CN101572379A - 三波段脉冲激光器 - Google Patents
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Abstract
一种三波段脉冲激光器包括：脉冲激光种子源、激光放大装置和三波段输出装置，脉冲激光种子源，用于产生种子激光；激光放大装置，接收并放大所述种子激光，从而得到基频激光；三波段输出装置用于对所述基频激光二倍频，并对所述二倍频激光再次倍频得到四倍频激光，并且将剩余的基频激光、剩余的二倍频激光和所得的四倍频激光分束输出。本发明实现三波段输出，此腔型设计既能保证高能量、窄脉宽三波段激光输出，又能降低元件损伤。而且结构简单紧凑、安装调试容易，能够实现工业化设计。
Description
技术领域
本发明涉及激光领域，具体涉及一种三波段脉冲激光器。
背景技术
激光器在工业加工中的应用越来越广泛，特别是紫外激光器，由于其产生的紫外激光波长短，可以直接破坏连接物质原子组分的化学键，而不产生热，被称为冷加工，使其在精细加工中表现出巨大的优势。其同时还在光数据存储、光刻技术、光盘控制、微细加工、大气探测、微电子学、光化学、光生物学及医疗等领域得到广泛应用。而且目前，对用于微细加工的三波段激光器的需求大大增加。在工程应用中，对这种三波段激光器的元件抗损伤性、器件可靠性、稳定性、工程化、可装配性、多功能性、操作方便的要求也越来越高。
现有技术有一种采用氙灯泵浦激光晶体的方法，这种方法所得到的激光脉宽较宽，如申请号为00226888.4，名称为“三波长多种工作模式的激光照射装置”的实用新型专利申请中公开的技术方案，其脉宽200μs-10ms，重频低，不能用于精细微加工。现有技术中还有一种采用半导体泵浦并利用声光调Q的紫外激光器，例如申请号为200410073574.8，名称为“激光二极管泵浦全固态紫外激光器”的中国发明专利申请，其所采用的腔型设计，脉宽宽，单脉冲能量低。
针对现有技术的不足，人们就希望有一种结构小巧紧凑，高能量、低损伤、窄脉宽的三波段激光器。
发明内容
本发明的目的是提供一种高能量、低损伤、窄脉宽的三波段脉冲激光器。
为了达到上述目的：
本发明提供一种三波段脉冲激光器，包括：脉冲激光种子源、激光放大装置和三波段输出装置；
所述脉冲激光种子源用于产生种子激光；
所述激光放大装置接收并放大所述种子激光，从而得到基频激光；
所述三波段输出装置用于对所述基频激光二倍频，并对所述二倍频激光再次倍频得到四倍频激光，并且将剩余的基频激光、剩余的二倍频激光和所得的四倍频激光分束输出。
如上所述的三波段脉冲激光器，所述脉冲激光种子源包括第一泵浦源、第一平面镜、第一激光晶体，偏振片、第一1/4波片、电光Q开关和第二平面镜；所述第一平面镜能够透射所述第一泵浦源发出的泵浦光，反射所述第一激光晶体发出的种子激光；所述第一泵浦源、第一平面镜和第一激光晶体顺序共轴放置，其轴线方向相对于偏振片的法线成布儒斯特角放置，所述第一1/4波片、电光Q开关和第二平面镜顺序共轴的放置，其轴线与所述第一泵浦源的轴线关于所述偏振片的法线对称，用于顺序接收从所述第一激光晶体经所述偏振片反射的种子激光。
如上所述的三波段脉冲激光器，所述激光放大装置为双程放大装置，用于接收并放大从所述偏振片透射的种子激光以得到基频激光，所述激光放大装置包括：顺序共轴放置的第二1/4波片、第二激光晶体、第三平面镜和第二泵浦源，其轴线与所述第一1/4波片的轴线共线；所述第三平面镜能够透射所述第二泵浦源发出的泵浦光，反射所述基频激光。
