本發(fā)明涉及激光器領(lǐng)域，具體是一種高重頻窄線寬調(diào)Q鉺激光器。

背景技術(shù)：

中紅外波段（2～2.6um，3～4um,4.5～5.5um）,近紫外、可見光和近紅外波段（0.3～1.3um，1.5～1.8um）是光波段的大氣窗口。鉺激光晶體（Er:YSGG）可產(chǎn)生波長為2.79um的中紅外波段的激光；雖然該波段不位于大氣窗口內(nèi)，但利用高峰值功率的此激光泵浦非線性晶體（ZnGeP2，AgGaS2，AgGaSe2，GaSe等）進(jìn)行倍頻、差頻、和頻、光學(xué)參量振蕩，可實(shí)現(xiàn)光學(xué)波長的拓展和調(diào)諧。特別高峰值功率鉺激光作為光學(xué)參量振蕩的泵浦源，易獲得3-5um以及8-14um的長波長激光。而后者激光在遠(yuǎn)距離的激光雷達(dá)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。在機(jī)載、星載激光雷達(dá)應(yīng)用中，高重復(fù)頻率有利于提高探測(cè)的分辨率、精度，高的峰值功率，高的單脈沖能量有利于提高非線性轉(zhuǎn)換的效率，也有利于提高激光雷達(dá)的探測(cè)距離。因此高重頻（kHz），高峰值功率（mJ級(jí)，ns級(jí)），窄線寬，高光學(xué)質(zhì)量的2.79um的泵浦源有著極其重要的應(yīng)用價(jià)值和戰(zhàn)略意義。

另外，水和羥基磷灰石對(duì)該波長激光的有效吸收?？蓪⑵溆糜谘劢悄?、牙齒和骨骼等軟、硬組織的精準(zhǔn)切削或消融，納秒級(jí)的窄脈沖能減小激光對(duì)病灶周圍正常組織的熱損傷，是一種精準(zhǔn)切削或消融的理想醫(yī)用激光源。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，未見高重頻（kHz），高峰值功率（mJ級(jí)，ns級(jí)），窄線寬，高光學(xué)質(zhì)量的2.79um的激光器的報(bào)導(dǎo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種高重頻窄線寬調(diào)Q鉺激光器，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種高重頻窄線寬調(diào)Q鉺激光器，其特征在于：包括種子激光器、激光放大器和電控溫控單元，其中：

種子激光器包括兩端鍵合純YSGG晶體并摻雜Er3+的Er:YSGG激光晶體棒，該Er:YSGG激光晶體棒中心軸兩端即左、右端外沿光軸方向依次共光軸設(shè)有全反鏡片、準(zhǔn)直聚焦鏡筒、光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊，其中全反鏡片的全反射面分別朝向Er:YSGG激光晶體棒，左、右的全反鏡片、準(zhǔn)直聚焦鏡筒、光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊呈左、右對(duì)應(yīng)對(duì)稱，位于Er:YSGG激光晶體棒右端外的全反鏡片反射光路上沿光路方向設(shè)有半反鏡，以半反鏡作為種子激光器的輸出鏡片，位于Er:YSGG激光晶體棒左端外的全反鏡片反射光路上沿光路方向依次設(shè)有起偏器、調(diào)Q晶體、VBG光柵，所述VBG光柵與輸出鏡片分別位于彼此的反射光路上，且輸出鏡片向VBG光柵的光路上依次設(shè)有1/2λ波片、法拉第光隔離器；光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊產(chǎn)生的泵浦光入射至Er:YSGG激光晶體棒左、右端，Er:YSGG激光晶體棒經(jīng)過兩端泵浦后產(chǎn)生激光光束從右端出射至全反鏡片，經(jīng)右端的全反鏡片反射后再入射至輸出鏡片，部分激光光束透射過輸出鏡片并入射至激光放大器，其余激光光束經(jīng)輸出鏡片反射后，再依次經(jīng)過1/2λ波片、法拉第光隔離器入射至VBG光柵，并被VBG光柵反射后再依次經(jīng)過調(diào)Q晶體、起偏器入射至左端的全反射鏡，最后經(jīng)左端的全反射鏡反射至Er:YSGG激光晶體棒，形成環(huán)形的種子激光器結(jié)構(gòu)；

