CN102005694B - 单端泵浦腔内倍频紫外固体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单端泵浦腔内倍频紫外固体激光器，其包括有能产生泵浦光的泵浦源、对泵浦光进行准直及聚焦的准直聚焦系统及对泵浦光进行倍频以产生紫外激光的折叠谐振腔，所述泵浦源发出的泵浦光经过所述准直聚焦系统后进入所述折叠谐振腔，所述折叠谐振腔内设有激光晶体、Q开关及用以产生和分离紫外激光的倍频器与棱镜。本发明采用直接从腔外聚焦，泵浦腔内激光晶体，并采用棱镜分光技术与折叠谐振腔技术，将产生的紫外激光直接输出腔外，在腔内不需要额外的导出镜片，可以实现结构简单、成本低的效果，同时，本发明还可实现转换效率高及运行稳定的效果。
Description
技术领域
本发明有关一种固体激光器，特别是指一种结构简单的单端泵浦腔内倍频紫外固体激光器。
背景技术
由于紫外固体激光器其光束具有高的光子能量，优良的材料吸收特性以及更好的聚焦能力，被越来越多地应用于精细材料加工领域。但由于紫外激光涉及较为复杂的二次倍频技术以及由此引起的光转换效率问题和稳定性问题，人们利用各种方法和技术来实现紫外激光。这些方法主要有腔外倍频技术和腔内倍频技术，两种方法各有优缺点：腔外倍频技术稳定性稍好，但转换效率低；腔内倍频则反之。目前为了提高紫外固体激光器的效率和稳定性，在腔内腔外增加了复杂的电动或自动调整机构，由此大大增加了激光器的成本，将大多数潜在的激光器用户特别是国内用户挡在门外。另外，为了提高激光器的效率，现有技术中还将准直聚焦系统中的透镜做成非球面的，并在腔内增加一个额外的透镜。同时现有技术中为了将转换的紫外激光导出腔外，在腔内插入一个镀有多波长膜的镜片。众所周知，非球面镜以及多波长膜镜片，特别是包含紫外波长膜的镜片的成本，要分别大大高于球面镜片以及不包含紫外波长膜镜片的成本。另外，在腔内放置额外的光学元件，还会大大增加激光谐振腔的损耗，会使激光器总效率下降，更进而使激光器的稳定性恶化。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种结构简单、成本低、且具有高效率与稳定性的单端泵浦腔内倍频紫外固体激光器。
为达到上述目的，本发明提供一种单端泵浦腔内倍频紫外固体激光器，其包括有能产生泵浦光的泵浦源、对泵浦光进行准直及聚焦的准直聚焦系统及对泵浦光进行倍频以产生紫外激光的折叠谐振腔，所述泵浦源发出的泵浦光经过所述准直聚焦系统后进入所述折叠谐振腔，所述折叠谐振腔内设有激光晶体、Q开关及用以产生和分离紫外激光的倍频器与棱镜。
所述泵浦源采用半导体二极管泵浦源，所述泵浦源输出端带有光纤，所述泵浦源采用光纤耦合输出。
所述准直聚焦系统由前端平凸球面透镜和后端平凸球面透镜组成，所述光纤的输出端位于所述前端平凸球面透镜的焦点上，所述前端平凸球面透镜的凸面和所述后端平凸球面透镜的凸面相对设置。
所述折叠谐振腔包括有泵浦端反射镜、折叠反射镜和尾端反射镜，所述泵浦端反射镜的镜面与所述折叠反射镜的镜面之间呈有夹角，所述折叠反射镜与所述尾端反射镜的镜面之间呈有夹角，且所述泵浦端反射镜与所述尾端反射镜均位于所述折叠反射镜的同侧。
所述激光晶体位于所述泵浦端反射镜与所述折叠反射镜之间，所述Q开关位于所述激光晶体与所述折叠反射镜之间，所述倍频器位于所述尾端反射镜与所述折叠反射镜之间，所述倍频器靠近所述折叠反射镜的一侧设置有棱镜。
所述倍频器包括有二倍频晶体、三倍频晶体及温控单元，该二倍频晶体位于靠近尾端反射镜的一侧，该三倍频晶体位于所述二倍频晶体与所述折叠反射镜之间，所述三倍频晶体靠近所述折叠反射镜的一侧设置有所述棱镜。
所述棱镜为直角三棱镜，该棱镜的一直角边贴附所述三倍频晶体。
优选地，所述激光晶体为掺钕钒酸钇晶体或掺钕钇铝石榴石晶体，所述二倍频晶体与三倍频晶体的材料均为三硼酸锂晶体。
优选地，所述Q开关为声光Q开关或电光Q开关。
优选地，所述尾端反射镜角度能够调节。
本发明采用直接从腔外聚焦，泵浦腔内激光晶体，并采用棱镜分光技术与折叠谐振腔技术，将产生的紫外激光直接输出腔外，在腔内不需要额外的导出镜片，可以实现结构简单、成本低的效果，同时，本发明还可实现转换效率高及运行稳定的效果。
附图说明
