基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器的制造方法
【专利摘要】基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器，涉及一种激光器。为了解决目前采用Tm\Ho掺杂单晶材料的激光器输出激光的效率和单脉冲能量低的问题。它包括Tm:YAG陶瓷种子激光器、耦合系统、Tm:YAG陶瓷脉冲激光器和注入锁频伺服系统；Tm:YAG陶瓷种子激光器输出的种子光入射至耦合系统，耦合系统透射的光入射至Tm:YAG陶瓷脉冲激光器，注入锁频伺服系统对Tm:YAG陶瓷脉冲激光器进行驱动和控制，使Tm:YAG陶瓷脉冲激光器输出2微米脉冲单频激光。它用于激光雷达的高性能激光发射源。
【专利说明】基于Tm: YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光器，特别涉及一种基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器。
【背景技术】
[0002]差分吸收激光雷达和相干多普勒测风雷达是实时测量气体成分和大气风场的有力工具，凭借较高的大气传输透过率，2 μ m种子注入单频脉冲固体激光器是上述激光雷达的高性能激光发射源。根据大气透过率谱，相同功率下波长越长的2 μ m激光的传输距离越远，越有利于增大激光雷达的测量距离。激光二极管(laser diode, LD)直接泵浦的2μπι固体激光装置具有结构紧凑、性能稳定及易于维护等的优点，非常适合于实际应用。目前，利用LD泵浦Tm\Ho掺杂单晶材料是实现2 μ m波段激光输出的主要途径，主要包括:(I) 800nm左右LD泵浦单掺Tm单晶材料；(2) 1.9 μ m左右LD泵浦单掺Ho单晶材料；(3) 800nm左右LD泵浦Tm，Ho双掺单晶材料。采用Tm\Ho掺杂单晶材料可以获得2 μ m波段激光输出，但Tm\Ho掺杂单晶材料生长周期长、掺杂浓度低，因而限制了 2 μ m激光装置的效率和其输出激光的单脉冲能量。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为了解决目前采用Tm\Ho掺杂单晶材料的激光器输出激光的效率和单脉冲能量低的问题，本发明提供一种基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器。
[0004]本发明的基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器，
[0005]它包括Tm:YAG陶瓷种子激光器、耦合系统、Tm: YAG陶瓷脉冲激光器和注入锁频伺服系统；
[0006]TmiYAG陶瓷种子激光器包括第一全反镜、第一 Tm:YAG陶瓷晶体、起偏元件、第一波长调谐元件、第二波长调谐元件和输出耦合镜；
[0007]LD泵浦光入射至第一全反镜，经第一全反镜透射的光入射至第一 Tm:YAG陶瓷晶体，经第一 Tm:YAG陶瓷晶体透射的光入射至起偏元件，经起偏元件透射的光入射至第一波长调谐元件，经第一波长调谐元件透射的光入射至第二波长调谐元件，经第二波长调谐元件透射的光入射至输出耦合镜，经输出耦合镜透射的光入射至耦合系统；
[0008]耦合系统包括第一变换透镜、二分之一波片、光学隔离元件、第二全反镜、第三全反镜和第二变换透镜；
[0009]经输出耦合镜透射的种子光入射至第一变换透镜，经第一变换透镜透射的种子光入射至二分之一波片，经二分之一波片透射的种子光入射至光学隔离元件，经光学隔离元件透射的种子光入射至第二全反镜，经第二全反镜透射的种子光入射至第三全反镜，经第三全反镜透射的种子光入射至第二变换透镜，经第二变换透镜透射的种子光入射至Tm:YAG陶瓷脉冲激光器；[0010]Tm: YAG陶瓷脉冲激光器包括2 μ m输出耦合镜、第一 2 μ m全反镜、第二 Tm: YAG陶瓷晶体、第二 2 μ m全反镜、第三2 μ m全反镜和声光调Q晶体；
[0011]经第二变换透镜透射的种子光入射至2 μ m输出耦合镜，经2 μ m输出耦合镜透射的光入射至第一 2 μ m全反镜，经第一 2 μ m全反镜全反射的光入射至第二 Tm: YAG陶瓷晶体；
