CN104810719A - Ig模式可控掺钕钒酸钇复合掺铬钇铝石榴石微片激光器 - Google Patents

Abstract

IG模式可控掺钕钒酸钇复合掺铬钇铝石榴石微片激光器，涉及可产生因斯-高斯模式微片激光器。设有泵浦源、第一柱状透镜、第二柱状透镜、激光工作介质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体、输出耦合镜。所述泵浦源、第一柱状透镜、第二柱状透镜、激光工作介质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体及输出耦合镜从前至后依次排列并位于同一光轴上；激光工作介质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体的后表面镀有高反膜和增透膜作为激光腔的后腔镜，输出耦合镜的后表面镀反射膜作为激光腔的前腔镜。是一种可直接产生高阶IG模式可控的掺钕钒酸钇复合掺铬钇铝石榴石微片激光器。

Description

IG模式可控掺钕钒酸钇复合掺铬钇铝石榴石微片激光器

技术领域

本发明涉及可产生因斯-高斯(IG)模式微片激光器，尤其是涉及一种IG模式可控掺钕钒酸钇复合掺铬钇铝石榴石微片激光器，激光工作物质是由增益介质Nd:YVO₄与可饱和吸收体Cr⁴⁺:YAG所构成的复合晶体。

背景技术

半导体激光二极管端面泵浦的全固态激光器，因其能够输出高质量的激光光束而成为近年来研究的热点。被动调Q激光器的高光束质量、高峰值功率、高重复频率等特性使其在激光雷达、激光测距、遥感遥控、微机械加工等领域具有非常广阔的应用前景。Nd:YVO₄晶体是适于激光二极管端面泵浦小型化固体激光器的晶体之一，它的吸收截面比较大，吸收带宽比较宽。可饱和吸收体用作被动调Q开关的原理是基于非线性可饱和吸收效应，即在低的能量密度下，可饱和吸收体具有很大的吸收，抑制了激光的振荡，可以看成是激光腔的一个损耗；在高的能量密度下，可饱和吸收体被“漂白”，对光不吸收，“完全”透光。目前用作被动调Q开关的主要有Cr⁴⁺离子掺杂的晶体和陶瓷如Cr⁴⁺:YAG、半导体可饱和吸收镜(SESAM)、有机染料、色心晶体等。掺Cr⁴⁺离子晶体可饱和吸收体由于具有损伤阈值高、吸收截面大、饱和光强小、成本低和结构简单等优点而在被动调Q固体激光器中得到了广泛的应用。Cr⁴⁺:YAG晶体是1988年出现的一种新型的近红外宽带可调谐固体激光材料，具有良好的导热性能、稳定的物理化学性质、高的抗损伤阈值，它在远距离传感、光通信、医疗、激光技术等领域有着广泛的应用前景，成为近年来研究的热点。

2000年，余锦([1]余锦.量子阱二极管泵浦的Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG高重复率被动调Q激光器.光学精密工程，2000，8(1)：23-25.)在量子阱二极管端面泵浦的Nd:YVO₄激光器中，使用Cr⁴⁺:YAG作为可饱和吸收体，采用端面泵浦在简单的线性平-凹腔结构中获得了1.06μm的高重复率被动调Q脉冲激光输出。在吸收泵浦功率为528.3mW时,输出脉冲能量为0.19μJ,脉冲宽度是32ns,脉冲重复率达158.7kHz。在插入Cr⁴⁺:YAG可饱和吸收体之前,获得了1.06μm连续激光输出；在将Cr⁴⁺:YAG晶片插入谐振腔后,实现了量子阱激光二极管端面连续泵浦的Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG高重复率被动调Q脉冲激光输出。2004年，李健等人([2]JianLi，Cuiling Wang，Yanzi Wang，etc.High peak power laser-diode-pumped passivelyQ-switched Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG laser.Chinese Optics Letters，2004，2(10)：590-591.)研究了LD泵浦的被动调Q Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG激光器在不同泵浦功率下平均输出功率、脉冲重复频率、脉冲宽度以及峰值功率的变化情况。当泵浦功率为21.2W时，可获得4.23W的平均输出功率以及18kW的脉冲峰值功率。2009年，陈泽民等人([3]陈泽民，李立卫，闵大勇等.大功率LD抽运的Cr⁴⁺:YAG被动调Q Nd:YVO₄激光器.光学与光电技术，2009，7(2)：82-85.)研究了泵浦功率、腔长、输出镜透过率对输出功率的影响，以及不同泵浦功率下脉冲重复频率和脉冲宽度的变化。当腔长为8cm，泵浦功率为27W时，得到重复频率为37.8kHz、平均输出功率为3.5W的调Q脉冲序列，单个脉冲能量为93μJ、脉宽为24nm、峰值功率为3.9kW。

