CN101174754B - 基于新月形谐波反射镜的激光器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于新月形谐波反射镜的激光器，它是在激光器直腔内依次设置全反镜、声光Q开关、泵浦源、激光棒、新月形谐波反射镜、倍频晶体及输出镜，谐波反射镜采用新月形镜片，谐波反射镜面朝向倍频晶体的一面为凹面，凹面的曲率半径等于谐波反射镜与输出镜之间的距离，同时考虑倍频晶体热效应的影响，凹面镀有对基频光高透、对倍频光高反的膜层；谐波反射镜面朝向激光晶体的一面为曲率半径与凹面相同或相近的凸面，凸面镀有对基频光的增透膜。本申请使用新月形谐波反射镜，使二次倍频与一次倍频的谐波光斑在输出镜处重合，发散程度相同，从而使激光器输出光束质量大大提高；保持了原直线形腔结构倍频效率高、结构简单等优点。

Description

基于新月形谐波反射镜的激光器

技术领域

本申请涉及一种激光装置，属于激光技术领域。它适于激光彩色显示、激光医疗、工业激光加工、科研、核工业、海底探测以及军事光电对抗等领域的应用。

背景技术

与本申请有关的激光器是典型的直线型腔双程信频激光器，以下简称直腔双倍频激光器，其激光器腔体依次由全反镜、声光Q开关、激光棒、泵浦源、平平谐波反射镜、倍频晶体及输出镜构成激光腔，(见姚建铨著，《非线性光学频率变换及激光调谐技术》，科学出版社，1995年第一版，第122页，图3.2.12)。中国专利公开号1972034A 2007年5月30日公开了一种低能耗大功率的双棒串接平凹腔绿光激光器，它依次由全反镜、声光Q开关，两个激光棒串接中间插入90°石英旋光片，平平谐波反射镜，倍频晶体及输出镜构成，它具有倍频效率高，结构简单，易于产品化等优点。

但是在具体的生产实践中，我们发现上述两种激光器有如下缺点：不管怎么调节腔镜，输出激光光斑都是两个圆斑，在最佳的情况下是两个同心圆。采用腔外加镜片整形的办法无法将两圆调到重合，导致输出光束质量较差。经过分析，原因是这样的：根据谐振腔理论，输出镜处为振荡光的束腰，从附图2直腔倍频激光器原理图可以看出，振荡光一次倍频后，输出光斑9，而二次倍频的激光经平平谐波反射镜反射后不是原路返回，而是根据反射原理向外扩散了，相当于从束腰经平面镜成像的像点S发出，输出光斑10。因此最后输出的激光相当于两束激光的混合，这两束激光发散角相同，分别从像点S和输出镜处发出。根据几何原理可以看出，混合光束腰(光斑最小处)在谐波反射镜上，比其中一次倍频激光的束腰扩大了数倍，发散角不变。虽然双程倍频提高了倍频效率，但光束质量却比一次倍频的激光大大下降。因此，直腔双程倍频激光器一般用于要求输出高功率而对光束质量要求不高的情况，大大限制了其在工业、科研等领域的应用。

申请内容

本申请的目的是在简化激光器结构、提高倍频效率的前提下提高输出的光束质量，提供一种同时具有高功率和高光束质量的基于新月形谐波反射镜的激光器。

本申请的目的是这样实现的：

它是在激光器直腔内依次设置全反镜、声光Q开关、泵浦源、激光棒、新月形谐波反射镜、倍频晶体及输出镜，其特征在于，谐波反射镜采用新月形镜片，其中谐波反射镜面朝向倍频晶体的一面为凹面，凹面的曲率半径等于谐波反射镜与输出镜之间的距离，同时考虑倍频晶体热效应的影响，凹面镀有对基频光高透、对倍频光高反的膜层；谐波反射镜面朝向激光晶体的一面为曲率半径与凹面相同或相近的凸面，凸面镀有对基频光的增透膜。

上述所述的全反镜可以是平面镜，亦可以是凹面镜；

所述的泵浦源可以是半导体二极管侧面泵浦组件，亦可以是闪光灯；

所述的声光Q开关也可以是电光Q开关，调Q晶体两端面对基频光镀有增透膜。

所述的激光棒包括Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF、Yb:YAG等材料制作的激光晶体棒，激光晶体两端面对基频光镀有增透膜。

所述的倍频晶体包括KTP、LBO、BBO、BiBO、KNbO3等非线性晶体，倍频晶体两端面对基频光和倍频光镀有增透膜。

所述的输出镜可为平平镜，面向腔内的一面镀有对基频光高反、对倍频光高透的膜层；背向腔内的一面对倍频光镀有增透膜。

本申请的工作原理如附图3，根据谐振腔理论，输出镜7处为振荡光的束腰，振荡光一次倍频后，输出光斑11，而二次倍频的激光经新月形谐波反射镜的凹面反射，那么二次倍频的激光就可以沿原路返回，与一次倍频的激光完全重合，最后输出的激光相当于两束发散角相同，方向一致。

新月形谐波反射镜的凹面曲率半径是这样确定的：先用平平谐波反射镜实验，取得最佳腔参数，然后测量谐波反射镜到输出镜的距离L，则新月形谐波反射镜的凹面曲率半径R_凹≈L，考虑倍频晶体的热透镜效应，实际R_凹应比L略大。可以先测量或计算出倍频晶体的热透镜焦距，然后根据高斯光束传输原理做更精确的计算。为保持整个谐振腔不变，新月形谐波反射镜应没有透镜效应，令f＝∞，根据透镜材料和凹面曲率半径计算得到新月形谐波镜凸面的曲率半径。

