1030NM全固态激光器.pdf

一种1030nm全固态激光器，该激光器包括基于微片结构的亚纳秒本振级、基于平面波导结构的放大级和光束耦合系统。该全固态激光器具有结构简单紧凑，稳定可靠，散热良好，能够获得大功率输出和光束质量好等特点。激光波长为1030nm，重复频率＞1KHZ，脉宽几百皮秒，单脉冲能量＞1mJ，峰值功率可达到1MW以上，适于高精度激光测距和激光雷达应用。

权利要求书1.  一种1030nm全固态激光器，特征在于其结构包括基于微片结构的亚纳秒本振级，基于平面波导结构的放大级以及光束耦合系统，所述的基于微片结构的亚纳秒本振级依次包括带尾纤输出的中心波长940nm激光二极管(1)、由两个平凸透镜(2、3)的凸面相对构成的聚焦耦合系统、Yb：YAG微片激光晶体(4)、Cr4+：YAG调Q晶体(5)和平面输出镜(6)；所述的光束耦合系统依次包括1030nm45°平面全反镜(7)、准直透镜(8)、1030nm45°平面全反镜(9)和柱面聚焦透镜(10)；所述的基于平面波导结构的放大级依次包括激光二极管阵列(14)、泵浦耦合镜(15)、第一平凹柱面反射镜(13)、Yb：YAG平面波导(12)和第二平凹柱面反射镜(11)；所述的准直透镜(8)将本振级输出的脉冲激光准直后由所述的柱面聚焦透镜(10)在快轴方向对其进行压缩耦合到所述的Yb：YAG平面波导(12)内，所述的平凹柱面反射镜(11)和平凹柱面反射镜(13)根据信号光在波导内往返次数的不同，相互间的夹角为1°～2°，所述的激光二极管阵列(14)输出的泵浦光从所述的Yb：YAG平面波导(12)的侧面对激光进行泵浦放大。2.  根据权利要求1所述的1030nm全固态激光器，其特征在于所述的Yb：YAG微片激光晶体(4)的掺杂浓度为8at％～12at％，厚度为1～2mm，其一面镀有940nm减反、1030nm高反的介质膜，另一面镀有1030nm减反介质膜。3.  根据权利要求1所述的1030nm全固态激光器，其特征在于所述的Cr4+：YAG调Q晶体(5)对1030nm激光的初始透过率为60％～80％。4.  根据权利要求1所述的1030nm全固态激光器，其特征在于所述的平面输出镜(6)镀有940nm高反、1030nm透过率为50％～70％的介质膜。5.  根据权利要求1所述的1030nm全固态激光器，其特征在于所述的聚焦耦合系统的两个平凸透镜(2、3)镀有940nm减反介质膜。6.  根据权利要求1所述的1030nm全固态激光器，其特征在于所述的准直透镜(8)、柱面聚焦透镜(10)镀有1030nm减反介质膜。7.  根据权利要求1所述的1030nm全固态激光器，其特征在于所述的第一平凹柱面反射镜(13)和第二平凹柱面反射镜(11)镀有1030nm减反介质膜。8.  根据权利要求1所述的1030nm全固态激光器，其特征在于所述的Yb：YAG平面波导(12)由掺杂浓度为2at％～5at％、尺寸为13mm×6mm×150um的Yb：YAG晶体和两个未掺杂的尺寸均为13mm×6mm×1mm的蓝宝石晶体上下键合而成。9.  根据权利要求1所述的1030nm全固态激光器，其特征在于所述的激光二极管阵列(14)通过接近式直接耦合或经泵浦耦合透镜(15)将泵浦光耦合进Yb：YAG平面波导(12)中。10.  根据权利要求1至9任一项所述的1030nm全固态激光器，其特征在于所述的激光二极管阵列(14)发光中心波长为940nm或976nm。

说明书1030nm全固态激光器
技术领域
本发明涉及全固体激光器，特别是一种1030nm全固态激光器。
背景技术
在激光测距和激光雷达等领域中，人们对光电探测器的响应度提出了更高的要求。而1030nm波长对硅基探测器的响应度约是1064nm响应度的2～3倍，使其在激光测距和激光雷达等领域有着广泛的应用前景。
现有的高功率1030nm全固态激光器，主要采用激光二极管泵浦的微片激光晶体进行多程、多级级联放大。但其具有结构复杂、稳定度较差、光束质量不高等缺点。
发明内容
本发明为了克服上述先前技术的不足，提供一种1030nm全固态激光器，该激光器采用基于微片+平面波导结构，结构简单紧凑，稳定可靠，散热良好，能够获得大功率输出和光束质量好等特点。激光波长为1030nm，重复频率＞1KHZ，脉宽几百皮秒，单脉冲能量＞1mJ，峰值功率可达到1MW以上，适于高精度激光测距和激光雷达应用。
