一種高重頻窄線寬調Q鉺雷射器的製作方法

2023-09-21 23:12:15

本發明涉及雷射器領域，具體是一種高重頻窄線寬調Q鉺雷射器。

背景技術：

中紅外波段（2～2.6um，3～4um,4.5～5.5um）,近紫外、可見光和近紅外波段（0.3～1.3um，1.5～1.8um）是光波段的大氣窗口。鉺雷射晶體（Er:YSGG）可產生波長為2.79um的中紅外波段的雷射；雖然該波段不位於大氣窗口內，但利用高峰值功率的此雷射泵浦非線性晶體（ZnGeP2，AgGaS2，AgGaSe2，GaSe等）進行倍頻、差頻、和頻、光學參量振蕩，可實現光學波長的拓展和調諧。特別高峰值功率鉺雷射作為光學參量振蕩的泵浦源，易獲得3-5um以及8-14um的長波長雷射。而後者雷射在遠距離的雷射雷達領域有著重要的應用。在機載、星載雷射雷達應用中，高重複頻率有利於提高探測的解析度、精度，高的峰值功率，高的單脈衝能量有利於提高非線性轉換的效率，也有利於提高雷射雷達的探測距離。因此高重頻（kHz），高峰值功率（mJ級，ns級），窄線寬，高光學質量的2.79um的泵浦源有著極其重要的應用價值和戰略意義。

另外，水和羥基磷灰石對該波長雷射的有效吸收。可將其用於眼角膜、牙齒和骨骼等軟、硬組織的精準切削或消融，納秒級的窄脈衝能減小雷射對病灶周圍正常組織的熱損傷，是一種精準切削或消融的理想醫用雷射源。

查閱相關文獻，未見高重頻（kHz），高峰值功率（mJ級，ns級），窄線寬，高光學質量的2.79um的雷射器的報導。

技術實現要素：
本發明的目的是提供一種高重頻窄線寬調Q鉺雷射器，以解決現有技術存在的問題。

為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案為：

一種高重頻窄線寬調Q鉺雷射器，其特徵在於：包括種子雷射器、雷射放大器和電控溫控單元，其中：

種子雷射器包括兩端鍵合純YSGG晶體並摻雜Er3+的Er:YSGG雷射晶體棒，該Er:YSGG雷射晶體棒中心軸兩端即左、右端外沿光軸方向依次共光軸設有全反鏡片、準直聚焦鏡筒、光纖耦合半導體雷射模塊，其中全反鏡片的全反射面分別朝向Er:YSGG雷射晶體棒，左、右的全反鏡片、準直聚焦鏡筒、光纖耦合半導體雷射模塊呈左、右對應對稱，位於Er:YSGG雷射晶體棒右端外的全反鏡片反射光路上沿光路方向設有半反鏡，以半反鏡作為種子雷射器的輸出鏡片，位於Er:YSGG雷射晶體棒左端外的全反鏡片反射光路上沿光路方向依次設有起偏器、調Q晶體、VBG光柵，所述VBG光柵與輸出鏡片分別位於彼此的反射光路上，且輸出鏡片向VBG光柵的光路上依次設有1/2λ波片、法拉第光隔離器；光纖耦合半導體雷射模塊產生的泵浦光入射至Er:YSGG雷射晶體棒左、右端，Er:YSGG雷射晶體棒經過兩端泵浦後產生雷射光束從右端出射至全反鏡片，經右端的全反鏡片反射後再入射至輸出鏡片，部分雷射光束透射過輸出鏡片併入射至雷射放大器，其餘雷射光束經輸出鏡片反射後，再依次經過1/2λ波片、法拉第光隔離器入射至VBG光柵，並被VBG光柵反射後再依次經過調Q晶體、起偏器入射至左端的全反射鏡，最後經左端的全反射鏡反射至Er:YSGG雷射晶體棒，形成環形的種子雷射器結構；