[0012]泵浦光入射至第一 2 μ m全反镜，经第一 2 μ m全反镜透射的光入射至第二 Tm: YAG陶瓷晶体，经第二 Tm:YAG陶瓷晶体透射的光入射至第二 2 μ m全反镜，经第二 2 μ m全反镜反射的光入射至第三2 μ m全反镜，经第三2 μ m全反镜反射的光入射至声光调Q晶体，经声光调Q晶体透射的光入射至2 μ m输出耦合镜，经2 μ m输出耦合镜透射的光为基于Tm: YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器输出的2微米脉冲单频激光；注入锁频伺服系统包括压电陶瓷、红外探测器和电学伺服系统；
[0013]压电陶瓷驱动第三2 μ m全反镜进行谐振扫描，
[0014]红外探测器探测第三2 μ m全反镜透射的光的谐振强度，红外探测器输出的光谐振强度电信号输入给电学伺服系统，电学伺服系统输出的控制信号输入至声光调Q晶体，电学伺服系统输出的驱动信号输入至压电陶瓷。
[0015]本发明的有益效果在于，本发明选用Tm:YAG陶瓷材料作为激光工作介质，运用种子光注入锁定技术，实现激光雷达系统所需要的单频脉冲2 μ m激光输出，提高2 μ m激光装置效率和单脉冲能量。本发明的可做到全固态和小型化，单频、稳定的脉冲激光输出。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为【具体实施方式】一所述的基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器的
原理示意图。
【具体实施方式】
[0017]【具体实施方式】一:结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器，它包括Tm: YAG陶瓷种子激光器、耦合系统、Tm: YAG陶瓷脉冲激光器和注入锁频伺服系统；
[0018]TmiYAG陶瓷种子激光器包括第一全反镜1、第一 Tm:YAG陶瓷晶体2、起偏元件3、第一波长调谐元件4、第二波长调谐元件5和输出耦合镜6 ；
[0019]LD泵浦光入射至第一全反镜1，经第一全反镜I透射的光入射至第一 Tm:YAG陶瓷晶体2，经第一 Tm:YAG陶瓷晶体2透射的光入射至起偏元件3，经起偏元件3透射的光入射至第一波长调谐元件4，经第一波长调谐元件4透射的光入射至第二波长调谐元件5，经第二波长调谐兀件5透射的光入射至输出I禹合镜6,经输出I禹合镜6透射的光入射至I禹合系统；
[0020]耦合系统包括第一变换透镜7、二分之一波片8、光学隔离元件9、第二全反镜10、第三全反镜11和第二变换透镜12 ；
[0021]经输出耦合镜6透射的种子光入射至第一变换透镜7，经第一变换透镜7透射的种子光入射至二分之一波片8，经二分之一波片8透射的种子光入射至光学隔离元件9，经光学隔离元件9透射的种子光入射至第二全反镜10，经第二全反镜10透射的种子光入射至第三全反镜11，经第三全反镜11透射的种子光入射至第二变换透镜12，经第二变换透镜12透射的种子光入射至Tm:YAG陶瓷脉冲激光器；
[0022]Tm: YAG陶瓷脉冲激光器包括2μηι输出f禹合镜13、第一 2μηι全反镜14、第二Tm: YAG陶瓷晶体15、第二 2 μ m全反镜16、第三2 μ m全反镜17和声光调Q晶体18 ；
[0023]经第二变换透镜12透射的种子光入射至2μπι输出耦合镜13，经2μπι输出耦合镜13透射的光入射至第一 2 μ m全反镜14，经第一 2 μ m全反镜14全反射的光入射至第二Tm:YAG陶瓷晶体15 ；
[0024]泵浦光入射至第一 2μπι全反镜14，经第一 2 μ m全反镜14透射的光入射至第二Tm: YAG陶瓷晶体15，经第二 Tm: YAG陶瓷晶体15透射的光入射至第二 2 μ m全反镜16，经第二 2 μ m全反镜16反射的光入射至第三2 μ m全反镜17，经第三2 μ m全反镜17反射的光入射至声光调Q晶体18，经声光调Q晶体18透射的光入射至2 μ m输出耦合镜13，经2 μ m输出耦合镜13透射的光为基于Tm: YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器输出的2微米脉冲单频激光；
[0025]注入锁频伺服系统包括压电陶瓷19、红外探测器20和电学伺服系统21 ；
