一種高功率脈衝雷射器的製作方法

2023-09-24 05:58:00 2

專利名稱：一種高功率脈衝雷射器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及雷射技術領域，尤其涉及一種高功率脈衝雷射器。
背景技術：
高功率固體脈衝雷射器是雷射技術發展的主要方向之一。而在高功率固體脈衝雷射器的發展中，主振蕩級與放大級結構雷射器由於其能同時兼顧高輸出功率和高光束質量的優勢而得到了廣泛應用。對於此類雷射器，其輸出脈衝的穩定性、峰值功率和光斑質量一直是人們關注的焦點。由於信號光脈衝的穩定性差，放大級結構設計不合理等因素直接導致了雷射器輸出性能差。國內外採用了不同的種子源和泵浦源以不同的入射和泵浦方式並設計了不同的放大級結構以此來提高脈衝輸出質量，但都存在不足。如中國專利局2010年5月19日公告的實用新型專利《一種側面泵浦的薄片雷射器結構》(申請號200920194107. 9)，公開了一種大功率雷射器結構，雷射泵浦光源通過光學準直系統對雷射 諧振腔內的雷射增益介質泵浦，其中雷射諧振腔包括前腔鏡、後腔鏡、雷射增益介質和其他光學元件。其雷射泵浦光源作為種子源存在輸出脈衝穩定性差、重複頻率無法控制等缺點。其放大級結構採用信號光單次通過的放大方式，這種結構提取能量少。而雷射放大增益介質採用側面膠合一同基質的梯形光學晶體，另一面膠合一散熱構件，該結構雖然解決了大功率雷射器的散熱問題，但其結構相對複雜，製作加工相對不易。
發明內容為克服上述問題，本實用新型提出一種高功率脈衝雷射器，功率輸出穩定、結構更簡單。為達到上述目的，本實用新型所提出的技術方案為一種高功率脈衝雷射器，包括脈衝種子源、第一準直耦合系統和至少一個雷射放大級；所述雷射放大級包括泵浦源、第二準直耦合系統、增益介質和散熱構件；所述增益介質包括入射面、出射面和四個側面；所述散熱構件鍍有對泵浦光增透的增透膜，光膠或鍵合於增益介質的一側面；所述泵浦源發出的泵浦光通過第二準直耦合系統對增益介質進行側面泵浦；所述脈衝種子源發出的種子光經第一準直耦合系統後由增益介質的入射面輸入，與增益介質的泵浦長條區域重疊激勵增益介質，由出射面輸出放大的雷射脈衝。進一步的，還包括一偏振分束元件、旋光元件和全反射鏡，所述偏振分束元件置於增益介質的入射面之前，所述旋光元件和全反射鏡依次設於增益介質的出射面之後，全反射鏡將增益介質輸出的放大光沿原方向返回。或者還包括一微片構件，設於第一準直耦合系統與增益介質之間。進一步的，還包括一微片構件，所述微片構件設於第一準直耦合系統與偏振分束元件之間；旋光元件和全反射鏡依次設於增益介質的出射面之後，全反射鏡將增益介質輸出的放大光沿原方向返回。進一步的，所述脈衝種子源為脈衝調製半導體雷射器；所述泵浦源採用單管LD或LD陣列，或者燈泵浦，為連續泵浦或脈衝泵浦。進一步的，所述第一準直耦合系統和第二準直耦合系統為球面透鏡、光纖準直器或柱面透鏡，或者其中兩個或三個的組合。進一步的，所述散熱構件為與增益介質同基質的未摻雜晶體稜台薄片；所述增益介質的入射面和出射面為梯形或矩形。進一步的，所述旋光元件為λ/4波片。進一步的，所述微片構件為主動調Q雷射腔、被動調Q雷射腔、穩頻系統、選模元件、隔離元件、頻率轉換晶體、削波元件或光束整形元件。進一步的，所述微片構件、偏振分束元件和旋光元件的通光面鍍種子光的增透膜。 本實用新型的有益效果本實用新型的一種高功率脈衝雷射器以脈衝調製半導體雷射器為脈衝種子源，將受調製的脈衝種子光注入到側面泵浦的雷射放大級增益介質中，種子光入射後在增益介質中通過擦反射(掠入射)或透射方式與泵浦長條區域重合以實現光放大,提高輸出光脈衝的峰值功率,而且輸出功率穩定,頻率可調,光斑質量也得到改善，同時簡化了結構，降低了成本；並通過在增益介質受泵浦面上深化光膠未摻雜晶體散熱構件，以改善增益介質的散熱性能。

