效应成为影响全固态激光器大功率、高效率以及高光束质量运转的主要瓶颈。

从根本上讲，固体激光器的热效应来源于以下两个基本物理过程而非技术局限：(1)泵浦光与振荡光之间的光子能量差形成的斯托克斯转换即量子缺陷；(2)激光泵浦能级与激光上能级之间的耦合转换即量子效率损耗。传统808nm泵浦方式是先将增益介质激活离子从基态泵浦到比上能级更高的能级，然后再弛豫到激光上能级后经受激辐射而发光。这种泵浦方式曾因激光增益介质对泵浦光具有较大的吸收系数而受到人们的欢迎，但由于上述弛豫过程在激光增益介质内部所造成的不可避免的大量热量的产生，导致大功率运转下固体激光器稳定性差，效率低下等问题。上世纪六七十年代，人们为了解决传统泵浦方式所带来的固体激光器过热问题而提出了直接泵浦方式(direct pumping)，即采用一定波长的泵浦光将激活离子从基态能级直接泵浦到激光上能级再经受激辐射而发光。此泵浦方式因为减少了弛豫过程而相应地减少了热量的产生。随后，共振泵浦方式(将基态的高斯塔克能级的粒子直接泵浦至激光上能级)的出现进一步缓解了固体激光器的热效应问题。近年来，共振泵浦方式因量子效率更高，产生热沉积更少而受到了广泛关注并得到了快速地发展。但由于激光增益介质通常对共振泵浦所用的长波长泵浦光吸收较差，导致了固体激光器不能对泵浦光进行充分利用而降低了固体激光器整体的光光转换效率。目前，为了提高共振泵浦下固体激光器的整体光光转换效率，主要通过提高掺杂浓度和增加晶体长度来提高晶体对泵浦光的吸收效率。但提高晶体掺杂浓度容易导致浓度猝灭，而增加晶体长度会增加腔内损耗。而且无论提高掺杂浓度还是增加长度从晶体制备上来说难度比制作普通晶体大。

发明内容

为了利用普通掺杂浓度和长度的晶体实现固体激光器运转及输出的最优化，简化设计，本发明提供了一种双波长端面泵浦的掺钕的钒酸钇晶体全固态激光器，详见下文描述：

一种双波长端面泵浦的掺钕的钒酸钇晶体全固态激光器，所述全固态激光器包括：顺次布置的第一二极管激光器、第二二极管激光器、第一激光传能光纤、第二激光传能光纤、第一耦合透镜组、第二耦合透镜组、合束平面镜、谐振腔反射镜、激光增益介质晶体和激光输出镜，

所述第一二极管激光器发出的第一泵浦光经所述第一激光传能光纤和所述第一耦合透镜组传输到所述合束平面镜；所述第二二极管激光器发出的第二泵浦光经所述第二激光传能光纤和所述第二耦合透镜组传输到所述合束平面镜；所述第一泵浦光和所述第二泵浦光在所述合束平面镜处合束，获取合束后的泵浦光；所述合束后的泵浦光经所述谐振腔反射镜聚焦于所述激光增益介质晶体的内部；所述激光增益介质晶体吸收所述合束后的泵浦光，当所述激光增益介质晶体吸收的所述合束后的泵浦光达到阈值时，所述激光增益介质晶体产生受激辐射并在谐振腔内形成激光振荡，获取1064nm激光并通过所述激光输出镜输出；

其中，所述激光增益介质晶体为掺钕的钒酸钇晶体，所述第一泵浦光的中心波长为808nm，所述第二泵浦光的中心波长为914nm；所述合束平面镜的左端面镀914nm高透过率光学介质膜；右端面镀914nm高透过率，808nm高反射率光学介质膜；所述谐振腔反射镜为平凹镜或平平镜；所述谐振腔反射镜的左端面镀808nm、914nm高透过率光学介质膜；右端面镀808nm、914nm高透过率，1064nm高反射率光学介质膜；所述激光输出镜为凹平镜或平平镜；所述激光输出镜的凹面镀制有1064nm振荡光波段的部分透过率的光学介质膜。

