專利名稱：雙調(diào)Q復(fù)合陶瓷Nd:YAG內(nèi)腔倍頻綠光激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于綠光激光器技術(shù)，特別涉及百瓦級雙調(diào)Q復(fù)合陶瓷Nd:YAG內(nèi)腔倍頻綠光激
光器°
背景技術(shù)：
激光二極管泵浦的高重復(fù)頻率(1 50kHz)、高平均功率(>20W)、內(nèi)腔倍頻綠光固體 激光器，由于同時(shí)具有效率高(總體電光效率可達(dá)10%)、光束質(zhì)量好、體積小、壽命長、運(yùn) 轉(zhuǎn)成本低等特點(diǎn)，在工業(yè)加工、海底探測、軍事光電對抗以及科研等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià) 值。隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的發(fā)展以及其價(jià)格的降低，高功率、長壽命的激光二極管陣列組件 已成為可能，并商品化。因此，具有壽命長、可靠性高、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)的高功率、 高重復(fù)頻率全固態(tài)綠光激光器得到了空前的發(fā)展，成為各國競相研究的熱點(diǎn)。
采用基于KTP非線性光學(xué)晶體的聲光調(diào)Q Nd:YAG內(nèi)腔倍頻技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高功率綠光輸出 的重要途徑之一。目前該激光器多釆用Nd:YAG晶體作為激光增益介質(zhì)、KTP晶體作為倍頻 晶體。但是，在高功率輸出的情況下，激光晶體的熱應(yīng)力、熱致雙折射以及熱透鏡等熱效應(yīng) 將會導(dǎo)致激光輸出功率的下降、不穩(wěn)定、輸出光束差以及激光壽命縮短等不利因素，并且在 輸出平均功率達(dá)到幾百瓦的紅外激光輻射下，KTP晶體既會線性吸收紅外光和綠光功率，還 可能發(fā)生非線性吸收如雙光子吸收等三階非線性效應(yīng)吸收激光功率，從而在內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯 度分布，導(dǎo)致折射率分布不均勻。這一方面破壞了晶體的最佳相位匹配環(huán)境使得晶體的倍頻 效率下降，另一方面由于晶體熱應(yīng)力的產(chǎn)生，會產(chǎn)生相應(yīng)的熱透鏡效應(yīng)，在內(nèi)腔倍頻中會改 變激光諧振腔參數(shù)，從而引^g激光功率的不穩(wěn)定和倍頻效率的下降。雖然高功率綠光激光器 中通常采用低溫(4-l(TC)冷卻和改變倍頻晶體角度(即改變紅外光入射到晶體中的角度)的方 法來補(bǔ)償倍頻晶體的相位匹配角，但是由于低溫冷卻環(huán)境降低了KTP晶體的損傷閾值，容易 導(dǎo)致KTP晶體的"灰跡"(所謂的灰跡指的是KTP晶體中由于晶格缺陷而在低溫下產(chǎn)生的破 壞現(xiàn)象)的出現(xiàn)。
為了改善激光增益介質(zhì)的熱效應(yīng)，人們通過改變激光介質(zhì)的形狀(如板條和圓盤狀)，增 加冷卻面積實(shí)現(xiàn)熱量的擴(kuò)散，減少激光晶體的熱應(yīng)力和熱透鏡效應(yīng)；通過雙棒串接等技術(shù)措 施減少熱致雙折射效應(yīng)。近年來，人們又采用離子鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)合激光增益介質(zhì)(即在同 一激光介質(zhì)中，為了滿足泵浦結(jié)構(gòu)的需要， 一部分為激光增益，另一部分為非增益區(qū))來減 少激光晶體的熱效應(yīng)。但是，以Nd:YAG晶體作為激光介質(zhì)時(shí)，在生長的過程中，很難實(shí)現(xiàn) 這種復(fù)雜的復(fù)合結(jié)構(gòu)，只能在后期加工進(jìn)行。