本发明的技术解决方案如下：
一种1030nm全固态激光器，特点在于其结构包括基于微片结构的亚纳秒本振级，基于平面波导结构的放大级以及光束耦合系统，所述的基于微片结构的亚纳秒本振级依次包括带尾纤输出的中心波长940nm激光二极管、由两个平凸透镜的凸面相对构成的聚焦耦合系统、Yb：YAG微片激光晶体、Cr4+：YAG调Q晶体和平面输出镜；所述的光束耦合系统依次包括1030nm45°平面全反镜、准直透镜、1030nm45°平面全反镜和柱面聚焦透镜；所述的基于平面波导结构的放大级依次包括激光二极管阵列、泵浦耦合镜、第一平凹柱面反射镜、Yb：YAG平面波导和第二平凹柱面反射镜；所述的准直透镜将本振级输出的脉冲激光准直后由所述的柱面聚焦透镜在快轴方向对其进行压缩耦合到所述的Yb：YAG平面波导内，所述的平凹柱面反射镜和平凹柱面反射镜根据信号光在波导内往返次数的不同，相互间的夹角为1°～2°，所述的激光二极管阵列输出的泵浦光从所述的Yb：YAG平面波导的侧面对激光进行泵浦放大。
所述的Yb：YAG微片激光晶体的掺杂浓度为8at％～12at％，厚度为1～2mm，其一面镀有940nm减反、1030nm高反的介质膜，另一面镀有1030nm减反介质膜。
所述的Cr4+：YAG调Q晶体对1030nm激光的初始透过率为60％～80％。
所述的平面输出镜镀有940nm高反、1030nm透过率为50％～70％的介质膜。
所述的聚焦耦合系统的平凸透镜镀有940nm减反介质膜。
所述的准直透镜、柱面聚焦透镜镀有1030nm减反介质膜。
所述的第一平凹柱面反射镜和第二平凹柱面反射镜镀有1030nm减反介质膜。
所述的Yb：YAG平面波导由掺杂浓度为2at％～5at％、尺寸为13mm×6mm×150um的Yb：YAG晶体和两个未掺杂的尺寸均为13mm×6mm×1mm的蓝宝石晶体上下键合而成。
所述的激光二极管阵列通过接近式直接耦合或泵浦耦合透镜将泵浦光耦合进Yb：YAG平面波导中。
所述的激光二极管阵列发光中心波长为940nm或976nm。
本发明的技术效果：
本发明采用带尾纤输出的中心波长940nm激光二极管端面泵浦Yb：YAG微片激光晶体，以Cr4+：YAG晶体被动调Q可以得到高重频率的亚纳秒窄脉宽1030nm信号光。其重复频率＞1KHZ，脉宽几百皮秒，光束质量M2＜1.2。通过光束耦合系统将本振级输出的信号光耦合到Yb：YAG平面波导中，可以得到1cm-1～2cm-1的小信号增益。在波导两端通过平凹柱面反射镜，使激光在波导内多次往返放大，3～5次放大后其单脉冲能量可以放大到1mJ以上。
整个系统基于微片+平面波导的结构不需要多级级联和复杂的结构，结构简单紧凑，稳定可靠。可以得到1MW以上的高重频亚纳秒1030nm脉冲激光稳定输出，输出光束具有良好的偏振特性和光束质量。
本发明所涉及的激光器结构简单紧凑，稳定可靠，波长为1030nm，重复频率＞1KHZ，脉宽几百皮秒，峰值功率可达到1MW以上，适于 高精度激光测距和激光雷达应用。
附图说明
图1是本发明1030nm全固态激光器的结构俯视示意图。
图2是本发明1030nm全固态激光器的结构示意图的前视图。
图3是本发明1030nm全固态激光器的激光二极管阵列与平面波导间的侧面泵浦耦合结构示意图之1，接近式直接耦合。
图4是本发明1030nm全固态激光器的激光二极管阵列与平面波导间的侧面泵浦耦合结构示意图之2，泵浦耦合透镜耦合。
图5是本发明1030nm全固态激光器的平面波导的结构示意图。
具体实施方式
