CN101436752A - 一种端面泵浦主动调q腔外倍频绿光激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器，包括激光泵浦源、传能光纤、光学耦合系统、“V”型折叠谐振腔、激光晶体、主动调Q开关、转向镜、聚焦镜、非线性倍频晶体、准直镜、谐波分离镜。通过主动调Q方式产生高峰值功率准连续基频光输出，然后输出的基频光经过透镜聚焦到放置在腔外的非线性倍频晶体上并产生细小的光斑和高的基频光功率密度，在倍频晶体后得到绿光输出。腔外倍频方式比腔内倍频方式具有更好的稳定性，并且结构灵活，易于调整。本发明中，基频光到倍频光的转换效率大于50％，绿光平均功率大于4.5W。本发明广泛应用于工业加工、科研、医疗、军事等领域。

Description

一种端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，特别是一种端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器。它适于激光打标、激光内雕、激光划片、其他激光的泵浦源、激光医疗和科研等领域的应用。

背景技术

目前市场上大部分的端泵绿光激光激光器都是采用的腔内倍频方式。这种方式结构紧凑，光束质量较好，倍频效率较高，可以利用腔内的高功率密度获得较大的倍频绿光输出，但是这种方式容易遇到纵模竞争导致的稳定性较差问题。由于在腔内产生振荡的基频激光纵模和偏振态的变化使得输出光的功率产生幅度很大的波动，不能满足一些应用的要求，利用单向环型激光器或利用能把两个偏振态激光模式相互藕合起来的直线腔激光器能够消除激光器工作介质中空间烧孔效应，从而降低输出功率的波动，但是它们的结构复杂、腔内损耗较大、调整困难、成本较高。并且腔内倍频方式不容易设计合适的谐振腔以同时获得较小的基频光束腰和较短的激光脉冲宽度。另外，腔内倍频方式增加了激光谐振腔的插入损耗，使得激光的振荡阈值增加，光-光转换效率降低。此外，腔内倍频方式存在双向倍频转换过程，第二次倍频过程的绿光一般不能有效输出，导致转换效率的损耗。

发明内容

本发明的目的正是为了解决上述现有技术中所存在的诸如稳定性较差、插入损耗大和转换效率不高等问题而提供一种端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器。该激光器结构灵活简单，不受激光谐振腔设计结构的约束，采用聚焦倍频方式弥补了腔外倍频功率密度低于腔内倍频方式的缺点，可自由选择基频光在非线性倍频晶体上的聚焦束腰尺寸，以获得最佳的倍频转换效率。

本发明的目的是通过以下方案实现的：利用对称折叠腔以减小热透镜效应的影响，同时利用耦合系统实现泵浦光束在激光晶体内的束腰和位置与振荡基频激光的基模尺寸相匹配，使得大部分泵浦能量转换为基模振荡，从而使输出基频光获得较好的光束质量和较高的功率稳定性。利用激光谐振腔内放置的主动调Q开关，获得高重复频率和短脉冲宽度的近基模基频激光输出。输出的基频激光通过聚焦透镜聚焦后可以获得更小的激光束腰尺寸，从而大大增加激光功率密度。通光透镜聚焦后的基频光束腰位置与倍频晶体的入射端面重合，从而获得最佳的倍频转换效率。