[0026]压电陶瓷19驱动第三2 μ m全反镜17进行谐振扫描，
[0027]红外探测器20探测第三2 μ m全反镜17透射的光的谐振强度，红外探测器20输出的光谐振强度电信号输入给电学伺服系统21,电学伺服系统21输出的控制信号输入至声光调Q晶体18,电学伺服系统21输出的驱动信号输入至压电陶瓷19。
[0028]本实施方式中的注入锁频伺服系统用于控制Tm:YAG陶瓷脉冲激光器的单频输出；
[0029]起偏元件3保证Tm:YAG陶瓷种子激光器输出激光为线偏振，第一波长调谐元件4和第二波长调谐元件5限制Tm:YAG陶瓷种子激光器输出激光为单纵模。
[0030]本实施方式中2第三μ m全反镜17粘贴在压电陶瓷19上，红外探测器20置于2 μ m全反镜17之后，压电陶瓷19驱动第三2 μ m全反镜17进行谐振扫描，用红外探测器20探测从第三2 μ m全反镜17透射的光谐振强度并转换为电信号，同时将获得的电信号传送到电学伺服系统21，电学伺服系统21对其进行必要的放大比较整形后，发出控制信号到声光调Q晶体18，最终实现Tm: YAG陶瓷单频脉冲激光振荡，从输出耦合镜13处输出。
[0031]【具体实施方式】二:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器的进一步限定，第一全反镜1、第二全反镜10、第三全反镜11、第一2 μ m全反镜14、第二 2 μ m全反镜16和第三2 μ m全反镜17均镀有LD泵浦光高透且振荡光闻反的介质月旲;
[0032]输出耦合镜6镀有LD泵浦光高透且振荡光部分透射的介质膜；
[0033]2 μ m输出稱合镜13镀有对振荡光部分透射的介质膜；
[0034]第一 Tm: YAG陶瓷晶体2和第二 Tm: YAG陶瓷晶体15的两面均镀有LD泵浦光高透且振荡光高透的介质膜。
[0035]【具体实施方式】三:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器的进一步限定，输出耦合镜6的透过率为2%。
[0036]【具体实施方式】四:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器的进一步限定，第三2 μ m全反镜17为曲率半径IOOOmm的平凹镜。[0037]【具体实施方式】五:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器的进一步限定，2 μ m输出耦合镜13为曲率半径IOOOmm的平凹镜，且透过率为4%。
[0038]【具体实施方式】六:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器的进一步限定，声光调Q晶体18的重复频率100Hz。
[0039]本实施方式中，调Q重复频率IOOHz时，获得单脉冲能量达到2mJ的2013nm单频脉冲激光输出，脉冲宽度为150ns。
[0040]【具体实施方式】七:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器的进一步限定，所述Tm: YAG陶瓷脉冲激光器的谐振腔的物理长度为 0.4mο
【权利要求】
1.基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器，其特征在于，它包括Tm: YAG陶瓷种子激光器、耦合系统、Tm: YAG陶瓷脉冲激光器和注入锁频伺服系统； Tm:YAG陶瓷种子激光器包括第一全反镜(I)、第一 Tm:YAG陶瓷晶体(2)、起偏元件(3)、第一波长调谐元件(4)、第二波长调谐元件(5)和输出耦合镜(6)； LD泵浦光入射至第一全反镜(I)，经第一全反镜(I)透射的光入射至第一 Tm: YAG陶瓷晶体(2)，经第一 Tm:YAG陶瓷晶体(2)透射的光入射至起偏元件(3)，经起偏元件(3)透射的光入射至第一波长调谐元件(4)，经第一波长调谐元件(4)透射的光入射至第二波长调谐元件(5)，经第二波长调谐元件(5)透射的光入射至输出耦合镜(6)，经输出耦合镜(6)透射的光入射至耦合系统； 率禹合系统包括第一变换透镜(7)、二分之一波片(8)、光学隔离兀件(9)、第二全反镜(10)、第三全反镜(11)和第二变换透镜(12)； 