CN101694920B - 二极管激光双端面泵浦双路输出全固态激光器 - Google Patents

Abstract

一种二极管激光双端面泵浦双路输出全固态激光器。主要解决现有应用于激光打标系统中的二极管激光器端面泵浦全固态激光器采用光学分光器分光后，会产生激光能量损失、导致激光输出光斑模式变差以及分光效果不佳的问题。其特征在于：所述全固态激光器中还包括一种二相色镜，此二相色镜在45°时双面对808nm泵浦增透，靠近激光晶体的一侧对1064nm谐振光全反，所述全固态激光器中包含完全相同的两个二极管激光器模块、两组耦合光纤、两个光学聚焦系统、两面45°放置的二相色镜、两个激光晶体以及两面输出耦合镜；上述器件在所述全固态激光器中依次平行对称放置，形成“U”形谐振腔。具有减少激光能量损失以及分光效果好的特点。

Description

二极管激光双端面泵浦双路输出全固态激光器

技术领域：

本发明属于激光技术应用领域，具体的说是涉及一种应用在激光打标系统中的二极管激光器端面泵浦全固态激光器。

背景技术：

自20世纪90年代以来，随着二极管激光器端面泵浦全固态激光器的发展，传统的固体激光器已经逐渐在各个应用领域中被取代，例如在激光打标系统中的应用。但经过长时间的应用后发现，目前应用于激光打标系统中的二极管激光器端面泵浦全固态激光器存在以下问题：即当需要一次对两个产品同时进行相同标记的时候，为降低成本和提高效率，使用者往往不得不在一个二极管激光器端面泵浦全固态激光器上装两组扫描聚焦镜头，来达到目的。相应的，对激光器就得采用光学分光器将一束激光分成两束，然后再使用。但这样做就会同时产生以下问题：首先，在分光的过程中不可避免的会损耗激光输出能量；其次，会使原有的好的激光输出光斑模式变差；再次，由于分光效果不佳，将导致两面的标记效果不一致，达不到双振镜头应该达到的理想效果。

发明内容：

为了解决现有应用于激光打标系统中的二极管激光器端面泵浦全固态激光器采用光学分光器分光后，会产生激光能量损失、导致激光输出光斑模式变差以及分光效果不佳的问题，本发明提供一种二极管激光双端面泵浦双路输出全固态激光器，该种全固态激光器实施后，具有如下特点：①能够在单一的二极管端面泵浦固体激光器上双面输出两束平行的，功率大小、偏振方向以及振幅等相关物理常数完全相同的激光光束；②在连续输出情况下，每一端面都能够以较高的最高功率进行连续输出；③并且全程输出光都为接近基模输出。因此，将本种激光器应用激光打标系统中后，当需要一次对两个产品同时进行相同标记的时候，就不用再采用光学分光器进行分光了，从而保证了激光输出光斑模式不被损坏、激光输出能量不被消耗以及使双振镜头具有较好的应用效果。

本发明的技术方案是：该种二极管激光双端面泵浦双路输出全固态激光器，包括二极管激光器模块、耦合光纤、光学聚焦系统、激光晶体以及输出耦合镜，其中特别之处在于：

所述全固态激光器中还包括一种二相色镜，此二相色镜镀制在角度为45°的情况下双面对808nm泵浦光的增透膜，此外，此二相色镜靠近激光晶体的一侧还要镀制对1064nm谐振光的全反膜；所述激光晶体两端通光面分别镀制对应808nm泵浦光的透过率大于99.9％的增透膜，镀制对应1064nm谐振光透过率大于99.9％的增透膜；所述输出耦合镜为平面镜，面对谐振腔一侧面镀制相对1064nm谐振光反射率80％、透射率为20％的膜层，另一侧面镀制相对1064nm谐振光的增透膜，透过率大于99.9％；所述全固态激光器中包含完全相同的两个二极管激光器模块、两组耦合光纤、两个光学聚焦系统、两面45°放置的二相色镜、两个激光晶体以及两面输出耦合镜；上述器件在所述全固态激光器中依次平行对称放置。

所述两个二极管激光器模块出射的泵浦光分别通过两组耦合光纤输出，再分别通过两个光学聚焦系统，经过二相色镜，聚焦到两个激光晶体的泵浦端面上，所述激光晶体分别吸收泵浦光能量后产生两束受激荧光辐射，辐射的荧光在所述全固态激光器的谐振腔内来回振荡形成两束完全相同的激光光束，所述两束激光光束分别由两面输出耦合镜引出。