而通过半导体激光二极管泵浦的全固态激光器产生的高阶IG横模在混沌研究、激光冷却、光学捕获以及流体物理等方面的应用也受到越来越多的重视。2004年，Schwarz等人([4]Ulrich T.Schwarz，Miguel A.Bandres and Julio C.Gutiérrez-Vega.Observationof Ince-Gaussian modes in stable resonators.Optics Letters，2004，29(16)：1870-1872.)开展了利用激光二极管泵浦的Nd:YVO₄激光器产生高质量的高阶IG模式的研究。实验采用808nm泵浦的半导体激光二极管为泵浦源，使用Nd:YVO₄为激光工作物质，采用平-凹腔的结构，通过将输出耦合镜斜向移动一个微小的距离来破坏激光谐振腔的对称性，从而获得IG模式的输出。至于获得IG模式的原理，目前来看，除了普遍熟知的破坏谐振腔的对称性这一机理，最近采用Cr,Nd:YAG自调Q激光晶体作为工作物质，通过倾斜泵浦光束入射的角度在Cr,Nd:YAG微片激光器中直接产生了高阶IG模式激光输出([5]Dong J.,Ma J.,Ren Y.,XuG.,Kaminskii A.A.Generation of Ince-Gaussian beams in highly efficient,nanosecondCr,Nd:YAG microchip lasers.Laser Physics Letters,2013,10(8):085803)。研究结果表明，激光晶体中掺杂离子密度的不均匀分布导致激发态离子的不同分布是直接产生IG模式的一种可能原因。

发明内容

本发明的目的在于提供一种IG模式可控掺钕钒酸钇复合掺铬钇铝石榴石微片激光器。

本发明设有泵浦源、第一柱状透镜、第二柱状透镜、激光工作介质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体、输出耦合镜。

所述泵浦源、第一柱状透镜、第二柱状透镜、激光工作介质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体及输出耦合镜从前至后依次排列并位于同一光轴上；激光工作介质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体的后表面镀有高反膜和增透膜作为激光腔的后腔镜，输出耦合镜的后表面镀反射膜作为激光腔的前腔镜。

若记第一柱状透镜、第二柱状透镜的焦距分别为f₁、f₂，记激光增益介质Nd:YVO₄部分的厚度为d，则泵浦源至第一柱状透镜的距离为f₁，第一柱状透镜至第二柱状透镜距离为0～f₁+f₂之间可调，第二柱状透镜至激光工作介质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体的后表面距离为f₂-d～f₂+d之间可调。激光工作介质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体与输出耦合镜紧压在一起形成微片结构。

所述泵浦源可采用高亮度的808nm单管高亮度半导体激光器，所述Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体的后表面(即面向泵浦源的Nd:YVO₄端面)镀808nm的增透膜、1064nm高反膜，所述输出耦合镜的后表面镀1064nm反射膜，镀膜反射率R_oc范围为40％～98％。

本发明是一种可直接产生高阶IG模式可控的掺钕钒酸钇复合掺铬钇铝石榴石微片激光器。

本发明的特点在于：

(1)由激光工作介质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体组成的微片激光器，复合晶体的两个表面是平行平面，组成的激光谐振腔是法布里-珀罗谐振腔(F-P腔)，其优点是光束方向性极好，发散角小，模体积较大，比较容易获得单纵模振荡，微片化的激光器结构能够输出高亮度，高峰值功率，高光束质量的脉冲激光。

(2)使用808nm单管高亮度半导体激光器作为泵浦源，其亮度高，体积小。其间接泵浦的方式为在激发产生激光的过程中，基态粒子先由泵浦系统激发到某一中间态能级，然后再转移到激光上能级。

(3)通过热键合技术把激光增益介质Nd:YVO₄与可饱和吸收体Cr⁴⁺:YAG直接键合形成复合晶体，消除了Nd:YVO₄晶体与Cr⁴⁺:YAG晶体之间的界面形成的光学损耗，可改善激光热性能和光束质量，也便于直接形成平行平面腔，以获得高效的激光输出。

(4)利用基于相机的光束质量分析仪提供光束功率密度分布的更多细节和真实2D分析。这样可在优化激光器系统时识别复杂的模式图案。实验中由微片激光器产生的IG高阶横模由光束质量分析仪接收，通过与电脑的连接并使用Thorlabs Beam软件来观测2D/3D高阶横模花样。

