CN106654824A - 一种高重频窄线宽调q铒激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高重频窄线宽调Q铒激光器，由包括种子激光器、激光放大器和电控温控单元构成。本发明具有重复频率高(kHz)、高能量（mJ）、激光脉宽窄（ns ）、窄线宽（pm）、输出功率稳定、光斑强度分布均匀等特点，可大大减小激光器的热效应，提高转换效率和重复频率，可获得高能量和高光束质量的2.79μm激光输出。

Description

一种高重频窄线宽调Q铒激光器
技术领域
本发明涉及激光器领域，具体是一种高重频窄线宽调Q铒激光器。
背景技术
中红外波段（2～2.6um，3～4um,4.5～5.5um）,近紫外、可见光和近红外波段（0.3～1.3um，1.5～1.8um）是光波段的大气窗口。铒激光晶体（Er:YSGG）可产生波长为2.79um的中红外波段的激光；虽然该波段不位于大气窗口内，但利用高峰值功率的此激光泵浦非线性晶体（ZnGeP2，AgGaS2，AgGaSe2，GaSe等）进行倍频、差频、和频、光学参量振荡，可实现光学波长的拓展和调谐。特别高峰值功率铒激光作为光学参量振荡的泵浦源，易获得3-5um以及8-14um的长波长激光。而后者激光在远距离的激光雷达领域有着重要的应用。在机载、星载激光雷达应用中，高重复频率有利于提高探测的分辨率、精度，高的峰值功率，高的单脉冲能量有利于提高非线性转换的效率，也有利于提高激光雷达的探测距离。因此高重频（kHz），高峰值功率（mJ级，ns级），窄线宽，高光学质量的2.79um的泵浦源有着极其重要的应用价值和战略意义。
另外，水和羟基磷灰石对该波长激光的有效吸收。可将其用于眼角膜、牙齿和骨骼等软、硬组织的精准切削或消融，纳秒级的窄脉冲能减小激光对病灶周围正常组织的热损伤，是一种精准切削或消融的理想医用激光源。
查阅相关文献，未见高重频（kHz），高峰值功率（mJ级，ns级），窄线宽，高光学质量的2.79um的激光器的报导。
发明内容 本发明的目的是提供一种高重频窄线宽调Q铒激光器，以解决现有技术存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种高重频窄线宽调Q铒激光器，其特征在于：包括种子激光器、激光放大器和电控温控单元，其中：
种子激光器包括两端键合纯YSGG晶体并掺杂Er3+的Er:YSGG激光晶体棒，该Er:YSGG激光晶体棒中心轴两端即左、右端外沿光轴方向依次共光轴设有全反镜片、准直聚焦镜筒、光纤耦合半导体激光模块，其中全反镜片的全反射面分别朝向Er:YSGG激光晶体棒，左、右的全反镜片、准直聚焦镜筒、光纤耦合半导体激光模块呈左、右对应对称，位于Er:YSGG激光晶体棒右端外的全反镜片反射光路上沿光路方向设有半反镜，以半反镜作为种子激光器的输出镜片，位于Er:YSGG激光晶体棒左端外的全反镜片反射光路上沿光路方向依次设有起偏器、调Q晶体、VBG光栅，所述VBG光栅与输出镜片分别位于彼此的反射光路上，且输出镜片向VBG光栅的光路上依次设有1/2λ波片、法拉第光隔离器；光纤耦合半导体激光模块产生的泵浦光入射至Er:YSGG激光晶体棒左、右端，Er:YSGG激光晶体棒经过两端泵浦后产生激光光束从右端出射至全反镜片，经右端的全反镜片反射后再入射至输出镜片，部分激光光束透射过输出镜片并入射至激光放大器，其余激光光束经输出镜片反射后，再依次经过1/2λ波片、法拉第光隔离器入射至VBG光栅，并被VBG光栅反射后再依次经过调Q晶体、起偏器入射至左端的全反射镜，最后经左端的全反射镜反射至Er:YSGG激光晶体棒，形成环形的种子激光器结构；
