CN101414728A - 一种碟片固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碟片固体激光器，其中碟片状激光晶体和激光谐振腔输出镜构成激光谐振腔，二个共轭放置的抛物面反射镜的其中一个焦点位于碟片状激光晶体内，半导体激光器叠阵发出的泵浦光先经泵浦光束准直器准直，再经过所述的二个抛物面反射镜成像到碟片状激光晶体上，最后经所述激光谐振腔形成激光输出。本发明采用半导体叠阵泵浦的方式，效率高、寿命长，设备维护方便。共轭放置的双抛物面泵浦系统，降低了对泵浦光准直度的要求，实现了泵浦光高效的成像。各次泵浦光斑形状规则对称、功率密度分布合理、每次成像光斑位置漂移小，实现了高效均匀的泵浦。设备体积较小、机械结构和调整简单、质量较轻，便于工业应用。

Description

一种碟片固体激光器

技术领域

本发明属于激光器技术，具体涉及一种碟片固体激光器。

背景技术

随着激光技术的不断发展，固体激光器以其自身独特的优点成为激光器家族中独特的一个分支，并向着高平均功率、高光束质量、高转换效率的方向快速发展。同时固体激光技术与其他高新技术相互渗透，使得的固体激光器在汽车车身外板焊接、汽车板拼焊和金属板材切割等领域的应用越来越宽。然而传统的棒状固体激光器，由于其侧面泵浦的结构和冷却方式的局限性，导致了晶体内部产生径向温度场分布，引起了热透镜效应、热应力双折射等问题，造成输出激光光束质量的下降，制约了在激光加工技术领域的应用。

新型碟片固体激光器主要利用碟片状激光晶体作为激光器的增益介质，采用类似端面泵浦的结构，冷却沿着与光轴平行的方向进行。由于热源与热沉间的距离很小，因而即使在泵浦功率密度很高的情况下，晶体内部的升温也不会很大，晶体内部温度的均匀分布极大消除了晶体的热形变，使之具有较好的光束质量。目前主流的碟片固体激光器采用德国斯图加特大学的A.Geisen教授所提出的单抛物面空间旋转多程泵浦的方式，运行效率高，实现了固体激光器高功率、高效率、高光束质量的完美结合，但是该方案存在的最大问题就是机械结构复杂，光学调整难度较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碟片固体激光器，该碟片固体激光器机械结构简单，易于进行光学调整，便于实现高输出功率、高转换效率、高光束质量的激光输出。

本发明提供的碟片固体激光器，包括半导体激光器叠阵、泵浦光束准直器、碟片状激光晶体、激光谐振腔输出镜和贴片冷却系统，碟片状激光晶体和激光谐振腔输出镜构成激光谐振腔，贴片冷却系统用于碟片状激光晶体的冷却，其特征在于：它还包括抛物面相同的第一、第二抛物面反射镜，第一、第二抛物面反射镜的其中一个焦点位于碟片状激光晶体内，第一、第二抛物面反射镜共轭放置；半导体激光器叠阵发出的泵浦光先经泵浦光束准直器准直，再经过所述的二个抛物面反射镜成像到碟片状激光晶体上，由所述激光谐振腔形成激光输出。

具体而言，本发明具有以下优点：

(1)采用半导体叠阵泵浦的方式，效率高、寿命长，设备维护方便。

(2)采用贴片式冷却方式，碟片状激光晶体热效应小，实现高功率、高光束质量、高效率的连续激光输出。

(3)双抛物面反射镜和碟片激活介质构成共轭放置的双抛物面反射镜泵浦系统，降低了对泵浦光准直度的要求，实现了泵浦光高效的成像，并使得功率密度分布合理、每次成像光斑位置漂移小。

(4)设备体积较小、机械结构和调整简单、质量较轻，便于工业应用。

附图说明

图1是本发明碟片固体激光器的第一种具体实现方式的结构示意图。

图2是图1中共轭放置的双抛物面反射镜泵浦系统部分示意图。

图3是本发明碟片固体激光器的第二种具体实现方式的结构示意图，其中(a)子午面内主视图，(b)弧矢面内俯视图。

图4是图2中共轭放置的双抛物面反射镜泵浦系统部分示意图，其中(a)子午面内主视图，(b)弧矢面内俯视图。

具体实施方式

本发明采用半导体激光器叠阵作为泵浦源，共轭放置的双抛物面反射镜作为聚光腔，利用共轭放置的双抛物面镜的成像特性，实现光斑的高效泵浦。在方案1中，泵浦光斑通过准直成像系统成像在共轭放置的双抛物面反射镜中一个抛物面的焦点上，在另一抛物面的焦点上，放置碟片状激光晶体，利用共轭放置的双抛物面反射镜对光线进行成像和约束，实现高效的泵浦。本发明提升了固体激光器的性能指标。在方案2中，利用偏转补偿镜与倾斜放置的碟片晶体，实现对准直后进入共轭放置的双抛物面反射聚光腔内的泵浦光束在空间位置上的平移与调整，增加碟片状激光晶体的泵浦次数，提高激光器的光光转换效率。

