专利名称：半导体双端面泵浦固体激光器的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种半导体端面泵浦固体激光器。
背景技术：
采用激光二极管泵浦的端面泵浦固体激光器因其装置紧凑、光束质量好、效率高等特点而受欢迎，国内尚未见功率超过26W的端面泵浦激光器产品的报道，在国际上也只有光谱物理等少数几家激光公司能做到。
在适合激光二极管泵浦的众多激光晶体中，Nd:YVO4晶体因受激光发射截面大、吸收光谱宽、偏振输出等优点倍受人们青睐(《用于飞秒紫外激光产生的LD泵浦高效Nd:YVO4绿光激光器研究》，光子学报，2000，29(11)1053～1055页)。但是，Nd:YVO4晶体导热性能较差，只有YAG的一半，在大功率泵浦时将会产生明显的热透镜效应；同时，由于Nd:YVO4为双轴晶体，其“c”轴方向的热膨胀系数为“a”轴方向的2.5倍，泵浦光加热时热膨胀不均匀，使晶体内部产生机械应力，当这种热应力较大时，会使晶体变形甚至损坏，严重影响激光器的工作稳定性和输出光的光束质量。所以，在采用高功率激光二极管作为泵浦源时，热效应成为急需解决的问题。
在解决纵向热透镜的问题时可对热效应进行补偿(《大功率LD端面抽运Nd:YAG Z型腔内热效应补偿的研究》，中国激光，2002，A29(8)673～676页；《固体激光器热透镜焦距的自适应补偿》，中国激光，1999，A26(3)205～208页；《可自适应补偿热透镜效应的固体激光谐振腔》，物理学报，2000，49(8)1495～1498页)，但补偿方法大都是通过加入附加的光学元件，这不但加大了光路的调节难度，而且增大了损耗从而降低了激光输出功率。
克服纵向热效应采用轴不对称散热法，即冷却垂直于Nd:YVO4晶体“c”轴的两个面，而“a”轴两面不冷却(《Diode Pumped Laser with Strongthermal Lens Crystal》，美国专利，专利号US 5410559)，用这种方法在低功率泵浦时可以得到圆光斑输出，但如果选用大功率的激光二极管作为Nd:YVO4的泵浦源时，因为Nd:YVO4晶体上的大量热量不能及时散开而使输出的激光光斑为椭圆形，严重时还会损坏晶体。
此外，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及输出功率受到限制(《Power scaling of diode-pumped Nd:YVO4 Lasers》，IEEE JQuantum Electronics，2002，38(9)P1291～1299)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率大、效率高且光束质量优良的半导体双端面泵浦固体激光器。
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固体激光器包括两个激光二极管、两根光纤、两套光学耦合系统、两个增益介质、 波片、冷却装置及输出镜，其中增益介质输出的光为线偏振光，并且在不同轴方向上的热膨胀系数也不同，两个增益介质相对90度放置，即其中一块增益介质的c轴方向与另一块增益介质的a轴方向相平行，其中增益介质c轴的热膨胀系数与a轴的热膨胀系数不同，两个增益介质所产生的热透镜组成共焦系统，冷却装置对增益介质进行冷却，并且冷却的表面是与增益介质的a轴垂直的所有表面和与增益介质的c轴垂直的所有表面。
本发明所具有的优点是1、利用增益介质可得到线偏振光的特点，在放置增益介质时，让一块增益介质的c轴方向(热膨胀系数与a轴的热膨胀系数不同)和另一块增益介质的a轴方向相平行，再利用 波片的旋转性，使得振荡光束在谐振腔中实现线偏振光振荡耦合。
2、采用两个激光二极管分别泵浦两块增益介质，减少了每块增益介质所承受的泵浦能量，但总体则可承受更高的泵浦能量进而获得高功率的激光输出。
3、由于冷却装置对增益介质进行冷却的表面，是与增益介质的a轴垂直的所有表面和与增益介质的c轴垂直的所有表面，增大了散热面积，这样有利于及时释放增益介质在泵浦时所产生的热量，使增益介质不会因为热效应所产生的热应力超过增益介质的断裂应力而被损坏。
