專利名稱：基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光機電一體化領(lǐng)域，具體涉及一種基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器。
背景技術(shù)：
端面泵浦激光器因其裝置簡單、基頻激光晶體對泵浦光的吸收十分充分、輸出光束質(zhì)量好，效率高等特點而受歡迎。位于2 5μπι中紅外波段的激光在國防、醫(yī)療、通信方面有 著特殊的重要應(yīng)用。它位于大氣“透明窗口”，處于大多數(shù)軍用探測器的工作波段，可以進行戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈尾焰紅外輻射模擬、人眼安全的激光雷達、激光定向紅外干擾等軍事用途。在民用領(lǐng)域可用于遙感化學(xué)傳感、空氣污染控制，它還可以用于新一代激光手術(shù)，使血液迅速凝結(jié)，手術(shù)創(chuàng)面小、止血性好(水分子在3μπι附近有很強的吸收峰)。此外，采用2 5 μπι替代目前廣泛使用的1.55 μπι作為光纖通信工作波長也是一項極具研究價值的課題，由于材料的Rayleigh散射與光波長的四次方成反比，采用2 5 μπι作為工作波長可以有效降低光纖損耗，增加無中繼通信的距離。因此，研發(fā)中紅外波段的激光器對于國家安全和國民經(jīng)濟建設(shè)具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種充分利用腔內(nèi)強基波光，得到高效率、高光束質(zhì)量的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案
一種基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，包括沿激光傳輸方向依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光泵浦模塊、光學(xué)耦合系統(tǒng)、基頻激光晶體、中紅外激光反射鏡、中紅外非線性晶體，以及將前述基頻激光晶體發(fā)射出的光形成高光束的基頻光束的激光諧振腔、對前述高光束的基頻光束進行調(diào)制的調(diào)制器件；前述光學(xué)耦合系統(tǒng)由透鏡組成；前述基頻激光晶體的“C”軸垂直放置或者水平放置；前述激光諧振腔由腔鏡組成。前述半導(dǎo)體激光泵浦模塊輸出的泵浦光傳輸?shù)焦鈱W(xué)耦合系統(tǒng)中，經(jīng)光學(xué)耦合系統(tǒng)準(zhǔn)直聚焦后耦合于基頻激光晶體端面，基頻激光晶體吸收泵浦光能量后產(chǎn)生受激發(fā)射，發(fā)射出的光在激光諧振腔內(nèi)經(jīng)激光諧振腔鏡的選模作用形成高光束質(zhì)量的基頻光束，在調(diào)制器件的調(diào)制作用下，得到高峰值功率的調(diào)制激光；調(diào)制后的基頻激光射入中紅外非線性晶體內(nèi)進行光參量振蕩放大，得到中紅外激光輸出。前述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，前述半導(dǎo)體激光泵浦模塊的中心波長為808nm或者880nm。前述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，前述基頻激光晶體為 Nd: YV04、Nd: YLF、Nd: YAG、Nd: GI as s、Yb: YAG 或者 Er: YAG。前述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，前述基頻激光晶體的端面鍍有對泵浦光和1064nm激光增透的增透膜。前述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，前述中紅外非線性晶體為磷鍺鋅或者PPLN人工晶體。前述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，前述中紅外非線性晶體的兩端鍍有1064nm、1.4ym^3.8ym三色高透膜。前述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，前述激光諧振腔的結(jié)構(gòu)為Z型腔、V型腔或者其它角度折疊腔結(jié)構(gòu)。前述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，前述激光諧振腔的腔鏡為平面鏡或凹面鏡或二者的組合。
前述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，前述調(diào)制器件為聲光調(diào)制器件、電光調(diào)制器件或者吸收型被動調(diào)Q開關(guān)。前述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，前述激光諧振腔內(nèi)激光輸出端設(shè)置有腔內(nèi)透鏡或者透鏡組。本發(fā)明的有益之處在于結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性好；把中紅外激光器從1064nm激光轉(zhuǎn)變成3. 8 μ m激光的過程由腔外完成變成了在腔內(nèi)完成，利用1064nm腔內(nèi)的高功率密度，大大提高了波長轉(zhuǎn)換效率，從而得到高轉(zhuǎn)換功率的中紅外激光輸出；在不改變激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，在基頻激光晶體破壞值范圍內(nèi)，可以通過提高半導(dǎo)體激光泵浦模塊的泵浦功率，進一步增加腔內(nèi)基頻激光的功率密度，從而得到更高功率的中紅外激光輸出。


