專利名稱：雙波長(zhǎng)綜合泵浦緊湊型激光系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全固態(tài)激光器應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及大功率、低熱量、高光束質(zhì)量、高亮 度、高效率、全固態(tài)緊湊型激光系統(tǒng)，具體講，本發(fā)明涉及雙波長(zhǎng)綜合泵浦緊湊型激光系統(tǒng)。 技術(shù)背景對(duì)DPSSL (Diode Pump All-Solid-State Laser 二極管激光器泵浦的全固態(tài)激光器)激光系 統(tǒng)來(lái)說(shuō)，伴隨著泵浦和激發(fā)的過(guò)程在激光增益介質(zhì)中總會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這主要是由兩種基 本的物理過(guò)程而形成的分別是由泵浦光與振蕩光之間的光子能量差即斯托克斯頻移(Stokes shift)及激光泵浦能級(jí)與激光上能級(jí)之間的耦合即量子效率(quantum e伍ciency)。這些熱量 在激光增益介質(zhì)中形成的一系列熱效應(yīng)(包括熱透鏡、熱退偏和熱致雙折射等)會(huì)明顯地改 變激光輸出特性，如嚴(yán)重影響激光光束質(zhì)量及強(qiáng)烈地干擾激光輸出而降低激光器的平均輸出 功率。與此同時(shí)，熱量的產(chǎn)生還會(huì)降低激光器諧振腔的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)甚至使激光器得不到 穩(wěn)定可靠的實(shí)際應(yīng)用，這些問(wèn)題都使熱效應(yīng)成為影響全固態(tài)激光器大功率、高效率、高光束 質(zhì)量運(yùn)轉(zhuǎn)的主要瓶頸。在全固態(tài)激光系統(tǒng)中傳統(tǒng)的泵浦方式是先將增益介質(zhì)激活離子從基態(tài)泵浦到更高的能級(jí) 而不是激光上能級(jí)，然后再弛豫到激光上能級(jí)后經(jīng)受激輻射而發(fā)光。這種泵浦方式曾因激光 增益介質(zhì)對(duì)泵浦光具有較大的吸收系數(shù)而受到人們的歡迎，但隨之而來(lái)的是上述弛豫過(guò)程在 激光增益介質(zhì)內(nèi)部所造成的不可避免的大量熱量的產(chǎn)生，這就為全固態(tài)激光器的穩(wěn)定高效運(yùn) 轉(zhuǎn)加入了諸多不利因素。上世紀(jì)六七十年代，人們?yōu)榱私鉀Q以上泵浦方式所帶來(lái)的大量熱量 的問(wèn)題而提出了直接泵浦方式，即采用一定波長(zhǎng)的泵浦光將激活離子從基態(tài)能級(jí)直接泵浦到 激光上能級(jí)后經(jīng)受激輻射而發(fā)光，此泵浦方式因?yàn)闇p少了弛豫過(guò)程而相應(yīng)地減少了熱量的產(chǎn) 生。近年來(lái)，此種泵浦方式因量子效率高，產(chǎn)生熱量少而受到了廣泛關(guān)注并得到了快速地發(fā) 展。但由于激光增益介質(zhì)對(duì)這種泵浦方式的吸收系數(shù)較小而導(dǎo)致了激光器不能對(duì)泵浦光進(jìn)行 充分利用而降低了激光器整體的光光轉(zhuǎn)換效率，并且由于大量沒(méi)有被激光增益介質(zhì)吸收的泵 浦光和振蕩光混合在一起共同輸出而增加了所需輸出激光的鑒別及提取難度。同時(shí)，就目前 激光領(lǐng)域的技術(shù)水平而言，如果基于此種泵浦方式并想繼續(xù)提高激光器整體的光光轉(zhuǎn)換效率， 只能通過(guò)以下兩種方法 一是增加對(duì)未被激光晶體吸收而漏掉的泵浦光的反饋系統(tǒng)而使泵浦 光重新被利用，但這種方法使激光系統(tǒng)復(fù)雜化并增加了激光器穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的不良因素；二是提 高激光增益介質(zhì)的摻雜濃度，但這又受限于晶體生長(zhǎng)方式及摻雜的工藝條件，實(shí)用起來(lái)較為 復(fù)雜。 