一种紧凑型机载宽温固体激光器

1.本发明涉及激光器技术领域，特别是一种紧凑型机载宽温固体激光器。


背景技术：

2.紧凑型高能二极管泵浦的固体激光器因具备效率高、体积小、重量轻、可靠性强在科学研究、工业加工、机载军用和空间探测等领域具有广泛应用。由于使用环境尤其是野外应用环境的复杂性和差异化，很多机载应用场景均要求激光器不仅能够在振动引起的谐振腔失谐条件下工作而且可以承受很大的温度变化范围依然稳定输出。
3.然而固态增益介质的吸收系数很大程度上依赖光泵浦波长，任何与激光二极管发射波长密切相关的环境温度变化最终都会影响二极管泵浦固体激光器的输出性能。如何提升此类固体激光器的宽温工作稳定性是一个亟待解决的问题。为实现激光二极管泵浦全固态激光器在宽温度范围内正常稳定工作，常用的方法是引入温度不敏感型vcsel泵浦源或者多波长激光二极管泵浦阵列匹配增益介质吸收谱，以在一定程度上实现固体激光器在宽温条件下稳定性工作，但是上述方法等在激光器成本、紧凑性以及输出效率方面需要付出很大代价，违背了紧凑可靠，控制研发成本的设计原则。这在很大程度上限制了此类激光器的应用范围。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种紧凑型机载宽温固体激光器，解决上述现有技术问题。该发明具有结构紧凑、性能稳定、成本低廉、便于携带等特点，能够实现高脉冲能量、高光束质量的激光输出，可在机载振动条件下及-30℃~50℃宽温范围内持续稳定工作。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种紧凑型机载宽温固体激光器，包括第一porro棱镜、第一波片、调q开关、偏振分光棱镜、激光板条晶体、泵浦匀滑装置、激光二极管泵浦源、第二波片、第二porro棱镜、反射镜、激光二极管阵列热沉(11)和激光板条晶体热沉；所述第一porro棱镜与第一波片、调q开关、偏振分光棱镜、激光板条晶体、第二波片和第二porro棱镜(9)依次设置且均处于同一光轴上，且第一porro棱镜(1)与第二porro棱镜的棱线互相正交；激光二极管阵列热沉与激光板条晶体热沉相对设置，激光二极管阵列热沉的相对侧上设有激光二级管泵浦源，激光板条晶体热沉的相对侧上设有对应的激光板条晶体，且泵浦匀滑装置设置于激光二极管泵浦源与激光板条晶体之间；反射镜与偏振分光棱镜对应设置，通过反射镜使由偏振分光棱镜输出的激光向水平方向输出。
6.作为本发明的进一步优选，所述激光板条晶体为6mm*6mm*96mm的nd:yag板条晶体，掺杂浓度为1at.%；nd:yag板条晶体的两个端面依据布鲁斯特角切割成28.8度，激光可在nd:yag板条晶体内部完成9次全内反射传输。
7.作为本发明的进一步优选，所述激光二极管泵浦源为四个沿激光板条晶体的长度方向等距排列的半导体二极管阵列。
8.作为本发明的进一步优选，所述激光板条晶体上与激光二极管泵浦源相对的一侧镀制有增透膜，激光板条晶体上与激光板条晶体热沉接触的一侧镀制有高反膜。
9.作为本发明的进一步优选，所述激光板条晶体的两端均镀制有增透膜。
10.作为本发明的进一步优选，所述调q开关为电光调q开关，调q开关的电光调q晶体为kd*p或rtp。
11.作为本发明的进一步优选，所述泵浦匀滑装置为板条状石英玻璃立方体。
12.作为本发明的进一步优选，还包括tec，tec分别与激光二极管阵列热沉和激光板条晶体热沉连接。
13.作为本发明的进一步优选，所述反射镜为45
°
反射镜。
14.作为本发明的进一步优选，所述第一波片为0.57λ 波片，第二波片为0.25λ波片。
