CN103928831B - 基于达曼光栅的点阵输出固体激光器 - Google Patents

Abstract

一种基于达曼光栅的点阵输出固体激光器，激光器在光路上依次包括激光器泵浦源、准直透镜、点阵达曼光栅、聚焦透镜、激光介质、输出镜。激光器泵浦源输出端置于所述的准直透镜物方焦点处，所述的点阵达曼光栅工作波长为泵浦光中心波长，置于所述的准直透镜和所述的聚焦透镜中间，所述的激光介质的前表面镀有对激光全反、对泵浦光增透双色膜，作为激光器的前腔镜，激光介质的后表面镀有激光增透膜，所述的输出镜镀有激光部分透过膜，输出镜与激光介质前表面构成激光谐振腔。本发明是点阵输出的固体激光器，仅采用一个激光器泵浦源，使用一套准直、聚焦耦合系统对激光介质进行点阵泵浦，具有结构简单、紧凑和易实现的优点。

Description

基于达曼光栅的点阵输出固体激光器

技术领域

本发明涉及固体激光器,特别是一种基于达曼光栅的点阵输出固体激光器。

背景技术

近年来，多地出现的PM2.5超标以及雾霾天气严重影响了城市居民的生活质量和身体健康，而来自以内燃机为动力的各类车辆的尾气排放是城市大气污染物的重要来源。提高燃料利用率，减少有害尾气的排放量，是新一代内燃机急需解决的问题，但这加大了内燃机的点火难度，传统电火花塞已无法满足更高性能内燃机的需求。激光诱导火花点火技术具有众多优点，该技术自从被引入到内燃机点火以来，一直是研究的热点之一。激光诱导火花点火技术几乎可以克服传统火花塞点火的所有缺点：无需电极，不存在电极烧蚀问题，点火位置可离开燃烧室，而且具有多点点火的潜力。多点点火能极大缩短燃料燃烧时间而且能产生更高的燃烧压力，从而获得更高的发动机效率，并且能够在某一点损坏的情况下，仍然继续工作，提高了内燃机的安全性和可靠性。基于激光点火技术、尤其是多点激光点火技术的火花塞，既使传统电火花塞点火系统面临的诸多问题迎刃而解，还能大幅度提高发动机效率。

当前，有多种方法可以实现激光诱导多点点火。但是采用的方法都是使用多个泵浦源同时对激光晶体进行泵浦来获得多束激光的输出，如2011年日本用三个光纤尾纤输出的半导体激光器同时泵浦激光增益晶体，获得了三束具有高峰值功率的纳秒脉冲（参见Nicolaie Pavel等人发表的"Composite,all-ceramics,high-peak power Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG monolithic micro-laser with multiple-beam output for engine ignition,"《Optics Express》19(2011)9378-9384），该方法的不足之处在于使用三路独立泵浦系统使激光器结构相对复杂，还增加系统制作的工艺难度和生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种点阵输出固体激光器，该激光器仅采用一个泵浦源，使用一套准直、聚焦耦合系统将所述的泵浦源输出的泵浦光以点阵形式耦合到激光介质，具有结构简单紧凑和易实现的优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于达曼光栅的点阵输出固体激光器，包括泵浦源，特点在于其构成是：在输出泵浦光方向依次是同光轴的耦合准直透镜、达曼光栅、耦合聚焦透镜、附有热沉的激光增益介质和输出镜，所述的泵浦源的输出端位于所述的耦合准直透镜物 方焦点，所述的激光增益介质位于所述的耦合聚焦透镜的像方焦点，所述的激光增益介质的前表面镀激光的高反膜和泵浦光的增透膜，该激光增益介质的后表面镀激光的增透膜，所述的输出镜和所述的激光增益介质前表面构成激光谐振腔。

