CN101777725A

CN101777725A - 二极管泵浦腔内三次谐波全固态紫外激光器

Info

Publication number: CN101777725A
Application number: CN200910104847A
Authority: CN
Inventors: 李永忠; 熊政军; 阎涤
Original assignee: Intelume Laser Systems Co Ltd
Current assignee: Intelume Laser Systems Co Ltd
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2010-07-14

Abstract

本发明是一种折叠腔结构的腔内三次谐波的高亮度全固态紫外激光器(见摘要附图，是一种涉及激光加工设备的光源，属于激光技术应用领域。本发明由二极管激光泵浦源，光学耦合聚焦镜、激光谐振腔镜、激光晶体、二次谐波晶体、三次谐波晶体、Q开关、紫外输出镜组构成。泵浦光经准直聚焦系统对激光介质进行端泵；在折叠谐振腔内，由于Q开关的作用产生高峰值功率的基波脉冲光束；基波脉冲在二次谐波晶体内倍频，产生绿光脉冲；该绿光脉冲与剩余的基波脉冲在三次谐波晶体内混频，产生紫外激光脉冲；最终通过一个激光输出镜片组的设计，获到高亮度的三次谐波紫外激光脉冲输出。

Description

二极管泵浦腔内三次谐波全固态紫外激光器

技术领域：

本发明属于激光技术应用领域，具体涉及到一种二极管泵浦腔内三次谐波全固态紫外激光器。

背景技术：

随着光、机电、材料、计算机、控制技术的发展，激光加工技术已经逐步发展成为一项新的加工技术。激光加工具有加工对象广、变形小、精度高、节省能源、公害小、远距离加工、自动化加工等显著优点，对提高产品质量和劳动生产率、实现加工过程自动化、消除污染、减少材料消耗等的作用愈来愈重要，因此受到了世界各国的高度重视。

按照电磁谱来划分，可以定义三个工作区域的激光源：红外激光(如10.6μm和1064nm等)、可见激光(如532nm等)和紫外激光(如355nm等)。目前绝大多数工业用激光源属于红外和可见光部分，而很少用紫外激光源。

实际上紫外激光具有非常优异的性能特点：相比于其它两种激光源，紫外的波长更短，可以聚焦成更小的光斑，进行精细的加工；单光子能量大，紫外激光直接打破材料分子化学键，避免了加工材料的热效应，属于“冷加工”；且几乎所有材料都能吸收紫外光，加工材料范围宽。因此是对激光加工有更高要求的用户的理想产品。

然而要使紫外激光器真正广泛应用于激光加工行业，需要解决以下几个关键问题：

1、稳定可靠。紫外的产生对光路的稳定性要求极高，光路细微的偏差或抖动都能导致谐波转换效率的降低。因此目前大部分的紫外激光产品还很难达到工业加工产品可靠性的要求；

2、转换效率高。由于缺乏直接产生紫外激光的激光介质，目前的方法基本上是通过对基波进行倍频或和频的方式获得谐波分量，从而产生紫外激光。提高谐波转换效率是必须面临的问题；

3、性价比高。为了获得高的转换效率，需要有大的光功率密度，这就要求光学元器件有更高的损失阈值。而为了提高损伤阈值，对光学材料的加工、镀膜材料和镀膜技术都会提出更高的要求，从而会极大地提高制造成本。目前国外的紫外激光器在稳定可靠性方面已做得不错，具有较好的性能，但价格昂贵，且售后服务不尽人意，时间无法保证，很难说有高的性价比，使许多潜在用户感到无奈。

4、结构紧凑，小型化，使用方便，与其它两波段激光源的使用应一致，不需要对现有的激光加工操作人员进行额外的培训。

为此我们设计了一套二极管泵浦的腔内三次谐波的全固态紫外激光器系统。它具有高的转换效率(总的光-光转换效率约为14％)、稳定可靠(检调周期＞半年)、结构紧凑小巧(谐振腔外观尺寸约为270mm×190mm×85mm)、性价比高(相比国外同级别产品便宜1/3～1/2左右)，具有广阔的市场前景。

发明内容

本发明的目的在于设计一种小型化，转换效率高，稳定可靠，使用方便和性价比高的全固态紫外激光器。

本发明设计的全固态紫外激光器，采用折叠腔结构设计，用一个二极管激光器端泵一块激光增益介质晶体，通过腔内倍频及和频的方式得到紫外激光输出。具体结构由三块反射镜构成折叠谐振腔，折叠腔的一臂由一个Q开关构成，另一臂由一个二次谐波晶体、一个三次谐波晶体及一个输出镜片组构成(参见附图图1)。

