CN101257182B - 一种双腔互联v型结构单向重叠输出准连续绿光激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双腔互联V型结构单向重叠输出准连续绿光激光器，采用型号相同的两个半导体激光器泵浦组件分别侧面泵浦两个Nd:YAG晶体(半导体激光泵浦的Nd:YAG模块)，两模块分别置于一个平凹V型谐振腔和一个平—凹直腔内，形成两束稳定运转的1064nm基频光，经过声光Q开关和倍频晶体后，产生两束倍频光，均到达平面折叠镜，最终由平面折叠镜单向重叠输出，获得了平均功率高达206W的532nm绿光，激光器性能稳定，倍频效率高，广泛用于激光材料加工、光存储、激光全色显示、激光医学、科研、通讯、国防、娱乐等领域。

Description

一种双腔互联V型结构单向重叠输出准连续绿光激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种半导体侧面泵浦的200W级一种双腔互联V型结构单向重叠输出准连续绿光激光器。

背景技术

自上世纪60年代世界上第一台红宝石激光器诞生以来，随着各种晶体材料及激光技术的不断进步，各类激光器的发展也极为迅速，特别是高功率全固态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材料加工、光存储、激光全色显示、激光医学、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激光器输出功率的主要方法，但该类激光器有几方面重要的缺陷，严重影响了激光输出功率的提高。一方面，多棒进行串接，使谐振腔的腔长明显增大，易使腔失谐，同时基频光要在多个棒中间来回振荡，增大了损耗，且腔内光子数密度过高，极易导致激光棒的损伤；另一方面，采用多棒串接技术，热致双折射效应和热透镜效应均非常严重，限制了泵浦源电流的提高，同时也使整个腔型变得不匹配，从而限制了输出功率的进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有结构紧凑、光-光转换效率高、运转成本低、调节方便，高功率半导体侧面泵浦的双光束重叠混合腔型准连续绿光激光的一种双腔互联V型结构单向重叠输出准连续绿光激光器。

本发明为了克服了双棒串接时腔长过长、腔内光子数密度过高、热透镜效应和热致双折射明显变大的缺陷，本发明的技术方案是这样解决的：双腔单向重叠输出准连续绿光激光器，包括平凹全反镜，其特殊之处在于两个激光晶体棒分别置于两部分光路中，其中一部分光路的光学部件依次是由一平凹全反镜、一声光调Q晶体、一激光晶体及所述一激光晶体两侧一大功率半导体泵浦组件和平面折叠绿光输出镜、一倍频晶体、全反平面镜、与调整架连接构成平-凹V型谐振腔，另一部分光路的光学部件依次由全反平面镜，另一倍频晶体，二次谐波镜，另一激光晶体及所述另一激光晶体两侧另一大功率半导体泵浦组件，另一声光调Q晶体，另一平凹全反镜与调整架连接构成平-凹直腔，平-凹直腔与平-凹V型谐振腔互联构成V型平-凹直腔。

两激光晶体棒吸收泵浦源提供的能量后，产生受激荧光辐射，辐射的荧光在谐振腔内振荡放大后形成稳定的基频光。在V型谐振腔中，基频光由平凹全反射端镜经声光调Q晶体、激光晶体入射到平面折叠镜上，平面折叠镜将其引向倍频晶体，通过倍频晶体后，产生的倍频光经过平面输出镜和另一倍频晶体后被二次谐波镜反射，沿原路返回由平面折叠镜输出，而之前通过倍频晶体后剩余的基频光被平面输出镜反射回来，再次通过倍频晶体产生倍频光，也由平面折叠镜输出。在平-凹直腔中，基频光由平凹全反射端镜，经声光调Q晶体、激光晶体、二次谐波镜和倍频晶体，产生倍频光后到达平面输出镜，被平面输出镜反射回来的剩余基频光再次通过倍频晶体产生倍频光，两次产生的倍频光经过谐波镜反射后再由平面输出镜、倍频晶体后，一同由平面折叠镜引出腔外。

