專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光高吸收效率的Ndyag激光器方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種端面抽運(yùn)的激光二極管泵浦固體激光器，特別是一種實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光高吸收效率的Nd yag激光器方法。
背景技術(shù)：
激光二極管固體激光器，主要由泵浦源激光二極管、耦合系統(tǒng)、諧振腔組成。諧振腔是激光器的核心部分，其中激光介質(zhì)是實(shí)現(xiàn)將泵浦能量轉(zhuǎn)化成激光能量的樞紐。泵浦源激光二極管發(fā)射泵浦光，經(jīng)過耦合系統(tǒng)作用于諧振腔內(nèi)的激光介質(zhì)，產(chǎn)生激光振蕩所需要的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激光介質(zhì)有各種類型，通常根據(jù)激光器所發(fā)射的激光波長(zhǎng)和物理參數(shù)的特殊要求選取。其中摻Nd =YAG由于其優(yōu)良的導(dǎo)熱性能、機(jī)械性能和光學(xué)性能，是目前最常用的激光介質(zhì)，通常所采用的發(fā)射波是1064nm波長(zhǎng)。在二極管泵浦Nd=YAG激光器中，端面泵浦方式是緊湊型結(jié)構(gòu)中最常用的泵浦方法。特別是光纖耦合LD端面泵浦的泵浦方式，目前比較普遍。這種端面泵浦的優(yōu)點(diǎn)集中表現(xiàn)在①LD輸出的泵浦光具有較好的軸對(duì)稱性，相應(yīng)耦合系統(tǒng)也只需要采用軸對(duì)稱的光學(xué)系統(tǒng)，耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將大為簡(jiǎn)化。②泵浦光呈軸對(duì)稱分布，其熱透鏡效應(yīng)更接近于理想透鏡，通過耦合系統(tǒng)，可以控制熱透鏡焦距的大小，為對(duì)諧振腔的調(diào)控提供了可能。③ 有利于減小激光器的體積實(shí)現(xiàn)緊湊結(jié)構(gòu)。高效率的二極管泵浦固體激光器是目前緊湊型激光器的一個(gè)重要發(fā)展方向。這里效率指的是對(duì)泵浦光的利用效率。激光器光轉(zhuǎn)換效率的表達(dá)式為
激光器輸出光功率巧=泵浦光功率
實(shí)現(xiàn)高效率的固體激光器，一方面需要提高泵浦光的吸收效率，要求激光介質(zhì)的吸收波長(zhǎng)最大限度地覆蓋泵浦光的發(fā)射波長(zhǎng)，這就是波長(zhǎng)匹配；另一方面需要控制泵浦光的空間分布，并且最大限度地使泵浦光的分布區(qū)被振蕩光分布區(qū)所覆蓋，這就是泵浦光與振蕩光的空間匹配。和側(cè)面泵浦比較，端面泵浦方式在實(shí)現(xiàn)激光器高效率運(yùn)行方面有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。主要體現(xiàn)在泵浦光的傳播和吸收方向與振蕩光能夠很好重疊，因此能夠最大限度的實(shí)現(xiàn)泵浦光和振蕩光之間的空間匹配。但是，要提高波長(zhǎng)匹配，端面泵浦并沒有帶來特別的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于以1064nm波長(zhǎng)工作的端面泵浦Nd :YAG激光器而言，泵浦光和激光介質(zhì)的波長(zhǎng)匹配并不十分理想。
對(duì)于Nd :YAG晶體，它的吸收波長(zhǎng)峰值位于808. 6nm,吸收峰的半寬度(FWHM)只有I. 04 nm,全寬度不到3 nm。而通常LD特別是大功率的LD，其發(fā)射譜在808 nm波長(zhǎng)處的半寬度接近3 nm，全寬度超過5nm。兩者在譜線寬度方面的不匹配會(huì)導(dǎo)致大約20 30%的泵浦光能量不能被吸收。這種不匹配的程度，還會(huì)因?yàn)長(zhǎng)D中心波長(zhǎng)對(duì)溫度的過于敏感而加劇，實(shí)驗(yàn)表明，LD的中心波長(zhǎng)隨工作溫度的升高而變大，變化率為O. 3 nm/°C?？