激光放大器包括全反鏡、側(cè)泵浦的板條式Er：YSGG激光晶體、半導(dǎo)體激光巴條，板條式Er：YSGG激光晶體中心軸兩端即左、右端分別切割成相同角度的斜面，所述全反鏡位于輸出鏡片的透射光路上，板條式Er：YSGG激光晶體左端位于全反鏡的反射光路上，半導(dǎo)體激光巴條圍在板條式Er：YSGG激光晶體側(cè)面外，輸出鏡片透射過的激光光束經(jīng)全反鏡反射后入射至板條式Er：YSGG激光晶體左端，同時(shí)板條式Er：YSGG激光晶體受半導(dǎo)體激光巴條泵浦后產(chǎn)生激光光束，泵浦產(chǎn)生的激光光束與左端入射的激光光束共同從板條式Er：YSGG激光晶體右端出射，實(shí)現(xiàn)放大輸出；

電控溫控單元包括光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊驅(qū)動(dòng)電源、調(diào)Q晶體驅(qū)動(dòng)電源、半導(dǎo)體激光巴條驅(qū)動(dòng)電源、溫控單元、控制單元，其中光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊驅(qū)動(dòng)電源分別供電至左、右端的光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊，半導(dǎo)體激光巴條驅(qū)動(dòng)電源供電至半導(dǎo)體激光巴條，調(diào)Q晶體驅(qū)動(dòng)電源供電至調(diào)Q晶體，光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊驅(qū)動(dòng)電源、調(diào)Q晶體驅(qū)動(dòng)電源、半導(dǎo)體激光巴條驅(qū)動(dòng)電源分別接入控制單元，由控制單元控制各個(gè)驅(qū)動(dòng)電源的供電，溫控單元亦接入控制單元由控制單元控制，且溫控單元分別對(duì)Er:YSGG激光晶體棒、光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊、板條式Er：YSGG激光晶體、半導(dǎo)體激光巴條進(jìn)行溫度控制。

所述的一種高重頻窄線寬調(diào)Q鉺激光器，其特征在于：種子激光器中的Er:YSGG激光晶體棒整體放置在銅制的熱沉中，并通過溫控單元帶走多余的熱量，采用種子激光器加激光放大器，降低激光器諧振腔激光的損傷閾值，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量低能量的種子激光輸出，通過放大級(jí)提高能量和輸出水平。

所述的一種高重頻窄線寬調(diào)Q鉺激光器，其特征在于：由1/2λ波片、法拉第光隔離器組成單向器，構(gòu)成環(huán)形行波諧振腔。

所述的一種高重頻窄線寬調(diào)Q鉺激光器，其特征在于：種子激光器中采用的激光棒為兩端鍵合純YSGG晶體的摻雜Er3+的YSGG的Er:YSGG激光晶體棒，用于降低熱透鏡效應(yīng)和防止激光端面畸變。

所述的一種高重頻窄線寬調(diào)Q鉺激光器，其特征在于：VBG光柵由氟化鈣或氟化鎂材料制成，用于壓窄線寬，獲得單縱模或窄線寬輸出。

所述的一種高重頻窄線寬調(diào)Q鉺激光器，其特征在于：種子激光器中的Er:YSGG激光晶體棒利用兩端的光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊實(shí)現(xiàn)雙向端面泵浦，激光放大器中的板條式Er：YSGG激光晶體利用側(cè)面的半導(dǎo)體激光巴條實(shí)現(xiàn)側(cè)向泵浦。

所述的一種高重頻窄線寬調(diào)Q鉺激光器，其特征在于：所述法拉第光隔離器激光只能沿一個(gè)方向上傳播，材料為YIG，鍍有2.79um的增透膜。

所述的一種高重頻窄線寬調(diào)Q鉺激光器，其特征在于：所述調(diào)Q晶體為聲光調(diào)Q晶體，材質(zhì)為TeO2，通光片鍍有2.79um的增透膜。

本發(fā)明種子激光器中，起偏器為布儒斯特角放置的偏振片，材料為氟化鎂或氟化鈣，鍍有2.79um的偏振膜，用于起偏器和檢偏器的作用。

本發(fā)明種子激光器中，Er:YSGG激光晶體棒左、右端外的全反鏡片分別為彎月形結(jié)構(gòu)，凸面對(duì)著Er:YSGG激光晶體棒方向，凹面對(duì)著準(zhǔn)直聚焦鏡筒方向，曲率半徑相同；凸面鍍有2.79um的全反膜和966nm的增透膜，凹面鍍有966nm的增透膜。

本發(fā)明種子激光器中，作為輸出鏡片的半反鏡為白寶石、或YSGG晶體、或YAG晶體、或氟化鈣或氟化鎂制成，鍍有20%~95%反射膜。

本發(fā)明激光放大器中，半導(dǎo)體激光巴條均輸出波長為966nm的激光，作用為泵浦源。

本發(fā)明的調(diào)Q原理：通過使用調(diào)Q技術(shù)改變激光器的閾值來使上能級(jí)粒子數(shù)大量積累。當(dāng)積累到最大值時(shí)突然使腔的損耗減小，激光振蕩迅速建立，上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被迅速消耗，從而獲得峰值功率很高的巨脈沖。

