一種全固態(tài)激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種全固態(tài)激光器，該激光器采用具有多個(gè)光譜反射峰的波長(zhǎng)選擇性元件使泵浦系統(tǒng)發(fā)射的泵浦光波長(zhǎng)隨溫度漂移離散化，而不再以連續(xù)的方式變化。選擇合適的離散值分別對(duì)應(yīng)激光工作物質(zhì)較高的吸收系數(shù)，保證了激光工作物質(zhì)對(duì)泵浦光的充分吸收，從而獲得一個(gè)具有寬熱不敏感范圍的泵浦光束。利用該泵浦光束可實(shí)現(xiàn)寬溫度區(qū)間正常工作且無(wú)溫控的全固態(tài)激光器。
【專利說(shuō)明】
一種全固態(tài)激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種全固態(tài)激光器，特別涉及一種在寬溫區(qū)正常工作且無(wú)主動(dòng)控溫的全固態(tài)激光器。

【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體激光(LD)泵浦的固體激光器稱為全固態(tài)激光器(DPL),—般包括以下幾部分:激光工作物質(zhì)，一個(gè)能夠吸收泵浦光束并放大形成至少一個(gè)激光福射的增益介質(zhì)；泵浦系統(tǒng)，包括至少一個(gè)LD，能夠發(fā)出泵浦光束并用于泵浦增益介質(zhì)；光傳輸系統(tǒng)，用于將泵浦系統(tǒng)產(chǎn)生的泵浦光束傳輸?shù)皆鲆娼橘|(zhì)中；光學(xué)諧振腔，用于振蕩放大產(chǎn)生激光輻射。
[0003]眾所周知，泵浦系統(tǒng)發(fā)出的泵浦光光譜必須對(duì)應(yīng)增益介質(zhì)的吸收光譜，才能使激光器正常運(yùn)行。而LD —般具有幾個(gè)納米寬的發(fā)射光譜，同時(shí)該光譜會(huì)隨溫度變化以0.25?0.3nm/°C的幅度變化。
[0004]為了保證泵浦系統(tǒng)的發(fā)射光譜與激光工作物質(zhì)的吸收光譜的一致性，需要在泵浦系統(tǒng)中加入溫控系統(tǒng)，使LD的溫度變化范圍保證在0.5°C之內(nèi)，以此來(lái)保證LD的發(fā)射光譜變化范圍在0.2nm之內(nèi)。
[0005]然而在一些特殊應(yīng)用中，激光器的重量和啟動(dòng)時(shí)間是非常重要的指標(biāo)。增加溫控系統(tǒng)，需要增加很多重量，并且一般需要I到2分鐘的啟動(dòng)時(shí)間，這成為了半導(dǎo)體激光器的一個(gè)明顯劣勢(shì)。因此，目前DPL采用的技術(shù)效率較低，并且大多數(shù)較為笨重，不適應(yīng)發(fā)展需要。要解決上述問(wèn)題，有以下幾種方案:提高增益介質(zhì)對(duì)激光波長(zhǎng)漂移的耐受性，以便泵浦光束多次通過(guò)激光工作物質(zhì)從而得到充分吸收；或被動(dòng)穩(wěn)定泵浦LD的發(fā)射波長(zhǎng)。然而，上述解決方案僅能獲得一個(gè)波長(zhǎng)漂移在3?5nm范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)LD的溫度漂移范圍在10?20°C內(nèi)的激光器。這種熱不敏感范圍，不足以滿足目前對(duì)激光器的需求。
[0006]本發(fā)明采用波長(zhǎng)選擇性元件將激光器泵浦LD的波長(zhǎng)隨溫度漂移離散化，即在一定溫度范圍內(nèi)LD波長(zhǎng)被鎖定在一個(gè)或幾個(gè)峰值，而當(dāng)溫度進(jìn)入下一范圍后，波長(zhǎng)發(fā)生跳變，而不是隨溫度連續(xù)變化。通過(guò)選擇合適的峰值使其分別對(duì)應(yīng)激光工作物質(zhì)較高的吸收系數(shù)，從而可以實(shí)現(xiàn)寬溫區(qū)內(nèi)激光工作物質(zhì)對(duì)泵浦LD較高的吸收率，即可避免在寬溫區(qū)內(nèi)激光工作物質(zhì)對(duì)泵浦LD光吸收不充分的情況。同時(shí)，波長(zhǎng)選擇性元件不需要主動(dòng)控溫，從而實(shí)現(xiàn)了在寬溫區(qū)正常工作且無(wú)溫控的DPL.


