专利名称：半导体双端面泵浦Nd:YVO4高功率单模固体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光技术领域，是关于一种端面泵浦固体激光器。
背景技术：
在将激光二极管作为激光泵浦源所采用的泵浦方式中，端面泵浦方式具有泵浦装置简单、耦合效率高、泵浦光束与腔模匹配良好、输出激光光束质量好和阈值泵浦功率低等优点。在适合激光二极管泵浦的众多激光晶体中，Nd:YVO4晶体因具有吸收系数大、发射截面积大、光损伤阈值高、斜效率高、双折射效应高和辐射为线性极化等特点而倍受人们青睐，它已成为激光二极管泵浦中小功率激光器的理想工作物质(《激光二极管泵浦高效Nd:YVO4/KTP腔内倍频激光器》，光学学报，1996，16(10)1393-1396)。但在国内，尚未见激光二极管端面泵浦的、激光功率超过20W的高功率固体激光器产品的报道，在国际上也只有光谱物理等少数几家激光公司的产品激光功率能达到20W。
在众多激光二极管端面泵浦的Nd:YVO4固体激光器中，大多数是采用单端泵浦方式(《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)，由于受晶体中的热效应所产生的热应力不能超过Nd:YVO4晶体的断裂应力的限制，增益介质的单位面积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，所得激光功率相对较小，使得激光器在实际激光应用中受到一定的限制；而且如果激光晶体Nd:YVO4掺杂浓度和晶体长度没有通过详细的设计而盲目选择，受到Nd:YVO4晶体导热性能较差、在大功率泵浦时将会产生明显的热透镜效应的影响，所得激光功率不但不高，而且激光光束质量和激光器的稳定性都会受到严重的影响。
为了在端面泵浦Nd:YVO4激光器上得到高功率输出，也有采用双端泵浦双块晶体的方法(《一种能补偿热效应的高功率端面泵浦Nd:YVO4激光谐振腔的设计》，光子学报，2003(12)，1418-1421)，这种利用增加激光晶体数量的方法来达到减少激光晶体单位面积上所承受的泵浦功率的方法不但增加了设备成本，而且占用激光器的空间位置，同时对冷却装置也提出了更高的要求，激光调节难度也增大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一高功率、高效率、高光束质量的激光器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是该半导体双端面泵浦Nd:YVO4高功率单模固体激光器，包括两个激光二极管、45°镜、两根光纤、两套光学耦合系统、Nd:YVO4晶体、调Q开关、全反镜、输出镜和冷却装置，理论上对该激光器的腔结构、热透镜焦距、Nd:YVO4晶体的掺杂浓度与破坏阈值以及晶体长度进行综合优化详细设计。
本发明所具有的优点是1.从理论上对Nd:YVO4晶体的破坏阈值进行计算，保证了该晶体长期稳定性运转；2.从理论上对一定掺杂浓度下Nd:YVO4晶体对泵浦光的吸收达到一定吸收效率所需要的晶体长度进行计算，保证了该激光器具有高的光光转换效率；3.通过对激光器的腔结构、热透镜焦距等进行详细设计，使该激光器实现基模运行，从而保证了该激光器具有高的光束质量；4.采用双端面泵浦单块Nd:YVO4晶体，相对于双端面泵浦双块晶体激光器，不但减少了激光器成本，而且降低了激光器调节难度，增强了激光器的适用性；5.该激光器采用“U”形结构，使得激光器的体积小，结构紧凑。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为在不同掺杂浓度下，Nd:YVO4晶体达到热应力破坏时单位面积上能承受的最大泵浦功率计算结果。
图2为Nd:YVO4晶体在不同晶体长度下对泵浦光的吸收率计算结果。
图3为不同泵浦功率下对应的热透镜焦距计算结果。
图4为本发明半导体双端面泵浦Nd:YVO4高功率单模固体激光器的实验光路图。
图5为本发明半导体双端面泵浦Nd:YVO4高功率单模固体激光器的实验中CW激光功率随泵浦电流的变化曲线。
图6为本发明半导体双端面泵浦Nd:YVO4高功率单模固体激光器的实验中电流30A时，激光功率和脉冲宽度随调Q频率的变化曲线。
图7为本发明半导体双端面泵浦Nd:YVO4高功率单模固体激光器的实验中调Q频率为20KHz时，激光功率随泵浦电流的变化。
图8为本发明半导体双端面泵浦Nd:YVO4高功率单模固体激光器的实验中调Q频率20KHz时的单个激光脉冲波形。
