CN101267084B - 全固态t型双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T型双腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，采用由两个子腔组合而成，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，并在两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。整个系统最终获得功率达到202W的532nm绿光输出。该激光器不需要任何热透镜和热致双折射补偿元件，具有输出功率高、光束质量好、倍频效率高、稳定性好，医疗、工业应用性强等优点。

Description

全固态T型双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200W级全固态T型双腔组合腔内倍频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，但该类激光器存在几方面重要的缺陷，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，同时也易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、双光束单向重叠输出的全固态T型双腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器。

为克服现有技术中存在的光-光转换效率低、热透镜效应明显、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：包括分别由第一平-凹全反射端镜和第一平面绿光输出镜组成的第一平-凹腔、以及由第二平-凹全反射端镜和第二平面绿光输出镜组成的第二平-凹腔，本发明的特殊之处在于所述第一平-凹腔的光路和第二平-凹腔的光路垂直组成T型双腔组合腔，上述第一平-凹全反射端镜的水平光路上依次分别设置有第一声光调Q晶体、第一激光晶体、45°谐波反射镜，第一倍频晶体、第一平面绿光输出镜；所述第二平-凹子腔由第二平凹全反射端镜引出的光路上依次分别放置第二声光调Q晶体、第二激光晶体、二次谐波反射镜、第二倍频晶体、第二平面绿光输出镜，水平方向第一激光晶体与垂直方向第二平面绿光输出镜输出的光叠加汇聚于45°谐波反射镜上，通过45°谐波反射镜依次输入给第一倍频晶体、第一平面绿光输出镜，所述第一激光晶体和第二激光晶体均为尺寸与掺杂相同的Nd:YAG晶体，各通光面均镀有基频光增透膜并采用循环水冷却，在Nd:YAG侧面等间距放置的由多个半导体激光二极管阵列构成大功率第一半导体泵浦组件和第二半导体泵浦组件，第一激光晶体与第一半导体泵浦组件及第二激光晶体与第二半导体泵浦组件分别构成两个1064nm激光模块，并由各自驱动源控制。

整个系统呈T型放置，水平方向直线子腔的平面绿光输出镜为整个系统的绿光输出镜。这种腔的特点在于两个子腔彼此独立，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，通过数值分析和计算，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T型双腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器系统在较宽泵浦功率范围内均能获得连续稳定运转。

所述水平方向的直线型子腔的入射平凹全反射端镜的光路上依次设置有声光调Q晶体、激光晶体及其LD侧面泵浦源、45°谐波反射镜、倍频晶体和平面绿光输出镜。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、45°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，倍频光由45°谐波反射镜反射到达垂直子腔，经垂直腔的输出镜，倍频晶体到达二次谐波镜并被其全反射回水平子腔，两次产生的倍频绿光由水平子腔的平面绿光输出镜引出腔外，剩余基频光沿原路返回水平子腔形成振荡。

所述垂直方向子腔的入射平凹全反射端镜的光路上依次设置有声光调Q晶体、激光晶体及其LD侧面泵浦源、二次谐波镜、倍频晶体和平面绿光输出镜。激光晶体吸收泵浦源提供的能量后，产生受激荧光辐射，辐射的荧光在垂直子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、二次谐波镜，经过倍频晶体倍频产生绿光，经绿光输出镜输出该子腔，然后再经45°谐波镜、倍频晶体、平面绿光输出镜与水平方向子腔的绿光一同输出。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绿光，二次产生的倍频绿光经二次谐波反射镜反射回来，再经倍频晶体、平面绿光输出镜、45°谐波反射镜、倍频晶体、平面绿光输出镜与水平方向子腔的绿光重叠一同输出。剩余基频光沿原光路返回，在垂直子腔内形成振荡。

本发明中，平凹全反射端镜、平面绿光输出镜及45°谐波反射镜和二次谐波镜均安装在二维调整架上，每个子谐振腔的平凹全反射端镜和平面绿光输出镜之间的光路与激光晶体中心轴共线，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45°谐波反射镜的材质为融熔石英。

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个激光二极管阵列并按等间距排列，分别对称置于激光晶体的周围侧面泵浦激光晶体。

本发明中，两激光晶体采用几何尺寸、Nd³⁺掺杂浓度相同的YAG棒，各通光面均镀有基频光增透膜并采用循环水冷却。

本发明中，两个声光调Q晶体可受同一驱动源控制，也可有各自的电源驱动控制，分别放置于激光晶体与平凹镜之间。

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，置于平面绿光输出镜与二次谐波镜、45°谐波反射镜之间的振荡光腰处。