梢哉f這是實(shí)現(xiàn)高效率Nd =YAG激光器的一個(gè)重要的技術(shù)瓶頸。目前Nd =YAG激光器的效率最好只能達(dá)到55%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于80%的理論極限，其重要原因也在于此。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡(jiǎn)單、可靠性高、容易實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光高吸收效率的 Nd yag激光器方法。本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光高吸收效率的Nd yag激光器方法，包括激光二極管泵浦源、激光諧振腔，激光介質(zhì)Nd :YAG，其特征是在沿泵浦光傳播方向，所述的激光介質(zhì)Nd =YAG后面有一塊Nd =YVO4介質(zhì)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光的充分吸收，當(dāng)泵浦光通過全部Nd :YAG激光介質(zhì)以后，處于Nd =YAG晶體808. 6nm波長(zhǎng)吸收譜以內(nèi)的泵浦光功率將完全被吸收，而處于Nd =YAG晶體吸收譜以外的的泵浦光功率則進(jìn)入Nd YVO4晶體，由Nd =YVO4晶體吸收；當(dāng)激光器工作時(shí)，兩種晶體吸收的能量均可以轉(zhuǎn)化成共同波長(zhǎng)的振蕩激光，實(shí)現(xiàn)高效率的激光輸出。所述的激光介質(zhì)Nd :YAG可以是Nd =YAG晶體，也可以是Nd =YAG陶瓷，還可以既摻 NcT離子又摻有其他離子的YAG介質(zhì)。所述的激光諧振腔至少包括諧振腔輸出鏡，諧振腔反射鏡和激光介質(zhì)，激光介質(zhì)位于諧振腔輸出鏡和諧振腔反射鏡之間；諧振腔反射鏡鍍有對(duì)808nm波長(zhǎng)泵浦光的高透膜以及對(duì)1064nm波長(zhǎng)振蕩光的高反射膜；Nd :YAG激光介質(zhì)在諧振腔反射鏡一側(cè)；Nd :YV04在諧振腔輸出鏡一側(cè)；Nd YAG和Nd =YVO4端面均鍍有對(duì)1064nm波長(zhǎng)振蕩光的高反射膜和對(duì) 808nm波長(zhǎng)泵浦光的高透膜。所述的激光諧振腔有主動(dòng)調(diào)Q開關(guān)、被動(dòng)調(diào)Q開關(guān)、倍頻晶體。 所述的激光二極管泵浦源是指激光二極管，可以是直接輸出的激光二極管也可以是光纖耦合輸出的激光二極管。所述的諧振腔反射鏡既可以是獨(dú)立的光學(xué)元件，又可以是通過在激光介質(zhì)端面鍍膜形成的高反射膜。所述的倍頻晶體鍍有對(duì)1064nm波長(zhǎng)振蕩光的全透膜，輸出鏡對(duì)1064nm波長(zhǎng)光全反。所述的激光介質(zhì)Nd =YAG的泵浦端面設(shè)置一個(gè)斜面反射鏡，反射鏡鍍膜，實(shí)現(xiàn) 1064nm波長(zhǎng)振蕩光沿表面反射時(shí)反射。本發(fā)明的有益效果是，在沿泵浦光傳播方向，所述的激光介質(zhì)Nd=YAG后面有一塊Nd =YVO4介質(zhì)用于對(duì)泵浦光的充分吸收，當(dāng)泵浦光通過全部Nd :YAG激光介質(zhì)以后，處于 Nd =YAG晶體808. 6nm波長(zhǎng)吸收譜以內(nèi)的泵浦光功率將完全被吸收，而處于Nd =YAG晶體吸收譜以外的的泵浦光功率則進(jìn)入NchYVO4晶體。由于Nd:YV04晶體在808 nm波長(zhǎng)處的吸收帶寬(全寬)高達(dá)15 nm波長(zhǎng),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了泵浦光的譜寬(5nm波長(zhǎng)左右),于是,沒有被Nd YAG晶體吸收的能量將全部被Nd: YV04晶體吸收。由于Nd: YV04和Nd: YAG在1064nm波長(zhǎng)處的發(fā)射譜重疊，Nd YV04晶體的中心發(fā)射波長(zhǎng)為1064. 3nm,發(fā)射譜寬度為O. 8nm ；Nd:YAG 晶體的中心發(fā)射波長(zhǎng)為1064. 4nm，發(fā)射譜寬度為O. 45nm。