本申请的积极结果是：由于使用新月形谐波反射镜，使二次倍频与一次倍频的谐波光斑在输出镜处重合，且发散程度相同，从而使激光器输出光束质量大大提高；同时保持了原直线形腔结构倍频效率高、结构简单、易于产品化等优点。总之，本申请同时具有功率高，光束质量好的双重优点，从而大大扩展了其在工业、科研等领域的应用范围，具有可观的经济效益。

附图说明

图1为本申请的结构示意图；

图2为直腔倍频激光器的原理示意图；

图3为新月形谐波反射镜原理示意图。

图面说明：

1-全反镜；2-声广Q开关；3-激光棒；4-泵浦源；5-新月形谐波反射镜；5′-平平谐波反射镜；6-倍频晶体；7-输出镜；8-光屏；9-输出激光的内圆光斑；10-输出激光的外圆光斑；11-输出激光的内外圆重合光斑。

具体实施方式

下面结合附图1对本申请的一个实施例作进一步的说明，但并不是限制本申请。

从图1可以看出，这种激光器是在直线形谐振腔内依次布置有全反镜1、声广Q开关2、激光棒3、泵浦源4、新月形谐波反射镜5、倍频晶体6和输出镜7。具体技术参数如下：

泵浦源4选用180W(808nm)半导体激光泵浦组件；全反镜1选用凹面曲率半径为2m的凹面镜，凹面对1064nm激光镀有全反膜；声广Q开关2的调制频率为1～50kHz，声光介质双面镀有1064nm激光增透膜；激光棒3选用φ3×67mm的Nd:YAG棒，棒两端镀有1064nm激光增透膜；新月形谐波反射镜5选用R_凸＝R_凹＝200mm的石英镜片，面向倍频晶体的一面为凹面，凹面镀有对1064nm激光高透、对532nm激光高反的膜层，面向激光晶体的一面为曲率半径相同的凸面，凸面镀有对1064nm激光增透膜；倍频晶体6选用常温切割的KTP晶体，尺寸为4×4×10mm，双面对1064nm激光和532nm激光镀有增透膜；输出镜7为平平镜，面向腔内的一面镀有对1064nm激光高反、对532nm激光高透的膜层；背向腔内的一面对532nm激光镀有高透膜。

整个激光器的元件布局的尺寸如下：整个腔长400mm左右，激光棒中心与全反镜相距150mm左右，与输出镜相距250mm左右，声光Q开关2放置在全反镜1与激光棒3之间，位置可前后调节，信频晶体6放置在激光棒3与输出镜7之间，靠近输出镜，以获得小的倍频光斑，新月形谐波反射镜5放置在倍频晶体6与激光棒3之间，与输出镜7的距离在较大范围(100mm到200mm)之内可调，前后移动其位置，用光屏从远处观察，直到输出的两个光斑完全重合。

本实施例与原典型的直线形腔的激光器进行了实验对比。用以色列产的NovaII型激光功率/能量计进行功率测量，实验结果显示：泵浦组件和Nd:YAG棒水冷温度设置在25℃，KTP水冷温度设置在23℃，控温精度均为±0.1℃，调Q频率为8kHz，当泵浦电流为24A时，这两种激光器发出的激光功率均达到最高值，本实施例为31.2W，而原典型直线形腔激光器为30.5W。对比测量两种光束质量，两光束发散角基本相同，但从远场目测，原典型直线形腔激光器输出光斑为两个同心圆，而本实施例在远场多点观测，均消除了两个光斑现象。实验结果充分说明，本申请的激光器，采用紧凑的直线形腔结构，克服了典型直线形腔双程倍频时输出光为两个同心圆，光束质量差的缺点，同时实现了高功率和高光束质量激光输出。

Claims (6)

1.一种基于新月形谐波反射镜的激光器，它是在激光器直腔内依次设置全反镜、声光Q开关、泵浦源、激光棒、新月形谐波反射镜、倍频晶体及输出镜，其特征在于，谐波反射镜采用新月形镜片，其中谐波反射镜面朝向倍频晶体的一面为凹面，凹面的曲率半径等于谐波反射镜与输出镜之间的距离，同时考虑倍频晶体热效应的影响，凹面镀有对基频光高透、对倍频光高反的膜层；谐波反射镜面朝向激光晶体的一面为曲率半径与凹面相同或相近的凸面，凸面镀有对基频光的增透膜。

2.如权利要求1所述的基于新月形谐波反射镜的激光器，其特征在于，所述的全反镜是平面镜或凹面镜。

3.如权利要求1所述的基于新月形谐波反射镜的激光器，其特征在于，所述的声光Q开关可以用电光Q开关替代。

4.如权利要求1所述的基于新月形谐波反射镜的激光器，其特征在于，所述的激光棒是由Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF或Yb:YAG材料制作的激光晶体棒。

5.如权利要求1所述的基于新月形谐波反射镜的激光器，其特征在于，所述的倍频晶体为KTP、LBO、BBO、BiBO或KNbO3非线性晶体。

6.如权利要求1所述的基于新月形谐波反射镜的激光器，其特征在于，所述的输出镜为平平镜。

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