4、利用两块增益介质产生的热透镜组成共焦系统，有效地避免了热透镜效应，从而增强了激光腔的热稳定性、提高了激光输出功率和激光光束质量。
5、利用增益介质本身的热效应进行自“补偿”，在光路中没有附加热补偿元件，适合高功率泵浦，提高了效率和输出功率。
6、将两块增益介质所得的椭圆型光斑组合经小孔的选模作用得到圆形光斑输出。
7、在本设计结构中，将谐振腔中的振荡光束的光腰设计在两增益介质之间，使得到达全反镜镜片和输出镜镜片处的振荡光束趋向于相对大口径平行光束，减少了高能量密度的振荡光束对光学镜片的破坏。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明半导体双端面泵浦固体激光器的光路示意图。
图2是本发明半导体双端面泵浦固体激光器的线偏振光耦合激光场分布原理示意图。
图3是本发明半导体双端面泵浦固体激光器的高斯光束在激光腔内振荡轨迹计算结果。
图4是本发明半导体双端面泵浦固体激光器在不同泵浦电流下DPSS的输出功率和脉冲宽度变化曲线，其中W轴代表激光功率，单位为瓦；A轴代表泵浦电流，单位为安；ns轴代表脉冲宽度，单位为纳秒。
图5是本发明半导体双端面泵浦固体激光器在最大泵浦电流35A下所测得的激光强度分布图。
图6是本发明半导体双端面泵浦固体激光器在泵浦电流为32A、调Q频率为10KHz、门宽8μs情况下测得的激光脉冲波形。
图7是本发明半导体双端面泵浦固体激光器在最大工作电流下激光功率随时间的变化曲线，其中W轴代表激光功率，单位为瓦；H轴代表时间，单位为小时。
具体实施例方式
请参阅图1，本发明半导体双端面泵浦固体激光器包括两个激光二极管1、两根光纤2、两个光学耦合系统3、全反镜4、两个Nd:YVO4晶体5和9、 波片6、调Q器件7、光阑8、45°全反镜10、输出镜11及冷却装置，其中全反镜4、45°全反镜10及输出镜11组成激光谐振腔，两个Nd:YVO4晶体5和9作为增益介质，激光二极管1为泵浦源。
由两个激光二极管1发出的808nm泵浦光通过相应的光纤2传输后，由光学耦合系统3耦合于Nd:YVO4晶体5和9上，振荡光束在由全反镜4、45°全反镜10和输出镜11组成的谐振腔内多次振荡放大后从输出镜11输出。光纤2实现了泵浦源与激光器的有效分离，光学耦合系统3将泵浦光有效的耦合于Nd:YVO4晶体5和9上。
两个Nd:YVO4晶体5和9相对90度放置，即Nd:YVO4晶体5的c轴方向(热膨胀系数是a轴的2.5倍)和Nd:YVO4晶体9的a轴方向相平行，Nd:YVO4晶体5的a轴方向和Nd:YVO4晶体9的c轴方向相平行。另外，冷却装置对Nd:YVO4晶体5和9进行冷却，并且冷却的表面是与Nd:YVO4晶体5和9的a轴垂直的所有表面和与Nd:YVO4晶体5和9的c轴垂直的所有表面。
请参阅图2，当单独泵浦其中任意一Nd:YVO4晶体时所得的激光光斑为椭圆光斑，只是这两椭圆光斑相差90度，当同时泵浦两Nd:YVO4晶体5和9时，两块Nd:YVO4晶体5和9所产生的热透镜组成共焦系统，对热透镜效应进行了有效的补偿，所得的激光光斑为两相差90度的椭圆光斑的组合图形。因为Nd:YVO4晶体5和9的放置方法，使得泵浦每块Nd:YVO4晶体后所得的振荡光束的偏振方向刚好相差90度，但经 波片6旋转90度后，使光束在谐振腔中的不同地方实现了线偏振耦合振荡。
高斯光束在激光腔内振荡轨迹计算结果如图3所示，振荡光束在由全反镜4、45°全反镜10和输出镜11组成的谐振腔内多次振荡放大后，再通过小孔的选模作用，得到分布均匀的圆光斑输出。
由于冷却装置对Nd:YVO4晶体5和9进行冷却的表面，是与Nd:YVO4晶体5和9的a轴垂直的所有表面和与Nd:YVO4晶体5和9的c轴垂直的所有表面，这样有利于及时释放Nd:YVO4晶体5和9在泵浦时所产生的热量，使Nd:YVO4晶体5和9不会因为热效应所产生的热应力超过其断裂应力而被损坏。从而可以提高Nd:YVO4晶体5和9的单位面积上所能承受的泵浦功率，从而可以提高激光器的输出功率。
