專利名稱：一種全固態(tài)固體激光器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于激光器器件技術領域，具體涉及一種全固態(tài)固體激光器，它采用柱透鏡耦合的雙端半導體激光器(LD)泵浦全固態(tài)固體激光器，其諧振腔采用了多次折疊技術。
端面泵浦所用的大功率LD大都為一維陣列激光二極管，它的發(fā)光面長從幾百納米到幾毫米，寬為1微米，輸出功率從幾瓦到幾十瓦。它的發(fā)散角在x，y不對稱，一般垂直于結平面方向發(fā)散角為30°~40°，平行于結平面方向發(fā)散角為10°。對LD光束整形通常采用一準直透鏡和一聚焦透鏡，因LD發(fā)光面和發(fā)散角的不對稱，使進入增益介質的泵浦光尺寸較大且呈橢圓狀，將影響整個激光器的最終轉換效率。根據(jù)LD發(fā)光面和發(fā)散角的不對成性，可在準直透鏡和聚焦透鏡之間加一擴束棱鏡對，實現(xiàn)整個整形系統(tǒng)的x，y方向不同的放大倍率，可達到較好的泵浦尺寸，但棱鏡對較難調整且損耗較大。
為實現(xiàn)上述實用新型目的，一種全固態(tài)固體激光器，包括作為泵浦光源的二個半導體激光器、耦合系統(tǒng)、諧振腔和半導體制冷冷卻裝置，其特征在于所述諧振腔采用Nd:YVO4薄片晶體作為激光增益介質，該諧振腔還包括對稱位于Nd:YVO4薄片晶體的兩端外的全反射鏡和平面輸出耦合鏡，以及靠近Nd:YVO4薄片晶體的二端面并與之形成夾角的折疊用平面全反射鏡，全反射鏡相互平行；半導體激光器位于Nd:YVO4薄片晶體(5)的兩側；并分別置于冷卻裝置上；半導體激光器發(fā)出的泵浦光通過柱面鏡聚焦到晶體內。
本實用新型設計的全固態(tài)固體激光器具有以下優(yōu)點1、采用薄片Nd:YVO4晶體，雙端泵浦方式，兩個LD bar發(fā)出的光經(jīng)過柱透鏡直接耦合進入晶體，在晶體內形成兩個焦點，提高了泵浦光在晶體內的泵浦功率密度，并與基模模體積相匹配。
2、其諧振腔采用多折腔技術使增益介質的體積得到充分的利用。
3、采用半導體制冷傳導冷卻方式，使整個裝置結構緊湊，操作方便，免去了水冷系統(tǒng)帶來的諸多不利因素，適于工業(yè)化批量生產(chǎn)及應用。
本實用新型激光器的結構示意圖如圖2所示，包括作為泵浦光源的二個半導體激光器、耦合系統(tǒng)、諧振腔和半導體制冷冷卻裝置。諧振腔內放有增益介質5、折疊用全反射鏡2、2’、平面輸出耦合鏡4和平面全反射鏡1。
諧振腔中的增益介質采用a軸切割的摻釹釩酸釔(Nd:YVO4)晶體，在1.064um波長處的有效發(fā)射截面為15.6×10-19cm2，是Nd:YAG晶體的4倍左右。與相同摻Nd濃度的Nd:YAG晶體相比，Nd:YVO4在808nm波段的吸收系數(shù)要高近5倍，吸收帶寬也較寬，YVO4摻雜濃度可以從0.1％到3％，而YAG最高只能到1.5％。因此Nd:YVO4晶體較Nd:YAG晶體具有低的泵浦閾值，高的轉換效率。實例中Nd:YVO4晶體的摻雜濃度為0.6~1％，橫截面為2×8mm，a軸通光，通光方向長度為14mm，側面鍍808nm增透膜，晶體的前表面鍍1064nm減反膜，晶體對平行于c軸的偏振泵浦光的吸收系數(shù)為21.0cm-1，對平行于a軸的偏振泵浦光吸收系數(shù)為10.4cm-1，因此選用平行于c軸的偏振泵浦。
折疊用反射鏡2、2’對1064nm的反射率≥99.7％，相互平行放置并與Nd:YVO4薄片晶體5端面形成一定的夾角，夾角大小主要根據(jù)晶體尺寸來調整，其位置應調整到盡可能地靠近主光軸。全反射鏡1和平面輸出耦合鏡4對稱位于Nd:YAG薄片晶體的兩端外，全反射鏡1可采用與平面全反射鏡2、2’相同的全反射鏡；平面輸出耦合鏡4，輸出透過率經(jīng)過最優(yōu)化選擇為對1064nm的透過率為30％。全反射鏡1、平面輸出耦合鏡4和平面全反射鏡2、2’放置的位置應使之形成Z字形的多折形諧振腔。