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明涉及一種DPL，該DPL的LD泵浦系統(tǒng)使獲得一個(gè)寬熱不敏感范圍(例如_20到40°C )的泵浦光束成為可能，利用該泵浦光束，實(shí)現(xiàn)激光器在溫度區(qū)間正常工作且無(wú)溫控。
[0008]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0009]所述的激光器需要包括以下幾部分:至少一個(gè)泵浦LD能夠發(fā)射至少一個(gè)波長(zhǎng)隨溫度而變化的泵浦光束；至少一個(gè)光束整形系統(tǒng)與泵浦LD相匹配；至少一個(gè)波長(zhǎng)選擇性元件，用于選擇所述泵浦LD的其中一個(gè)或幾個(gè)波長(zhǎng)；至少一個(gè)激光工作物質(zhì)能夠吸收泵浦光束并放大；至少一個(gè)光學(xué)諧振腔用于振蕩放大產(chǎn)生激光輻射。
[0010]以Nd =YAG晶體用作激光工作物質(zhì)為例，其在800nm附近的吸收系數(shù)不盡相同，會(huì)有一些離散的吸收峰值，而吸收峰之間會(huì)存在較低吸收系數(shù)的區(qū)間，這樣在泵浦LD波長(zhǎng)隨溫度連續(xù)變化的過(guò)程中，難免會(huì)在某些溫度下LD波長(zhǎng)并未對(duì)準(zhǔn)Nd:YAG的吸收峰，從而導(dǎo)致激光晶體對(duì)泵浦光吸收不充分，無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬的溫度范圍下DPL的正常運(yùn)行。
[0011]波長(zhǎng)選擇性元件(如多波長(zhǎng)光子晶體)具有多個(gè)光譜反射峰，在各峰值的位置具有特定的反射率，其作為一種濾波裝置放置于準(zhǔn)直過(guò)的LD前面，使LD輻射光被約束在光譜反射率峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)上，實(shí)現(xiàn)了泵浦LD的波長(zhǎng)隨溫度變化以離散形式變化，并且這些離散值對(duì)應(yīng)多個(gè)預(yù)定波長(zhǎng)中的其中一個(gè)，而這些所述的預(yù)定波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)所述激光晶體的各個(gè)吸收峰。也就是說(shuō)在上述條件下，利用波長(zhǎng)選擇性元件能夠獲得一個(gè)寬溫區(qū)對(duì)激光工作物質(zhì)具有高吸收效率的泵浦光束。在不同溫度下，每次選擇一個(gè)或者多個(gè)波長(zhǎng)值，對(duì)應(yīng)激光工作物質(zhì)的吸收峰，從而獲得具有一個(gè)極寬熱不敏感范圍的泵浦光束。然后經(jīng)光束整形將泵浦光耦合至激光工作物質(zhì)，通過(guò)諧振腔將工作物質(zhì)輻射受激放大產(chǎn)生激光，從而實(shí)現(xiàn)了寬溫區(qū)無(wú)溫控DPL的正常工作。
[0012]本發(fā)明的一種全固態(tài)激光器優(yōu)越性在于:
[0013]本發(fā)明的上述全固態(tài)激光器采用具有多個(gè)光譜反射峰的波長(zhǎng)選擇性元件將泵浦LD的波長(zhǎng)隨溫度漂移離散化，使得LD波長(zhǎng)被鎖定在一個(gè)或幾個(gè)激光工作物質(zhì)的吸收峰值，保證了激光工作物質(zhì)對(duì)泵浦LD的充分吸收，實(shí)現(xiàn)了在寬溫區(qū)(例如-20到40°C )正常工作且不需要主動(dòng)溫控的DPL，相比于已知的帶有溫控系統(tǒng)的激光器，其具有重量輕，啟動(dòng)時(shí)間短，功耗低，待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；相比于已知的被動(dòng)穩(wěn)定LD波長(zhǎng)的激光器，其熱不敏感范圍更大，即可以在更寬的溫度范圍內(nèi)正常工作。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明具體實(shí)施例1和2的簡(jiǎn)化框圖；
[0015]圖2是實(shí)施例1中泵浦系統(tǒng)的示意圖；
[0016]圖3是實(shí)施例1中LD泵浦波長(zhǎng)選擇示意圖；
[0017]圖4是實(shí)施例1中所用波長(zhǎng)選擇性元件的光譜反射峰示意圖；
[0018]圖5是實(shí)施例1中LD波長(zhǎng)隨溫度以離散形式變化示意圖；
[0019]圖6是實(shí)施例2中泵浦系統(tǒng)的示意圖；
[0020]圖7是實(shí)施例2中LD泵浦波長(zhǎng)選擇示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]實(shí)施例1