如上所述的三波段脉冲激光器，所述激光放大装置为单程放大装置，用于接收并放大从所述偏振片透射的种子激光，所述激光放大装置包括：用于放大所述种子激光的第二激光晶体，用于泵浦所述第二激光晶体的第二泵浦源，和位于所述第二泵浦源和所述第二激光晶体之间用于透射所述第二泵浦源发出的泵浦光并将从所述偏振片透射的种子激光反射至所述第二激光晶体的第三平面镜。
如上所述的三波段脉冲激光器，所述激光放大装置为单程放大装置，用于接收并放大从所述偏振片透射的种子激光，所述激光放大装置包括：用于接收并放大所述种子激光的第二激光晶体，用于泵浦所述第二激光晶体的第二泵浦源，和位于所述第二泵浦源和所述第二激光晶体之间用于透射所述第二泵浦源发出的泵浦光并将从第二激光晶体出射的激光反射输出的第三平面镜。
如上所述的三波段脉冲激光器，所述三波段输出装置包括：用于接收所述激光放大装置输出的激光并将所述激光二倍频的二倍频晶体，用于从所述二倍频晶体接收二倍频激光并将所述二倍频激光再次倍频的四倍频晶体，和用于将剩余的基频激光、剩余的二倍频激光和所得的四倍频激光分束输出的分束器。
如上所述的三波段脉冲激光器，所述偏振片的设置使得S偏振光反射、P偏振光透射。
如上所述的三波段脉冲激光器，所述第一激光晶体和所述第二激光晶体为Nd:YAG晶体。
如上所述的三波段脉冲激光器，所述第一泵浦源和所述第二泵浦源为脉冲LD泵浦源。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)实现三波段激光输出；
2)在整体腔型设计上更加紧凑，安装调试容易，便于工程化推广，本发明装置可用于微细加工；
3)将1/4波片和偏振片结合，实现光隔离，使从双程放大装置的回波不能通过偏振片返回到脉冲激光种子源从而造成损伤种子源，并且降低了种子源腔内能量密度，减少了器件损伤；同时又获得了高能量激光输出；
4)高倍频转换效率。
附图说明
图1表示根据本发明实施例1的脉冲激光器的示意图；
图2表示根据本发明实施例1的脉冲激光器中的脉冲激光种子源的示意图；
图3表示根据本发明实施例1的脉冲激光器中的激光放大装置的示意图；
图4表示根据本发明实施例1的脉冲激光器中的三波段输出装置的示意图；
图5表示根据本发明实施例2的脉冲激光器的示意图；
图6表示根据本发明实施例3的脉冲激光器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例1：
如图1所示，根据本发明实施例1的三波段脉冲激光器包括：脉冲激光种子源、激光放大装置和三波段输出装置。
脉冲激光种子源包括第一LD(激光二极管)泵浦源1，第一平面镜2，第一激光晶体3，偏振片4，第一1/4波片5，电光Q开关6，第二平面镜7(全反射平面镜)。第一LD泵浦源1包括脉冲LD、光纤和光纤耦合输出头(图1中未示出脉冲LD，仅示出了将脉冲LD所发的泵浦光引出的光纤和光纤耦合输出头，并且光纤耦合输出头可以对泵浦光进行整形)，光纤耦合输出头的出光面镀泵浦光波长(808nm)增透膜；第一平面镜2朝向第一LD泵浦源1的一面镀泵浦光波长增透膜，另一面镀泵浦光波长增透膜、种子光波长(1064nm)高反膜。第一激光晶体3可以采用大小为3mm×3mm×10mm左右的Nd:YAG，激光晶体两端面均镀泵浦光波长和种子光波长双增透膜，并且这里其采用水冷方式冷却。第一LD泵浦源1、第一平面镜2和第一激光晶体3共轴放置，并且我们假定其轴线方向水平。偏振片4两面均镀种子光波长增透膜，且偏振片4以布儒斯特角(57°)放置，即与第一LD泵浦源的轴线方向夹角33°；并且其偏振方向的设置使得S偏振光反射、P偏振光透射。第一1/4波片5、电光Q开关6和第二平面镜7共轴放置，且其轴线与第一LD泵浦源1的轴线关于偏振片4的法线对称。其中第一1/4波片5的自身光轴方向与入射激光偏振方向成夹角45°放置；电光Q开关6内晶体KDP光轴平行入射激光的偏振方向；第二平面镜7表面镀种子光波长高反膜。
