CN101986479A - 一种全固态激光谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全固态激光谐振腔，属于全固态激光领域。本发明的谐振腔包括谐振腔镜系统、调制系统和激光泵浦系统，其中所述调制系统、激光泵浦系统位于所述谐振腔镜系统的谐振光路中；其特征在于谐振光路中还包括两个相同曲率或不同曲率等厚的弯月透镜，分别放置于所述激光泵浦系统中的泵浦晶体的两侧，且弯月透镜的凸面朝向所述泵浦晶体的端面；进一步的，本发明泵浦晶体掺杂浓度小于1%。与现有技术相比，本发明大大改善了泵浦晶体的热透镜效应，使得谐振腔的稳定输出得到显著改善。

Description

一种全固态激光谐振腔

技术领域

本发明属于全固态激光领域，涉及一种激光谐振腔，特别涉及一种全固态激光谐振腔。

背景技术

半导体激光泵浦的全固态激光器是20世纪80年代末期出现的新型激光器。全固态激光器的总体效率至少要比灯泵浦高10倍，由于单位输出的热负荷降低，可获取更高的功率，系统寿命和可靠性大约是闪光灯泵浦系统的100倍，因此，半导体激光器泵浦技术为固体激光器注入了新的生机和活力，使全固态激光器同时具有固体激光器和半导体激光器的双重特点，它的出现和逐渐成熟是固体激光器的一场革命，也是固体激光器的发展方向。并且，它已渗透到各个学科领域，例如：激光信息存储与处理、激光材料加工、激光医学及生物学、激光通讯 、激光印刷、激光光谱学、激光化学、激光分离同位素、激光核聚变、激光投影显示、激光检测与计量及军用激光技术等，极大地促进了这些领域的技术进步和前所未有的发展。这些交叉技术与学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。

目前，美国、日本、德国等国家在制造业，如电子、医疗、汽车、航空、航天、等领域已基本完成传统工艺的更新换代，步入“光加工”时代。近年来由于半导体激光的迅速发展，使半导体激光泵浦的全固态激光器加工设备所占的市场份额越来越大。德国Rofin激光公司所销售的激光加工设备中60%已是全固态激光器。根据相关统计，国外全固态激光器产业2004年销售额已达近百亿美元，其中产品销售额的29%用于激光标记，15%用于激光微加工。全球全固态激光器加工系统年增长率约为23%，而全固态激光器是激光器加工系统的核心部件，市场需求也将同步增长，其年需求增长率将达到20%以上。因此，全固态激光器的发展趋势很好，前景非常广阔。

目前Nd：YVO₄晶体是一种经常被使用的全固态激光器增益介质，它可以提供几十瓦的脉冲激光。通过纳秒调Q技术，它可以产生高强度、高重复频率的激光。此类晶体一般采用808和888nm的半导体激光作为激励光源。由于波长大于800nm的激光属于近红外激光，红外激光的热效应比较强，在Nd：YVO₄晶体中会形成热透镜。我们知道激光谐振腔的稳定输出条件是可以用一下计算公式得到的：

     （1）

可以看出在腔长L固定的情况下，影响谐振腔工作的主要因素是腔内形成实际镜面的R值。而Nd：YVO₄晶体形成的热透镜会给谐振腔的稳定性带来不利影响。

目前一般通常的做法是在晶体一端或两端放置平凸透镜，其利用凸面R的不同选择以弥补热透镜的影响。但是这种做法也有其不足的方面，一个方面是由于平凸透镜本身不是一个均匀体，其在受热不均匀的情况下会产生一些内部的应力，从而使得它的R值产生微小的变化，而这个变化是很难给予精确控制，它会造成谐振腔的不稳定；另一方面是对于泵浦光来说它会带来一定的像差从而降低泵浦光在Nd：YVO₄晶体中的利用效率。