图9为本发明半导体双端面泵浦Nd:YVO4高功率单模固体激光器的实验中三维光场分布图形。
图10为本发明半导体双端面泵浦Nd:YVO4高功率单模固体激光器的实验中激光长期稳定性曲线。
具体实施例方式
在本发明专利中，为使该激光器能连续可靠的工作，我们对该激光器的相关参数从理论上进行了详细的设计。首选通过理论计算了Nd:YVO4晶体达到热应力破坏时单位面积上能承受的最大泵浦功率随掺杂浓度的变化关系(请参阅图1)，发现随着掺杂浓度的增加，晶体所能承受的最大泵浦功率降低，为使该激光器长期可靠的工作，必须选择合适掺杂浓度的Nd:YVO4晶体；在该掺杂浓度下，为使泵浦功率有效的转换成激光功率，我们详细计算了Nd:YVO4晶体在不同长度下对泵浦光的吸收率，如图2所示，从而选择出合适的晶体长度；在确定好晶体的相关参数情况下，我们模拟出了该激光器运转时热透镜焦距随泵浦功率的变化关系，如图3所示；结合以上所选择的参数，我们对激光腔结构进行了详细设计，使得Nd:YVO4晶体上的基模体积比耦合于晶体上的泵浦光的体积大，从理论上保证该激光器在基模状态下运行。
请参阅图4，本发明双端面泵浦高功率固体激光器包括全反镜1、调Q开关2、45°镜(3，5)、Nd:YVO4晶体4、输出镜6、两个激光二极管(7，12)、两根光纤(8，11)、两套光学耦合系统(9，10)及冷却装置。
两个激光二极管(7，12)发出的808nm泵浦光通过相应的光纤(8，11)传输后，由光学耦合系统(9，10)耦合于Nd:YVO4晶体4上，振荡光束在由全反镜1、45°镜(3，5)和输出镜6组成的“U”形谐振腔内多次振荡放大后输出。光纤(8，11)实现了泵浦源与激光器的有效分离，光学耦合系统(9，10)将泵浦光有效的耦合于Nd:YVO4晶体4上。
图5至图10是在该激光器上所得的相关实验结果，该激光器最大连续激光功率为30.9W，光光转换效率大于50％；最小激光脉冲宽度为15ns；M2值为1.4；长期稳定性小于1％。实验结果与理论设计符合得很好。
本发明半导体双端面泵浦Nd:YVO4高功率单模固体激光器，采用双端面泵浦单块Nd:YVO4晶体的方法，通过对激光器的腔结构、热透镜焦距，Nd:YVO4晶体的掺杂浓度与破坏阈值以及晶体长度进行综合优化详细设计，然后通过实验得到一高功率、高效率质量的激光器。
本发明所具有的优点是1.从理论上对Nd:YVO4晶体的破坏阈值进行计算，保证了该晶体长期稳定性运转；2.从理论上对一定掺杂浓度下Nd:YVO4晶体对泵浦光的吸收达到一定吸收效率所需要的晶体长度进行计算，保证了该激光器具有高的光光转换效率；3.通过对激光器的腔结构、热透镜焦距等进行详细设计，使该激光器实现基模运行，从而保证了该激光器具有高的光束质量；4.采用双端面泵浦单块Nd:YVO4晶体，相对于双端面泵浦双块晶体激光器，不但减少了激光器成本，而且降低了激光器调节难度，增强了激光器的适用性；
5.该激光器采用“U”形结构，使得激光器的体积小，结构紧凑。
权利要求
1.一种半导体双端面泵浦Nd:YVO4高功率单模固体激光器，其特征在于包括两个激光二极管、450镜、两根光纤、两套光学耦合系统、Nd:YVO4晶体、调Q开关、全反镜、输出镜和冷却装置，理论上对该激光器的腔结构、热透镜焦距、Nd:YVO4晶体的掺杂浓度与破坏阈值以及晶体长度进行综合优化详细设计。
2.根据权利要求1所述的半导体双端面泵浦Nd:YVO4高功率单模固体激光器，其特征在于该激光器的腔结构为“U”形结构。
3.根据权利要求1所述的半导体双端面泵浦Nd:YVO4高功率单模固体激光器，其特征在于该激光器所采用的泵浦方式为双端面泵浦单块Nd:YVO4晶体。
全文摘要
一种半导体双端面泵浦Nd:YVO4高功率单模固体激光器，包括两个激光二极管、45°镜、两根光纤、两套光学耦合系统、Nd:YVO4晶体、调Q开关、全反镜、输出镜和冷却装置，理论上对该激光器的腔结构、热透镜焦距、Nd:YVO4晶体的掺杂浓度与破坏阈值以及晶体长度进行综合优化详细设计。通过实验，发现实验结果与理论设计符合得很好。
文档编号H01S3/08GK1905295SQ20051003627
公开日2007年1月31日 申请日期2005年7月29日 优先权日2005年7月29日
发明者周复正, 吕凤萍, 周宇超, 马淑贞, 郑珺晖, 高云峰 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司