CN105281189A - 基于六边形板条结构的宽温激光器 - Google Patents

Abstract

一种基于六边形板条结构的宽温激光器，包括大功率激光二级管光源、两个正交放置的保罗棱镜、激光增益介质、偏振分束器、0.57波片和1/4波片。所述的激光增益介质是由一个长方形和一个等腰梯形合成的六边形板条结构；所述大功率激光二极管光源是由数个传导冷却的激光二级管阵列组成；所述的正交保罗棱镜、激光增益介质、偏振分束器、0.57波片和1/4波片构成谐振腔，产生激光；所述的0.57波片和1/4波片为输出激光波长对应的零级波片。该发明结构紧凑、性能稳定，可在-30-+70℃的温度范围内无冷却情况下稳定工作。

Description

基于六边形板条结构的宽温激光器

技术领域

本发明涉及激光器，特别是一种基于六边形板条结构的宽温激光器，该激光器可在-30-+70℃温度范围内无水冷的条件下稳定工作。

背景技术

一般情况下，激光器通过水冷装置控温，但是水冷装置体积庞大，功耗高，显然对于一些户外用的激光器尤为不便。我国幅员辽阔，一些特殊用途的激光器要求适应不同的环境变化，这就对激光器的设计提出了新的要求，这些要求包括携带方便、功耗低、转换效率高并且抗温和抗震的能力强。无水冷宽温度工作的激光器对于实际的需求具有重要的意义。

随着半导体激光技术的发展，激光二级管以其独特的优势而广泛被用作固态激光器的泵浦源。激光二级管发射的中心波长会随着工作温度变化而发生漂移，温度漂移的系数一般为0.3nm/℃。因此要在无水冷情况下，激光二级管泵浦的激光器实现宽温度工作较为困难，一般解决方法包括了插入体布拉格光栅对激光二级管的发射波长进行锁定，TEC控温度以及增大泵浦光的吸收路径。插入体布拉格光栅的激光二级管价格昂贵，并且能够锁定波长的温度范围也有限；TEC控温要消耗较大的功率，这显然不是我们所希望的；而增大泵浦光的吸收路径的方法则在一些端泵的激光器中已经有所运用，但是采用端泵的方式决定了激光器的输出功率有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的激光二级管泵浦的全固态激光器的输出功率受温度影响大的缺点，提供一种基于六边形板条结构的宽温激光器，该激光器的结构紧凑、性能稳定，可在-30-+70℃的100℃温度范围内稳定工作。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于六边形板条结构的宽温激光器，其特点在于其构成包括第一保罗棱镜、0.57波片、偏振分束器、1/4波片、激光增益介质、大功率激光二极管光源和第二保罗棱镜；在所述的第一保罗棱镜的光轴上依次是同光轴的0.57波片、偏振分束器、1/4波片；所述的激光增益介质是由一个长方形和一个等腰梯形合成的六边形板条结构，等腰梯形的两腰分别与振荡光束的夹角为布鲁斯特角；所述的第二保罗棱镜与振荡光束的夹角为零度；所述大功率激光二极管光源是由数个传导冷却的激光二级管阵列组成，排布于板条一个侧面和一个端面；所述的0.57波片和1/4波片为输出激光波长对应的零级波片。

所述的大功率激光二极管光源是由传导冷却的激光二级管阵列组成，这种阵列可以由一种或几种不同发射波长的激光二极管间隔排布而成。

所述的激光增益介质为六边形板条结构的Nd:YAG、Nd:YVO₄或Yb:YAG的晶体或陶瓷，激光能够在板条内部多次全反射呈之字形传输。

在所述的0.57波片和偏振分束器之间设有泡克耳斯盒。

本发明与已有技术相比具有如下的优点：

1、激光二极管没有插入体布拉格光栅，并且可以在宽温度范围内高转换效率的工作，并且能够被激光介质充分吸收，可以避免水冷和TEC制冷，结构简单，便于携带。

2、采用正交放置的保罗棱镜偏振耦合输出谐振腔，由于分别在一个方向上能够自对准，通过一个波片/偏振片组合就可以实现耦合输出，使得激光器结构简单，对大的温度变化保持不灵敏。