激光放大器包括全反镜、侧泵浦的板条式Er：YSGG激光晶体、半导体激光巴条，板条式Er：YSGG激光晶体中心轴两端即左、右端分别切割成相同角度的斜面，所述全反镜位于输出镜片的透射光路上，板条式Er：YSGG激光晶体左端位于全反镜的反射光路上，半导体激光巴条围在板条式Er：YSGG激光晶体侧面外，输出镜片透射过的激光光束经全反镜反射后入射至板条式Er：YSGG激光晶体左端，同时板条式Er：YSGG激光晶体受半导体激光巴条泵浦后产生激光光束，泵浦产生的激光光束与左端入射的激光光束共同从板条式Er：YSGG激光晶体右端出射，实现放大输出；
电控温控单元包括光纤耦合半导体激光模块驱动电源、调Q晶体驱动电源、半导体激光巴条驱动电源、温控单元、控制单元，其中光纤耦合半导体激光模块驱动电源分别供电至左、右端的光纤耦合半导体激光模块，半导体激光巴条驱动电源供电至半导体激光巴条，调Q晶体驱动电源供电至调Q晶体，光纤耦合半导体激光模块驱动电源、调Q晶体驱动电源、半导体激光巴条驱动电源分别接入控制单元，由控制单元控制各个驱动电源的供电，温控单元亦接入控制单元由控制单元控制，且温控单元分别对Er:YSGG激光晶体棒、光纤耦合半导体激光模块、板条式Er：YSGG激光晶体、半导体激光巴条进行温度控制。
所述的一种高重频窄线宽调Q铒激光器，其特征在于：种子激光器中的Er:YSGG激光晶体棒整体放置在铜制的热沉中，并通过温控单元带走多余的热量，采用种子激光器加激光放大器，降低激光器谐振腔激光的损伤阈值，实现高质量低能量的种子激光输出，通过放大级提高能量和输出水平。
所述的一种高重频窄线宽调Q铒激光器，其特征在于：由1/2λ波片、法拉第光隔离器组成单向器，构成环形行波谐振腔。
所述的一种高重频窄线宽调Q铒激光器，其特征在于：种子激光器中采用的激光棒为两端键合纯YSGG晶体的掺杂Er3+的YSGG的Er:YSGG激光晶体棒，用于降低热透镜效应和防止激光端面畸变。
所述的一种高重频窄线宽调Q铒激光器，其特征在于：VBG光栅由氟化钙或氟化镁材料制成，用于压窄线宽，获得单纵模或窄线宽输出。
所述的一种高重频窄线宽调Q铒激光器，其特征在于：种子激光器中的Er:YSGG激光晶体棒利用两端的光纤耦合半导体激光模块实现双向端面泵浦，激光放大器中的板条式Er：YSGG激光晶体利用侧面的半导体激光巴条实现侧向泵浦。
所述的一种高重频窄线宽调Q铒激光器，其特征在于：所述法拉第光隔离器激光只能沿一个方向上传播，材料为YIG，镀有2.79um的增透膜。
所述的一种高重频窄线宽调Q铒激光器，其特征在于：所述调Q晶体为声光调Q晶体，材质为TeO2，通光片镀有2.79um的增透膜。
本发明种子激光器中，起偏器为布儒斯特角放置的偏振片，材料为氟化镁或氟化钙，镀有2.79um的偏振膜，用于起偏器和检偏器的作用。
本发明种子激光器中，Er:YSGG激光晶体棒左、右端外的全反镜片分别为弯月形结构，凸面对着Er:YSGG激光晶体棒方向，凹面对着准直聚焦镜筒方向，曲率半径相同；凸面镀有2.79um的全反膜和966nm的增透膜，凹面镀有966nm的增透膜。
本发明种子激光器中，作为输出镜片的半反镜为白宝石、或YSGG晶体、或YAG晶体、或氟化钙或氟化镁制成，镀有20%~95%反射膜。
本发明激光放大器中，半导体激光巴条均输出波长为966nm的激光，作用为泵浦源。