本發(fā)明提供一種具有高重復(fù)頻率、高能量脈沖、納秒級(jí)脈寬的2.79μm聲聲光調(diào)Q Er:YSGG激光器，該激光器具有重復(fù)頻率高(kHz)、高能量（mJ）、激光脈寬窄（ns ）、窄線寬（pm）、輸出功率穩(wěn)定、光斑強(qiáng)度分布均勻等特點(diǎn)。本發(fā)明采用的半導(dǎo)體泵浦Er:YSGG將大大減小激光器的熱效應(yīng)，提高轉(zhuǎn)換效率和重復(fù)頻率，可獲得高能量和高光束質(zhì)量的2.79μm激光輸出。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于：

（1）本發(fā)明采用光纖輸出的半導(dǎo)體激光端面泵浦Er:YSGG激光晶體棒，產(chǎn)生2.79um的激光。半導(dǎo)體激光通過光纖的勻化作用后，經(jīng)準(zhǔn)直聚焦鏡筒聚焦到Er:YSGG激光晶體棒內(nèi)，使得泵浦光分布均勻，易于獲得高光學(xué)質(zhì)量的激光。種子激光器和激光放大器均采用半導(dǎo)體激光泵浦，光光轉(zhuǎn)化效率高，有效的減小激光產(chǎn)生過程中晶體內(nèi)部的熱效應(yīng)問題，使得激光輸出穩(wěn)定。

（2）本發(fā)明采用聲光調(diào)Q技術(shù)，調(diào)Q晶體選用TeO2材料制成，該晶體不潮解、物理化學(xué)性能穩(wěn)定，在2.79μm波長處透光性好，損傷閾值高，具有其它調(diào)Q晶體無法比擬的優(yōu)勢(shì)，保證中紅外脈沖激光器輸出能量大、脈沖短、光束質(zhì)量好，長期工作穩(wěn)定可靠。

（3）本發(fā)明采用種子激光器加激光放大技術(shù)相結(jié)合的方案，種子激光器獲得高光束質(zhì)量的低能量激光；由于種子激光器內(nèi)的功率密度、能量密度低于各種光學(xué)元件的損傷閾值，從而保證了種子激光器的穩(wěn)定性。激光放大器獲得高的激光放大倍率，從而獲得高的單脈沖能量和平均功率。

（4）本發(fā)明的種子激光器中使用1/2λ波片、法拉第光隔離器組成的單向器，構(gòu)成的環(huán)形行波諧振腔，結(jié)合VBG光柵的壓窄線寬技術(shù)，避免激光的燒孔效應(yīng)，從而獲得穩(wěn)定的單縱模激光輸出。

（5）本發(fā)明的種子激光器中的全反鏡片采用對(duì)稱的彎月透鏡，面向諧振腔內(nèi)為凸面，有利于補(bǔ)償激光晶體內(nèi)的熱效應(yīng)。

（6）本發(fā)明的種子激光器中采用鍵合YSGG的Er:YSGG激光晶體棒的結(jié)構(gòu)，將大大減小激光器的熱效應(yīng)和端面熱畸變，可獲得高光束質(zhì)量的2.79μm激光輸出。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2為本發(fā)明激光器部分的結(jié)構(gòu)原理圖。

具體實(shí)施方式

如圖1、圖2所示，一種高重頻窄線寬調(diào)Q鉺激光器，包括種子激光器、激光放大器和電控溫控單元，其中：

種子激光器包括兩端鍵合純YSGG晶體并摻雜Er3+的Er:YSGG激光晶體棒1，該Er:YSGG激光晶體棒1中心軸兩端即左、右端外沿光軸方向依次共光軸設(shè)有全反鏡片2和3、準(zhǔn)直聚焦鏡筒4、5、光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊6和7，其中全反鏡片2和3的全反射面分別朝向Er:YSGG激光晶體棒，左、右的全反鏡片、準(zhǔn)直聚焦鏡筒、光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊呈左、右對(duì)應(yīng)對(duì)稱，位于Er:YSGG激光晶體棒1右端外的全反鏡片2反射光路上沿光路方向設(shè)有半反鏡，以半反鏡9作為種子激光器的輸出鏡片9，位于Er:YSGG激光晶體棒1左端外的全反鏡片3反射光路上沿光路方向依次設(shè)有起偏器8、調(diào)Q晶體13、VBG光柵12，VBG光柵12與輸出鏡片9分別位于彼此的反射光路上，且輸出鏡片9向VBG光柵12的光路上依次設(shè)有1/2λ波片10、法拉第光隔離器11；光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊6、7產(chǎn)生的泵浦光入射至Er:YSGG激光晶體棒1左、右端，Er:YSGG激光晶體棒1經(jīng)過兩端泵浦后產(chǎn)生激光光束從右端出射至全反鏡片2，經(jīng)右端的全反鏡片2反射后再入射至輸出鏡片9，部分激光光束透射過輸出鏡片9并入射至激光放大器，其余激光光束經(jīng)輸出鏡片9反射后，再依次經(jīng)過1/2λ波片10、法拉第光隔離器11入射至VBG光柵12，并被VBG光柵12反射后再依次經(jīng)過調(diào)Q晶體13、起偏器8入射至左端的全反射鏡3，最后經(jīng)左端的全反射鏡3反射至Er:YSGG激光晶體棒1，形成環(huán)形的種子激光器結(jié)構(gòu)；