因此當(dāng)激光器工作時(shí)，兩種晶體吸收的能量均可以轉(zhuǎn)化成共同波長(zhǎng)的振蕩激光，實(shí)現(xiàn)高效率的激光輸出。本發(fā)明一方面利用了 Nd :YAG介質(zhì)優(yōu)良的導(dǎo)熱和光電性能,另一方面利用了 Nd: YV04介質(zhì)的寬帶吸收特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合并克服了各自的弱點(diǎn)。本發(fā)明可以提高泵浦光能量利用效率20%左右。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖I是本發(fā)明的原理圖，也是第一個(gè)實(shí)施例的構(gòu)造圖。圖2是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的構(gòu)造圖。圖3是本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例的構(gòu)造圖。圖4是本發(fā)明的第四個(gè)實(shí)施例的構(gòu)造圖。圖5是本發(fā)明的第五個(gè)實(shí)施例的構(gòu)造圖。圖6是本發(fā)明的第六個(gè)實(shí)施例的構(gòu)造圖。圖7是本發(fā)明的第七個(gè)實(shí)施例的構(gòu)造圖。圖中，I、激光二極管泵浦源；2、光學(xué)耦合單元；3、諧振腔反射鏡；4、第一激光介質(zhì)；5、第二激光介質(zhì)；6、諧振腔輸出鏡；7、調(diào)Q開關(guān)；8、倍頻晶體；9、光學(xué)透鏡；10、參量振蕩晶體；11、斜面反射鏡；12、激光諧振腔。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I
如圖I所示，一種實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光高吸收效率的Nd :yag激光器方法，包括激光二極管泵浦源I、激光諧振腔12，第一激光介質(zhì)4，第一激光介質(zhì)是Nd :YAG，在沿泵浦光傳播方向，第一激光介質(zhì)4后面有第二激光介質(zhì)5，第二激光介質(zhì)5是Nd :YV04。第二激光介質(zhì)5用于吸收泵浦光，當(dāng)泵浦光全部通過第一激光介質(zhì)4后，處于第一激光介質(zhì)4 (Nd =YAG晶體808. 6nm 波長(zhǎng)吸收譜)以內(nèi)的泵浦光功率將完全被吸收，而處于第一激光介質(zhì)4(Nd YAG晶體吸收譜 )以外的的泵浦光功率則進(jìn)入第二激光介質(zhì)5 (Nd =YVO4晶體)，由第二激光介質(zhì)5吸收。工作時(shí)，激光二極管泵浦源I以一定的空間分布進(jìn)入光學(xué)耦合單元2，將泵浦光射入激光諧振腔12中的第一激光介質(zhì)4 (Nd =YAG激光介質(zhì))上，對(duì)Nd =YAG激光介質(zhì)進(jìn)行泵浦。由于泵浦光的譜寬大于Nd :YAG激光介質(zhì)的吸收帶寬，一部分泵浦光能量不能被Nd =YAG 激光介質(zhì)吸收，進(jìn)入第二激光介質(zhì)5 (Nd :YV04激光介質(zhì))內(nèi)，被第二激光介質(zhì)5吸收。激光諧振腔12包括諧振腔反射鏡3和諧振腔輸出鏡6，諧振腔反射鏡3鍍有對(duì)808nm波長(zhǎng)泵浦光的高透膜以及對(duì)1064nm波長(zhǎng)振蕩光的高反射膜；Nd :YAG激光介質(zhì)在諧振腔反射鏡 3 一側(cè)；第二激光介質(zhì)5 (Nd =YVO4激光介質(zhì))在諧振腔輸出鏡6 —側(cè)；第一激光介質(zhì)4和第二激光介質(zhì)5端面均鍍有對(duì)1064nm波長(zhǎng)振蕩光的高反射膜和對(duì)808nm波長(zhǎng)泵浦光的高透膜。諧振腔內(nèi)所有光學(xué)元件同光軸。圖I給出的結(jié)構(gòu)與和傳統(tǒng)端面泵浦Nd :YAG激光不同，它考慮了第一激光介質(zhì)4 (Nd :YAG介質(zhì))由于泵浦光譜寬大于介質(zhì)吸收寬度而導(dǎo)致的泵浦光能量吸收不充分的缺點(diǎn)， 采取了補(bǔ)救措施，利用第二激光介質(zhì)5 (Nd:YV04介質(zhì))進(jìn)行了補(bǔ)充吸收。正是由于采取了這樣的措施，激光器工作時(shí)將獲得比不采取相應(yīng)措施的激光器更高的泵浦光利用效率。實(shí)施例2
