專利名稱：半導(dǎo)體泵浦高重頻固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體泵浦固體激光器，特別是涉及一種半導(dǎo)體 泵浦高重頻固體激光器。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體激光器集成技術(shù)的提高，半導(dǎo)體泵浦固體激 光器在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。與成熟的燈泵固體激光器技術(shù) 相比，半導(dǎo)體泵浦固體激光器不僅結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、功耗小、效率 高，而且壽命長(zhǎng)、光束質(zhì)量好，大有逐漸取代燈泵浦固體激光器的趨勢(shì)。
隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域愈來(lái)愈廣泛，同時(shí)對(duì)激光 參數(shù)的要求也越來(lái)越高。例如，在材料處理、激光測(cè)距、激光雷達(dá)、 激光干擾等激光應(yīng)用領(lǐng)域中，獲得高的激光峰值功率是非常重要的一
個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。為達(dá)到此目的，對(duì)輸出激光實(shí)行調(diào)Q技術(shù)是非常有效的 手段。調(diào)Q技術(shù)包括轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、染料調(diào)Q、電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q等。 目前，最常使用的調(diào)Q方式為聲光調(diào)Q和電光調(diào)Q。聲光調(diào)Q工作穩(wěn) 定，壽命長(zhǎng)， 一般脈沖寬度可以達(dá)到數(shù)十納秒，重復(fù)頻率(重頻)不 高于50kHz;電光調(diào)Q的優(yōu)點(diǎn)是可以得到更窄的激光脈沖和更高的重 復(fù)頻率，但電光晶體容易衰退和潮解，影響使用壽命。這兩種調(diào)Q方 式都要使用電子驅(qū)動(dòng)源，稱為主動(dòng)調(diào)Q。最近發(fā)展起一種利用晶體的 吸收飽和效應(yīng)進(jìn)行調(diào)Q的技術(shù)，例如使用Cr:YAG (即摻鉻釔鋁石榴 石)，其作用機(jī)理就是利用晶體的飽和吸收效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)激光調(diào)Q輸出。 實(shí)現(xiàn)此方法不需要外加的驅(qū)動(dòng)源控制，故稱為被動(dòng)調(diào)Q。被動(dòng)調(diào)Q與 主動(dòng)調(diào)Q相比，可以得到更短的脈沖寬度、更高的重復(fù)頻率，且體積 小巧，因此，在材料處理、激光測(cè)距、激光干擾等領(lǐng)域得到了廣泛的 應(yīng)用。而主動(dòng)調(diào)Q由于調(diào)制器需要驅(qū)動(dòng)電源，脈沖頻率一般不大于 50kHz，因此在許多高重頻應(yīng)用場(chǎng)合無(wú)法使用，且器件體積較大，造 價(jià)高，限制了在很多特殊領(lǐng)域的應(yīng)用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，利用被動(dòng)調(diào)Q的 方式對(duì)半導(dǎo)體泵浦固體激光器進(jìn)行調(diào)Q，提供一種高重復(fù)頻率、窄脈 沖寬度的半導(dǎo)體泵浦高重頻固體激光器。本發(fā)明所稱的半導(dǎo)體泵浦高重頻固體激光器的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的，如圖l所示由大功率光纖、聚焦系統(tǒng)、腔鏡4、激光晶體、 被動(dòng)調(diào)Q晶體、激光輸出腔鏡8組成。其特征是使用大功率光纖1耦合輸出的半導(dǎo)體激光作為泵浦源，通過(guò)聚焦系統(tǒng)把泵浦光聚焦在激光晶體5上，聚焦系統(tǒng)由凸透鏡2和凸透鏡3組成或是不少于兩片透 鏡的組合；在腔鏡4和激光輸出鏡8 (另一腔鏡)組成的諧振腔中， 形成波長(zhǎng)為1064nm的激光振蕩；此激光振蕩被調(diào)Q晶體6調(diào)制，通 過(guò)輸出腔鏡8輸出波長(zhǎng)為1064nm的激光9。腔鏡4直接鍍?cè)诩す饩?體上，膜層要求為808nm增透，1064nm高反；腔鏡8為獨(dú)立的部分 反射鏡，鍍1064nm的部分反射率膜層，即其膜層對(duì)1064nm波長(zhǎng)激光
的應(yīng)有預(yù)定的反射率；在激光晶體和被動(dòng)調(diào)Q晶體的外側(cè)面周圍設(shè)置 了散熱器。
