一種全固態雷射器的製造方法
2023-08-10 21:38:41 1
一種全固態雷射器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種全固態雷射器，該雷射器採用具有多個光譜反射峰的波長選擇性元件使泵浦系統發射的泵浦光波長隨溫度漂移離散化，而不再以連續的方式變化。選擇合適的離散值分別對應雷射工作物質較高的吸收係數，保證了雷射工作物質對泵浦光的充分吸收，從而獲得一個具有寬熱不敏感範圍的泵浦光束。利用該泵浦光束可實現寬溫度區間正常工作且無溫控的全固態雷射器。
【專利說明】
一種全固態雷射器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種全固態雷射器，特別涉及一種在寬溫區正常工作且無主動控溫的全固態雷射器。
【背景技術】
[0002]半導體雷射(LD)泵浦的固體雷射器稱為全固態雷射器(DPL),—般包括以下幾部分:雷射工作物質，一個能夠吸收泵浦光束並放大形成至少一個雷射福射的增益介質；泵浦系統，包括至少一個LD，能夠發出泵浦光束並用於泵浦增益介質；光傳輸系統，用於將泵浦系統產生的泵浦光束傳輸到增益介質中；光學諧振腔，用于振蕩放大產生雷射輻射。
[0003]眾所周知，泵浦系統發出的泵浦光光譜必須對應增益介質的吸收光譜，才能使雷射器正常運行。而LD —般具有幾個納米寬的發射光譜，同時該光譜會隨溫度變化以0.25?0.3nm/°C的幅度變化。
[0004]為了保證泵浦系統的發射光譜與雷射工作物質的吸收光譜的一致性，需要在泵浦系統中加入溫控系統，使LD的溫度變化範圍保證在0.5°C之內，以此來保證LD的發射光譜變化範圍在0.2nm之內。
[0005]然而在一些特殊應用中，雷射器的重量和啟動時間是非常重要的指標。增加溫控系統，需要增加很多重量，並且一般需要I到2分鐘的啟動時間，這成為了半導體雷射器的一個明顯劣勢。因此，目前DPL採用的技術效率較低，並且大多數較為笨重，不適應發展需要。要解決上述問題，有以下幾種方案:提高增益介質對雷射波長漂移的耐受性，以便泵浦光束多次通過雷射工作物質從而得到充分吸收；或被動穩定泵浦LD的發射波長。然而，上述解決方案僅能獲得一個波長漂移在3?5nm範圍內，對應LD的溫度漂移範圍在10?20°C內的雷射器。這種熱不敏感範圍，不足以滿足目前對雷射器的需求。
[0006]本發明採用波長選擇性元件將雷射器泵浦LD的波長隨溫度漂移離散化，即在一定溫度範圍內LD波長被鎖定在一個或幾個峰值，而當溫度進入下一範圍後，波長發生跳變，而不是隨溫度連續變化。通過選擇合適的峰值使其分別對應雷射工作物質較高的吸收係數，從而可以實現寬溫區內雷射工作物質對泵浦LD較高的吸收率，即可避免在寬溫區內雷射工作物質對泵浦LD光吸收不充分的情況。同時，波長選擇性元件不需要主動控溫，從而實現了在寬溫區正常工作且無溫控的DPL.
【發明內容】
[0007]本發明涉及一種DPL，該DPL的LD泵浦系統使獲得一個寬熱不敏感範圍(例如_20到40°C )的泵浦光束成為可能，利用該泵浦光束，實現雷射器在溫度區間正常工作且無溫控。
[0008]本發明的目的是這樣實現的:
[0009]所述的雷射器需要包括以下幾部分:至少一個泵浦LD能夠發射至少一個波長隨溫度而變化的泵浦光束；至少一個光束整形系統與泵浦LD相匹配；至少一個波長選擇性元件，用於選擇所述泵浦LD的其中一個或幾個波長；至少一個雷射工作物質能夠吸收泵浦光束並放大；至少一個光學諧振腔用于振蕩放大產生雷射輻射。
[0010]以Nd =YAG晶體用作雷射工作物質為例，其在800nm附近的吸收係數不盡相同，會有一些離散的吸收峰值，而吸收峰之間會存在較低吸收係數的區間，這樣在泵浦LD波長隨溫度連續變化的過程中，難免會在某些溫度下LD波長並未對準Nd:YAG的吸收峰，從而導致雷射晶體對泵浦光吸收不充分，無法實現寬的溫度範圍下DPL的正常運行。