雷射放大器包括全反鏡、側泵浦的板條式Er：YSGG雷射晶體、半導體雷射巴條，板條式Er：YSGG雷射晶體中心軸兩端即左、右端分別切割成相同角度的斜面，所述全反鏡位於輸出鏡片的透射光路上，板條式Er：YSGG雷射晶體左端位於全反鏡的反射光路上，半導體雷射巴條圍在板條式Er：YSGG雷射晶體側面外，輸出鏡片透射過的雷射光束經全反鏡反射後入射至板條式Er：YSGG雷射晶體左端，同時板條式Er：YSGG雷射晶體受半導體雷射巴條泵浦後產生雷射光束，泵浦產生的雷射光束與左端入射的雷射光束共同從板條式Er：YSGG雷射晶體右端出射，實現放大輸出；

電控溫控單元包括光纖耦合半導體雷射模塊驅動電源、調Q晶體驅動電源、半導體雷射巴條驅動電源、溫控單元、控制單元，其中光纖耦合半導體雷射模塊驅動電源分別供電至左、右端的光纖耦合半導體雷射模塊，半導體雷射巴條驅動電源供電至半導體雷射巴條，調Q晶體驅動電源供電至調Q晶體，光纖耦合半導體雷射模塊驅動電源、調Q晶體驅動電源、半導體雷射巴條驅動電源分別接入控制單元，由控制單元控制各個驅動電源的供電，溫控單元亦接入控制單元由控制單元控制，且溫控單元分別對Er:YSGG雷射晶體棒、光纖耦合半導體雷射模塊、板條式Er：YSGG雷射晶體、半導體雷射巴條進行溫度控制。

所述的一種高重頻窄線寬調Q鉺雷射器，其特徵在於：種子雷射器中的Er:YSGG雷射晶體棒整體放置在銅製的熱沉中，並通過溫控單元帶走多餘的熱量，採用種子雷射器加雷射放大器，降低雷射器諧振腔雷射的損傷閾值，實現高質量低能量的種子雷射輸出，通過放大級提高能量和輸出水平。

所述的一種高重頻窄線寬調Q鉺雷射器，其特徵在於：由1/2λ波片、法拉第光隔離器組成單向器，構成環形行波諧振腔。

所述的一種高重頻窄線寬調Q鉺雷射器，其特徵在於：種子雷射器中採用的雷射棒為兩端鍵合純YSGG晶體的摻雜Er3+的YSGG的Er:YSGG雷射晶體棒，用於降低熱透鏡效應和防止雷射端面畸變。

所述的一種高重頻窄線寬調Q鉺雷射器，其特徵在於：VBG光柵由氟化鈣或氟化鎂材料製成，用於壓窄線寬，獲得單縱模或窄線寬輸出。

所述的一種高重頻窄線寬調Q鉺雷射器，其特徵在於：種子雷射器中的Er:YSGG雷射晶體棒利用兩端的光纖耦合半導體雷射模塊實現雙向端面泵浦，雷射放大器中的板條式Er：YSGG雷射晶體利用側面的半導體雷射巴條實現側向泵浦。

所述的一種高重頻窄線寬調Q鉺雷射器，其特徵在於：所述法拉第光隔離器雷射只能沿一個方向上傳播，材料為YIG，鍍有2.79um的增透膜。

所述的一種高重頻窄線寬調Q鉺雷射器，其特徵在於：所述調Q晶體為聲光調Q晶體，材質為TeO2，通光片鍍有2.79um的增透膜。

本發明種子雷射器中，起偏器為布儒斯特角放置的偏振片，材料為氟化鎂或氟化鈣，鍍有2.79um的偏振膜，用於起偏器和檢偏器的作用。

本發明種子雷射器中，Er:YSGG雷射晶體棒左、右端外的全反鏡片分別為彎月形結構，凸面對著Er:YSGG雷射晶體棒方向，凹面對著準直聚焦鏡筒方向，曲率半徑相同；凸面鍍有2.79um的全反膜和966nm的增透膜，凹面鍍有966nm的增透膜。