圖2給出另一個(gè)實(shí)施例，它與圖I的不同之處在于，諧振腔輸出鏡6內(nèi)側(cè)放入了調(diào)Q開關(guān)7，調(diào)Q開關(guān)7用于實(shí)現(xiàn)Nd =YAG激光器的調(diào)Q脈沖輸出。其中第二激光介質(zhì)5(Nd YV04介質(zhì))的作用與圖I完全相同。實(shí)施例3
在圖3中，第一激光介質(zhì)4泵浦光端面一側(cè)鍍光學(xué)反射膜構(gòu)成諧振腔反射鏡，省去了圖 I和圖2中的諧振腔反射鏡3。實(shí)施例4
在圖4中，與前述三個(gè)實(shí)例不同，在激光諧振腔12內(nèi)第二激光介質(zhì)5的后面分別有同光軸的光倍頻晶體8和光學(xué)透鏡9，這種結(jié)構(gòu)用于了 Nd :YAG腔內(nèi)倍頻激光器。光倍頻晶體 8是一個(gè)透鏡或者平鏡，它的兩面鍍有對(duì)1064nm波長(zhǎng)振蕩光的全透膜，而它的靠近輸出鏡的表面上則鍍有對(duì)532nm波長(zhǎng)倍頻光的全反射膜。諧振腔輸出鏡6則鍍上了對(duì)1064nm波長(zhǎng)振蕩光的全反射膜和對(duì)532nm波長(zhǎng)的全透過膜。實(shí)施例5
圖5是圖4實(shí)例的一種變形，在圖4的基礎(chǔ)上增加了調(diào)Q開關(guān)7，實(shí)現(xiàn)了腔內(nèi)倍頻Nd YAG調(diào)Q激光器。實(shí)施例6
圖6給出本方法在Nd =YAG參量振蕩晶體10即OPO激光器中的應(yīng)用。倍頻晶體8和輸出鏡鍍有對(duì)閑置光的全反射膜；倍頻晶體8還鍍有對(duì)1064nm波長(zhǎng)振蕩光的全透膜，輸出鏡對(duì)1064nm波長(zhǎng)光全反；倍頻晶體8還鍍有對(duì)信號(hào)光的全反射膜，輸出鏡對(duì)信號(hào)光全透射。實(shí)施例7
圖7是雙端面泵浦的激光器。圖7中有兩塊Nd =YAG激光介質(zhì)，從兩塊Nd =YAG的兩個(gè)端面進(jìn)行泵浦，其中一個(gè)Nd :YAG激光介質(zhì)的泵浦端面設(shè)置一個(gè)斜面反射鏡11，通常反射角度為45度，也可以是其他角度。該反射鏡鍍膜，以實(shí)現(xiàn)1064nm波長(zhǎng)振蕩光沿表面反射時(shí)實(shí)現(xiàn)高反射，同時(shí)鍍膜對(duì)808nm波長(zhǎng)泵浦光高透。本發(fā)明通過提出多種方案，是要說明無論Nd=YAG激光器是何種形式，只要利用了 Nd YV04介質(zhì)進(jìn)行輔助吸收，以提高對(duì)808nm波長(zhǎng)泵浦光的吸收效率，均屬于本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的意義體現(xiàn)在能有效提聞以Nd YAG為介質(zhì)，1064nm波長(zhǎng)光為基本振蕩光的端面泵浦激光器的效率。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光高吸收效率的Nd yag激光器方法，包括激光二極管泵浦源(I )、 激光諧振腔(12)，激光介質(zhì)Nd :YAG，其特征是在沿泵浦光傳播方向，所述的激光介質(zhì)Nd YAG后面有一塊Nd =YVO4介質(zhì)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光的充分吸收，當(dāng)泵浦光通過全部Nd :YAG激光介質(zhì)以后，處于Nd =YAG晶體808. 