本发明的调Q原理：通过使用调Q技术改变激光器的阈值来使上能级粒子数大量积累。当积累到最大值时突然使腔的损耗减小，激光振荡迅速建立，上能级反转粒子数被迅速消耗，从而获得峰值功率很高的巨脉冲。
本发明提供一种具有高重复频率、高能量脉冲、纳秒级脉宽的2.79μm声声光调QEr:YSGG激光器，该激光器具有重复频率高(kHz)、高能量（mJ）、激光脉宽窄（ns ）、窄线宽（pm）、输出功率稳定、光斑强度分布均匀等特点。本发明采用的半导体泵浦Er:YSGG将大大减小激光器的热效应，提高转换效率和重复频率，可获得高能量和高光束质量的2.79μm激光输出。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
（1）本发明采用光纤输出的半导体激光端面泵浦Er:YSGG激光晶体棒，产生2.79um的激光。半导体激光通过光纤的匀化作用后，经准直聚焦镜筒聚焦到Er:YSGG激光晶体棒内，使得泵浦光分布均匀，易于获得高光学质量的激光。种子激光器和激光放大器均采用半导体激光泵浦，光光转化效率高，有效的减小激光产生过程中晶体内部的热效应问题，使得激光输出稳定。
（2）本发明采用声光调Q技术，调Q晶体选用TeO2材料制成，该晶体不潮解、物理化学性能稳定，在2.79μm波长处透光性好，损伤阈值高，具有其它调Q晶体无法比拟的优势，保证中红外脉冲激光器输出能量大、脉冲短、光束质量好，长期工作稳定可靠。
（3）本发明采用种子激光器加激光放大技术相结合的方案，种子激光器获得高光束质量的低能量激光；由于种子激光器内的功率密度、能量密度低于各种光学元件的损伤阈值，从而保证了种子激光器的稳定性。激光放大器获得高的激光放大倍率，从而获得高的单脉冲能量和平均功率。
（4）本发明的种子激光器中使用1/2λ波片、法拉第光隔离器组成的单向器，构成的环形行波谐振腔，结合VBG光栅的压窄线宽技术，避免激光的烧孔效应，从而获得稳定的单纵模激光输出。
（5）本发明的种子激光器中的全反镜片采用对称的弯月透镜，面向谐振腔内为凸面，有利于补偿激光晶体内的热效应。
（6）本发明的种子激光器中采用键合YSGG的Er:YSGG激光晶体棒的结构，将大大减小激光器的热效应和端面热畸变，可获得高光束质量的2.79μm激光输出。
附图说明
图1为本发明结构原理图。
图2为本发明激光器部分的结构原理图。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种高重频窄线宽调Q铒激光器，包括种子激光器、激光放大器和电控温控单元，其中：
种子激光器包括两端键合纯YSGG晶体并掺杂Er3+的Er:YSGG激光晶体棒1，该Er:YSGG激光晶体棒1中心轴两端即左、右端外沿光轴方向依次共光轴设有全反镜片2和3、准直聚焦镜筒4、5、光纤耦合半导体激光模块6和7，其中全反镜片2和3的全反射面分别朝向Er:YSGG激光晶体棒，左、右的全反镜片、准直聚焦镜筒、光纤耦合半导体激光模块呈左、右对应对称，位于Er:YSGG激光晶体棒1右端外的全反镜片2反射光路上沿光路方向设有半反镜，以半反镜9作为种子激光器的输出镜片9，位于Er:YSGG激光晶体棒1左端外的全反镜片3反射光路上沿光路方向依次设有起偏器8、调Q晶体13、VBG光栅12，VBG光栅12与输出镜片9分别位于彼此的反射光路上，且输出镜片9向VBG光栅12的光路上依次设有1/2λ波片10、法拉第光隔离器11；光纤耦合半导体激光模块6、7产生的泵浦光入射至Er:YSGG激光晶体棒1左、右端，Er:YSGG激光晶体棒1经过两端泵浦后产生激光光束从右端出射至全反镜片2，经右端的全反镜片2反射后再入射至输出镜片9，部分激光光束透射过输出镜片9并入射至激光放大器，其余激光光束经输出镜片9反射后，再依次经过1/2λ波片10、法拉第光隔离器11入射至VBG光栅12，并被VBG光栅12反射后再依次经过调Q晶体13、起偏器8入射至左端的全反射镜3，最后经左端的全反射镜3反射至Er:YSGG激光晶体棒1，形成环形的种子激光器结构；