圖I為本實用新型實施例一結構示意圖；圖2為本實用新型實施例二結構示意圖；圖3為本實用新型實施例三結構示意圖；圖4為本實用新型實施例四結構示意圖；圖5為本實用新型雷射放大級LD陣列泵浦結構示意圖；圖6為本實用新型雷射放大級單管LD泵浦結構示意圖；圖7為本實用新型增益介質與散熱構件組合示意圖。附圖標記1、脈衝種子源；2、第一準直耦合系統；3、雷射放大級；301、泵浦源；301a、LD陣列；301b、單管LD ;302、第二準直耦合系統；303、增益介質；304、散熱構件；305、光膠層；4、偏振分束器；5、旋光兀件；6、全反射鏡；7、微片構件；S1、入射面；S2、出射面。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
，對本實用新型做進一步說明。如圖I為本實用新型的高功率脈衝雷射器基本結構，包括脈衝種子源I、第一準直耦合系統2和至少一個雷射放大級3 ;其中，雷射放大級3包括泵浦源301、第二準直耦合系統302、增益介質303和散熱構件304 ;增益介質303包括入射面SI、出射面S2和四個側面；散熱構件304鍍有對泵浦光增透的增透膜，並光膠或鍵合於增益介質303的一側面；泵浦源301發出的泵浦光通過第二準直耦合系統302對增益介質303進行側面泵浦；脈衝種子源I發出的種子光經第一準直耦合系統2後由增益介質303的入射面SI輸入，與增益介質303的泵浦長條區域重疊激勵增益介質303，由出射面S2輸出放大的雷射脈衝。優選的，脈衝種子源I採用脈衝調製半導體雷射器，受調製的半導體雷射脈衝種子光注入到側面泵浦的增益介質303中，與泵浦長條區域重疊，以實現光放大，提高輸出光脈衝的峰值功率。該結構選擇脈衝調製半導體雷射器調製脈衝作為種子光注入，降低了成本，且頻率可調，受到客戶歡迎。其中雷射放大級的增益介質採用可以獲得良好提取效率的雷射晶體，如Nd:YV04。如圖2所示為本實用新型的實施例二結構示意圖，與基本結構不同的是在系統中增加了偏振分束兀件4、旋光兀件5和全反射鏡6。偏振分束兀件4置於第一準直稱合系統2與雷射放大級3增益介質303之間；旋光元件5和全反射鏡6依次置於增益介質303的出射面S2之後，全反射鏡6將增益介質303輸出的放大光沿原方向返回，使得種子光可以往返通過兩個或兩個以上的雷射放大級結構，以產生放大的高功率脈衝輸出，本實施例採用了兩個雷射放大級。脈衝種子源I發出的種子光經第一準直耦合系統2之後，以線偏
振方式全部透射出偏振分束元件4後，進入第一雷射放大級的增益介質303，以擦反射或透射方式與增益介質的泵浦長條區域重疊以實現光放大，種子光經兩個雷射放大級3放大之後，進入旋光元件5，其偏振方向被旋轉45°，之後由全反射鏡6沿原方向返回，再次經過旋光兀件5,偏振方向再次被旋轉45° ,從而其偏振方向與原種子光偏振方向垂直,再次經過兩個雷射放大級3的放大之後，由偏振分束元件4反射輸出。優選的，本結構採用的旋光元件5為λ/4波片,經λ/4波片的兩次旋光作用,放大光的偏振方向與種子光的偏振方向垂直。偏振分束兀件4可以為種子光透射輸入,放大光反射輸出；也可以為種子光反射輸入，放大光透射輸出。本實施例的雙級反射結構的增益係數可達104，若輸入種子光功率為lmw，則放大輸出光功率可達10W。