CN101267083A - 全固态多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了激光器，特别是一种全固态多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，由三个或者三个以上子腔组成，每个子腔均采用平－凹腔结构，子腔中采用型号相同的半导体激光器泵浦组件侧面泵浦Nd:YAG晶体，通过计算机模拟对每个子腔进行优化设计，使得子腔内形成了稳定运转的1064nm基频光，经过声光调Q技术和倍频技术，使每个子腔都获得532nm准连续绿光，并在几个倍频晶体内重叠经谐波反射镜反射，获得二次倍频一并输出。该激光器不需要任何热透镜和热致双折射补偿元件，具有输出功率大、光束质量好、倍频效率高、稳定性好，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

全固态多腔组合腔内倍频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，特别是一种全固态高功率多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器设计方案

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，限制了其光-光转换效率严重影响了输出功率的进一步提高，不利于其产业化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有结构简单、体积小、效率高、寿命长、光束质量好、运转成本低、调节方便、多次光束单向重叠输出的全固态多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器。

为了克服上述现有技术中存在的光-光转换效率低、热透镜效应不明显、激光输出功率不稳定、光束质量差等缺点与不足，本发明的技术方案是这样解决的：全固态多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，包括一个二维调整架，其特殊之处在于由一个水平直线型子腔和至少两个独立的倒L型子腔与二维调整架固定连接组成，所述水平直线型子腔包括一个入射平凹全反射端镜，入射凹面全反射端镜的水平光路上依次置有的声光调Q晶体、激光晶体、LD侧面泵浦源、二次谐波镜、具有抗灰迹特性的晶体、平面输出镜与二维调整架固定连接；所述独立的倒L型子腔包括水平方向依次置有基频光全反镜、具有抗灰迹特性的晶体、平面输出镜，在基频光全反镜的垂直方向下侧依次置有激光晶体、LD侧面泵浦源、声光调Q晶体平凹全反射端镜与二维调整架固定连接。

一种全固态多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，其特殊之处在于至少由两个结构完全相同的独立的倒L型子腔与二维调整架固定连接组成，直线型子腔的入射平凹全反射端镜的垂直光路上依次置有声光调Q晶体、激光晶体、LD侧面泵浦源、二次谐波镜，二次谐波镜的光顺时针旋转90°，在二次谐波镜与倍频晶体的光路汇聚处添加一个45°反射镜反射的光通过水平安装的倍频晶体、平面输出镜输出第至第n个倒L型子腔的45°反射镜，所有倒L型子腔的二次倍频均通过二次谐波反射镜。

至少由两个独立子腔构成，这种腔的特点在于每个子腔彼此独立，每个子腔的LD侧面泵浦Nd:YAG晶体棒所辐射的1064nm基频光独立震荡，互不干扰，与传统的双棒串接腔相比避免了两个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。因此在谐振腔设计过程中，根据泵浦功率及激光晶体热焦距的变化范围，利用高斯光束变换的ABCD定律和高斯光束在腔内的自再现条件，通过值分析和计算，合理地选择、优化谐振腔参数，只要使每个子腔都能在宽泵浦功率范围内都能连续稳定运转，则整个多光路功率耦合腔激光系统在较宽泵浦功率范围内就能连续稳定运转。

激光晶体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，基频光由平凹反射端镜经声光调Q晶体、激光晶体、二次谐波反射镜、由倍频晶体倍频产生倍频光，剩余基频光经平面绿光输出镜全反射后再次通过倍频晶体又一次产生倍频光，两次产生的倍频绿光都由平面绿光输出镜输出，剩余的基频率光返回水平子腔的平凹全反射端镜；在水平方向的直线型子谐振腔的绿光总输出镜外加入一个或多个倒L型子腔，每个倒L型子腔组成元件都相同，包括平凹全反射端镜，声光调Q晶体、激光晶体及其LD侧面泵浦源、基频光全反镜、倍频晶体和平面绿光输出镜。倒L型子腔内的激光晶体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，基频光由平凹反射端镜经声光调Q晶体、激光晶体、基频光全反镜、由倍频晶体倍频产生倍频光，剩余基频光经平面绿光输出镜全反射后再次通过倍频晶体又一次产生倍频光，倍频光经过水平方向直线型子腔的二次谐波镜，并被其全反射按原路返倒L型子腔，倒L型子腔两次产生的倍频绿光和水平方向的直线型子腔产生的绿光全部由倒L型子腔的平面绿光输出镜引出腔外，倒L型子腔剩余基频光沿原路返回其平凹全反射端镜。