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，第一个实例提供的碟片固体激光器包括半导体激光器叠阵1、泵浦光束准直器2、共轭放置的双抛物面反射镜3、碟片激活物质4、激光谐振腔输出镜5、贴片冷却系统6等结构。其中，碟片状激光晶体4和激光谐振腔输出镜5构成谐振腔。泵浦光束准直器2将整形后的半导体激光器叠阵1所发出的光线在共轭放置的双抛物面反射镜3中实现高效、均匀的泵浦。

半导体激光器叠阵1作为碟片固体激光器的泵浦源，此光束在快轴和慢轴方向的发散角和光斑尺寸不同，并且光束质量较差。

泵浦光束准直器2将半导体激光器叠阵1所发出的长方形光束进行准直和成像，在像平面处形成正方形光斑，输入到共轭放置的双抛物面反射镜泵浦系统中某一抛物面的焦点上。

双抛物面反射镜3为两个完全相同共轭放置的双抛物面反射镜和碟片状激光晶体4构成共轭放置的双抛物面反射镜泵浦系统。图2给出了双抛物面反射镜3和碟片激光物质4的布局与结构关系。其中双抛物面反射镜3是由第一抛物面反射镜8和第二抛物面反射镜9两个完全相同的抛物面组成，具有相同的抛物面函数。两个抛物面反射镜共轭放置，即第一抛物面反射镜8的焦点与第二抛物面反射镜9的顶点重合，第二抛物面反射镜9的焦点与第一抛物面反射镜8的顶点重合。

碟片状激光晶体4是厚度为0.2mm～1mm，直径为4mm～20mm的碟片状晶体，它作为激光器的激活介质。该晶体一面镀有对泵浦光和输出激光高反的膜层并贴焊在冷却指上，与输出镜5构成激光谐振腔；另一面镀有对泵浦光和输出激光的高透膜层，以减少泵浦光和输出激光的反射损耗。碟片状激光晶体4和通过泵浦光束准直器2成像的正方形光斑分别放在两抛物面的焦点上也可根据需要适当离焦或离轴，实现共轭的布局。碟片状激光晶体4安装时让其具有不等于零的倾角β，并与谐振腔输出镜6构成碟片激光器的谐振腔。利用共轭放置的双抛物面反射镜成像的独特原理和对光线的约束能力，将正方形的泵浦光斑高效的成像到碟片激光介质上，实现高效均匀的泵浦，简化了泵浦结构。

激光谐振腔输出镜5为输出耦合镜与碟片一端面的激光全反膜构成谐振腔，实现谐振放大，完成激光输出。

贴片冷却系统6可以采用冷却指、冷却水箱构成，完成激活物质碟片和矫正补偿镜的冷却，提高输出激光的稳定性。

如图3(a)、(b)所示，第二个实例提供的碟片固体激光器包括半导体激光器叠阵1、泵浦光束准直器10、共轭放置的双抛物面反射镜3、碟片状激光晶体4、激光谐振腔输出镜5、贴片冷却系统6、矫正补偿镜7等结构。其中，碟片状激光晶体4和激光谐振腔输出镜5构成谐振腔，在矫正补偿镜7的作用下，对泵浦光束准直器2准直后的半导体激光器叠阵1所发出的光线在共轭放置的双抛物面反射镜3中进行矫正和补偿，实现高效、均匀的泵浦。

泵浦光束准直系统10将半导体激光器叠阵所发出的光束进行准直，以达到输出光束快慢轴具有相同发散角的要求，从抛物面顶点的下方入口处输入到共轭放置的双抛物面反射镜泵浦系统中。

