基于细长键合晶体的3.9μm中波红外激光器的制作方法

基于细长键合晶体的3.9
μ
m中波红外激光器
技术领域
1.本发明属于中红外激光器技术领域，涉及一种基于细长键合晶体的3.9μm中波红外激光器。


背景技术：

2.近年来，中红外激光器在环境监测、激光医疗、光电对抗等领域有着广泛的应用。在一些领域中，对激光器的体积、输出峰值功和重复频率等指标提出了较高的要求。在产生中红外波段的多种激光器中，掺钬氟化钇钡(ho:byf)固体激光器具有高光—光效率、高重复频率、结构简单、体积小和室温工作等优点，更容易满足上述要求。
3.然而，ho:byf固体激光器的量子缺损非常大，几乎接近于nd:yag激光器的三倍。因此，如果采用一般的端面泵浦结构极易在泵浦区引起较严重的热效应，在高功率泵浦、或高重复频率泵浦、或宽脉宽泵浦时导致无法消除的热积累，严重时甚至可以导致晶体的炸裂。


技术实现要素：

4.(一)发明目的
5.本发明的目的是：针对目前ho:byf中红外固体激光器的增益介质所存在的热致应力损伤问题，提供一种基于细长键合晶体的3.9μm中红外激光器，增大晶体的有效比表面积，使晶体内部的热量分布均匀化，避免晶体端面发生热损伤；同时设计斜向切割晶体的方法，获得具有非规则几何形状的激光晶体，以抑制晶体内部的寄生振荡，提高激光器的输出性能。
6.(二)技术方案
7.为了解决上述技术问题，本发明提供基于细长键合晶体的3.9μm中波红外激光器，其包括：第一889nm泵浦源1、第一准直聚焦透镜组2、第一45
°
双色镜3、全反镜8、激光晶体4、输出耦合镜9、第二45
°
双色镜5、第二准直聚焦透镜组6和第二889nm泵浦源7；在所述的激光晶体4两侧分布设置有第一45
°
双色镜3和第二45
°
双色镜5；在所述第一45
°
双色镜3的左侧设置第一准直聚焦透镜组2；在所述第一准直聚焦透镜组2左侧设置第一889nm泵浦源1；在所述第二45
°
双色镜5的右侧设置第二准直聚焦透镜组6；在所述第二准直聚焦透镜组6右侧设置第二889nm泵浦源7；在所述第一45
°
双色镜的下侧设置全反镜8；在所述第二45
°
双色镜5的下侧设置输出耦合镜9。
8.其中，所述第一889nm泵浦源1和第二889nm泵浦源7为半导体二极管激光器。
9.其中，所述第一准直聚焦透镜组2和第二准直聚焦透镜组6均由两块焦距正透镜构成。
10.其中，所述第一45
°
双色镜3和第二45
°
双色镜5均双面镀有889nm的增透膜，面向激光晶体4的一面镀有3.9μm的高反膜。
11.其中，所述全反镜8采用平凹透镜，双面镀有889nm的增透膜，面向谐振腔内的一面镀有3.9μm的高反膜。
12.其中，所述输出耦合镜9采用平凹透镜，面向谐振腔内的一面镀有3.9μm的高反膜。
13.其中，所述激光晶体4的结构为：增益介质两端键合长度为1～10mm且横截面的边长为4～10mm的未掺杂byf晶体，中间是横截面与键合部分相同的ho:byf晶体，其长度至少为10mm。
14.其中，所述增益介质由一块大晶体切割成四根细长晶体，两个切割面相互垂直并在横截面中心沿着通光方向切割晶体，切割后得到四根相同截面的细长晶体，每根晶体横截面的两组对边均呈1～3
°
的倾斜角。
15.其中，所述增益介质或由铟膜包裹放置于铜热沉中并通水冷却热沉，或直接将增益介质浸入冷却水中进行冷却。
16.所述激光器工作时，第一889nm泵浦源1发出的光经过第一准直聚焦透镜组2整形，然后继续穿过第一45
°
双色镜3照射入激光晶体4内，并控制光束聚焦在距离左端面5mm处；同样，第二889nm泵浦源7发出的光经过第二准直聚焦透镜组6整形，然后继续穿过第二45
°
双色镜5照射入激光晶体4内，并控制光束聚焦在距离右端面5mm处；第一45
°
双色镜3和第二45
°
双色镜5将谐振腔折呈“u”型结构。
17.(三)有益效果
18.上述技术方案所提供基于细长键合晶体的3.9μm中红外激光器，具有以下有益效果：
19.(1)本发明中，采用889nm的半导体激光二极管作为泵浦源，双端泵浦ho:byf晶体，以有效实现3.9μm的中红外激光输出。
20.(2)本发明中，双向泵浦机制避免了晶体端面增益过大的弊端，使整个晶体增益分布相对均匀。
21.(3)本发明中，细长结构的激光晶体具有较大的有效比表面积，多余的热量能够被及时带走，优化了晶体的热量分布。
22.(4)本发明中，增益介质是一根细长的ho:byf晶体，在它两端键合有未掺杂的byf晶体，能够减小激光晶体的热效应，能有效提高激光晶体的热损伤阈值。
23.(5)本发明中，使用了一种特殊切割晶体的方法，所获得的晶体横截面的对边互不平行，可抑制增益介质内部的寄生振荡。该方法简单易行，适用范围广，能减少加工晶体过程中的原料浪费，节约加工成本。
附图说明
24.图1是基于细长键合晶体的中波红外激光器装置图。
25.图2是晶体切割方式的示意图。
26.图3是晶体切割横截面示意图。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
28.本发明的设计思路是：采用ld直接泵浦细长ho:byf激光晶体，该结构的激光晶体具有比普通端面泵浦的激光晶体大的有效比表面积。一般而言，有效比表面积较大的结构