[0022]如圖1所示，本實(shí)施例中的激光器包括泵浦系統(tǒng)1、光傳輸系統(tǒng)2、激光晶體3和光學(xué)諧振腔4:
[0023]激光晶體3采用Nd =YAG晶體，尺寸為Φ 5x25mm，Nd3+摻雜濃度為I %，晶體雙端面鍍1064nm增透膜，可以吸收泵浦光束5，并放大產(chǎn)生沿X-X軸方向的激光輻射；
[0024]一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光傳輸系統(tǒng)2，如聚焦透鏡，用于引導(dǎo)泵浦系統(tǒng)I發(fā)射的泵浦光束5進(jìn)入激光晶體3，從而獲得X-X軸方向上的激光輻射；
[0025]一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)諧振腔4，包括一個(gè)全反鏡7和一個(gè)輸出鏡8 (輸出耦合率40% )，兩片鏡片彼此相對(duì)放置。光學(xué)諧振腔4通過(guò)振蕩放大激光晶體3泵浦得到的激光輻射，達(dá)到一定強(qiáng)度后，透過(guò)輸出鏡8沿X-X軸方向獲得激光輸出6 ；
[0026]泵浦系統(tǒng)I，其結(jié)構(gòu)由圖2具體示出，包括一個(gè)激光二極管10，被安裝在熱沉9上，能夠發(fā)射一泵浦光束5，波長(zhǎng)在800nm附近；一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)直裝置11，例如一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，與激光二極管10相匹配；還包括一塊波長(zhǎng)選擇性元件12，本實(shí)施例中采用多波長(zhǎng)光子晶體。
[0027]激光工作物質(zhì)Nd =YAG晶體在800nm附近的吸收譜線如圖3所示，為了保證晶體對(duì)泵浦光能夠充分吸收，選擇泵浦LD波長(zhǎng)分別鎖定到三個(gè)吸收峰λ 1、λ2、入3處，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)分別為795.5,804.7,813.3nm.而圖2中波長(zhǎng)選擇性元件12多波長(zhǎng)光子晶體的光譜反射峰如圖4所示，經(jīng)設(shè)計(jì)其反射峰Pl，P2，P3對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)分別對(duì)應(yīng)所選擇的三個(gè)吸收峰波長(zhǎng)，為795.5,804.7,813.3nm。多波長(zhǎng)光子晶體在光譜反射率的峰值Pl至P3的位置具有特定的反射率R，其作為一種濾波裝置放置于準(zhǔn)直過(guò)的激光二極管10前面，輻射光14每次都被約束在光譜反射率峰值Pl至P3對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)上，實(shí)現(xiàn)輻射14的光譜離散化，使得泵浦光束5的波長(zhǎng)與溫度的函數(shù)成為可能。當(dāng)溫度從-20到40°C變化時(shí)，激光二極管10發(fā)出的泵浦光束5的波長(zhǎng)隨溫度不再以連續(xù)的方式變化，而是如圖5所示，以離散形式變化，每一個(gè)溫度下LD波長(zhǎng)被鎖定在λ i至λ 3中一個(gè)或兩個(gè)波長(zhǎng)，從而保證激光晶體3對(duì)泵浦光束5始終具有良好的吸收，實(shí)現(xiàn)了從_20°C到40°C較寬的熱不敏感范圍且無(wú)主動(dòng)控溫。
[0028]采用以上實(shí)驗(yàn)裝置，在激光二極管50mJ的泵浦下，溫度從_20到40°C變化時(shí)，激光器均能正常工作，輸出1064nm激光能量為5mJ，實(shí)現(xiàn)了寬溫區(qū)無(wú)溫控DPL的正常工作。
[0029]實(shí)施例2
[0030]如圖1所示，本實(shí)施例中的激光器包括泵浦系統(tǒng)1、光傳輸系統(tǒng)2、激光晶體3和光學(xué)諧振腔4。其中光傳輸系統(tǒng)2、激光晶體3和光學(xué)諧振腔4與實(shí)施例1中相同，不再重述。
[0031]泵浦系統(tǒng)I，其結(jié)構(gòu)由圖6具體示出，包括由10個(gè)LD組成的LD陣列10，被安裝在熱沉9上，發(fā)射波長(zhǎng)在880nm附近的泵浦光束；每一個(gè)LD都經(jīng)過(guò)一個(gè)微透鏡11準(zhǔn)直；還包括一塊波長(zhǎng)選擇性元件12，本實(shí)施例中采用法布里-珀羅(FP)薄膜干涉片。