本發明種子雷射器中，作為輸出鏡片的半反鏡為白寶石、或YSGG晶體、或YAG晶體、或氟化鈣或氟化鎂製成，鍍有20%~95%反射膜。

本發明雷射放大器中，半導體雷射巴條均輸出波長為966nm的雷射，作用為泵浦源。

本發明的調Q原理：通過使用調Q技術改變雷射器的閾值來使上能級粒子數大量積累。當積累到最大值時突然使腔的損耗減小，雷射振蕩迅速建立，上能級反轉粒子數被迅速消耗，從而獲得峰值功率很高的巨脈衝。

本發明提供一種具有高重複頻率、高能量脈衝、納秒級脈寬的2.79μm聲聲光調Q Er:YSGG雷射器，該雷射器具有重複頻率高(kHz)、高能量（mJ）、雷射脈寬窄（ns ）、窄線寬（pm）、輸出功率穩定、光斑強度分布均勻等特點。本發明採用的半導體泵浦Er:YSGG將大大減小雷射器的熱效應，提高轉換效率和重複頻率，可獲得高能量和高光束質量的2.79μm雷射輸出。

本發明與現有技術相比的有益效果在於：

（1）本發明採用光纖輸出的半導體雷射端面泵浦Er:YSGG雷射晶體棒，產生2.79um的雷射。半導體雷射通過光纖的勻化作用後，經準直聚焦鏡筒聚焦到Er:YSGG雷射晶體棒內，使得泵浦光分布均勻，易於獲得高光學質量的雷射。種子雷射器和雷射放大器均採用半導體雷射泵浦，光光轉化效率高，有效的減小雷射產生過程中晶體內部的熱效應問題，使得雷射輸出穩定。

（2）本發明採用聲光調Q技術，調Q晶體選用TeO2材料製成，該晶體不潮解、物理化學性能穩定，在2.79μm波長處透光性好，損傷閾值高，具有其它調Q晶體無法比擬的優勢，保證中紅外脈衝雷射器輸出能量大、脈衝短、光束質量好，長期工作穩定可靠。

（3）本發明採用種子雷射器加雷射放大技術相結合的方案，種子雷射器獲得高光束質量的低能量雷射；由於種子雷射器內的功率密度、能量密度低於各種光學元件的損傷閾值，從而保證了種子雷射器的穩定性。雷射放大器獲得高的雷射放大倍率，從而獲得高的單脈衝能量和平均功率。

（4）本發明的種子雷射器中使用1/2λ波片、法拉第光隔離器組成的單向器，構成的環形行波諧振腔，結合VBG光柵的壓窄線寬技術，避免雷射的燒孔效應，從而獲得穩定的單縱模雷射輸出。