發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種穩(wěn)定輸出功率在150W級的雙調(diào) Q復(fù)合陶瓷Nd:YAG內(nèi)腔倍頻綠光激光器，克服現(xiàn)有技術(shù)熱效應(yīng)嚴(yán)重和容易出現(xiàn)"灰跡"等缺點(diǎn)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是雙調(diào)Q復(fù)合陶瓷摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG 內(nèi)腔倍頻綠光激光器包括凹面全反鏡、聲光Q開關(guān)、由二極管激光器泵浦的激光介質(zhì)、諧波 反射鏡、倍頻晶體和輸出鏡，所述的凹面全反鏡、輸出鏡構(gòu)成平一凹諧振腔結(jié)構(gòu)；在平一凹 諧振腔中凹面全反鏡、激光介質(zhì)間正交放置有兩個(gè)聲光Q開關(guān)；激光介質(zhì)為復(fù)合陶瓷摻釹釔 鋁石榴石Nd:YAG圓柱狀棒，其中棒的兩端均未摻雜，中間摻釹Nd離子的濃度為0.7n/"0.02n/。，
兩端拋光并鍍1064nm增透膜，側(cè)面打毛處理；所述的由二極管激光器泵浦的激光介質(zhì)是由 多個(gè)二極管激光器按照五角形等間距側(cè)面泵浦摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG棒進(jìn)行泵浦耦合；在 激光介質(zhì)和輸出鏡之間依次放置有諧波反射鏡、帶冷卻器的優(yōu)質(zhì)磷酸氧鈦鉀SKTP倍頻晶體。
所述的平一凹諧振腔腔長為360mm，凹面全反鏡的曲率半徑為lm;諧波反射鏡采用鍍 1064nm高透和532nm高反膜層的石英鏡片；根據(jù)二極管激光器的尺寸復(fù)合陶瓷摻釹釔鋁石 榴石Nd:YAG圓柱狀棒的中間114mm長摻Nd離子，兩端各15mm均未摻雜， 一次性燒結(jié)而 成，其直徑為6.36mm，兩端磨成平面，鍍1064nm的增透膜。
所述的優(yōu)質(zhì)磷酸氧鈦鉀SKTP倍頻晶體(h23.50， 0=90°，入射到晶體內(nèi)基波的光波矢與晶 體光軸z軸的夾角為e，光波矢在晶體yoz平面的投影與x軸的夾角為c))，其尺寸為6x6xl0mm， 兩面鍍1064nm和532nm的增透膜。
所述的諧波反射鏡采用鍍1064nm高透和532nm高反膜層的石英鏡片；聲光調(diào)Q器件采 用兩個(gè)驅(qū)動功率為50W正交放置的器件，工作頻率為27MHz，對應(yīng)鍍1064nm增透膜靜態(tài)透 過率為98%，衍射效率為20%，調(diào)制頻率為1 50kHz。
本發(fā)明具備下列技術(shù)效果 '
1、 采用復(fù)合激光介質(zhì)，克服了高功率激光器中激光介質(zhì)端面容易損害的缺點(diǎn)；
2、 陶瓷Nd:YAG比單晶Nd:YAG的熱導(dǎo)率大，減少了高功率激光器的熱效應(yīng)，提高激光 器輸出的穩(wěn)定性；
3、 采用SKTP晶體倍頻，克服了傳統(tǒng)KTP晶體在高功率情況下易出現(xiàn)的"灰跡"現(xiàn)象；
4、 SKTP晶體降低了其對基波和倍頻光的吸收，減少了非線性晶體的熱效應(yīng)，提高了激 光器輸出的穩(wěn)定性；5、采用雙聲光調(diào)Q技術(shù)，提高了Q開關(guān)在高功率時(shí)的關(guān)斷能力。
圖1為高功率內(nèi)腔倍頻全固態(tài)陶瓷綠光激光器結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為圖1中復(fù)合陶瓷Nd:YAG晶體的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1.凹面全反鏡；2.聲光Q開關(guān)I; 3.聲光Q開關(guān)II; 4.高功率半導(dǎo)體激光器泵 浦組件；5.復(fù)合陶瓷Nd:YAG棒(06.36xl44mm); 6.諧波反射鏡；7. SKTP倍頻晶體；8. 輸出鏡。9.陶瓷激光介質(zhì)兩端15mm不摻雜部分；10.陶瓷激光介質(zhì)中間114mm摻雜Nd離 子的部分。
具體實(shí)施例方式
