CN102263362B - 端面泵浦风冷激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种端面泵浦风冷激光器，包括泵浦单元、聚焦耦合系统、激光晶体、谐振腔，泵浦单元发出的泵浦光经聚焦耦合系统聚焦至激光晶体，其不同之处在于：所述谐振腔包括全反镜、反射镜、输出镜，全反镜、输出镜之间设置将谐振光路偏转的反射镜，谐振光路呈V型，V型夹角为15-50度，其中输出镜为设置在主光轴上的平凹镜。本发明功率稳定性和模式稳定性好。

Description

端面泵浦风冷激光器

技术领域

本发明涉及一种端面泵浦风冷激光器。

背景技术

近年来，端面泵浦固体激光器激光器越来越受到重视，该激光器体积小、光束质量好、功率输出稳定，相比侧面泵浦半导体激光器和灯泵浦激光器有更高的转换效率和更低的功耗，除此之外，还有调Q脉宽小、峰值功率高，附加倍频晶体易于实现频率转换等优点，在精密激光标记、加工、深雕、内雕等方面有非常广泛的应用。

端面泵浦方式的晶体受热产生热透镜效应，其焦距随泵浦功率发生变化，严重影响腔内的稳定性；半导体泵浦模块输出的激光波长由温度决定。因此，两者的温度对于激光输出稳定性有重要作用。目前，商业用端面泵浦固体激光器有风冷和水冷两种冷却方式。水冷方式一般利用冷却水对晶体和泵浦模块进行冷却，散热量充足，晶体和模块温度保持恒定，激光输出稳定性较高，但是体积较大，耗能多，而且冷却水存在安全隐患。近来风冷方式使用较多，其体积小、结构紧凑，但是散热效果相比水冷方式稍差，激光输出功率和模式的稳定性不足，不利于激光精密加工质量的提升。因此，风冷端面泵浦激光器如何在较高泵浦功率下实现稳定的激光输出是亟待解决的一个技术难题。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题是，为解决以上技术问题，提供一种其功率稳定性和模式稳定性好的端面泵浦风冷激光器。

为解决上述技术问题，本发明提供端面泵浦风冷激光器，包括泵浦单元、聚焦耦合系统、激光晶体、谐振腔，泵浦单元发出的泵浦光经聚焦耦合系统聚焦至激光晶体，其不同之处在于：所述谐振腔包括全反镜、反射镜、输出镜，全反镜、输出镜之间设置将谐振光路偏转的反射镜，谐振光路呈V型，V型夹角为15-50度，其中输出镜为设置在主光轴上的平凹镜。

以上方案中，所述V型夹角为18-22度。

以上方案中，所述聚焦耦合系统依次由三片平凸镜排列组成，前2片平凸镜的凸面相对紧贴用于对入射泵浦光进行准直，第3片平凸镜凸面向外，将平行光聚焦至激光晶体。

以上方案中，所述第3片平凸镜与前2片平凸镜之间的距离可调。

以上方案中，所述聚焦耦合系统的后焦点设置激光晶体中靠近泵浦光的入射端。

以上方案中，所述聚焦耦合系统的后焦点距离激光晶体的泵浦光入射端端面2-3mm。

以上方案中，所述输出镜对1064nm波长的光功率部分透过。

对比现有技术，本发明的有益特点如下：

改进所依据的基本原理是通过改变谐振腔型来提高谐振腔的稳定性。V型平平腔，可以等效为腔长较长的直线型谐振腔，可参考附图2，作为临界稳定腔，其衍射损耗和几何损耗较大，稳定性处于稳定腔和非稳定腔之间，调节精度要求高，经过振动及其他外力影响将严重影响激光输出。端面泵浦的热透镜效应较强，通过传输矩阵进行计算，可得出：

$\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& L\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/f& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& L& 2\\ 0& & 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& L& 2\\ 0& & 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/f& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& L& 1\\ 0& & 1\end{array}\right]$

为谐振腔稳定性条件。其中f为热透镜焦距，L1+L2＝L，使用等效对称腔，因此L1＝L2。可以看出，谐振腔的稳定性由热透镜焦距和腔长决定，在总腔长确定的条件下，热透镜焦距对谐振腔稳定性的影响起到了决定性的因素。由于随着泵浦功率的增加，热透镜效应愈加明显，严重影响了在不同泵浦功率下激光输出的稳定性。

为解决以上问题，将平平腔改为平凹腔。平凹腔为半共心腔，选择合适的谐振腔参数可以获得稳定腔。如附图2所示，计算腔内的传输矩阵得出：

$\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -2/R& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& L\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/f& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& L& 2\\ 0& & 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& L& 2\\ 0& & 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/f& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& L& 1\\ 0& & 1\end{array}\right]$