發(fā)明內(nèi)容克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種較以往激光器具有更低熱量、更高 效率、更高光束質(zhì)量及更為穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)的激光輸出的全固態(tài)激光器，本發(fā)明采用的技術(shù)方 案是，雙波長(zhǎng)綜合泵浦緊湊型激光系統(tǒng)，作為泵浦源的雙波長(zhǎng)激光器的輸出經(jīng)匯聚透鏡投射 到激光諧振腔的一個(gè)腔鏡，該腔鏡與激光諧振腔的另一個(gè)腔鏡間設(shè)置有激光增益介質(zhì)，另一，激光諧振腔的振蕩光束腰半徑等于或略大于泵浦光束腰半徑。所述的激光增益介質(zhì)為Nd:YAG摻釹的釔鋁石榴石晶體，相應(yīng)的雙波長(zhǎng)泵浦光為809 nm禾口 885 nm。所述的激光增益介質(zhì)為Nd:YV04摻釹的釩酸釔晶體，相應(yīng)的雙波長(zhǎng)泵浦光為808 nm 和879腿。其中，雙波長(zhǎng)綜合泵浦緊湊型激光系統(tǒng)， 一個(gè)波長(zhǎng)所占總的泵浦功率比例為a，另一個(gè) 波長(zhǎng)所占比例為1 —a， a取值在0.65和0.7之間。所述的雙波長(zhǎng)激光器的構(gòu)成為:LD二極管激光器側(cè)面泵浦的準(zhǔn)連續(xù)Nd:YAG激光器作為基頻光源，經(jīng)鈦氧磷酸鉀晶體倍頻后輸出到Ti:sapphire摻鈦藍(lán)寶石晶體激光器，對(duì)于Ti:sapphire摻鈦藍(lán)寶石晶體激光器對(duì)兩種波長(zhǎng)同時(shí)有透過(guò)率為20%的輸出耦合鏡和兩個(gè)反射鏡組成其雙波長(zhǎng)激光運(yùn)轉(zhuǎn)諧振腔，所述的兩個(gè)反射鏡中的一個(gè)鍍有對(duì)一種振蕩光的高反膜，所述的兩個(gè)反射鏡中的另一個(gè)鍍有對(duì)另一種振蕩光的高反膜，腔內(nèi)還包括兩塊布儒斯特角切割的重火石玻璃棱鏡作為色散元件來(lái)輔助選頻。 本發(fā)明具有以下效果1. 相比于以往的傳統(tǒng)泵浦和直接泵浦方式，綜合泵浦方式能減少熱量的產(chǎn)生及提高激光 器整體的光光轉(zhuǎn)換效率，并能提高激光器的輸出功率，改善光束質(zhì)量，從而有利于大 功率、高效率DPSSL激光器的發(fā)展與應(yīng)用。2. 使得長(zhǎng)期困擾激光器尤其是大功率激光器運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生熱量高的根本性問(wèn)題得到了有效 地解決，從而降低了對(duì)激光器冷卻設(shè)備的要求與苛刻性，與此同時(shí)能大矢減小冷卻設(shè) 備的體積及工作功率，有利于在大功率全固態(tài)激光系統(tǒng)中將傳統(tǒng)笨重的水冷裝置改為 小巧輕便的風(fēng)冷裝置，有利于大功率、全固態(tài)、結(jié)構(gòu)緊湊型、小體積、低功耗、低成 本激光器的發(fā)展與應(yīng)用。3. 使得傳統(tǒng)激光器在其相互制約的激光輸出功率和光束質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面共同得到改善，從 而有利于大功率、高光束質(zhì)量(N^接近l)的高亮度激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)。大功率高亮度激 光器是軍事及工業(yè)上某些重要應(yīng)用的核心器件，這類激光器不僅要求具有大的激光輸 出功率，同時(shí)還要求輸出激光具有較好的光束質(zhì)量，而傳統(tǒng)意義上這兩個(gè)因素之間的 矛盾不可調(diào)和，到目前為止國(guó)際上還沒(méi)有比較圓滿的解決方案，綜合泵浦方式的出現(xiàn) 能很好地解決這一傳統(tǒng)矛盾。