如圖3所示為本實用新型實施例三結構示意圖，與基本結構不同的是在系統中增加了一微片構件7，設置於第一準直耦合系統2與第一雷射放大級3的增益介質303之間。其中，微片構件7可以是主動調Q雷射腔、被動調Q雷射腔、穩頻系統、選模元件、隔離元件、頻率轉換晶體、削波元件或光束整形元件等。當微片構件7為主動調Q雷射腔或被動調Q雷射腔時，脈衝種子源I可以作為該雷射腔的泵浦源，以該雷射腔發出的雷射為種子光注入雷射放大級3的增益介質303。當微片構件7為其他光學元件時，脈衝種子源I發出的種子光經第一準直耦合系統2耦合進入該微片構件7，經其穩頻、選模或整形等處理之後注入雷射放大級3的增益介質303。優選的，本實施例採用了兩個雷射放大級3，種子光注入雷射放大級3增益介質303的泵浦長條區域重疊以實現光放大，該結構中，入射光以透射方式依次通過兩個雷射放大級，最後從第二雷射放大級增益介質的出射面輸出放大的雷射脈衝。對於透射式的雷射放大級結構，被放大的雷射可能由於不能完全重疊的原因而導致輸出光斑不完整，此時，可在光輸出端增加毛細管光闌等空間濾波器，以提高光斑質量，並且可以將經過多級放大後的高功率脈衝雷射耦合到單模光纖中以獲得TEMOO模。如圖4所示為本實用新型實施例四結構示意圖，結合了實施例二和三，在基本結構的基礎上增加了微片構件7、偏振分束兀件4、旋光兀件5和全反射鏡6,微片構件7和偏振分束元件4依次設於第一準直耦合系統2與增益介質303之間；旋光元件5和全反射鏡6依次設於增益介質303的出射面S2之後，全反射鏡6將增益介質303輸出的放大光沿原方向返回。上述微片構件設於第一準直耦合系統與偏振分束元件之間，受調製的脈衝種子光經第一準直耦合系統2進入微片構件7，由其穩頻、選模或整形等之後以線偏振方式全部透射過偏振分束元件4之後注入雷射放大級3的增益介質303，與增益介質303的泵浦長條區域重疊以實現光放大，放大光進入旋光兀件5,其偏振方向被旋轉45° ,之後由全反射鏡6沿原方向返回，再次經過旋光元件5，偏振方向再次被旋轉45°，從而其偏振方向與原種子光偏振方向垂直，再次經過雷射放大級的放大之後，由偏振分束元件4反射輸出放大的雷射脈衝。如圖5和6所示為本實用新型的高功率脈衝雷射器採用的雷射放大級3結構示意圖，圖5為採用LD陣列泵浦301，圖6為採用單管LD泵浦，還可以採用燈泵等其他泵浦源，泵浦方式可以是連續泵浦，也可以是脈衝泵浦。其中，第二準直耦合系統302可以採用球面透鏡、光纖準直器或柱面透鏡，或者其中兩個或三個的組合。對於LD陣列泵浦，可以通過球面透鏡或柱面透鏡等準 直系統將泵浦光約束在一定的尺寸內，如圖5中將泵浦光約束在增益介質303上長度為L的區域內，以此泵浦增益介質303。對於單管LD，可以採用光纖準直器使泵浦光一個方向自然發散，另一正交方向上的光束會聚為寬度不同的尺寸，以此泵浦增益介質303。如圖7所示為上述各結構中雷射放大級3的增益介質303與散熱構件304組合示意圖，該增益介質303為一六面稜台，其入射面SI和出射面S2為梯形或矩形，便於產生掠入射，消除標準具效應，也可以作成布氏角等；散熱構件304採用與增益介質303同基質的未摻雜晶體稜台薄片，其出射面與增益介質303的反射側面通過光膠層305光膠或鍵合在一起，以此消除增益介質303反射面的端面效應，改善其散熱性能。同時，可使梯形的增益介質303的底邊減少崩邊,避免因此而引起的損耗。上述各實施例中，第一準直耦合系統2可以是球面透鏡、光纖準直器或柱面透鏡等，或者其中兩個或三個的組合。微片構件7、偏振分束元件4和旋光元件5等各光學元件的通光面均鍍有種子光的增透膜。