所述的泵浦源是光纤耦合输出的半导体激光器或其他激光器，工作中心波长与激光增益介质掺杂离子相匹配。

所述的达曼光栅具有与激光增益介质掺杂离子相匹配的工作波长，其衍射特性根据实际需要选择：采用1×2点阵、2×2点阵、3×3点阵达曼光栅、┄┅、或N×N点阵。

所述的激光增益介质是稀土掺杂的激光晶体、激光玻璃或激光陶瓷。

所述的输出镜为平面镜或平凹镜，并镀有信号激光的部分透过膜。

所述的准直透镜是一短焦距的球面或非球面透镜，所述的聚焦透镜为焦距大于等于准直透镜的球面镜或非球面镜。

本发明点阵输出的固体激光器以如下方式运转：作为泵浦源的半导体激光器发射出泵浦光，经过准直透镜后近似整形为一束平行光，垂直入射到点阵达曼光栅，经过达曼光栅衍射后的泵浦光分成以不同离轴角度方向传播的多束平行光束，这些平行光束以不同的方向入射到聚焦透镜，在聚焦透镜的焦平面形成尖锐的点阵像点。在聚焦透镜焦平面形成的高能量密度的泵浦光作为点阵输出的固体激光器的泵浦点，用来泵浦激光增益介质，在激光增益介质输入面和激光器输出镜构成的平平腔中同时形成点阵激光振荡，从而产生连续模式点阵激光输出。

为了完成第二目的的第二发明

一种点阵输出的被动调Q脉冲固体激光器，包括泵浦源激光器，特点在于其构成是：在输出泵浦光方向依次是同光轴的耦合准直透镜，达曼光栅，耦合聚焦透镜，加有热沉的激光增益介质，可饱和吸收体和输出镜。所述的泵浦源的输出端置于所述的耦合准直透镜物方焦点处，所述的激光增益介质位于耦合聚焦透镜的像方焦点处，所述的激光增益介质的前表面镀激光高反膜和泵浦光增透膜作为前腔镜，该激光的增益介质的后表面镀激光增透膜，所述的可饱和吸收体前后两面都镀有激光的防反膜，所述的输出镜和激光增益介质前表面构成激光谐振腔。

所述的泵浦源激光器，包括光纤耦合输出的半导体激光器或其他泵浦源激光器，工作中心波长与激光增益介质掺杂离子相匹配，例如,当采用掺钕离子激光介质时，所述的泵浦源激光器工作波长为808nm，当采用掺镱离子激光介质时，所述的泵浦源激光器中心工作波长则为940nm。

所述的达曼光栅具有与激光增益介质掺杂离子相匹配的工作波长，其衍射特性可根据实际需要选择,例如可采用1×2点阵、2×2点阵、3×3点阵达曼光栅，以此类推，可扩展至N×N点阵。

所述的激光增益介质具有与泵浦光发射谱相匹配的能级,可以是稀土掺杂的激光晶体、激光玻璃或激光陶瓷，包括掺钕离子、掺镱离子或掺铒离子的YAG晶体、玻璃或陶瓷,或者为掺钕离子、掺镱离子或掺铒离子的a切或c切YVO₄晶体、钒酸钆晶体等。

所述的输出镜可以为平面镜或平凹镜，并镀有信号激光部分透过膜。

所述的准直透镜是一短焦距球面或非球面透镜，所述的聚焦透镜为焦距大于等于准直透镜的球面镜或非球面镜。

所述的激光增益介质置于水循环制冷的铜质热沉中。

所述的被动调Ｑ器件包括具有可饱和吸收特性的半导体器件。

所述的点阵输出的被动调Ｑ固体激光器装置的使用方法，特征在于该方法是利用端面泵浦激光增益介质，通过调节输出镜位置来控制谐振腔的长度，或者通过调节激光增益介质的位置来控制泵浦光聚焦点在激光晶体内部的位置，或者通过改变可饱和吸收晶体的位置以及适当的控制泵浦功率的大小。具体包括下列三种方法：

第一种方法，在输出镜和可饱和吸收晶体的位置都固定的情况下，通过沿光轴方向调节激光增益晶体的位置实现泵浦光聚焦点处于激光增益介质内部不同位置，同时适当调节泵浦功率，从而得到点阵脉冲输出；

