本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于波長(zhǎng)鎖定半導(dǎo)體激光模塊的銩激光器，用以提高大功率LD泵浦Tm激光器光光轉(zhuǎn)換效率。

背景技術(shù)：

稀土銩Tm離子摻雜固態(tài)激光器的激光波長(zhǎng)覆蓋了水分子及溫室氣體分子的特征吸收峰，在遙感、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和前景。同時(shí)，該激光器也是過(guò)度金屬摻雜激光器和基于磷鍺鋅晶體的光參量振蕩器的大功率泵浦源，用于實(shí)現(xiàn)中紅外3～5微米激光輸出。目前，Tm激光器的工作物質(zhì)有光纖、晶體以及陶瓷三大類。其中，摻銩激光晶體具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于裝卸和工藝成熟等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。在Tm激光晶體中，釔鋁石榴石YAG晶體具有高機(jī)械性能、高熱導(dǎo)率以及易于擴(kuò)散鍵合等綜合優(yōu)勢(shì)，成為2微米Tm激光器研制的首選材料。在逐步提高半導(dǎo)體泵浦Tm:YAG激光器在室溫下的輸出功率的同時(shí)，激光器效率的提高最為關(guān)鍵，這體現(xiàn)在激光器的光光轉(zhuǎn)換效率上。光光效率的提高，一方面增加了同一泵浦吸收功率下的激光輸出功率，另一方面則減少了激光晶體中熱量的積聚，改善了易受熱效應(yīng)影響的激光光束質(zhì)量惡化和輸出功率飽和問(wèn)題。

針對(duì)準(zhǔn)三能級(jí)Tm激光器對(duì)溫度敏感，存在基態(tài)再吸收損耗及能量上轉(zhuǎn)換損耗等特點(diǎn)，目前提高Tm:YAG激光器效率的主要方法有兩鐘，一種是將激光晶體冷卻到零下溫度，例如通過(guò)液氮或液氦來(lái)降溫；另一種是減低泵浦光功率。然而這兩種方法均無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)室溫工作和高功率輸出的要求。綜合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道，目前室溫下工作的高功率Tm:YAG激光器均采用普通的半導(dǎo)體激光器泵浦。半導(dǎo)體激光器的工作波長(zhǎng)隨泵浦功率的增加和半導(dǎo)體溫度的增加而出現(xiàn)紅移，容易偏離激光晶體的吸收峰，造成激光轉(zhuǎn)換效率減低。與此同時(shí)，普通半導(dǎo)體激光器的線寬在3nm左右，雖然與激光晶體的吸收峰或激發(fā)峰的半高寬相近，但能夠得到最有效吸收的泵浦光子也只是位于吸收峰位置占小部分比例的光子。因此，當(dāng)前室溫下大功率Tm：YAG激光器的光光轉(zhuǎn)換效率均低于35％。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，提出了一種基于波長(zhǎng)鎖定半導(dǎo)體激光模塊的銩激光器，用以實(shí)現(xiàn)大功率Tm激光器在室溫下的高效率輸出，將其光光轉(zhuǎn)換效率提高到45％。

本發(fā)明提出的一種基于波長(zhǎng)鎖定半導(dǎo)體激光模塊的銩激光器，包括波長(zhǎng)鎖定的窄線寬半導(dǎo)體激光器模塊、泵浦光準(zhǔn)直聚焦模塊和激光諧振腔模塊；半導(dǎo)體泵浦光經(jīng)波長(zhǎng)鎖定的窄線寬半導(dǎo)體激光器模塊輸出到泵浦光準(zhǔn)直聚焦模塊后，通過(guò)激光諧振腔模塊產(chǎn)生激光輸出。

優(yōu)選地，該波長(zhǎng)鎖定的窄線寬半導(dǎo)體激光器模塊包括波長(zhǎng)鎖定的窄線寬半導(dǎo)體激光器和多模光纖，該波長(zhǎng)鎖定的窄線寬半導(dǎo)體激光器包括半導(dǎo)體激光器和體布拉格光柵，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的半導(dǎo)體泵浦光經(jīng)過(guò)體布拉格光柵進(jìn)行波長(zhǎng)鎖定及線寬壓縮后輸出給多模光纖。

