專利名稱：一種側(cè)面泵浦圓棒狀自倍頻晶體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光器，特別涉及一種基于自倍頻晶體的全固態(tài)激光器。
背景技術(shù)：
自變頻晶體是一種獲得可見激光輸出的理想方式。將激活離子摻雜入一塊具有非線性光學(xué)特性的晶體，使其既是激光晶體，又具有非線性的功能。當(dāng)晶體的切割方向沿相位匹配的方向切割時(shí)，就可以在晶體內(nèi)部對離子產(chǎn)生的基頻激光直接進(jìn)行自倍頻、自和頻、自差頻、或者自參量振蕩，從而獲得不同波長的自變頻激光輸出。從原理上講，自變頻激光器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，穩(wěn)定性強(qiáng)，制作成本低。近年來人們一直在探索高效的、適合實(shí)用化的自變頻晶體，其中主要研究對象是自倍頻晶體。但目前的自倍頻激光器多采用端面泵浦方式，例如專利“一種適于激光顯示用的自倍頻綠光固體激光器”(201010272964. 3)，“一種低功率的綠光激光筆” (201010130463. I)和“一種單頻可見光激光器”(201010159919.7)。這種方式屬縱向泵浦，即激光方向沿著泵光吸收方向。為了實(shí)現(xiàn)高效的自倍頻輸出，在設(shè)計(jì)晶體長度一個(gè)參數(shù)時(shí)，就要同時(shí)考慮泵浦光的充分吸收、泵浦光和激光的交疊率，以及倍頻轉(zhuǎn)換效率。設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。另外，泵光入從晶體的一個(gè)端面入射，端面熱效應(yīng)最嚴(yán)重，高功率時(shí)容易斷裂，制約了最大泵浦功率，目前，泵浦功率多限制在十瓦量級。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，從而提供一種側(cè)面泵浦棒狀自倍頻晶體的激光器。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的側(cè)面泵浦圓棒狀自倍頻晶體激光器，其包括圓棒狀自倍頻晶體、泵浦源、激光諧振腔及冷卻散熱裝置；所述散熱裝置包括泵浦源散熱裝置和晶體散熱裝置；所述泵浦源為位于所述圓棒狀自倍頻晶體側(cè)面的半導(dǎo)體二極管泵浦源，所述泵浦源被固定在泵浦源散熱裝置上；所述泵浦源發(fā)出的泵浦光從圓棒狀自倍頻晶體側(cè)面進(jìn)入并被吸收；激光諧振腔由分別位于所述圓棒狀自倍頻晶體兩個(gè)端面外側(cè)的激光腔鏡A和激光腔鏡B組成，或由直接鍍在所述圓棒狀自倍頻晶體兩個(gè)端面上的激光腔鏡膜組成；所述晶體散熱裝置設(shè)有冷卻液體入口和冷卻液體出口，冷卻液由冷卻液體入口進(jìn)入，流過圓棒狀自倍頻晶體側(cè)面，通過熱交換帶走圓棒狀自倍頻晶體內(nèi)產(chǎn)生的熱量，再從冷卻液體出口流出；所述晶體散熱裝置在圓棒狀自倍頻晶體側(cè)面與泵浦源之間部分為透光結(jié)構(gòu)，以密封冷卻液并使泵浦源發(fā)出的泵浦光透過。所述圓棒狀自倍頻晶體為摻釹四硼酸釔鋁自倍頻晶體(簡稱Nd:YAB)、摻鐿四硼酸釔鋁自倍頻晶體(簡稱Yb:YAB)、摻釹三硼酸鈣氧釓自倍頻晶體(簡稱Nd = GdCOB)、 摻釹三硼酸鈣氧釔自倍頻晶體(簡稱Nd:YC0B)、摻鐿三硼酸鈣氧釓自倍頻晶體(簡稱