本發(fā)明所稱半導(dǎo)體泵浦高重頻固體激光器，其特征是兩個(gè)腔鏡 組成的諧振腔為直線腔。本發(fā)明所稱的固體激光器，其特征是由于 光纖1輸出的泵浦光發(fā)散角比較大，本發(fā)明的聚焦系統(tǒng)采用了兩個(gè)凸 透鏡2和3、或者透鏡組(不少于兩片)來(lái)完成對(duì)泵浦光的聚焦。本 發(fā)明所稱的固體激光器，其特征是輸出腔鏡8可以是凹面鏡，也可 以是平面鏡或凸面鏡。本發(fā)明所稱的固體激光器所采用的被動(dòng)調(diào)Q晶 體可以是單塊晶體，也可以是由多塊晶體首尾依次安裝組成。本發(fā)明 所稱的固體激光器，其特征是，散熱器采用銅質(zhì)或鋁質(zhì)材料制作。
本發(fā)明中采用被動(dòng)調(diào)Q方式實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)制。被動(dòng)調(diào)Q晶體是一種 含有包和吸收功能的摻雜的光學(xué)晶體，其透射率會(huì)隨著能量密度的增 大而增大(如圖2所示)。當(dāng)達(dá)到某一很高值時(shí)，透射率穩(wěn)定在一個(gè) 很高值，即材料變得透明。根據(jù)這一效應(yīng)，被動(dòng)調(diào)Q晶體在泵浦剛開
始會(huì)阻止激光振蕩的產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)激光上能級(jí)的粒子數(shù)的快速積 累。隨著激光晶體中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的增加，激光的增益系數(shù)逐漸增大， 當(dāng)增益系數(shù)大于腔內(nèi)損耗時(shí)，開始出現(xiàn)激光振蕩，且腔內(nèi)激光光強(qiáng)快
速增加，反過(guò)來(lái)導(dǎo)致被動(dòng)調(diào)Q晶體的透過(guò)率增加，出現(xiàn)所謂的漂白現(xiàn) 象，如圖2所示。此時(shí)損耗很低，從而輸出高功率脈沖。隨著激光上 能級(jí)粒子數(shù)的減小，增益變小，激光光強(qiáng)變小，調(diào)Q晶體的損耗變大， 最終導(dǎo)致激光輸出的停止，完成一個(gè)激光脈沖的產(chǎn)生。上述過(guò)程的不 停的重復(fù)，就產(chǎn)生了脈沖系列。脈沖的寬度取決于調(diào)Q晶體的初始透
過(guò)率以及激光諧振腔的長(zhǎng)度；脈沖的峰值功率取決于調(diào)Q晶體的初始 透過(guò)率以及泵浦光點(diǎn)的大小；脈沖的重復(fù)頻率取決于調(diào)Q晶體的初始 透過(guò)率、泵浦光強(qiáng)度以及輸出鏡的反射率。本發(fā)明中采用了散熱器7對(duì)激光晶體5和調(diào)Q晶體6散熱，其作 用是可以有效控制兩晶體的工作溫度，降低激光器的熱透鏡效應(yīng)， 進(jìn)一步提高輸出激光的光束質(zhì)量。本發(fā)明所稱的半導(dǎo)體泵浦高重頻固體激光器，具有設(shè)計(jì)新穎、結(jié) 構(gòu)合理、緊湊小巧、效率高、無(wú)液冷(采用風(fēng)冷)、無(wú)需電子驅(qū)動(dòng)源， 可實(shí)現(xiàn)模塊化、小型化、工業(yè)化的批量生產(chǎn)等特點(diǎn)；具有工作效率高、 可以實(shí)現(xiàn)窄到lns的脈沖寬度、高至300kHz以上的重復(fù)頻率，且運(yùn) 行穩(wěn)定，性能良好、操作簡(jiǎn)便、易于推廣；本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于軍事 (如紅外對(duì)抗、紅外干擾等)、科研、材料加工(如表面處理、標(biāo)記) 等領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明半導(dǎo)體泵浦高重頻固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2被動(dòng)調(diào)Q晶體的透射率隨透射光的能量密度的變化曲線示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明所稱的半導(dǎo)體泵浦高重頻固體激光器的具體實(shí)施方式
，結(jié) 合圖l至2詳細(xì)敘述如下實(shí)施例1:本發(fā)明所稱的泵浦固體激光器由大功率光纖1耦合輸 出半導(dǎo)體激光器作為泵浦源、凸透鏡2和3、激光晶體5、被動(dòng)調(diào)Q
晶體6、腔鏡4和腔鏡8等構(gòu)成。腔鏡4和腔鏡8組成的諧振腔為直 線腔；腔鏡4直接鍍?cè)诩す饩w5的端面上，膜層要求為808mn波長(zhǎng) 光增透，1064nm波長(zhǎng)光高反；腔鏡8為獨(dú)立的平面1064mn波長(zhǎng)部分 反射鏡，反射率為75%。光纖l發(fā)射的808nm波長(zhǎng)的泵浦光依次通過(guò) 凸透鏡2和3、聚焦在激光晶體5上，激發(fā)產(chǎn)生1064nm波長(zhǎng)的激光， 再經(jīng)腔鏡4和腔鏡8組成的諧振腔振蕩放大，腔內(nèi)調(diào)Q晶體6調(diào)Q, 通過(guò)輸出鏡8輸出1064nm波長(zhǎng)的激光9。本例的泵浦源1采用了數(shù) 值孔徑為0. 22、芯徑為400 ii m的光纖輸出泵浦光；選取凸透鏡2的 焦距為6腿，凸透鏡3的焦距為12mm;調(diào)Q晶體6的材料為Cr: YAG， 初始透過(guò)率為90%;輸出鏡8為平面鏡，反射率為75%。腔長(zhǎng)為16mm。 根據(jù)上述參數(shù)在泵浦光為20W時(shí)可得到重復(fù)頻率為150kHz、脈沖寬 度為4. 5ns的1064nm波長(zhǎng)的脈沖激光，平均輸出功率可達(dá)6. 5W。在 激光晶體5和被動(dòng)調(diào)Q晶體6的外側(cè)面周圍貼覆了用銅材制作的散熱 器7。