（5）本發明的種子雷射器中的全反鏡片採用對稱的彎月透鏡，面向諧振腔內為凸面，有利於補償雷射晶體內的熱效應。

（6）本發明的種子雷射器中採用鍵合YSGG的Er:YSGG雷射晶體棒的結構，將大大減小雷射器的熱效應和端面熱畸變，可獲得高光束質量的2.79μm雷射輸出。

附圖說明

圖1為本發明結構原理圖。

圖2為本發明雷射器部分的結構原理圖。

具體實施方式

如圖1、圖2所示，一種高重頻窄線寬調Q鉺雷射器，包括種子雷射器、雷射放大器和電控溫控單元，其中：

種子雷射器包括兩端鍵合純YSGG晶體並摻雜Er3+的Er:YSGG雷射晶體棒1，該Er:YSGG雷射晶體棒1中心軸兩端即左、右端外沿光軸方向依次共光軸設有全反鏡片2和3、準直聚焦鏡筒4、5、光纖耦合半導體雷射模塊6和7，其中全反鏡片2和3的全反射面分別朝向Er:YSGG雷射晶體棒，左、右的全反鏡片、準直聚焦鏡筒、光纖耦合半導體雷射模塊呈左、右對應對稱，位於Er:YSGG雷射晶體棒1右端外的全反鏡片2反射光路上沿光路方向設有半反鏡，以半反鏡9作為種子雷射器的輸出鏡片9，位於Er:YSGG雷射晶體棒1左端外的全反鏡片3反射光路上沿光路方向依次設有起偏器8、調Q晶體13、VBG光柵12，VBG光柵12與輸出鏡片9分別位於彼此的反射光路上，且輸出鏡片9向VBG光柵12的光路上依次設有1/2λ波片10、法拉第光隔離器11；光纖耦合半導體雷射模塊6、7產生的泵浦光入射至Er:YSGG雷射晶體棒1左、右端，Er:YSGG雷射晶體棒1經過兩端泵浦後產生雷射光束從右端出射至全反鏡片2，經右端的全反鏡片2反射後再入射至輸出鏡片9，部分雷射光束透射過輸出鏡片9併入射至雷射放大器，其餘雷射光束經輸出鏡片9反射後，再依次經過1/2λ波片10、法拉第光隔離器11入射至VBG光柵12，並被VBG光柵12反射後再依次經過調Q晶體13、起偏器8入射至左端的全反射鏡3，最後經左端的全反射鏡3反射至Er:YSGG雷射晶體棒1，形成環形的種子雷射器結構；

雷射放大器包括全反鏡14、側泵浦的板條式Er：YSGG雷射晶體15、半導體雷射巴條16，板條式Er：YSGG雷射晶體15中心軸兩端即左、右端分別切割成相同角度的斜面，全反鏡14位於輸出鏡片9的透射光路上，板條式Er：YSGG雷射晶體15左端位於全反鏡14的反射光路上，半導體雷射巴條16條圍在板條式Er：YSGG雷射晶體15側面外，輸出鏡片9透射過的雷射光束經全反鏡14反射後入射至板條式Er：YSGG雷射晶體15左端，同時板條式Er：YSGG雷射晶體15受半導體雷射巴條16泵浦後產生雷射光束，泵浦產生的雷射光束與左端入射的雷射光束共同從板條式Er：YSGG雷射晶體15右端出射，實現放大輸出；

電控溫控單元包括光纖耦合半導體雷射模塊驅動電源17和18、調Q晶體驅動電源20、半導體雷射巴條驅動電源21、溫控單元22、控制單元19，其中光纖耦合半導體雷射模塊驅動電源17和18分別供電至左、右端的光纖耦合半導體雷射模塊6和7，半導體雷射巴條驅動電源21供電至半導體雷射巴條16，調Q晶體驅動電源20供電至調Q晶體13，光纖耦合半導體雷射模塊驅動電源17和18、調Q晶體驅動電源20、半導體雷射巴條驅動電源21分別接入控制單元19，由控制單元19控制各個驅動電源的供電，溫控單元22亦接入控制單元由控制單元19控制，且溫控單元22分別對Er:YSGG雷射晶體棒1、光纖耦合半導體雷射模塊6和7、板條式Er：YSGG雷射晶體15、半導體雷射巴條16進行溫度控制。

種子雷射器中的Er:YSGG雷射晶體棒1整體放置在銅製的熱沉中，並通過溫控單元帶走多餘的熱量，採用種子雷射器加雷射放大器，降低雷射器諧振腔雷射的損傷閾值，實現高質量低能量的種子雷射輸出，通過放大級提高能量和輸出水平。

由1/2λ波片10、法拉第光隔離器11組成單向器，構成環形行波諧振腔。

種子雷射器中採用的雷射棒為兩端鍵合純YSGG晶體的摻雜Er3+的YSGG的Er:YSGG雷射晶體棒1，用於降低熱透鏡效應和防止雷射端面畸變。

VBG光柵12由氟化鈣或氟化鎂材料製成，用於壓窄線寬，獲得單縱模或窄線寬輸出。

種子雷射器中的Er:YSGG雷射晶體棒1利用兩端的光纖耦合半導體雷射模塊6和7實現雙向端面泵浦，雷射放大器中的板條式Er：YSGG雷射晶體15利用側面的半導體雷射巴條16實現側向泵浦。