3、采用几种不同波长的激光二极管作为泵浦源，泵浦光的发射谱较宽，吸收能量对温度不敏感，可以减弱温漂的影响。

4、采用之字形传输的板条结构，具有良好的热处理，激光器的输出具有高峰值功率和高光束质量的优点。

5、采用侧面泵浦和端面泵浦结合的泵浦方式，有足够的空间排布LD，可以保证大的输出功率。

6、采用与输出激光波长对应的零级波片，可以保证激光器耦合输出率对温度的不敏感性。

附图说明

图1是本发明基于六边形板条结构的宽温激光器实施例1-无Q开关运转时的光路示意图；

图2是ABC三种发射波长的激光二级管的在一个阵列中的排布示意图；

图3是本发明中板条结构以及激光在板条内部传播的示意图；

图4是本发明宽基于六边形板条结构的宽温激光器实施例2-Q开关运转时的光路示意图；

图5是不同泵浦吸收长度下，泵浦光的相对吸收效率随温度的变化曲线图。

图1和图4中，1是第一保罗棱镜，2是0.57波片，3是偏振分束器，4是1/4波片，5是激光增益介质，6是大功率激光二极管光源，7是第二保罗棱镜，8是是泡克耳斯盒。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本发明基于六边形板条结构的宽温激光器实施例1，包括第一保罗棱镜1、0.57波片2、偏振分束器3、1/4波片4、激光增益介质5、大功率激光二极管光源6和第二保罗棱镜7。所述的大功率激光二极管光源6是由数个传导冷却的激光二极管构成，排布于激光介质周围用于提供泵浦光；所述的第一保罗棱镜1、0.57波片2、偏振分束器3、1/4波片4、激光增益介质5和第二保罗棱镜7依次排列构成偏振耦合输出谐振腔，通过转动1/4波片可以改变谐振腔的输出率，第一保罗棱镜1和第二保罗棱镜7正交放置；所述的激光增益介质5为六边形板条结构的Nd:YAG介质，光轴与板条的入射面和出射面的夹角都是布鲁斯特角；所述的0.57波片2和1/4波片4为输出激光波长对应的零级波片。

大功率激光二极管光源6泵浦激光增益介质5，在谐振腔内产生光，腔内光通过偏振分束器3形成水平方向(p方向)的线偏振光；经过0.57波片2(此波片用于补偿第一保罗棱镜的退偏)和第一保罗棱镜1后，变成水平方向(p方向)的线偏振光并且再一次通过偏振分束器3；经过1/4波片4后，变成椭圆偏振光；两次经过激光介质5以及第二保罗棱镜7的反射，变成椭圆偏振光；最后经过偏振分束器3，垂直分量(s方向)的偏振光输出，水平分量的偏振光(p方向)则继续在腔里面振荡。

图2是ABC三种发射波长的激光二级管的在一个阵列中的排布示意图。通过改变激光二极管的光谱成分可以增大发射谱的宽度从而减弱了温漂对吸收的影响；这些激光二级管的中心波长随温度的漂移系数小于0.3nm/℃，并且能够在-30-+70℃的温度范围较高光电转换效率地稳定工作。

图3是板条结构以及激光在板条内传输的光路图。板条的非泵浦侧面镀上泵浦光的高反膜，利于双程吸收，采用侧面泵浦和端面泵浦结合的泵浦方式，泵浦光有足够的吸收长度。

本发明是通过增大泵浦光的吸收路径来克服激光二极管因为温漂而造成的影响。图5是在不同泵浦吸收长度下，泵浦光的相对吸收效率随温度的变化，计算中的介质是掺杂浓度为0.1％的Nd:YAG晶体。从图中很明显可以看出当吸收长度只有3mm时，吸收效率随温度波动非常大；当吸收长度达到46mm时，吸收效率随温度变化较小，在非常大的温度范围内泵浦能量都能够充分吸收。