所述一激光晶体7和所述另一激光晶体10两侧面等间距放置半导体器件构成所述一大功率半导体泵浦组件12和所述另一半导体泵浦组件13形成侧面泵浦，且泵浦组件型号相同。

所述一激光晶体7和所述另一激光晶体10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。

所述一声光调Q晶体6和所述另一声光调Q晶体9分别放置于一激光晶体7和所述另一激光晶体10的一侧，且受同一驱动源控制。

所述一平凹全反镜1、平面折叠绿光输出镜2、另一平凹全反镜3、二次谐波镜4及全反平面镜5均安装在二维调整架上，所述一平凹全反镜1和平面折叠绿光输出镜2之间的光路与一激光晶体7辐射的荧光光轴方向共线，而由平面折叠绿光输出镜2引出的另一光路上的各镜面法线方向与所述另一激光晶体10辐射的荧光光轴方向共线，所述一激光晶体7和所述另一激光晶体10的光轴方向夹角为20°～90°之间。

所述一激光晶体7和所述另一激光晶体10分别置于两相对独立的基频光振荡光路中，一激光晶体7置于由平凹全反镜1、平面折叠绿光输出镜2及全反平面镜5构成平-凹V型谐振腔，而所述另一激光晶体10置于由平凹全反镜3和全反平面镜5构成平-凹直腔，两腔互联构成V型平-凹直腔。

所述一倍频晶体8和所述另一倍频晶体11均用铟箔包裹侧面后放入水冷散热铜块中，分别置于所述一激光晶体7所在的平-凹V型谐振腔和所述另一激光晶体10所在的平-凹直腔，两腔互联构成V型平-凹直腔。

所述二次谐波镜4为融熔石英平面镜，置于平-凹直腔中所述另一激光晶体10和所述另一倍频晶体11之间。

所述全反平面镜5的两面均镀有1064nm高反和532nm高透双色膜。

本发明与现有技术相比，其突出的优点为：

1).将两个激光晶体棒分别置于两部分光路中，解决了采用双棒串接时热透镜效应和热致双折射效应严重的难题，并降低了双棒串接在同一腔内，光子数密度过高而易使激光晶体损伤的风险，该设计尤其有利于对激光棒较细，热透镜效应十分明显的情形。

2).整个实验装置是由一个平-凹V型谐振腔和一个平-凹直腔组合构成，产生两束倍频光，由平面折叠镜单向重叠输出，提高了输出功率。

3).采用具有相同型号的半导体激光器作为泵浦源进行侧面泵浦，其发射谱 线可以和激活介质的吸收谱线很好地吻合，在很大程度上提高了泵浦效率，减小了热损耗。

4).采用两个声光调Q晶体(可由同一电源控制，也可单独各自控制)，分别放置于两个激光晶体棒的一端，可以有效地对两激光晶体棒所在两谐振腔的Q值进行调节。

5).两倍频晶体均采用角度匹配方式，分别放置于两谐振腔中进行倍频，并且，由于采用较细的激光晶体，使得腔内光斑面积胶小，功率密度较大而使倍频效率得以提高，有利于高功率激光的输出。

6).放置于两倍频晶体之间的平面绿光输出镜，两面均镀有对1064nm全反和532nm高透的双色膜，使此输出镜的两面分别作为平-凹V型谐振腔和平-凹直腔的腔镜，尽可能地缩短两腔腔长，减少基频光以及倍频光在输出镜中的损耗，提高了转换效率。

本发明的突出创新点：

1).尽管采用了基频光的双腔独立结构，但是腔内的倍频光通过绿光输出镜和谐波反射镜联合作用实现了单向重叠输出，尤其是输出镜采用了双面均镀532nm高透，1064nm全反的镀膜，既使其成为两个基频谐振腔的端镜，又使其两个腔内倍频的绿光在输出镜与谐波镜之间的晶体内穿梭重叠由输出镜一并输出，均在两个腔内实现了二次倍频。使得该两个腔内倍频激光器的输出合二为一。