目前的谐振腔主要由谐振腔系统、声光调制系统与激光泵浦系统共同构成，即使采用了上述透镜补偿系统对热效应进行优化，其得到的稳定性最高也仅在90%左右，无法进一步提高。本发明正是针对上述缺点提出的改进，目的在于提高激光功率输出的稳定性和模式。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的缺点，提供一种全固态激光谐振腔。本发明通过采用对泵浦晶体的热透镜效应进行补偿的谐振腔镜系统和紧凑的腔长调节装置提供一种实现高效、稳定的激光谐振腔。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

本发明的半导体泵浦的全固态激光谐振腔， 包括谐振腔镜系统、声光调制系统和激光泵浦系统，其中谐振腔镜系统由6片腔镜组成一个折叠谐振腔，声光调制系统位于折叠谐振腔的前端镜之前，由声光调制器、光闸和底座组成，声光调制器的调制频率从1到150KHz可调，脉宽为5ns，激光泵浦系统位于折叠谐振腔中段由泵浦晶体、晶体架和半导体制冷片组成，泵浦晶体材质为Nd:YVO₄，其以888nm作为泵浦激励光源，采用端面泵浦方式受激发出1064nm光, 该谐振腔采用了对泵浦晶体的热透镜效应进行补偿的谐振腔镜系统。

谐振腔镜系统的腔镜有两片弯月透镜分别放置在泵浦晶体的两侧，弯月透镜的凸面朝向所述泵浦晶体的端面。

弯月透镜的凸面和凹面半径相等，厚度为弯月透镜口径直径D的D/5到D/2。

两所述弯月透镜的曲率半径可以相等也可以不等，两者的曲率半径可以从R1到R2中任意选择，从而根据热透镜效应的不同情况分成不同组合对称或非对称放置在泵浦晶体的两侧。

谐振腔镜系统的谐振腔镜的边缘有两个对称的平台面，平台面的长度为弯月透镜口径直径D的D/5到D/2。

 弯月透镜的材质为火石玻璃。

弯月透镜的凸面镀对888nm光增透且对1064nm高反射的膜系，弯月透镜的凹面只镀对888nm光增透的膜系。

谐振腔镜系统为光机一体化结构，腔镜与机械连接直接固化在一起没有任何偏摆或俯仰的调节机构，固化的连接剂可以在紫外光或温度在80度到150度之间生效。

上述系统的特点在于，通过使用一对弯月透镜，改变入射到Nd:YVO₄基频光的光斑大小，根据公式1可知，其可以改变基频光在Nd:YVO₄中的功率密度分布，从而实现谐振腔稳定态的调节，再与光机一体化结构相配合，可以得到优化的稳定谐振腔输出，所以大大提升了系统的可靠性。

声光调制系统的光闸是通过一个光阑片和小型继电器组成，光阑片结构分为片体、支点孔和连接杆，片体和连接杆到支点孔的力臂近似相等；继电器采用胶固化的方式进行安装。

上述系统的特点在于，泵浦晶体是以888nm作为泵浦光源的Nd:YVO₄，其掺杂浓度小于1%，尺寸大于20mm长。

晶体架是由3块紫铜板组成，它们是通过螺栓结构连接到一起形成一中空结构，在晶体与晶体架间填入铟薄作为连接层，连接层厚度小于2mm。

半导体制冷片位于晶体架与激光器底板之间，在接触面涂有适量的导热硅脂。

上述系统的特点在于，通过使用掺杂浓度小于1%且尺寸大于20mm长的Nd:YVO₄作为泵浦晶体，降低了晶体的热透镜效应，根据公式1可知，其可以改变基频光在泵浦晶体里功率密度的分布，从而实现谐振腔稳定态的调节，再与晶体架和半导体制冷片相配合，可以得到优化的稳定谐振腔输出，所以大大提升了系统的稳定性。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明通过在泵浦晶体两侧添加等厚的弯月透镜，改变了基频光在泵浦晶体中的功率密度分布，从而实现谐振腔稳定态的调节，得到稳定谐振腔输出，大大提升了系统的可靠性。本发明通过进一步的对泵浦晶体掺杂浓度的研究，发现改变泵浦晶体掺杂浓度可以改善泵浦晶体的热透镜效应，进而使得谐振腔的稳定输出得到显著改善。