如图3所示，激光放大装置为双程放大装置，其包括：共轴放置的第二1/4波片8、第二激光晶体9、第三平面镜10和第二LD泵浦源11，且其轴线与偏振片4夹角33°，即其轴线与第一1/4波片5、电光Q开关6和第二平面镜7的轴线共线。其中第二1/4波片8的两个表面镀种子光波长增透膜；第二激光晶体9可以选大小为3mm×3mm×10mm左右的Nd:YAG，并且其可以采用水冷方式冷却；第三平面镜10朝向第二LD泵浦源11的一面镀泵浦光波长增透膜，另一面镀泵浦光波长增透膜、种子光波长高反膜；第二LD泵浦源11采用与第一LD泵浦源1相同的配置。
如图4所示，三波段输出装置包括：聚焦镜12、二倍频晶体13、四倍频晶体14(用于对二倍频激光再次倍频)和棱镜15。其中聚焦镜焦距可选300mm-500mm；聚焦镜、二倍频晶体、四倍频晶体和棱镜顺序共轴放置，其轴线与偏振片夹角33°(即大体沿水平方向)。二倍频晶体双端面镀基频激光波长(1064nm)、二倍频激光波长(532nm)双增透膜，晶体可选LBO、BBO、KTP等，晶体尺寸3mm×3mm×(10mm-20mm)，且晶体采用TEC16控温；四倍频晶体双端面镀基频激光波长(1064nm)、二倍频激光波长(532nm)、四倍频激光波长(266nm)三增透膜，晶体可选CLBO、BIBO、BBO等，晶体尺寸3mm×3mm×(10mm-20mm)，且晶体采用TEC(半导体制冷芯片)17控温。
本实施例中，第一LD泵浦源1产生808nm激光并通过整形聚焦到第一激光晶体3上，用于泵浦第一激光晶体3。第一激光晶体可以采用水冷机制冷方式或TEC制冷，整个谐振腔(脉冲激光种子源的腔体)采用腔倒空的腔型设计，达到压窄脉宽和提供大能量输出的目的。腔倒空的工作原理是利用电光Q开关6、第一1/4波片5的组合来改变激光光束的偏振态，从而改变偏振片引起的输出耦合效率来实现腔倒空的脉冲能量输出。因为从晶体产生的激光经过偏振片4，S偏振光反射，经过第一1/4波片5，电光Q开关6，第二平面镜7反射，再次经过电光Q开关6和第一1/4波片5，至此S偏振光两次经过第一1/4波片5，两次通过电光Q开关6。当电光Q开关6上加一1/4波电压时，电光Q开关6相当于一个1/4波片，因此S偏振态的激光经过第一1/4波片5、电光Q开关6、第二平面镜7往返后再次到达偏振片4时其偏振态不发生改变(发生180度改变，相当于不改变)，仍为S偏振光，因此照射在偏振片4上时透过率为0％，激光只能在腔内不断振荡，形成高能量积累。当电光Q开关6处于不加压状态时，电光Q开关6对激光偏振态不起作用，仅第一1/4波片5起作用，激光从S偏振光改变为P偏振光，再经过到偏振片4时透过率为100％。所以，当激光在腔内不断振荡时，如果突然将电光Q开关6上的1/4波电压去除，则从电光Q开关6经第一1/4波片5入射在偏振片4处的激光透过率从0％突变到100％，所有激光能量在霎那间输出，形成种子激光(或称种子光、种子激光)。由于种子激光的能量不高，所以可以在保持对脉冲激光种子源的腔体低损伤的前提下尽量压窄脉宽。