3Yb:6dC0B)、摻鐿三硼酸鈣氧釔自倍頻晶體(簡稱Yb:YC0B)或摻鉺三硼酸鈣氧釔自倍頻晶體。所述棒狀自倍頻晶體的直徑為2 10mm，長度為10 80臟，切割角度為該自倍頻晶體的相位匹配方向。所述圓棒狀自倍頻晶體為整塊相同摻雜濃度的晶體，或?yàn)樵谒鰣A棒狀自倍頻晶體兩個(gè)端面鍵合純基質(zhì)材料的晶體，所述純基質(zhì)材料為本行業(yè)人士所熟知。所述的泵浦源為mXn個(gè)，m為泵浦源圍數(shù)，所述泵浦源圍數(shù)是指環(huán)繞圓棒狀自倍頻晶體一圈均勻放置m個(gè)泵浦源；n是泵浦源列數(shù)，所述泵浦源列數(shù)是指所述圓棒狀自倍頻晶體一側(cè)放置η個(gè)泵浦源；m、n具體取值，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可自行設(shè)定，例如m為I、 3、5、7或者9，11為I至9的整數(shù)。所述激光諧振腔鏡A和激光諧振腔鏡B為平凹鏡、平平鏡或平凸鏡；所述激光諧振腔鏡A上的激光腔鏡膜與鍍于所述圓棒狀自倍頻晶體一端面上的激光腔鏡膜均為對于基頻激光和倍頻激光的R > 99%雙高反膜；所述激光諧振腔鏡B上的激光腔鏡膜與鍍于所述圓棒狀自倍頻晶體另一端面上的激光腔鏡膜為對于基頻激光R > 99%高反膜和對于倍頻激光T > 90%高透膜。本發(fā)明的側(cè)面泵浦圓棒狀自倍頻晶體激光器，還可包括放置于所述圓棒狀自倍頻晶體側(cè)面非泵浦光入射部位的聚光腔，以將散射或未吸收而透過的泵浦光收集并匯聚到所述圓棒狀自倍頻晶體內(nèi)再次吸收。本發(fā)明的側(cè)面泵浦圓棒狀自倍頻晶體激光器與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、減小了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。設(shè)計(jì)晶體尺寸時(shí)，只需要根據(jù)倍頻效率設(shè)計(jì)最晶體長度，而同過設(shè)計(jì)晶體棒直徑來實(shí)現(xiàn)泵光的充分吸收。2、提高了最大泵浦功率。與端面泵浦相比，本發(fā)明進(jìn)行從晶體棒側(cè)面進(jìn)行m圍、η 列泵浦，增多了泵浦光入射部位，可以提高最大泵浦功率。3、降低了泵浦源成本。端面泵浦的泵源多為光纖耦合LD，而本發(fā)明的泵源為成本較低的微通道或者CS封裝，在相同泵浦功率條件下，降低了激光器的制作成本。


圖I是3圍2列的側(cè)面泵浦圓棒狀自倍頻晶體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是垂直晶體軸向的剖視圖；圖3是實(shí)施例2直接將腔鏡Α、B直接鍍在晶體端面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是實(shí)施例2的加入聚光腔后垂直晶體軸向的剖視圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。圖I是3圍2列的側(cè)面泵浦圓棒狀自倍頻晶體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是垂直晶體軸向的剖視圖；圖3是實(shí)施例2直接將腔鏡Α、B直接鍍在晶體端面的結(jié)構(gòu)示意圖；圖 4是實(shí)施例2的加入聚光腔后垂直晶體軸向的剖視圖；由圖可知，本發(fā)明的本發(fā)明提供的側(cè)面泵浦圓棒狀自倍頻晶體激光器，其包括圓棒狀自倍頻晶體I、泵浦源2、激光諧振腔及冷卻散熱裝置；所述散熱裝置包括泵浦源散熱裝置3和晶體散熱裝置5 ；
