一種基于波長鎖定半導體雷射模塊的銩雷射器的製作方法

2023-04-25 00:55:01

本發明屬於雷射技術領域，具體涉及一種基于波長鎖定半導體雷射模塊的銩雷射器，用以提高大功率LD泵浦Tm雷射器光光轉換效率。

背景技術：

稀土銩Tm離子摻雜固態雷射器的雷射波長覆蓋了水分子及溫室氣體分子的特徵吸收峰，在遙感、環境監測以及生物醫療等領域有廣泛的應用價值和前景。同時，該雷射器也是過度金屬摻雜雷射器和基於磷鍺鋅晶體的光參量振蕩器的大功率泵浦源，用於實現中紅外3～5微米雷射輸出。目前，Tm雷射器的工作物質有光纖、晶體以及陶瓷三大類。其中，摻銩雷射晶體具有結構緊湊、易於裝卸和工藝成熟等特點而得到廣泛應用。在Tm雷射晶體中，釔鋁石榴石YAG晶體具有高機械性能、高熱導率以及易於擴散鍵合等綜合優勢，成為2微米Tm雷射器研製的首選材料。在逐步提高半導體泵浦Tm:YAG雷射器在室溫下的輸出功率的同時，雷射器效率的提高最為關鍵，這體現在雷射器的光光轉換效率上。光光效率的提高，一方面增加了同一泵浦吸收功率下的雷射輸出功率，另一方面則減少了雷射晶體中熱量的積聚，改善了易受熱效應影響的雷射光束質量惡化和輸出功率飽和問題。

針對準三能級Tm雷射器對溫度敏感，存在基態再吸收損耗及能量上轉換損耗等特點，目前提高Tm:YAG雷射器效率的主要方法有兩鍾，一種是將雷射晶體冷卻到零下溫度，例如通過液氮或液氦來降溫；另一種是減低泵浦光功率。然而這兩種方法均無法滿足實際應用中對室溫工作和高功率輸出的要求。綜合國內外文獻報導，目前室溫下工作的高功率Tm:YAG雷射器均採用普通的半導體雷射器泵浦。半導體雷射器的工作波長隨泵浦功率的增加和半導體溫度的增加而出現紅移，容易偏離雷射晶體的吸收峰，造成雷射轉換效率減低。與此同時，普通半導體雷射器的線寬在3nm左右，雖然與雷射晶體的吸收峰或激發峰的半高寬相近，但能夠得到最有效吸收的泵浦光子也只是位於吸收峰位置佔小部分比例的光子。因此，當前室溫下大功率Tm：YAG雷射器的光光轉換效率均低於35％。

技術實現要素：

本發明為了解決上述技術問題，提出了一種基于波長鎖定半導體雷射模塊的銩雷射器，用以實現大功率Tm雷射器在室溫下的高效率輸出，將其光光轉換效率提高到45％。

本發明提出的一種基于波長鎖定半導體雷射模塊的銩雷射器，包括波長鎖定的窄線寬半導體雷射器模塊、泵浦光準直聚焦模塊和雷射諧振腔模塊；半導體泵浦光經波長鎖定的窄線寬半導體雷射器模塊輸出到泵浦光準直聚焦模塊後，通過雷射諧振腔模塊產生雷射輸出。

優選地，該波長鎖定的窄線寬半導體雷射器模塊包括波長鎖定的窄線寬半導體雷射器和多模光纖，該波長鎖定的窄線寬半導體雷射器包括半導體雷射器和體布拉格光柵，半導體雷射器發出的半導體泵浦光經過體布拉格光柵進行波長鎖定及線寬壓縮後輸出給多模光纖。