圖I是本發(fā)明的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器的一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意 圖2是圖I中的激光器輸出光譜測試結(jié)果 圖3是圖I中的激光器功率穩(wěn)定性測試結(jié)果 圖4是圖I中的激光器電流與輸出功率關(guān)系 圖中附圖標(biāo)記的含義I-半導(dǎo)體激光泵浦模塊，2-透鏡，3-透鏡，4-腔鏡，5-基頻激光晶體，6-腔鏡，7-腔鏡，8-調(diào)制器件，9-腔鏡，10-腔鏡，11-腔鏡，12-腔鏡，13-腔內(nèi)透鏡，14-中紅外激光反射鏡，15-中紅外非線性晶體，16-腔鏡。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作具體的介紹。參照圖1，本發(fā)明的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器包括沿激光傳輸方向依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光泵浦模塊I、光學(xué)耦合系統(tǒng)、基頻激光晶體5、中紅外激光反射鏡14、中紅外非線性晶體15，以及將基頻激光晶體5發(fā)射出的光形成高光束的基頻光束的激光諧振腔、對上述高光束的基頻光束進行調(diào)制的調(diào)制器件8。其中，光學(xué)耦合系統(tǒng)由透鏡組成，具體包括透鏡2和透鏡3 ;基頻激光晶體5的“C”軸垂直放置，可以保證其產(chǎn)生的基頻激光的偏振方向為垂直方向，“C”軸也可以旋轉(zhuǎn)90度即水平放置，相應(yīng)的，中紅外非線性晶體15的方向也旋轉(zhuǎn)90度放置；激光諧振腔由腔鏡組成，具體包括腔鏡4、6、7、9、10、11、12、16，其中腔鏡4、6、7、10、11、12與水平方向呈45度角或者135度角放置，腔鏡9、16豎直放置。本發(fā)明的激光器還包括把半導(dǎo)體激光泵浦模塊I輸出的泵浦光傳輸?shù)焦鈱W(xué)耦合系統(tǒng)中的光纖(未圖示)，也可以將半導(dǎo)體激光泵浦模塊I輸出的泵浦光不經(jīng)過光纖而直接傳輸?shù)焦鈱W(xué)耦合系統(tǒng)。參照圖1，本發(fā)明的激光器的工作原理為半導(dǎo)體激光泵浦模塊I輸出的泵浦光傳輸?shù)焦鈱W(xué)耦合系統(tǒng)中，經(jīng)光學(xué)耦合系統(tǒng)準(zhǔn)直聚焦后耦合于基頻激光晶體5的端面，基頻激光晶體5吸收泵浦光能量后產(chǎn)生受激發(fā)射，發(fā)射出的光在激光諧振腔內(nèi)經(jīng)激光諧振腔鏡的選模作用形成高光束質(zhì)量的基頻光束，在調(diào)制器件8的調(diào)制作用下，得到高峰值功率的調(diào)制激光；調(diào)制后的基頻激光射入中紅外非線性晶體15內(nèi)進行光參量振蕩放大，得到中紅外激光輸出。作為一種優(yōu)選的方案，激光諧振腔內(nèi)激光輸出端設(shè)置有一個腔內(nèi)透鏡13或者由若干腔內(nèi)透鏡13組成的透鏡組。腔內(nèi)透鏡13為凸透鏡，其上鍍有對1064nm激光高透膜， 由于其具有會聚作用，基頻激光經(jīng)會聚后，在中紅外非線性晶體15內(nèi)部可獲得較小的光斑及較大的功率密度。在本發(fā)明中，半導(dǎo)體激光泵浦模塊I為半導(dǎo)體激光二極管，其中心波長為808nm，最高輸出功率為30W。還可以根據(jù)所選用的基頻激光晶體5不同而選用其他中心波長的半導(dǎo)體激光二極管，例如選用中心波長為880nm的半導(dǎo)體激光二極管。在本發(fā)明中，基頻激光晶體5為Nd: YV04,其也可以是Nd: YLF、Nd: YAG、Nd: Glass、Yb:YAG或者Er:YAG。作為一種優(yōu)選的方案，基頻激光晶體5的端面鍍有對泵浦光和1064nm激光增透的增透膜，用以增加其對泵浦光的吸收。在本發(fā)明中，中紅外激光反射鏡14為平面鏡，其上鍍有對1064nm激光高透膜、1.411111及3.811111激光高反膜。在本發(fā)明中，中紅外非線性晶體15為磷鍺鋅，其還可以是PPLN人工晶體。作為一種優(yōu)選的方案，中紅外非線性晶體15的兩端鍍有1064nm、1.4μπι及3. 8μπι
三色高透膜。作為一種優(yōu)選的方案，基頻激光晶體5和中紅外非線性晶體15均用銦箔包裹后放入散熱晶體座中。下面介紹激光諧振腔。激光諧振腔用于將基頻激光晶體5發(fā)出的光形成高光束的基頻光束，其由腔鏡組成，具體包括腔鏡4、6、7、9、10、11、12、16。其中，腔鏡4設(shè)置在基頻激光晶體5的前端，與水平方向呈45度角，其端面鍍有對泵浦光高透膜、對1064nm激光高反膜；腔鏡6、7設(shè)置在基頻激光晶體5與調(diào)制器件8之間，分別與水平方向呈45度角和135度角，其端面鍍有對1064nm激光高反膜；腔鏡10、11、12設(shè)置于基頻激光晶體5與腔內(nèi)透鏡13之間，分別與水平方向呈135度角、45度角、45度角，端面鍍有對1064nm激光高反膜；腔鏡9設(shè)置于調(diào)制器件8的另一端，呈豎直放置，端面鍍有對1064nm激光高反膜；腔鏡16豎直放置，設(shè)置于中紅外非線性晶體15的尾端，其端面鍍有對1064nm及I. 4 μ m激光高反膜、對3. 8 μ m激光高透膜。腔鏡4、6、7、9、10、11、12、16可以皆為平面鏡，也可以皆為凹面鏡，還可以是平面