[0032]激光工作物質(zhì)Nd:YAG晶體在880nm附近的吸收譜線如圖7所示,為了保證晶體對(duì)泵浦光能夠充分吸收，選擇泵浦LD波長(zhǎng)分別鎖定到三個(gè)吸收峰λ P λ 2、λ 3處，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)分別為869.0,875.5,885.8nm.而圖6中FP薄膜干涉片的反射峰Pl，P2，P3對(duì)應(yīng)所選擇的三個(gè)吸收峰波長(zhǎng)，分別為795.5,804.7,813.3nm，其作為一種濾波裝置放置于準(zhǔn)直過(guò)的LD陣列10前面，LD泵浦光每次都被約束在光譜反射率峰值Pl至P3對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)上，實(shí)現(xiàn)了光譜離散化。當(dāng)溫度從-20到40°C變化時(shí)，LD陣列10發(fā)出的泵浦光束5的波長(zhǎng)隨溫度以離散形式變化，每一個(gè)溫度下LD波長(zhǎng)被鎖定在入1至λ 3中一個(gè)或兩個(gè)波長(zhǎng)，從而保證激光晶體3對(duì)泵浦光束5始終具有良好的吸收，實(shí)現(xiàn)了從-20°C到40°C較寬的熱不敏感范圍且無(wú)主動(dòng)控溫。
[0033]采用以上實(shí)驗(yàn)裝置，在LD陣列10mJ的泵浦下，溫度從-20到40°C變化時(shí)，激光器均能正常工作，輸出1064nm激光能量為15mJ，實(shí)現(xiàn)了寬溫區(qū)無(wú)溫控DPL的正常工作。
[0034]本發(fā)明還可以有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明作出相應(yīng)的改變和變型，但這些相應(yīng)的改變和變型都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種全固態(tài)激光器，該激光器包括泵浦系統(tǒng)、光傳輸系統(tǒng)、激光工作物質(zhì)和光學(xué)諧振腔；其特征在于: 所述的泵浦系統(tǒng)包括至少一個(gè)波長(zhǎng)選擇性元件，用于選擇半導(dǎo)體激光(LD)發(fā)出的泵浦光束的波長(zhǎng)；所述的波長(zhǎng)選擇性元件具有多個(gè)光譜反射峰，對(duì)應(yīng)特定分離的波長(zhǎng)，溫度變化時(shí)LD波長(zhǎng)會(huì)被鎖定在光譜反射峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)上，從而使泵浦系統(tǒng)獲得具有多個(gè)不同預(yù)定波長(zhǎng)的泵浦光束，實(shí)現(xiàn)了泵浦光波長(zhǎng)隨溫度漂移離散化；所述的預(yù)定波長(zhǎng)分別對(duì)應(yīng)激光工作物質(zhì)較高的吸收系數(shù)，保證了激光工作物質(zhì)對(duì)泵浦LD的充分吸收，從而獲得一個(gè)具有寬熱不敏感范圍的泵浦光束；所述的寬熱不敏感范圍的泵浦光束可用于實(shí)現(xiàn)寬溫度區(qū)間正常工作且無(wú)主動(dòng)控溫的全固態(tài)激光器。
2.按權(quán)利要求1所述的一種全固態(tài)激光器，其特征在于，所述的波長(zhǎng)選擇性元件可以是多波長(zhǎng)光子晶體、法布里-珀羅薄膜干涉片、光柵或鍍有多層介質(zhì)膜的基片，具有多個(gè)光譜反射峰。
3.按權(quán)利要求1所述的一種全固態(tài)激光器，其特征在于，所述的泵浦系統(tǒng)除包括至少一個(gè)波長(zhǎng)選擇性元件外還包括至少一個(gè)LD用于發(fā)射至少一個(gè)泵浦光束和至少一個(gè)準(zhǔn)直裝置用于接收和準(zhǔn)直所述泵浦光束。
4.按權(quán)利要求1所述的一種全固態(tài)激光器，其特征在于，所述的光傳輸系統(tǒng)可以是一個(gè)或多個(gè)透鏡、波導(dǎo)或自由空間，用于引導(dǎo)泵浦系統(tǒng)發(fā)射的泵浦光束進(jìn)入激光工作物質(zhì)。
5.按權(quán)利要求1所述的一種全固態(tài)激光器，其特征在于，所述的激光工作物質(zhì)可以為晶體或陶瓷，形狀可以為圓棒狀或板條狀，可以吸收泵浦光束并放大。
6.按權(quán)利要求1所述的一種全固態(tài)激光器，其特征在于，所述的光學(xué)諧振腔包括一個(gè)全反鏡和一個(gè)輸出鏡，可以振蕩放大激光工作物質(zhì)泵浦得到的激光輻射，達(dá)到一定強(qiáng)度后實(shí)現(xiàn)激光輸出。
7.按權(quán)利要求1所述的一種全固態(tài)激光器，其特征在于，所述的激光工作物質(zhì)的泵浦方向可以是縱向、橫向、半橫向或其它任何方向。
【文檔編號(hào)】H01S3/16GK104393475SQ201410405772
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月19日
【發(fā)明者】張小富, 劉天植, 陳臻懿, 林安英, 張玉珂, 謝仕永, 張帆, 商海慶, 安俊明 申請(qǐng)人:林安英, 陳臻懿