可以看出，在固定总腔长的情况下，腔的性质除了受到热透镜的影响外，又附加了平凹镜的曲率半径。通过理论计算，在确定的总腔长的情况下，选择合适的曲率半径的输出镜，使得的数值在泵浦功率范围内为0.5左右，谐振腔为稳定腔，而且在很大的热透镜焦距范围内都可以获得稳定谐振腔。将输出镜换做平凹镜，腔内的谐振激光在输出镜处的曲率半径与镜面的曲率半径近似匹配，减少了衍射损耗和几何损耗，可增加一定的功率。腔内束腰靠近全反镜，功率密度较高，可在该位置放置倍频晶体，做频率转换，比平平腔获得更高的倍频效率。

本发明所述的激光器的光路进行了更改，原激光输出端口在第二光路的腔镜处，调节精度要求高，增加了调光难度。将激光输出端口调整到主光轴位置上，降低了调光难度以及光具座设计加工的复杂程度。由于使用平凹腔，在受到外力的作用下，不会导致光束质量和功率产生较大的变化。

本发明所述的激光器，聚焦耦合系统前两面平凸镜组合等效焦距为单片镜的一半，缩小了光纤输出端口与镜片的距离。第三片透镜将准直的平行光聚焦，其与前两片的距离影响聚焦光斑大小，通过实际调节令聚焦光斑达到最小。与基模光斑半径达到良好的匹配。

本发明所述的激光器，对晶体中的聚焦点位置进行了改进。聚焦点在晶体中的位置影响晶体对泵浦光的吸收，以及泵浦光与基频光的匹配程度。通过理论计算和实验，聚焦点应该靠近晶体前端面，可以获得较大激光功率的输出和较好的激光模式，而并非通常使用的晶体的正中心。

附图说明

图1为端面泵浦风冷激光器光路结构示意图；

图2为等效直线腔结构示意图；

其中，图2中，12－晶体等效热透镜，13－主光轴，14－激光输出端；

图3为聚焦耦合系统结构示意图；

其中，图3中，15－聚焦点；

图4为晶体热透镜效应焦距图；

图5为端面泵浦风冷激光器的具体结构示意图；

图6为端面泵浦风冷激光器的外观结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施方式1：

图1为端面泵浦风冷激光器光路结构示意图，如图1所示，端面泵浦风冷激光器，包括泵浦单元、聚焦耦合系统、激光晶体8、谐振腔，泵浦单元发出的泵浦光经聚焦耦合系统聚焦至激光晶体8，所述谐振腔包括全反镜11、反射镜7、输出镜10，全反镜11、输出镜10之间设置将谐振光路偏转的反射镜7，谐振光路呈V型，V型夹角α为15-50度，其中输出镜10为设置在主光轴上的平凹镜，对1064nm波长的光功率部分透过。

具体的，泵浦单元由光纤耦合半导体激光器1和光纤2组成。半导体激光器在22℃输出波长为808nm激光，在输入电流38A情况下输出最大32W激光。半导体激光器与光纤2连接，光纤2纤芯直径0.4mm，数值孔径0.22，输出端为圆形光斑，发散角约为24°。光纤2长度为3m，功率损耗小于0.1％。

具体的，激光晶体使用Nd：YVO₄，Nd³⁺掺杂浓度为0.3％atm，尺寸3×3×10mm，两个端面均镀808nmAR膜，AR膜反射率R<0.2％，以及1064nmHT膜，HT膜反射率R<0.5％。

具体的，聚焦耦合系统3由第一平凸镜4、第二平凸镜5、第二平凸镜6构成，如图3所示，三镜片完全相同，焦距为30mm，中心厚度3mm，双面镀808nmAR膜，AR膜反射率R<0.2％。第一平凸镜4、第二平凸镜5凸面相对并紧贴，等效焦距为15mm。光纤2输出端位于前焦点处，距离第一平凸镜4平面约为12mm，泵浦光经过第一平凸镜4、第二平凸镜5成平行光。第一平凸镜4、第二平凸镜5与第二平凸镜6的距离可调，第二平凸镜5与第二平凸镜6平面之间距离约为28mm，第二平凸镜6凸面朝外，将平行光聚焦。聚焦点15位于第二平凸镜6右方37mm处，聚焦点15在晶体中，距前端面2～3mm处。