所述全固态激光器的谐振腔由两面45°放置的二相色镜以及两面输出耦合镜组成，45°放置的两面二相色镜两次改变了光束的反射方向，使得所述谐振腔为“U”形。

本发明具有如下有益效果：首先，采取上述方案后，能够在一台二极管端面泵浦固体激光器上双面同时输出具有相同功率、光斑模式以及脉宽等激光参数的两束平行激光束，因此，将本种激光器应用激光打标系统中后，当需要一次对两个产品同时进行相同标记的时候，就不用再采用光学分光器进行分光了，从而保证了激光输出光斑模式不被损坏、激光输出能量不被消耗以及使双振镜头具有较好的应用效果。其次，由于泵浦源采用两个二极管激光泵浦模块对两个激光晶体进行泵浦，大大提高了激光器的输出功率。在连续输出情况下，每一端面都能够以较高的最高功率进行连续输出；再次，应用本方案后，全程输出光都为接近基模输出；此外，在本方案中，谐振腔采用U型腔，扩展了激光器的有效腔长，使激光器能够输出优异的激光光斑；而且，本方案中，泵浦光能量平均分布于两个完全相同的激光晶体上，减小了单个激光晶体热负载，大大减小了激光器晶体的热透镜效应，延长激光器整体使用寿命。

附图说明：

图1是本发明中所述全固态激光器的光路原理示意图，对应实施例1。

图2是本发明中所述全固态激光器采用的一种光学聚焦系统的示意图。

图3是本发明中所述全固态激光器所采用的激光晶体以及紫铜夹具示意图。

图4是本发明中所述全固态激光器的谐振腔内光束腰半径的变化情况示意图。

图5是本发明中所述全固态激光器改变调Q器件位置后的光路原理示意图。

图6是本发明中所述全固态激光器又增加两面二相色镜后所得到的光路原理示意，对应实施例2。

图7是在实施例2的基础上减少一块激光晶体后的光路原理示意，对应实施例3。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明中所述的二极管激光双端面泵浦双路输出全固态激光器，主要包括二极管激光器模块、耦合光纤、光学聚焦系统、激光晶体以及输出耦合镜，以及一种二相色镜。所谓二相色镜又称为双色镜，英文译为Dichroic Mirrors，常用于激光技术中，其特点是对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射。在本方案中，此二相色镜镀制在角度为45°的情况下双面对808nm泵浦光的增透膜，此外，此二相色镜靠近激光晶体的一侧还要镀制对1064nm谐振光的全反膜。

在上面所述激光晶体两端的通光面上要求分别镀制对应808nm泵浦光透过率大于99.9％的增透膜，镀制对应1064nm谐振光透过率大于99.9％的增透膜。

所述光学聚焦系统的构成如图2，可以由四片弯月形镜片排列后组成，亦可用一片非球面透镜代替。所述光学聚焦系统的作用是将耦合光纤输出的发散的泵浦光耦合成0.8mm的光斑。

所述输出耦合镜为平面镜，面对谐振腔一侧面镀制相对1064nm谐振光反射率80％、透射率为20％的膜层，另一侧面镀制相对1064nm谐振光的增透膜，透过率大于99.9％。

如图1中所示，所述全固态激光器中包含完全相同的两个二极管激光器模块，标为1-a和1-b；两组耦合光纤标为2-a和2-b；两个光学聚焦系统标为3-a和3-b；两面45°放置的二相色镜标为4-a和4-b；两个激光晶体标为5-a和5-b；以及两面输出耦合镜，标为6-a和6-b；上述器件在所述全固态激光器中依次平行对称放置。这样就形成了两个泵浦源，由两个二极管激光器模块分别发出的波长约为808nm的泵浦激光通过对应的两条耦合光纤将泵浦光转移到光学聚焦系统上。

在全固态激光器中，所述两个二极管激光器模块出射的泵浦光分别通过两组耦合光纤输出，再分别通过两个光学聚焦系统，经过二相色镜，聚焦到两个激光晶体的泵浦端面上，所述激光晶体分别吸收泵浦光能量后产生两束受激荧光辐射，辐射的荧光在所述全固态激光器的谐振腔内来回振荡形成两束完全相同的激光光束，所述两束激光光束分别由两面输出耦合镜引出。

在本方案中，所述全固态激光器的谐振腔由两面45°放置的二相色镜以及两面输出耦合镜组成，45°放置的两面二相色镜两次改变了光束的反射方向，使得所述谐振腔为“U”形。

下面给出按照上面方案进行的一个实施例1：

本实施例中所采用的两个二极管激光器模块1-a和1-b，是由dilas公司出品的中心波长808nm、输出最大功率30W的二极管激光器模块，光纤束直径0.8mm，数值孔径NA＝0.22。其输出激光中心波长为807～810nm(25℃)，可以通过调节TEC制冷系统的工作温度，使其工作波长接近808.9nm，目的与Nd:YVO4晶体的吸收峰相匹配。

