专利名称：一种侧面泵浦圆棒状自倍频晶体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光器，特别涉及一种基于自倍频晶体的全固态激光器。
背景技术：
自变频晶体是一种获得可见激光输出的理想方式。将激活离子掺杂入一块具有非线性光学特性的晶体，使其既是激光晶体，又具有非线性的功能。当晶体的切割方向沿相位匹配的方向切割时，就可以在晶体内部对离子产生的基频激光直接进行自倍频、自和频、自差频、或者自参量振荡，从而获得不同波长的自变频激光输出。从原理上讲，自变频激光器结构简单紧凑，稳定性强，制作成本低。近年来人们一直在探索高效的、适合实用化的自变频晶体，其中主要研究对象是自倍频晶体。但目前的自倍频激光器多采用端面泵浦方式，例如专利“一种适于激光显示用的自倍频绿光固体激光器”(201010272964. 3)，“一种低功率的绿光激光笔” (201010130463. I)和“一种单频可见光激光器”(201010159919.7)。这种方式属纵向泵浦，即激光方向沿着泵光吸收方向。为了实现高效的自倍频输出，在设计晶体长度一个参数时，就要同时考虑泵浦光的充分吸收、泵浦光和激光的交叠率，以及倍频转换效率。设计较为复杂。另外，泵光入从晶体的一个端面入射，端面热效应最严重，高功率时容易断裂，制约了最大泵浦功率，目前，泵浦功率多限制在十瓦量级。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，从而提供一种侧面泵浦棒状自倍频晶体的激光器。本发明的目的是这样实现的本发明提供的侧面泵浦圆棒状自倍频晶体激光器，其包括圆棒状自倍频晶体、泵浦源、激光谐振腔及冷却散热装置；所述散热装置包括泵浦源散热装置和晶体散热装置；所述泵浦源为位于所述圆棒状自倍频晶体侧面的半导体二极管泵浦源，所述泵浦源被固定在泵浦源散热装置上；所述泵浦源发出的泵浦光从圆棒状自倍频晶体侧面进入并被吸收；激光谐振腔由分别位于所述圆棒状自倍频晶体两个端面外侧的激光腔镜A和激光腔镜B组成，或由直接镀在所述圆棒状自倍频晶体两个端面上的激光腔镜膜组成；所述晶体散热装置设有冷却液体入口和冷却液体出口，冷却液由冷却液体入口进入，流过圆棒状自倍频晶体侧面，通过热交换带走圆棒状自倍频晶体内产生的热量，再从冷却液体出口流出；所述晶体散热装置在圆棒状自倍频晶体侧面与泵浦源之间部分为透光结构，以密封冷却液并使泵浦源发出的泵浦光透过。所述圆棒状自倍频晶体为掺钕四硼酸钇铝自倍频晶体(简称Nd:YAB)、掺镱四硼酸钇铝自倍频晶体(简称Yb:YAB)、掺钕三硼酸钙氧钆自倍频晶体(简称Nd = GdCOB)、 掺钕三硼酸钙氧钇自倍频晶体(简称Nd:YC0B)、掺镱三硼酸钙氧钆自倍频晶体(简称
3Yb:6dC0B)、掺镱三硼酸钙氧钇自倍频晶体(简称Yb:YC0B)或掺铒三硼酸钙氧钇自倍频晶体。所述棒状自倍频晶体的直径为2 10mm，长度为10 80臟，切割角度为该自倍频晶体的相位匹配方向。所述圆棒状自倍频晶体为整块相同掺杂浓度的晶体，或为在所述圆棒状自倍频晶体两个端面键合纯基质材料的晶体，所述纯基质材料为本行业人士所熟知。所述的泵浦源为mXn个，m为泵浦源围数，所述泵浦源围数是指环绕圆棒状自倍频晶体一圈均匀放置m个泵浦源；n是泵浦源列数，所述泵浦源列数是指所述圆棒状自倍频晶体一侧放置η个泵浦源；m、n具体取值，熟悉本领域的技术人员可自行设定，例如m为I、 3、5、7或者9，11为I至9的整数。所述激光谐振腔镜A和激光谐振腔镜B为平凹镜、平平镜或平凸镜；所述激光谐振腔镜A上的激光腔镜膜与镀于所述圆棒状自倍频晶体一端面上的激光腔镜膜均为对于基频激光和倍频激光的R > 99%双高反膜；所述激光谐振腔镜B上的激光腔镜膜与镀于所述圆棒状自倍频晶体另一端面上的激光腔镜膜为对于基频激光R > 99%高反膜和对于倍频激光T > 90%高透膜。