多晶Nd:YAG陶瓷是近年來研制出來的新型激光增益介質(zhì)，與Nd:YAG晶體相比，具有性價(jià)比更高、制作簡單、尺寸大、優(yōu)良摻雜特性以及多功能性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其復(fù)合結(jié)構(gòu)可以 在制造Nd:YAG陶瓷一次成型，不需要后期加工。
高抗灰跡的KTP晶體(High Gray Track Resistance KTP， HGTR KTP或SKTP)晶體與傳 統(tǒng)的KTP晶體相比，具有下述優(yōu)點(diǎn)適用于高功率激光器倍頻；抗光損傷閾值優(yōu)于普通的 KTP晶體；倍頻轉(zhuǎn)換效率高；避免普通KTP晶體在高功率激光應(yīng)用中受到"灰跡"效應(yīng)的嚴(yán) 重影響。
本發(fā)明的目的在于提供一種穩(wěn)定輸出功率在150W級的雙調(diào)Q復(fù)合陶瓷Nd:YAG內(nèi)腔倍 頻高功率綠光激光器和方法，采用該裝置及方法可使激光器平均輸出功率為153W，重復(fù)頻 率lkHz 30kHz可調(diào)，連續(xù)工作5個(gè)小時(shí)，不穩(wěn)定性小于0.6%。
本發(fā)明通過下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)，包括由80個(gè)20W二極管激光器(4)泵浦，腔長為 360mm的平一凹腔結(jié)構(gòu)，激光介質(zhì)為06.36X 144mm的復(fù)合陶瓷Nd:YAG棒(5)，其中棒的 兩端(9) 15mm均未摻雜，中間114mm (10)摻Nd離子的濃度為0.7%±0.02%，兩端拋光 并鍍1064nm增透膜，側(cè)面打毛，內(nèi)腔倍頻晶體采用II類相位匹配的SKTP晶體(7),同時(shí) 配置雙聲光Q開關(guān)(2， 3)及SKTP晶體的冷卻器構(gòu)成了平均輸出功率達(dá)153W的532nm的 綠光激光器。其技術(shù)特征在于，該激光器采用新型復(fù)合陶瓷激光增益介質(zhì)和SKTP倍頻晶體 技術(shù)，在平一凹諧振腔中的正交放置兩個(gè)聲光Q開關(guān)，同時(shí)調(diào)整倍頻晶體角度并對其進(jìn)行低 溫冷卻。
本發(fā)明專利的優(yōu)點(diǎn)在于，改善了傳統(tǒng)Nd:YAG激光晶體在高功率激光輸出情況下，熱效 應(yīng)嚴(yán)重和激光棒端面膜層易損壞以及復(fù)合Nd:YAG晶體不容易制作等缺點(diǎn)，改善了傳統(tǒng)KTP 倍頻晶體在高功率綠光輸出時(shí)，熱效應(yīng)嚴(yán)重和容易出現(xiàn)"灰跡"等缺點(diǎn)。采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的 高功率高穩(wěn)定性陶瓷綠光激光器的輸出功率為153W，連續(xù)工作5小時(shí)，輸出不穩(wěn)定性小于 0.6%,可廣泛應(yīng)用于工業(yè)激光加工、激光彩色顯示、海底探測以及軍事光電對抗等領(lǐng)域。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。
本發(fā)明的具體實(shí)施方案體現(xiàn)在一種如圖1所示的高功率內(nèi)腔倍頻全固態(tài)陶瓷綠光激光器 中，該激光器采用復(fù)合陶瓷晶體、SKTP晶體和雙聲光調(diào)Q技術(shù)，采用該裝置可使激光器輸 出平均功率為153W，不穩(wěn)定性小于0.6%，重復(fù)頻率lkHz 30kHz可調(diào)。
