CN101777726A - 一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器，包括激光泵浦源、光学耦合系统、“V”型或“L”型或“Z”型折叠谐振腔、激光晶体、调Q开关、转向镜、非线性倍频晶体、和频晶体、谐波分离镜。通过调Q方式产生高峰值功率准连续基频红外光，然后基频光经过放置在腔内的非线性倍频晶体产生倍频绿光和剩余的基频激光，倍频绿光激光和剩余的基频激光再经过非线性和频晶体产生紫外激光。产生的紫外激光和剩余的倍频绿光激光通过不同的路径输出，可形成绿光、紫外双波长输出的激光器。本发明可充分利用两种波长满足在实际应用中的需求，系统效率高，广泛应用于工业加工、科研、医疗、军事等领域。

Description

一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，特别是一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器。

技术背景

紫外激光器一直是固体激光器领域的技术难点，但因其在很多实际应用中有广泛的需求，所以紫外激光器已成为人们研究的热点。目前市场上大部分的端面泵浦紫外激光器都是腔内和频方式。这种方式结构紧凑，光束质量较好，效率较高；基于端面泵浦技术的紫外激光器大多采用腔内倍频、和频的方式实现，可以利用腔内的高功率密度获得较大的紫外激光输出，但是这种方式仍然不能将倍频激光完全转化为紫外激光，剩余的倍频激光容易造成腔内元件的损坏，影响激光器的稳定性。为了满足对不同材料选择性的加工，通常需要不同波长的激光器。尤其是需要倍频激光和紫外激光交替加工时，不得不使用两台激光器交替使用。系统复杂性较高，不仅增加了成本，还增加了工序。利用棱镜分光的方式将倍频激光和紫外激光输出腔外的方法，可得到较为纯净的紫外激光和倍频激光，但由于一般材料的色散角度并不很大，要将基频激光、倍频激光和紫外激光分离必须增大传播距离，从而增加了系统的体积。同时棱镜角度调整比较敏感，容易使谐振腔失调，对机械固定精度要求较高。另外，单个棱镜会使原本圆形激光束变成椭圆的激光束，因此还得使用棱镜对补偿像差。

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、利用效率不足和光束质量较差等问题而提供的一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器。该激光器结构灵活简单，采用双次谐波分离技术，将倍频激光和紫外激光分别输出。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，其原理是：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，基频激光通过放置在腔内的倍频晶体，产生绿光二次谐波；剩余的基频激光和绿光二次谐波再经过放置在腔内的和频晶体，产生三次谐波紫外激光。然后，放置在腔内的谐波分离镜将三次谐波紫外激光反射输出，而透过基频激光和倍频激光。剩余的倍频激光通过组成谐振腔的一个腔镜输出，可与紫外激光形成双路输出。

一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器，它包括激光泵浦源(1)、光学耦合系统、激光谐振腔、激光晶体(8)、调Q开关(9)、倍频晶体(11)、和频晶体(12)、谐波分离镜(6、13)、转向镜，其特征是，激光谐振腔为“V”型或“L”型或“Z”型折叠腔结构，以“V”型折叠腔为例，其光路成“V”形，沿基频光(10)光路由全反镜(7)，腔镜(5)和谐波分离镜(6)构成；倍频晶体(11)、和频晶体(12)、激光晶体(8)、谐波分离镜(13)和调Q开关(9)放置在谐振腔内；转向镜(14、16、17)放置在谐振腔外；由激光泵浦源(1)产生的泵浦光(2)通过光学传输和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调Q开关(9)调制，然后形成脉冲输出的基频激光(10)；基频激光(10)经过倍频晶体(11)产生倍频绿光，剩余的基频激光和倍频绿光再经过和频晶体(12)产生紫外激光(15)；紫外激光(15)经过谐波分离镜(13)和转向镜(14)调整输出方向；剩余的倍频绿光(18)经过谐波分离镜(6)和转向镜(16、17)调整输出方向。

本发明所述的一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器，其激光谐振腔为“V”型或“L”型或“Z”型折叠腔结构，分别如图1、图5、图6所示。

本发明所述的一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器，其谐波分离镜(13)为45度紫外激光全反镜，并透过基频激光和倍频激光；谐波分离镜(6)为0度基频激光全反镜，并透过倍频激光。

本发明所述的一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器，其激光泵浦源为半导体激光二极管，可以是一个泵浦源单端泵浦——如图1和图5所示，也可以是两个泵浦源双端泵浦，如图6所示；泵浦源可以是光纤耦合模块——如图3所示，也可以是Bar条直接泵浦——如图4所示。

本发明所述的一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器，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。

本发明所述的一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器，其放置在腔内的调Q开关(9)为声光调Q器件或电光调Q器件或被动调Q器件。

本发明所述的一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器，其剩余的倍频激光(18)可以不输出，而只输出紫外激光(15)。