優(yōu)選地，激光諧振腔模塊為平凹腔結(jié)構(gòu)，包括高反射率腔鏡、夾有激光晶體的冷卻銅塊以及耦合輸出鏡。

更優(yōu)選地，夾有激光晶體的冷卻銅塊包括冷卻銅塊以及安裝在銅塊里面的激光晶體，激光晶體為單端鍵合的Tm：YAG晶體。

更優(yōu)選地，冷卻銅塊上設(shè)置有水嘴，與外置的控溫水箱組成激光晶體的水冷回路，冷卻水溫度控制在10-25℃。

更優(yōu)選地，激光晶體摻雜部分長(zhǎng)度為14—20mm，摻雜濃度在2—5a.t.％之間，鍵合的無(wú)摻雜部分長(zhǎng)度<4mm。

更優(yōu)選地，高反射率腔鏡和耦合輸出鏡以及激光晶體的對(duì)稱中心調(diào)整到同一條直線上。

更優(yōu)選地，高反射率腔鏡的第二面與激光晶體第一面的距離小于10mm，激光晶體第二面與耦合輸出鏡第一面的距離在10-50mm之間。

優(yōu)選地，泵浦光準(zhǔn)直聚焦模塊是由兩片規(guī)格相同的平凸透鏡組成的共軛成像系統(tǒng)。

更優(yōu)選地，多模光纖的輸出端接口與泵浦光準(zhǔn)直聚焦模塊一同封裝在同一個(gè)鋁材料鏡筒，該兩片相同規(guī)格的平凸透鏡填裝到該鋁材料鏡筒中并固定，將多模光纖的輸出端固定到鋁材料鏡筒的輸入端，固定時(shí)確保多模光纖的輸出端與鏡筒輸入端連接上時(shí)多模光纖的輸入端面與平凸透鏡第一面的距離為平凸透鏡的后焦距，用以保證入射平凸透鏡后的泵浦光得到準(zhǔn)直。

本發(fā)明的有益效果：

1.本發(fā)明通過(guò)對(duì)Tm：YAG晶體吸收譜數(shù)據(jù)、高精度激發(fā)譜數(shù)據(jù)的一系列實(shí)驗(yàn)分析，本發(fā)明首次提出將作為激光器泵浦模塊的大功率半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)鎖定到Tm：YAG晶體的最佳激發(fā)峰位置并對(duì)其線寬進(jìn)行壓縮，并將具有上述特點(diǎn)的大功率LD應(yīng)用到2微米Tm激光器件中，從而將Tm：YAG晶體的光光轉(zhuǎn)換效率提高到45％，并實(shí)現(xiàn)大于10W的激光輸出， 光光轉(zhuǎn)換效率高出同類型Tm：YAG激光器至少10％。

2.本發(fā)明可以通過(guò)一臺(tái)冷卻水箱將晶體和LD的工作溫度控制在15℃±10℃的范圍內(nèi)，而不用考慮LD的輸出波長(zhǎng)和線寬會(huì)因?yàn)楣ぷ鳒囟鹊淖兓蠓淖?，以致偏離晶體的激發(fā)峰，造成激光效率的減低。

3.本發(fā)明提出的整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定和小型化。激光器的腔長(zhǎng)在3-8cm范圍內(nèi)，光纖輸出端接口和準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)均封裝在一個(gè)鏡筒內(nèi)，以便于固定在常規(guī)的光學(xué)調(diào)整架上。

4.本發(fā)明采用平凹腔設(shè)計(jì)激光諧振腔，具有大腔模體積，對(duì)激光模式進(jìn)行優(yōu)化以及增加諧振腔熱穩(wěn)定性范圍的作用。

綜上所述，采用本發(fā)明的技術(shù)方案可確保高功率Tm:YAG激光器在室溫條件下保持高效率運(yùn)行。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提出的基于波長(zhǎng)鎖定半導(dǎo)體激光模塊的銩激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的激光諧振腔模塊中Tm激光模塊的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)記：1——波長(zhǎng)鎖定的窄線寬半導(dǎo)體激光器，2——多模光纖，3——鋁材料鏡筒，4、5——平凸透鏡，6——高反射率腔鏡，7——夾有激光晶體的冷卻銅塊，8——耦合輸出鏡，9——水嘴，10——鋁材料隔熱底座

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。但本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉，本發(fā)明并不局限于附圖和以下實(shí)施例。

本發(fā)明的工作原理是，通過(guò)體布拉格光柵將半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)鎖定在Tm：YAG晶體的激發(fā)峰附近，線寬壓縮到激發(fā)峰的半高寬之內(nèi)。經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)鎖定和線寬壓縮后的大功率泵浦光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)聚焦到擴(kuò)散鍵合的Tm:YAG晶體上，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，將冷卻水的水溫控制在一個(gè)最佳的溫度點(diǎn)上，具體是在10—25℃之間的某個(gè)特定值，以保證激光器效率的最大化。泵浦模塊的創(chuàng)新、激光晶體的擴(kuò)散鍵合和激光器工作溫度的優(yōu)化，均起到緩解晶體熱量積聚，降低晶體熱透鏡效應(yīng)以及減少準(zhǔn)三能級(jí)激光系統(tǒng)熱損耗的作用，最終體現(xiàn)在激光器光光轉(zhuǎn)換效率的提高。

本發(fā)明提出的一種基于波長(zhǎng)鎖定半導(dǎo)體激光模塊的銩激光器，如圖1所示，包括波長(zhǎng)鎖定的窄線寬半導(dǎo)體激光器模塊、泵浦光準(zhǔn)直聚焦模塊和激光諧振腔模塊。