激光放大器包括全反鏡14、側(cè)泵浦的板條式Er：YSGG激光晶體15、半導(dǎo)體激光巴條16，板條式Er：YSGG激光晶體15中心軸兩端即左、右端分別切割成相同角度的斜面，全反鏡14位于輸出鏡片9的透射光路上，板條式Er：YSGG激光晶體15左端位于全反鏡14的反射光路上，半導(dǎo)體激光巴條16條圍在板條式Er：YSGG激光晶體15側(cè)面外，輸出鏡片9透射過的激光光束經(jīng)全反鏡14反射后入射至板條式Er：YSGG激光晶體15左端，同時(shí)板條式Er：YSGG激光晶體15受半導(dǎo)體激光巴條16泵浦后產(chǎn)生激光光束，泵浦產(chǎn)生的激光光束與左端入射的激光光束共同從板條式Er：YSGG激光晶體15右端出射，實(shí)現(xiàn)放大輸出；

電控溫控單元包括光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊驅(qū)動(dòng)電源17和18、調(diào)Q晶體驅(qū)動(dòng)電源20、半導(dǎo)體激光巴條驅(qū)動(dòng)電源21、溫控單元22、控制單元19，其中光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊驅(qū)動(dòng)電源17和18分別供電至左、右端的光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊6和7，半導(dǎo)體激光巴條驅(qū)動(dòng)電源21供電至半導(dǎo)體激光巴條16，調(diào)Q晶體驅(qū)動(dòng)電源20供電至調(diào)Q晶體13，光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊驅(qū)動(dòng)電源17和18、調(diào)Q晶體驅(qū)動(dòng)電源20、半導(dǎo)體激光巴條驅(qū)動(dòng)電源21分別接入控制單元19，由控制單元19控制各個(gè)驅(qū)動(dòng)電源的供電，溫控單元22亦接入控制單元由控制單元19控制，且溫控單元22分別對(duì)Er:YSGG激光晶體棒1、光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊6和7、板條式Er：YSGG激光晶體15、半導(dǎo)體激光巴條16進(jìn)行溫度控制。

種子激光器中的Er:YSGG激光晶體棒1整體放置在銅制的熱沉中，并通過溫控單元帶走多余的熱量，采用種子激光器加激光放大器，降低激光器諧振腔激光的損傷閾值，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量低能量的種子激光輸出，通過放大級(jí)提高能量和輸出水平。

由1/2λ波片10、法拉第光隔離器11組成單向器，構(gòu)成環(huán)形行波諧振腔。

種子激光器中采用的激光棒為兩端鍵合純YSGG晶體的摻雜Er3+的YSGG的Er:YSGG激光晶體棒1，用于降低熱透鏡效應(yīng)和防止激光端面畸變。

VBG光柵12由氟化鈣或氟化鎂材料制成，用于壓窄線寬，獲得單縱模或窄線寬輸出。

種子激光器中的Er:YSGG激光晶體棒1利用兩端的光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊6和7實(shí)現(xiàn)雙向端面泵浦，激光放大器中的板條式Er：YSGG激光晶體15利用側(cè)面的半導(dǎo)體激光巴條16實(shí)現(xiàn)側(cè)向泵浦。