图1为本发明单端泵浦腔内倍频紫外固体激光器的结构原理示意图。
具体实施方式
为便于对本发明的结构及达到的效果有进一步的了解，现配合附图并举较佳实施例详细说明如下。
如图1所示，本发明单端泵浦腔内倍频紫外固体激光器包括有能产生泵浦光的泵浦源1、对泵浦光进行准直及聚焦的准直聚焦系统2及对泵浦光进行倍频以产生紫外激光的折叠谐振腔3，泵浦源1发出的泵浦光经过准直聚焦系统2后进入折叠谐振腔3，折叠谐振腔3内设有激光晶体30、Q开关31及用以产生和分离紫外激光的倍频器与棱镜32。
本发明的泵浦源1采用半导体二极管泵浦源，其输出端带有光纤10，因此泵浦源1采用光纤耦合输出，该泵浦源1发射波长为808nm的泵浦光，输出功率选择范围为1～30W，由一个精度为0.1℃的PID(Proportion Integral Derivative，积分微分控制器)温控单元(图中未示出)控制其外壳温度，温度范围可在18℃至28℃之间调整。本发明中涉及的准直聚焦系统2由前端平凸球面透镜20和后端平凸球面透镜21组成，光纤10的输出端位于前端平凸球面透镜20的焦点上，前端平凸球面透镜20和后端平凸球面透镜21的焦距范围在10～50mm，且两球面透镜的凸面相对设置，可有效地减小球差。本发明的折叠谐振腔3包括有泵浦端反射镜35、折叠反射镜36和尾端反射镜37，泵浦端反射镜35的镜面与折叠反射镜36的镜面之间呈一定的夹角，折叠反射镜36与尾端反射镜37的镜面之间呈有一定的夹角，且泵浦端反射镜35与尾端反射镜37均位于折叠反射镜36的同侧。折叠谐振腔3内的激光晶体30位于泵浦端反射镜35与折叠反射镜36之间，Q开关31位于激光晶体30与折叠反射镜36之间，倍频器包括有二倍频晶体33、三倍频晶体34及温控单元(图中未示出)，二倍频晶体33位于靠近尾端反射镜37的一侧，三倍频晶体34位于二倍频晶体33与折叠反射镜36之间，且三倍频晶体34靠近折叠反射镜36的一侧设置有棱镜32。本发明中的棱镜32为直角三棱镜，该棱镜32的一直角边贴附三倍频晶体34。
本发明中的半导体二极管泵浦源发出的泵浦光通过光纤耦合后进入准直聚焦系统2，泵浦光经过前端平凸球面透镜20的准直与后端平凸球面透镜21的聚焦后直接穿过泵浦端反射镜35对激光晶体30进行泵浦。根据在激光晶体30中泵浦功率密度以及模式匹配的要求，泵浦光聚焦后在激光晶体30中形成圆而均匀的光斑模式。通过泵浦光对激光晶体30进行泵浦可得到超高稳定的基频光，短期和长期不稳定度均远小于1％，泵浦光到连续基频光转换效率50％，横向模式TEM00，M2＜1.1，圆度不小于95％。通过Q开关调Q，形成高频率窄脉宽的基频光振荡。基频光通过折叠反射镜36反射后，由棱镜32的斜边射入棱镜32并依次射入三倍频晶体34与二倍频晶体33，基频光经过倍频后再由尾端反射镜37反射，再次经二倍频晶体33与三倍频晶体34最后由棱镜32的斜边射出。由于本发明采用了折叠谐振腔3，使得在合成三倍频光之前，基频光两次穿过二倍频晶体33，增加了合成三倍频光所需的二倍频光的比例，进而增加了三倍频光的转换效率。折叠反射镜36与棱镜32之间组成了棱镜-反射镜对输出系统，基频光两次经过二倍频晶体33与三倍频晶体34后，从棱镜32斜边出射的光包含有剩余的二倍频光(即绿激光)，转换的三倍频光(即紫外光)与剩余的基频光，根据波长不同而折射角度不同的原理，棱镜32将出射的二倍频光、三倍频光与基频光分离开，折叠反射镜36则利用其边缘区域将基频光截留在折叠谐振腔3内，在折叠谐振腔3内继续振荡倍频，棱镜32让转换的三倍频光及剩余的二倍频光直接输出到折叠谐振腔3外。超高稳定的温控单元将二倍频晶体33及三倍频晶体34的温度控制在0.02℃的变化范围，并且不随环境温度的变化而变化。最后得到的三倍频光(即紫外激光)的短期和长期不稳定度均小于2％。基频光到三倍频光的转换效率达40％，模式TEM00，M2＜1.2，圆度不小于92％。