附图说明

图1是Nd:YVO₄作为泵浦晶体的光谱的吸收曲线图；

图2是根据本发明采用对泵浦晶体的热透镜效应进行补偿的谐振腔镜系统的示意图；

21－弯月透镜，22－泵浦晶体，

图3是在888nm光源照射下 Nd:YVO₄不同掺杂浓度的热分布图；

图4是根据本发明采用了热效应小的激光泵浦系统的示意图；

41－泵浦晶体，42－晶体架，43－半导体制冷片， 

图5是根据本发明所述的一种全固态激光谐振腔的示意图；

51a－反射镜，51b－反射镜，51c－弯月透镜，51d－弯月透镜，51e－反射镜，51f－反射镜，52－声光调制Q开光，53－光闸，54－泵浦晶体。

具体实施方式

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例。

实施例1：图1是Nd:YVO₄作为泵浦晶体的光谱的吸收曲线图，从这张图中我们可以看到Nd:YVO₄在808和880附近有两个很强的吸收峰。但同时它们在a轴和c轴的吸收差异也很大，这就造成在较高功率下晶体的吸收的极不平衡。由于这种不平衡所产生的内部应力到达一定程度时会使得晶体破裂，从而无法适用在大功率激光领域中。另外，它还使得晶体的热透镜效应非常明显影响到了功率输出的稳定性。为了解决这个问题，我们注意到888nm附近也有一个小的吸收峰，这时的a轴和c轴的吸收差异不是很大。它为实现大功率激光领域应用提供了可能。图2是根据本发明采用对泵浦晶体的热透镜效应进行补偿的谐振腔镜系统的示意图。该系统包括弯月透镜21，泵浦晶体22；其中两片弯月透镜分别对称地放置在泵浦晶体的两侧，弯月透镜的凸面朝向泵浦晶体的端面。通过使用不同曲率半径的弯月透镜，改变入射到Nd:YVO₄基频光的光斑大小，根据公式1可知，其可以改变基频光在Nd:YVO₄中的功率密度分布，从而实现谐振腔稳定态的调节。

弯月透镜的凸面和凹面半径相等，中心厚度为透镜口径直径D的D/5到D/2。弯月透镜的口径半径分别为R=1000mm,R=1300mm,R=1500mm,R=2100mm和R=2700mm。它们一共实现25种组合来对热透镜效应进行对称或非对称的补偿。根据计算可以得知，它可以适应补偿的热透镜焦距范围从200mm到400mm。腔镜的边缘有两个对称的平台面，平台面的长度为弯月透镜口径直径D的D/5到D/2。这样是为了方便用工装夹持腔镜进行调节和与机械件的固化处理。弯月透镜的材质为火石玻璃。弯月透镜的凸面镀对888nm光增透且对1064nm高反射的膜系，弯月透镜的凹面只镀对888nm光增透的膜系。腔镜与机械连接直接固化在一起没有任何偏摆或俯仰的调节机构，固化的连接剂可以在紫外光或温度在80度到150度之间生效。

如图2所示的系统，通过腔镜优化，再与光机一体化结构相配合，可以得到优化的稳定谐振腔输出，所以大大提升了系统的可靠性。

 

实施例2：图3是在888nm光源照射下 Nd:YVO₄不同掺杂浓度的热分布图，其中图3a是Nd:YVO₄掺杂浓度为2%时候两端泵浦的热分布，从图3a中我们清楚的看到温度的梯度分布是很剧烈的，它从端面中心240℃到表面0℃；图3b是Nd:YVO₄掺杂浓度为1.5%时候两端泵浦的热分布，从图3a中我们清楚的看到温度的梯度分布是明显改善的，它从端面中心95℃到表面0℃；图3c是Nd:YVO₄掺杂浓度为1%时候两端泵浦的热分布，从图3a中我们清楚的看到温度的梯度分布变得比较平滑，它从端面中心68℃到表面0℃。从中我们可以得到如下结论掺杂浓度的改变是可以改善Nd:YVO₄在888nm下的热分布。图4是根据本发明采用了热效应小的激光泵浦系统的示意图。该系统包括泵浦晶体41，晶体架42和半导体制冷片43，其中通过使用掺杂浓度小于1%且尺寸大于20mm长的Nd:YVO₄作为泵浦晶体，降低了晶体的热透镜效应，根据公式1可知，其可以改变基频光在泵浦晶体里功率密度的分布，从而实现谐振腔稳定态的调节。