波長(zhǎng)鎖定的窄線寬半導(dǎo)體激光器模塊包括波長(zhǎng)鎖定的窄線寬半導(dǎo)體激光器1和多模光纖2。本發(fā)明采用的波長(zhǎng)鎖定的窄線寬半導(dǎo)體激光器1，是在普通半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)上通過(guò)體布拉格光柵，將半導(dǎo)體激光的波長(zhǎng)鎖定到Tm:YAG晶體的最高激發(fā)峰附近，具體是在784.0～786.0nm范圍內(nèi)的某個(gè)特定波長(zhǎng)，波長(zhǎng)線寬壓縮到0.5nm以下的某個(gè)特定值，該激光器可以采用DILAS公司制造的半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體泵浦光經(jīng)過(guò)窄線寬半導(dǎo)體激光器1的體布拉格光柵進(jìn)行波長(zhǎng)鎖定及線寬壓縮后，通過(guò)多模光纖2輸出到泵浦光準(zhǔn)直聚焦模塊，該多模光纖2優(yōu)選為SMA接口，芯徑為400微米，數(shù)值孔徑為0.22。

泵浦光準(zhǔn)直聚焦模塊是由兩片規(guī)格相同的平凸透鏡4、5組成的共軛成像系統(tǒng)，焦距在30-50mm范圍內(nèi)的某個(gè)特定長(zhǎng)度。多模光纖2的輸出端接口與準(zhǔn)直聚焦模塊一同封裝在同一個(gè)鋁材料鏡筒3，以便于固定在光學(xué)調(diào)整架上。使用時(shí)，該兩片相同規(guī)格的平凸透鏡4、5填裝到鏡筒3中并固定；將多模光纖2的輸出端固定到鏡筒3的輸入端，固定時(shí)確保多模光纖2的輸出端與鏡筒輸入端連接上時(shí)多模光纖的輸入端面與平凸透鏡4第一面的距離剛好為平凸透鏡4的后焦距，用以保證入射平凸透鏡4后的泵浦光得到準(zhǔn)直；將裝好平凸透鏡并連接上多模光纖的鏡筒3固定在光學(xué)調(diào)制架上，優(yōu)選采用四維調(diào)整架。半導(dǎo)體泵浦光經(jīng)泵浦光準(zhǔn)直聚焦模塊后輸出到諧振腔模塊。

激光諧振腔模塊包括高反射率腔鏡6、夾有激光晶體的冷卻銅塊7以及耦合輸出鏡8。激光諧振腔模塊為平凹腔結(jié)構(gòu)，諧振腔的腔長(zhǎng)在30—80mm之間，優(yōu)選在40—80mm之間。高反射率腔鏡6為鍍有對(duì)激光波長(zhǎng)的高反膜并且增透半導(dǎo)體泵浦波段的凹鏡。夾有激光晶體的冷卻銅塊7為銩激光模塊。耦合輸出鏡8為平鏡，材質(zhì)為紅外石英玻璃JGS1，耦合透過(guò)率在2—8％之間。夾有晶體的冷卻銅塊7為Tm激光模塊，包括冷卻銅塊以及安裝在銅塊里面的激光晶體；冷卻銅塊上設(shè)計(jì)有四個(gè)直徑為6mm的水嘴9，如圖2所示，與外置的控溫水箱組成激光晶體的水冷回路；激光晶體為單端鍵合的Tm：YAG晶體，晶體摻雜部分長(zhǎng)度為14—20mm，摻雜濃度在2—5a.t.％之間，鍵合的無(wú)摻雜部分長(zhǎng)度<4mm。

使用時(shí)，將單端鍵合Tm:YAG晶體用銦片包起來(lái)后固定在銅塊7上，如圖2所示，同時(shí)用塑料水管將銅塊上的四個(gè)水嘴9與水箱的出水口和入水口連接起來(lái)，形成對(duì)激光晶體的冷卻回路。將冷卻水溫度控制在10-25℃中的一個(gè)特定值。

通過(guò)He-Ne激光器進(jìn)行對(duì)光，將高反射率腔鏡6和耦合輸出鏡8以及冷卻銅塊7中的激光晶體的對(duì)稱中心調(diào)整到同一條直線上：腔鏡6的第二面與銅塊7中晶體第一面的距離小于10mm，銅塊7中晶體第二面與耦合輸出鏡8第一面的距離在10-50mm之間。

在半導(dǎo)體激光器和激光晶體得到水箱控溫的前提下，先進(jìn)行小功率泵浦，例如泵浦光功 率在4—8W的強(qiáng)度范圍內(nèi)，通過(guò)四維調(diào)整架和光學(xué)平移臺(tái)調(diào)整鏡筒3的泵浦光在晶體上聚焦光斑的位置，以獲得在當(dāng)前泵浦功率下所能得到的最大激光輸出功率。

增加泵浦功率到半導(dǎo)體激光器所能提供的最大泵浦光功率25W左右，得到11W的2微米激光輸出，測(cè)出泵浦光通過(guò)透鏡4、5和第一面腔鏡6后的實(shí)際功率為24.5W，算出光光轉(zhuǎn)換效率為45％。

以上，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說(shuō)明。但是，本發(fā)明不限定于上述實(shí)施方式。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。