第二种方法，在激光增益介质固定且泵浦光焦点位于激光增益介质前表面附近且可饱和吸收晶体位置固定的情况下，通过沿光轴调节输出镜的位置（谐振腔长度改变），同时适当调节泵浦功率，从而得到点阵脉冲输出；

第三种方法，在激光增益介质固定且泵浦光焦点位于激光增益介质前表面附近且输出镜位置固定的情况下，通过沿光轴方向调节可饱和吸收晶体的位置（谐振腔长度不变），同时适当调节泵浦功率，从而得到点阵脉冲输出。

本发明的优点:

1.将达曼光栅应用于固体激光器领域，实现达曼光栅与激光器技术的有效结合，可扩展至N×N点阵泵浦技术，并且其制备简单，可利用常规的大规模集成技术进行加工，便于产业化

2.只需一个泵浦源，一套准直、聚焦耦合系统就能实现点阵激光输出，具有结构简单、紧凑和易实现的优点

3.半导体泵浦的点阵激光器中，由于在一个激光腔内形成了平行的多路激光振荡，因此不同分路的激光波长、偏振以及脉冲宽度等均有所差异或可对它们进行独立控制，可有效拓展端面泵浦固体激光器的应用范围。

4.点阵激光器中存在多个振荡区域，激光介质增益区利用率高，有利于高效率激光输出

5.半导体泵浦的点阵固体激光器有多个泵浦点，泵浦过程中的晶体热分布更均匀，避免了单光束泵浦时高功率泵浦光所导致的较强的热透镜效应，因此能有效降低激光晶体对冷却系统的需求

附图说明

图1为本发明第一实施例的光路结构的总体框图。

图2为本发明第二实施例的光路结构的总体框图。

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明第一实施例

先请参阅图1，图1为本发明第一实施例的光路结构的总体框图。由图可见，本发明点阵输出固体激光器，包括泵浦源1，其构成是：在泵浦源1输出的泵浦光方向依次是同光轴的耦合准直透镜2，达曼光栅3，耦合聚焦透镜4，激光增益介质5和输出镜6，所述的激光增益介质5位于耦合聚焦透镜4的像方焦点处，所述的激光增益介质5的前表面镀激光高反射膜和泵浦光增透膜作为前腔镜，该激光的增益介质5的后表面镀激光增透膜，所述的输出镜6和激光增益介质5前表面构成激光谐振腔。所述的激光增益介质5、输出镜6均具有沿所述的光轴方向移动的调节机构。

该发明中，达曼光栅3作为分光元件，所选择的达曼光栅3可以为一维或者二维的，根据所需要的光束的数目来选择相应的光栅阵列。选择这种分光元件，不仅光束的均匀性好，而且结构简单，操作方便。

达曼光栅3作为一种相位光栅，一般相位为0或者π，每一周期内的相位转折点长度是不是固定的，而是由特殊孔径函数决定的。具有这种特点的达曼光栅3可以使入射的单色光经过耦合聚焦透镜4在焦点激光增益介质5处产生光强为均匀分布的光斑点阵，经过激光增益介质5的增益放大，在谐振腔中来回振荡，从而获得点阵激光的输出。

首先利用坐标靶屏对泵浦光源1进行准直，泵浦光源1同时作为准直光源及装置的激发光源。利用准直的泵浦光源1对光路中的耦合准直透镜2，达曼光栅3，耦合聚焦透镜4进行共光轴调节。调节耦合准直透镜2和耦合聚焦透镜4的水平、俯仰角度，使得只有需要的级次入射到激光增益介质5上的。将装在热沉上的激光增益介质5放在耦合聚焦透镜的焦点处，此时入射到激光增益介质上的光斑最小，光强密度最大。在激光增益介质5后放上处于三维调整架上的输出镜。

下面是本发明实施例的具体参数：

1、其中的激光增益介质5为a切的掺钕钒酸钇晶体，钕离子掺杂浓度为1at.%,具体尺寸为长l=3mm、宽w=5mm、高d=5mm,前端面镀808nm增透、1064nm高反膜（作为前腔镜），后端面镀1064nm增透膜。晶体置于水循环制冷的铜质热沉中。