本发明中，构成谐振腔的平凹全反射端镜面向声光Q晶体的凹面镀有基频光全反膜(反射率大于99.9％)，另一面不镀膜。平面绿光输出镜对着倍频晶体的一面镀有对1064nm光全反(反射率大于99.9％)和对532nm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。二次谐波镜和45°谐波反射镜两面都镀对基频光增透(透过率大于99.9％)迎着倍频晶体的一面对532nm倍频光全反射(反射率均大于99.9％)的双色全反膜，而二次谐波镜(10)以0°镀膜，45°谐波反射镜(5)以45°镀膜。

在本发明中，平凹全反射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不变。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

(1)、将每个激光晶体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)、两个声光调Q晶体由同一个驱动源控制(也可单独各自控制)，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，可以实现大功率(200W级)的激光输出，这是本发明的一个主要创新点。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双腔独立结构，但是腔内的倍频光通过基频光全反镜和45°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。使得两个腔内倍频激光器的输出合为一路。此种设计是本发明的另一个创新点。

附图说明

附图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中的内容作进一步描述：

参见图1所示，一种全固态T型双腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，包括分别由第一平凹全反射端镜1和第一平面绿光输出镜7组成的第一平-凹腔、以及由第二平凹全反射端镜14和第二平面绿光输出镜8组成的第二平-凹子腔，其特征在于所述第一平-凹腔的光路和第二平-凹腔的光路垂直组成T型双腔组合腔，上述第一平-凹全反射端镜1的水平光路上依次分别设置有第一声光调Q晶体2、第一激光晶体3、45°谐波反射镜5，第一倍频晶体6、第一平面绿光输出镜7；所述第二平-凹子腔由第二平凹全反射端镜14引出的光路上依次分别放置第二声光调Q晶体13、第二激光晶体11、二次谐波反射镜10、第二倍频晶体9、第二平面绿光输出镜8，水平方向第一激光晶体3与垂直方向第二平面绿光输出镜8输出的光叠加汇聚于45°谐波反射镜5上，通过45°谐波反射镜5依次输入给第一倍频晶体6、第一平面绿光输出镜7，所述第一激光晶体3和第二激光晶体11均为尺寸与掺杂相同的Nd:YAG晶体，各通光面均镀有基频光增透膜并采用循环水冷却，在Nd:YAG侧面等间距放置的由多个半导体激光二极管阵列构成大功率第一半导体泵浦组件4和第二半导体泵浦组件12，第一激光晶体3与第一半导体泵浦组件4及第二激光晶体11与第二半导体泵浦组件12分别构成两个1064nm激光模块，并由各自驱动源控制。

泵浦源4、12为型号相同的半导体激光器泵浦组件，每个泵浦组件中有多个激光二极管阵列并按等间距排列组成，分别对称环绕于激光晶体3、11的周围。激光晶体3、11选取Nd³⁺掺杂浓度均为0.6％的Nd:YAG晶体，尺寸均为Φ4.0×90mm，各同光端面均镀有1064nm增透膜。倍频晶体6、9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绿光输出镜7与45°谐波反射镜5之间的1064nm基频光光腰处以及平面绿光输出镜8与二次谐波镜10之间的1064nm基频光光腰处。激光晶体3、11与倍频晶体6、9均采用恒温循环水冷却，以增大晶体的热传导系数，提高晶体传热数度，降低其热透镜效应。平凹全反射端镜1、14及平面绿光输出镜7、8和45°谐波反射镜5二次谐波镜10均安装在二维调整架上。声光调Q晶体2、13采用同一驱动源驱动分别放置于激光晶体4左侧和激光晶体11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、14凹面面向声光Q开关2、13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；平面绿光输出镜7、8的一面镀有对1064nm光全反(反射率大于99.9％)和对532nm光高透(透过率大于99.9％)的双色膜，而另一面镀对倍频光增透膜；45°谐波反射镜5二次谐波镜10两面都镀有对基频光全透(透过率大于99.9％)迎着倍频晶体的一面镀对532nm倍频光全反射(反射率均大于99.9％)的双色膜，而镜10以0°镀膜，镜5以45°镀膜。