儘管結合優選實施方案具體展示和介紹了本實用新型，但所屬領域的技術人員應該明白，在不脫離所附權利要求書所限定的本實用新型的精神和範圍內，在形式上和細節上對本實用新型做出的各種變化，均為本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種高功率脈衝雷射器，包括脈衝種子源、第一準直耦合系統和至少一個雷射放大級，其特徵在於所述雷射放大級包括泵浦源、第二準直耦合系統、增益介質和散熱構件；所述增益介質包括入射面、出射面和四個側面；所述散熱構件鍍有對泵浦光增透的增透膜，並光膠或鍵合於增益介質的一側面；所述泵浦源發出的泵浦光通過第二準直耦合系統對增益介質進行側面泵浦；所述脈衝種子源發出的種子光經第一準直耦合系統後由增益介質的入射面輸入，與增益介質的泵浦長條區域重疊激勵增益介質，由出射面輸出放大的雷射脈衝。
2.如權利要求I所述高功率脈衝雷射器，其特徵在於還包括一偏振分束元件、旋光元件和全反射鏡，所述偏振分束元件置於增益介質的入射面之前，所述旋光元件和全反射鏡依次設於增益介質的出射面之後，全反射鏡將增益介質輸出的放大光沿原方向返回。
3.如權利要求I所述高功率脈衝雷射器，其特徵在於還包括一微片構件，設於第一準直耦合系統與增益介質之間。
4.如權利要求2所述高功率脈衝雷射器,其特徵在於還包括一微片構件,設於第一準直耦合系統與偏振分束元件之間。
5.如權利要求1-4任一項所述高功率脈衝雷射器，其特徵在於所述脈衝種子源為脈衝調製半導體雷射器；所述泵浦源採用單管LD或LD陣列，或者燈泵浦，為連續泵浦或脈衝泵浦。
6.如權利要求1-4任一項所述高功率脈衝雷射器，其特徵在於所述第一準直耦合系統和第二準直耦合系統為球面透鏡、光纖準直器或柱面透鏡，或者其中兩個或三個的組合。
7.如權利要求1-4任一項所述高功率脈衝雷射器，其特徵在於所述散熱構件為與增益介質同基質的未摻雜晶體稜台薄片；所述增益介質的入射面和出射面為梯形或矩形。
8.如權利要求2或4任一項所述高功率脈衝雷射器，其特徵在於所述旋光元件為入/4波片。
9.如權利要求3或4所述高功率脈衝雷射器，其特徵在於所述微片構件為主動調Q雷射腔、被動調Q雷射腔、穩頻系統、選模元件、隔離元件、頻率轉換晶體、削波元件或光束整形元件。
10.如權利要求4所述高功率脈衝雷射器，其特徵在於所述微片構件、偏振分束元件和旋光元件的通光面鍍種子光的增透膜。
11.如權利要求3所述高功率脈衝雷射器，其特徵在於所述微片構件的通光面鍍種子光的增透膜。
12.如權利要求2所述高功率脈衝雷射器，其特徵在於所述偏振分束元件和旋光元件的通光面鍍種子光的增透膜。
專利摘要本實用新型涉及雷射技術領域，公開了一種高功率脈衝雷射器，包括脈衝種子源、第一準直耦合系統和至少一個雷射放大級，其中雷射放大級包括泵浦源、第二準直耦合系統、增益介質和散熱構件；以脈衝調製半導體雷射器為脈衝種子源，將受調製的脈衝種子光注入到側面泵浦的雷射放大級增益介質中，種子光入射後在增益介質中通過擦反射或透射方式與泵浦長條區域重合以實現光放大，提高輸出光脈衝的峰值功率。該結構高功率脈衝雷射器輸出功率穩定，頻率可調，光斑質量也得到改善，同時簡化了結構，降低了成本；並通過在增益介質受泵浦面上深化光膠未摻雜晶體散熱構件，以改善增益介質的散熱性能。
文檔編號H01S3/00GK202678714SQ201220294069
公開日2013年1月16日 申請日期2012年6月21日 優先權日2012年6月21日
發明者吳礪, 賀坤, 校金濤, 林磊 申請人:福州高意通訊有限公司