所采用的两根耦合光纤2-a和2-b是两根芯径为400μm、数值孔径为0.22的光纤，长度约为2m，光纤芯径为400微米。这两根耦合光纤的作用主要是将泵浦光转移到下面的光学聚焦系统中。

这里称为光学聚焦系统，主要是由两组耦合镜片3-a和3-b组成。这两组耦合镜片完全相同，对称分布。其组成如图2所示，分别由四片弯月形镜片排列后构成。当然，亦可用一片非球面透镜代替。其作用是将耦合光纤输出的发散的泵浦光耦合成0.8mm的光斑，光学聚焦系统将泵浦光束整形聚焦，也就是将发散的光束转变成会聚光束，两束泵浦光经过光学聚焦系统汇聚后，同时平行进入45°放置，在45°情况下对808nm的泵浦光增透的二相色镜，并聚焦在激光晶体内部。其束腰半径为0.4mm，不均匀性为6％，瑞利长度≥3mm。图4所示为本全固态激光器的激光谐振腔内光束腰半径的变化情况。

所述两个激光晶体4-a和4-b可以采用Nd:YVO4激光晶体，为0.25at.％的Nd掺杂浓度，即激光晶体掺杂三价钕的含量为0.25％。晶体尺寸为4mm×4mm×12mm，a轴切割，c轴旋转45°，通光方向长度为12mm。当然也可以是Nd:GdVO4或Nd:YLF等晶体。晶体的两个通光面分别镀1064nm和808nm的增透膜(RIO64nm＜0.5％，R808nm＜0.5％)，晶体的侧面用铟箔包住，激光晶体采用菱形夹持，菱形夹持是为了更好的散热，相对于常规的矩形夹持来说菱形夹持可以再平行于通光面得四个晶体表面同时散热，矩形夹持实际只有上下两个面散热，从而增大散热面积，提高散热效率，使得全风冷式散热更易于实行。

激光晶体夹具的示意图如图3所示。放到热传导系数较高的紫铜夹具中，目的是对激光晶体产生的热量传导到紫铜夹具上进而通过下面的散热片，将热量带出激光器外面的空气中。这样，使平行通光方向的四个面都可得到冷却，晶体的散热效果得以提高。

所述两个二相色镜5-a和5-b，又称双色镜，为平面镜，英文译为Dichroic Mirrors。在45°角的情况下，镀对808nm泵浦光增透膜，透过率大于99.9％，目的是让泵浦光通过二相色镜进入激光晶体时，尽量减小消耗。在对应谐振腔一面镀对1064nm谐振光的全反膜，目的是改变谐振光运行方向，让本来直线运行的光路改变45°。两个二相色镜组合可以两次改变谐振光光路，从而组成“U”型的光路运行。这样，两组完全相同的两个泵浦源以及两根完全相同的光学聚焦系统组成的泵浦光光路和谐振光光路共同组成“H”型光路。本方案中这样设计腔型使两激光增益介质产生的热透镜组成共焦系统，有效避免热透镜效应，增强腔体的热稳定性，提高了激光的输出功率和激光光束质量。

所述两个输出耦合镜片6-a和6-b均为平面镜，面对谐振腔一侧镀制相对1064nm反射率80％，透射率为20％的膜层，输出耦合镜的另一个面镀1064nm的增透膜，透过率大于99.9％。

这样，当泵浦光束通过二相色镜后，同时进入其分别相对应的激光晶体内部，激光晶体将波长为808nm的泵浦光吸收，产生受激荧光辐射，辐射的荧光在两个输出耦合镜，两个激光晶体以及两个二相色镜之间来回谐振，产生波长为1064nm的谐振光，谐振光在达到足够的增益后，也就是谐振腔内谐振光光束光子密度达到一定值后，通过两个平行放置的输出耦合镜输出腔外，形成两束平行的，功率大小，偏振方向，振幅的相关物理常数完全相同激光光束。

本例中，两个输出耦合镜到对应的激光晶体间的距离为77mm，两个激光晶体到所对应的二相色镜之间的距离分别为30mm，两二相色镜之间距离大约为90mm。

为实现脉冲输出，在上述全固态激光器的基础上可以增加一个调Q器件7，如图1所示，所述调Q器件位于所述两面二相色镜之间。所述的调Q器件一般为声光调Q器件，亦可为电光调Q器件。

此外，所述调Q器件还可以位于所述激光晶体与输出耦合镜之间，如图5所示。

在上述全固态激光器的基础上，可以增加两面二相色镜，称为8-a和8-b，此后得到的光路原理示意如图6所示，由此形成实施例2。

图7是在实施例2的基础上减少一块激光晶体后的光路原理示意，由此形成实施例3。

在上述方案基础上，形成一个优化实施方案，那就是：所述两个激光晶体之间光路长度限定为150mm。这样，在保证两个激光晶体之间光路长度为150mm不变的情况下，两个激光晶体到所对应的二相色镜之间的距离以及两面二相色镜之间的距离值就可以适当调节。进行这样限定的原因在于：之一，要满足两个晶体之间的距离大约等于晶体到输出耦合镜之间距离的两倍；之二，激光晶体产生的热透镜效应要重合在两块晶体之间大约75％的位置处。在以上条件下，通过计算优化限定为150毫米。