实施例2

如图4所示，由图可见，本发明基于六边形板条结构的宽温激光器实施例2，包括第一保罗棱镜1、0.57波片2、偏振分束器3、1/4波片4、激光增益介质5、大功率激光二极管光源6、第二保罗棱镜7和泡克耳斯盒8。所述的第一保罗棱镜1、0.57波片2、泡克耳斯盒8、偏振分束器3、1/4波片4、激光增益介质5和第二保罗棱镜7依次排列构成偏振耦合输出谐振腔，通过转动1/4波片可以改变谐振腔的输出率，第一保罗棱镜1和第二保罗棱镜7正交放置；所述的激光增益介质5为六边形板条结构的Nd:YAG介质，光轴与板条的入射面和出射面的夹角都是布鲁斯特角；所述的1/4波片4是耦合输出波片，0.57波片2是截止波片，0.57波片2和1/4波片4为输出激光波长对应的零级波片；Q开关运转由泡克耳斯盒8实现，采用加压式调Q。

第一保罗棱镜1、0.57波片2、泡克耳斯盒8以及偏振分束器3构成谐振腔的反射壁；第二保罗棱镜7、激光增益介质5、1/4波片4以及偏振分束器3构成谐振腔的输出壁。从泵浦开始后到激光增益介质5中的粒子反转数密度积累到最大值之前，泡克耳斯盒上不加电压。在泡克耳斯盒上没有加电压时，腔内光通过反射壁后偏振状态发生了翻转，原来经过偏振分束器3的水平偏振光(p方向)变成垂直偏振光(s方向)。所以光经过反射壁之后，由偏振分束器3反射出谐振腔，腔内损耗极大，不能形成振荡，Q开关处于关闭状态。在某时刻t，激光增益介质3中的粒子反转数密度积累到最大值，此时在泡克耳斯盒上加电压。在泡克耳斯盒上加电压时，腔内光通过反射壁后偏振状态没有改变，原来经过偏振分束器3的水平偏振光(p方向)还是水平偏振光并且完全进入输出壁。水平偏振光两次经过输出壁之后变成了椭圆偏振光，椭圆偏振光的垂直偏振部分经过偏振分束器3之后输出，水平偏振部分则继续在腔内振荡，这时候腔内损耗急剧下降，Q开关处于开启状态，激光器开始快速振荡，进而产生调Q巨脉冲激光。谐振腔的输出率可以通过输出壁中的1/4波片4来调节。

实验表明，本发明的结构紧凑、性能稳定，可在-30-+70℃的100℃温度范围内稳定工作。

Claims (4)

1.一种基于六边形板条结构的宽温激光器，特征在于其构成包括第一保罗棱镜(1)、0.57波片(2)、偏振分束器(3)、1/4波片(4)、激光增益介质(5)、大功率激光二极管光源(6)和第二保罗棱镜(7)；在所述的第一保罗棱镜(1)的光轴上依次是同光轴的0.57波片(2)、偏振分束器(3)、1/4波片(4)；所述的激光增益介质(5)是由一个长方形和一个等腰梯形合成的六边形板条结构，等腰梯形的两腰(5-4、5-6)分别与振荡光束的夹角为布鲁斯特角；所述的第二保罗棱镜(7)与振荡光束的夹角为零度；所述大功率激光二极管光源(6)是由数个传导冷却的激光二级管阵列组成，排布于所述的激光增益介质(5)的六边形板条结构的一个侧面(5-3)和一个端面(5-2)；所述的0.57波片(2)和1/4波片(4)为输出激光波长对应的零级波片。

2.根据权利要求1所述的基于六边形板条结构的宽温激光器，其特征在于：所述的大功率激光二极管光源(6)是由传导冷却的激光二级管阵列组成，这种阵列可以由一种或几种不同发射波长的激光二极管间隔排布而成，所述的激光二极管的中心波长随温度的漂移系数小于0.3nm/℃，能够在-30-+70℃的温度范围具有较高光电转换效率地稳定工作。

3.根据权利要求1所述的基于六边形板条结构的宽温激光器，其特征在于：所述的激光增益介质(5)为六边形板条结构的Nd:YAG、Nd:YVO₄或Yb:YAG的晶体或陶瓷，激光能够在板条内部多次全反射呈之字形传输；板条的非泵浦侧面(5-1)镀上泵浦光的高反膜，利于双程吸收，采用侧面泵浦和端面泵浦结合的泵浦方式，泵浦光有足够的吸收长度。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于六边形板条结构的宽温激光器，其特征在于：在所述的0.57波片(2)和偏振分束器(3)之间设有泡克耳斯盒(8)。