激光放大器包括全反镜14、侧泵浦的板条式Er：YSGG激光晶体15、半导体激光巴条16，板条式Er：YSGG激光晶体15中心轴两端即左、右端分别切割成相同角度的斜面，全反镜14位于输出镜片9的透射光路上，板条式Er：YSGG激光晶体15左端位于全反镜14的反射光路上，半导体激光巴条16条围在板条式Er：YSGG激光晶体15侧面外，输出镜片9透射过的激光光束经全反镜14反射后入射至板条式Er：YSGG激光晶体15左端，同时板条式Er：YSGG激光晶体15受半导体激光巴条16泵浦后产生激光光束，泵浦产生的激光光束与左端入射的激光光束共同从板条式Er：YSGG激光晶体15右端出射，实现放大输出；
电控温控单元包括光纤耦合半导体激光模块驱动电源17和18、调Q晶体驱动电源20、半导体激光巴条驱动电源21、温控单元22、控制单元19，其中光纤耦合半导体激光模块驱动电源17和18分别供电至左、右端的光纤耦合半导体激光模块6和7，半导体激光巴条驱动电源21供电至半导体激光巴条16，调Q晶体驱动电源20供电至调Q晶体13，光纤耦合半导体激光模块驱动电源17和18、调Q晶体驱动电源20、半导体激光巴条驱动电源21分别接入控制单元19，由控制单元19控制各个驱动电源的供电，温控单元22亦接入控制单元由控制单元19控制，且温控单元22分别对Er:YSGG激光晶体棒1、光纤耦合半导体激光模块6和7、板条式Er：YSGG激光晶体15、半导体激光巴条16进行温度控制。
种子激光器中的Er:YSGG激光晶体棒1整体放置在铜制的热沉中，并通过温控单元带走多余的热量，采用种子激光器加激光放大器，降低激光器谐振腔激光的损伤阈值，实现高质量低能量的种子激光输出，通过放大级提高能量和输出水平。
由1/2λ波片10、法拉第光隔离器11组成单向器，构成环形行波谐振腔。
种子激光器中采用的激光棒为两端键合纯YSGG晶体的掺杂Er3+的YSGG的Er:YSGG激光晶体棒1，用于降低热透镜效应和防止激光端面畸变。
VBG光栅12由氟化钙或氟化镁材料制成，用于压窄线宽，获得单纵模或窄线宽输出。
种子激光器中的Er:YSGG激光晶体棒1利用两端的光纤耦合半导体激光模块6和7实现双向端面泵浦，激光放大器中的板条式Er：YSGG激光晶体15利用侧面的半导体激光巴条16实现侧向泵浦。
法拉第光隔离器11激光只能沿一个方向上传播，材料为YIG，镀有2.79um的增透膜。
调Q晶体13为声光调Q晶体，材质为TeO2，通光片镀有2.79um的增透膜。
本发明包括环形结构的种子激光器、激光放大器、电控温控单元构成。
种子激光器部分有键合纯YSGG晶体的Er:YSGG激光晶体棒1，两个光纤耦合输出的光纤耦合半导体激光模块6、7，两个准直聚焦镜筒4、5，两片用于构成谐振腔片和耦合泵浦光的全反镜片2、3，以上元件以Er:YSGG激光晶体棒1为中心，左右两侧对称分布。全反镜片2的左前方为种子激光器的输出镜片（半反镜）9，全反镜片3的右前方放置起偏器8，调Q晶体13， VBG光栅12。在VBG光栅12和输出镜片9之间放置1/2λ波片10、法拉第光隔离器11。