本发明涉及的二倍频晶体33的材料为三硼酸锂(LBO)晶体，按I类匹配角切割；三倍频晶体34的材料为三硼酸锂(LBO)晶体，按II类匹配角切割。本发明涉及的激光晶体30，根据应用需要，既可采用掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)晶体，掺杂范围为0.2％～0.4％，利用它的1064nm激射波长，或利用它的1342nm激射波长，也可采用掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体，掺杂范围为0.5％～0.8％，主要利用它的1064nm激射波长。选定的激光晶体尽量靠近泵浦端反射镜，以利于变换聚焦后的泵浦光直接对其进行泵浦。
本发明涉及的Q开关31，既可采用一种声光Q开关，也可采用一种电光Q开关，取决于应用及成本。Q开关的位置，为了有利于泵浦光的直接泵浦，避开了通常的泵浦端反射镜35和激光晶体30之间的间隙，而将Q开关31设置在激光晶体30和折叠反射镜36之间，同样可取得好的开关效果。
以上所有光学元件及机械元件的设计，均在激光中心高度12.7mm(从基板平面算起)的条件下进行。这种低高度的设计，不仅使各元件的机械稳定性大大增强，而且也使得激光晶体和Q开关等发热元件的热传导路径大为缩短。更进一步地，除了尾端反射镜可以作二维角度调整外，其他所有光学元件，均安放在无机械调整装置中，并直接用螺钉牢牢固定在基板上，因而更增加了各元件的机械稳定性。
本发明结构设计紧凑，尽量降低光学中心高度，采用无调整光学和机械元件，并进而采用一种超高稳定的倍频器，从而克服了背景技术中所述的激光器存在的问题，实现了激光器的高稳定运行。本发明采用了直接耦合泵浦技术，腔内倍频技术，折叠谐振腔技术，以及棱镜分光直接紫外输出技术；并尽量减少谐振腔内光学元件的数量，从而克服了背景技术中所述的激光器存在的问题，实现了激光器的高效率运行。本发明采用了准直聚焦系统和折叠谐振腔优化设计和实验的结果，采用了棱镜-折叠反射镜对，避免了高成本制作光学元件，减少了光学元件和机械元件的数量，从而实现了激光器的低成本制作。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种单端泵浦腔内倍频紫外固体激光器，其特征在于，其包括有能产生泵浦光的泵浦源、对泵浦光进行准直及聚焦的准直聚焦系统及对泵浦光进行倍频以产生紫外激光的折叠谐振腔，所述泵浦源发出的泵浦光经过所述准直聚焦系统后进入所述折叠谐振腔，所述折叠谐振腔内设有激光晶体、Q开关及用以产生和分离紫外激光的倍频器与棱镜；
所述折叠谐振腔包括有泵浦端反射镜、折叠反射镜和尾端反射镜，所述泵浦端反射镜的镜面与所述折叠反射镜的镜面之间呈有夹角，所述折叠反射镜与所述尾端反射镜的镜面之间呈有夹角，且所述泵浦端反射镜与所述尾端反射镜均位于所述折叠反射镜的同侧；
所述激光晶体位于所述泵浦端反射镜与所述折叠反射镜之间，所述Q开关位于所述激光晶体与所述折叠反射镜之间，所述倍频器位于所述尾端反射镜与所述折叠反射镜之间，所述倍频器靠近所述折叠反射镜的一侧设置有棱镜；
所述倍频器包括有二倍频晶体、三倍频晶体及温控单元，该二倍频晶体位于靠近尾端反射镜的一侧，该三倍频晶体位于所述二倍频晶体与所述折叠反射镜之间，所述三倍频晶体靠近所述折叠反射镜的一侧设置有所述棱镜；
所述折叠谐振腔中的光学元件是两排平行设置。
2、如权利要求1所述的单端泵浦腔内倍频紫外固体激光器，其特征在于，所述泵浦源采用半导体二极管泵浦源，所述泵浦源输出端带有光纤，所述泵浦源采用光纤耦合输出。
3、如权利要求2所述的单端泵浦腔内倍频紫外固体激光器，其特征在于，所述准直聚焦系统由前端平凸球面透镜和后端平凸球面透镜组成，所述光纤的输出端位于所述前端平凸球面透镜的焦点上，所述前端平凸球面透镜的凸面和所述后端平凸球面透镜的凸面相对设置。
4、如权利要求1所述的单端泵浦腔内倍频紫外固体激光器，其特征在于，所述棱镜为直角三棱镜，该棱镜的一直角边贴附所述三倍频晶体。
5、如权利要求1所述的单端泵浦腔内倍频紫外固体激光器，其特征在于，所述激光晶体为掺钕钒酸钇晶体或掺钕钇铝石榴石晶体，所述二倍频晶体与三倍频晶体的材料均为三硼酸锂晶体。
6、如权利要求1所述的单端泵浦腔内倍频紫外固体激光器，其特征在于，所述Q开关为声光Q开关或电光Q开关。
7、如权利要求1所述的单端泵浦腔内倍频紫外固体激光器，其特征在于，所述尾端反射镜角度能够调节。
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