鏡與凹面鏡的組合。
作為一種優(yōu)選的方案，腔鏡4、6、7、9、10、11、12、16皆為平面鏡。作為一種優(yōu)選的方案，本發(fā)明激光器的激光諧振腔的結(jié)構(gòu)為Z型腔、V型腔或者其它角度折疊腔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的激光器其典型輸出波長包括I. 3-5 μ m中紅外波段,不僅限于3. 8 μπι,輸出波長具體由中紅外非線性晶體15的相位匹配條件決定。采用本發(fā)明的激光器，在不改變激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，在基頻激光晶體破壞閥值范圍內(nèi)，還可以提高激光二極管的泵浦功率，進一步增加腔內(nèi)基頻激光的功率密度，從而得到更高功率的中紅外激光輸出。參照圖2至圖4，對根據(jù)上述技術(shù)方案所建立的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器進行試驗，試驗結(jié)果如下實測激光波長為3. 843 μ m ;當(dāng)激光脈沖功率為40khz時，在30W、808nm光泵浦功率下，3. 8 μ m最大輸出功率達到2. 3W ;在連續(xù)一小時的測試過 程中，激光器最小功率為2. 12W，最大功率為2. 22W，平均功率為2. 18W，長期穩(wěn)定性為4. 6%。由此可見，本發(fā)明的激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。需要說明的是，上述實施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，包括沿激光傳輸方向依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光泵浦模塊、光學(xué)耦合系統(tǒng)、基頻激光晶體、中紅外激光反射鏡、中紅外非線性晶體，以及將上述基頻激光晶體發(fā)射出的光形成高光束的基頻光束的激光諧振腔、對上述高光束的基頻光束進行調(diào)制的調(diào)制器件；上述光學(xué)耦合系統(tǒng)由透鏡組成；上述基頻激光晶體的“C”軸垂直放置或者水平放置；上述激光諧振腔由腔鏡組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，上述半導(dǎo)體激光泵浦模塊的中心波長為808nm或者880nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，上述基頻激光晶體為 Nd:YV04、Nd YLF, Nd: YAG, Nd:Glass, Yb: YAG 或者 Er:YAG。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，上述基頻激光晶體的端面鍍有對泵浦光和1064nm激光增透的增透膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，上述中紅外非線性晶體為磷鍺鋅或者PPLN人工晶體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，上述中紅外非線性晶體的兩端鍍有1064nm、1.4μπι及3.8μπι三色高透膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，上述激光諧振腔的結(jié)構(gòu)為Z型腔、V型腔或者其它角度折疊腔結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，上述激光諧振腔的腔鏡為平面鏡或凹面鏡或二者的組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，上述調(diào)制器件為聲光調(diào)制器件、電光調(diào)制器件或者吸收型被動調(diào)Q開關(guān)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9任意一項所述的基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，上述激光諧振腔內(nèi)激光輸出端設(shè)置有腔內(nèi)透鏡或者透鏡組。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于腔內(nèi)頻率變換的大功率中紅外激光器，其特征在于，包括沿激光傳輸方向依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光泵浦模塊、光學(xué)耦合系統(tǒng)、基頻激光晶體、中紅外激光反射鏡、中紅外非線性晶體，以及將前述基頻激光晶體發(fā)射出的光形成高光束的基頻光束的激光諧振腔、對前述高光束的基頻光束進行調(diào)制的調(diào)制器件。本發(fā)明的有益之處在于結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性好；把中紅外激光器從1064nm激光轉(zhuǎn)變成3.8μm激光的過程由腔外完成變成了在腔內(nèi)完成，利用1064nm腔內(nèi)的高功率密度，大大提高了波長轉(zhuǎn)換效率，從而得到高轉(zhuǎn)換功率的中紅外激光輸出。
文檔編號H01S3/081GK102969648SQ201210530989
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者孔劍 申請人:蘇州鐳創(chuàng)光電技術(shù)有限公司