優選地，雷射諧振腔模塊為平凹腔結構，包括高反射率腔鏡、夾有雷射晶體的冷卻銅塊以及耦合輸出鏡。

更優選地，夾有雷射晶體的冷卻銅塊包括冷卻銅塊以及安裝在銅塊裡面的雷射晶體，雷射晶體為單端鍵合的Tm：YAG晶體。

更優選地，冷卻銅塊上設置有水嘴，與外置的控溫水箱組成雷射晶體的水冷迴路，冷卻水溫度控制在10-25℃。

更優選地，雷射晶體摻雜部分長度為14—20mm，摻雜濃度在2—5a.t.％之間，鍵合的無摻雜部分長度<4mm。

更優選地，高反射率腔鏡和耦合輸出鏡以及雷射晶體的對稱中心調整到同一條直線上。

更優選地，高反射率腔鏡的第二面與雷射晶體第一面的距離小於10mm，雷射晶體第二面與耦合輸出鏡第一面的距離在10-50mm之間。

優選地，泵浦光準直聚焦模塊是由兩片規格相同的平凸透鏡組成的共軛成像系統。

更優選地，多模光纖的輸出端接口與泵浦光準直聚焦模塊一同封裝在同一個鋁材料鏡筒，該兩片相同規格的平凸透鏡填裝到該鋁材料鏡筒中並固定，將多模光纖的輸出端固定到鋁材料鏡筒的輸入端，固定時確保多模光纖的輸出端與鏡筒輸入端連接上時多模光纖的輸入端面與平凸透鏡第一面的距離為平凸透鏡的後焦距，用以保證入射平凸透鏡後的泵浦光得到準直。

本發明的有益效果：

1.本發明通過對Tm：YAG晶體吸收譜數據、高精度激發譜數據的一系列實驗分析，本發明首次提出將作為雷射器泵浦模塊的大功率半導體雷射器的波長鎖定到Tm：YAG晶體的最佳激發峰位置並對其線寬進行壓縮，並將具有上述特點的大功率LD應用到2微米Tm雷射器件中，從而將Tm：YAG晶體的光光轉換效率提高到45％，並實現大於10W的雷射輸出， 光光轉換效率高出同類型Tm：YAG雷射器至少10％。

2.本發明可以通過一臺冷卻水箱將晶體和LD的工作溫度控制在15℃±10℃的範圍內，而不用考慮LD的輸出波長和線寬會因為工作溫度的變化而大幅改變，以致偏離晶體的激發峰，造成雷射效率的減低。

3.本發明提出的整套系統結構緊湊、穩定和小型化。雷射器的腔長在3-8cm範圍內，光纖輸出端接口和準直聚焦系統均封裝在一個鏡筒內，以便於固定在常規的光學調整架上。

4.本發明採用平凹腔設計雷射諧振腔，具有大腔模體積，對雷射模式進行優化以及增加諧振腔熱穩定性範圍的作用。

綜上所述，採用本發明的技術方案可確保高功率Tm:YAG雷射器在室溫條件下保持高效率運行。

附圖說明

圖1是本發明提出的基于波長鎖定半導體雷射模塊的銩雷射器的結構示意圖。

圖2是本發明的雷射諧振腔模塊中Tm雷射模塊的整體結構示意圖。

圖中標記：1——波長鎖定的窄線寬半導體雷射器，2——多模光纖，3——鋁材料鏡筒，4、5——平凸透鏡，6——高反射率腔鏡，7——夾有雷射晶體的冷卻銅塊，8——耦合輸出鏡，9——水嘴，10——鋁材料隔熱底座

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。但本領域技術人員知曉，本發明並不局限於附圖和以下實施例。

本發明的工作原理是，通過體布拉格光柵將半導體雷射器的波長鎖定在Tm：YAG晶體的激發峰附近，線寬壓縮到激發峰的半高寬之內。經過波長鎖定和線寬壓縮後的大功率泵浦光經過準直聚焦系統聚焦到擴散鍵合的Tm:YAG晶體上，並通過實驗分析，將冷卻水的水溫控制在一個最佳的溫度點上，具體是在10—25℃之間的某個特定值，以保證雷射器效率的最大化。泵浦模塊的創新、雷射晶體的擴散鍵合和雷射器工作溫度的優化，均起到緩解晶體熱量積聚，降低晶體熱透鏡效應以及減少準三能級雷射系統熱損耗的作用，最終體現在雷射器光光轉換效率的提高。