双抛物面反射镜3为两个完全相同共轭放置的抛物面反射镜，如图4(a)、(b)中的第一抛物面8和第二抛物面9，与碟片状激光晶体4和矫正补偿镜7构成共轭放置的抛物面反射镜泵浦系统。碟片状激光晶体4和矫正补偿镜7分别放在两抛物面的焦点区域，可以是焦点或者根据需要适当离焦或离轴，实现共轭的布局。利用共轭放置的抛物面反射镜成像的独特原理，将准直好的泵浦光束多次成像在碟片状激光晶体4上面，即完成了多次泵浦过程，有效地提高了泵浦光的功率密度。实现多次泵浦的具体方案在下文有详细介绍。

碟片状激光晶体4放置在共轭抛物面的左焦点上，与矫正补偿镜7共轭放置，利用共轭放置的双抛物面反射镜泵浦系统实现多次泵浦。通过对泵浦光的吸收，实现激活粒子反转。

矫正补偿镜7为一反射镜，镀有对泵浦光高反的光学膜，放置在共轭放置的双抛物面反射镜的另一个焦点上，也可根据需要适当离轴或离焦。矫正补偿镜7与光轴之间存在一定的倾角δ(0<δ<45°)，矫正每次泵浦碟片光斑的漂移，从而提高泵浦光斑的均匀性。

在具体实现时，当矫正补偿镜7与光轴之间的倾角二倍于碟片状激光晶体4与光轴之间的倾角，并且方向相反时，可以更进一步提高泵浦光斑的均匀性。

如图4所示，第一抛物面反射镜8和第二抛物面反射镜9是两个完全相同的抛物面，构成共轭放置的双抛物面反射镜3，它们具有相同的抛物面函数。两个抛物面反射镜共轭放置，即第一抛物面反射镜8的焦点与第二抛物面反射镜9的顶点重合，第二抛物面反射镜9的焦点与第一抛物面反射镜8的顶点重合。

图4(a)为子午面内共轭放置的双抛物面反射镜与碟片状激光晶体4和矫正补偿镜7的位置关系图。在子午面内碟片状激光晶体4安装时具有α(0<α<45°)方向的倾角，而矫正补偿镜7具有反向的δ倾角。在子午面内当泵浦光束经第二抛物面反射进入碟片后，由于具有倾角α的存在，光束在原有的传输方向上具有α角度的偏转，经共轭放置的双抛物面反射镜的传输入射到矫正补偿镜7时，由于矫正补偿镜7具有反向的δ倾角，故将传输的光束反方向移回了δ角度的偏转。如此往复，实现了泵浦光在子午面内的两个抛物面上不断的平移，达到了多程泵浦的效果，提高泵浦光的利用率。矫正补偿镜7在平移共轭抛物面上光斑的同时还矫正了碟片状激光晶体4上面泵浦光斑的漂移与变形，实现均匀的泵浦。

图4(b)为弧矢面内双抛物面与碟片状激光晶体4和矫正补偿镜7的位置关系图，在该平面内碟片状激光晶体4和矫正补偿镜7与两抛物面的主光轴垂直。泵浦光从第一抛物面反射镜8下方箭头处入射，并按照共轭放置的双抛物反射镜面成像的原理在弧矢面内进行传输。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1、一种碟片固体激光器，包括半导体激光器叠阵(1)、泵浦光束准直器、碟片状激光晶体(4)、激光谐振腔输出镜(6)和贴片冷却系统(7)，碟片状激光晶体(4)和激光谐振腔输出镜(6)构成激光谐振腔，贴片冷却系统(7)用于碟片状激光晶体(4)的冷却，其特征在于：它还包括抛物面相同的第一、第二抛物面反射镜(8、9)，碟片状激光晶体(4)与光轴之间的倾角不等于零，第一、第二抛物面反射镜(8、9)的其中一个焦点位于碟片状激光晶体(4)内，第一、第二抛物面反射镜(8、9)的共轭放置；

半导体激光器叠阵(1)发出的泵浦光先经泵浦光束准直器准直，再经过所述的二个抛物面反射镜成像到碟片状激光晶体(4)上，由所述激光谐振腔形成激光输出。

2、根据权利要求1所述的碟片固体激光器，其特征在于：它还包括矫正补偿镜(5)，矫正补偿镜(5)为镀有对泵浦光高反的光学膜的反射镜，放置在第一、第二抛物面反射镜(8、9)的另一个焦点处，矫正补偿镜(5)与光轴之间的倾角δ为0<δ<45°。

3、根据权利要求1或2所述的碟片固体激光器，其特征在于：矫正补偿镜(5)与光轴之间的倾角二倍于碟片状激光晶体(4)与光轴之间的倾角，并且方向相反。

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