本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下泵浦源采用80個(gè)20W 二極管激光器泵浦，按照五角形等 間距側(cè)面泵浦Nd:YAG棒的泵浦耦合技術(shù)，其總泵浦功率為1600W;激光介質(zhì)為復(fù)合陶瓷 Nd:YAG棒，根據(jù)泵浦激光器二極管的尺寸，將激光棒的中間114mm長摻Nd離子濃度為 0.7%±0.02%，兩端各15mm均未摻雜，該陶瓷Nd:YAG棒是采用一次性燒結(jié)而成的，其直徑 為6.36mm,總長度為144mm，側(cè)面打毛，兩端磨成平面，鍍1064nm的增透膜。倍頻晶體采 用II類相位匹配的SKTP晶體(())=23.5°; 0=90°)，其尺寸為6x6xlOmm，兩面鍍1064nm和 532nm的增透膜；激光諧振腔采用直通式平一凹穩(wěn)定腔，腔長為360mm，平凹全反鏡的曲率 半徑為lm;諧波反射鏡采用鍍1064nm高透和532nm高反膜層的石英鏡片；聲光調(diào)Q器件 采用兩個(gè)驅(qū)動功率為50W正交放置的器件，它們的工作頻率為27MHz，靜態(tài)透過率為98% (對1064nm)，衍射效率為20%，其調(diào)制頻率為1 50kHz。
在同一泵浦電流下，隨著倍頻晶體冷卻溫度的降低，倍頻激光輸出的功率在增長，顯然倍頻晶體的冷卻措施增大了晶體的熱傳導(dǎo)系數(shù)，提高晶體傳熱速度，減少了晶體吸收功率在 內(nèi)部的沉積，相位失配在一定程度上得到緩解；當(dāng)繼續(xù)增大泵浦電流到17.8A時(shí)，倍頻激光 輸出功率迅速降低，將倍頻晶體冷卻到1(TC，同時(shí)調(diào)整倍頻晶體在諧振腔內(nèi)的角度(2.2°)， 調(diào)整聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率和脈沖同步時(shí)間，獲得重復(fù)頻率為25kHz、脈沖寬度162ns、平均 功率為153W的高功率、高重復(fù)頻率綠光(532nm)輸出。在此狀態(tài)中，減小SKTP晶體在 諧振腔內(nèi)與激光介質(zhì)Nd:YAG棒的位置，發(fā)現(xiàn)倍頻激光的輸出功率變大，當(dāng)將倍頻晶體放置 在距離Nd:YAG棒115mm時(shí)，激光的輸出功率最大，由此可以看出，雖然倍頻晶體被強(qiáng)冷卻， 但倍頻晶體內(nèi)部殘留的熱吸收功率的熱量沉積，會導(dǎo)致熱透鏡效應(yīng)，由于倍頻晶體相對 Nd:YAG棒比較短，可以將其近似認(rèn)為是薄透鏡，而Nd:YAG棒近似為類透鏡，移動倍頻晶 體相當(dāng)于移動兩個(gè)透鏡之間的距離，使諧振腔形成一個(gè)望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)定腔，從而實(shí)現(xiàn)激光的穩(wěn)定 運(yùn)轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)高功率激光器高穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，將激光器內(nèi)的器件調(diào)整在最佳狀態(tài)(如倍頻晶體 冷卻為l(TC，并調(diào)整其在諧振腔內(nèi)的角度為2.2°)，使激光器處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)，并在輸 出功率為130W時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)5h，每5分鐘記錄一次，將輸出功率結(jié)果取均方差，計(jì)算出不穩(wěn) 定性為0.6% (現(xiàn)有激光器輸出不穩(wěn)定性小于1%)。
在高功率內(nèi)腔全固態(tài)綠光激光器中采用復(fù)合陶瓷Nd:YAG晶體作為增益介質(zhì)和SKTP晶 體倍頻的技術(shù)可以克服上述傳統(tǒng)高功率綠光激光器的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)平均功率為150W的532nm 