如图所示，从偏振片4透射的种子激光，经第二1/4波片8入射在第二激光晶体9上，而第二LD泵浦源11已对第二激光晶体9进行泵浦，实现第二激光晶体9的粒子数反转。当种子激光入射到第二激光晶体9上时实现第一次激光放大，经第一次放大的激光入射在第三平面镜10上后被原路反射回，再次经过第二激光晶体9，实现第二次激光放大。为了便于区分我们将放大后的种子激光称为基频激光，但是应该理解，个别情况种子激光和基频激光是混杂在一起的，并且种子激光的频率也是基频。基频激光从第二激光晶体9再一次通过1/4波片8，从而由P偏振光转换成S偏振光，通过偏振片4反射经聚焦镜12传输给二倍频晶体13。二倍频晶体13对基频激光进行倍频，然后所产生的二倍频激光(532nm)和剩余的基频激光(1064nm)从二倍频晶体13输出至四倍频晶体14。四倍频晶体14对所接收到的二倍频激光(532nm)再次倍频得到四倍频(相对于基频)激光(266nm)，所得到的四倍频激光(266nm)、剩余的二倍频激光(532nm)和剩余的基频激光(1064nm)入射至棱镜15(也可以采用其它分束器)，被棱镜15分束得到三个波长的单色光。
虽然，偏振片4作为脉冲激光种子源的输出，将种子激光传输给双程放大装置，但实际上偏振片4也构成双程放大装置光路的一部分，另外偏振片4还将经双程放大的基频激光反射至三波段输出装置，所以脉冲激光种子源、激光放大装置和三波段输出装置共用偏振片4，使结构更紧凑。
根据本发明实施例的脉冲激光器结构简单紧凑，安装调试容易，可靠，便于工程化推广。能够实现三波段脉冲激光输出。将1/4波片和偏振片结合，实现光隔离，使从双程放大装置的回波不能通过偏振片返回到脉冲激光种子源从而造成损伤种子源，并且降低了种子源腔内能量密度，减少了器件损伤；同时又获得了高能量激光输出。
实施例2：
图5表示根据本发明实施例2的脉冲激光器的示意图，其结构与实施例1类似，只是本实施例中的激光放大装置为单程放大装置，省去了第二1/4波片8，并且采用了第三平面镜18来代替实施例1中的第三平面镜10。第三平面镜18与水平方向的夹角大体为45°，其放置在激光放大装置的第二LD泵浦源11和第二激光晶体9之间，用于接收种子激光并将其反射至第二激光晶体9；并且其朝向偏振片4的一面镀泵浦光波长增透膜，另一面镀泵浦光波长增透膜和种子光波长(也即基频激光波长)高反膜。另外，激光放大装置的光路轴线与三波段输出装置的轴线大体共线，沿水平方向。
第二LD泵浦源11发出的泵浦光经第三平面镜18泵浦第二激光晶体9；脉冲激光种子源输出的种子激光入射在第二平面镜18上，并被其反射至第二激光晶体9，实现单程放大，然后入射至三波段输出装置，经三波段输出装置分光输出。
实施例3：
图6表示根据本发明实施例3的脉冲激光器的示意图。如图所示，其结构与实施例2大体相同，只是激光放大装置的轴线方向与偏振片4成33°夹角，第三平面镜18与三波段输出装置的轴线成57°夹角，以使得从偏振片4出射的种子激光经第二激光晶体9放大后被第三平面镜18反射至聚焦镜12。