15.本发明具有如下有益效果：(1)采用双正交porro棱镜组合偏振输出腔型，极大的提高了固体激光光源抗机载振动及宽温环境引起的腔镜失谐的能力。
16.(2)结合紧凑的热沉设计，高精度温控单元能够对激光晶体和泵浦源进行有效温度控制，极大提高了固体激光器在宽温环境下保持稳定输出的能力。
17.(3)该台激光器具有输出光束质量好、脉冲能量大、结构紧凑、性能稳定、成本低廉等优点，可在机载振动条件下以及-30℃~50℃宽温范围等恶劣环境下持续稳定工作。特别适用于机载雷达、空间探测、军事国防、手持式激光冲击强化等各个领域。
附图说明
18.图1是本发明紧凑型机载宽温固体激光器的结构示意图；图2是本发明紧凑型机载宽温固体激光器的部分结构放大示意图；图3是本发明紧凑型机载宽温固体激光器在-30℃~50℃宽温条件下输出能量测试曲线图。
19.其中有：1. 第一porro棱镜；2.第一波片；3. 调q开关；4. 偏振分光棱镜；5. 激光板条晶体；6. 泵浦匀滑装置；7. 激光二极管泵浦源；8.第二波片；9. 第二porro棱镜；10. 反射镜；11. 激光二极管阵列热沉；12. 激光板条晶体热沉；13.tec；14.卡座。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
21.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
22.如图1-3所示，一种紧凑型机载宽温固体激光器，包括第一porro棱镜1、第一波片2、调q开关3、偏振分光棱镜4、激光板条晶体5、泵浦匀滑装置6、激光二极管泵浦源7、第二波片8、第二porro棱镜9、反射镜10、激光二极管阵列热沉11和激光板条晶体热沉12；所述第一porro棱镜1与第一波片2、调q开关3、偏振分光棱镜4、激光板条晶体5、第
二波片8和第二porro棱镜9依次设置且均处于同一光轴上，即第一porro棱镜1与第一波片2、调q开关3、偏振分光棱镜4、激光板条晶体5、第二波片8和第二porro棱镜9的中心点均处于同一条轴上。且第一porro棱镜1与第二porro棱镜9的棱线互相正交。所述第一porro棱镜1与第二porro棱镜9彼此正交放置，选取的棱线摆放角度分别为45
°
与135
°
。
23.激光二极管阵列热沉11为轴向截面为u形的u形结构，如图2所示，u形结构分为第一竖直段、第二竖直段和连接段。激光板条晶体热沉12设置于u形结构第一竖直段的内壁上，第二竖直段的激光二极管阵列热沉11与激光板条晶体热沉12相对设置，第二竖直段的激光二极管阵列热沉11与激光板条晶体热沉12相对的一侧上设有激光二级管泵浦源7，激光板条晶体热沉12的相对一侧上设有对应的激光板条晶体5，激光二极管阵列热沉11材质为锻打紫铜，经tec、风冷或其组合方式进行温度控制。激光板条晶体热沉12通过固定螺丝安装在激光二极管阵列热沉11的第一竖直段的内壁上，共同通过高精度大尺寸tec13实现精确温度控制，结构紧凑可靠。
24.所述激光板条晶体热沉12为凹槽式设计，激光板条晶体设置于凹槽内。激光板条晶体热沉12的材质为钨铜合金，与通过铟箔焊接的激光板条晶体5的三个侧面紧密贴合， 通过tec实现精确温度控制。
25.所述泵浦匀滑装置6为板条状石英玻璃立方体，通过卡座14固定安装在激光板条晶体5与激光二极管泵浦源7之间，泵浦匀滑装置6的尺寸与激光板条晶体5上表面长度一致。反射镜10与偏振分光棱镜4对应设置，通过反射镜10使由偏振分光棱镜4输出的激光向水平方向输出。泵浦光经泵浦匀滑装置6在激光板条晶体5内部全反射点处进行泵浦，以最大程度提升泵浦效率。