本发明的优点在于：

(1)本发明所述微片激光器在较大的泵浦功率范围内，可获得不同重复频率的光脉冲激光输出，而且激光脉冲的峰值功率高，单脉冲宽度窄。

(2)使用高亮度的单管半导体激光器作为泵浦源，可以使整套激光器件更加小型化，集成化和实用化。间接泵浦的方式相对于直接泵浦方式具有以下优点：首先，中间能级具有远大于激光上能级的寿命，且可以是很多能级形成的能带，因而中间能级上很容易积累大量的粒子；其次，有些情况下将粒子从基态激发到中间能级的几率要比直接激发到上能级的几率大得多，这就降低了对泵浦的要求。因此间接泵浦的方式能获得效率更高的激光输出。

(3)采用了热键合技术使Nd:YVO₄与可饱和吸收体Cr⁴⁺:YAG键合为复合晶体，可以有效地缩短腔长，压缩脉冲宽度，提高脉冲峰值功率，从而获得高峰值功率，小型化、集成化固体激光光源。

(4)采用可饱和吸收体Cr⁴⁺:YAG作为调Q元件直接产生IG模式，便于激光器的优化设计，减小了激光器研制和维护的难度，便于操作研究。

(5)作品中利用平行平面的法布里珀罗腔，端面泵浦的单管二极管→复合晶体在同一条直线上，极大地缩短了腔长，简化了结构，使得设计为便携的小型化产品成为可能。

(6)激光器使用的光学元件少，生产成本低，结构简单紧凑，便于生产安装和非专业人员的操作使用。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成图。

图2为Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG被动调Q微片激光器直接产生IG_0,0模式激光光束输出的实验结果。

图3为Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG被动调Q微片激光器直接产生IG⁰ _3,1模式激光光束输出的实验结果。

图4为Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG被动调Q微片激光器直接产生IG⁰ _5,1模式激光光束输出的实验结果。

图5为Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG被动调Q微片激光器直接产生IG^e _5,1模式激光光束输出的实验结果。

图6为Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG被动调Q微片激光器直接产生IG^e _6,2模式激光光束输出的实验结果。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明实施例设有泵浦源1、第一柱状透镜2、第二柱状透镜3、激光工作物质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体4、第1镀膜5、第2镀膜6、输出耦合镜7以及光束质量分析仪8；所选泵浦源1、第一柱状透镜2、第二柱状透镜3、激光工作介质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体4、输出耦合镜7及光束质量分析仪8从前至后依次排列并位于同一个光轴上；激光工作介质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体4的后表面设有第1镀膜5，输出耦合镜7的后表面设有第2镀膜6，形成激光腔的前后腔镜。

所述泵浦源1为808nm单管高亮度半导体激光器，激光功率10W；其发射截面积是1μm×50μm。然后经过两个焦距均为8mm的第一柱状透镜2和第二个柱状透镜3的光学耦合和聚焦后，在激光工作物质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体的入射面上行成一个面积为(80μm×80μm)的入射光斑；本发明所用的激光增益介质是一块沿<111>方向切割的Nd:YVO₄激光晶体。Nd³⁺离子掺杂浓度为1at.％，Cr⁴⁺离子的掺杂浓度为0.01at.％。Nd:YVO₄晶体和Cr⁴⁺:YAG晶体和尺寸皆为横截面为10mm×10mm，厚度为1mm。面向泵浦源的Nd:YVO₄晶体的端面镀808nm的增透膜、1064nm高反膜，输出耦合镜的端面镀1064nm反射膜，反射率R_oc的范围为40％-98％。Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体使用光学夹具安放在实验平台上，在室温下工作。

测量输出的1064nm的激光性能，可使用激光功率计来测量激光的平均输出功率。对于输出激光脉冲特性的测试(包括输出激光脉冲的波形、重复频率特性和脉冲宽度特性)，可通过高灵敏度、高带宽的数字示波器来测试。对于输出激光的模式和光束质量特性，由光束质量分析仪来监测和记录。而光谱分析仪则实时监测激光腔内振荡纵模数及其相互竞争情况。

本发明中激光器产生IG模式的主要机制为：大泵浦光斑的泵浦光入射到与垂直于水平轴线倾斜了一个微小角度(5°左右)的激光晶体后，使得激光晶体内部所产生的粒子反转数的分布不均与而实现不同IG模式的激光输出。实验中采用的808nm的单管二极管作为泵浦源，入射到Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体上产生1064nm的近红外IG模式激光输出。