一种端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器，它包括激光泵浦源(1)、激光传能光纤(2)、光学耦合系统、激光谐振腔、激光晶体(8)、主动调Q开关(9)、转向镜(10、11)、聚焦透镜(12)、倍频晶体(13)、准直透镜(14)、谐波分离镜片(15、16)，其特征是，光学耦合系统由两片式透镜(3)和透镜(4)组成，第一片透镜(3)对激光传能光纤(2)输出的泵浦光(17)进行准直，第二片透镜(4)对泵浦光(17)聚焦，透镜(3)和透镜(4)之间的距离可调；激光谐振腔为“V”型折叠腔结构，其光路成“V”形，沿基频光(18)光路由全反镜(6)，腔镜(5)和输出镜(7)构成；激光晶体(8)和主动调Q开关(9)放置在谐振腔内，转向镜(10、11)、聚焦镜(12)、倍频晶体(13)、准直透镜(14)、谐波分离镜(15、16)放置在谐振腔外；由激光泵浦源(1)产生的泵浦光(17)通过激光传能光纤(2)和光学耦合系统的准直聚焦，再经过“V”型折叠腔拐角处的腔镜(5)入射到激光晶体(8)内部并被激光晶体(8)充分吸收；谐振腔的振荡阈值由放置在谐振腔内的主动调Q开关(9)调制，然后形成脉冲输出的基频激光(18)；基频激光(18)经过输出镜(7)输出，再经过转向镜(10、11)调整入射方向，通过设置在谐振腔外一定位置的聚焦透镜(12)聚焦到非线性倍频晶体(13)的入射端面并产生倍频绿光激光(19)和剩余的基频激光(18)再经过准直透镜(14)准直，倍频绿光激光(19)透过谐波分离镜(15)输出，剩余的基频激光(18)被谐波分离镜(15、16)反射，形成可与倍频绿光激光(19)平行输出的基频激光(20)；所述的全反镜(6)到激光晶体(8)中心的距离为140mm至160mm，腔镜(5)的中心到激光晶体(8)中心的距离为10mm至30mm，输出镜(7)到腔镜(5)中心的距离为120mm至140mm，透镜(4)出光端面中心到激光晶体(8)中心的距离为20mm至40mm，“V”型腔的两臂夹角小于20度。

本发明所述的端面泵浦主动调Q腔外倍频激光器的激光泵浦光源为808nm半导体激光二极管光源，最大输出功率为30W。

本发明所述的端面泵浦主动调Q腔外倍频激光器，其全反镜到激光晶体的中心距离为150mm，腔镜到激光晶体的中心距离为20mm，输出镜到腔镜的中心距离为130mm，泵浦光经过耦合系统聚焦到激光晶体上的平均光斑直径为0.8mm。“V”型折叠腔的两臂夹角为18度；透镜的出光端面到激光晶体中心的距离为30mm；基频激光输出光束质量因子小于1.3；激光晶体位于等效腔结构的中心。

本发明所述的端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器，其折叠腔可以等效为线性直腔结构，激光晶体吸收泵浦光源的一部分能量将转化为热量，经过冷却在晶体内部形成非均匀温度分布，其效果等效为一个聚焦透镜，称为热透镜效应。设LBO对基频光的折射率为n，光束质量因子为M²，基频光的波长为λ，激光束腰半径为w₀，则输出基频激光经过透镜聚焦到非线性倍频晶体内的光束瑞利长度Z_R的计算公式为：

$Z_R=\frac{{\mathrm{n\πw}}_0^2}{{\mathrm{\λM}}^2}$

为了达到有效的倍频转换效率，保证有效的相位匹配，聚焦到非线性倍频晶体内的基频激光光束瑞利长度必须大于非线性倍频晶体的长度。因此对于一定光束质量的基频激光，存在一个最小可聚焦参数，或者说光束质量越好，允许将基频激光聚焦到更小的光斑尺寸。

本发明所述的端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器，其主动调Q开关为声光调Q或电光调Q开关。

本发明所述的非线性倍频晶体(13)为磷酸二氢钾(KDP)、三硼酸锂(LBO)、磷酸氧钛钾(KTP)或偏硼酸钡(BBO)非线性光学晶体。

本发明所述的激光晶体(8)为Nd:YVO₄或Nd:YAG晶体。

本发明所述的聚焦透镜(12)和准直透镜(14)的焦距分别为30mm至100mm。

本发明所述的透镜(3)的焦距为12mm至18mm，透镜(4)的焦距为25mm至35mm。

本发明所述的端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器具有构思新颖、设计合理、工艺规范、安装简便、易于形成工业化批量生产等优点；具有输出光束质量好、功率稳定、全固态、结构紧凑灵活等优势。本发明可广泛应用于工业加工、科研、医疗、军事等各个领域；特别适用于各种材料的表面激光标记、激光内雕、精细加工、切割、焊接以及其他激光的泵浦源等领域。