所述泵浦源為位于所述圓棒狀自倍頻晶體I側(cè)面的半導(dǎo)體二極管泵浦源，所述泵浦源被固定在泵浦源散熱裝置上；所述泵浦源發(fā)出的泵浦光4從圓棒狀自倍頻晶體I側(cè)面進(jìn)入并被吸收；激光諧振腔由分別位于所述圓棒狀自倍頻晶體I兩個(gè)端面外側(cè)的激光腔鏡A和激光腔鏡B組成，或由直接鍍在所述圓棒狀自倍頻晶體I兩個(gè)端面上的激光腔鏡膜組成；所述晶體散熱裝置5設(shè)有冷卻液體入口和冷卻液體出口，冷卻液由冷卻液體入口進(jìn)入，流過圓棒狀自倍頻晶體I側(cè)面，通過熱交換帶走圓棒狀自倍頻晶體I內(nèi)產(chǎn)生的熱量， 再從冷卻液體出口流出；所述晶體散熱裝置5在圓棒狀自倍頻晶體I側(cè)面與泵浦源5之間部分為透光結(jié)構(gòu)，以密封冷卻液并使泵浦源發(fā)出的泵浦光透過。所述圓棒狀自倍頻晶體I為摻釹四硼酸釔鋁自倍頻晶體(簡稱Nd:YAB)、摻鐿四硼酸釔鋁自倍頻晶體(簡稱Yb:YAB)、摻釹三硼酸鈣氧釓自倍頻晶體(簡稱Nd = GdCOB)、 摻釹三硼酸鈣氧釔自倍頻晶體(簡稱Nd:YC0B)、摻鐿三硼酸鈣氧釓自倍頻晶體(簡稱 Yb:GdCOB)、摻鐿三硼酸鈣氧釔自倍頻晶體(簡稱Yb:YC0B)或摻鉺三硼酸鈣氧釔自倍頻晶體。所述棒狀自倍頻晶體I的直徑為2 10臟，長度為10 80臟，切割角度為該自倍頻晶體的相位匹配方向。 所述圓棒狀自倍頻晶體I為整塊相同摻雜濃度的晶體，或?yàn)樵谒鰣A棒狀自倍頻晶體兩個(gè)端面鍵合純基質(zhì)材料的晶體，所述純基質(zhì)材料為本行業(yè)人士所熟知。所述的泵浦源為mXn個(gè)，m為泵浦源圍數(shù)，所述泵浦源圍數(shù)是指環(huán)繞圓棒狀自倍頻晶體I 一圈均勻放置m個(gè)泵浦源；n是泵浦源列數(shù)，所述泵浦源列數(shù)是指所述圓棒狀自倍頻晶體I 一側(cè)放置η個(gè)泵浦源；m、η具體取值，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可自行設(shè)定，例如m 為1、3、5、7或者9，η為I至9的整數(shù)。所述激光諧振腔鏡A和激光諧振腔鏡B為平凹鏡、平平鏡或平凸鏡；所述激光諧振腔鏡A上的激光腔鏡膜與鍍于所述圓棒狀自倍頻晶體I 一端面上的激光腔鏡膜均為對于基頻激光和倍頻激光的R > 99%雙高反膜；所述激光諧振腔鏡B上的激光腔鏡膜與鍍于所述圓棒狀自倍頻晶體I另一端面上的激光腔鏡膜為對于基頻激光R > 99%高反膜和對于倍頻激光T > 90%高透膜。本發(fā)明的側(cè)面泵浦圓棒狀自倍頻晶體激光器，還可包括放置于所述圓棒狀自倍頻晶體I側(cè)面非泵浦光入射部位的聚光腔6，以將散射或未吸收而透過的泵浦光收集并匯聚到所述圓棒狀自倍頻晶體I內(nèi)再次吸收。實(shí)施例I參考圖I和圖2，本實(shí)施例制作一種3圍(m = 3) 2列(η = 2)側(cè)面泵浦的自倍頻
激光器。本實(shí)施例中，圓棒狀自倍頻晶體I采用一塊尺寸為Φ 3mmX 20mm、摻雜濃度8at. % 的Nd = GdCOB晶體，軸向?yàn)?060nm激光的相位匹配方向。圓棒狀自倍頻晶體I放置在晶體散熱裝置5內(nèi)，晶體散熱裝置5的兩端留有對稱的Φ 3mm圓孔，剛好放入圓棒狀自倍頻晶體 I后用704膠密封好，或者采用O圈壓式結(jié)構(gòu)將其密封好；晶體散熱裝置5側(cè)面采用石英玻璃管(即隔離透光結(jié)構(gòu))，起到密封冷卻液而使泵浦光透過的作用；冷卻液采用蒸餾水，冷卻液從冷卻液體入口進(jìn)入，流過圓棒狀自倍頻晶體I的側(cè)面，通過熱交換帶走圓棒狀自倍頻晶體I內(nèi)產(chǎn)生的熱量，再從冷卻液體出口流出。LD輸出激光波長為81lnm，采用微通道封裝形式；本實(shí)施例采用3圍2列側(cè)面泵浦方式，即在圓棒狀自倍頻晶體I截面方向上，三個(gè)LD均勻分布在晶體棒側(cè)面；在晶體棒軸向方向上，有2列LD ;這樣，六個(gè)LD(圖I和2中僅示出2-1，2-2，2-3，2-4)分別固定在各自的泵浦源散熱裝置(圖I和圖2中僅示出3-1，3-2，3-3，3-4，3-6)上進(jìn)行散熱；LD發(fā)出的泵浦光4從圓棒狀自倍頻晶體I側(cè)面進(jìn)入圓棒狀自倍頻晶體I被吸收。