在本发明中，平凹全反射端镜、平面绿光输出镜和二次谐波镜以及基频光全反镜均安装在二维调整架上，且保证各光学元件及其安装支架不会遮挡光路。其中，二次谐波镜及基频光全反镜的基质材料为融熔石英。

在本发明中，基频率光反射镜(13)两面都镀1064nm高反和532nm增透的双色膜，镀膜夹角选在20°～90°之间，根据腔型设计而定。

在本发明中，泵浦源为型号相同的半导体激光器泵浦组件，由不同驱动源控制，每个泵浦组件中有多组激光二极管阵列并按等间距排列，分别对称环绕于激光晶体的周围。

在本发明中，各激光晶体棒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。

在本发明中，每个声光调Q晶体均放置于激光晶体和平凹全反射端镜之间，且每两个声光调Q晶体受同一驱动源控制。

在本发明中，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，置于平面输出镜与二次谐波镜或基频光全反镜与平面输出镜之间的振荡光腰处。

在本发明中，构成谐振腔的平凹全反射端镜面向声光Q开关的凹面镀有对基频光和倍频光全反(反射率都大于99.9％)的双色膜，另一面不镀膜；平面输出镜对着倍频晶体的一面都镀有对基频光全反(反射率大于99.9％)和对倍频光高透(透过率大于99.5％)的双色膜，而另一面镀对倍频光增透膜；二次谐波镜一面镀对基频光全透(透过率大于99.9％)的全透膜，迎着倍频晶体的一面镀对对基频光全透(透过率大于99.9％)和532nm倍频光全反(反射率大于99.9％)的双色膜；基频光全反镜两面都镀对基频光全反(反射率大于99.9％)和对倍频光增透(透过率大于99.5％)的双色膜镀膜，夹角选在20°～90°之间，根据腔型设计而定。

在本发明中，平凹全反射端镜的曲率半径及谐振腔腔长的确定，要根据泵浦功率的范围、激光晶体的热透镜焦距f₁、f₂和倍频晶体的热透镜焦距f₃、f₄以及振荡光束在激光晶体和倍频晶体上的光斑半径ω₁、ω₂和ω₃、ω₄等参数通过计算机模拟来进行优化设计，以保证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、f₄的变化，每个子谐振腔都工作在稳定区，同时保证基频振荡光在倍频晶体处的束腰位置基本不变。

2.由方案1派生出来的方案2，即系统由多个倒L型子腔组合而成的腔型结构，其改进在于在光路中通过45°反射镜(6)使得第一个子腔折叠，后面的几个子腔相同于方案1。而所有子腔的二次倍频均由谐波反射镜(5)来实现。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

(1)、将每个激光晶体棒分别置于单个独立的子腔中，解决了采用双棒串接或多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或多棒串接同一腔内，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)、采用具有相同几何尺寸、相同掺杂浓度的同种激光晶体棒，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。

(3)、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。

(4)、每个子腔都采用高效平凹腔结构，以获得较大的基频光功率，同时加入谐波镜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。

(5)、每两个声光调Q晶体由一个驱动源控制，每个声光调Q晶体中心频率为27kHz，调制频率在1-100kHz可调，以实现在高功率激光运转下声光所具有的较高的关断能力，增大基波脉冲的峰值功率，减少倍频晶体的热效应，提高倍频效率。

(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、f₄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。