Nd:YVO₄晶体掺杂浓度为0.5%，端面尺寸4×4mm，长度为30mm。晶体采用a向切割。晶体架是由3块紫铜板组成，它们是通过螺栓结构连接到一起的，在晶体与晶体架间填入铟薄作为连接层，连接层厚度小于2mm。半导体制冷片位于晶体架与激光器底板之间，其制冷功率大于60w，在接触面涂有适量的导热硅脂。这种结构安排是为了尽量减少晶体的热透镜效应。

如图4所示，通过使用掺杂浓度为0.5%且尺寸30mm长的Nd:YVO₄作为泵浦晶体，再与晶体架和半导体制冷片相配合，可以得到优化的稳定谐振腔输出，所以大大提升了系统的稳定性。

 

实施例3：图5是本发明所述的全固态激光器谐振腔的示意图，反射镜51a~51f共同构成谐振腔， 888nm光源对工作物质为Nd:YVO₄且掺杂浓度为0.5%的激光晶体54进行泵浦，产生1064nm的激光，声光调制Q开光52置于激光谐振腔的一侧对激光进行调制，使得整个系统输出脉冲光，光闸53在声光调制器一侧对谐振状态进行控制。其中弯月透镜51d和51c对Nd:YVO₄激光晶体54的热透镜进行补偿，腔镜51a和51b改变谐振腔长度对谐振腔进行调节得到优化的功率输出。

尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以基于本发明公开的内容进行修改或改进，并且这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (10)

1.一种全固态激光谐振腔，包括谐振腔镜系统、调制系统和激光泵浦系统，其中所述调制系统、激光泵浦系统位于所述谐振腔镜系统的谐振光路中；其特征在于谐振光路中还包括两等厚的弯月透镜，分别对称的放置于所述激光泵浦系统中的泵浦晶体的两侧，且弯月透镜的凸面朝向所述泵浦晶体的端面。

2.如权利要求1所述的谐振腔，其特征在于两所述等厚弯月透镜的曲率半径不相等。

3.如权利要求1所述的谐振腔，其特征在于两所述等厚弯月透镜的曲率半径相等。

4.如权利要求1或2或3所述的谐振腔，其特征在于所述弯月透镜的厚度为弯月透镜口径直径的1/5到1/2。

5.如权利要求4所述的谐振腔，其特征在于所述弯月透镜的凸面镀有泵浦光增透膜和激光增透膜，其凹面镜镀有泵浦光增透膜。

6.如权利要求5所述的谐振腔，其特征在于所述泵浦晶体的掺杂浓度小于1% ，长度大于20mm。

7.如权利要求6所述的谐振腔，其特征在于所述泵浦晶体为Nd:YVO₄，Nd:YVO₄掺杂浓度为0.5% ，长度为30mm，所述弯月透镜的材料为火石玻璃。

8.如权利要求7所述的谐振腔，其特征在于所述弯月透镜的凸面镀有对1064nm中心波长光的增透膜和888nm中心波长光的增透膜，其凹面镜镀有对888nm中心波长光增透膜。

9.如权利要求1所述的谐振腔，其特征在于所述激光泵浦系统包括晶体架和制冷片，其中所述晶体架为3块紫铜板通过螺栓连接在一起的中空结构，所述泵浦晶体位于所述中空结构中，所述制冷片与晶体架的底座连接；所述泵浦晶体与所述中空结构之间填充铟薄作为连接层，连接层厚度小于2mm 。

10.如权利要求1所述的谐振腔，其特征在于所述调制系统为声光调制系统，所述谐振腔镜系统为折叠谐振腔镜系统。

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