4. 傳統(tǒng)意義上提高激光器的輸出性能大都是通過(guò)優(yōu)化激光器腔型設(shè)計(jì)、提高激光晶體的 光學(xué)性能及改善外設(shè)條件等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，而綜合泵浦方式打破了傳統(tǒng)的單一波長(zhǎng)泵浦 的概念，首次提出了從激光增益介質(zhì)能級(jí)角度考慮的改善激光器輸出性能的全新概 念，使得雙波長(zhǎng)綜合泵浦成為較以往各種泵浦方式更為理想的泵浦方式并有可能在未 來(lái)得到廣泛應(yīng)用。


圖1為綜合泵浦效率曲線關(guān)系圖。圖2為雙波長(zhǎng)激光器結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明綜合泵浦裝置總體示意具體實(shí)施方式
本發(fā)明結(jié)合傳統(tǒng)泵浦方式對(duì)泵浦光吸收系數(shù)大而導(dǎo)致光光轉(zhuǎn)換效率高及直接泵浦方式產(chǎn) 生熱量少及量子效率高等優(yōu)點(diǎn)而形成一種全新的泵浦方式一 "綜合泵浦"。通過(guò)合理計(jì)算并經(jīng) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)確定兩種不同泵浦光的最優(yōu)化功率配比關(guān)系，從而能更好地同時(shí)彌補(bǔ)傳統(tǒng)泵浦產(chǎn) 生熱量高及直接泵浦的光光轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題，使得激光器產(chǎn)生的熱量和輸出功率達(dá)到一個(gè) 最佳平衡點(diǎn)，以期達(dá)到全固態(tài)激光器的大功率、低熱量和高光束質(zhì)量的運(yùn)轉(zhuǎn)。從激光增益介 質(zhì)能級(jí)角度講，通過(guò)合理地計(jì)算來(lái)選擇兩個(gè)所需泵浦波長(zhǎng)的泵浦光并確定其最優(yōu)的功率配比 組合來(lái)作為激光器的泵浦光源，而使得從總體上提高了激光器的輸出性能。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。 1、理論計(jì)算在固體激光器中，激光增益介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的熱量主要是由無(wú)輻射躍遷粒子(NR)和輻射躍遷 粒子(RAD)引起的。即總體熱量尸H可表示為尸h,(NR)+尸h(RAD) (1) 這里將以上兩種離子的躍遷效率歸一化，即t!服+T!rad^。量子效率，二11騰=1 一T1nr。 .對(duì)于無(wú)輻射躍遷粒子來(lái)說(shuō)，它所吸收的泵浦光能量全部轉(zhuǎn)化為晶體內(nèi)部的熱量， 艮P尸H(NR)二(l一TlQE)尸abs (2)對(duì)于輻射躍遷粒子來(lái)說(shuō)， 一部分以無(wú)輻射躍遷的形式(濃度猝滅，上能級(jí)轉(zhuǎn)換等等)返回到激光下能級(jí)而產(chǎn)生熱量尸h (QU)，并且由于斯托克斯轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的熱量為PH (Stokes)， 即PH (RAD)=Ph (QU)十Ph (Stokes) (3)而尸h (QU) = T1QE(1 —"QU)尸abs (4) 尸H (St0kes) = TlQETlQU[ 1 — Xp/久L]尸abs (5)將公式(4)和公式(5)代入公式(3)，并將公式(3)和公式(2)代入公式(1)，可得總熱量？H=[1 — (riQETlQU) tP從L]戶abs (6)對(duì)于傳統(tǒng)808nm U》泵浦和直接879nm a2)泵浦方式，t)qE分別取0.9和1 ， i]Qu均取 0.95，并針對(duì)兩種不同的泵浦方式分別代入公式(6)，得產(chǎn)生的熱量為 尸出=0.351尸3|35 尸H2^0.215戶abs同時(shí)產(chǎn)生的激光為PL1 =0.649 Pabs 戶L2 = 0.785對(duì)于本發(fā)明的綜合泵浦方式，設(shè)總的泵浦功率為pW，其中808nm所占比例為a，功率 尸P尸pa ，貝!J 879nm所占比例為1—a，功率尸p尸p(l — a)。 