激光放大器有全反镜14，板条式Er：YSGG激光晶体15，半导体激光巴条16组成。
电控温控单元由光纤耦合半导体激光模块驱动电源17和18、调Q晶体驱动电源20、半导体激光巴条驱动电源21、温控单元22、控制单元19组成。
声光调Q晶体的材料为二氧化碲(TeO2)，在2～3um具有大于95%的透过率，透光面镀有2.79μm增透膜，反射率<0.5%，晶体材料和膜系的损伤阈值达100MW/cm2；调Q晶体驱动电源在控制单元的控制下，施加调Q晶体RF信号和Q的开关信号，实现激光脉冲的调Q输出。
VBG光栅12，材料为感光的硅酸盐玻璃，中心波长为2.79um±0.01um，反射率大于99.2%，窄带光谱FWHM为0.05±0.025nm，用于压窄输出激光的谱线宽度。
1/2λ波片10由氟化镁、或YSGG晶体、或YAG晶体、或氟化钙或Al2O3加工制成，波片通光口径为10mm，双面镀2.79μm的增透膜。构成的法拉第光隔离器为YIG材质，旋光角度为90度。1/2波片旋转激光的角度与光隔离器匹配，并且与光隔离器构成激光的单向器，消除单纵模激光器的烧孔效应。
起偏器8由布儒斯特角放置的白宝石、或YSGG晶体、或YAG晶体、或氟化镁、或氟化钙片，双面加工要求光学Ⅱ级且镀2.79um的介质起偏膜，用于激光的起偏和检偏。
输出镜片9为白宝石、或YSGG晶体、或YAG晶体、或氟化钙或氟化镁制成， 一面镀2.79μm增透膜和另一面20%~90%反射膜，镀有反射膜的面朝向谐振腔内。
全反镜片2、3，以及全反镜14材料为K9玻璃，全反镜14镀有2.79um的全反膜，将种子激光器输出的激光反射到激光放大器中；全反镜片2、3为弯月透镜，凸面镀有2.79um的全反膜和966nm的增透膜，凹面镀有966nm的增透膜，将泵浦光透射到激光晶体中，同时构成环形谐振腔的腔片，并具有一定的补偿激光晶体的热焦距的作用。
光纤耦合半导体激光模块驱动电源17和18，以及侧泵的半导体激光巴条16均为中心波长为966nm±2nm激光二极管。
控制单元22为整个激光***的控制中心。实现激光器内部的温度、电流、电压等信号的采集，并通过内部预设的指令和程序，实现对光纤耦合半导体激光模块驱动电源17和18、调Q晶体驱动电源20、半导体激光巴条驱动电源21、温控单元22的控制。
光纤耦合半导体激光模块驱动电源17和18工作频率为1～1000Hz，脉宽在50μs-1000μs可调，电压自适应；调Q晶体驱动电源20的开关信号也为1～1000Hz，调Q延时由控制单元22设置和调整。
对上述优化后，本发明可以在1-1000Hz重复频率下工作，实现（kHz），高峰值功率（mJ级，ns级），窄线宽（pm级），高光学质量的2.79um的激光 输出。

Claims (8)

1.一种高重频窄线宽调Q铒激光器，其特征在于：包括种子激光器、激光放大器和电控温控单元，其中：
种子激光器包括两端键合纯YSGG晶体并掺杂Er3+的Er:YSGG激光晶体棒，该Er:YSGG激光晶体棒中心轴两端即左、右端外沿光轴方向依次共光轴设有全反镜片、准直聚焦镜筒、光纤耦合半导体激光模块，其中全反镜片的全反射面分别朝向Er:YSGG激光晶体棒，左、右的全反镜片、准直聚焦镜筒、光纤耦合半导体激光模块呈左、右对应对称，位于Er:YSGG激光晶体棒右端外的全反镜片反射光路上沿光路方向设有半反镜，以半反镜作为种子激光器的输出镜片，位于Er:YSGG激光晶体棒左端外的全反镜片反射光路上沿光路方向依次设有起偏器、调Q晶体、VBG光栅，所述VBG光栅与输出镜片分别位于彼此的反射光路上，且输出镜片向