请参阅图4至图7，经过试验，本发明半导体双端面泵浦固体激光器所得的激光连续功率高于26W，当采用调Q器件7的调制作用时，则得到峰值功率为KW级的调Q激光输出，光光转换效率超过43％，斜效率高于53％，最小调Q脉宽24ns，长期稳定性小于2％。
根据本发明半导体双端面泵浦固体激光器的工作原理，不难推断，作为增益介质的Nd:YVO4晶体5和9可以换做其他热膨胀系数不均匀的晶体或他们的组合，如Nd:GdVO4晶体、Nd:YAG晶体或者Nd:YLF晶体，只要该增益介质输出的光为线偏振光，并且在不同轴方向上的热膨胀系数不相同即可。另外，增益介质可以切割成长方体、正方体或者圆柱体等形状，激光谐振腔结构可以设计为如“V”形、“Z”形等形状或者直线腔。
本发明半导体双端面泵浦固体激光器具有以下几点优点1、利用增益介质可得到线偏振光的特点，在放置增益介质时，让一块增益介质的c轴方向(热膨胀系数与a轴的热膨胀系数不同)和另一块增益介质的a轴方向相平行，再利用 波片的旋转性，使得振荡光束在谐振腔中实现线偏振光振荡耦合。
2、采用两个激光二极管分别泵浦两块增益介质，减少了每块增益介质所承受的泵浦能量，但总体则可承受更高的泵浦能量进而获得高功率的激光输出。
3、由于冷却装置对增益介质进行冷却的表面，是与增益介质的a轴垂直的所有表面和与增益介质的c轴垂直的所有表面，增大了散热面积，这样有利于及时释放增益介质在泵浦时所产生的热量，使增益介质不会因为热效应所产生的热应力超过增益介质的断裂应力而被损坏。
4、利用两块增益介质产生的热透镜组成共焦系统，有效地避免了热透镜效应，从而增强了激光腔的热稳定性、提高了激光输出功率和激光光束质量。
5、利用增益介质本身的热效应进行自“补偿”，在光路中没有附加热补偿元件，适合高功率泵浦，提高了效率和输出功率。
6、将两块增益介质所得的椭圆型光斑组合经小孔的选模作用得到圆形光斑输出。
7、在本设计结构中，将谐振腔中的振荡光束的光腰设计在两增益介质之间，使得到达全反镜镜片和输出镜镜片处的振荡光束趋向于相对大口径平行光束，减少了高能量密度的振荡光束对光学镜片的破坏。
权利要求
1.一种半导体双端面泵浦固体激光器，其特征在于其包括两个激光二极管、两根光纤、两套光学耦合系统、两个增益介质、 波片、冷却装置及输出镜，其中增益介质输出的光为线偏振光，并且在不同轴方向上的热膨胀系数也不同，两个增益介质相对90度放置，即其中一块增益介质的c轴方向与另一块增益介质的a轴方向相平行，其中增益介质c轴的热膨胀系数与a轴的热膨胀系数不同，两个增益介质所产生的热透镜组成共焦系统，冷却装置对增益介质进行冷却，并且冷却的表面是与增益介质的a轴垂直的所有表面和与增益介质的c轴垂直的所有表面。
2.按照权利要求1所述的半导体双端面泵浦固体激光器，其特征在于增益介质可以为Nd:YVO4晶体、Nd:GdVO4晶体、Nd:YAG晶体或者Nd:YLF晶体。
3.按照权利要求1所述的半导体双端面泵浦固体激光器，其特征在于激光谐振腔结构可以为“V”形、“Z”形或者直线腔。
4.按照权利要求1所述的半导体双端面泵浦固体激光器，其特征在于增益介质可以切割成长方体、正方体或者圆柱体形状。
全文摘要
一种半导体双端面泵浦固体激光器包括两个激光二极管、两根光纤、两套光学耦合系统、两个增益介质、(1/2)λ波片、冷却装置及输出镜，其中增益介质输出的光为线偏振光，并且在不同轴方向上的热膨胀系数也不同，两个增益介质相对90度放置，即其中一块增益介质的c轴方向与另一块增益介质的a轴方向相平行，其中增益介质c轴的热膨胀系数与a轴的热膨胀系数不同，两个增益介质所产生的热透镜组成共焦系统，冷却装置对增益介质进行冷却，并且冷却的表面是与增益介质的a轴垂直的所有表面和与增益介质的c轴垂直的所有表面。两块增益介质的放置方式和冷却方式，以及加入具有旋光性的(1/2)λ波片和小孔的选模作用，得到高功率、高光束质量的激光输出。
文档编号H01S3/08GK1848559SQ20051003415
公开日2006年10月18日 申请日期2005年4月12日 优先权日2005年4月12日
发明者周复正, 吕凤萍, 任宁, 蔡元平, 张洪鑫, 高云峰 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司