专利名称：单波长高功率1319nm连续激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种单波长高功率1319nm波长连续激光输出的激光装置。
背景技术：
目前而言，能够实现1. 3 μ m波段附近单一波长激光直接输出的高功率固体激光器，技术手段非常有限，这限制了激光技术在科研、医学、工业领域的广泛应用，能够实现 1. 3 μ m附近激光发射的激光晶体材料主要是掺Nd3+的基质材料，其中以Nd: YAG晶体的综合性能最佳而成为首选激光晶体材料，但是该材料也存在不足之处，在该晶体的荧光发射谱中以1064nm、1318nm、1319nm最为突出，这三条谱线均属同一个上能级，其中，1064nm谱线的荧光强度最大，约为其他两条谱线强度的4倍，为了实现1319nm波长激光输出，首先必须抑制1064nm波长的激光振荡，其次，根据激光阈值功率公式
S Λ ν η ,
J7Ir η J⑴
2Ζσετ ^ f式中Sci = T+^,其中Yi为谐振腔单程损耗，T为谐振腔总透射率；vp为抽运光频率，ζ为激光工作物质长度，Oe为受激发射截面，Tf为能级的自发辐射寿命，nf为量子效率，J为交叠积分。由于在同一谐振腔中，1319和1338波长抽运条件相同，而且具有同一上能级，所以它们对应的Avp，Tf,、和J值都相同，两个波长的受激发射截面之比 Oel319 ° el338 = 0.95，上式可化简为(2)由式⑵可知，1319nm和1338nm两个波长的激光振荡阈值基本相同，在抑制 1064nm波长激光振荡的基础之上，如果不采取特殊措施激光通常会出现双波长输出，参见图1，实际工作中，由于两个模式存在竞争，经常导致激光在开始工作阶段功率剧烈波动， 很容易造成光学元器件的损伤。为了实现1319nm单一波长输出，要求谐振腔应有效抑制 1064nm和1338nm激光振荡。对于1338nm波长，由于它与1319nm波长接近，一般采用腔内插入棱镜或光栅的方式来抑制其振荡，但是，由于腔内插入光学元件导致谐振腔插入损耗较大，很难实现较高功率水平的输出，而且由于腔内功率密度较高，插入的棱镜或光栅很容易损坏，难以获得实际的应用，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种单波长高功率连续1319nm激光器，其结构简单，输出波长单一，且输出功率稳定，功率不稳定度 RMS < 1 %。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案该激光器包括在水平光路上依次设置的全反镜系统、第一激光晶体、第二激光晶体、第三激光晶体、输出镜系统，三个半导体泵浦模块分别环绕上述三个激光晶体进行侧面泵浦，其中该全反镜系统包括二维光学调整架、全反镜、全反镜冷却装置；该输出镜系统包括二维光学调整架、平面耦合输出镜、平面耦合输出镜冷却装置；其中全反镜采用窄带镀膜，镀膜参数为1064nm波长光透过率Tltl64 ^ 50%, 1319nm波长光反射率R1319S 99.9%，1338nm波长光透过率T1338 S 80%;输出镜镀膜参数为 1064nm波长光透过率Tltl64 ^ 95%，1319nm波长激光耦合输出率T1319的选取范围为15% 25% ；各激光晶体的端面均镀有1064nm以及1319nm波长双增透膜层，透过率分别为 T1064 > 99%和 T1319 > 99. 9%。每个半导体泵浦模块包括泵浦架，激光二极管，波导片，以及漫反射壁；激光二极管，波导片，以及漫反射壁设置于泵浦架上，激光二极管分成3列，均勻围绕激光晶体周围，激光二极管发出的光经波导片耦合进激光晶体，未被直接吸收的泵浦光经漫反壁反射后最终耦合到相应的激光晶体内；三个半导体泵浦模块分别环绕三个激光晶体进行侧面泵浦，激光晶体在吸收LD 泵浦光能量后产生多个波长的受激荧光辐射，在各激光晶体端面镀膜膜层以及两个谐振腔腔镜的共同作用下，1319nm波长的受激荧光辐射在谐振腔内不断的被放大输出，而其他波长的荧光则被抑制无法产生激光振荡，从而使得输出激光中只含有1319nm单一波长的光。三个激光晶体材质为Nd:YAG晶体，其采用键合晶体，晶体直径为4. 5mm，掺杂浓度为0. 8 %，掺杂区长度为90mm，非掺杂区长度为5mm。每个激光晶体的两个端面分别刻有曲率半径相同的凹面，其凹面半径选取范围为 1000 2000mm。凹面半径选取为1500nm。该激光器的谐振腔采用对称平平腔，第一激光晶体、第二激光晶体以及第三激光晶体采用等间隔串接的形式。全反镜到第一晶体之间的距离为d，各激光晶体之间的间隔为 2d，输出镜到第三激光晶体之间的距离为d，其中d为半导体泵浦模块工作在额定功率条件下激光晶体的热透镜焦距值。输出镜和全反镜由石英晶体制成，都为平面镜，其朝向腔外的一面由导热胶粘附在中心留有通光孔的环形通水金属热沉上。波导片的厚度为0. 8mm。