本发明核心关键技术是使用了Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体。其制备过程是通过热键合技术(Thermal bonding)，先将两块经过精密加工的Nd:YVO₄晶体和Cr⁴⁺:YAG晶体在室温的条件下紧贴在一起，靠两个表面间的作用力使两者结合在一起。晶体表面经过处理后，可以获得亲水性表面，两个加工精度高和粗糙度细的亲水性表面可以依靠氢键的作用在室温下相互吸引，形成光胶。随着温度的升高，离子和空穴在交界面上的扩散逐渐加剧，而且由于表面有很多悬空键，可以经过一定时间的晶格调整和重构，最后形成一个稳定的结构。([6]吕静姝，闫平，巩马理等.热键合技术及其在激光方面的应用.光学技术.2002，28：355-359.)。

由于激光器在工作时，泵浦光的能量只有一部分转化为激光，剩余的能量都被其它的竞争机制所消耗，如无辐射跃迁、自发辐射、基质吸收等，这些过程都会在激光介质中产生热量。一般高功率系统都必须加冷却系统，但冷却系统会带来激光介质内部温度分布的不均匀，使内部温度比边缘高。由于晶体的折射率会随着温度变化而变化，这样就会产生热透镜效应，晶体受热后还会产生应力双折射，这些都会使光束质量受到严重影响。本发明采用的微片激光技术使得泵浦光在晶体产生的热可以通过激光晶体与热传导性能极佳的铝衬底的大面积接触而有效散热，从而使得激光器在常温工作下冷却效率高。端面泵浦使得晶体的热传导方向和温度梯度主要沿着轴向，从而使晶体的温度分布非常均匀，波前形变非常小。同时采用端面泵浦方式使得热传导方向与激光光束传播的方向平行(即轴向)，径向温度梯度非常小，从而避免了传统棒状晶体激光器的固有限制，如高功率下的热透镜效应、激光晶体的变形、双折射效应等。因此，微片固体激光器可以很容易获得非常高的输出功率而不影响它卓越的光学性能，一般都可以获得接近衍射极限的高光束质量激光输出(M²<1.1)。

本发明中将Nd:YVO₄晶体与Cr⁴⁺:YAG晶体键合形成一个集成的激光系统，实现了系统的小型化和集成化。分立晶体的粘合面紧密接触，形成一个整体，可减小调节难度，也有利于装夹结构的设计。

808nm单管激光二极管直接端面泵浦的Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG分立晶体微片激光器，主要涉及Nd:YVO₄晶体作为激光增益介质和Cr⁴⁺:YAG晶体作为被动调Q开关，通过控制不同初始透过率的Cr⁴⁺:YAG晶体、不同掺杂浓度和厚度的Nd:YVO₄晶体来实现高峰值功率、短脉冲的高阶IG模式激光输出的小型化微片激光器。

图2～6为Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG被动调Q微片激光器直接产生IG模式(IG_0,0IG⁰ _3,1IG⁰ _5,1IG^e _5,1IG^e _6,2)激光光束输出的实验结果。

Claims (4)

1.IG模式可控掺钕钒酸钇复合掺铬钇铝石榴石微片激光器，其特征在于设有泵浦源、第一柱状透镜、第二柱状透镜、激光工作介质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体、输出耦合镜；

所述泵浦源、第一柱状透镜、第二柱状透镜、激光工作介质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体及输出耦合镜从前至后依次排列并位于同一光轴上；激光工作介质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体的后表面镀有高反膜和增透膜作为激光腔的后腔镜，输出耦合镜的后表面镀反射膜作为激光腔的前腔镜。

2.如权利要求1所述IG模式可控掺钕钒酸钇复合掺铬钇铝石榴石微片激光器，其特征在于若第一柱状透镜的焦距记为f₁，第二柱状透镜的焦距记为f₂，激光增益介质Nd:YVO₄部分的厚度记为d，则泵浦源至第一柱状透镜的距离为f₁，第一柱状透镜至第二柱状透镜距离为0～(f₁+f₂)之间可调，第二柱状透镜至激光工作介质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体的后表面距离为(f₂-d)～(f₂+d)之间可调；激光工作介质Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体与输出耦合镜紧压在一起形成微片结构。

3.如权利要求1所述IG模式可控掺钕钒酸钇复合掺铬钇铝石榴石微片激光器，其特征在于所述泵浦源采用高亮度的808nm单管高亮度半导体激光器。

4.如权利要求1所述IG模式可控掺钕钒酸钇复合掺铬钇铝石榴石微片激光器，其特征在于所述Nd:YVO₄/Cr⁴⁺:YAG复合晶体的后表面，即面向泵浦源的Nd:YVO₄端面镀808nm的增透膜、1064nm高反膜，所述输出耦合镜的后表面镀1064nm反射膜，镀膜反射率R_oc范围为40％～98％。