[发明专利]一种基于波长锁定半导体激光模块的铥激光器

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于波长锁定半导体激光模块的铥激光器，用以提高大功率LD泵浦Tm激光器光光转换效率。

背景技术

稀土铥Tm离子掺杂固态激光器的激光波长覆盖了水分子及温室气体分子的特征吸收峰，在遥感、环境监测以及生物医疗等领域有广泛的应用价值和前景。同时，该激光器也是过度金属掺杂激光器和基于磷锗锌晶体的光参量振荡器的大功率泵浦源，用于实现中红外3～5微米激光输出。目前，Tm激光器的工作物质有光纤、晶体以及陶瓷三大类。其中，掺铥激光晶体具有结构紧凑、易于装卸和工艺成熟等特点而得到广泛应用。在Tm激光晶体中，钇铝石榴石YAG晶体具有高机械性能、高热导率以及易于扩散键合等综合优势，成为2微米Tm激光器研制的首选材料。在逐步提高半导体泵浦Tm:YAG激光器在室温下的输出功率的同时，激光器效率的提高最为关键，这体现在激光器的光光转换效率上。光光效率的提高，一方面增加了同一泵浦吸收功率下的激光输出功率，另一方面则减少了激光晶体中热量的积聚，改善了易受热效应影响的激光光束质量恶化和输出功率饱和问题。

针对准三能级Tm激光器对温度敏感，存在基态再吸收损耗及能量上转换损耗等特点，目前提高Tm:YAG激光器效率的主要方法有两钟，一种是将激光晶体冷却到零下温度，例如通过液氮或液氦来降温；另一种是减低泵浦光功率。然而这两种方法均无法满足实际应用中对室温工作和高功率输出的要求。综合国内外文献报道，目前室温下工作的高功率Tm:YAG激光器均采用普通的半导体激光器泵浦。半导体激光器的工作波长随泵浦功率的增加和半导体温度的增加而出现红移，容易偏离激光晶体的吸收峰，造成激光转换效率减低。与此同时，普通半导体激光器的线宽在3nm左右，虽然与激光晶体的吸收峰或激发峰的半高宽相近，但能够得到最有效吸收的泵浦光子也只是位于吸收峰位置占小部分比例的光子。因此，当前室温下大功率Tm：YAG激光器的光光转换效率均低于35％。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提出了一种基于波长锁定半导体激光模块的铥激光器，用以实现大功率Tm激光器在室温下的高效率输出，将其光光转换效率提高到45％。

本发明提出的一种基于波长锁定半导体激光模块的铥激光器，包括波长锁定的窄线宽半导体激光器模块、泵浦光准直聚焦模块和激光谐振腔模块；半导体泵浦光经波长锁定的窄线宽半导体激光器模块输出到泵浦光准直聚焦模块后，通过激光谐振腔模块产生激光输出。

优选地，该波长锁定的窄线宽半导体激光器模块包括波长锁定的窄线宽半导体激光器和多模光纤，该波长锁定的窄线宽半导体激光器包括半导体激光器和体布拉格光栅，半导体激光器发出的半导体泵浦光经过体布拉格光栅进行波长锁定及线宽压缩后输出给多模光纤。

优选地，激光谐振腔模块为平凹腔结构，包括高反射率腔镜、夹有激光晶体的冷却铜块以及耦合输出镜。

更优选地，夹有激光晶体的冷却铜块包括冷却铜块以及安装在铜块里面的激光晶体，激光晶体为单端键合的Tm：YAG晶体。

更优选地，冷却铜块上设置有水嘴，与外置的控温水箱组成激光晶体的水冷回路，冷却水温度控制在10-25℃。

更优选地，激光晶体掺杂部分长度为14—20mm，掺杂浓度在2—5a.t.％之间，键合的无掺杂部分长度<4mm。

更优选地，高反射率腔镜和耦合输出镜以及激光晶体的对称中心调整到同一条直线上。

更优选地，高反射率腔镜的第二面与激光晶体第一面的距离小于10mm，激光晶体第二面与耦合输出镜第一面的距离在10-50mm之间。

优选地，泵浦光准直聚焦模块是由两片规格相同的平凸透镜组成的共轭成像系统。

更优选地，多模光纤的输出端接口与泵浦光准直聚焦模块一同封装在同一个铝材料镜筒，该两片相同规格的平凸透镜填装到该铝材料镜筒中并固定，将多模光纤的输出端固定到铝材料镜筒的输入端，固定时确保多模光纤的输出端与镜筒输入端连接上时多模光纤的输入端面与平凸透镜第一面的距离为平凸透镜的后焦距，用以保证入射平凸透镜后的泵浦光得到准直。

本发明的有益效果：