[0011]波長選擇性元件(如多波長光子晶體)具有多個光譜反射峰，在各峰值的位置具有特定的反射率，其作為一種濾波裝置放置於準直過的LD前面，使LD輻射光被約束在光譜反射率峰值對應的波長上，實現了泵浦LD的波長隨溫度變化以離散形式變化，並且這些離散值對應多個預定波長中的其中一個，而這些所述的預定波長對應所述雷射晶體的各個吸收峰。也就是說在上述條件下，利用波長選擇性元件能夠獲得一個寬溫區對雷射工作物質具有高吸收效率的泵浦光束。在不同溫度下，每次選擇一個或者多個波長值，對應雷射工作物質的吸收峰，從而獲得具有一個極寬熱不敏感範圍的泵浦光束。然後經光束整形將泵浦光耦合至雷射工作物質，通過諧振腔將工作物質輻射受激放大產生雷射，從而實現了寬溫區無溫控DPL的正常工作。
[0012]本發明的一種全固態雷射器優越性在於:
[0013]本發明的上述全固態雷射器採用具有多個光譜反射峰的波長選擇性元件將泵浦LD的波長隨溫度漂移離散化，使得LD波長被鎖定在一個或幾個雷射工作物質的吸收峰值，保證了雷射工作物質對泵浦LD的充分吸收，實現了在寬溫區(例如-20到40°C )正常工作且不需要主動溫控的DPL，相比於已知的帶有溫控系統的雷射器，其具有重量輕，啟動時間短，功耗低，待機時間長等優點；相比於已知的被動穩定LD波長的雷射器，其熱不敏感範圍更大，即可以在更寬的溫度範圍內正常工作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明具體實施例1和2的簡化框圖；
[0015]圖2是實施例1中泵浦系統的示意圖；
[0016]圖3是實施例1中LD泵浦波長選擇示意圖；
[0017]圖4是實施例1中所用波長選擇性元件的光譜反射峰示意圖；
[0018]圖5是實施例1中LD波長隨溫度以離散形式變化示意圖；
[0019]圖6是實施例2中泵浦系統的示意圖；
[0020]圖7是實施例2中LD泵浦波長選擇示意圖。
【具體實施方式】
[0021]實施例1
[0022]如圖1所示，本實施例中的雷射器包括泵浦系統1、光傳輸系統2、雷射晶體3和光學諧振腔4:
[0023]雷射晶體3採用Nd =YAG晶體，尺寸為Φ 5x25mm，Nd3+摻雜濃度為I %，晶體雙端面鍍1064nm增透膜，可以吸收泵浦光束5，並放大產生沿X-X軸方向的雷射輻射；
[0024]一個標準的光傳輸系統2，如聚焦透鏡，用於引導泵浦系統I發射的泵浦光束5進入雷射晶體3，從而獲得X-X軸方向上的雷射輻射；
[0025]一個標準的光學諧振腔4，包括一個全反鏡7和一個輸出鏡8 (輸出耦合率40% )，兩片鏡片彼此相對放置。光學諧振腔4通過振蕩放大雷射晶體3泵浦得到的雷射輻射，達到一定強度後，透過輸出鏡8沿X-X軸方向獲得雷射輸出6 ；
[0026]泵浦系統I，其結構由圖2具體示出，包括一個雷射二極體10，被安裝在熱沉9上，能夠發射一泵浦光束5，波長在800nm附近；一個標準的準直裝置11，例如一個準直透鏡，與雷射二極體10相匹配；還包括一塊波長選擇性元件12，本實施例中採用多波長光子晶體。
[0027]雷射工作物質Nd =YAG晶體在800nm附近的吸收譜線如圖3所示，為了保證晶體對泵浦光能夠充分吸收，選擇泵浦LD波長分別鎖定到三個吸收峰λ 1、λ2、入3處，對應的波長分別為795.5,804.7,813.3nm.而圖2中波長選擇性元件12多波長光子晶體的光譜反射峰如圖4所示，經設計其反射峰Pl，P2，P3對應的波長分別對應所選擇的三個吸收峰波長，為795.5,804.7,813.3nm。多波長光子晶體在光譜反射率的峰值Pl至P3的位置具有特定的反射率R，其作為一種濾波裝置放置於準直過的雷射二極體10前面，輻射光14每次都被約束在光譜反射率峰值Pl至P3對應的波長上，實現輻射14的光譜離散化，使得泵浦光束5的波長與溫度的函數成為可能。當溫度從-20到40°C變化時，雷射二極體10發出的泵浦光束5的波長隨溫度不再以連續的方式變化，而是如圖5所示，以離散形式變化，每一個溫度下LD波長被鎖定在λ i至λ 3中一個或兩個波長，從而保證雷射晶體3對泵浦光束5始終具有良好的吸收，實現了從_20°C到40°C較寬的熱不敏感範圍且無主動控溫。
[0028]採用以上實驗裝置，在雷射二極體50mJ的泵浦下，溫度從_20到40°C變化時，雷射器均能正常工作，輸出1064nm雷射能量為5mJ，實現了寬溫區無溫控DPL的正常工作。
[0029]實施例2