附图说明

图1：端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器结构示意图；

图2：等效直线腔及腔内、腔外光束变换示意图；

图3：光束在倍频晶体内的聚焦变换示意图；

图2中，(6)和(7)为等效直线腔的腔镜和输出镜，(8)为激光晶体产生的等效腔的热透镜，(6)和(7)构成等效腔，热透镜(8)在等效腔的中心；(21)为基频光光束轮廓，(12)和(14)为焦距50mm的透镜，(13)为非线性倍频晶体。

图3中，(21)为聚焦入射光束，其束腰落在非线性倍频晶体(13)的入射端面上；(22)为不存在倍频晶体时的聚焦后的光束轮廓；(23)为聚焦光束通过倍频晶体后的光束轮廓。

具体实施方式

本发明所涉及的端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器，其技术方案结合附图1、2和3详细叙述如下：

本发明的基频激光源由谐振腔、激光晶体8(取Nd:YVO₄作为激光晶体8)和泵浦单元构成。激光器的谐振腔为“V”型折叠腔结构，其光路成“V”字形，沿基频光18光路由全反镜6、腔镜5和输出镜7构成；反射镜6为平面镜，它的内侧镀基频光(1064nm)高反膜，腔镜5为平面反射镜，它的一面镀泵浦光(808nm)增透膜，另一面同时镀泵浦光增透膜和基频光高反膜，输出镜7一面镀基频光部分反射膜，一面镀基频光增透膜；激光晶体8位于靠近腔镜5的光轴上即等效腔的结构中心，晶体两通光面同时镀泵浦光和基频光增透膜；采用泵浦光源1(808nm)作为泵浦源；泵浦单元由传能光纤2和耦合系统构成；耦合系统由两片式透镜3、4组成，两片透镜都镀泵浦光增透膜，第一片透镜3对光纤输出的泵浦光17进行准直，第二片透镜4对泵浦光17聚焦，两透镜3、4之间的距离可调；泵浦光通过光纤和耦合系统，再经过“V”型折叠腔拐角腔镜5入射到激光晶体8内部并被激光晶体8充分吸收；谐振腔的振荡阈值由放置在腔内的主动调Q开关9(双面镀基频光增透膜)调制，然后形成脉冲输出的基频激光18；脉冲输出的基频激光18经过方向转向镜10和11(均镀基频光高反膜)改变传播方向；脉冲输出的基频激光18由放置在谐振腔外一定位置的聚焦透镜12(镀基频光增透膜)聚焦到非线性倍频晶体13(LBO，双面均镀基频光和倍频光增透膜)的入射端面上，并在晶体13内部形成非线性频率变换过程；由倍频晶体13产生的倍频绿光激光19和剩余的基频光18经过透镜14(双面均镀基频光和倍频光增透膜)准直后，再由谐波分离镜15(镀45度倍频光增透膜和基频光高反膜)和16(镀基频光高反膜)分开为平行输出的倍频绿光激光19和基频激光20。

具体设计范例如下：按照图1在光路上放置激光器各部分器件，包括全反镜6、腔镜5、输出镜7、激光晶体8、声光调Q开关9、耦合系统3和4；耦合系统的透镜3的焦距为15mm，透镜4的焦距为30mm；全反镜6到激光晶体8中心的距离为150mm，腔镜5到激光晶体中心的距离为20mm，输出镜7到腔镜5中心的距离为130mm，“V”型腔两臂的夹角角度为18度，耦合系统出光端面(镜片4的后表面中心)距离激光晶体8中心的距离为30mm，泵浦光18经耦合系统在激光晶体8内的平均聚焦光斑直径为0.8mm。根据热透镜理论，当激光晶体吸收的泵浦功率为22W时，其等效热透镜焦距约为170mm左右；利用光束传输矩阵定律，可以计算出当等效腔长为300mm，激光晶体8产生的热透镜位于等效腔的中心时，振荡基频光18在晶体8内的平均基模直径为0.73mm，与泵浦光17在晶体8内的平均直径接近。然后在靠近全反镜6的位置放置声光调Q开关，调制谐振腔的振荡阈值；这种条件下，能够得到输出光束质量较好——光束质量因子小于1.3，输出功率稳定的准连续激光脉冲输出。输出的脉冲基频激光18经过转向镜10和11改变传输路径并起到增加光程的作用，在距离输出镜7实际光学路径长度为350mm处放置焦距为50mm的聚焦透镜12，将光束质量因子为1.3的基频激光18聚焦变换为束腰直径约为0.07mm聚焦光束，束腰位置在长度为10mm的非线性倍频晶体13的入射端面处。根据光束传输矩阵定律，变换后的束腰位置距离聚焦透镜12约为56mm。根据上述瑞利长度的计算公式，当基频激光18的波长λ为1064nm，非线性晶体13-LBO对波长λ为1064nm的激光的折射率n约为1.6，光束质量因子M²为1.3，聚焦后基频激光18的束腰半径w₀为0.07mm，则聚焦光束在非线性倍频晶体13内的瑞利长度为17.8mm，大于倍频晶体13的长度。