本发明的侧面泵浦圆棒状自倍频晶体激光器，还可包括放置于所述圆棒状自倍频晶体侧面非泵浦光入射部位的聚光腔，以将散射或未吸收而透过的泵浦光收集并汇聚到所述圆棒状自倍频晶体内再次吸收。本发明的侧面泵浦圆棒状自倍频晶体激光器与现有技术相比具有如下优点1、减小了设计复杂性。设计晶体尺寸时，只需要根据倍频效率设计最晶体长度，而同过设计晶体棒直径来实现泵光的充分吸收。2、提高了最大泵浦功率。与端面泵浦相比，本发明进行从晶体棒侧面进行m围、η 列泵浦，增多了泵浦光入射部位，可以提高最大泵浦功率。3、降低了泵浦源成本。端面泵浦的泵源多为光纤耦合LD，而本发明的泵源为成本较低的微通道或者CS封装，在相同泵浦功率条件下，降低了激光器的制作成本。
图I是3围2列的侧面泵浦圆棒状自倍频晶体激光器的结构示意图；
图2是垂直晶体轴向的剖视图；图3是实施例2直接将腔镜Α、B直接镀在晶体端面的结构示意图。图4是实施例2的加入聚光腔后垂直晶体轴向的剖视图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。图I是3围2列的侧面泵浦圆棒状自倍频晶体激光器的结构示意图；图2是垂直晶体轴向的剖视图；图3是实施例2直接将腔镜Α、B直接镀在晶体端面的结构示意图；图 4是实施例2的加入聚光腔后垂直晶体轴向的剖视图；由图可知，本发明的本发明提供的侧面泵浦圆棒状自倍频晶体激光器，其包括圆棒状自倍频晶体I、泵浦源2、激光谐振腔及冷却散热装置；所述散热装置包括泵浦源散热装置3和晶体散热装置5 ；
所述泵浦源为位于所述圆棒状自倍频晶体I侧面的半导体二极管泵浦源，所述泵浦源被固定在泵浦源散热装置上；所述泵浦源发出的泵浦光4从圆棒状自倍频晶体I侧面进入并被吸收；激光谐振腔由分别位于所述圆棒状自倍频晶体I两个端面外侧的激光腔镜A和激光腔镜B组成，或由直接镀在所述圆棒状自倍频晶体I两个端面上的激光腔镜膜组成；所述晶体散热装置5设有冷却液体入口和冷却液体出口，冷却液由冷却液体入口进入，流过圆棒状自倍频晶体I侧面，通过热交换带走圆棒状自倍频晶体I内产生的热量， 再从冷却液体出口流出；所述晶体散热装置5在圆棒状自倍频晶体I侧面与泵浦源5之间部分为透光结构，以密封冷却液并使泵浦源发出的泵浦光透过。所述圆棒状自倍频晶体I为掺钕四硼酸钇铝自倍频晶体(简称Nd:YAB)、掺镱四硼酸钇铝自倍频晶体(简称Yb:YAB)、掺钕三硼酸钙氧钆自倍频晶体(简称Nd = GdCOB)、 掺钕三硼酸钙氧钇自倍频晶体(简称Nd:YC0B)、掺镱三硼酸钙氧钆自倍频晶体(简称 Yb:GdCOB)、掺镱三硼酸钙氧钇自倍频晶体(简称Yb:YC0B)或掺铒三硼酸钙氧钇自倍频晶体。所述棒状自倍频晶体I的直径为2 10臟，长度为10 80臟，切割角度为该自倍频晶体的相位匹配方向。 所述圆棒状自倍频晶体I为整块相同掺杂浓度的晶体，或为在所述圆棒状自倍频晶体两个端面键合纯基质材料的晶体，所述纯基质材料为本行业人士所熟知。所述的泵浦源为mXn个，m为泵浦源围数，所述泵浦源围数是指环绕圆棒状自倍频晶体I 一圈均匀放置m个泵浦源；n是泵浦源列数，所述泵浦源列数是指所述圆棒状自倍频晶体I 一侧放置η个泵浦源；m、η具体取值，熟悉本领域的技术人员可自行设定，例如m 为1、3、5、7或者9，η为I至9的整数。所述激光谐振腔镜A和激光谐振腔镜B为平凹镜、平平镜或平凸镜；所述激光谐振腔镜A上的激光腔镜膜与镀于所述圆棒状自倍频晶体I 一端面上的激光腔镜膜均为对于基频激光和倍频激光的R > 99%双高反膜；所述激光谐振腔镜B上的激光腔镜膜与镀于所述圆棒状自倍频晶体I另一端面上的激光腔镜膜为对于基频激光R > 99%高反膜和对于倍频激光T > 90%高透膜。本发明的侧面泵浦圆棒状自倍频晶体激光器，还可包括放置于所述圆棒状自倍频晶体I侧面非泵浦光入射部位的聚光腔6，以将散射或未吸收而透过的泵浦光收集并汇聚到所述圆棒状自倍频晶体I内再次吸收。实施例I参考图I和图2，本实施例制作一种3围(m = 3) 2列(η = 2)侧面泵浦的自倍频
