雷射二極體端面泵浦平凸非穩腔雷射器的製作方法
2023-04-25 09:13:16
專利名稱：雷射二極體端面泵浦平凸非穩腔雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射器，尤其是涉及一種雷射二極體端面泵浦平凸非穩腔Nd:YAP1080nm雷射器。
背景技術：
目前，雷射二極體(LD)泵浦固體雷射器中主要採用微片結構、環形腔結構、V形結構和三明治結構。
採用微片結構的典型例子是馬立蘋等人於2000年發表的文章(馬立蘋，胡鴻璋，李增智，孟憲林，LD抽運Nd:YVO4的平-平腔微片雷射器，中國雷射，Vol.A 27，No.6，June，2000)中採用的結構，這種雷射器結構緊湊、簡單、效率較高、體積小、易於實現單頻運轉、光束質量高、易於集成、適合大批量生產，是目前雷射器結構設計的一個熱點。但這種結構對晶體加工精度要求較高，且需要非常高的粘接工藝。
採用環形腔結構的典型例子是張存滿等人(張存滿，趙洋，李達成，LD抽運內腔倍頻532nm微型環形腔雷射器的設計，中國雷射，Vol.A 28，No.2 February，2001)在2001年發表的文章中採用的結構。其優點是由於連續雷射在一個晶體內向同一方向行進，能有效地縮短線寬，易於得到單頻輸出，且結構簡單、穩固、效率高，並有較好的功率穩定性和頻率穩定性。存在的問題是諧振腔內置有多個反射鏡，因此對振動或環境的變化敏感。
採用V型結構的例子很多，O.Guy等人(O.Guy et al.Mode-locked diode-pumped Nd:YAPlaser.Opt Comm 1996；13041-43)在1996年發表的文章中採用的結構，採用V型結構的雷射器將變得更加緊湊，比較實用，但由於其工作穩定區比較小，為了使雷射器工作在穩區之內，腔長及摺疊角的選取及光路調整較複雜，且輸出的雷射方向發生偏轉和結構也略顯複雜。
在雷射器設計過程中，三明治結構是最為人們所採用的一種結構，這種結構既簡單又實用，比較適合於科研和生產。
國際上，在法國，從20世紀90年代中期至今，裡莫日光通信學院的O.Guy等人(O.Guyet al.Mode-locked diode-pumped Nd:YAP laser.Opt Comm 1996；13041-43)研究成功鎖模Nd:YAP雷射器，裡昂一大的R.Moncorge等人對Nd:YAP醫療雷射器進行了廣泛的研究。值得注意的是，勃艮底大學M.Boucher等人(M.Boucher et al.，Multiwatt CW diode end-pumpedNd:YAP laser at 1.08 and 1.34μminfluence of Nd doping level.Opt Comm.2002；212139-148)用光纖耦合LD端面泵浦Nd:YAP晶體，獲得5.4W 1080nm、3.7W 1341nm連續雷射輸出。這是據我們所知，至今為止LD端面泵浦Nd:YAP雷射器獲得的最大雷射輸出功率。國內對於LD泵浦Nd:YAP雷射器的研究，只有山西大學李曉英等人(Xiaoying Li et al.LD pumpedintracavity frequency-doubled and frenquency-stabilized Nd:YAP/KTP laser with 1.1W output at540nm，Opt Comm，2002；201165-171)運用光纖耦合LD端面泵浦Nd:YAP晶體腔內倍頻獲得1.1W的540nm綠光輸出，但存在著輸出功率較小和熱效應較為嚴重等問題。
發明內容
本發明的目的在於針對已有LD泵浦固體雷射器所採用的結構較為複雜，輸出穩定性較低等不足，提供一種性能較好、輸出穩定性較高，輸出功率較大的雷射二極體端面泵浦平凸非穩腔雷射器。
本發明設有光纖耦合輸出的803nm連續雷射二極體(LD)；耦合光纖，耦合光纖輸入端接雷射二極體的光纖耦合輸出端；平面輸入鏡，平面輸入鏡的輸入端接耦合光纖的輸出端；帶溫控裝置的Nd:YAP雷射晶體，雷射晶體的輸入端面接平面輸入鏡，溫控裝置可採用常規的半導體製冷器，帶溫控裝置的Nd:YAP雷射晶體和光學耦合系統固定於基座上；雷射輸出凸腔鏡，設於Nd:YAP雷射晶體的輸出端，作為雷射器的輸出腔鏡。
平面輸入鏡為803nm增透和R＞99.5％的1080nm高反介質膜，直接鍍在Nd:YAP雷射晶體的輸入端面，作為雷射器的輸入腔鏡。
雷射輸出凸腔鏡可採用鍍T＞99％的808nm高反和1080nm部分透射(T＝2％或6％)介質膜。
在雷射器設計過程中，本發明採用LD大模式直接耦合進晶體進行泵浦，將LD的發光面緊貼增益介質，使雷射二極體輸出光束在未發散之前被增益介質吸收，從而可以充分利用泵浦功率，使整個雷射器更趨於緊湊。此外，本發明選擇雷射晶體的另一端面直接鍍1080nm增透(T＝95％)。對於腔體，本發明選取對熱效應較不敏感的、有大可控模體積的非穩定腔結構，有效地補償了LD泵浦固體雷射器的熱透鏡效應，提高了雷射器性能和輸出穩定性。晶體的選擇則增加雷射棒長度及減小其端面直徑，以期達到泵浦光模式和雷射模式的最佳匹配。