[0030]如圖1所示，本實施例中的雷射器包括泵浦系統1、光傳輸系統2、雷射晶體3和光學諧振腔4。其中光傳輸系統2、雷射晶體3和光學諧振腔4與實施例1中相同，不再重述。
[0031]泵浦系統I，其結構由圖6具體示出，包括由10個LD組成的LD陣列10，被安裝在熱沉9上，發射波長在880nm附近的泵浦光束；每一個LD都經過一個微透鏡11準直；還包括一塊波長選擇性元件12，本實施例中採用法布裡-珀羅(FP)薄膜幹涉片。
[0032]雷射工作物質Nd:YAG晶體在880nm附近的吸收譜線如圖7所示,為了保證晶體對泵浦光能夠充分吸收，選擇泵浦LD波長分別鎖定到三個吸收峰λ P λ 2、λ 3處，對應的波長分別為869.0,875.5,885.8nm.而圖6中FP薄膜幹涉片的反射峰Pl，P2，P3對應所選擇的三個吸收峰波長，分別為795.5,804.7,813.3nm，其作為一種濾波裝置放置於準直過的LD陣列10前面，LD泵浦光每次都被約束在光譜反射率峰值Pl至P3對應的波長上，實現了光譜離散化。當溫度從-20到40°C變化時，LD陣列10發出的泵浦光束5的波長隨溫度以離散形式變化，每一個溫度下LD波長被鎖定在入1至λ 3中一個或兩個波長，從而保證雷射晶體3對泵浦光束5始終具有良好的吸收，實現了從-20°C到40°C較寬的熱不敏感範圍且無主動控溫。
[0033]採用以上實驗裝置，在LD陣列10mJ的泵浦下，溫度從-20到40°C變化時，雷射器均能正常工作，輸出1064nm雷射能量為15mJ，實現了寬溫區無溫控DPL的正常工作。
[0034]本發明還可以有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據本發明作出相應的改變和變型，但這些相應的改變和變型都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
【權利要求】
1.一種全固態雷射器，該雷射器包括泵浦系統、光傳輸系統、雷射工作物質和光學諧振腔；其特徵在於: 所述的泵浦系統包括至少一個波長選擇性元件，用於選擇半導體雷射(LD)發出的泵浦光束的波長；所述的波長選擇性元件具有多個光譜反射峰，對應特定分離的波長，溫度變化時LD波長會被鎖定在光譜反射峰對應的波長上，從而使泵浦系統獲得具有多個不同預定波長的泵浦光束，實現了泵浦光波長隨溫度漂移離散化；所述的預定波長分別對應雷射工作物質較高的吸收係數，保證了雷射工作物質對泵浦LD的充分吸收，從而獲得一個具有寬熱不敏感範圍的泵浦光束；所述的寬熱不敏感範圍的泵浦光束可用於實現寬溫度區間正常工作且無主動控溫的全固態雷射器。
2.按權利要求1所述的一種全固態雷射器，其特徵在於，所述的波長選擇性元件可以是多波長光子晶體、法布裡-珀羅薄膜幹涉片、光柵或鍍有多層介質膜的基片，具有多個光譜反射峰。
3.按權利要求1所述的一種全固態雷射器，其特徵在於，所述的泵浦系統除包括至少一個波長選擇性元件外還包括至少一個LD用於發射至少一個泵浦光束和至少一個準直裝置用於接收和準直所述泵浦光束。
4.按權利要求1所述的一種全固態雷射器，其特徵在於，所述的光傳輸系統可以是一個或多個透鏡、波導或自由空間，用於引導泵浦系統發射的泵浦光束進入雷射工作物質。
5.按權利要求1所述的一種全固態雷射器，其特徵在於，所述的雷射工作物質可以為晶體或陶瓷，形狀可以為圓棒狀或板條狀，可以吸收泵浦光束並放大。
6.按權利要求1所述的一種全固態雷射器，其特徵在於，所述的光學諧振腔包括一個全反鏡和一個輸出鏡，可以振蕩放大雷射工作物質泵浦得到的雷射輻射，達到一定強度後實現雷射輸出。
7.按權利要求1所述的一種全固態雷射器，其特徵在於，所述的雷射工作物質的泵浦方向可以是縱向、橫向、半橫向或其它任何方向。
【文檔編號】H01S3/16GK104393475SQ201410405772
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年8月19日 優先權日:2014年8月19日
【發明者】張小富, 劉天植, 陳臻懿, 林安英, 張玉珂, 謝仕永, 張帆, 商海慶, 安俊明 申請人:林安英, 陳臻懿