(7)、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基频光独立震荡，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。因此可以实现大功率(200W级)的激光输出，这是本发明的一个最突出优点。因此，该激光器具有输出功率高、光束质量好、倍频效率高、工业应用性强等优点。

(8)、尽管采用了基频光的多腔独立结构，但是腔内的倍频光通过基频光全反镜和谐波反射镜的对倍频光全透、基频光全反射的作用实现了单向重叠输出。使得多个腔内倍频激光器的输出合为一路。

附图说明

图1为本发明的水平直线型子腔和倒L型子腔组合结构示意图；

图2为多个倒L型子腔组合的结构示意图。

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：

参照图1所示，一种全固态多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，包括一个二维调整架，由一个水平直线型子腔和至少两个独立的倒L型子腔与二维调整架固定连接组成，所述水平直线型子腔包括一个入射平凹全反射端镜1，入射凹面全反射端镜1的水平光路上依次置有的声光调Q晶体2、激光晶体3、LD侧面泵浦源4、二次谐波镜5、具有抗灰迹特性的晶体7、平面输出镜8与二维调整架固定连接；所述独立的倒L型子腔包括水平方向依次置有基频光全反镜13、具有抗灰迹特性的晶体14、平面输出镜15，在基频光全反镜13的垂直方向下侧依次置有激光晶体12、LD侧面泵浦源11、声光调Q晶体10平凹全反射端镜9与二维调整架固定连接。

泵浦源4、11为型号相同的半导体激光器泵浦组件，每个泵浦组件由多个激光二极管阵列按等间距排列组成，分别对称环绕于激光晶体3、12的周围。激光晶体3、12选取Nd³⁺掺杂浓度均为0.6％的Nd:YAG晶体，尺寸均为Ф4.0×90mm，各同光端面均镀有1064nm增透膜。倍频晶体7、14选用具有抗灰线特性的HGTR-KTP非线性光学晶体，II类临界相位匹配方式，通光长度为7mm，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分别置于平面输出镜8与二次谐波镜5之间的1064nm基频光光腰处以及平面输出镜15与基频光全反镜13之间的1064nm基频光光腰处。激光晶体3、12与倍频晶体7、14均采用恒温循环水冷却，以增大晶体的热传导系数，提高晶体传热数度，降低其热透镜效应。平凹全反射端镜1、9及平面绿光输出镜8、15和二次谐波镜5基频光全反镜13均安装在二维调整架上。声光调Q晶体2、10采用同一驱动源驱动分别放置于激光晶体3左侧和激光晶体12下侧，使声光达到最佳关断状态，中心频率为27kHz，调制频率在1-100kHz可调。

构成谐振腔的平凹全反射端镜1、9凹面面向声光Q开关2、10且镀有对1064nm全反(反射率大于99.9％)532nm全反(反射率大于99.9％)的双色膜，另一面不镀膜；平面输出镜8、15对着倍频晶体的一面都镀有对基频光全反(反射率大于99.9％)和对倍频光高透(透过率大于99.5％)的双色膜，而另一面镀对倍频光增透膜；二次谐波镜5一面镀对基频光全透(透过率大于99.9％)的全透膜，迎着倍频晶体的一面镀对基频光全透(透过率大于99.9％)和532nm倍频光全反(反射率大于99.9％)的双色膜；基频光全反镜13两面都镀对基频光全反(反射率大于99.9％)和对倍频光高透(透过率大于99.5％)的双色膜镀膜，夹角选在20°～90°之间，根据腔型设计而定。