图1为普通1.3μπι波长Nd:YAG激光器输出光光谱2为本申请激光器结构3为半导体泵浦模块结构4为全反镜窄带镀膜5为窄带镀膜对1338nm激光抑制效果对比图，a)为采用普通镀膜方式下发射激光光谱图，b)为本申请激光器发射光谱图
图6为输出镜冷却装置图，a)为立体结构图，b)为平面侧视7为键合Nd YAG晶体结构图其中，附图标记1-3分别三个泵浦模块，4为激光二极管，5为波导片，6为漫反射壁，7为激光晶体，8为泵浦架，9为石英镜片，10为通光孔，11为通水热沉，12为掺杂YAG晶体，13为非掺杂YAG晶体。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的描述如图2所示，为1319nm连续输出固体激光器的整体光路结构图，激光器主要有三个侧面泵浦的二极管模块和两个谐振腔镜组成， 在每个泵浦模块中，采用单条40W输出波长为808nm的连续激光二极管列阵(CW-40W)作为泵浦单元，将15个CW-40W的激光二极管分成3排，通过波导片耦合进Nd: YAG晶体内，每个泵浦头可以提供600W的泵浦功率，泵浦模块结构如图3所示，二极管发出的光耦合进波导片，将经过多次反射后，耦合到Nd:YAG晶体内，实现二极管端面与激光增益介质间的较远距离高效耦合，波导片可以对LD发出的泵浦光截面进行勻化，没有被直接吸收的泵浦光经漫反壁反射后最终被晶体吸收，提高了泵浦光的利用率，也进一步提高了泵浦的均勻性。当波导片的厚度为0. 8mm时，激光器的输出功率以及输出模式达到最优效果。谐振腔采用对称平平腔，第一激光晶体、第二激光晶体以及第三激光晶体采用等间隔串接的形式。全反镜到第一晶体之间的距离为d，各激光晶体之间的间隔为2d，输出镜到第三激光晶体之间的距离为d，其中d为半导体泵浦模块的热透镜焦距值，以获得更大的基膜体积，提高输出激光光束质量，同时使得激光器在泵浦功率增加区间内谐振腔不存在非稳区，使得输出功率能够线性增长。谐振腔后反镜和耦合输出镜均采用导热性能良好的石英晶体材料，镜片的两个面都为平面，尺寸为025x5mm，输出镜镀膜参数为1064nm波长光透过率Tltl64彡95%，1319nm 波长激光耦合输出率为T1319的选取范围15% 20%，由于1338nm和1319nm两条谱线间隔很小，为了充分抑制1318nm波长激光的振荡，同时减少1319nm的损耗，这里采用窄带镀膜方式，其后反镜镀膜参数为了 1338nm透过率T1338彡80%, R1319彡99. 9%，镀膜曲线如图4 所示。采用以上镀膜参数是考虑到在后反镜上要同时实现1338nm透过率T1338彡80% 和1319nm反射率R1319彡99. 9 %两个技术参数，在技术上无法再同时实现对1064nm波长参数的控制，故要求在耦合输出镜上充分考虑对1064nm波长激光的抑制，使其透过率 Tltl64 > 95%，保证1064nm波长激光足够大的损耗，无法产生振荡，采用该技术的效果可以从图5的两组光谱测试曲线图看出，采用窄带镀膜方式后，1338nm波长的振荡被完全抑制。由于两个腔镜上膜层较厚，尤其是后全反镜，其膜层厚度是普通镀膜膜层的数十倍，非常容易因为吸热导致膜层损伤，为了避免膜层吸热严重导致的破坏，对两个谐振腔镜进行了散热处理，其结构如图6所示，两个腔镜采用通水的金属热沉进行散热，朝向腔外的一面由导热胶粘附在通水金属热沉上，对于耦合输出镜热沉中心留有圆形通光孔，采用该种方式可以使膜层抗激光损伤能力大大提升。为了减少1319nm波长的腔内插入损耗，同时避免激光晶体两个端面之间产生 1064nm波长的自激振荡，激光晶体的端面镀有1064nm以及1319nm双增透膜层，透过率分别为Tltl64 > 99%和T1319 > 99. 9%，为了提高YAG晶体端面膜层的抗损伤能力，这里采用键合晶体，降低YAG晶体端面部分对腔内振荡光的吸收，减少其吸热造成的端面温度升高，使膜层基底保持较低的温度，如图7所示，Nd:YAG晶体直径为4. 5mm，掺杂浓度为0. 8%，掺杂区长度为90mm，非掺杂区长度为5mm，为了部分补偿热透镜效应，在两个非掺杂的端面刻有半径为R的凹面，R的取值范围为1000 2000mm。