激光輸出，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)激光加工、激光彩色顯示、海底探測以及軍事光電對抗等領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種雙調(diào)Q復(fù)合陶瓷Nd:YAG內(nèi)腔倍頻綠光激光器，包括凹面全反鏡、聲光Q開關(guān)、由二極管激光器泵浦的激光介質(zhì)、諧波反射鏡、倍頻晶體和輸出鏡，其特征是，所述的凹面全反鏡、輸出鏡構(gòu)成平-凹諧振腔結(jié)構(gòu)；在平-凹諧振腔中凹面全反鏡、激光介質(zhì)間正交放置有兩個(gè)聲光Q開關(guān)；激光介質(zhì)為復(fù)合陶瓷摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG圓柱狀棒，其中棒的兩端均未摻雜，中間摻釹Nd離子的濃度為0.7％±0.02％，兩端拋光并鍍1064nm增透膜，側(cè)面打毛處理；所述的由二極管激光器泵浦的激光介質(zhì)是由多個(gè)二極管激光器按照五角形等間距側(cè)面泵浦摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG棒進(jìn)行泵浦耦合；在激光介質(zhì)和輸出鏡之間依次放置有諧波反射鏡、帶冷卻器的優(yōu)質(zhì)磷酸氧鈦鉀SKTP倍頻晶體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種雙調(diào)Q復(fù)合陶瓷Nd:YAG內(nèi)腔倍頻綠光激光器，其特征是，所述的平一凹諧振腔腔長為360mm，凹面全反鏡的曲率半徑為lm;諧波反射鏡采用鍍1064nm高透和532nm高反膜層的石英鏡片；根據(jù)二極管激光器的尺寸復(fù)合陶瓷摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG圓柱狀棒的中間114mm長摻Nd離子，兩端各15mm均未摻雜， 一次性燒結(jié)而成，其直徑為6.36皿，兩端磨成平面，鍍1064nm的增透膜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種雙調(diào)Q復(fù)合陶瓷Nd:YAG內(nèi)腔倍頻綠光激光器，其特征是，所述的優(yōu)質(zhì)磷酸氧鈦鉀SKTP倍頻晶體小=23.5°， 6=90°，入射到晶體內(nèi)基波的光波矢與晶體光軸z軸的夾角為e，光波矢在晶體yoz平面的投影與x軸的夾角為f其尺寸為6x6xlOmm，兩面鍍1064nm和532nm的增透膜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種雙調(diào)Q復(fù)合陶瓷Nd:YAG內(nèi)腔倍頻綠光激光器，其特征是，所述的諧波反射鏡采用鍍1064nm高透和532nm高反膜層的石英鏡片；聲光調(diào)Q器件采用兩個(gè)驅(qū)動功率為50W正交放置的器件，工作頻率為27MHz，對應(yīng)鍍1064nm增透膜靜態(tài)透過率為98%，衍射效率為20%，調(diào)制頻率為1 50kHz。
全文摘要
本發(fā)明屬于綠光激光器技術(shù)。為提供一種穩(wěn)定輸出功率在150W級的雙調(diào)Q復(fù)合陶瓷Nd:YAG內(nèi)腔倍頻綠光激光器，克服熱效應(yīng)嚴(yán)重和“灰跡”等缺點(diǎn)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是凹面全反鏡、輸出鏡構(gòu)成平-凹諧振腔結(jié)構(gòu)；凹面全反鏡、激光介質(zhì)間正交放置有兩個(gè)聲光Q開關(guān)；激光介質(zhì)為復(fù)合陶瓷摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG圓柱狀棒，其中棒的兩端均未摻雜，中間摻釹Nd離子的濃度為0.7％±0.02％；由多個(gè)二極管激光器按照五角形等間距側(cè)面泵浦摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG棒進(jìn)行泵浦耦合；在激光介質(zhì)和輸出鏡之間依次放置有諧波反射鏡、帶冷卻器的優(yōu)質(zhì)磷酸氧鈦鉀SKTP倍頻晶體。本發(fā)明主要用于綠光激光器的制造。
文檔編號H01S3/101GK101599614SQ200910069520
公開日2009年12月9日 申請日期2009年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月1日
發(fā)明者姚建銓, 徐德剛, 鵬 王, 王與燁, 凱 鐘 申請人:天津大學(xué)