激光腔鏡A為平鏡，其上鍍有對于1060nm激光和530nm激光的雙高反膜，作為高反腔鏡；激光腔鏡B為平凹鏡，其凹面靠近圓棒狀自倍頻晶體I端面，凹面上鍍有對于 1060nm激光高反射和對于530nm激光高透過的膜，平面鍍有對于530nm激光高透過的膜，作為輸出鏡；激光腔鏡A和激光腔鏡B提供正反饋，從而形成激光諧振。 對于本實(shí)施例提供的側(cè)面泵浦的自倍頻激光器，當(dāng)給LD加電流，使LD輸出大功率激光時(shí)，圓棒狀自倍頻晶體I充分吸收泵浦光并進(jìn)行有效散熱，圓棒狀自倍頻晶體I內(nèi)存在激光增益，在由激光腔鏡A和激光腔鏡B組成的諧振腔中形成激光振蕩，從而得到激光輸出，1060nm激光在激光諧振腔內(nèi)振蕩，由于圓棒狀自倍頻晶體I按相位匹配角切割，諧振腔內(nèi)的1060nm激光功率密度非常高，通過非線性光學(xué)頻率變換，轉(zhuǎn)換為530nm激光，在激光諧振腔鏡B (輸出鏡)端輸出。實(shí)施例2，請參照圖3和圖4，本實(shí)施例與實(shí)施例I類似，不同之處在于I、圓棒狀自倍頻晶體I采用一塊尺寸為Φ4πιπιΧ30πιπι、摻雜濃度8at. %的Nd = YCOB 晶體，軸向?yàn)?060nm激光的相位匹配方向；2、激光腔鏡A和激光腔鏡B不采用獨(dú)立的鏡片，而是直接在圓棒狀自倍頻晶體I 兩個(gè)端面上分別鍍膜(以形成激光腔鏡膜A和激光腔鏡膜B)，形成激光諧振腔，如圖3所示；3、在圓棒狀自倍頻晶體I側(cè)面非泵浦光入射處增加聚光腔6，如圖4所示。實(shí)施例3本實(shí)施例制作一種5圍7列側(cè)面泵浦的自倍頻激光器。本實(shí)施例與實(shí)施例I類似，不同之處主要有I、采用5圍7列的泵浦源，總共需要35個(gè)LD泵浦源；2、圓棒狀自倍頻晶體I米用兩個(gè)Φ 3mmx35mm的棒鍵合成一根<i)3mmx70mm晶體棒。圓棒狀自倍頻晶體I的散熱裝置5尺寸也根據(jù)晶體棒長度的改變而進(jìn)行調(diào)整。 圓棒狀自倍頻晶體I也可以采用兩個(gè)Φ 3mmx30mm的8at. %的Nd: GdCOB鍵合成一根 Φ 3mmX6Omm晶體棒，兩端再各鍵合一個(gè)Φ 3mmx5mm的GdCOB晶體,形成一根Φ 3mmx7Omm晶體棒，用來更好的散熱。本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變型，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種側(cè)面泵浦圓棒狀自倍頻晶體激光器，其包括圓棒狀自倍頻晶體、泵浦源、激光諧振腔及冷卻散熱裝置；所述散熱裝置包括泵浦源散熱裝置和晶體散熱裝置；所述泵浦源為位于所述圓棒狀自倍頻晶體側(cè)面的半導(dǎo)體二極管泵浦源，所述泵浦源被固定在泵浦源散熱裝置上；所述泵浦源發(fā)出的泵浦光從圓棒狀自倍頻晶體側(cè)面進(jìn)入并被吸收；激光諧振腔由分別位于所述圓棒狀自倍頻晶體兩個(gè)端面外側(cè)的激光腔鏡A和激光腔鏡B組成，或由直接鍍在所述圓棒狀自倍頻晶體兩個(gè)端面上的激光腔鏡膜組成；所述晶體散熱裝置設(shè)有冷卻液體入口和冷卻液體出口，冷卻液由冷卻液體入口進(jìn)入， 流過圓棒狀自倍頻晶體側(cè)面，通過熱交換帶走圓棒狀自倍頻晶體內(nèi)產(chǎn)生的熱量，再從冷卻液體出口流出；所述晶體散熱裝置在圓棒狀自倍頻晶體側(cè)面與泵浦源之間部分為透光結(jié)構(gòu)，以密封冷卻液并使泵浦源發(fā)出的泵浦光透過。