半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體雷射器的製作方法

2023-06-09 19:20:46 2

專利名稱：半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射技術領域，是關於一種端面泵浦固體雷射器。
背景技術：
在將雷射二極體作為雷射泵浦源所採用的泵浦方式中，端面泵浦方式具有泵浦裝置簡單、耦合效率高、泵浦光束與腔模匹配良好、輸出雷射光束質量好和閾值泵浦功率低等優點。在適合雷射二極體泵浦的眾多雷射晶體中，Nd:YVO4晶體因具有吸收係數大、發射截面積大、光損傷閾值高、斜效率高、雙折射效應高和輻射為線性極化等特點而倍受人們青睞，它已成為雷射二極體泵浦中小功率雷射器的理想工作物質(《雷射二極體泵浦高效Nd:YVO4/KTP腔內倍頻雷射器》，光學學報，1996，16(10)1393-1396)。但在國內，尚未見雷射二極體端面泵浦的、雷射功率超過20W的高功率固體雷射器產品的報導，在國際上也只有光譜物理等少數幾家雷射公司的產品雷射功率能達到20W。
在眾多雷射二極體端面泵浦的Nd:YVO4固體雷射器中，大多數是採用單端泵浦方式(《Efficient 15W CW Nd:YVO4 Solid-state Laser Single-end-pumpedby a Fiber-coupled Diode-laser-array》，Chinese Journal of Lasers，1999，Vol.B8，No.5，385-388；《High Power Diode single-end-pumped Nd:YVO4Laser》，OpticsLaser Technology，35(2003)445-449)，由於受晶體中的熱效應所產生的熱應力不能超過Nd:YVO4晶體的斷裂應力的限制，增益介質的單位面積上存在最大泵浦功率(《Power scaling of diode-pumped Nd:YVO4 Lasers》，IEEE J Quantum Electronics，2002，38(9)P1291~1299)，所以泵浦功率不可能很高，所得雷射功率相對較小，使得雷射器在實際雷射應用中受到一定的限制；而且如果雷射晶體Nd:YVO4摻雜濃度和晶體長度沒有通過詳細的設計而盲目選擇，受到Nd:YVO4晶體導熱性能較差、在大功率泵浦時將會產生明顯的熱透鏡效應的影響，所得雷射功率不但不高，而且雷射光束質量和雷射器的穩定性都會受到嚴重的影響。
為了在端面泵浦Nd:YVO4雷射器上得到高功率輸出，也有採用雙端泵浦雙塊晶體的方法(《一種能補償熱效應的高功率端面泵浦Nd:YVO4雷射諧振腔的設計》，光子學報，2003(12)，1418-1421)，這種利用增加雷射晶體數量的方法來達到減少雷射晶體單位面積上所承受的泵浦功率的方法不但增加了設備成本，而且佔用雷射器的空間位置，同時對冷卻裝置也提出了更高的要求，雷射調節難度也增大。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的缺點，提供一高功率、高效率、高光束質量的雷射器。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是該半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體雷射器，包括兩個雷射二極體、45°鏡、兩根光纖、兩套光學耦合系統、Nd:YVO4晶體、調Q開關、全反鏡、輸出鏡和冷卻裝置，理論上對該雷射器的腔結構、熱透鏡焦距、Nd:YVO4晶體的摻雜濃度與破壞閾值以及晶體長度進行綜合優化詳細設計。
本發明所具有的優點是1.從理論上對Nd:YVO4晶體的破壞閾值進行計算，保證了該晶體長期穩定性運轉；2.從理論上對一定摻雜濃度下Nd:YVO4晶體對泵浦光的吸收達到一定吸收效率所需要的晶體長度進行計算，保證了該雷射器具有高的光光轉換效率；3.通過對雷射器的腔結構、熱透鏡焦距等進行詳細設計，使該雷射器實現基模運行，從而保證了該雷射器具有高的光束質量；4.採用雙端面泵浦單塊Nd:YVO4晶體，相對於雙端面泵浦雙塊晶體雷射器，不但減少了雷射器成本，而且降低了雷射器調節難度，增強了雷射器的適用性；5.該雷射器採用「U」形結構，使得雷射器的體積小，結構緊湊。