6nm波長(zhǎng)吸收譜以內(nèi)的泵浦光功率將完全被吸收，而處于Nd =YAG晶體吸收譜以外的的泵浦光功率則進(jìn)入Nd =YVO4晶體，由Nd =YVO4晶體吸收； 當(dāng)激光器工作時(shí)，兩種晶體吸收的能量均可以轉(zhuǎn)化成共同波長(zhǎng)的振蕩激光，實(shí)現(xiàn)高效率的激光輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光高吸收效率的Ndyag激光器方法，其特征是所述的激光介質(zhì)Nd :YAG可以是Nd :YAG晶體，也可以是Nd :YAG陶瓷，還可以既摻Nd3+ 離子又摻有其他離子的YAG介質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光高吸收效率的Ndyag激光器方法，其特征是所述的激光諧振腔(12)至少包括諧振腔輸出鏡(6)，諧振腔反射鏡(3)和激光介質(zhì)， 激光介質(zhì)位于諧振腔輸出鏡(6)和諧振腔反射鏡(3)之間；諧振腔反射鏡(3)鍍有對(duì)808nm 波長(zhǎng)泵浦光的高透膜以及對(duì)1064nm波長(zhǎng)振蕩光的高反射膜；Nd :YAG激光介質(zhì)在諧振腔反射鏡(3)—側(cè)；Nd =YVO4在諧振腔輸出鏡(6)—側(cè)；Nd YAG和Nd =YVO4端面均鍍有對(duì)1064nm 波長(zhǎng)振蕩光的高反射膜和對(duì)808nm波長(zhǎng)泵浦光的高透膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光高吸收效率的Ndyag激光器方法，其特征是所述的激光諧振腔(12)有主動(dòng)調(diào)Q開關(guān)(7)、被動(dòng)調(diào)Q開關(guān)(7)、倍頻晶體(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光高吸收效率的Nd:yag激光器方法，其特征是所述的激光二極管泵浦源(I)是指激光二極管，可以是直接輸出的激光二極管也可以是光纖耦合輸出的激光二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光高吸收效率的Ndyag激光器方法，其特征是所述的諧振腔反射鏡(3)既可以是獨(dú)立的光學(xué)元件，又可以是通過在激光介質(zhì)端面鍍膜形成的高反射膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光高吸收效率的Ndyag激光器方法，其特征是所述的倍頻晶體(8)鍍有對(duì)1064nm波長(zhǎng)振蕩光的全透膜，輸出鏡對(duì)1064nm波長(zhǎng)光全反。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光高吸收效率的Nd:yag激光器方法，其特征是所述的激光介質(zhì)Nd =YAG的泵浦端面設(shè)置一個(gè)斜面反射鏡(11)，反射鏡鍍膜，實(shí)現(xiàn) 1064nm波長(zhǎng)振蕩光沿表面反射時(shí)反射。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光高吸收效率的Ndyag激光器方法，包括激光二極管泵浦源、激光諧振腔，激光介質(zhì)NdYAG，其特征是在沿泵浦光傳播方向，所述的激光介質(zhì)NdYAG后面有一塊NdYVO4 介質(zhì)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光的充分吸收，當(dāng)泵浦光通過全部NdYAG激光介質(zhì)以后，處于NdYAG晶體808.6nm波長(zhǎng)吸收譜以內(nèi)的泵浦光功率將完全被吸收，而處于NdYAG晶體吸收譜以外的泵浦光功率則進(jìn)入NdYVO4 晶體，由NdYVO4 晶體吸收；當(dāng)激光器工作時(shí)，兩種晶體吸收的能量均可以轉(zhuǎn)化成共同波長(zhǎng)的振蕩激光，實(shí)現(xiàn)高效率的激光輸出。本發(fā)明利用了NdYAG介質(zhì)優(yōu)良的導(dǎo)熱和光電性能和NdYVO4介質(zhì)的寬帶吸收特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合并克服了各自的弱點(diǎn)。本發(fā)明可以提高泵浦光能量利用效率20%左右。
文檔編號(hào)H01S3/07GK102610992SQ20121007228
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月19日
發(fā)明者商繼敏, 李兵斌, 王石語, 蔡德芳, 過振 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)