权利要求
1.一种单波长高功率1319nm激光器，其特征在于该激光器包括在水平光路上依次设置的全反镜系统、第一激光晶体、第二激光晶体、 第三激光晶体、输出镜系统，三个半导体泵浦模块分别环绕上述三个激光晶体进行侧面泵浦，其中该全反镜系统包括二维光学调整架、全反镜、全反镜冷却装置；该输出镜系统包括二维光学调整架、平面耦合输出镜、平面耦合输出镜冷却装置；其中全反镜采用窄带镀膜，镀膜参数为1064nm波长光透过率Tltl64 ^ 50%，1319nm波长光反射率R1319彡99.9%，1338nm波长光透过率T1338 ^ 80% ；输出镜膜层镀膜参数为 1064nm波长光透过率Tltl64彡95%，1319nm波长激光耦合输出率T1319的选取范围为15% 25% ；各激光晶体的端面均镀有1064nm以及1319nm双增透膜层，透过率分别为Tltl64 > 95% 和 T1319 > 99. 9%。每个该半导体泵浦模块包括泵浦架，激光二极管，波导片，以及漫反射壁；激光二极管，波导片，以及漫反射壁设置于泵浦架上，激光二极管分成3列，围绕在激光晶体周围，激光二极管发出的光经波导片耦合进激光晶体，未被直接吸收的泵浦光经漫反壁反射后最终耦合到相应的激光晶体内；三个半导体泵浦模块分别环绕三个激光晶体进行侧面泵浦，激光晶体在吸收LD泵浦光能量后产生多个波长的受激荧光辐射，在各激光晶体端面镀膜膜层以及两个谐振腔腔镜的共同作用下，1319nm波长的受激荧光辐射在谐振腔内不断的被放大输出，而其他波长的荧光则被抑制无法产生激光振荡，从而使得输出激光中只含有1319nm单一波长的光。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于三个激光晶体材质为Nd:YAG晶体，其采用键合晶体，晶体直径为4. 5mm，掺杂浓度为0. 8 %，掺杂区长度为90mm，非掺杂区长度为 5mm ο
3.根据权利要求1-2所述的激光器，其特征在于每个激光晶体的两个端面分别刻有曲率半径相同的凹面，其凹面半径选取范围为1000 2000mm。
4.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于凹面半径选取为1500mm。
5.根据权利要求1-4所述的激光器，其特征在于该激光器的谐振腔采用对称平平腔， 第一激光晶体、第二激光晶体以及第三激光晶体采用等间隔串接的形式。全反镜到第一晶体之间的距离为d，各激光晶体之间的间隔为2d，输出镜到第三激光晶体之间的距离为d， 其中d为半导体泵浦模块工作在额定功率条件下激光晶体的热透镜焦距值。
6.根据权利要求1-5所述的激光器，其特征在于输出镜和全反镜都由石英晶体制成， 都为平面镜，其朝向腔外的一面由导热胶粘附在中心留有通光孔的环形通水金属热沉上。
7.根据权利要求1-6所述的激光器，其特征在于所述波导片的厚度为0.8mm。
全文摘要
本发明提供一种高功率1319nm单一波长连续输出固体激光器的设计方法，激光器主要包括三套侧面环绕泵浦激光二极管模块、三个激光晶体、谐振腔后腔镜以及输出镜。激光晶体在吸收激光二极管泵浦能量后，产生包括1064nm、1319nm、1338nm在内的多个波长的荧光辐射，在激光晶体端面镀膜膜层以及谐振腔腔镜镀膜膜层的共同作用下，1064nm以及1338nm波长激光振荡被抑制，1319nm波长激光不断的被受激辐射放大，由输出镜耦合输出，产生1319nm波长激光输出，其输出功率高达300W，具有结构紧凑、输出稳定、光束质量好等优点，高功率1319nm波长激光器在医疗、工业、科研等方面有着广泛的应用，对其倍频后可产生高功率660nm波长的红光，可用于大型活动的激光表演以及城市地标应用。
文档编号H01S3/07GK102185237SQ20111006845
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月22日 优先权日2011年3月22日
发明者姜东升, 张驰, 杨涛, 王建军, 苑利钢, 赵书云, 赵鸿, 邹跃 申请人:中国电子科技集团公司第十一研究所