基于腔内频率变换的大功率中红外激光器

摘要

本发明公开了一种基于腔内频率变换的大功率中红外激光器，其特征在于，包括：沿激光传输方向依次设置的半导体激光泵浦模块、光学耦合系统、基频激光晶体、中红外激光反射镜、中红外非线性晶体，以及将前述基频激光晶体发射出的光形成高光束的基频光束的激光谐振腔、对前述高光束的基频光束进行调制的调制器件。本发明的有益之处在于：结构紧凑，稳定性好；把中红外激光器从1064nm激光转变成3.8μm激光的过程由腔外完成变成了在腔内完成，利用1064nm腔内的高功率密度，大大提高了波长转换效率，从而得到高转换功率的中红外激光输出。

说明书

技术领域

本发明属于光机电一体化领域，具体涉及一种基于腔内频率变换的大功率中红外激光器。

背景技术

端面泵浦激光器因其装置简单、基频激光晶体对泵浦光的吸收十分充分、输出光束质量好，效率高等特点而受欢迎。

位于2～5μm中红外波段的激光在国防、医疗、通信方面有着特殊的重要应用。 它位于大气“透明窗口”，处于大多数军用探测器的工作波段， 可以进行战术导弹尾焰红外辐射模拟、人眼安全的激光雷达、激光定向红外干扰等军事用途。在民用领域可用于遥感化学传感、空气污染控制，它还可以用于新一代激光手术，使血液迅速凝结，手术创面小、止血性好（水分子在3μm附近有很强的吸收峰）。此外，采用2～5 μm 替代目前广泛使用的1.55 μm 作为光纤通信工作波长也是一项极具研究价值的课题，由于材料的Rayleigh 散射与光波长的四次方成反比，采用2～5 μm 作为工作波长可以有效降低光纤损耗，增加无中继通信的距离。因此，研发中红外波段的激光器对于国家安全和国民经济建设具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种充分利用腔内强基波光，得到高效率、高光束质量的基于腔内频率变换的大功率中红外激光器。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于腔内频率变换的大功率中红外激光器，其特征在于，包括：沿激光传输方向依次设置的半导体激光泵浦模块、光学耦合系统、基频激光晶体、中红外激光反射镜、中红外非线性晶体，以及将前述基频激光晶体发射出的光形成高光束的基频光束的激光谐振腔、对前述高光束的基频光束进行调制的调制器件；前述光学耦合系统由透镜组成；前述基频激光晶体的“C”轴垂直放置或者水平放置；前述激光谐振腔由腔镜组成。

前述半导体激光泵浦模块输出的泵浦光传输到光学耦合系统中，经光学耦合系统准直聚焦后耦合于基频激光晶体端面，基频激光晶体吸收泵浦光能量后产生受激发射，发射出的光在激光谐振腔内经激光谐振腔镜的选模作用形成高光束质量的基频光束，在调制器件的调制作用下，得到高峰值功率的调制激光；调制后的基频激光射入中红外非线性晶体内进行光参量振荡放大，得到中红外激光输出。

前述的基于腔内频率变换的大功率中红外激光器，其特征在于，前述半导体激光泵浦模块的中心波长为808nm或者880nm。

前述的基于腔内频率变换的大功率中红外激光器，其特征在于，前述基频激光晶体为Nd:YVO4、Nd:YLF、Nd:YAG、Nd:Glass、Yb:YAG或者Er:YAG。

前述的基于腔内频率变换的大功率中红外激光器，其特征在于，前述基频激光晶体的端面镀有对泵浦光和1064nm激光增透的增透膜。

前述的基于腔内频率变换的大功率中红外激光器，其特征在于，前述中红外非线性晶体为磷锗锌或者PPLN人工晶体。

前述的基于腔内频率变换的大功率中红外激光器，其特征在于，前述中红外非线性晶体的两端镀有1064nm、1.4μm及3.8μm三色高透膜。

前述的基于腔内频率变换的大功率中红外激光器，其特征在于，前述激光谐振腔的结构为Z型腔、V型腔或者其它角度折叠腔结构。

前述的基于腔内频率变换的大功率中红外激光器，其特征在于，前述激光谐振腔的腔镜为平面镜或凹面镜或二者的组合。

前述的基于腔内频率变换的大功率中红外激光器，其特征在于，前述调制器件为声光调制器件、电光调制器件或者吸收型被动调Q开关。

前述的基于腔内频率变换的大功率中红外激光器，其特征在于，前述激光谐振腔内激光输出端设置有腔内透镜或者透镜组。

本发明的有益之处在于：结构紧凑，稳定性好；把中红外激光器从1064nm激光转变成3.8μm激光的过程由腔外完成变成了在腔内完成，利用1064nm腔内的高功率密度，大大提高了波长转换效率，从而得到高转换功率的中红外激光输出；在不改变激光器内部结构的情况下，在基频激光晶体破坏值范围内，可以通过提高半导体激光泵浦模块的泵浦功率，进一步增加腔内基频激光的功率密度，从而得到更高功率的中红外激光输出。