下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1為在不同摻雜濃度下，Nd:YVO4晶體達到熱應力破壞時單位面積上能承受的最大泵浦功率計算結果。
圖2為Nd:YVO4晶體在不同晶體長度下對泵浦光的吸收率計算結果。
圖3為不同泵浦功率下對應的熱透鏡焦距計算結果。
圖4為本發明半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體雷射器的實驗光路圖。
圖5為本發明半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體雷射器的實驗中CW雷射功率隨泵浦電流的變化曲線。
圖6為本發明半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體雷射器的實驗中電流30A時，雷射功率和脈衝寬度隨調Q頻率的變化曲線。
圖7為本發明半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體雷射器的實驗中調Q頻率為20KHz時，雷射功率隨泵浦電流的變化。
圖8為本發明半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體雷射器的實驗中調Q頻率20KHz時的單個雷射脈衝波形。
圖9為本發明半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體雷射器的實驗中三維光場分布圖形。
圖10為本發明半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體雷射器的實驗中雷射長期穩定性曲線。
具體實施例方式
在本發明專利中，為使該雷射器能連續可靠的工作，我們對該雷射器的相關參數從理論上進行了詳細的設計。首選通過理論計算了Nd:YVO4晶體達到熱應力破壞時單位面積上能承受的最大泵浦功率隨摻雜濃度的變化關係(請參閱圖1)，發現隨著摻雜濃度的增加，晶體所能承受的最大泵浦功率降低，為使該雷射器長期可靠的工作，必須選擇合適摻雜濃度的Nd:YVO4晶體；在該摻雜濃度下，為使泵浦功率有效的轉換成雷射功率，我們詳細計算了Nd:YVO4晶體在不同長度下對泵浦光的吸收率，如圖2所示，從而選擇出合適的晶體長度；在確定好晶體的相關參數情況下，我們模擬出了該雷射器運轉時熱透鏡焦距隨泵浦功率的變化關係，如圖3所示；結合以上所選擇的參數，我們對雷射腔結構進行了詳細設計，使得Nd:YVO4晶體上的基模體積比耦合於晶體上的泵浦光的體積大，從理論上保證該雷射器在基模狀態下運行。
請參閱圖4，本發明雙端面泵浦高功率固體雷射器包括全反鏡1、調Q開關2、45°鏡(3，5)、Nd:YVO4晶體4、輸出鏡6、兩個雷射二極體(7，12)、兩根光纖(8，11)、兩套光學耦合系統(9，10)及冷卻裝置。
兩個雷射二極體(7，12)發出的808nm泵浦光通過相應的光纖(8，11)傳輸後，由光學耦合系統(9，10)耦合於Nd:YVO4晶體4上，振蕩光束在由全反鏡1、45°鏡(3，5)和輸出鏡6組成的「U」形諧振腔內多次振蕩放大後輸出。光纖(8，11)實現了泵浦源與雷射器的有效分離，光學耦合系統(9，10)將泵浦光有效的耦合於Nd:YVO4晶體4上。
圖5至圖10是在該雷射器上所得的相關實驗結果，該雷射器最大連續雷射功率為30.9W，光光轉換效率大於50％；最小雷射脈衝寬度為15ns；M2值為1.4；長期穩定性小於1％。實驗結果與理論設計符合得很好。
本發明半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體雷射器，採用雙端面泵浦單塊Nd:YVO4晶體的方法，通過對雷射器的腔結構、熱透鏡焦距，Nd:YVO4晶體的摻雜濃度與破壞閾值以及晶體長度進行綜合優化詳細設計，然後通過實驗得到一高功率、高效率質量的雷射器。
本發明所具有的優點是1.從理論上對Nd:YVO4晶體的破壞閾值進行計算，保證了該晶體長期穩定性運轉；2.從理論上對一定摻雜濃度下Nd:YVO4晶體對泵浦光的吸收達到一定吸收效率所需要的晶體長度進行計算，保證了該雷射器具有高的光光轉換效率；3.通過對雷射器的腔結構、熱透鏡焦距等進行詳細設計，使該雷射器實現基模運行，從而保證了該雷射器具有高的光束質量；4.採用雙端面泵浦單塊Nd:YVO4晶體，相對於雙端面泵浦雙塊晶體雷射器，不但減少了雷射器成本，而且降低了雷射器調節難度，增強了雷射器的適用性；
5.該雷射器採用「U」形結構，使得雷射器的體積小，結構緊湊。
權利要求
1.一種半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體雷射器，其特徵在於包括兩個雷射二極體、450鏡、兩根光纖、兩套光學耦合系統、Nd:YVO4晶體、調Q開關、全反鏡、輸出鏡和冷卻裝置，理論上對該雷射器的腔結構、熱透鏡焦距、Nd:YVO4晶體的摻雜濃度與破壞閾值以及晶體長度進行綜合優化詳細設計。
2.根據權利要求1所述的半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體雷射器，其特徵在於該雷射器的腔結構為「U」形結構。
3.根據權利要求1所述的半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體雷射器，其特徵在於該雷射器所採用的泵浦方式為雙端面泵浦單塊Nd:YVO4晶體。
全文摘要
一種半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體雷射器，包括兩個雷射二極體、45°鏡、兩根光纖、兩套光學耦合系統、Nd:YVO4晶體、調Q開關、全反鏡、輸出鏡和冷卻裝置，理論上對該雷射器的腔結構、熱透鏡焦距、Nd:YVO4晶體的摻雜濃度與破壞閾值以及晶體長度進行綜合優化詳細設計。通過實驗，發現實驗結果與理論設計符合得很好。
文檔編號H01S3/08GK1905295SQ20051003627
公開日2007年1月31日 申請日期2005年7月29日 優先權日2005年7月29日
發明者周復正, 呂鳳萍, 周宇超, 馬淑貞, 鄭珺暉, 高雲峰 申請人:深圳市大族雷射科技股份有限公司