專利名稱：一種全固態(tài)固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于激光器器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種全固態(tài)固體激光器，它采用柱透鏡耦合的雙端半導(dǎo)體激光器(LD)泵浦全固態(tài)固體激光器，其諧振腔采用了多次折疊技術(shù)。
端面泵浦所用的大功率LD大都為一維陣列激光二極管，它的發(fā)光面長從幾百納米到幾毫米，寬為1微米，輸出功率從幾瓦到幾十瓦。它的發(fā)散角在x，y不對稱，一般垂直于結(jié)平面方向發(fā)散角為30°~40°，平行于結(jié)平面方向發(fā)散角為10°。對LD光束整形通常采用一準(zhǔn)直透鏡和一聚焦透鏡，因LD發(fā)光面和發(fā)散角的不對稱，使進入增益介質(zhì)的泵浦光尺寸較大且呈橢圓狀，將影響整個激光器的最終轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)LD發(fā)光面和發(fā)散角的不對成性，可在準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡之間加一擴束棱鏡對，實現(xiàn)整個整形系統(tǒng)的x，y方向不同的放大倍率，可達到較好的泵浦尺寸，但棱鏡對較難調(diào)整且損耗較大。
為實現(xiàn)上述實用新型目的，一種全固態(tài)固體激光器，包括作為泵浦光源的二個半導(dǎo)體激光器、耦合系統(tǒng)、諧振腔和半導(dǎo)體制冷冷卻裝置，其特征在于所述諧振腔采用Nd:YVO4薄片晶體作為激光增益介質(zhì)，該諧振腔還包括對稱位于Nd:YVO4薄片晶體的兩端外的全反射鏡和平面輸出耦合鏡，以及靠近Nd:YVO4薄片晶體的二端面并與之形成夾角的折疊用平面全反射鏡，全反射鏡相互平行；半導(dǎo)體激光器位于Nd:YVO4薄片晶體(5)的兩側(cè)；并分別置于冷卻裝置上；半導(dǎo)體激光器發(fā)出的泵浦光通過柱面鏡聚焦到晶體內(nèi)。
本實用新型設(shè)計的全固態(tài)固體激光器具有以下優(yōu)點1、采用薄片Nd:YVO4晶體，雙端泵浦方式，兩個LD bar發(fā)出的光經(jīng)過柱透鏡直接耦合進入晶體，在晶體內(nèi)形成兩個焦點，提高了泵浦光在晶體內(nèi)的泵浦功率密度，并與基模模體積相匹配。
2、其諧振腔采用多折腔技術(shù)使增益介質(zhì)的體積得到充分的利用。
3、采用半導(dǎo)體制冷傳導(dǎo)冷卻方式，使整個裝置結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，免去了水冷系統(tǒng)帶來的諸多不利因素，適于工業(yè)化批量生產(chǎn)及應(yīng)用。
本實用新型激光器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，包括作為泵浦光源的二個半導(dǎo)體激光器、耦合系統(tǒng)、諧振腔和半導(dǎo)體制冷冷卻裝置。諧振腔內(nèi)放有增益介質(zhì)5、折疊用全反射鏡2、2’、平面輸出耦合鏡4和平面全反射鏡1。
諧振腔中的增益介質(zhì)采用a軸切割的摻釹釩酸釔(Nd:YVO4)晶體，在1.064um波長處的有效發(fā)射截面為15.6×10-19cm2，是Nd:YAG晶體的4倍左右。與相同摻Nd濃度的Nd:YAG晶體相比，Nd:YVO4在808nm波段的吸收系數(shù)要高近5倍，吸收帶寬也較寬，YVO4摻雜濃度可以從0.1％到3％，而YAG最高只能到1.5％。因此Nd:YVO4晶體較Nd:YAG晶體具有低的泵浦閾值，高的轉(zhuǎn)換效率。實例中Nd:YVO4晶體的摻雜濃度為0.6~1％，橫截面為2×8mm，a軸通光，通光方向長度為14mm，側(cè)面鍍808nm增透膜，晶體的前表面鍍1064nm減反膜，晶體對平行于c軸的偏振泵浦光的吸收系數(shù)為21.0cm-1，對平行于a軸的偏振泵浦光吸收系數(shù)為10.4cm-1，因此選用平行于c軸的偏振泵浦。
折疊用反射鏡2、2’對1064nm的反射率≥99.7％，相互平行放置并與Nd:YVO4薄片晶體5端面形成一定的夾角，夾角大小主要根據(jù)晶體尺寸來調(diào)整，其位置應(yīng)調(diào)整到盡可能地靠近主光軸。全反射鏡1和平面輸出耦合鏡4對稱位于Nd:YAG薄片晶體的兩端外，全反射鏡1可采用與平面全反射鏡2、2’相同的全反射鏡；平面輸出耦合鏡4，輸出透過率經(jīng)過最優(yōu)化選擇為對1064nm的透過率為30％。全反射鏡1、平面輸出耦合鏡4和平面全反射鏡2、2’放置的位置應(yīng)使之形成Z字形的多折形諧振腔。