根据输出功率-热沉积功率曲线，所述第一泵浦光和所述第二泵浦光的相对比例的最佳配比具体为：

当限制的热量小于等于第一给定值时，所述第一给定值对应的所述第一泵浦光和所述第二泵浦光的相对比例为最佳配比；或，

当限制的输出功率大于等于第二给定值时，所述第二给定值对应的所述第一泵浦光和所述第二泵浦光的相对比例为最佳配比。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种双波长端面泵浦的掺钕的钒酸钇晶体全固态激光器，本发明打破了传统的单一波长泵浦的概念，提出了从激光增益介质能级角度考虑的改善激光器输出性能的全新概念，和以往各种泵浦方式相比，双波长泵浦成为更为理想的泵浦方式并有可能在未来得到广泛应用；其次，本发明通过调整第一泵浦光和第二泵浦光的相对比例，可以很好地平衡输出功率和热效应，使固态激光器输出及运转达到最佳效果，有利于全固态、高功率、高光束质量和结构紧凑型激光器的发展与应用；本发明利用808nm与914nm两种波长泵浦光同时泵浦激光晶体，在充分利用808nm泵浦的高光光转换效率和914nm泵浦的低产热特点下利用普通掺杂浓度和长度的晶体即可以获得激光输出的最优化效果，不仅克服了传统泵浦长久以来的严重的热效应问题，同时也解决了共振泵浦低光光转换效率的问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种双波长端面泵浦的掺钕的钒酸钇晶体全固态激光器的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：第一二极管激光器；2：第二二极管激光器；

3：第一激光传能光纤；4：第二激光传能光纤；

5：第一耦合透镜组；  6：第二耦合透镜组；

7：合束平面镜；      8：谐振腔反射镜；

9：激光增益介质晶体；10：激光输出镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了利用普通掺杂浓度和长度的晶体实现固体激光器运转及输出的最优化，简化设计，本发明实施例提供了一种双波长端面泵浦的掺钕的钒酸钇晶体全固态激光器，参见图1，详见下文描述：

一种双波长端面泵浦的掺钕的钒酸钇晶体全固态激光器，该全固态激光器包括：顺次布置的第一二极管激光器1、第二二极管激光器2、第一激光传能光纤3、第二激光传能光纤4、第一耦合透镜组5、第二耦合透镜组6、合束平面镜7、谐振腔反射镜8、激光增益介质晶体9和激光输出镜10，

第一二极管激光器1发出的第一泵浦光经第一激光传能光纤3和第一耦合透镜组5传输到合束平面镜7；第二二极管激光器2发出的第二泵浦光经第二激光传能光纤4和第二耦合透镜组6传输到合束平面镜7；第一泵浦光和第二泵浦光在合束平面镜7处合束，获取合束后的泵浦光；合束后的泵浦光经谐振腔反射镜8聚焦于激光增益介质晶体9的内部；激光增益介质晶体9吸收合束后的泵浦光，当激光增益介质晶体9吸收的合束后的泵浦光达到阈值时，激光增益介质晶体9产生受激辐射并在谐振腔内形成激光振荡，获取1064nm激光并通过激光输出镜10输出；

其中，激光增益介质晶体9为Nd:YVO₄(掺钕的钒酸钇晶体)，第一泵浦光的中心波长为808nm，第二泵浦光的中心波长为914nm；合束平面镜7的左端面镀914nm高透过率光学介质膜；右端面镀914nm高透过率，808nm高反射率光学介质膜；谐振腔反射镜8为平凹镜或平平镜；谐振腔反射镜8的左端面镀808nm、914nm高透过率光学介质膜；右端面镀808nm、914nm高透过率，1064nm高反射率光学介质膜；激光输出镜10为凹平镜或平平镜；激光输出镜10的凹面镀制有1064nm振荡光波段的部分透过率的光学介质膜。

其中，透过率的比例根据实际应用中的计算确定，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

其中，第一泵浦光和第二泵浦光相对比例的选取可由全固态激光器的输出功率-热沉积功率曲线确定。在给定的总输入功率下，第一泵浦光和第二泵浦光相对比例对应于特定的输出功率与热沉积功率。当第一泵浦光和第二泵浦光相对比例连续变化时，根据形成的连续曲线确定第一泵浦光和第二泵浦光相对比例的最佳配比具体为：

当限制的热量小于等于第一给定值时，第一给定值对应的第一泵浦光和第二泵浦光的相对比例为最佳配比；或，

当限制的输出功率大于等于第二给定值时，第二给定值对应的第一泵浦光和第二泵浦光的相对比例为最佳配比。

其中，阈值、第一给定值和第二给定值的取值根据实际应用中的需要进行设定，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

其中，具体实现时，第一二极管激光器1和第二二极管激光器2采用连续方式工作或脉冲方式工作。

其中，激光增益介质晶体9的光轴(C轴)方向竖直向上放置或水平放置。

下面以一个简单的试验来验证本发明实施例提供的一种双波长端面泵浦的掺钕的钒酸钇晶体全固态激光器的可行性，本发明实施例中以激光增益介质晶体9的掺杂浓度为0.5％，规格为3×3×10mm³，第一耦合透镜组5、第二耦合透镜组6的焦距为25mm，第一激光传能光纤3、第二激光传能光纤4的线芯直径为400μm，数值孔径0.22为例进行说明，详见下文描述：

