[發(fā)明專利]基于LED和LD復(fù)合泵浦Nd：YAG晶體的激光器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210384932.5
• 申請日: 2022-05-11
• 公開（公告）號: CN114744475A
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 沈建平;黃鑫
• 申請（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號: H01S3/0933
• 分類號: H01S3/0933;H01S3/0941;H01S3/16;H01S3/042
• 代理公司: 南京正聯(lián)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32243
• 代理人: 張玉紅

本發(fā)明公開了基于LED和LD復(fù)合泵浦Nd：YAG晶體的激光器，是一種雙波長近紅外全固態(tài)激光器，通過設(shè)計一款新型的腔體耦合裝置，實現(xiàn)LD端面泵浦和LED側(cè)面泵浦的有效復(fù)合泵浦和雙溫控功能。采用大模式體積平?平腔介穩(wěn)型結(jié)構(gòu)，直接復(fù)合泵浦高摻雜濃度為1.5 at.%的Nd：YAG晶體，同步實現(xiàn)938 nm和946nm雙波長激光輸出。通過復(fù)合泵浦結(jié)構(gòu)、雙溫控功能和提高激光晶體摻雜濃度等方式顯著提升光?光轉(zhuǎn)換效率，有效提高雙波長激光輸出效率。本發(fā)明裝置具有成本低、壽命長、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定等特點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光電器件，尤其涉及的是，基于LED和LD復(fù)合泵浦Nd：YAG晶體的激光器，是一種雙波長近紅外全固態(tài)激光器。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)固體激光器的泵浦源為閃光燈，大功率半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)以后，使得半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點高效率、高重復(fù)頻率、小型化、長壽命等與固體激光器的窄脈寬、發(fā)散角小、光譜純、高光束質(zhì)量相結(jié)合，推動了固體激光器與半導(dǎo)體激光器的發(fā)展。但由半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器(簡稱全固態(tài)激光器LDPSSL) 存在一個明顯的缺陷，LD半導(dǎo)體激光器輸出的中心波長范圍比LED窄，一旦LD的中心波長因環(huán)境溫度變化或其它原因而偏離，其相對特定輸出激光波長的能量將立刻下降，不利于激光系統(tǒng)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

與激光二極管相比，采用發(fā)光二極管（LED）作為泵浦源具有壽命更長、系統(tǒng)緊湊、成本低廉等的優(yōu)點。早期人們發(fā)現(xiàn)LED泵浦固體激光器的發(fā)展受到LED小泵浦功率的限制。如今，單個LED管芯的光功率可以用更小的芯片尺寸擴展到瓦級。此外，通過使用準(zhǔn)連續(xù)波（QCW）模式運轉(zhuǎn)LED，輸出峰值光強度可以實現(xiàn)每平方厘米幾百瓦。而且，LD窄帶泵浦與LED寬帶泵浦相比，能級躍遷吸收機制在理論上存在差異。LD的輸出光譜寬度通常小于5nm；因此，當(dāng)LD用作泵浦源時，在大多數(shù)情況下需要激光工作物質(zhì)吸收光譜中的單個吸收峰匹配。在某些情況下，可以忽略光譜寬度，將其視為窄帶泵浦。相比之下，由于LED光源的光譜帶寬范圍通常為20–60 nm，將其視為寬帶泵浦，不必考慮泵浦光光譜與晶體吸收光譜之間的光譜匹配問題，在激光工作物質(zhì)吸收光譜范圍內(nèi)可覆蓋多個吸收峰，更加容易實現(xiàn)雙波長或?qū)拵Ъす廨敵觥５羌す廨敵瞿芰咳允艿絃ED陣列的電流加載限制、LED光學(xué)輸出到增益介質(zhì)的耦合效率相對較低以及可用LED陣列的有限填充因子的限制。現(xiàn)有的LED泵浦系統(tǒng)僅能達(dá)到閾值增益、低光-光轉(zhuǎn)換效率或低斜效率激光輸出。

無論是單獨使用LD泵浦還是LED泵浦，都有自身無法避免的缺陷，LD端面泵浦，能量密度高但光譜可調(diào)諧范圍窄，LED側(cè)面泵浦能量密度低但光譜范圍寬。因此本發(fā)明結(jié)合兩種泵浦源的優(yōu)缺點，設(shè)計一種可復(fù)合泵浦的腔體耦合裝置，實現(xiàn)了938nm、946nm雙波段激光的出射。

楊博達(dá)等，在《光子學(xué)報》2021 年 3 月第50卷第3期上發(fā)表了《高溫 LDAs 側(cè)面脈沖泵浦 Nd：YAG 激光器》一文，公開了一臺緊湊型高溫激光二極管陣列側(cè)面泵浦 Nd：YAG脈沖激光器。通過半導(dǎo)體制冷器控制泵浦源工作溫度在 60℃，其發(fā)射中心波長為 808 nm，譜線寬度為 4 nm。模擬了泵浦源在 40℃、50℃和60℃條件下 60 s 內(nèi)的溫度場分布。為此項本技術(shù)做了開創(chuàng)性的研究，但尚未提出復(fù)合泵浦的應(yīng)用，尚未解決上述技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的旨在實現(xiàn)側(cè)面泵浦與端面泵浦的有效結(jié)合，通過復(fù)合泵浦的方式提升光-光轉(zhuǎn)換效率，促進938nm和946nm雙波長激光的發(fā)射。所述的復(fù)合泵浦能夠?qū)D光源的高能量密度與LED光源的寬帶泵浦相結(jié)合，形成一種獨特的泵浦方式。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：一種基于LED和LD復(fù)合泵浦高摻雜濃度Nd：YAG晶體的雙波長近紅外全固態(tài)激光器，包括，LD半導(dǎo)體激光器，LED燈條，輸入鏡，輸出耦合鏡，腔體耦合裝置，激光晶體以及冷卻系統(tǒng)；

所述的LD半導(dǎo)體激光器由一LD激光二極管發(fā)射，通過一焦距為75mm的聚焦鏡將光斑聚焦在晶體端面，最大光功率可達(dá)15W，波長范圍801~809nm可調(diào)諧，半峰寬2nm；

所述的LD半導(dǎo)體激光器由LD溫控系統(tǒng)精確控溫，穩(wěn)定工作在室溫25℃；