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的側(cè)面泵浦圓棒狀自倍頻晶體激光器，其特征在于，所述圓棒狀自倍頻晶體為摻釹四硼酸釔鋁自倍頻晶體、摻鐿四硼酸釔鋁自倍頻晶體、摻釹三硼酸鈣氧釓自倍頻晶體、摻釹三硼酸鈣氧釔自倍頻晶體、摻鐿三硼酸鈣氧釓自倍頻晶體、摻鐿三硼酸鈣氧釔自倍頻晶體或摻鉺三硼酸鈣氧釔自倍頻晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的側(cè)面泵浦圓棒狀自倍頻晶體激光器，其特征在于，所述棒狀自倍頻晶體的直徑為2 10mm，長度為10 80mm，切割角度為該自倍頻晶體的相位匹配方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的側(cè)面泵圓形浦棒狀自倍頻晶體激光器，其特征在于，所述圓棒狀自倍頻晶體為整塊相同摻雜濃度的晶體，或?yàn)樵谒鰣A棒狀自倍頻晶體兩個(gè)端面鍵合純基質(zhì)材料的晶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的側(cè)面泵浦圓棒狀自倍頻晶體激光器，其特征在于，所述的泵浦源為mXn個(gè)，m為泵浦源圍數(shù)，所述泵浦源圍數(shù)是指環(huán)繞圓棒狀自倍頻晶體一圈均勻放置m個(gè)泵浦源；n是泵浦源列數(shù)，所述泵浦源列數(shù)是指所述圓棒狀自倍頻晶體一側(cè)放置η個(gè)泵浦源。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的側(cè)面泵浦圓棒狀自倍頻晶體激光器，其特征在于，所述激光諧振腔鏡A和激光諧振腔鏡B為平凹鏡、平平鏡或平凸鏡；所述激光諧振腔鏡A上的激光腔鏡膜與鍍于所述圓棒狀自倍頻晶體一端面上的激光腔鏡膜均為對于基頻激光和倍頻激光的R > 99%雙高反膜；所述激光諧振腔鏡B上的激光腔鏡膜與鍍于所述圓棒狀自倍頻晶體另一端面上的激光腔鏡膜為對于基頻激光R > 99% 高反膜和對于倍頻激光T > 90%高透膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的側(cè)面泵浦圓棒狀自倍頻晶體激光器，其特征在于，還包括放置于所述圓棒狀自倍頻晶體側(cè)面非泵浦光入射部位的聚光腔，以將散射或未吸收而透過的泵浦光收集并匯聚到所述圓棒狀自倍頻晶體內(nèi)再次吸收。
全文摘要
一種側(cè)面泵浦棒狀自倍頻晶體的激光器，包括圓棒狀自倍頻晶體、泵浦源、激光諧振腔及冷卻散熱裝置；棒狀晶體置于晶體散熱裝置內(nèi)，通過冷卻液的熱交換帶走晶體內(nèi)熱，再從出口流出；泵浦源為半導(dǎo)體二極管被固定在各自的泵浦源散熱裝置上，泵浦源發(fā)出的泵浦光從晶體側(cè)面進(jìn)入并被吸收；晶體散熱裝置在棒狀晶體側(cè)面和泵浦源之間有一隔離透光結(jié)構(gòu)，起到密封冷卻液而使泵浦光透過作用；激光諧振腔由分別置于棒狀晶體兩端外側(cè)的激光腔鏡A和激光腔鏡B組成，或由直接鍍在棒狀晶體兩端面上的激光腔鏡膜組成；其結(jié)構(gòu)簡單，只需根據(jù)倍頻效率設(shè)計(jì)晶體長度和直徑；棒狀晶體側(cè)面的m圍n列泵浦源，可增多泵浦光入射部位，提高泵浦功率，降低制作成本。
文檔編號H01S3/16GK102593706SQ20121000856
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者于浩海, 宗楠, 張懷金, 彭欽軍, 王正平, 王繼揚(yáng), 申玉, 許祖彥 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所, 山東大學(xué)