在发明专利所提出的全固态激光器中，模式匹配涉及到俩组808nm泵浦光和1064nm的谐振光三组光路的两两相互模式匹配。如其中一组光与其他两组光匹配的不完美，就要同时严重影响输出激光的功率和光斑模式。因此，在本发明专利实施时，要求两组泵浦光入射到激光晶体相应位置的时侯，对应光斑直径大小约为0.8mm。而在谐振腔中，1064nm的谐振光谐振运行于两腔镜之间，运行到晶体相应位置时的光斑直径也约为0.8mm，同时还要求两个泵浦光光束严格平行与谐振光对应的位置平行，泵浦光与谐振光最大的重合，已达到完美的模式匹配。使输出光输出功率最高，对应的激光光斑达到高质量的近基模输出。

常规的同类固态激光器，无论结构有多复杂，都具有一个对谐振光全反镜和一个对谐振光部分反射、部分输出的输出耦合镜。与常规激光器不同的是，本专利中没有对谐振光全反的镜片，而是两个输出系数完全相同的输出耦合镜，由此输出了各种激光参数完全相同的两束平行激光束。这是本专利与传统激光器最大的区别。

Claims (5)

1.一种二极管激光双端面泵浦双路输出全固态激光器，包括二极管激光器模块、耦合光纤、光学聚焦系统、激光晶体以及输出耦合镜，其特征在于：

所述全固态激光器中还包括一种二相色镜，此二相色镜镀制在角度为45°的情况下双面对808nm泵浦光的增透膜，此外，此二相色镜靠近激光晶体的一侧还要镀制对1064nm谐振光的全反膜；

所述激光晶体两端通光面分别镀制对应808nm泵浦光的透过率大于99.9％的增透膜，镀制对应1064nm谐振光的透过率大于99.9％的增透膜；

所述输出耦合镜为平面镜，面对谐振腔一侧面镀制相对1064nm谐振光反射率80％、透射率为20％的膜层，另一侧面镀制相对1064nm谐振光的增透膜，透过率大于99.9％；

所述全固态激光器中包含完全相同的两个二极管激光器模块(1-a，1-b)、两组耦合光纤(2-a，2-b)、两个光学聚焦系统(3-a，3-b)、两面45°放置的二相色镜(4-a，4-b)、两个激光晶体(5-a，5-b)以及两面输出耦合镜(6-a，6-b)；上述器件在所述全固态激光器中依次平行对称放置；

所述两个二极管激光器模块(1-a，1-b)出射的泵浦光分别通过两组耦合光纤(2-a，2-b)输出，再分别通过两个光学聚焦系统(3-a，3-b)，经过二相色镜(4-a，4-b)，聚焦到两个激光晶体(5-a，5-b)的泵浦端面上，所述激光晶体分别吸收泵浦光能量后产生两束受激荧光辐射，辐射的荧光在所述全固态激光器的谐振腔内来回振荡形成两束完全相同的激光光束，所述两束激光光束分别由两面输出耦合镜(6-a，6-b)引出；

所述全固态激光器的谐振腔由两面45°放置的二相色镜以及两面输出耦合镜组成，45°放置的两面二相色镜两次改变了光束的反射方向，使得所述谐振腔为“U”形。

2.根据权利要求1所述的二极管激光双端面泵浦双路输出全固态激光器，其特征在于：所述全固态激光器中还包括一个调Q器件，所述调Q器件位于所述两面二相色镜之间。

3.根据权利要求1所述的二极管激光双端面泵浦双路输出全固态激光器，其特征在于：所述全固态激光器中还包括一个调Q器件，所述调Q器件位于所述激光晶体与输出耦合镜之间。

4.根据权利要求1、2或3所述的二极管激光双端面泵浦双路输出全固态激光器，其特征在于：所述激光晶体为Nd:YVO 4激光晶体，为0.25at.％的Nd掺杂浓度，晶体尺寸为4mm×4mm×12mm，a轴切割，c轴旋转45°，通光方向长度为12mm，所述晶体的两个通光面分别镀1064nm和808nm的增透膜，晶体的侧面用铟箔包住，晶体采用菱形夹持。

5.根据权利要求4所述的二极管激光双端面泵浦双路输出全固态激光器，其特征在于：所述两个激光晶体(5-a，5-b)之间光路长度为150mm。

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