CN101000999A - 两百瓦级准连续双棒串接内腔倍频高功率绿光激光器 - Google Patents
两百瓦级准连续双棒串接内腔倍频高功率绿光激光器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明两百瓦级准连续双棒串接内腔倍频高功率绿光激光器，采用由同一驱动源控制的型号相同的半导体激光器泵浦组件侧面泵浦Nd:YAG晶体，在通过计算机模拟进行优化设计的折叠腔内形成了稳定运转的1064nm基频光，经具有抗灰迹特性的HGTR－KTP晶体倍频，同时利用双声光调Q技术及热致双折射补偿技术，最终获得了203.5W的532nm绿光输出，倍频效率高达72.7％，同时，该激光器具有输出功率高、光束质量好、稳定性好，医疗、工业应用性强等优点。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，特别涉及一种两百瓦级准连续双棒串接内腔倍频双声光调Q的高功率绿光激光器。
背景技术
自上世纪60年代第一台红宝石激光器问世以来，各类激光器及激光技术发展极为迅速，特别是高功率全固态固体激光器的发展尤为令人瞩目，以其输出能量大、峰值功率高、比CO2气体激光器波长短、运转可靠、使用寿命长等优点而在激光医学、激光材料加工、光存储、激光全色显示、科研、通讯、国防、娱乐等领域得到广泛的应用。目前，多棒串接技术是提高全固态固体激光器输出功率的主要方法，但该类激光器大多采用灯泵浦、两镜对称谐振腔结构。中国专利ZL200520115657.9中提出一种一灯泵双棒激光器的装置。一方面，上述技术中泵浦源采用灯泵浦的形式，存在泵浦效率低、热透镜效应明显、输出功率不稳定等缺点，这对于激光器的实际应用十分不利；另一方面，谐振腔采用两镜直腔结构，相对于折叠腔结构而言，光束质量较差，在不插入二次谐波反射镜的情况下，只能对基频光单次通过倍频晶体后产生的二次谐波实现有效输出，限制了其光-光转换效率和输出功率的进一步提高，不利于产业化。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种两百瓦级准连续双棒串接内腔倍频高功率绿光激光器，该激光器具有输出功率高、转换效率高、体积小、寿命长、光束质量好、运转成本低、调节方便等优点，同时可以保证在整个泵浦功率范围内系统都能工作在稳定区，在很大程度上提高了激光的输出功率及其稳定性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种两百瓦级准连续双棒串接内腔倍频高功率绿光激光器包括：平面全反射端镜，入射平面全反射端镜的水平光路上依次设置有第一声光调Q晶体、第一激光晶体及其第一LD侧面泵浦源、90°石英旋光片、第二激光晶体及其第二LD侧面泵浦源、第二声光调Q晶体、平凹折叠镜；由平凹折叠镜引出的光路上依次放置倍频晶体和平凹全反射端镜；第一激光晶体和第二激光晶体分别吸收第一LD侧面泵浦源和第二LD侧面泵浦源提供的能量后，产生受激荧光辐射，辐射的荧光在由平面全反射端镜、平凹折叠镜及平凹全反射端镜构成的激光器谐振腔内振荡放大后形成稳定的基频光，基频光由平面反射端镜经第一声光调Q晶体、第一激光晶体、90°石英旋光片、第二激光晶体、第二声光调Q晶体入射到平凹折叠镜上，平凹折叠镜将其引向倍频晶体，通过倍频晶体后剩余基频光与产生的倍频光一同到达平凹全反射端镜，经平凹全反射端镜反射，基频光通过倍频晶体后又一次产生倍频光，两次产生的倍频光一同由平凹折叠镜引出腔外，剩余基频光沿原路返回平面全反射端镜。
