專利名稱：半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，是關(guān)于一種端面泵浦固體激光器。
背景技術(shù)：
在將激光二極管作為激光泵浦源所采用的泵浦方式中，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、輸出激光光束質(zhì)量好和閾值泵浦功率低等優(yōu)點。在適合激光二極管泵浦的眾多激光晶體中，Nd:YVO4晶體因具有吸收系數(shù)大、發(fā)射截面積大、光損傷閾值高、斜效率高、雙折射效應(yīng)高和輻射為線性極化等特點而倍受人們青睞，它已成為激光二極管泵浦中小功率激光器的理想工作物質(zhì)(《激光二極管泵浦高效Nd:YVO4/KTP腔內(nèi)倍頻激光器》，光學學報，1996，16(10)1393-1396)。但在國內(nèi)，尚未見激光二極管端面泵浦的、激光功率超過20W的高功率固體激光器產(chǎn)品的報道，在國際上也只有光譜物理等少數(shù)幾家激光公司的產(chǎn)品激光功率能達到20W。
在眾多激光二極管端面泵浦的Nd:YVO4固體激光器中，大多數(shù)是采用單端泵浦方式(《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》，Optics&Laser Technology，35(2003)445-449)，由于受晶體中的熱效應(yīng)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力不能超過Nd:YVO4晶體的斷裂應(yīng)力的限制，增益介質(zhì)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，所得激光功率相對較小，使得激光器在實際激光應(yīng)用中受到一定的限制；而且如果激光晶體Nd:YVO4摻雜濃度和晶體長度沒有通過詳細的設(shè)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(chǎn)生明顯的熱透鏡效應(yīng)的影響，所得激光功率不但不高，而且激光光束質(zhì)量和激光器的穩(wěn)定性都會受到嚴重的影響。
為了在端面泵浦Nd:YVO4激光器上得到高功率輸出，也有采用雙端泵浦雙塊晶體的方法(《一種能補償熱效應(yīng)的高功率端面泵浦Nd:YVO4激光諧振腔的設(shè)計》，光子學報，2003(12)，1418-1421)，這種利用增加激光晶體數(shù)量的方法來達到減少激光晶體單位面積上所承受的泵浦功率的方法不但增加了設(shè)備成本，而且占用激光器的空間位置，同時對冷卻裝置也提出了更高的要求，激光調(diào)節(jié)難度也增大。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一高功率、高效率、高光束質(zhì)量的激光器。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體激光器，包括兩個激光二極管、45°鏡、兩根光纖、兩套光學耦合系統(tǒng)、Nd:YVO4晶體、調(diào)Q開關(guān)、全反鏡、輸出鏡和冷卻裝置，理論上對該激光器的腔結(jié)構(gòu)、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(yōu)化詳細設(shè)計。
本發(fā)明所具有的優(yōu)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(wěn)定性運轉(zhuǎn)；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，保證了該激光器具有高的光光轉(zhuǎn)換效率；3.通過對激光器的腔結(jié)構(gòu)、熱透鏡焦距等進行詳細設(shè)計，使該激光器實現(xiàn)基模運行，從而保證了該激光器具有高的光束質(zhì)量；4.采用雙端面泵浦單塊Nd:YVO4晶體，相對于雙端面泵浦雙塊晶體激光器，不但減少了激光器成本，而且降低了激光器調(diào)節(jié)難度，增強了激光器的適用性；5.該激光器采用“U”形結(jié)構(gòu)，使得激光器的體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)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(yīng)力破壞時單位面積上能承受的最大泵浦功率計算結(jié)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(jié)果。
圖3為不同泵浦功率下對應(yīng)的熱透鏡焦距計算結(jié)果。
圖4為本發(fā)明半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體激光器的實驗光路圖。
圖5為本發(fā)明半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體激光器的實驗中CW激光功率隨泵浦電流的變化曲線。
圖6為本發(fā)明半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體激光器的實驗中電流30A時，激光功率和脈沖寬度隨調(diào)Q頻率的變化曲線。
圖7為本發(fā)明半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體激光器的實驗中調(diào)Q頻率為20KHz時，激光功率隨泵浦電流的變化。
圖8為本發(fā)明半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體激光器的實驗中調(diào)Q頻率20KHz時的單個激光脈沖波形。