法拉第光隔離器11雷射只能沿一個方向上傳播，材料為YIG，鍍有2.79um的增透膜。

調Q晶體13為聲光調Q晶體，材質為TeO2，通光片鍍有2.79um的增透膜。

本發明包括環形結構的種子雷射器、雷射放大器、電控溫控單元構成。

種子雷射器部分有鍵合純YSGG晶體的Er:YSGG雷射晶體棒1，兩個光纖耦合輸出的光纖耦合半導體雷射模塊6、7，兩個準直聚焦鏡筒4、5，兩片用於構成諧振腔片和耦合泵浦光的全反鏡片2、3，以上元件以Er:YSGG雷射晶體棒1為中心，左右兩側對稱分布。全反鏡片2的左前方為種子雷射器的輸出鏡片（半反鏡）9，全反鏡片3的右前方放置起偏器8，調Q晶體13， VBG光柵12。在VBG光柵12和輸出鏡片9之間放置1/2λ波片10、法拉第光隔離器11。

雷射放大器有全反鏡14，板條式Er：YSGG雷射晶體15，半導體雷射巴條16組成。

電控溫控單元由光纖耦合半導體雷射模塊驅動電源17和18、調Q晶體驅動電源20、半導體雷射巴條驅動電源21、溫控單元22、控制單元19組成。

聲光調Q晶體的材料為二氧化碲(TeO2)，在2～3um具有大於95%的透過率，透光面鍍有2.79μm增透膜，反射率<0.5%，晶體材料和膜系的損傷閾值達100MW/cm2；調Q晶體驅動電源在控制單元的控制下，施加調Q晶體RF信號和Q的開關信號，實現雷射脈衝的調Q輸出。

VBG光柵12，材料為感光的矽酸鹽玻璃，中心波長為2.79um±0.01um，反射率大於99.2%，窄帶光譜FWHM為0.05±0.025nm，用於壓窄輸出雷射的譜線寬度。

1/2λ波片10由氟化鎂、或YSGG晶體、或YAG晶體、或氟化鈣或Al2O3加工製成，波片通光口徑為10mm，雙面鍍2.79μm的增透膜。構成的法拉第光隔離器為YIG材質，旋光角度為90度。1/2波片旋轉雷射的角度與光隔離器匹配，並且與光隔離器構成雷射的單向器，消除單縱模雷射器的燒孔效應。

起偏器8由布儒斯特角放置的白寶石、或YSGG晶體、或YAG晶體、或氟化鎂、或氟化鈣片，雙面加工要求光學Ⅱ級且鍍2.79um的介質起偏膜，用於雷射的起偏和檢偏。

輸出鏡片9為白寶石、或YSGG晶體、或YAG晶體、或氟化鈣或氟化鎂製成， 一面鍍2.79μm增透膜和另一面20%~90%反射膜，鍍有反射膜的面朝向諧振腔內。

全反鏡片2、3，以及全反鏡14材料為K9玻璃，全反鏡14鍍有2.79um的全反膜，將種子雷射器輸出的雷射反射到雷射放大器中；全反鏡片2、3為彎月透鏡，凸面鍍有2.79um的全反膜和966nm的增透膜，凹面鍍有966nm的增透膜，將泵浦光透射到雷射晶體中，同時構成環形諧振腔的腔片，並具有一定的補償雷射晶體的熱焦距的作用。

光纖耦合半導體雷射模塊驅動電源17和18，以及側泵的半導體雷射巴條16均為中心波長為966nm±2nm雷射二極體。

控制單元22為整個雷射系統的控制中心。實現雷射器內部的溫度、電流、電壓等信號的採集，並通過內部預設的指令和程序，實現對光纖耦合半導體雷射模塊驅動電源17和18、調Q晶體驅動電源20、半導體雷射巴條驅動電源21、溫控單元22的控制。

光纖耦合半導體雷射模塊驅動電源17和18工作頻率為1～1000Hz，脈寬在50μs-1000μs可調，電壓自適應；調Q晶體驅動電源20的開關信號也為1～1000Hz，調Q延時由控制單元22設置和調整。

對上述優化後，本發明可以在1-1000Hz重複頻率下工作，實現（kHz），高峰值功率（mJ級，ns級），窄線寬（pm級），高光學質量的2.79um的雷射 輸出。