本发明中，泵浦光源是一个激光二极管，或激光二极管阵列，或光纤耦合传输的激光二极管。泵浦光经准直聚焦后透过反射镜M1进入激光增益介质。激光增益介质采用Nd低掺杂的激光晶体，如Nd:YVO₄、Nd:YAG、Nd:YLF或Nd:GdVO₄，也可采用把一块激光晶体和一块或两块纯的非掺杂同质基底材料通过键合技术实现稳固结合的键合晶体，用以提高系统的热稳定性。激光晶体端面镀有对泵浦光和基频光的增透膜，其横截面尺寸约为激光光斑直径的4～8倍。反射镜M1、M2和M3构成折叠谐振腔，其中M1在泵浦光波长附近高透，在基波波长附近高反(S偏振)；M3在二次谐波波长附近高反；M2在基波、二次谐波及三次谐波三波长附近高反。输出镜M4和M5构成紫外激光输出镜组，其中M4在基波波长附近高透(S偏振)，在二次谐波波长附近高反(P偏振)和三次谐波波长附近高反(S偏振)，M5在二次谐波波长附近高反，在三次谐波波长附近高透。本激光器结构中(参见附图图2)，臂L1+L2与臂L3长度基本相等，即激光晶体处于谐振腔的中间位置附近。在臂L3上分别装由二次谐波晶体SHG和三次谐波晶体THG，其中SHG为I类非线性光学晶体，靠近反射镜M2端；THG为II类非线性光学晶体，靠近激光晶体端。SHG和THG晶体的两端均镀有基波、二次谐波及三次谐波三波长增透膜。在臂L1上装有Q开关，可以为声光调制Q开关，也可以为电光调制Q开关，或吸收型被动调制Q开关。

本发明设计的全固态紫外激光器的工作原理如下(参见附图图3)：二极管激光器输出的泵浦激光经准直聚焦后进入激光晶体，由于泵浦激光波长处于Nd掺杂的激光增益介质的吸收峰，激光晶体吸收泵浦光后受激辐射，经过激光谐振腔镜M1、M2和M3的选模作用，产生高光束质量的线偏振(S偏振)基频光。由于Q开关的作用，得到很高峰值功率的基频光脉冲。线偏振的基频脉冲光经过SHG非线性光学晶体时，产生垂直基波偏振态(P偏振)的二次谐波绿光脉冲。相互垂直偏振态的绿光脉冲和剩余的基波脉冲在THG非线性光学晶体内发生和频，产生偏振态与基波偏振态一致(S偏振)的三次谐波紫外激光脉冲。输出镜M4把二次谐波绿光脉冲和三次谐波紫外脉冲反射出谐振光路，其中紫外光脉冲透过输出镜M5，得到所需的紫外激光输出，而绿光脉冲则被M5反射回激光谐振光路中，使其在M5和M2之间往返传输，这样增加了二次谐波绿光脉冲与基波脉冲发生作用的时间，从而提高基波脉冲与绿光脉冲和频产生紫外脉冲的转换效率。注意到这里基波、二次谐波和三次谐波之间的相互作用其实是一个动态过程。基波在SHG晶体内倍频产生二次谐波时，是要消耗掉一部分基波光功率。而剩余的那部分基波与二次谐波在THG晶体内和频产生三次谐波时，会进一步消耗剩余的那部分基波光功率。然而一方面由于泵浦光功率是一定的，腔内基波总的光功率就会有一定限度；另一方面为了维持腔内基波振荡，就需要保证剩余有一定的基波光功率。因此如果不进行一定的处理，会很难提高三次谐波的转换效率。因此控制腔内基波和二次谐波之间光功率的比率关系，成为提高三次谐波转换效率的关键。本发明就是根据这种思路，通过对SHG晶体的温度控制和Q开关的重复率调节，首先适当降低基波到二次谐波的转换率，降低二次谐波光功率所占比重，同时相应地提高基波光功率所占比重，然后关键点就是通过镜片M5的设置，把二次谐波绿光脉冲反射会振荡光路，尽可能提高二次谐波的利用率，最终达到提高三次谐波的转换效率的目的。本发明的泵浦光到基频光的转换效率可达到50％以上，基波到二次谐波的转换效率可达到80％以上，二次谐波到三次谐波的转换效率可达到60％以上。

本发明设计的全固态紫外激光器具有转换效率高、体积小巧、稳定可靠、使用方便和性价比高等特点。

附图说明

图1为本发明的结构图示。

图2为激光振荡腔的腔长标注图示。

图3为激光偏振图示

图中标号：M1、M2、M3、M4、M5为平平镜，DP为二极管泵浦源，LS为泵浦光准直聚焦镜，LM为激光晶体，Q-SWITCH为Q开关，SHG为二次谐波晶体，THG为三次谐波晶体。

具体实施方式

根据图1所示，本全固态紫外激光器由谐振反射镜M3、Q开关、谐振反射镜M1、激光增益介质晶体、紫外输出镜组M4和M5、三次谐波晶体、二次谐波晶体及谐振反射镜M2依次排列而成。下面结合图1对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