第一泵浦光的中心波长为808nm，第二泵浦光的中心波长为914nm，采用连续或脉冲方式工作。第一泵浦光经第一激光传能光纤3和第一耦合透镜组5传输到合束平面镜7，第二二极管激光器2发出的第二泵浦光经第二激光传能光纤4和第二耦合透镜组6传输到合束平面镜7，合束后的泵浦光经过谐振腔反射镜8聚焦于激光增益介质晶体9内，聚焦后的光斑半径为200μm；激光增益介质晶体9吸收泵浦光后产生粒子数反转，由于谐振腔反射镜8和激光输出镜10的镀膜设计，将使1064nm激光在腔内形成振荡并不断被放大，最后由激光输出镜10输出1064nm激光。通过上述试验验证了本发明实施例提供的全固态激光器的可行性，满足了实际应用中的需要。

综上所述，本发明实施例提供了一种双波长端面泵浦的掺钕的钒酸钇晶体全固态激光器，本发明实施例打破了传统的单一波长泵浦的概念，提出了从激光增益介质能级角度考虑，改善激光器输出性能的全新概念，和以往各种泵浦方式相比，双波长泵浦成为更为理想的泵浦方式并有可能在未来得到广泛应用；其次，本发明实施例通过调整第一泵浦光和第二泵浦光的相对比例，可以很好地平衡输出功率和热效应，使固态激光器输出及运转达到最佳效果，有利于全固态、高功率、高光束质量、结构紧凑型激光器的发展与应用；本发明实施例利用808nm与914nm两种波长泵浦光同时泵浦激光晶体，在充分利用808nm泵浦的高光光转换效率和914nm泵浦的低产热特点下利用普通掺杂浓度和长度的晶体即可以获得激光输出的最优化效果，不仅克服了传统泵浦长久以来的严重的热效应问题，同时也解决了共振泵浦低光光转换效率的问题。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双波长端面泵浦的掺钕的钒酸钇晶体全固态激光器，其特征在于，所述全固态激光器包括：第一二极管激光器、第二二极管激光器、第一激光传能光纤、第二激光传能光纤、第一耦合透镜组、第二耦合透镜组、合束平面镜、谐振腔反射镜、激光增益介质晶体和激光输出镜，

所述第一二极管激光器发出的第一泵浦光经所述第一激光传能光纤和所述第一耦合透镜组传输到所述合束平面镜；所述第二二极管激光器发出的第二泵浦光经所述第二激光传能光纤和所述第二耦合透镜组传输到所述合束平面镜；所述第一泵浦光和所述第二泵浦光在所述合束平面镜处合束，获取合束后的泵浦光；所述合束后的泵浦光经所述谐振腔反射镜聚焦于所述激光增益介质晶体的内部；所述激光增益介质晶体吸收所述合束后的泵浦光，当所述激光增益介质晶体吸收的所述合束后的泵浦光达到阈值时，所述激光增益介质晶体产生受激辐射并在谐振腔内形成激光振荡，获取1064nm激光并通过所述激光输出镜输出；

其中，所述激光增益介质晶体为掺钕的钒酸钇晶体，所述第一泵浦光的中心波长为808nm，所述第二泵浦光的中心波长为914nm；所述合束平面镜的左端面镀914nm高透过率光学介质膜；右端面镀914nm高透过率，808nm高反射率光学介质膜；所述谐振腔反射镜为平凹镜或平平镜；所述谐振腔反射镜的左端面镀808nm、914nm高透过率光学介质膜；右端面镀808nm、914nm高透过率，1064nm高反射率光学介质膜；所述激光输出镜为凹平镜；所述激光输出镜的凹面镀制有1064nm振荡光波段的部分透过率的光学介质膜。

2.根据权利要求1所述的一种双波长端面泵浦的掺钕的钒酸钇晶体全固态激光器，其特征在于，根据输出功率-热沉积功率曲线，所述第一泵浦光和所述第二泵浦光的相对比例的最佳配比具体为：

当限制的热量小于等于第一给定值时，所述第一给定值对应的所述第一泵浦光和所述第二泵浦光的相对比例为最佳配比；或，

当限制的输出功率大于等于第二给定值时，所述第二给定值对应的所述第一泵浦光和所述第二泵浦光的相对比例为最佳配比。

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