工作过程：Nd:YAG激光晶体3、12吸收半导体激光器泵浦源4、11所提供的能量后，产生受激荧光辐射，辐射的荧光分别在各自所在的子谐振腔内振荡放大后形成稳定的基频光，水平方向子腔的基频光由平凹反射端镜1经声光调Q晶体2、激光晶体3、二次谐波镜5、然后由HGTR-KTP倍频晶体7倍频产生532nm倍频光，剩余1064nm基频光被平面绿光输出镜8全反射再次经过倍频晶体7，产生绿光由二次谐波镜5反射，两次产生的倍频绿光由平面绿光输出镜8引出腔外，剩余1064nm基频光则沿原路返回平凹全反射端镜1。倒L型子腔的基频光由平凹反射端镜9经声光调Q晶体10、激光晶体12、基频光全反波镜13、然后由HGTR-KTP倍频晶体14倍频产生532nm倍频光，剩余1064nm基频光被平面绿光输出镜15全反射，再次通过HGTR-KTP倍频晶体14后，产生的倍频光依次经过元件13、8、7到达二次谐波镜5并被其按原路全反射，倒L型子腔两次产生的倍频绿光与水平方向子腔输出的绿光全部由平面绿光输出镜15引出腔外，倒L型子腔内剩余1064nm基频光则被基频光反射镜13反射后经过激光晶体12和声光调Q晶体10返回平凹全反射端镜9。

图2所示，一种全固态多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，至少由两个结构完全相同的独立的倒L型子腔与二维调整架固定连接组成，直线型子腔的入射平凹全反射端镜的垂直光路上依次置有声光调Q晶体、激光晶体、LD侧面泵浦源、二次谐波镜，二次谐波镜的光顺时针旋转90°，在二次谐波镜与倍频晶体的光路汇聚处添加一个45°反射镜反射的光通过水平安装的倍频晶体、平面输出镜输出第至第n个倒L型子腔的45°反射镜，所有倒L型子腔的二次倍频均通过二次谐波反射镜。本发明图2为三个倒L型子腔组合的激光器，只需要在第一个倒L型子腔中加入基频和倍频光全反射镜(两边镀有对1064nm光和532nm光均全反射的双色膜，镀膜夹角选在20°～90°之间，根据腔型设计而定)，其工作过程与由水平直线型子腔和多个倒L型子腔组合的激光器计方案相同。

对于三路光以上的组合式功率耦合腔内倍频绿光激光器只需要在前一级激光器的绿光输出镜后不断加入倒L型独立子腔即可，图1中放置2个，图2中放置3个作为示例)。因此我们只叙述三光路组合式功率耦合腔内倍频绿光激光器时的情况。当三路光以上的组合式功率耦合腔内倍频绿光激光器一起运转时，其中每个倒L型独立子腔的工作原理相同。其对整个系统的影响可以按三路情况时类推。只要系统中最后一级倒L型独立子腔中的倍频晶体的热负荷在其破坏阀值以内，整个系统就可以有效工作。

多光路组合激光器系统的总绿光输出功率等于各个子腔输出绿光功率的总和。

实施例1

采用图1所示的激光器设计方案，我们研制成一台准连续绿光输出功率为178W的激光器，该激光器由三个子腔组成，每个子腔中采用型号相同的半导体激光泵浦组件侧面泵浦Nd:YAG晶体棒，每个半导体泵浦组件的基频1064nm光输出功率为100W总基频光功率300W。Nd:YAG棒的尺寸均为Ф5.0×90mm。利用具有抗灰线特性的HGTR-KTP作为倍频晶体(5×5×15mm³，以色列RAICLOCrystals公司)，采用II类临界相位匹配方式，并实施恒温控制，(恒温温度为22°)，不但减小了倍频晶体的热透镜效应，而且在一定程度上补偿了因热效应引发的倍频晶体相位失配，提高了倍频效率。调Q方式采用声光调Q模块，中心频率为27kHz，调制频率在1-100kHz可调，当三块半导体模块泵浦电流均为I＝22A，重复频率为26.5kHz时，获得了532nm绿光最大平均输出功率为178W。整个过程中，激光系统都在稳定状态下运转。

Claims (10)