實(shí)施例2:本例的技術(shù)方案與實(shí)施例l相同，但是選取的參數(shù)不 盡相同。泵浦源1的光纖激光輸出功率仍為20W,凸透鏡2的焦距仍 為6mm，凸透鏡3的焦距仍為12腿，調(diào)Q晶體6為Cr:YAG (即摻鉻 釔鋁石榴石)，初始透過(guò)率為95%，輸出鏡8的反射率為80%，腔長(zhǎng)為 13mm，其它參數(shù)同例1，最終得到重復(fù)頻率為200kHz、脈沖寬度為 4ns的1064nm波長(zhǎng)的脈沖激光，平均輸出功率為7W。
權(quán)利要求
1、一種半導(dǎo)體泵浦高重頻固體激光器，由大功率光纖(1)、聚焦系統(tǒng)、激光晶體(5)、被動(dòng)調(diào)Q晶體(6)、腔鏡(4)、腔鏡(8)構(gòu)成，其特征是，聚焦系統(tǒng)由凸透鏡(2、3)組成，也可以是不少于兩片透鏡的組合，腔鏡(4)和腔鏡(8)組成諧振腔；腔鏡(4)直接鍍?cè)诰w(5)的端面上，膜層要求為808nm波長(zhǎng)激光增透，1064nm波長(zhǎng)激光高反；腔鏡(8)為獨(dú)立的部分反射鏡，其膜層對(duì)1064nm波長(zhǎng)激光的應(yīng)有預(yù)定的發(fā)射率；光纖(1)輸出的泵浦光依次通過(guò)凸透鏡組(2、3)，在激光晶體(5)上聚焦激發(fā)產(chǎn)生1064nm波長(zhǎng)的激光，再經(jīng)腔鏡(4)和腔鏡(8)組成的諧振腔振蕩放大，腔內(nèi)調(diào)Q晶體(6)調(diào)Q，通過(guò)輸出鏡(8)輸出1064nm波長(zhǎng)的激光(9)，在激光晶體(5)和被動(dòng)調(diào)Q晶體(6)的外側(cè)面周圍設(shè)置了散熱器(7)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體泵浦高重頻固體激光器，其特 征是，聚焦系統(tǒng)用兩個(gè)凸透鏡(2、 3)組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體泵浦高重頻固體激光器， 其特征是，腔鏡(4)和腔鏡(8)組成的諧振腔為直線腔。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體泵浦高重頻固體激光器， 其特征是，輸出腔鏡(8)可以是凹面鏡，也可以是平面鏡或凸面鏡。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體泵浦高重頻固體激光器，其特 征是，被動(dòng)調(diào)Q晶體(6)可以是單塊的晶體，也可以是由多塊晶體 前后依次擺放組成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的半導(dǎo)體泵浦高重頻固體激光器， 其特征是散熱器(7)采用銅質(zhì)或鋁質(zhì)材料制作。
全文摘要
一種半導(dǎo)體泵浦高重頻固體激光器，由大功率光纖、聚焦系統(tǒng)、激光晶體、被動(dòng)調(diào)Q晶體、腔鏡(4)、散熱器、腔鏡構(gòu)成。聚焦系統(tǒng)由凸透鏡組成，也可以是不少于兩片透鏡的組合，腔鏡(4)和腔鏡(8)組成諧振腔；腔鏡(4)直接鍍?cè)诰w的端面上，光纖輸出的泵浦光依次通過(guò)凸透鏡組，經(jīng)腔鏡(4)和腔鏡(8)組成的諧振腔振蕩放大，腔內(nèi)調(diào)Q晶體調(diào)Q，通過(guò)輸出鏡(8)輸出激光。本發(fā)明具有設(shè)計(jì)新穎、結(jié)構(gòu)合理、緊湊小巧、效率高、無(wú)液冷、無(wú)需電子驅(qū)動(dòng)源，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的批量生產(chǎn)等特點(diǎn)；具有工作效率高、可以實(shí)現(xiàn)窄脈沖寬度、高重復(fù)頻率，且運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好、操作簡(jiǎn)便、易于推廣；本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于軍事、科研、材料加工等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01S3/08GK101132108SQ20071005305
公開日2008年2月27日 申請(qǐng)日期2007年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月28日
發(fā)明者汪建華, 鋒 王 申請(qǐng)人:武漢凌云光電科技有限責(zé)任公司