VBG光栅的光路上依次设有1/2λ波片、法拉第光隔离器；光纤耦合半导体激光模块产生的泵浦光入射至Er:YSGG激光晶体棒左、右端，Er:YSGG激光晶体棒经过两端泵浦后产生激光光束从右端出射至全反镜片，经右端的全反镜片反射后再入射至输出镜片，部分激光光束透射过输出镜片并入射至激光放大器，其余激光光束经输出镜片反射后，再依次经过1/2λ波片、法拉第光隔离器入射至VBG光栅，并被VBG光栅反射后再依次经过调Q晶体、起偏器入射至左端的全反射镜，最后经左端的全反射镜反射至Er:YSGG激光晶体棒，形成环形的种子激光器结构；
激光放大器包括全反镜、侧泵浦的板条式Er：YSGG激光晶体、半导体激光巴条，板条式Er：YSGG激光晶体中心轴两端即左、右端分别切割成相同角度的斜面，所述全反镜位于输出镜片的透射光路上，板条式Er：YSGG激光晶体左端位于全反镜的反射光路上，半导体激光巴条围在板条式Er：YSGG激光晶体侧面外，输出镜片透射过的激光光束经全反镜反射后入射至板条式Er：YSGG激光晶体左端，同时板条式Er：YSGG激光晶体受半导体激光巴条泵浦后产生激光光束，泵浦产生的激光光束与左端入射的激光光束共同从板条式Er：YSGG激光晶体右端出射，实现放大输出；
电控温控单元包括光纤耦合半导体激光模块驱动电源、调Q晶体驱动电源、半导体激光巴条驱动电源、温控单元、控制单元，其中光纤耦合半导体激光模块驱动电源分别供电至左、右端的光纤耦合半导体激光模块，半导体激光巴条驱动电源供电至半导体激光巴条，调Q晶体驱动电源供电至调Q晶体，光纤耦合半导体激光模块驱动电源、调Q晶体驱动电源、半导体激光巴条驱动电源分别接入控制单元，由控制单元控制各个驱动电源的供电，温控单元亦接入控制单元由控制单元控制，且温控单元分别对Er:YSGG激光晶体棒、光纤耦合半导体激光模块、板条式Er：YSGG激光晶体、半导体激光巴条进行温度控制。
2.根据权利要求1所述的一种高重频窄线宽调Q铒激光器，其特征在于：种子激光器中的Er:YSGG激光晶体棒整体放置在铜制的热沉中，并通过温控单元带走多余的热量，采用种子激光器加激光放大器，降低激光器谐振腔激光的损伤阈值，实现高质量低能量的种子激光输出，通过放大级提高能量和输出水平。
3.根据权利要求1所述的一种高重频窄线宽调Q铒激光器，其特征在于：由1/2λ波片、法拉第光隔离器组成单向器，构成环形行波谐振腔。
4.根据权利要求1所述的一种高重频窄线宽调Q铒激光器，其特征在于：种子激光器中采用的激光棒为两端键合纯YSGG晶体的掺杂Er3+的YSGG的Er:YSGG激光晶体棒，用于降低热透镜效应和防止激光端面畸变。
5.根据权利要求1所述的一种高重频窄线宽调Q铒激光器，其特征在于：VBG光栅由氟化钙或氟化镁材料制成，用于压窄线宽，获得单纵模或窄线宽输出。
6.根据权利要求1所述的一种高重频窄线宽调Q铒激光器，其特征在于：种子激光器中的Er:YSGG激光晶体棒利用两端的光纤耦合半导体激光模块实现双向端面泵浦，激光放大器中的板条式Er：YSGG激光晶体利用侧面的半导体激光巴条实现侧向泵浦。
7.根据权利要求1所述的一种高重频窄线宽调Q铒激光器，其特征在于：所述法拉第光隔离器激光只能沿一个方向上传播，材料为YIG，镀有2.79um的增透膜。
8.根据权利要求1所述的一种高重频窄线宽调Q铒激光器，其特征在于：所述调Q晶体为声光调Q晶体，材质为TeO2，通光片镀有2.79um的增透膜。
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