一种超小型固体激光器的制作方法

本实用新型涉及一种激光器，尤其涉及一种超小型固体激光器的结构和封装，属于激光技术领域。

背景技术：

LD泵浦被动调Q激光器是获得高脉冲能量、高重复频率、大峰值功率、窄脉冲激光输出的重要技术。在中小功率固体激光器件中，被动调Q技术以其价格低廉、运转可靠和结构简单等优点而获得了广泛应用，其身影遍布了医疗、打标、光纤激光、测距和光谱分析等各个应用领域。随着激光设备逐渐向着小型化和便携式的方向发展，如手持式激光诱导击穿光谱仪(LIBS)等设备，对其中的被动调Q激光器提出了新的要求，为保证设备外形能够符合人体工美学要求，内部激光器必须满足体积小，重量轻，而为保证其较高的性能，又要求激光器的输出单脉冲能量尽量高。从被动调Q的原理我们知道，对于一个确定的激光器这两个要求是互相矛盾的。一般人们是从两个方面进行平衡和优化激光器，一是开发性能更加优良的调Q晶体或激光介质；二是优化激光器参数，如晶体的掺杂浓度、饱和吸收体的初始透过率、介质长度等参数。这两种传统的解决思路皆有其优点和局限性。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种固体激光器，实现小型化封装、高脉冲能量和高稳定性的脉冲激光输出。技术方案如下：

一种固体激光器，包括以下部件：

激光介质：作为增益介质产生受激辐射；

半导体激光器：作为泵浦光用于泵浦激光介质；

聚焦系统：将半导体激光器产生的激光束压缩后耦合到激光介质内，使得泵浦光与激光模式匹配；

可饱和吸收体：置于激光介质之后，产生激光脉冲输出；

输入反射镜和输出反射镜：构成谐振腔，用于形成激光振荡输出；

热沉：用于承载激光介质、半导体激光器、聚焦系统、可饱和吸收体、输入反射镜和输出反射镜；

半导体制冷器：控制半导体激光器和激光介质的温度，保证固体激光器整个系统能长时间稳定工作；

热敏电阻：用于监测半导体激光器的温度；

半导体激光器、聚焦系统、输入反射镜、激光介质、可饱和吸收体、输出反射镜按序安装在热沉的上部；半导体制冷器贴合安装在热沉的下部。

进一步地，激光介质选自Nd:YAG晶体、Nd:YVO₄晶体、Nd:YLF晶体中的至少一种，激光介质的掺杂浓度范围0.2％～1.8％。

进一步地，激光介质的第一端面镀800～810nm和1030～1090nm增透光学薄膜，激光介质的第二端面镀800～810nm和1030～1090nm增透光学薄膜。

进一步地，半导体激光器从激光介质端面进行泵浦，半导体激光器波长为800～810nm。

进一步地，聚焦系统至少包括一个光学透镜。

进一步地，聚焦系统位置由半导体激光器的发散角和光学透镜焦距确定。

进一步地，可饱和吸收体为Cr⁴⁺:YAG晶体，可饱和吸收体两端面镀1064nm增透光学薄膜，可饱和吸收体的初始透过率范围0.1～0.9。

进一步地，输入反射镜的第一面镀800～810nm增透光学薄膜与1030～1090nm高反光学薄膜，输入反射镜的第二面镀800～810nm增透光学薄膜。

进一步地，输出反射镜的第一面镀1064nm部分透射光学薄膜，输出反射镜的第二面镀1064nm增透光学薄膜。这样，固体激光器输出激光波长为1064nm。

进一步地，热沉的材料是金属或氮化铝。

进一步地，热沉与半导体制冷器通过胶水粘接或激光焊接，热敏电阻与热沉通过热敏胶粘接，输入反射镜、激光介质、输出反射镜、可饱和吸收体分别与热沉通过紫外胶粘接。

本实用新型的优点是：采用端面泵浦结构，比侧泵和灯泵激光器效率更高，与光纤耦合泵浦相比结构更加紧凑；半导体激光器与晶体平台分离，降低了半导体激光器产生的热对激光介质的影响，提高系统稳定性；通过优化聚焦系统，可将单脉冲能量由几十微焦提高到上百微焦及以上。成本低廉、易于调整、适于规模化批量生产。

附图说明

图1是本实用新型的超小型固体激光器的光路结构示意图；

图2是Nd:YAG晶体在808纳米波长附近吸收谱图；

图3(a)至图3(g)是本实用新型不同实施方式中的温度稳定的激光器的示意图；

图4是有无温控下激光单脉冲输出的比较图；

图5是圆片式Yb:YAG晶体吸收光谱谱图；

图6(a)至图6(c)是本实用新型不同实施方式中的无需波长稳定的940纳米泵浦和Yb:YAG调Q固体脉冲激光器的示意图；

图7是没有温度控制的Yb:YAG激光器单脉冲输出能量和940纳米泵浦温度的关系图；

图8是控制激光器脉冲输出方向的示意图；

图9是调整平行位错和微调角度的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本实用新型附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

图1中激光器由全固态的增益晶体104、被动调Q晶体105、输入耦合镜103、输出耦合镜106、聚焦系统102和半导体泵浦101组成。可选的部分107选用用于调节脉冲波长的倍频晶体，或者光学参数振荡器(OPO)，具体配置可以进一步取舍。

常见的比如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体、掺钕钒酸钇(Nd:YVO₄)晶体、掺钕氟化锂钇(Nd:YLF)晶体、掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)晶体的微片调Q激光器和棒状调Q激光器。常见的被动调Q的可饱和吸收调制晶体选用Cr⁴⁺:YAG晶体，它可以迅速吸收光能降低谐振腔吸收损耗，将在增益介质中暂时储存的能量瞬间以脉冲激光的形式释放。