激光器。本实施例中，圆棒状自倍频晶体I采用一块尺寸为Φ 3mmX 20mm、掺杂浓度8at. % 的Nd = GdCOB晶体，轴向为1060nm激光的相位匹配方向。圆棒状自倍频晶体I放置在晶体散热装置5内，晶体散热装置5的两端留有对称的Φ 3mm圆孔，刚好放入圆棒状自倍频晶体 I后用704胶密封好，或者采用O圈压式结构将其密封好；晶体散热装置5侧面采用石英玻璃管(即隔离透光结构)，起到密封冷却液而使泵浦光透过的作用；冷却液采用蒸馏水，冷却液从冷却液体入口进入，流过圆棒状自倍频晶体I的侧面，通过热交换带走圆棒状自倍频晶体I内产生的热量，再从冷却液体出口流出。LD输出激光波长为81lnm，采用微通道封装形式；本实施例采用3围2列侧面泵浦方式，即在圆棒状自倍频晶体I截面方向上，三个LD均匀分布在晶体棒侧面；在晶体棒轴向方向上，有2列LD ;这样，六个LD(图I和2中仅示出2-1，2-2，2-3，2-4)分别固定在各自的泵浦源散热装置(图I和图2中仅示出3-1，3-2，3-3，3-4，3-6)上进行散热；LD发出的泵浦光4从圆棒状自倍频晶体I侧面进入圆棒状自倍频晶体I被吸收。激光腔镜A为平镜，其上镀有对于1060nm激光和530nm激光的双高反膜，作为高反腔镜；激光腔镜B为平凹镜，其凹面靠近圆棒状自倍频晶体I端面，凹面上镀有对于 1060nm激光高反射和对于530nm激光高透过的膜，平面镀有对于530nm激光高透过的膜，作为输出镜；激光腔镜A和激光腔镜B提供正反馈，从而形成激光谐振。 对于本实施例提供的侧面泵浦的自倍频激光器，当给LD加电流，使LD输出大功率激光时，圆棒状自倍频晶体I充分吸收泵浦光并进行有效散热，圆棒状自倍频晶体I内存在激光增益，在由激光腔镜A和激光腔镜B组成的谐振腔中形成激光振荡，从而得到激光输出，1060nm激光在激光谐振腔内振荡，由于圆棒状自倍频晶体I按相位匹配角切割，谐振腔内的1060nm激光功率密度非常高，通过非线性光学频率变换，转换为530nm激光，在激光谐振腔镜B (输出镜)端输出。实施例2，请参照图3和图4，本实施例与实施例I类似，不同之处在于I、圆棒状自倍频晶体I采用一块尺寸为Φ4πιπιΧ30πιπι、掺杂浓度8at. %的Nd = YCOB 晶体，轴向为1060nm激光的相位匹配方向；2、激光腔镜A和激光腔镜B不采用独立的镜片，而是直接在圆棒状自倍频晶体I 两个端面上分别镀膜(以形成激光腔镜膜A和激光腔镜膜B)，形成激光谐振腔，如图3所示；3、在圆棒状自倍频晶体I侧面非泵浦光入射处增加聚光腔6，如图4所示。实施例3本实施例制作一种5围7列侧面泵浦的自倍频激光器。本实施例与实施例I类似，不同之处主要有I、采用5围7列的泵浦源，总共需要35个LD泵浦源；2、圆棒状自倍频晶体I米用两个Φ 3mmx35mm的棒键合成一根<i)3mmx70mm晶体棒。圆棒状自倍频晶体I的散热装置5尺寸也根据晶体棒长度的改变而进行调整。 圆棒状自倍频晶体I也可以采用两个Φ 3mmx30mm的8at. %的Nd: GdCOB键合成一根 Φ 3mmX6Omm晶体棒，两端再各键合一个Φ 3mmx5mm的GdCOB晶体,形成一根Φ 3mmx7Omm晶体棒，用来更好的散热。