上述諧振腔為平-平腔方式，這種腔型設計上使得激光腔內基模模式與泵浦光模式匹配。光線可以往返多次通過晶體，充分利用了介質。當泵浦光激勵激光增益介質時，一部分產(chǎn)生了所希望的粒子數(shù)反轉，余下部分由于無輻射躍遷，基質的直接吸收及對粒子數(shù)反轉無貢獻的激活粒子躍遷以熱的形式耗散在工作物質當中，使工作物質產(chǎn)生溫升、熱聚焦及雙折射等物理效應，這些效應可近似等效為一光焦度為正的熱透鏡，這嚴重影響了激光器的性能。為了補償熱透鏡可在棒端磨成有一定曲率凹面以消除熱透鏡影響，然而這種方法只有在整個運轉中熱焦距保持不變的情況下，基模才能得到改善，但熱焦距稍有偏離，光束特性就立刻破壞。在腔型設計時，采用熱不靈敏腔，保證在一定腔型時，光束發(fā)散角和模體積對于激光增益介質的平均熱焦距的變化是不靈敏的，熱不靈敏條件為|A+D|＝0，A和D是諧振腔光線傳輸矩陣的元素。所以，在激光器腔型設計時，可適當選取參數(shù)，以改善激光器由于泵浦而帶來的熱效應。
本實用新型的光源采用功率為15～80瓦、中心波長為808nm的半導體激光器3、3’，其發(fā)光面為10mm×1um，遠場發(fā)散角40°。半導體激光器3、3’位于Nd:YVO4薄片晶體的兩側，通過柱面鏡整形聚焦進入薄片晶體，兩個半導體激光器的泵浦光在晶體內交疊，在晶體內部形成兩個焦點。通過調整使其焦點位置與諧振腔的主光軸重合，盡可能地與基模光束相匹配。
本實用新型的耦合系統(tǒng)采用簡單的二個柱面鏡6、6’直接整形，它們分別位于半導體激光器與薄片晶體之間，使泵浦光從薄片兩側進入晶體。柱面透鏡的尺寸和定位設計使得泵浦光可以被聚焦進晶體設定的位置。對于數(shù)十瓦的半導體激光器，其發(fā)射面為10mm×1um，柱面透鏡沿其長方向放置，將半導體激光器輸出的激光聚焦進入晶體內部。
權利要求1.一種全固態(tài)固體激光器，包括作為泵浦光源的二個半導體激光器、耦合系統(tǒng)、諧振腔和半導體制冷冷卻裝置，其特征在于所述諧振腔采用Nd:YVO4薄片晶體(5)作為激光增益介質，該諧振腔包括對稱位于Nd:YVO4薄片晶體(5)的兩端外的全反射鏡(1)和平面輸出耦合鏡(4)，以及靠近Nd:YVO4薄片晶體(5)的二端面并與之形成夾角的折疊用平面全反射鏡(2，2’)，全反射鏡(2，2’)相互平行；半導體激光器(3、3’)位于Nd:YVO4薄片晶體(5)的兩側；并分別置于冷卻裝置(7，7’)上；半導體激光器(3、3’)發(fā)出的泵浦光通過柱面鏡(6、6’)聚焦到晶體(5)內。
2.權利要求1中所述的全固態(tài)固體激光器，其特征在于所述耦合系統(tǒng)包括二個位于薄片晶片(5)與半導體激光器(3、3’)之間的柱面鏡(6、6’)；通過柱面鏡(6、6’)將半導體激光器發(fā)出的泵浦光聚焦到晶體(5)內部指定的位置。
3.權利要求1中所述的全固態(tài)固體激光器，其特征在于所述多折形諧振腔，全反射鏡(2，2’)在同一塊晶體(5)內部形成的多次折疊的Z字形光束。
專利摘要本實用新型公開了一種全固態(tài)固體激光器，包括作為泵浦光源的二個半導體激光器、耦合系統(tǒng)、諧振腔和半導體制冷冷卻裝置，所述諧振腔采用NdYV04薄片晶體作為激光增益介質，并包括對稱位于NdYV04薄片晶體的兩端外的全反射鏡和平面輸出耦合鏡，及靠近NdYV04薄片晶體的二端面并與之形成夾角的折疊用平面全反射鏡；半導體激光器位于NdYV04薄片晶體的兩側；并分別置于冷卻裝置上；半導體激光器發(fā)出的泵浦光通過柱面鏡聚焦到晶體內。該激光器采用多折腔技術使增益介質的體積得到充分的利用。半導體激光器與增益介質間的耦合采用簡單有效的柱面鏡耦合方式。冷卻采用半導體制冷傳導冷卻方式，使整個激光器實現(xiàn)了全固態(tài)化。
文檔編號H01S3/08GK2599843SQ0323554
公開日2004年1月14日 申請日期2003年2月21日 優(yōu)先權日2003年2月21日
發(fā)明者陳澤民, 李玉華, 黃維玲 申請人:華中科技大學