本发明所述的非线性倍频晶体(11)为磷酸二氢钾(KDP)、三硼酸锂(LBO)、硼酸铋(BIBO)、磷酸氧钛钾(KTP)或偏硼酸钡(BBO)非线性光学晶体。

本发明所述的非线性和频晶体(12)为三硼酸锂(LBO)、三硼酸铯(CBO)、硼酸铯锂(CLBO)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晶体、Nd:YAG晶体、Nd:YLF晶体或Nd:Glass等。

本发明所述的谐波分离镜(13)靠近和频晶体(12)的一面镀紫外激光45度高反膜和基频激光、倍频绿光45度增透膜，另一面镀基频激光、倍频绿光45度增透膜。

本发明所述的谐波分离镜(6)靠近和频晶体(12)的一面镀倍频绿光0度增透膜和基频激光0度高反膜，另一面镀倍频绿光0度增透膜。

本发明适于激光打标、激光刻线、激光划片、激光医疗科研和军事等领域的应用。

本发明的有益效果是：结构紧凑、灵活简单，采用双次谐波分离技术可将倍频激光和紫外激光分别输出，系统效率高。

(四)附图说明

图1：一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器“V”型腔结构示意图；

图2：非线性晶体倍频、和频工作原理示意图；

图2中，11为非线性倍频晶体，12为非线性和频晶体。线性偏振的基频激光10和倍频激光18只有在满足非线性光学相位匹配条件时，非线性倍频过程才能发生。根据非线性光学原理，不同波长、不同偏振方向以及不同入射方向的激光在非线性晶体内部传播时的折射率不同。对于倍频过程，只有当基频激光10和倍频激光18在非线性晶体11内部传播时的折射率相等时，倍频过程才能发生。同样，只有当基频激光、倍频激光与和频激光在和频晶体12内部传播时的折射率满足以下关系时，和频过程才能发生：

$\frac{n_{\mathrm{\ω}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ω}}}+\frac{n_{2\mathrm{\ω}}}{{\mathrm{\λ}}_{2\mathrm{\ω}}}=\frac{n_{3\mathrm{\ω}}}{{\mathrm{\λ}}_{3\mathrm{\ω}}}$

式中n_ω为波长λ_ω的基频激光在和频晶体12中传播时的折射率，n_2ω为波长λ_2ω的倍频激光在和频晶体12中传播时的折射率，n_3ω为波长λ_3ω的基频激光在和频晶体12中传播时的折射率。

图3：光纤耦合半导体激光泵浦源泵浦方式示意图；

图3中，19为光纤耦合输出的半导体激光二极管模块；20为传能光纤；球面透镜3和4组成耦合聚焦系统，将光纤输出的泵浦激光2进行准直、聚焦到激光晶体8内部，透镜两面均镀泵浦激光波长的增透膜。

图4：Bar条直径泵浦方式示意图；

图4中，21为半导体激光二极管Bar条；柱面透镜22和球面透镜23组成耦合聚焦系统，将Bar条发出的泵浦激光2进行准直、聚焦到激光晶体8内部，透镜两面均镀泵浦激光波长的增透膜。

图5：一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器“L”型腔结构示意图；

它包括激光泵浦源(1)、光学耦合系统、激光谐振腔、激光晶体(8)、调Q开关(9)、倍频晶体(11)、和频晶体(12)、谐波分离镜(6、13)、转向镜(16)；其谐振腔光路沿基频光(10)，由全反镜(7)、腔镜(5)和谐波分离镜(6)构成“L”型；倍频晶体(11)、和频晶体(12)、激光晶体(8)、谐波分离镜(13)和调Q开关(9)放置在谐振腔内；转向镜(16)放置在谐振腔外；由激光泵浦源(1)产生的泵浦光(2)通过光学传输和耦合系统的准直聚焦，再经过“L”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调Q开关(9)调制，然后形成脉冲输出的基频激光(10)；基频激光(10)经过倍频晶体(11)产生倍频绿光，剩余的基频激光和倍频绿光再经过和频晶体(12)产生紫外激光(15)；紫外激光经过谐波分离镜(13)输出；剩余的倍频绿光(18)经过谐波分离镜(6)和转向镜(16)调整输出方向。

图6：一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器“Z”型腔结构示意图；

它包括激光泵浦源(1)、光学耦合系统、激光谐振腔、激光晶体(8)、调Q开关(9)、倍频晶体(11)、和频晶体(12)、谐波分离镜(6、13)、转向镜；其谐振腔光路沿基频光(10)，光路由全反镜(7)、腔镜(5)和谐波分离镜(6)构成“Z”型；倍频晶体(11)、和频晶体(12)、激光晶体(8)、谐波分离镜(13)和调Q开关(9)放置在谐振腔内；转向镜(14)放置在谐振腔外；由激光泵浦源(1)产生的泵浦光(2)通过光学传输和耦合系统的准直聚焦，再经过“Z”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；泵浦源可以为两个，形成双端面泵浦；谐振腔的振荡阈值由放置在谐振腔内的调Q开关(9)调制，然后形成脉冲输出的基频激光(10)；基频激光(10)经过倍频晶体(11)产生倍频绿光，剩余的基频激光和倍频绿光再经过和频晶体(12)产生紫外激光(15)；紫外激光经过谐波分离镜(13)和转向镜(14)调整输出方向；剩余的倍频绿光(18)经过谐波分离镜(6)输出。