法拉第光隔離器11激光只能沿一個(gè)方向上傳播，材料為YIG，鍍有2.79um的增透膜。

調(diào)Q晶體13為聲光調(diào)Q晶體，材質(zhì)為TeO2，通光片鍍有2.79um的增透膜。

本發(fā)明包括環(huán)形結(jié)構(gòu)的種子激光器、激光放大器、電控溫控單元構(gòu)成。

種子激光器部分有鍵合純YSGG晶體的Er:YSGG激光晶體棒1，兩個(gè)光纖耦合輸出的光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊6、7，兩個(gè)準(zhǔn)直聚焦鏡筒4、5，兩片用于構(gòu)成諧振腔片和耦合泵浦光的全反鏡片2、3，以上元件以Er:YSGG激光晶體棒1為中心，左右兩側(cè)對(duì)稱分布。全反鏡片2的左前方為種子激光器的輸出鏡片（半反鏡）9，全反鏡片3的右前方放置起偏器8，調(diào)Q晶體13， VBG光柵12。在VBG光柵12和輸出鏡片9之間放置1/2λ波片10、法拉第光隔離器11。

激光放大器有全反鏡14，板條式Er：YSGG激光晶體15，半導(dǎo)體激光巴條16組成。

電控溫控單元由光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊驅(qū)動(dòng)電源17和18、調(diào)Q晶體驅(qū)動(dòng)電源20、半導(dǎo)體激光巴條驅(qū)動(dòng)電源21、溫控單元22、控制單元19組成。

聲光調(diào)Q晶體的材料為二氧化碲(TeO2)，在2～3um具有大于95%的透過率，透光面鍍有2.79μm增透膜，反射率<0.5%，晶體材料和膜系的損傷閾值達(dá)100MW/cm²；調(diào)Q晶體驅(qū)動(dòng)電源在控制單元的控制下，施加調(diào)Q晶體RF信號(hào)和Q的開關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)激光脈沖的調(diào)Q輸出。

VBG光柵12，材料為感光的硅酸鹽玻璃，中心波長為2.79um±0.01um，反射率大于99.2%，窄帶光譜FWHM為0.05±0.025nm，用于壓窄輸出激光的譜線寬度。

1/2λ波片10由氟化鎂、或YSGG晶體、或YAG晶體、或氟化鈣或Al₂O₃加工制成，波片通光口徑為10mm，雙面鍍2.79μm的增透膜。構(gòu)成的法拉第光隔離器為YIG材質(zhì)，旋光角度為90度。1/2波片旋轉(zhuǎn)激光的角度與光隔離器匹配，并且與光隔離器構(gòu)成激光的單向器，消除單縱模激光器的燒孔效應(yīng)。

起偏器8由布儒斯特角放置的白寶石、或YSGG晶體、或YAG晶體、或氟化鎂、或氟化鈣片，雙面加工要求光學(xué)Ⅱ級(jí)且鍍2.79um的介質(zhì)起偏膜，用于激光的起偏和檢偏。

輸出鏡片9為白寶石、或YSGG晶體、或YAG晶體、或氟化鈣或氟化鎂制成， 一面鍍2.79μm增透膜和另一面20%~90%反射膜，鍍有反射膜的面朝向諧振腔內(nèi)。

全反鏡片2、3，以及全反鏡14材料為K9玻璃，全反鏡14鍍有2.79um的全反膜，將種子激光器輸出的激光反射到激光放大器中；全反鏡片2、3為彎月透鏡，凸面鍍有2.79um的全反膜和966nm的增透膜，凹面鍍有966nm的增透膜，將泵浦光透射到激光晶體中，同時(shí)構(gòu)成環(huán)形諧振腔的腔片，并具有一定的補(bǔ)償激光晶體的熱焦距的作用。

光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊驅(qū)動(dòng)電源17和18，以及側(cè)泵的半導(dǎo)體激光巴條16均為中心波長為966nm±2nm激光二極管。

控制單元22為整個(gè)激光系統(tǒng)的控制中心。實(shí)現(xiàn)激光器內(nèi)部的溫度、電流、電壓等信號(hào)的采集，并通過內(nèi)部預(yù)設(shè)的指令和程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊驅(qū)動(dòng)電源17和18、調(diào)Q晶體驅(qū)動(dòng)電源20、半導(dǎo)體激光巴條驅(qū)動(dòng)電源21、溫控單元22的控制。

光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊驅(qū)動(dòng)電源17和18工作頻率為1～1000Hz，脈寬在50μs-1000μs可調(diào)，電壓自適應(yīng)；調(diào)Q晶體驅(qū)動(dòng)電源20的開關(guān)信號(hào)也為1～1000Hz，調(diào)Q延時(shí)由控制單元22設(shè)置和調(diào)整。

對(duì)上述優(yōu)化后，本發(fā)明可以在1-1000Hz重復(fù)頻率下工作，實(shí)現(xiàn)（kHz），高峰值功率（mJ級(jí)，ns級(jí)），窄線寬（pm級(jí)），高光學(xué)質(zhì)量的2.79um的激光 輸出。