2、泵浦源为光纤耦合尾纤输出的激光二极管。尾纤芯径为200um,数值孔径为0.22，发射波长为808nm,为连续泵浦。

3、端面耦合系统包括耦合准直透镜2、耦合聚焦透镜4。透镜的焦长分别为20mm,35mm。泵浦源输出端放置在耦合准直透镜2的物方焦点处，晶体5前表面处于耦合聚焦透镜4的像方焦点处。

4、达曼光栅3为2×2光栅点阵。

5、输出镜6为平面镜，在1064波长的透射率为10%。

在本实施例中，对装置进行调节获得点阵连续输出：

（1）在输出镜和耦合聚焦透镜距离固定，两者距离为42mm,通过沿光轴调节激光增益晶体的位置,当晶体前表面与耦合聚焦透镜的距离在35mm-38mm之间时，同时调节泵浦功率在3W-5.5W范围内，可以得到点阵连续输出。

（2）晶体前表面固定在距离耦合聚焦透镜36mm的位置，通过沿光轴方向调节输出镜的位置，当谐振腔长度6mm到15mm之间时，调节泵浦功率在3W-5.5W范围内，可以得到点阵连续输出。

下面为本实施例输出结果：

得到四个功率基本相同的连续光束，当晶体前表面距离透镜距离为36mm,谐振腔长为7mm,泵浦功率为5.39W时，可得到599mw的输出功率。

第二发明的实施例

先请参阅图2，图2为本发明第二实施例的光路结构的总体框图。本实施例是用可饱和吸收体7作为被动调Q元件来获得光束质量好，峰值功率高的点阵脉冲输出的方法。与第一实施例中的固体激光器结构大致相同，区别在于在激光增益介质5和输出镜6之间加入具有沿所述的光轴方向移动的调节机构的可饱和吸收体7。所述的可饱和吸收体7前后两面都镀有激光的防反膜。

达曼光栅3使入射的单色光经过耦合聚焦透镜4在焦点激光增益介质5处产生光强为均匀分布的光斑点阵，经过激光增益介质5的增益放大了入射到可饱和吸收体7上。可饱和吸收体7对激光波长有很高的吸收率，它在最开始时阻止激光振荡 的发生。随着增益在泵浦脉冲器件的增大，当能量密度达到某一很高的值时，可饱和吸收体7被“漂白“，而产生很高的透射率，改变了腔内光的损耗，Q开关打开，激光谐振腔处于输出激光的状态，而获得点阵脉冲的输出。

首先利用坐标靶屏对泵浦光源1进行准直，泵浦光源1同时作为准直光源及装置的激发光源。利用准直的泵浦光源1对光路中的耦合准直透镜2，达曼光栅3，耦合聚焦透镜4进行共光轴调节。调节耦合准直透镜2和耦合聚焦透镜4的水平、俯仰角度，使得只有需要的级次入射到激光增益介质上5的。将装在热沉上的激光增益介质5放在耦合聚焦透镜的焦点处，此时入射到激光增益介质上的光斑最小，光强密度最大。在激光增益介质5后依次放上处于三维调整架上的可饱和吸收晶体和输出镜。

下面是本发明实施例的具体参数：

1、其中的激光增益介质5为a切的掺钕钒酸钇晶体，钕离子掺杂浓度为1at.%,具体尺寸为长l=3mm、宽w=5mm、高d=5mm,前端面镀808nm增透、1064nm高反膜（作为前腔镜），后端面镀1064nm增透膜。晶体置于水循环制冷的铜质热沉中。

2、泵浦源为光纤耦合尾纤输出的激光二极管。尾纤芯径为200um,数值孔径为0.22，发射波长为808nm,为连续泵浦。

3、端面耦合系统包括耦合准直透镜2、耦合聚焦透镜4。透镜的焦长分别为20mm,35mm。泵浦源输出端放置在耦合准直透镜2的物方焦点处，晶体5前表面处于耦合聚焦透镜4的像方焦点处。