具有较好的散热能力，有利于增益介质内部形成的热积累迅速而有效地被冷却器带走。由于晶体热致损伤现象往往发生在靠近晶体端面附近，因此，本发明在细长ho:byf激光晶体两端键合了未掺杂的byf晶体，以提高激光晶体的损伤阈值。同时，为了提高泵浦激光晶体的效率，一般需要研磨激光晶体的四个侧面，从而保证泵浦光能够在细长结构的激光晶体内发生全反射，以有效吸收尽可能多的泵浦能量。然而，研磨后晶体的两个平面之间很容易产生寄生振荡，这样就会影响激光的输出功率。本发明使用了精心设计的斜向切割法，将一块大晶体切割成四根细长晶体，在细长晶体的相对两侧面之间存在着一定的倾斜角度，以抑制研磨层间的寄生振荡，提高激光器的增益能力。
29.如图1所示，本实施例基于细长键合晶体的3.9μm中波红外激光器包括：第一889nm泵浦源1、第一准直聚焦透镜组2、第一45
°
双色镜3、全反镜8、激光晶体4、输出耦合镜9、第二45
°
双色镜5、第二准直聚焦透镜组6和第二889nm泵浦源7；在所述的激光晶体4两侧分布设置有第一45
°
双色镜3和第二45
°
双色镜5；在所述第一45
°
双色镜3的左侧设置第一准直聚焦透镜组2；在所述第一准直聚焦透镜组2左侧设置第一889nm泵浦源1；在所述第二45
°
双色镜5的右侧设置第二准直聚焦透镜组6；在所述第二准直聚焦透镜组6右侧设置第二889nm泵浦源7；在所述第一45
°
双色镜的下侧设置全反镜8；在所述第二45
°
双色镜5的下侧设置输出耦合镜9。
30.本实施例中，所述第一889nm泵浦源1和第二889nm泵浦源7为半导体二极管激光器；第一准直聚焦透镜组2和第二准直聚焦透镜组6皆是由两块焦距正透镜构成；第一45
°
双色镜3和第二45
°
双色镜5均双面镀有889nm的增透膜，面向激光晶体4的一面镀有3.9μm的高反膜；全反镜8采用平凹透镜，双面镀有889nm的增透膜，面向谐振腔内的一面镀有3.9μm的高反膜；输出耦合镜9采用平凹透镜，面向谐振腔内的一面镀有3.9μm的高反膜。
31.激光晶体4的结构为：增益介质两端键合长度为1～10mm且横截面的边长为4～10mm的未掺杂byf晶体，中间是横截面与键合部分相同的ho:byf晶体，其长度至少为10mm；所述的增益介质由一块大晶体切割成四根细长晶体，两个切割面相互垂直并在横截面中心沿着通光方向切割晶体。切割后得到四根相同截面的细长晶体，每根晶体横截面的两组对边均呈1～3
°
的倾斜角；增益介质或由铟膜包裹放置于铜热沉中并通水冷却热沉，或直接将增益介质浸入冷却水中进行冷却。
32.激光器工作时，第一889nm泵浦源1发出的光经过第一准直聚焦透镜组2整形，然后继续穿过第一45
°
双色镜3照射入激光晶体4内，并控制光束聚焦在距离左端面5mm处；同样，第二889nm泵浦源7发出的光经过第二准直聚焦透镜组6整形，然后继续穿过第二45
°
双色镜5照射入激光晶体4内，并控制光束聚焦在距离右端面5mm处；第一45
°
双色镜3和第二45
°
双色镜5将谐振腔折呈“u”型结构，方便双向泵浦；谐振腔内的全反镜8和输出耦合镜9均为平凹透镜，激光晶体固定在铜夹具内并通水冷却。
33.基于以上激光器，参照图2所示，本实施例还提供了一种激光晶体4的获得方法，能够减小晶体热致损伤同时抑制寄生振荡，首先采用一块长度至少为10mm且横截面的边长为4～10mm的ho:byf晶体，在其两端分别键合两块长度为1～10mm且具有相同横截面的byf晶体后，构成一块大晶体，如图2中的10所示；然后将上述的大晶体切割成四根细长晶体，两个切割面相互垂直并在横截面中心沿着通光方向切割晶体，如图2中的11所示；切割后得到四根相同截面的细长晶体，图2中的12所示。图3所示为晶体的横截面切割情况，每根晶体横截
面的两组对边均呈1～3
°
倾斜角，如图3中的13所示，切割后得到四根晶体的横截面相同，如图3中的14所示。
34.由以上技术方案可以看出，本发明具有以下显著特点：
35.1、本发明中，采用889nm的半导体激光二极管作为泵浦源，双端泵浦ho:byf晶体，可有效实现3.9μm的中红外激光输出。
36.2、本发明中，双向泵浦机制避免了晶体端面增益太大的弊端，使整个晶体增益分布相对均匀。
37.3、本发明中，细长结构的激光晶体具有较大的比表面积，多余的热量能够被及时带走，同时优化了晶体的热量分布。
38.4、本发明中，增益介质两端键合未掺杂、长度为1～10mm且横截面的边长为4～10mm的byf晶体，中间是横截面与键合部分相同的ho:byf晶体，其长度至少为10mm。
39.5、本发明中，使用一种特殊切割晶体的方法，获得的晶体其横截面的对边互不平行，抑制端面入射时增益介质内部的寄生振荡。该方法简单，适用范围广，不仅能够有效抑制寄生振荡，而且还能减少加工晶体过程中的原料浪费，节约加工成本。
40.6、本发明中，或使用铟膜包裹增益介质并放置于铜热沉中，通水冷却热沉；或直接将增益介质浸入冷却水中冷却。
41.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。