晶體對(duì)兩種泵光的吸收可表示為尸absl二P, PP1 ，Abs2 = (32尸P2 (h ， (32分別為晶體對(duì)兩種泵光的吸收百分比，這里卩i 取1，卩2取0.68)。則綜合泵浦方式下產(chǎn)生的熱量和輸出光分別可表示為PH=0.351 Aw+0.21542=0.351 Pp,+0.1462 PP2 0.649 Pabsi+0.785 Pabs2 = 0.649 PPi+0.5338尸k將尸IM和戶P2代入上式可得相對(duì)泵浦光的光光轉(zhuǎn)換效率Ti。.。= 0.5338+0.1152a; 相對(duì)吸收光的光光轉(zhuǎn)換效率ivabs=(0.5338+0.1152a)/(0.68+0.32a)， 以上兩效率之和ri二V。+Vabs為a的函數(shù)，做出對(duì)應(yīng)的曲線關(guān)系，如圖l所示 圖中a取值在0.65和0.7之間函數(shù)存在極值，此時(shí)a值即為最佳功率配比關(guān)系。2、 所需雙波長(zhǎng)激光器為自制，結(jié)構(gòu)如圖2，說(shuō)明如下選用LD側(cè)面泵浦的準(zhǔn)連續(xù)Nd:YAG激光器作為基頻光源，經(jīng)KTP (KTiOP04)摻鈦藍(lán) 寶石晶體倍頻后，得到532nm綠光來(lái)作為Ti:sapphire激光器的泵浦源。對(duì)于基頻泵光Ml和M3鏡組成Nd:YAG激光器諧振腔，Ml為1064nm高反平鏡，M3 為1064nm高反/532nm高透輸出平鏡，M2為532nm高反/1064nm高透的諧波鏡，激光器采 用聲光Q開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)制。F為焦距為150mm的透鏡，用來(lái)將532nm綠光聚焦到Ti:sapphire 晶體內(nèi)部，提高泵浦功率密度。對(duì)于Ti:sapphire激光器M4和M5鏡分別與M6鏡組成了雙波長(zhǎng)激光運(yùn)轉(zhuǎn)的諧振腔，并 且分別鍍有對(duì)兩種振蕩光的高反膜，M6為對(duì)兩種波長(zhǎng)同時(shí)有透過(guò)率為20%的輸出耦合鏡(對(duì) 于本實(shí)驗(yàn)采用的808nm和879nm泵光，M4鏡鍍850nm—950nm高反膜層，M5鏡鍍750nm 一850nm高反膜層，M6鏡鍍750nm—950nm透過(guò)率為20%的膜層》，腔內(nèi)采用兩塊布儒斯特 角切割的重火石玻璃棱鏡作為色散元件來(lái)輔助選頻。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)水平調(diào)節(jié)M4和M5鏡即可 對(duì)輸出激光波長(zhǎng)進(jìn)行連續(xù)調(diào)諧。對(duì)于激光增益介質(zhì)可為Nd:YAG晶體，相應(yīng)的雙波長(zhǎng)泵浦光為809 nm和885 nm; 可為Nd:YV04晶體，相應(yīng)的雙波長(zhǎng)泵浦光為808 nm和879 nm;3、 綜合泵浦實(shí)驗(yàn)裝置圖-如圖3所示a. 系統(tǒng)全部采用全固態(tài)器件；b. 系統(tǒng)采用具有功率可調(diào)并穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的雙波長(zhǎng)輸出激光器作為泵浦源；c. F為透鏡，用來(lái)將泵浦光有效耦合到激光增益介質(zhì)內(nèi)部。Mi及M2為激光諧振腔腔 鏡，其中Mi鍍泵浦光高透及輸出光高反膜層，M2鍍泵浦光高反及對(duì)輸出光有最佳 透過(guò)率的膜層。激光增益介質(zhì)兩端面鍍泵浦光及輸出光的雙增透膜層。
權(quán)利要求