经输出耦合镜(6)透射的种子光入射至第一变换透镜(7)，经第一变换透镜(7)透射的种子光入射至二分之一波片(8)，经二分之一波片(8)透射的种子光入射至光学隔离元件(9)，经光学隔离元件(9)透射的种子光入射至第二全反镜(10)，经第二全反镜(10)透射的种子光入射至第三全反镜(11)，经第三全反镜(11)透射的种子光入射至第二变换透镜(12)，经第二变换透镜(12)透射的种子光入射至Tm:YAG陶瓷脉冲激光器； Tm: YAG陶瓷脉冲激光器包括2 μ m输出f禹合镜(13)、第一2μηι全反镜(14)、第二TmiYAG陶瓷晶体(15)、第二 2μπι全反镜(16)、第三2μπι全反镜(17)和声光调Q晶体 (18)； 经第二变换透镜(12)透射的种子光入射至2μπι输出耦合镜(13)，经2μπι输出耦合镜(13)透射的光入射至第一 2μπι全反镜(14)，经第一 2 μ m全反镜(14)全反射的光入射至第二 Tm: YAG陶瓷晶体(15)； 泵浦光入射至第一 2μπι全反镜(14)，经第一 2μπι全反镜(14)透射的光入射至第二Tm:YAG陶瓷晶体(15)，经第二 Tm:YAG陶瓷晶体(15)透射的光入射至第二 2 μ m全反镜(16),经第二2 μ m全反镜(16)反射的光入射至第三2 μ m全反镜(17),经第三2 μ m全反镜(17)反射的光入射至声光调Q晶体(18)，经声光调Q晶体(18)透射的光入射至2μ m输出耦合镜(13)，经2 μ m输出耦合镜(13)透射的光为基于Tm: YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器输出的2微米脉冲单频激光； 注入锁频伺服系统包括压电陶瓷(19)、红外探测器(20)和电学伺服系统(21)； 压电陶瓷(19)驱动第三2μπι全反镜(17)进行谐振扫描， 红外探测器(20)探测第三2μπι全反镜(17)透射的光的谐振强度，红外探测器(20)输出的光谐振强度电信号输入给电学伺服系统(21),电学伺服系统(21)输出的控制信号输入至声光调Q晶体(18)，电学伺服系统(21)输出的驱动信号输入至压电陶瓷(19)。
2.根据权利要求1所述的基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器，其特征在于， 第一全反镜(I)、第二全反镜(10)、第三全反镜(11)、第一 2 μ m全反镜(14)、第二2μηι全反镜(16)和第三2μπι全反镜(17)均镀有LD泵浦光高透且振荡光高反的介质膜； 输出耦合镜(6)镀有LD泵浦光高透且振荡光部分透射的介质膜； 2 μ m输出f禹合镜(13)镀有对振荡光部分透射的介质膜；第一 Tm:YAG陶瓷晶体⑵和第二 Tm:YAG陶瓷晶体(15)的两面均镀有LD泵浦光高透且振荡光高透的介质膜。
3.根据权利要求1所述的基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器，其特征在于， 输出耦合镜出)的透过率为2%。
4.根据权利要求1所述的基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器，其特征在于， 第三2 μ m全反镜(17)为曲率半径1000mm的平凹镜。
5.根据权利要求1所述的基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器，其特征在于， 2 μ m输出耦合镜(13)为曲率半径1000mm的平凹镜，且透过率为4%。
6.根据权利要求1所述的基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器，其特征在于， 声光调Q晶体(18)的重复频率IOOHz。
7.根据权利要求1所述的基于Tm:YAG陶瓷材料的2微米脉冲单频激光器，其特征在于， 所述Tm:YAG陶瓷脉冲激光器的谐振腔的物理长度为0.4m。
【文档编号】H01S3/11GK104022438SQ201410293120
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】戴通宇, 鞠有伦, 姚宝权, 吴婧, 王月珠 申请人:哈尔滨工业大学