1、用准直光仔细调节谐振反射镜M1和M3，用20％基波输出耦合镜代替M3。可采用He-Ne激光器作准直光源。

2、安装激光增益介质晶体，尽量使其入射面与光路垂直。同时调节二极管激光器泵浦光，使泵浦聚焦光尽量位于激光增益介质晶体的中心。

3、先用小泵浦功率的光，略大于振荡阈值就行，微调谐振腔反射镜架(M1、M3和20％基波输出耦合镜)，输出基波激光。然后可调到最大泵浦光(100％)，继续微调反射镜架，获最大基波激光输出。最后调节泵浦光的准直聚焦镜LS，获得最佳的基波连续波激光输出。这样对激光谐振腔的调节基本完成。

4、安装Q开关，调节其位置和角度，使其达到最佳锁光效果。获得具有高峰值功率的基波脉冲光输出。

5、把20％基波输出耦合镜换回成反射镜M2，然后依次安装平平输出镜M4，二次谐波晶体SHG。仔细调节SHG的角度、方位和温度控制，以及Q开关的重复率，获得最大二次谐波绿光脉冲激光输出。

6、安装三次谐波晶体THG，仔细调节THG的角度、方位，获得三次谐波紫外脉冲激光输出。然后配合调节SHG和THG的温度，获得最大的紫外脉冲激光输出。

7、安装输出镜M5，目的使二次谐波绿光脉冲激光返回振荡光路中，提高二次谐波到三次谐波的转换效率。注意这里必须使二次谐波的绿光脉冲和基波光脉冲在THG晶体内重合。重新调节SHG和THG的温度，可获得最大的三次谐波紫外激光脉冲输出。

Claims

1.一种高亮度二极管端泵的腔内三次谐波的全固态紫外激光器，包括二极管激光泵浦源，光学准直聚焦系统、激光谐振腔镜、激光增益介质晶体、二次谐波晶体、三次谐波晶体、Q开关、紫外输出镜组，其特征在于：二极管激光泵浦光经准直聚焦系统对激光介质进行端泵；在折叠谐振腔内，由于Q开关的作用产生高峰值功率的线偏振的基波脉冲光束；基波脉冲在二次谐波晶体内倍频，产生垂直基波偏振态的绿光脉冲；该绿光脉冲与剩余的基波脉冲在三次谐波晶体内混频，产生与基波偏振态一致的紫外激光脉冲；通过一个激光输出镜片组的设计，使绿光脉冲反射回谐振回路，从而提高三次谐波的转换效率，获到高亮度的三次谐波紫外激光脉冲输出。

2.根据权利要求1所述的全固态紫外激光器，其特征在于：泵浦光源是一个激光二极管，或激光二极管阵列，或光纤耦合传输的激光二极管，泵浦光经过准直聚焦到激光晶体端面上。

3.根据权利要求1所述的全固态紫外激光器，其特征在于：激光增益介质为Nd低掺杂的激光晶体，如Nd:YVO₄、Nd:YAG、Nd:YLF或Nd:GdVO₄，也可采用把一块激光晶体和一块或两块纯的非掺杂同质基底材料通过键合技术实现稳固结合的键合晶体，其端面镀有对泵浦光和基频光的增透膜，其横截面尺寸约为激光光斑直径的4～8倍。

4.根据权利要求1所述的全固态紫外激光器，其特征在于：反射镜M1、M2和M3构成折叠谐振腔，其中M1在泵浦光波长附近高透，在激光基波波长附近高反，且为S偏振；M2在基波、二次谐波和三次谐波波长附近高反；M3在基波波长附近高反。

5.根据权利要求1所述的全固态紫外激光器，其特征在于：输出镜M4和M5构成三次谐波紫外激光输出镜组，其中M4在基波波长附近高透，为S偏振，在二次谐波波长附近高反，为P偏振，在三次谐波波长附近高反，为S偏振；M5在二次谐波波长附近高反，在三次谐波波长附近高透，这里M5处于谐振光路外。

6.根据权利要求1所述的全固态紫外激光器，其特征在于：臂L1+L2与臂L3长度基本相等，即激光晶体处于谐振腔的中间位置附近。

7.根据权利要求1所述的全固态紫外激光器，其特征在于：二次谐波晶体SHG为Ⅰ类非线性光学晶体，靠近反射镜M2端；三次谐波晶体THG为Ⅱ类非线性光学晶体，靠近输出镜M4端，且SHG和THG晶体两端均镀有基波、二次谐波和三次谐波三波长高增透膜。

8.根据权利要求1所述的全固态紫外激光器，其特征在于：Q开关可以为声光调制Q开关，也可以为电光调制Q开关，或吸收型被动调制Q开关。