所述的第一LD侧面泵浦源、第二LD侧面泵浦源为型号相同的半导体激光器泵浦组件，由同一驱动源控制，每个泵浦组件中激光二极管按五角形等间距排列，分别对称环绕于第一激光晶体和第二激光晶体的周围。
所述的平面全反射端镜、平凹全反射端镜及平凹折叠镜均安装在二维调整架上，平面全反射端镜和平凹折叠镜之间的光路与第一激光晶体和第二激光晶体辐射的荧光光轴方向共线，与平凹折叠镜和平凹全反射端镜之间的光路形成的折叠角取值范围为10°≤θ≤20°。
所述的第一激光晶体和第二激光晶体采用同一种工作物质，具有相同的几何尺寸和掺杂浓度，各通光面均镀有基频光增透膜并采用循环水冷却。
所述的倍频晶体侧面均匀涂有银粉并用铟箔包裹后放入水冷散热铜块中，置于平凹折叠镜与平凹全反射端镜之间的振荡光腰处。
所述的第一声光调Q晶体和第二声光调Q晶体受同一驱动源控制，声场互相垂直分别放置于第一激光晶体的右侧和第二激光晶体的左侧。
所述的90°石英旋光片安装在二维调整架上，置于第一激光晶体和第二激光晶体之间，并保证其镜面法线方向与第一激光晶体和第二激光晶体辐射的荧光光轴方向一致。
所述的平面全反射端镜面向第一激光晶体和第二激光晶体的一面镀有基频光全反膜(反射率大于99.9％)；平凹折叠镜的凹面镀有对基频光全反(反射率大于99.9％)和对倍频光高透(透过率大于99.9％)的双色膜，其平面镀有倍频光增透膜(透过率大于99.9％)；平凹全反射端镜面向倍频晶体的凹面镀对基频光和倍频光全反射的双色全反膜(反射率均大于99.9％)。
平凹折叠镜的曲率半径选取范围为150～300mm。
平凹全反射端镜的曲率半径选取范围为800～1100mm。
本发明的突出技术特征及优点为：(1)采用具有相同几何尺寸、相同掺杂浓度的同种激光晶体双棒串接技术，既可以有效提高固体激光器的输出功率，又不会影响光束的质量；(2)采用具有相同型号的半导体激光器作为泵浦源，其发射谱线可以和激活介质的吸收谱线很好的吻合，在很大程度上提高了泵浦效率，减小了热损耗；(3)采用三镜折叠腔结构，不仅可以将倍频晶体放在折叠臂光腰处，以获得较大的基频光功率密度从而提高倍频转换效率，还可以将基频光与倍频光分开，减少激光晶体对倍频光的吸收，并实现了腔内双通倍频、单向输出；(4)采用同一驱动源控制、声场互相垂直放置的双声光调Q晶体，解决了高功率下单个声光调Q晶体难以关断的难题，提高了倍频转换效率；(5)在两相同激光晶体棒之间插入90°石英旋光片，可以使两激光晶体棒的热致双折射效应降至最低以提高输出激光光束质量；(6)本发明所设计的谐振腔结构，保证了在整个泵浦功率变化范围内，随着激光晶体和倍频晶体的热透镜焦距f1、f2、f3的变化，谐振腔都能工作在稳定区，同时保证了基频振荡光在倍频晶体处的束腰位置基本不变，有利于高功率、高质量激光的输出。因此，该激光器具有输出功率高、光束质量好、转换效率高，医疗、工业应用性强等优点。
附图说明
附图为本发明的结构示意图。
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
下面结合附图对本发明内容作进一步描述：
参见附图所示，入射平面全反射端镜1的水平光路上依次设置有第一声光调Q晶体4、第一激光晶体5及其第一LD侧面泵浦源10、90°石英旋光片6、第二激光晶体7及其第二LD侧面泵浦源11、第二声光调Q晶体8、平凹折叠镜2；由平凹折叠镜2引出的光路上依次放置倍频晶体9和平凹全反射端镜3。