本发明利用种子光注入到激光放大装置中，从而在实现高能量输出的同时，减少对激光种子源部分的损伤(不在脉冲激光种子源的腔内放大)。倍频转换效率在一定程度上与基频激光的功率密度有直接的关系，而通过窄脉宽种子注入，大大压窄基频激光的脉宽，从而提高基频激光的峰值功率，进而在倍频晶体上的基频激光功率密度大大提高，因此提高了转换效率。同样的道理，二倍频激光转化四倍频激光的效率也大大提高。本发明的实施例中，LD泵浦源采用的是脉冲LD，比连续LD效率高，更节能。当然，根据需要本发明的泵浦源也可以不采用LD泵浦源而采用其他形式的泵浦源。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1、一种三波段脉冲激光器，包括：脉冲激光种子源、激光放大装置和三波段输出装置；
所述脉冲激光种子源用于产生种子激光；
所述激光放大装置接收并放大所述种子激光，从而得到基频激光；
所述三波段输出装置用于对所述基频激光二倍频，并对所述二倍频激光再次倍频得到四倍频激光，并且将剩余的基频激光、剩余的二倍频激光和所得的四倍频激光分束输出。
2、根据权利要求1所述的三波段脉冲激光器，其特征在于，所述脉冲激光种子源包括第一泵浦源、第一平面镜、第一激光晶体，偏振片、第一1/4波片、电光Q开关和第二平面镜；所述第一平面镜能够透射所述第一泵浦源发出的泵浦光，反射所述第一激光晶体发出的种子激光；所述第一泵浦源、第一平面镜和第一激光晶体顺序共轴放置，其轴线方向相对于偏振片的法线成布儒斯特角放置，所述第一1/4波片、电光Q开关和第二平面镜顺序共轴的放置，其轴线与所述第一泵浦源的轴线关于所述偏振片的法线对称，用于顺序接收从所述第一激光晶体经所述偏振片反射的种子激光。
3、根据权利要求2所述的三波段脉冲激光器，其特征在于，所述激光放大装置为双程放大装置，用于接收并放大从所述偏振片透射的种子激光，所述激光放大装置包括：顺序共轴放置的第二1/4波片、第二激光晶体、第三平面镜和第二泵浦源，其轴线与所述第一1/4波片的轴线共线；所述第三平面镜能够透射所述第二泵浦源发出的泵浦光，反射所述基频激光。
4、根据权利要求2所述的三波段脉冲激光器，其特征在于，所述激光放大装置为单程放大装置，用于接收并放大从所述偏振片透射的种子激光，所述激光放大装置包括：用于放大所述种子激光的第二激光晶体，用于泵浦所述第二激光晶体的第二泵浦源，和位于所述第二泵浦源和所述第二激光晶体之间用于透射所述第二泵浦源发出的泵浦光并将从所述偏振片透射的种子激光反射至所述第二激光晶体的第三平面镜。
5、根据权利要求2所述的三波段脉冲激光器，其特征在于，所述激光放大装置为单程放大装置，用于接收并放大从所述偏振片透射的种子激光，所述激光放大装置包括：用于接收并放大所述种子激光的第二激光晶体，用于泵浦所述第二激光晶体的第二泵浦源，和位于所述第二泵浦源和所述第二激光晶体之间用于透射所述第二泵浦源发出的泵浦光并将从第二激光晶体出射的激光反射输出的第三平面镜。
6、根据权利要求1所述的三波段脉冲激光器，其特征在于，所述三波段输出装置包括：用于接收所述激光放大装置输出的激光并将所述激光二倍频的二倍频晶体，用于从所述二倍频晶体接收二倍频激光并将所述二倍频激光再次倍频的四倍频晶体，和用于将剩余的基频激光、剩余的二倍频激光和所得的四倍频激光分束输出的分束器。
7、根据权利要求2所述的三波段脉冲激光器，其特征在于，所述偏振片的设置使得S偏振光反射、P偏振光透射。
8、根据权利要求3、4或5所述的三波段脉冲激光器，其特征在于，所述第一激光晶体和所述第二激光晶体为Nd:YAG晶体。
9、根据权利要求3、4或5所述的三波段脉冲激光器，其特征在于，所述第一泵浦源和所述第二泵浦源为脉冲LD泵浦源。
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