附图说明

图1是本发明的基于腔内频率变换的大功率中红外激光器的一个具体实施例的结构示意图；

图2是图1中的激光器输出光谱测试结果图；

图3是图1中的激光器功率稳定性测试结果图；

图4是图1中的激光器电流与输出功率关系图；

图中附图标记的含义：1-半导体激光泵浦模块，2-透镜，3-透镜，4-腔镜，5-基频激光晶体，6-腔镜，7-腔镜，8-调制器件，9-腔镜，10-腔镜，11-腔镜，12-腔镜，13-腔内透镜，14-中红外激光反射镜，15-中红外非线性晶体，16-腔镜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参照图1，本发明的基于腔内频率变换的大功率中红外激光器包括：沿激光传输方向依次设置的半导体激光泵浦模块1、光学耦合系统、基频激光晶体5、中红外激光反射镜14、中红外非线性晶体15，以及将基频激光晶体5发射出的光形成高光束的基频光束的激光谐振腔、对上述高光束的基频光束进行调制的调制器件8。其中，光学耦合系统由透镜组成，具体包括透镜2和透镜3；基频激光晶体5的“C”轴垂直放置，可以保证其产生的基频激光的偏振方向为垂直方向，“C”轴也可以旋转90度即水平放置，相应的，中红外非线性晶体15的方向也旋转90度放置；激光谐振腔由腔镜组成，具体包括腔镜4、6、7、9、10、11、12、16，其中腔镜4、6、7、10、11、12与水平方向呈45度角或者135度角放置，腔镜9、16竖直放置。

本发明的激光器还包括把半导体激光泵浦模块1输出的泵浦光传输到光学耦合系统中的光纤（未图示），也可以将半导体激光泵浦模块1输出的泵浦光不经过光纤而直接传输到光学耦合系统。

参照图1，本发明的激光器的工作原理为：半导体激光泵浦模块1输出的泵浦光传输到光学耦合系统中，经光学耦合系统准直聚焦后耦合于基频激光晶体5的端面，基频激光晶体5吸收泵浦光能量后产生受激发射，发射出的光在激光谐振腔内经激光谐振腔镜的选模作用形成高光束质量的基频光束，在调制器件8的调制作用下，得到高峰值功率的调制激光；调制后的基频激光射入中红外非线性晶体15内进行光参量振荡放大，得到中红外激光输出。

作为一种优选的方案，激光谐振腔内激光输出端设置有一个腔内透镜13或者由若干腔内透镜13组成的透镜组。腔内透镜13为凸透镜，其上镀有对1064nm激光高透膜，由于其具有会聚作用，基频激光经会聚后，在中红外非线性晶体15内部可获得较小的光斑及较大的功率密度。

在本发明中，半导体激光泵浦模块1为半导体激光二极管，其中心波长为808nm，最高输出功率为30W。还可以根据所选用的基频激光晶体5不同而选用其他中心波长的半导体激光二极管，例如选用中心波长为880nm的半导体激光二极管。

在本发明中，基频激光晶体5为Nd:YVO4，其也可以是Nd:YLF、Nd:YAG、Nd:Glass、Yb:YAG或者Er:YAG。作为一种优选的方案，基频激光晶体5的端面镀有对泵浦光和1064nm激光增透的增透膜，用以增加其对泵浦光的吸收。

在本发明中，中红外激光反射镜14为平面镜，其上镀有对1064nm激光高透膜、1.4μm及3.8μm激光高反膜。

在本发明中，中红外非线性晶体15为磷锗锌，其还可以是PPLN人工晶体。

作为一种优选的方案，中红外非线性晶体15的两端镀有1064nm、1.4μm及3.8μm三色高透膜。

作为一种优选的方案，基频激光晶体5和中红外非线性晶体15均用铟箔包裹后放入散热晶体座中。

下面介绍激光谐振腔。

激光谐振腔用于将基频激光晶体5发出的光形成高光束的基频光束，其由腔镜组成，具体包括腔镜4、6、7、9、10、11、12、16。其中，腔镜4设置在基频激光晶体5的前端，与水平方向呈45度角，其端面镀有对泵浦光高透膜、对1064nm激光高反膜；腔镜6、7设置在基频激光晶体5与调制器件8之间，分别与水平方向呈45度角和135度角，其端面镀有对1064nm激光高反膜；腔镜10、11、12设置于基频激光晶体5与腔内透镜13之间，分别与水平方向呈135度角、45度角、45度角，端面镀有对1064nm激光高反膜；腔镜9设置于调制器件8的另一端，呈竖直放置，端面镀有对1064nm激光高反膜；腔镜16竖直放置，设置于中红外非线性晶体15的尾端，其端面镀有对1064nm及1.4μm激光高反膜、对3.8μm激光高透膜。

腔镜4、6、7、9、10、11、12、16可以皆为平面镜，也可以皆为凹面镜，还可以是平面镜与凹面镜的组合。

作为一种优选的方案，腔镜4、6、7、9、10、11、12、16皆为平面镜。

作为一种优选的方案，本发明激光器的激光谐振腔的结构为Z型腔、V型腔或者其它角度折叠腔结构。

本发明的激光器其典型输出波长包括1.3-5μm中红外波段，不仅限于3.8μm，输出波长具体由中红外非线性晶体15的相位匹配条件决定。

采用本发明的激光器，在不改变激光器内部结构的情况下，在基频激光晶体破坏阀值范围内，还可以提高激光二极管的泵浦功率，进一步增加腔内基频激光的功率密度，从而得到更高功率的中红外激光输出。

参照图2至图4，对根据上述技术方案所建立的基于腔内频率变换的大功率中红外激光器进行试验，试验结果如下：实测激光波长为3.843μm；当激光脉冲功率为40khz时，在30W、808nm光泵浦功率下，3.8μm最大输出功率达到2.3W；在连续一小时的测试过程中，激光器最小功率为2.12W，最大功率为2.22W，平均功率为2.18W，长期稳定性为4.6%。由此可见，本发明的激光器具有结构紧凑，转换效率高，稳定性好等优点。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。