4、达曼光栅3为2×2光栅点阵。

5、可饱和吸收晶体7为Cr⁴⁺：YAG,初始透过率为95%。

6、输出镜6为平面镜，在1064波长的透射率为10%。

在本实施例中，对装置进行调节获得点阵脉冲输出：

（1）在输出镜和耦合聚焦透镜距离固定，两者距离为48mm,可饱和吸收晶体和输出镜的距离固定，两者距离为8mm,通过沿光轴调节激光增益晶体的位置,当晶体前表面与耦合聚焦透镜的距离在35mm-38mm之间时，同时调节泵浦功率在5W-7.5W范围内，可以得到点阵脉冲输出。

（2）晶体前表面固定在距离耦合聚焦透镜36mm的位置，可饱和吸收晶体和晶体前表面的位置固定，为5mm,通过沿光轴方向调节输出镜的位置，当谐振腔长度12mm到14mm之间时，调节泵浦功率在5W-7.5W范围内，可以得到点阵脉冲输出。

（3）晶体前表面固定在距离耦合聚焦透镜36mm的位置，谐振腔长度为13mm，通过沿光轴调节可饱和吸收晶体距离输出镜的位置，当两者距离为9mm到6mm之间时，调节泵浦功率在5W-7.5W范围内，可以得到点阵脉冲输出。

下面为本实施例输出结果：

得到四个功率基本相同的脉冲光束，当晶体前表面距离透镜距离为36mm,谐振腔长为13mm,可饱和吸收晶体距离输出镜为8mm，泵浦功率为7.4W时，可得到366mw的输出功率，重复功率大约为280MHZ，脉冲宽度约为250ns的四个脉冲激光。

综上所述，本发明具有设计简单，可控性强，仅仅引入达曼光栅就可以得到点阵输出。体积小，成本低，使用十分简单。

Claims (7)

1.一种基于达曼光栅的点阵输出固体激光器，包括泵浦源(1)，特征在于其构成是：在输出泵浦光方向依次是同光轴的耦合准直透镜(2)、达曼光栅(3)、耦合聚焦透镜(4)、附有热沉的激光增益介质(5)和输出镜(6)，所述的达曼光栅具有与激光增益介质掺杂离子相匹配的工作波长，当采用掺钕离子激光介质时，所述的泵浦源激光器工作波长为808nm，当采用掺镱离子激光介质时，所述的泵浦源激光器中心工作波长则为940nm，所述的泵浦源的输出端位于所述的耦合准直透镜物方焦点，作为泵浦源的半导体激光器发射出泵浦光，经过准直透镜后近似整形为一束平行光，所述的激光增益介质位于所述的耦合聚焦透镜的像方焦点，所述的激光增益介质的前表面镀激光的高反膜和泵浦光的增透膜，该激光增益介质的后表面镀激光的增透膜，所述的输出镜和所述的激光增益介质前表面构成激光谐振腔。

2.根据权利要求1所述的基于达曼光栅的点阵输出固体激光器，其特征在于所述的泵浦源是光纤耦合输出的半导体激光器或其他激光器，工作中心波长与激光增益介质掺杂离子相匹配。

3.根据权利要求1所述的基于达曼光栅的点阵输出固体激光器，其特征在于所述的达曼光栅具有与激光增益介质掺杂离子相匹配的工作波长，其衍射特性根据实际需要选择：采用1×2点阵、2×2点阵、3×3点阵达曼光栅、┄┅、或N×N点阵。

4.根据权利要求1所述的基于达曼光栅的点阵输出固体激光器，其特征在于所述的激光增益介质是稀土掺杂的激光晶体、激光玻璃或激光陶瓷。

5.根据权利要求1所述的点阵输出全固态激光器，其特征在于所述的输出镜为平面镜或平凹镜，并镀有信号激光的部分透过膜。

6.根据权利要求1所述的基于达曼光栅的点阵输出固体激光器，其特征在于所述的准直透镜是一短焦距的球面或非球面透镜，所述的聚焦透镜为焦距大于等于准直透镜的球面镜或非球面镜。

7.根据权利要求1至6任一项所述的基于达曼光栅的点阵输出固体激光器，其特征是在所述的激光增益介质和输出镜之间还有可饱和吸收体。