本發明的突出效果將在具體實施方式
中加以進一步的說明。
圖1為雷射二極體端面泵浦平凸非穩腔雷射器結構框圖。
圖2為雷射二極體端面泵浦平凸非穩腔雷射器裝置圖。
圖3為1080nm雷射光譜。
圖4為雷射光斑遠場強度分布。
圖5為不同泵浦功率下對應的輸出功率。輸出鏡曲率半徑為D＝-1000mm。
具體實施例方式
如圖1，2所示，本發明包含三部分光學耦合系統、晶體設計與溫控裝置和諧振腔體設計。更具體地說，本發明由如下幾個部分構成(從左至右)光纖耦合輸出的803nm連續雷射二極體LD通過400μm光纖束(耦合光纖S)耦合至平面輸入鏡M1，兩者之間的間距為d(如圖2所示)；帶溫控裝置的Nd:YAP雷射晶體的輸入端面作為平面輸入鏡，溫控裝置採用常規的半導體製冷器TEC，帶溫控裝置的Nd:YAP雷射晶體和光學耦合系統固定於紫銅晶體架Q上；凸面輸出鏡M2(即雷射輸出凸腔鏡)設於Nd:YAP雷射晶體的輸出端，作為雷射器的輸出腔鏡。
在圖2中，雷射晶體Nd:YAP由帶溫控裝置TEC的紫銅包裹著，以達到有效冷卻的目的，雷射晶體的具體鍍膜指標如下在Nd:YAP晶體的輸入端面上直接鍍803nm增透(HT@803nm，T≈97％)和1080nm高反(HR@1080nm，R＞99.5％)介質膜，作為雷射器的平面輸入鏡，輸出端面鍍上1080nm增透(HT@1080nm)，以減少腔內損耗；雷射輸出凸腔鏡M2鍍808nn高反(T＞99％)和1080nm部分透射(T＝2％或6％)介質膜，作為雷射器的輸出腔鏡。凸面輸出鏡輸出TEM00 1080nm雷射。
整個光學耦合系統、晶體設計與溫控裝置和諧振腔體設計固定於10mm厚的硬鋁型材上，各個部分均由安裝在三維和五維精密調整架上，便於調整至同一光路上，硬鋁型材的另外一個重要作用是起到TEC2的散熱效果(附微型風扇)；在運用平-凸非穩定諧振腔進行實驗獲得穩定的雷射輸出後，首先對輸出的雷射譜線進行了測量(參見圖3)以確定為1080nm的雷射輸出。在圖3中，分別在雷射閾值時(Pout＝0.1W)、低功率雷射輸出時(Pout＝0.5W)和較高功率雷射輸出時(Pout＝0.1W)的輸出雷射譜線進行了測量。
同時，對雷射光斑也進行了測量。當雷射輸出功率為2.1W時，圖4是在距離晶體後端面816mm處測量到的雷射光斑大小，並對測量結果進行了高斯擬合，發現所得到的雷射光束呈較好的高斯分布，似乎為TEM00基模，這種結果的物理原因目前尚不清楚，有待進一步探究。
最終獲得最大輸出功率近8W的LD泵浦Nd:YAP全固體雷射器，這是至今輸出最大功率的LD泵浦Nd:YAP全固體雷射器。圖5顯示的是輸出凸透鏡的曲率半徑D為-1000mm，反射率R分別為98％和94％時輸出的1080nm雷射功率與輸出泵浦光功率的關係圖，可見，前者輸出雷射性能更好。下表是本發明的實驗成果與國內外報導的最高水平的比較情況。
主要指標對比一覽表
權利要求
1.雷射二極體端面泵浦平凸非穩腔雷射器，其特徵在於設有光纖耦合輸出的803nm連續雷射二極體LD；耦合光纖，耦合光纖輸入端接雷射二極體的光纖耦合輸出端；平面輸入鏡，平面輸入鏡的輸入端接耦合光纖的輸出端；帶溫控裝置的Nd:YAP雷射晶體，雷射晶體的輸入端面接平面輸入鏡，帶溫控裝置的Nd:YAP雷射晶體和光學耦合系統固定於基座上；雷射輸出凸腔鏡，設於Nd:YAP雷射晶體的輸出端，作為雷射器的輸出腔鏡。
2.如權利要求1所述的雷射二極體端面泵浦平凸非穩腔雷射器，其特徵在於平面輸入鏡為803nm增透和R＞99.5％的1080nm高反介質膜，直接鍍在Nd:YAP雷射晶體的輸入端面，作為雷射器的輸入腔鏡。
3.如權利要求1所述的雷射二極體端面泵浦平凸非穩腔雷射器，其特徵在於雷射輸出凸腔鏡採用鍍T＞99％的808nm高反和T＝2％或6％的1080nm部分透射介質膜。
全文摘要
雷射二極體端面泵浦平凸非穩腔雷射器，涉及一種雷射器，尤其是涉及一種雷射二極體端面泵浦平凸非穩腔Nd:YAP 1080nm雷射器。提供一種性能較好、輸出穩定性較高，輸出功率較大的雷射二極體端面泵浦平凸非穩腔雷射器。設有光纖耦合輸出的803nm連續雷射二極體；耦合光纖輸入端接雷射二極體輸出端；輸入鏡輸入端接耦合光纖輸出端；雷射晶體輸入端面接輸入鏡，雷射輸出凸腔鏡設於雷射晶體輸出端。採用LD大模式直接耦合進晶體進行泵浦，將LD發光面緊貼增益介質，使LD輸出光束在未發散之前被增益介質吸收，可充分利用泵浦功率，雷射器更緊湊。腔體設計有效補償LD泵浦雷射器熱透鏡效應，提高雷射器性能和輸出穩定性。
文檔編號H01S3/0941GK1688071SQ20051007871
公開日2005年10月26日 申請日期2005年6月3日 優先權日2005年6月3日
發明者蔡志平, 許惠英, 馬沂 申請人:廈門大學