Claims (10)

1.一种端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器，它包括激光泵浦源(1)、激光传能光纤(2)、光学耦合系统、激光谐振腔、激光晶体(8)、主动调Q开关(9)、转向镜(10、11)、聚焦透镜(12)、倍频晶体(13)、准直透镜(14)、谐波分离镜片(15、16)，其特征是，光学耦合系统由两片式透镜(3)和透镜(4)组成，第一片透镜(3)对激光传能光纤(2)输出的泵浦光(17)进行准直，第二片透镜(4)对泵浦光(17)聚焦，透镜(3)和透镜(4)之间的距离可调；激光谐振腔为“V”型折叠腔结构，其光路成“V”形，沿基频光(18)光路由全反镜(6)，腔镜(5)和输出镜(7)构成；激光晶体(8)和主动调Q开关(9)放置在谐振腔内，转向镜(10、11)、聚焦镜(12)、倍频晶体(13)、准直透镜(14)、谐波分离镜(15、16)放置在谐振腔外；由激光泵浦源(1)产生的泵浦光(17)通过激光传能光纤(2)和光学耦合系统的准直聚焦，再经过“V”型折叠腔拐角处的腔镜(5)入射到激光晶体(8)内部并被激光晶体(8)充分吸收；谐振腔的振荡阈值由放置在谐振腔内的主动调Q开关(9)调制，然后形成脉冲输出的基频激光(18)；基频激光(18)经过输出镜(7)输出，再经过转向镜(10、11)调整入射方向，通过设置在谐振腔外一定位置的聚焦透镜(12)聚焦到非线性倍频晶体(13)的入射端面并产生倍频绿光激光(19)和剩余的基频激光(18)再经过准直透镜(14)准直，倍频绿光激光(19)透过谐波分离镜(15)输出，剩余的基频激光(18)被谐波分离镜(15、16)反射，形成可与倍频绿光激光(19)平行输出的基频激光(20)；所述的全反镜(6)到激光晶体(8)中心的距离为140mm至160mm，腔镜(5)的中心到激光晶体(8)中心的距离为10mm至30mm，输出镜(7)到腔镜(5)中心的距离为120mm至140mm，透镜(4)出光端面中心到激光晶体(8)中心的距离为20mm至40mm，“V”型腔的两臂夹角小于20度。

2.根据权利要求1所述的端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器，其特征是，非线性倍频晶体(13)为磷酸二氢钾、三硼酸锂、磷酸氧钛钾或偏硼酸钡非线性光学晶体。

3.根据权利要求1或2所述的端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器，其特征是，激光晶体(8)为Nd:YVO₄或Nd:YAG晶体。

4.根据权利要求1或2所述的端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器，其特征是，放置在腔内的主动调Q开关(9)为声光调Q器件或电光调Q器件。

5.根据权利要求1或2所述的端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器，其特征是，全反镜(6)到激光晶体(8)中心距离为150mm。

6.根据权利要求1或2所述的端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器，其特征是，腔镜(5)到激光晶体(8)中心距离为20mm。

7.根据权利要求1或2所述的端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器，其特征是，输出镜(7)到腔镜(5)中心的距离为130mm。

8.根据权利要求1或2所述的端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器，其特征是，透镜(4)的输出端面中心到激光晶体中心的距离为30mm。

9.根据权利要求1或2所述的端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器，其特征是，“V”型折叠腔的两臂夹角为18度。

10.根据权利要求1或2所述的端面泵浦主动调Q腔外倍频绿光激光器，其特征是，激光晶体(8)位于等效腔结构的中心。

Images