先请参阅图1、2，图1是本发明1030nm全固态激光器实施例1的结构俯视示意图。图2是本发明1030nm全固态激光器实施例1的结构示意图的前视图。由图可见，本发明1030nm全固态激光器，包括基于微片结构的亚纳秒本振级、基于平面波导结构的放大级和光束耦合系统，所述的基于微片结构的亚纳秒本振级依次包括带尾纤输出的中心波长940nm激光二极管1、由平凸透镜2和平凸透镜3的凸面相对构成的聚焦耦合系统、Yb：YAG微片激光晶体4、Cr4+：YAG调Q晶体5和平面输出镜6；所述的光束耦合系统依次包括1030nm45°平面全反镜7、准直透镜8、1030nm45°平面全反镜9和柱面聚焦透镜10；所述的基于平面波导结构的放大级依次包括激光二极管阵列14、泵浦耦合镜15、第一平凹柱面反射镜13、Yb：YAG平面波导12和第二平凹柱面 反射镜11；所述的准直透镜8将本振级输出的脉冲激光准直后由所述的柱面聚焦透镜10在快轴方向对其进行压缩耦合到所述的Yb：YAG平面波导12内，所述的平凹柱面反射镜11和平凹柱面反射镜13根据信号光在波导内往返次数的不同，相互间的夹角为1°～2°，所述的激光二极管阵列14输出的泵浦光经所述的泵浦耦合镜15从所述的Yb：YAG平面波导12的侧面对激光进行泵浦放大。
所述的Yb：YAG微片激光晶体4的掺杂浓度为8at％～12at％，厚度为1～2mm，其一面镀有940nm减反、1030nm高反的介质膜，另一面镀有1030nm减反介质膜。
所述的Cr4+：YAG调Q晶体5对1030nm激光的初始透过率为60％～80％。
所述的平面输出镜6镀有940nm高反、1030nm透过率为50％～70％的介质膜。
所述的聚焦耦合系统的平凸透镜2和平凸透镜(3)镀有940nm减反介质膜，焦距比为1:1。
所述的准直透镜8、柱面聚焦透镜10镀有1030nm减反介质膜。
所述的第一平凹柱面反射镜13和第二平凹柱面反射镜11镀有1030nm减反介质膜。
所述的激光二极管阵列14经泵浦耦合透镜15将泵浦光耦合进Yb：YAG平面波导12中。
所述的激光二极管阵列14发光中心波长为940nm或976nm。
带尾纤输出的中心波长940nm激光二极管1的纤芯直径为105um， 数值孔径为0.22。带尾纤输出的中心波长940nm激光二极管(1)发出的泵浦光通过聚焦耦合系统聚焦在Yb：YAG微片激光晶体4内，Yb：YAG微片激光晶体4与平面输出镜6构成平平腔，腔内紧凑的插入Cr4+：YAG调Q晶体5得到高重频的几百皮秒窄脉宽1030nm波长脉冲激光，其重复频率＞1KHZ，脉宽为500皮秒，光束质量M2＜1.2。
光束耦合系统中：1030nm45°平面全反镜7、1030nm45°平面全反镜9镀有45°1030nm减反介质膜。准直透镜8是平凸球面透镜，镀有0°1030nm减反介质膜，焦距为50mm左右，信号光通过后准直到1～2mm。柱面聚焦透镜(10)是平凸柱面透镜，镀有1030nm减反介质膜，焦距为100mm～200mm，信号光通过后在竖直方向被压缩到120um～140um耦合到Yb：YAG平面波导(12)内。
图3、图4所示的基于平面波导结构的放大级泵浦耦合结构中：Yb：YAG平面波导12采用侧面泵浦，激光二极管阵列14通过接近式直接耦合或泵浦耦合透镜15将泵浦光耦合进Yb：YAG平面波导12中。泵浦耦合透镜15是平凸柱面透镜，镀有1030nm减反介质膜，焦距为20mm～50mm。激光二极管阵列14发光中心波长为940nm或976nm。
图5所示的基于平面波导结构的放大级平面波导结构中：Yb：YAG平面波导12，由掺杂浓度为2at％～5at％、尺寸为13mm×6mm×150um的Yb：YAG晶体，与两个未掺杂的尺寸均为13mm×6mm×1mm的蓝宝石晶体上下键合而成。
图1、图2所示的基于平面波导结构的放大级中：第一平凹柱面反射镜13、第二平凹柱面反射镜11镀有0°1030nm减反介质膜。激光二 极管阵列14与Yb：YAG平面波导12间采用侧面泵浦。Yb：YAG平面波导12放置在柱面聚焦透镜10的焦点处，信号光耦合进入波导后，Yb：YAG平面波导12中得到1cm-1～2cm-1的小信号增益，3～5次放大后其单脉冲能量可以放大到1mJ以上。
整个系统基于微片+平面波导的结构不需要多级级联和复杂的结构，结构简单紧凑，稳定可靠。得到了1MW以上的高重频亚纳秒1030nm脉冲激光稳定输出，输出光束具有良好的偏振特性和光束质量(M2＜1.2)，重复频率＞1KHZ，脉宽500皮秒，单脉冲能量＞1mJ，峰值功率达到了2MW。
实验表明，本发明1030nm全固态激光器，具有结构简单紧凑，稳定可靠，波长为1030nm，重复频率＞1KHZ，脉宽几百皮秒，峰值功率可达到1MW以上，适于高精度激光测距和激光雷达应用。