实施例

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202W的激光器，该激光器由两个子腔组成，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200W总基频光功率400W。Nd:YAG棒的尺寸均为Φ4.0×90mm。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(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，当两个半导体模块泵浦电流分别为I＝22A、I＝23A，重复频率为26.5kHz时，获得了532nm绿光最大平均输出功率为202W。整个过程中，激光系统都在稳定状态下运转。

Claims (6)

1.一种全固态T型双腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，包括分别由第一平凹全反射端镜(1)和第一平面绿光输出镜(7)组成的第一平-凹腔、以及由第二平凹全反射端镜(14)和第二平面绿光输出镜(8)组成的第二平-凹腔，其特征在于所述第一平-凹腔的光路和第二平-凹腔的光路垂直组成T型双腔组合腔，上述第一平凹全反射端镜(1)的水平光路上依次分别设置有第一声光调Q晶体(2)、第一激光晶体(3)、45°谐波反射镜(5)，第一倍频晶体(6)、第一平面绿光输出镜(7)；所述第二平-凹腔由第二平凹全反射端镜(14)引出的光路上依次分别放置第二声光调Q晶体(13)、第二激光晶体(11)、二次谐波反射镜(10)、第二倍频晶体(9)、第二平面绿光输出镜(8)，水平方向第一激光晶体(3)与垂直方向第二平面绿光输出镜(8)输出的光叠加汇聚于45°谐波反射镜(5)上，通过45°谐波反射镜(5)依次输入给第一倍频晶体(6)、第一平面绿光输出镜(7)，所述第一激光晶体(3)和第二激光晶体(11)均为尺寸与掺杂相同的Nd:YAG晶体，各通光面均镀有基频光增透膜并采用循环水冷却，在Nd:YAG晶体侧面等间距放置由多个半导体激光二极管阵列构成的大功率第一半导体泵浦组件(4)和第二半导体泵浦组件(12)，第一激光晶体(3)与第一半导体泵浦组件(4)及第二激光晶体(11)与第二半导体泵浦组件(12)分别构成两个1064nm激光模块，并由各自驱动源控制。

2.根据权利要求1所述的全固态T型双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，第一平凹全反射端镜(1)与第二平凹全反射端镜(14)的曲率半径、第一平-凹腔与第二平-凹腔的腔长要根据泵浦功率的范围及第一激光晶体(3)、第二激光晶体(11)的热透镜焦距f₁、f₂、第一倍频晶体(6)、第二倍频晶体(9)的热透镜焦距f₃、f₄以及振荡光束在第一激光晶体(3)、第二激光晶体(11)和第一倍频晶体(6)、第二倍频晶体(9)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，通过计算机模拟来进行优化设计，以保证在整个泵浦功率变化范围内，随着第一激光晶体(3)、第二激光晶体(11)和第一倍频晶体(6)、第二倍频晶体(9)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，同时保证基频光束在第一倍频晶体(6)、第二倍频晶体(9)处的束腰位置不变。

3.根据权利要求1所述的全固态T型双腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述第一平凹全反射端镜(1)、第二平凹全反射端镜(14)及第一平面绿光输出镜(7)、第二平面绿光输出镜(8)和45°谐波反射镜(5)、二次谐波反射镜(10)均安装在二维调整架上，第一平凹全反射端镜(1)和第一平面绿光输出镜(7)之间的光路与第一激光晶体(3)辐射的荧光光轴方向共线；第二平凹全反射端镜(14)和第二平面绿光输出镜(8)之间的光路与第二激光晶体(11)辐射的荧光光轴方向共线。

4.根据权利要求1所述的全固态T型双腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述第一倍频晶体(6)、第二倍频晶体(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，分别置于45°谐波镜(5)与第一平面绿光输出镜(7)之间和二次谐波反射镜(10)与第二平面绿光输出镜(8)之间的振荡光腰处。

5.根据权利要求1所述的全固态T型双腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述第一声光调Q晶体(2)、第二声光调Q晶体(13)受同一驱动源控制。

6.根据权利要求1所述的全固态T型双腔组合腔内倍频单向重叠输出准连续绿光激光器，其特征在于所述第二平面绿光输出镜(8)所输出的绿光经过45°谐波反射镜(5)反射后经过第一倍频晶体(6)由第一平面绿光输出镜(7)输出，并保证其反射的绿光与第一激光晶体(3)辐射的荧光在腔内振荡的方向一致。

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