26.所述激光板条晶体5为6mm*6mm*96mm的nd:yag板条晶体，掺杂浓度为1at.%；nd:yag板条晶体的两个端面依据布鲁斯特角切割成28.8度，激光可在nd:yag板条晶体内部完成9次全内反射传输。
27.所述激光二极管泵浦源7为四个沿激光板条晶体5的长度方向等距排列的半导体二极管阵列。每个阵列由6个bar条组成，单bar条最大功率为200w，重复频率可在1-25hz可调，脉宽设置为200μs，以匹配nd:yag材料的荧光寿命。激光二极管泵浦最大能量为960mj。
28.所述激光板条晶体5上与激光二极管泵浦源7相对的一侧镀制有800~810nm的增透膜，激光板条晶体5上与激光板条晶体热沉12接触的一侧镀制有800~810nm的高反膜，以提高泵浦吸收效率。
29.所述激光板条晶体5的两端均镀制有1064nm的增透膜，以减少寄生振荡效应。
30.所述调q开关3为电光调q开关，调q开关3的电光调q晶体为kd*p。所述调q开关3为电光调q开关，电光调q晶体为kd*p。为获得最大能量脉冲激光输出，电光调q开关与激光二极管泵浦源7精确时钟同步。偏振输出激光通过反射镜10进一步弯折90
°
输出，实现最大程度的结构紧凑性。
31.所述第一porro棱镜1、第一波片2、调q开关3与偏振分光棱镜4构成激光器的反射璧，激光板条晶体5、第二波片8、第二porro棱镜9与偏振分光棱镜4组成激光器的输出璧。泵浦开始后，当调q开关3未施加电压时，水平偏振光经反射璧后成为垂直偏振光，经过偏振分光棱镜4时会被反射镜10反射出谐振腔，此时损耗极大，q值极低，难以形成激光振荡。在某
一时刻，调q开关上施加电压后，水平偏振光经反射璧后偏振态不改变，从而继续进入输出璧，后经第二porro棱镜9反射在输出璧两次传输后，变为椭圆偏振光，椭圆偏振光的垂直分量经偏振分光棱镜4输出，水平分量留在腔内继续振荡，如此往复，形成调q脉冲激光输出。腔内振荡光子密度及输出比率可通过旋转第二波片8进行调整。
32.还包括tec13，tec13分别与激光二极管阵列热沉11和激光板条晶体热沉12连接。图2是本发明紧凑型机载宽温固体激光器的增益及温控模块结构示意图。所述激光板条晶体52通过铟箔包裹安装在钨铜材质的激光板条晶体热沉11的凹槽中，高效热传导的同时，实现热膨胀系数匹配。所述泵浦匀滑装置6为板条状石英玻璃立方体，通过卡座14固定安装在激光板条晶体5与激光二极管泵浦源7之间。所述激光二极管阵列热沉11材质为锻打紫铜。激光二极管阵列热沉11和激光板条晶体热沉12共同通过高精度大尺寸tec13实现精确温度控制，结构紧凑可靠。
33.所述反射镜10为一定角度的平面镜，优选为45
°
设置的平面镜。反射镜10的作用是将通过偏振分光棱镜4竖直输出的激光的角度进行调节，使其为水平方向输出。所述第一波片2为0.57λ 波片，第二波片8为0.25λ波片。
34.图3是本发明紧凑型机载宽温固体激光器在-30℃~50℃宽温条件下输出能量测试曲线图。实验测试时，泵浦电流为115a，对应的泵浦能量为535mj，重复频率为25hz，最大输出能量为101mj，此时的最大的光光转换效率为18.9%。而一般的宽温固体激光器的光光转换效率难以超过15%。该发明紧凑型机载宽温固体激光器在宽温环境下输出能量曲线总体较为平稳，总体输出较为稳定，能够满足机载雷达、空间探测、军事国防、手持式激光冲击强化等各个领域的应用需求。
35.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。