2).本发明所设计的激光器件系统中不需要加入任何热透镜补偿元件和热致双折射元件，每个子腔中的LD侧面泵浦Nd:YAG晶体棒所辐射的1064nm基频光独立振荡，互不干扰，与传统的双棒或多棒串接腔相比避，免了多个Nd:YAG晶体棒共同放置于一个腔内而导致的强烈热透镜效应，以及需要热致双折射补偿元件，这样既使谐振腔及整机结构变的简单易行，又避免了腔内光子束过高而造成的对激光棒的损伤，可以实现大功率(200W级)的激光输出。 因此，该激光器在设计上这些突出的特点和创新性使其具有输出功率高、光束质量好、倍频效率高、结构紧凑，牢固可靠等优点，可使其成为应用性极强的高功率激光器，广泛用于激光材料加工、光存储、激光全色显示、激光医学、科研、通讯、国防、娱乐等领域。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

附图为本发明的实施例。

下面结合附图对本发明内容作进一步说明：

参见附图1所示，包括两个平凹全反镜1、3，两个激光晶体棒分别置于两部分光路中，其中一部分光路的光学部件依次是由一平凹全反镜1、一声光调Q晶体6、一激光晶体7及所述一激光晶体7两侧一大功率半导体泵浦组件12和平面折叠绿光输出镜2、一倍频晶体8、全反平面镜5与调整架连接构成平-凹V型谐振腔，另一部分光路的光学部件依次由全反平面镜5，另一倍频晶体11，二次谐波镜4，另一激光晶体10及另所述一激光晶体10两侧另一大功率半导体泵浦组件13，另一声光调Q晶体9，另一平凹全反镜3与调整架连接构成平-凹直腔，平-凹直腔与平-凹V型谐振腔互联构成V型平-凹直腔。

其中泵浦源12、13为型号相同的半导体激光器泵浦组件，分别在激光晶体7、10两侧面等间距放置。激光晶体7、10采用Nd³⁺掺杂浓度均为0.6at％的Nd:YAG晶体，尺寸均为Φ4.0×90mm，各个晶体端面严格平行，四个通光面均镀有1064nm的增透膜。倍频晶体8、11采用II类临界(角度)相位匹配的KTP晶体，通光长度为7mm，各通光面均镀有1064nm和532nm的双色增透膜，侧面用铟箔包裹后放入水冷散热铜块中，分别置于激光晶体7所在的V型谐振腔和激光晶体10所在的平-凹直腔中。两激光晶体和两倍频晶体均采用恒温 (恒温温度22℃)循环水冷却，以增大晶体的热传导系数，降低其热透镜效应。声光调Q晶体6、9采用同一驱动源控制，分别对两谐振腔进行调Q，调制频率在1-50kHz可调。

构成两谐振腔的平凹全反镜1、3面向激光晶体的凹面镀有1064nm和532nm双色全反膜(反射率均大于99.9％)，另一面不镀膜；平面折叠镜2面向激光晶体7的一面镀有对1064nm高反(反射率大于99.5％)和532nm高透(透过率大于99.5％)的双色膜，另一面镀有532nm增透膜(透过率大于99.9％)；二次谐波镜4融熔石英的平面镜，面向激光晶体10的一面镀有1064nm增透膜(透过率大于99.9％)，面向倍频晶体11的一面镀有1064nm高透膜(透过率大于99.5％)和532nm高反膜(反射率大于99.5％)；全反平面镜5的两面均镀有对1064nm高反(反射率大于99.5％)和532nm高透(透过率大于99.5％)的双色膜。

工作过程：大功率半导体泵浦组件12、13出射的光均匀泵浦两激光晶体7、10的侧面，激光晶体吸收泵浦光能量后产生受激荧光辐射，受激辐射的光在两谐振腔内来回振荡放大后形成稳定的基频光，在V型谐振腔中，基频光由平凹全反射端镜1经声光调Q晶体6、激光晶体7入射到平面折叠镜2上，平面折叠镜2将其引向倍频晶体8，通过倍频晶体8后，产生的倍频光经全反平面镜5和另一倍频晶体11后被二次谐波镜4反射，沿原路返回由平面折叠镜2输出，而之前通过倍频晶体8后剩余的基频光被全反平面镜5反射回来，再次通过倍频晶体8产生倍频光，也由平面折叠镜2输出。在平-凹直腔中，基频光由平凹全反射端镜3，经声光调Q晶体9、激光晶体10、二次谐波镜4和倍频晶体11，产生倍频光后到达全反平面镜5，被全反平面镜5反射回来的剩余基频光再次通过倍频晶体11产生倍频光，二次产生的倍频光经谐波镜4返回再经过全反平面镜5、倍频晶体8后，一同由平面折叠镜2引出腔外，最终获得平均功率高达206W的绿光输出。