1、一種雙波長(zhǎng)綜合泵浦緊湊型激光系統(tǒng)，其特征在于，包括作為泵浦源的雙波長(zhǎng)激光器的輸出經(jīng)匯聚透鏡投射到激光諧振腔的一個(gè)腔鏡，該腔鏡與激光諧振腔的另一個(gè)腔鏡間設(shè)置有激光增益介質(zhì)，另一個(gè)腔鏡輸出激光，激光諧振腔的振蕩光束腰半徑等于或略大于泵浦光束腰半徑。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙波長(zhǎng)綜合泵浦緊湊型激光系統(tǒng)，其特征在于，所述的激光增益介質(zhì)為Nd:YAG摻釹的釔鋁石榴石晶體，相應(yīng)的雙波長(zhǎng)泵浦光為809 nm和885 nm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙波長(zhǎng)綜合泵浦緊湊型激光系統(tǒng)，其特征在于，所述的激光增 益介質(zhì)為Nd:YV04摻釹的釩酸釔晶體，相應(yīng)的雙波長(zhǎng)泵浦光為808 nm和879 nm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙波長(zhǎng)綜合泵浦緊湊型激光系統(tǒng)，其特征在于， 一個(gè)波長(zhǎng)所占 總的泵浦功率比例為a，另一個(gè)波長(zhǎng)所占比例為l一a， a取值在0.65和0.7之間。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙波長(zhǎng)綜合泵浦緊湊型激光系統(tǒng)，其特征在于，所述的雙波長(zhǎng) 激光器的構(gòu)成為L(zhǎng)D二極管激光器側(cè)面泵浦的準(zhǔn)連續(xù)Nd:YAG激光器作為基頻光源，經(jīng) 鈦氧磷酸鉀晶體倍頻后輸出到Ti:sapphire摻鈦藍(lán)寶石晶體激光器，對(duì)于Ti:sapphire摻鈦藍(lán) 寶石晶體激光器對(duì)兩種波長(zhǎng)同時(shí)有透過(guò)率為20%的輸出耦合鏡和兩個(gè)反射鏡組成其雙 波長(zhǎng)激光運(yùn)轉(zhuǎn)諧振腔，所述的兩個(gè)反射鏡中的一個(gè)鍍有對(duì)一種振蕩光的高反膜，所述的兩 個(gè)反射鏡中的另一個(gè)鍍有對(duì)另一種振蕩光的高反膜，腔內(nèi)還包括兩塊布儒斯特角切割的重 火石玻璃棱鏡作為色散元件來(lái)輔助選頻。
全文摘要
本發(fā)明涉及全固態(tài)激光器應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體講涉及雙波長(zhǎng)綜合泵浦緊湊型激光系統(tǒng)。為提供一種較以往激光器具有更低熱量、更高效率、更高光束質(zhì)量及更為穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)的激光輸出的全固態(tài)激光器，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，雙波長(zhǎng)綜合泵浦緊湊型激光系統(tǒng)，作為泵浦源的雙波長(zhǎng)激光器的輸出經(jīng)匯聚透鏡投射到激光諧振腔的一個(gè)腔鏡，該腔鏡與激光諧振腔的另一個(gè)腔鏡間設(shè)置有激光增益介質(zhì)，另一個(gè)腔鏡輸出激光，激光諧振腔的振蕩光束腰半徑等于或略大于泵浦光束腰半徑。本發(fā)明主要用于大功率、全固態(tài)、結(jié)構(gòu)緊湊型、小體積、低功耗、低成本激光器的制造。
文檔編號(hào)H01S3/08GK101257184SQ20081005236
公開(kāi)日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2008年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月4日
發(fā)明者欣 丁, 姚建銓, 衡 張, 溫午麒, 睿 王, 鵬 王 申請(qǐng)人:天津大學(xué)