第一、第二LD侧面泵浦源10、11为型号相同的半导体激光器泵浦组件，由同一驱动源控制，每个泵浦组件由30个20W的激光二极管按五角形等间距排列组成，分别对称环绕于第一、第二激光晶体5、7的周围。第一、第二激光晶体5、7选取Nd3+掺杂浓度均为0.6at％的Nd:YAG晶体，尺寸均为Φ5.0×105mm，各通光端面均镀有1064nm增透膜。倍频晶体9为具有抗灰迹特性的HGTR-KTP非线性光学晶体，采用II类临界相位匹配方式，通光长度为15mm，两通光面均镀有1064nm和532nm双色增透膜，侧面均匀涂有银粉并用铟箔包裹置于平凹折叠镜2与平凹全反射端镜3之间的1064nm基频光光腰处。第一、第二激光晶体5、7与倍频晶体9均采用恒温循环水冷却，以增大晶体的热传导系数，提高晶体传热速度，降低其热透镜效应。90°石英旋光片安装在二维调整架上，置于第一、第二激光晶体5、7之间，并保证其镜面法线方向与第一、第二激光晶体5、7辐射的荧光光轴方向一致，以降低其热致双折射效应，提高输出光束的质量。第一、第二声光调Q晶体4、8采用同一驱动源、声场互相垂直放置于第一、第二激光晶体5、7的两侧，以达到最佳关断状态。
平凹折叠镜2的曲率半径选取范围为150～300mm。平凹全反射端镜3的曲率半径选取范围为800～1100mm。
构成谐振腔的平面全反射端镜1面向第一、第二激光晶体5、7的一面镀有1064nm全反膜(反射率大于99.9％)，另一面不镀膜；平凹折叠镜2的凹面镀有对1064nm全反(反射率大于99.9％)和532nm增透(透过率大于99.9％)的双色膜，其平面镀有532nm增透膜(透过率大于99.9％)；平凹全反射端镜3面向倍频晶体9的凹面镀有1064nm和532nm双色全反膜(反射率均大于99.9％)，另一面不镀膜。
工作过程：Nd:YAG第一、第二激光晶体5、7吸收第一、第二LD侧面泵浦源10、11所提供的能量后，产生受激荧光辐射，辐射的荧光在激光器谐振腔内振荡放大后形成稳定的基频光，基频光由平面反射端镜1经第一声光调Q晶体4、第一激光晶体5、90°石英旋光片6、第二激光晶体7、第二声光调Q晶体8入射到平凹折叠镜3上，平凹折叠镜3将其反射，通过HGTR-KTP倍频晶体9后剩余1064nm基频光与产生的532nm倍频光一同到达平凹全反射端镜3，平凹全反射端镜3将1064nm基频光及532nm倍频光全反射，再次通过HGTR-KTP倍频晶体9后，又一次产生532nm倍频光，两次产生的532nm倍频光一同由平凹折叠镜2引出腔外，剩余1064nm基频光则沿原路返回平面全反射端镜1。
当两个泵浦源的泵浦电流均为21.6A，重复频率为27.2kHz时，获得了532nm绿光最大平均输出功率203.5W，光-光转换效率达72.7％，脉冲宽度为180ns。在此状态下，使用美国Spiricon公司生产的LBA-200光斑测试仪，测得光束质量因子Mx 2＝9.52，My 2＝9.86。激光器连续工作2h以上，每隔15s测量一次输出功率，输出功率不稳定度为2.55％。
Claims (10)
1、两百瓦级准连续双棒串接内腔倍频高功率绿光激光器，包括平面全反射端镜(1)，其特征在于，入射平面全反射端镜(1)的水平光路上依次设置有第一声光调Q晶体(4)、第一激光晶体(5)及其第一LD侧面泵浦源(10)、90°石英旋光片(6)、第二激光晶体(7)及其第二LD侧面泵浦源(11)、第二声光调Q晶体(8)、平凹折叠镜(2)；由平凹折叠镜(2)引出的光路上依次放置倍频晶体(9)和平凹全反射端镜(3)；第一激光晶体(5)、第二激光晶体(7)吸收第一LD侧面泵浦源(10)和第二LD侧面泵浦源(11)提供的