本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变型，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种侧面泵浦圆棒状自倍频晶体激光器，其包括圆棒状自倍频晶体、泵浦源、激光谐振腔及冷却散热装置；所述散热装置包括泵浦源散热装置和晶体散热装置；所述泵浦源为位于所述圆棒状自倍频晶体侧面的半导体二极管泵浦源，所述泵浦源被固定在泵浦源散热装置上；所述泵浦源发出的泵浦光从圆棒状自倍频晶体侧面进入并被吸收；激光谐振腔由分别位于所述圆棒状自倍频晶体两个端面外侧的激光腔镜A和激光腔镜B组成，或由直接镀在所述圆棒状自倍频晶体两个端面上的激光腔镜膜组成；所述晶体散热装置设有冷却液体入口和冷却液体出口，冷却液由冷却液体入口进入， 流过圆棒状自倍频晶体侧面，通过热交换带走圆棒状自倍频晶体内产生的热量，再从冷却液体出口流出；所述晶体散热装置在圆棒状自倍频晶体侧面与泵浦源之间部分为透光结构，以密封冷却液并使泵浦源发出的泵浦光透过。
2.根据权利要求I所述的侧面泵浦圆棒状自倍频晶体激光器，其特征在于，所述圆棒状自倍频晶体为掺钕四硼酸钇铝自倍频晶体、掺镱四硼酸钇铝自倍频晶体、掺钕三硼酸钙氧钆自倍频晶体、掺钕三硼酸钙氧钇自倍频晶体、掺镱三硼酸钙氧钆自倍频晶体、掺镱三硼酸钙氧钇自倍频晶体或掺铒三硼酸钙氧钇自倍频晶体。
3.根据权利要求I所述的侧面泵浦圆棒状自倍频晶体激光器，其特征在于，所述棒状自倍频晶体的直径为2 10mm，长度为10 80mm，切割角度为该自倍频晶体的相位匹配方向。
4.根据权利要求2所述的侧面泵圆形浦棒状自倍频晶体激光器，其特征在于，所述圆棒状自倍频晶体为整块相同掺杂浓度的晶体，或为在所述圆棒状自倍频晶体两个端面键合纯基质材料的晶体。
5.根据权利要求I所述的侧面泵浦圆棒状自倍频晶体激光器，其特征在于，所述的泵浦源为mXn个，m为泵浦源围数，所述泵浦源围数是指环绕圆棒状自倍频晶体一圈均匀放置m个泵浦源；n是泵浦源列数，所述泵浦源列数是指所述圆棒状自倍频晶体一侧放置η个泵浦源。
6.根据权利要求I所述的侧面泵浦圆棒状自倍频晶体激光器，其特征在于，所述激光谐振腔镜A和激光谐振腔镜B为平凹镜、平平镜或平凸镜；所述激光谐振腔镜A上的激光腔镜膜与镀于所述圆棒状自倍频晶体一端面上的激光腔镜膜均为对于基频激光和倍频激光的R > 99%双高反膜；所述激光谐振腔镜B上的激光腔镜膜与镀于所述圆棒状自倍频晶体另一端面上的激光腔镜膜为对于基频激光R > 99% 高反膜和对于倍频激光T > 90%高透膜。
7.根据权利要求I所述的侧面泵浦圆棒状自倍频晶体激光器，其特征在于，还包括放置于所述圆棒状自倍频晶体侧面非泵浦光入射部位的聚光腔，以将散射或未吸收而透过的泵浦光收集并汇聚到所述圆棒状自倍频晶体内再次吸收。
全文摘要
一种侧面泵浦棒状自倍频晶体的激光器，包括圆棒状自倍频晶体、泵浦源、激光谐振腔及冷却散热装置；棒状晶体置于晶体散热装置内，通过冷却液的热交换带走晶体内热，再从出口流出；泵浦源为半导体二极管被固定在各自的泵浦源散热装置上，泵浦源发出的泵浦光从晶体侧面进入并被吸收；晶体散热装置在棒状晶体侧面和泵浦源之间有一隔离透光结构，起到密封冷却液而使泵浦光透过作用；激光谐振腔由分别置于棒状晶体两端外侧的激光腔镜A和激光腔镜B组成，或由直接镀在棒状晶体两端面上的激光腔镜膜组成；其结构简单，只需根据倍频效率设计晶体长度和直径；棒状晶体侧面的m围n列泵浦源，可增多泵浦光入射部位，提高泵浦功率，降低制作成本。
文档编号H01S3/16GK102593706SQ20121000856
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月12日 优先权日2012年1月12日
发明者于浩海, 宗楠, 张怀金, 彭钦军, 王正平, 王继扬, 申玉, 许祖彦 申请人:中国科学院理化技术研究所, 山东大学