上述諧振腔為平-平腔方式，這種腔型設(shè)計上使得激光腔內(nèi)基模模式與泵浦光模式匹配。光線可以往返多次通過晶體，充分利用了介質(zhì)。當(dāng)泵浦光激勵激光增益介質(zhì)時，一部分產(chǎn)生了所希望的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，余下部分由于無輻射躍遷，基質(zhì)的直接吸收及對粒子數(shù)反轉(zhuǎn)無貢獻的激活粒子躍遷以熱的形式耗散在工作物質(zhì)當(dāng)中，使工作物質(zhì)產(chǎn)生溫升、熱聚焦及雙折射等物理效應(yīng)，這些效應(yīng)可近似等效為一光焦度為正的熱透鏡，這嚴重影響了激光器的性能。為了補償熱透鏡可在棒端磨成有一定曲率凹面以消除熱透鏡影響，然而這種方法只有在整個運轉(zhuǎn)中熱焦距保持不變的情況下，基模才能得到改善，但熱焦距稍有偏離，光束特性就立刻破壞。在腔型設(shè)計時，采用熱不靈敏腔，保證在一定腔型時，光束發(fā)散角和模體積對于激光增益介質(zhì)的平均熱焦距的變化是不靈敏的，熱不靈敏條件為|A+D|＝0，A和D是諧振腔光線傳輸矩陣的元素。所以，在激光器腔型設(shè)計時，可適當(dāng)選取參數(shù)，以改善激光器由于泵浦而帶來的熱效應(yīng)。
本實用新型的光源采用功率為15～80瓦、中心波長為808nm的半導(dǎo)體激光器3、3’，其發(fā)光面為10mm×1um，遠場發(fā)散角40°。半導(dǎo)體激光器3、3’位于Nd:YVO4薄片晶體的兩側(cè)，通過柱面鏡整形聚焦進入薄片晶體，兩個半導(dǎo)體激光器的泵浦光在晶體內(nèi)交疊，在晶體內(nèi)部形成兩個焦點。通過調(diào)整使其焦點位置與諧振腔的主光軸重合，盡可能地與基模光束相匹配。
本實用新型的耦合系統(tǒng)采用簡單的二個柱面鏡6、6’直接整形，它們分別位于半導(dǎo)體激光器與薄片晶體之間，使泵浦光從薄片兩側(cè)進入晶體。柱面透鏡的尺寸和定位設(shè)計使得泵浦光可以被聚焦進晶體設(shè)定的位置。對于數(shù)十瓦的半導(dǎo)體激光器，其發(fā)射面為10mm×1um，柱面透鏡沿其長方向放置，將半導(dǎo)體激光器輸出的激光聚焦進入晶體內(nèi)部。
權(quán)利要求1.一種全固態(tài)固體激光器，包括作為泵浦光源的二個半導(dǎo)體激光器、耦合系統(tǒng)、諧振腔和半導(dǎo)體制冷冷卻裝置，其特征在于所述諧振腔采用Nd:YVO4薄片晶體(5)作為激光增益介質(zhì)，該諧振腔包括對稱位于Nd:YVO4薄片晶體(5)的兩端外的全反射鏡(1)和平面輸出耦合鏡(4)，以及靠近Nd:YVO4薄片晶體(5)的二端面并與之形成夾角的折疊用平面全反射鏡(2，2’)，全反射鏡(2，2’)相互平行；半導(dǎo)體激光器(3、3’)位于Nd:YVO4薄片晶體(5)的兩側(cè)；并分別置于冷卻裝置(7，7’)上；半導(dǎo)體激光器(3、3’)發(fā)出的泵浦光通過柱面鏡(6、6’)聚焦到晶體(5)內(nèi)。
2.權(quán)利要求1中所述的全固態(tài)固體激光器，其特征在于所述耦合系統(tǒng)包括二個位于薄片晶片(5)與半導(dǎo)體激光器(3、3’)之間的柱面鏡(6、6’)；通過柱面鏡(6、6’)將半導(dǎo)體激光器發(fā)出的泵浦光聚焦到晶體(5)內(nèi)部指定的位置。
3.權(quán)利要求1中所述的全固態(tài)固體激光器，其特征在于所述多折形諧振腔，全反射鏡(2，2’)在同一塊晶體(5)內(nèi)部形成的多次折疊的Z字形光束。
專利摘要本實用新型公開了一種全固態(tài)固體激光器，包括作為泵浦光源的二個半導(dǎo)體激光器、耦合系統(tǒng)、諧振腔和半導(dǎo)體制冷冷卻裝置，所述諧振腔采用NdYV04薄片晶體作為激光增益介質(zhì)，并包括對稱位于NdYV04薄片晶體的兩端外的全反射鏡和平面輸出耦合鏡，及靠近NdYV04薄片晶體的二端面并與之形成夾角的折疊用平面全反射鏡；半導(dǎo)體激光器位于NdYV04薄片晶體的兩側(cè)；并分別置于冷卻裝置上；半導(dǎo)體激光器發(fā)出的泵浦光通過柱面鏡聚焦到晶體內(nèi)。該激光器采用多折腔技術(shù)使增益介質(zhì)的體積得到充分的利用。半導(dǎo)體激光器與增益介質(zhì)間的耦合采用簡單有效的柱面鏡耦合方式。冷卻采用半導(dǎo)體制冷傳導(dǎo)冷卻方式，使整個激光器實現(xiàn)了全固態(tài)化。
文檔編號H01S3/08GK2599843SQ0323554
公開日2004年1月14日 申請日期2003年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月21日
發(fā)明者陳澤民, 李玉華, 黃維玲 申請人:華中科技大學(xué)