Claims (9)

1.一种双腔互联V型结构单向重叠输出准连续绿光激光器，包括两个平凹全反镜(1、3)，其特征在于两个激光晶体棒分别置于两部分光路中，其中一部分光路的光学部件依次是由一平凹全反镜(1)、一声光调Q晶体(6)、一激光晶体(7)及所述一激光晶体(7)两侧一大功率半导体泵浦组件(12)和平面折叠绿光输出镜(2)、一倍频晶体(8)、全反平面镜(5)与调整架连接构成平-凹V型谐振腔；另一部分光路的光学部件依次由全反平面镜(5)，另一倍频晶体(11)，二次谐波镜(4)，另一激光晶体(10)及所述另一激光晶体(10)两侧另一大功率半导体泵浦组件(13)，另一声光调Q晶体(9)，另一平凹全反镜(3)与调整架连接构成平-凹直腔，平-凹直腔与平-凹V型谐振腔互联构成V型平-凹直腔。

2.根据权利要求1所述的一种双腔互联V型结构单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述一激光晶体(7)和所述另一激光晶体(10)两侧面等间距放置半导体器件构成所述一大功率半导体泵浦组件(12)和所述另一大功率半导体泵浦组件(13)形成侧面泵浦，且泵浦组件型号相同。

3.根据权利要求1所述的一种双腔互联V型结构单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述一激光晶体(7)和所述另一激光晶体(10)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。

4.根据权利要求1所述的一种双腔互联V型结构单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述一声光调Q晶体(6)和所述另一声光调Q晶体(9)分别放置于一激光晶体(7)和所述另一激光晶体(10)的一侧，且受同一驱动源控制。

5.根据权利要求1所述的一种双腔互联V型结构单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述一平凹全反镜(1)、平面折叠绿光输出镜(2)、另一平凹全反镜(3)、二次谐波镜(4)及全反平面镜(5)均安装在二维调整架上，所述一平凹全反镜(1)和平面折叠绿光输出镜(2)之间的光路与一激光晶体(7)辐射的荧光光轴方向共线，而由平面折叠绿光输出镜(2)引出的另一光路上的各镜面法线方向与所述另一激光晶体(10)辐射的荧光光轴方向共线，所述一激光晶体(7)和所述另一激光晶体(10)的光轴方向夹角为20°～90°之间。

6.根据权利要求1所述的一种双腔互联V型结构单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述一激光晶体(7)和所述另一激光晶体(10)分别置于两相对独立的基频光振荡光路中，一激光晶体(7)置于由平凹全反镜(1)、平面折叠绿光输出镜(2)及全反平面镜(5)构成平-凹V型谐振腔，而所述另一激光晶体(10)置于由另一平凹全反镜(3)和全反平面镜(5)构成平-凹直腔，两腔互联构成V型平-凹直腔。

7.根据权利要求1所述的一种双腔互联V型结构单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述一倍频晶体(8)和所述另一倍频晶体(11)均用铟箔包裹侧面后放入水冷散热铜块中，分别置于所述一激光晶体(7)所在的平-凹V型谐振腔和所述另一激光晶体(10)所在的平-凹直腔，两腔互联构成V型平-凹直腔。

8.根据权利要求1所述的一种双腔互联V型结构单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述二次谐波镜(4)为融熔石英平面镜，置于平-凹直腔中所述另一激光晶体(10)和所述另一倍频晶体(11)之间。

9.根据权利要求1所述的一种双腔互联V型结构单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述全反平面镜(5)的两面均镀有1064nm高反和532nm高透双色膜。

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