圖9為本發(fā)明半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體激光器的實驗中三維光場分布圖形。
圖10為本發(fā)明半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體激光器的實驗中激光長期穩(wěn)定性曲線。
具體實施例方式
在本發(fā)明專利中，為使該激光器能連續(xù)可靠的工作，我們對該激光器的相關(guān)參數(shù)從理論上進行了詳細的設(shè)計。首選通過理論計算了Nd:YVO4晶體達到熱應(yīng)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(guān)系(請參閱圖1)，發(fā)現(xiàn)隨著摻雜濃度的增加，晶體所能承受的最大泵浦功率降低，為使該激光器長期可靠的工作，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(zhuǎn)換成激光功率，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(guān)參數(shù)情況下，我們模擬出了該激光器運轉(zhuǎn)時熱透鏡焦距隨泵浦功率的變化關(guān)系，如圖3所示；結(jié)合以上所選擇的參數(shù)，我們對激光腔結(jié)構(gòu)進行了詳細設(shè)計，使得Nd:YVO4晶體上的基模體積比耦合于晶體上的泵浦光的體積大，從理論上保證該激光器在基模狀態(tài)下運行。
請參閱圖4，本發(fā)明雙端面泵浦高功率固體激光器包括全反鏡1、調(diào)Q開關(guān)2、45°鏡(3，5)、Nd:YVO4晶體4、輸出鏡6、兩個激光二極管(7，12)、兩根光纖(8，11)、兩套光學耦合系統(tǒng)(9，10)及冷卻裝置。
兩個激光二極管(7，12)發(fā)出的808nm泵浦光通過相應(yīng)的光纖(8，11)傳輸后，由光學耦合系統(tǒng)(9，10)耦合于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(nèi)多次振蕩放大后輸出。光纖(8，11)實現(xiàn)了泵浦源與激光器的有效分離，光學耦合系統(tǒng)(9，10)將泵浦光有效的耦合于Nd:YVO4晶體4上。
圖5至圖10是在該激光器上所得的相關(guān)實驗結(jié)果，該激光器最大連續(xù)激光功率為30.9W，光光轉(zhuǎn)換效率大于50％；最小激光脈沖寬度為15ns；M2值為1.4；長期穩(wěn)定性小于1％。實驗結(jié)果與理論設(shè)計符合得很好。
本發(fā)明半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體激光器，采用雙端面泵浦單塊Nd:YVO4晶體的方法，通過對激光器的腔結(jié)構(gòu)、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(yōu)化詳細設(shè)計，然后通過實驗得到一高功率、高效率質(zhì)量的激光器。
本發(fā)明所具有的優(yōu)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(wěn)定性運轉(zhuǎn)；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，保證了該激光器具有高的光光轉(zhuǎn)換效率；3.通過對激光器的腔結(jié)構(gòu)、熱透鏡焦距等進行詳細設(shè)計，使該激光器實現(xiàn)基模運行，從而保證了該激光器具有高的光束質(zhì)量；4.采用雙端面泵浦單塊Nd:YVO4晶體，相對于雙端面泵浦雙塊晶體激光器，不但減少了激光器成本，而且降低了激光器調(diào)節(jié)難度，增強了激光器的適用性；
5.該激光器采用“U”形結(jié)構(gòu)，使得激光器的體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。
權(quán)利要求
1.一種半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體激光器，其特征在于包括兩個激光二極管、450鏡、兩根光纖、兩套光學耦合系統(tǒng)、Nd:YVO4晶體、調(diào)Q開關(guān)、全反鏡、輸出鏡和冷卻裝置，理論上對該激光器的腔結(jié)構(gòu)、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(yōu)化詳細設(shè)計。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體激光器，其特征在于該激光器的腔結(jié)構(gòu)為“U”形結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體雙端面泵浦Nd:YVO4高功率單模固體激光器，其特征在于該激光器所采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高功率單模固體激光器，包括兩個激光二極管、45°鏡、兩根光纖、兩套光學耦合系統(tǒng)、Nd:YVO4晶體、調(diào)Q開關(guān)、全反鏡、輸出鏡和冷卻裝置，理論上對該激光器的腔結(jié)構(gòu)、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(yōu)化詳細設(shè)計。通過實驗，發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果與理論設(shè)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(yōu)先權(quán)日2005年7月29日
發(fā)明者周復(fù)正, 呂鳳萍, 周宇超, 馬淑貞, 鄭珺暉, 高云峰 申請人:深圳市大族激光科技股份有限公司