其中YAG晶体由于导热系数高，适合用于大功率高能量脉冲激光器，它一般使用的808纳米的半导体二极管泵浦。它对泵浦的阈值要求也比较低，功整体耗低，可以适用于手持LIBS光谱仪。但是，图2表明Nd:YAG对808纳米的波长吸收范围较窄，吸收峰在808.6纳米。由于手持LIBS光谱仪是一种可以在室内室外使用的便携式仪器，环境温度无法控制。而泵浦的发射波长随着激光的温度会漂移，约0.3纳米/摄氏度。如果不控制泵浦及晶体温度，则激光器无法稳定工作。如果激光器能量输出不稳定，将影响到其激发的原子发射谱图信号的稳定性，从而影响其定量分析的精确度和准确度。

集成半导体制冷片可以有效的控制808纳米泵浦的温度。如图3(a)中，301为半导体制冷片(Thermoelectric Cooler，简称TEC)；302为导热片；303、306为感温电阻；304为半导体泵浦，它可以是不同封装的二极管激光：C mount或者F mount；305为给泵浦整形的光学器件，可以是单光学透镜或者多个光学透镜组；307为输入耦合镜片；308为激光晶体；309为调Q晶体；310为输出耦合镜；311为激光器散热底座。

感温电阻303被放置在作为热源的半导体泵浦304和吸收泵浦抽运并发热的激光晶体308附近，可以及时感知它们的温度，反馈给控制电路，进行实时的温度控制。还有就是可以在温度失控的情况下，及时关闭相关驱动，防止激光器温度过高而损坏。图3(a)给出实施例中，两块独立的感温电阻303和306、半导体制冷片301和导热片302的使用可以独立控制半导体泵浦304和激光晶体308的温控，使系统达到最优化。控制电路根据实际温度和设定工作温度来进行实时的制冷或者加热控制，使半导体泵浦304和激光晶体308的温度各自稳定在设置温度±0.1℃附近。连接部位用胶粘接、激光焊接或机械固定。

上述激光器可以有另外的体现。在图3(a)的基础上，激光晶体308和调Q晶体309位置可以互换，如图3(b)所示。依据半导体激光器的封装形式，适当调整半导体制冷片301的放置方向，比如第一个半导体制冷片竖直放置，如图3(c)的左半部分所示。在图3(d)中，输入耦合镜片307省略为直接蒸镀在激光晶体308上的光学膜。在图3(e)中，输入耦合镜片307、激光晶体308、调Q晶体309和输出耦合镜310可以用热键合的方式整合在一起，中间没有空隙，这样可以简化激光器的校准。在图3(f)中，可以将输入耦合镜片307和输出耦合镜310进一步省略，把相对应的增透膜或者高反膜直接蒸镀在激光晶体308和调Q晶体309的表面。另外，导热片302、半导体制冷片301还可以选用一体式的，如图3(g)所示。

图4显示了在有无温控的情况下激光单个脉冲输出的对比。以808纳米泵浦抽运的，被动调Q的Nd:YAG为例，在没有温控的情况下，泵浦的温度随着激光器的工作迅速升温，导致808纳米泵浦激光器波长漂移，导致输出的1064纳米脉冲能量迅速降低，在工作2秒钟后，输出即下降60％。而使用了温控后的1064纳米输出在2秒钟内仅波动小于5％。

为了让手持LIBS光谱仪工作稳定，确保激光器输出能量稳定，另外一种方法是采用对温度不敏感的固体脉冲激光系统，比如Yb:YAG晶体系统。它的泵浦可以是940纳米，利用无需波长稳定的940纳米附近的吸收区，如图5所示；也可以是需波长稳定的969纳米泵浦。后者的结构参考图3(a)至图3(g)，半导体泵浦和激光晶体两端均需要控温。

前者结构如图6(a)，图中示意的是一种叫基于棒式晶体的激光器结构，其中601是导热底座；602是无需波长稳定的940纳米二极管泵浦；603为光学聚焦系统，可以是单光学透镜或者多个光学透镜组。用于调整泵浦光源的形状和大小；604是输入耦合镜片，605是Yb:YAG晶体，606是调Q晶体，607是输出耦合镜片。感温电阻未在图中显示，可以在泵浦端使用，防止激光器过热烧坏。

同样，图6(a)中的激光器也可以有不同的体现，如图6(b)和图6(c)所示。在图6(b)中，输入耦合镜片604、激光晶体605、调Q晶体606和输出耦合镜片607可以用热键合的方式整合在一起，中间没有空隙。这样可以简化激光器的校准。在图6(c)中，可以将输入耦合镜片604和输出耦合镜片607进一步省略，把相对应的增透膜或者高反膜直接蒸镀在激光晶体605和调Q晶体606的表面。

图7给出了以940纳米为泵浦的激光器的单脉冲激光能量和泵浦温度的关系。由于Yb:YAG在940纳米附近吸收峰比较宽，对泵浦中心波长由于温度升高而发生漂移不敏感，在2秒钟的测试时间内，泵浦的温度上升10摄氏度，而激光器单脉冲输出能量仅波动小于5％。

由于激光器脉冲输出方向需要控制，在激光器前部可以放置一个长焦距(long focal length)透镜或者薄片式玻璃，用于对输出方向的微调，如图8所示，图9是更细节的展示。在封装好的激光器1101，前端放置一块薄透镜或者平面玻璃1103或者两者的组合，用于小幅调整平行位错和微调角度，使初始的脉冲激光1102沿着正确的方向1104发射。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。