具体实施方式

本发明所涉及的一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器，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10光路由全反镜7、腔镜5和谐波分离输出镜6构成；反射镜7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，谐波分离输出镜6一面镀基频光高反射膜和倍频激光增透膜，另一面镀倍频光增透膜；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20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2进行准直，第二片透镜4对泵浦光2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(声光调Q，双面镀基频光增透膜)调制，然后形成脉冲输出的基频激光10；脉冲输出的基频激光10经过倍频晶体11(两面均镀基频激光和倍频激光增透膜)产生倍频激光18，并有剩余的基频激光10；倍频激光18和剩余的基频激光10再经过和频晶体12(两面均镀基频激光、倍频激光和和频激光三波长增透膜)产生紫外激光15；紫外激光15由45度放置在谐振腔内的谐波分离镜13反射输出，并通过转向镜14调整输出方向；剩余的倍频激光和基频激光可通过谐波分离镜13，然后剩余的倍频激光18透过谐波分离镜6(一面镀基频激光高反膜和倍频激光增透膜，另一面镀倍频激光增透膜)输出，并通过转向镜16和17调整输出方向；剩余的基频激光10在腔内维持振荡。

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7、腔镜5、谐波分离输出镜6、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7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，谐波分离输出镜6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2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10在晶体8内的平均基模直径为0.73mm，与泵浦光2在晶体8内的平均直径接近。然后在靠近全反镜7的位置放置声光调Q开关9，调制谐振腔的振荡阈值。脉冲基频激光10经过放置在腔内的倍频晶体11产生倍频激光18，倍频晶体11的长度为10mm；倍频激光18和剩余的基频激光10经过和频晶体12产生紫外激光15，和频晶体12的长度为10mm；紫外激光15通过45度放置在腔内的谐波分离镜13反射输出，转向镜14起到改变传输路径的作用；倍频激光通过作为谐振腔镜的谐波分离镜6输出，转向镜16和17起到改变传输路径的作用。

Claims (6)

1.一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器，它包括激光泵浦源(1)、光学耦合系统、激光谐振腔、激光晶体(8)、调Q开关(9)、倍频晶体(11)、和频晶体(12)、谐波分离镜(6、13)、转向镜，其特征是，激光谐振腔为“V”型或“L”型或“Z”型折叠腔结构，“V”型折叠腔，其光路成“V”形，沿基频光(10)光路由全反镜(7)，腔镜(5)和谐波分离镜(6)构成；倍频晶体(11)、和频晶体(12)、激光晶体(8)、谐波分离镜(13)和调Q开关(9)放置在谐振腔内；转向镜(14、16、17)放置在谐振腔外；由激光泵浦源(1)产生的泵浦光(2)通过光学传输和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调Q开关(9)调制，然后形成脉冲输出的基频激光(10)；基频激光(10)经过倍频晶体(11)产生倍频绿光，剩余的基频激光和倍频绿光再经过和频晶体(12)产生紫外激光(15)；紫外激光(15)经过谐波分离镜(13)和转向镜(14)调整输出方向；剩余的倍频绿光(18)经过谐波分离镜(6)和转向镜(16、17)调整输出方向。

2.根据权利要求1所述的一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器，其特征是，激光泵浦源(1)为半导体激光二极管，可以是一个泵浦源单端泵浦，或两个泵浦源双端泵浦；泵浦源可以是光纤耦合模块，或是Bar条直接泵浦。

3.根据权利要求1所述的一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器，其特征是，非线性倍频晶体(11)为磷酸二氢钾、或三硼酸锂、或硼酸铋、或磷酸氧钛钾或偏硼酸钡非线性光学晶体。

4.根据权利要求1或2所述的一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器，其特征是，非线性和频晶体(12)为三硼酸锂、或三硼酸铯、或硼酸铯锂或偏硼酸钡非线性光学晶体。

5.根据权利要求1或2所述的一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器，其特征是，激光晶体(8)为Nd:YVO₄、或Nd:YAG晶体、或Nd:YLF晶体或Nd:Glass等。

6.根据权利要求1或2所述的一种二极管端面泵浦全固态紫外激光器，其特征是，放置在腔内的调Q开关(9)为声光调Q器件或电光调Q器件或被动调Q器件。

Images