本發明提出的一種基于波長鎖定半導體雷射模塊的銩雷射器，如圖1所示，包括波長鎖定的窄線寬半導體雷射器模塊、泵浦光準直聚焦模塊和雷射諧振腔模塊。

波長鎖定的窄線寬半導體雷射器模塊包括波長鎖定的窄線寬半導體雷射器1和多模光纖2。本發明採用的波長鎖定的窄線寬半導體雷射器1，是在普通半導體雷射器的基礎上通過體布拉格光柵，將半導體雷射的波長鎖定到Tm:YAG晶體的最高激發峰附近，具體是在784.0～786.0nm範圍內的某個特定波長，波長線寬壓縮到0.5nm以下的某個特定值，該雷射器可以採用DILAS公司製造的半導體雷射器。半導體泵浦光經過窄線寬半導體雷射器1的體布拉格光柵進行波長鎖定及線寬壓縮後，通過多模光纖2輸出到泵浦光準直聚焦模塊，該多模光纖2優選為SMA接口，芯徑為400微米，數值孔徑為0.22。

泵浦光準直聚焦模塊是由兩片規格相同的平凸透鏡4、5組成的共軛成像系統，焦距在30-50mm範圍內的某個特定長度。多模光纖2的輸出端接口與準直聚焦模塊一同封裝在同一個鋁材料鏡筒3，以便於固定在光學調整架上。使用時，該兩片相同規格的平凸透鏡4、5填裝到鏡筒3中並固定；將多模光纖2的輸出端固定到鏡筒3的輸入端，固定時確保多模光纖2的輸出端與鏡筒輸入端連接上時多模光纖的輸入端面與平凸透鏡4第一面的距離剛好為平凸透鏡4的後焦距，用以保證入射平凸透鏡4後的泵浦光得到準直；將裝好平凸透鏡並連接上多模光纖的鏡筒3固定在光學調製架上，優選採用四維調整架。半導體泵浦光經泵浦光準直聚焦模塊後輸出到諧振腔模塊。

雷射諧振腔模塊包括高反射率腔鏡6、夾有雷射晶體的冷卻銅塊7以及耦合輸出鏡8。雷射諧振腔模塊為平凹腔結構，諧振腔的腔長在30—80mm之間，優選在40—80mm之間。高反射率腔鏡6為鍍有對雷射波長的高反膜並且增透半導體泵浦波段的凹鏡。夾有雷射晶體的冷卻銅塊7為銩雷射模塊。耦合輸出鏡8為平鏡，材質為紅外石英玻璃JGS1，耦合透過率在2—8％之間。夾有晶體的冷卻銅塊7為Tm雷射模塊，包括冷卻銅塊以及安裝在銅塊裡面的雷射晶體；冷卻銅塊上設計有四個直徑為6mm的水嘴9，如圖2所示，與外置的控溫水箱組成雷射晶體的水冷迴路；雷射晶體為單端鍵合的Tm：YAG晶體，晶體摻雜部分長度為14—20mm，摻雜濃度在2—5a.t.％之間，鍵合的無摻雜部分長度<4mm。

使用時，將單端鍵合Tm:YAG晶體用銦片包起來後固定在銅塊7上，如圖2所示，同時用塑料水管將銅塊上的四個水嘴9與水箱的出水口和入水口連接起來，形成對雷射晶體的冷卻迴路。將冷卻水溫度控制在10-25℃中的一個特定值。

通過He-Ne雷射器進行對光，將高反射率腔鏡6和耦合輸出鏡8以及冷卻銅塊7中的雷射晶體的對稱中心調整到同一條直線上：腔鏡6的第二面與銅塊7中晶體第一面的距離小於10mm，銅塊7中晶體第二面與耦合輸出鏡8第一面的距離在10-50mm之間。

在半導體雷射器和雷射晶體得到水箱控溫的前提下，先進行小功率泵浦，例如泵浦光功 率在4—8W的強度範圍內，通過四維調整架和光學平移臺調整鏡筒3的泵浦光在晶體上聚焦光斑的位置，以獲得在當前泵浦功率下所能得到的最大雷射輸出功率。

增加泵浦功率到半導體雷射器所能提供的最大泵浦光功率25W左右，得到11W的2微米雷射輸出，測出泵浦光通過透鏡4、5和第一面腔鏡6後的實際功率為24.5W，算出光光轉換效率為45％。

以上，對本發明的實施方式進行了說明。但是，本發明不限定於上述實施方式。凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。