能量后，产生受激荧光辐射，辐射的荧光在由平面全反射端镜(1)、平凹折叠镜(2)及平凹全反射端镜(3)构成的激光器谐振腔内振荡放大后形成稳定的基频光，基频光由平面反射端镜(1)经第一声光调Q晶体(4)、第一激光晶体(5)、90°石英旋光片(6)、第二激光晶体(7)、第二声光调Q晶体(8)入射到平凹折叠镜(2)上，平凹折叠镜(2)将其引向倍频晶体(9)，通过倍频晶体(9)后剩余基频光与产生的倍频光一同到达平凹全反射端镜(3)，经平凹全反射端镜(3)反射，基频光通过倍频晶体(9)后又一次产生倍频光，两次产生的倍频光一同由平凹折叠镜(2)引出腔外，剩余基频光沿原路返回平面全反射端镜(1)。
2、根据权利要求1所述的两百瓦级准连续双棒串接内腔倍频高功率绿光激光器，其特征在于，第一LD侧面泵浦源(10)、第二LD侧面泵浦源(11)为型号相同的半导体激光器泵浦组件，由同一驱动源控制，每个泵浦组件中激光二极管按五角形等间距排列，分别对称环绕于第一激光晶体(5)和第二激光晶体(7)的周围。
3、根据权利要求1所述的两百瓦级准连续双棒串接内腔倍频高功率绿光激光器，其特征在于，平面全反射端镜(1)、平凹全反射端镜(3)及平凹折叠镜(2)均安装在二维调整架上，平面全反射端镜(1)和平凹折叠镜(2)之间的光路与第一激光晶体(5)和第二激光晶体(7)辐射的荧光光轴方向共线，与平凹折叠镜(2)和平凹全反射端镜(3)之间的光路形成的折叠角取值范围为10°≤θ≤20°。
4、根据权利要求1所述的两百瓦级准连续双棒串接内腔倍频高功率绿光激光器，其特征在于，第一激光晶体(5)和第二激光晶体(7)采用同一种工作物质，具有相同的几何尺寸和掺杂浓度，各通光面均镀有基频光增透膜并采用循环水冷却。
5、根据权利要求1所述的两百瓦级准连续双棒串接内腔倍频高功率绿光激光器，其特征在于，倍频晶体(9)侧面均匀涂有银粉并用铟箔包裹后放入水冷散热铜块中，置于平凹折叠镜(2)与平凹全反射端镜(3)之间的振荡光腰处。
6、根据权利要求1所述的两百瓦级准连续双棒串接内腔倍频高功率绿光激光器，其特征在于，第一声光调Q晶体(4)和第二声光调Q晶体(8)受同一驱动源控制，声场互相垂直分别放置于第一激光晶体(5)的右侧和第二激光晶体(7)的左侧。
7、根据权利要求1所述的两百瓦级准连续双棒串接内腔倍频高功率绿光激光器，其特征在于，90°石英旋光片(6)安装在二维调整架上，置于第一激光晶体(5)和第二激光晶体(7)之间，并保证其镜面法线方向与第一激光晶体(5)和第二激光晶体(7)辐射的荧光光轴方向一致。
8、根据权利要求1所述的两百瓦级准连续双棒串接内腔倍频高功率绿光激光器，其特征在于，平面全反射端镜(1)面向第一激光晶体(5)和第二激光晶体(7)的一面镀有基频光全反膜，反射率大于99.9％；平凹折叠镜(2)的凹面镀有对基频光全反，反射率大于99.9％和对倍频光高透，透过率大于99.9％的双色膜，其平面镀有倍频光增透膜，透过率大于99.9％；平凹全反射端镜(3)面向倍频晶体(9)的凹面镀对基频光和倍频光全反射的双色全反膜，反射率均大于99.9％。
9、根据权利要求1所述的两百瓦级准连续双棒串接内腔倍频高功率绿光激光器，其特征在于，平凹折叠镜(2)的曲率半径选取范围为150～300mm。
10、根据权利要求1所述的两百瓦级准连续双棒串接内腔倍频高功率绿光激光器，其特征在于，平凹全反射端镜(3)的曲率半径选取范围为800～1100mm。
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