1、一种全固态多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，包括一个二维调整架，其特征在于一个水平直线型子腔和至少两个独立的倒L型子腔与二维调整架固定连接组成，所述水平直线型子腔包括一个入射平凹全反射端镜(1)，其入射平凹面全反射端镜(1)的水平光路上依次置有的声光调Q晶体(2)、激光晶体(3)、LD侧面泵浦源(4)、二次谐波镜(5)、具有抗灰迹特性的晶体(7)、平面输出镜(8)与二维调整架固定连接；所述独立的倒L型子腔包括水平方向依次置有基频光全反镜(13)、具有抗灰迹特性的晶体(14)、平面输出镜(15)，在基频光全反镜(13)的垂直方向下侧依次置有激光晶体(12)、LD侧面泵浦源(11)、声光调Q晶体(10)、平凹全反射端镜(9)与二维调整架固定连接。

2、根据权利要求1所述的全固态多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述的LD侧面泵浦源(11、4)为型号相同的半导体激光器泵浦组件由不同驱动源控制，每个泵浦组件中激光二极管按三角形等间距排列，分别对称环绕于激光晶体(12、3)的周围。

3、根据权利要求1所述的全固态多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述的入射平凹全反射端镜(1、9)曲率半径的确定，要根据泵浦功率的范围、激光晶体(3、12)的热透镜焦距f₁、f₂和倍频晶体(7、14)的热透镜焦距f₃、f₄以及振荡光束在激光晶体(3、12)和倍频晶体(7、14)上的光斑半径ω₁、ω₂、ω₃、ω₄以及腔内各光学元件之间的距离参数通过计算机模拟优化，以保证整个泵浦功率变化范围内，同时随着激光晶体(3、12)和倍频晶体(7、14)的热透镜焦距f₁、f₂、f₃、f₄的变化，谐振腔都工作在稳定区，同时保证基频光束在倍频晶体(7、14)处的束腰位置基本不变。

4、根据权利要求1所述的全固态多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述激光晶体(3、12)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所述的全固态多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述倍频晶体(7、14)侧面均匀涂有银粉并用铟箔包裹后放入水冷散热铜块中，分别置于二次谐波镜(5)与平面输出端镜(8)之间以及基频光全反射镜(13)、平面输出端镜(15)之间的振荡光腰处。

6、根据权利要求1所述的全固态多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述声光调Q晶体(2、10)每两个被一个驱动源控制分别放置于激光晶体(3)的左侧和激光晶体(12)的下侧。

7、根据权利要求1所述的全固态多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所说平面输出镜(8)所输出的绿光经过基频光全反镜(13)后经过倍频晶体(14)由平面输出镜(15)输出，其镜面法线方向与激光晶体(3)辐射的荧光光轴方向一致。

8、根据权利要求1所述的全固态多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述入射平凹全反射端镜(1、9)的凹面面向声光Q晶体(2、10)的开关，且镀有对基频光和对倍频绿光的全反膜，另一面不镀膜；平面输出镜(8、15)对着倍频晶体(14)的一面都镀有对基频光全反和对倍频光高透的双色膜，而另一面镀对倍频光增透膜；二次谐波镜(5)两面都镀有对基频光全透迎着倍频晶体的一面对532nm倍频光全反射的双色全反膜；基频光全反镜(13)两面都镀有对基频光全反对倍频光全透的双色膜，镀膜夹角选在20°～90°之间。

9、根据权利要求1所述的全固态多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述声光调Q晶体中心频率为25kHz-29kHz，调制频率在1-100kHz可调。

10、一种全固态多腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于至少由两个结构完全相同的独立的倒L型子腔与二维调整架固定连接组成，直线型子腔的入射平凹全反射端镜(1)的垂直光路上依次置有声光调Q晶体(2)、激光晶体(3)、LD侧面泵浦源(4)、二次谐波镜(5)，二次谐波镜(5)的光顺时针旋转90°，在二次谐波镜(5)与倍频晶体(7)的光路汇聚处添加一个45°反射镜(6)反射的光通过水平安装的倍频晶体(7、14)、由平面输出镜(8、15)输出第至第n个倒L型子腔的45°反射镜(13)，所有倒L型子腔的二次倍频均通过二次谐波反射镜(5)。

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