具体的，谐振腔由全反镜11、输出镜10、反射镜7组成。谐振腔为V型平凹腔，激光由输出镜10输出，输出镜10与反射镜7之间距离为155mm，全反镜11与反射镜7之间的距离为130mm。总腔长为285mm。全反镜11一面镀1064nmAR膜，AR膜反射率R>99.8％；输出镜10为平凹镜，平面镀1064nmAR膜，AR膜反射率R<0.2％，凹面曲率半径R＝400mm，镀1064nm透射率T为25％的膜，反射镜7一面镀808nmAR膜，AR膜反射率R<0.2％,另一面镀入射角为10°的1064nmHR膜，HR膜反射率R>99.8％和808nmHT膜，HT膜反射率R<2％。晶体8在主光轴上，其中心与反射镜7之间的距离有22mm。

如图2所示，为谐振腔等效为直线腔的示意图。反射镜7起到折叠谐振腔的作用，无高斯变换的作用。晶体在等效谐振腔的中心处，等效为一热透镜，其焦距随泵浦功率的变化而变化，如图4所示。

半导体激光器1由两片96W功率半导体置冷片致冷，晶体8由一片68W功率半导体置冷片致冷。两者精确控制温度，浮动范围在±0.1℃。半导体激光器1控制温度在22℃，晶体8控制温度在22℃。激光器底板连接散热片，由风冷散热。激光器整体工作在10～30℃环境温度下，湿度在85％以下。

此结构可以获得最大连续输出功率14W，光束质量M²≤1.2，光束通过8倍扩束镜在由焦距100mm场镜聚焦后光斑直径可以达到0.03mm。功率稳定度在四小时内功率不稳定度在1％以内。

实施方式2：

如图1所示，可以在靠近输出镜10位置放置声光调Q晶体9，调制频率在1kHz到100kHz之间，准连续状态下工作的输出功率如图4所示。

此结构可以达到脉冲宽度10～30ns，峰值功率高达141kW，单脉冲能量最大达到1.41mJ。

还可以在全反镜11前附加倍频晶体，KTP、LBO或者BBO均可以获得较高功率的倍频光输出。

本发明对V腔端面泵浦风冷激光器的谐振腔结构进行了改进，输出激光稳定性获得了较大提高，能够在大多数普通环境下正常工作，在工业精密加工、科研、医疗卫生、军事、日常生活、激光技术研发有广泛的应用。

图5为端面泵浦风冷激光器的具体结构示意图；图6为端面泵浦风冷激光器的外观结构示意图。如图5、图6所示的端面泵浦风冷激光器实施例具体结构包括外壳组件16、聚焦耦合系统3、反射镜7、全反镜11、晶体座组件17、声光调Q晶体9、红光组件19、输出镜组件18。晶体座组件17内设置有激光晶体8，输出镜组件18中设置有输出镜10。

外壳组件16一般由基座、上下盖板组成，在基座下部的两端装有风扇，基座底平面安装有散热片和风道，从而使散热片表面的空气形成强迫对流。

在基座上部的两侧分别装有光纤耦合接口和激光输出接口，基座上部安装聚焦耦合系统3、反射镜7、全反镜11、晶体座组件17、声光调Q晶体9、红光组件19、输出镜组件18等光学器件，全反镜11、反射镜7、输出镜组件18中的输出镜10三者构成的谐振光路呈V型。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.端面泵浦风冷激光器，包括泵浦单元、聚焦耦合系统、激光晶体、谐振腔，泵浦单元发出的泵浦光经聚焦耦合系统聚焦至激光晶体，其特征在于：所述谐振腔是包括全反镜、反射镜、输出镜在内的平凹腔，全反镜、输出镜之间设置将谐振光路偏转的反射镜，谐振光路呈V型，V型夹角为15-50度，其中输出镜为设置在主光轴上的平凹镜，所述聚焦耦合系统的后焦点距离激光晶体的泵浦光入射端端面2-3mm；腔内的谐振激光在输出镜处的曲率半径与镜面的曲率半径近似匹配；输出镜与反射镜之间距离为155mm，全反镜与反射镜之间的距离为130mm；总腔长为285mm；全反镜一面镀1064nmHR膜，HR膜反射率R>99.8%；输出镜为平凹镜，平面镀1064nmAR膜，AR膜反射率R<0.2%，凹面曲率半径R=400mm，镀1064nm透射率T为25%的膜；反射镜一面镀808nmAR膜，AR膜反射率R<0.2%,另一面镀入射角为10°的1064nmHR膜，HR膜反射率R>99.8%和808nmHT膜，HT膜反射率R<2%；激光晶体在主光轴上，其中心与反射镜之间的距离有22mm；所述聚焦耦合系统依次由三片平凸镜排列组成，前2片平凸镜的凸面相对紧贴用于对入射泵浦光进行准直，第3片平凸镜凸面向外，将平行光聚焦至激光晶体；所述第3片平凸镜与前2片平凸镜之间的距离可调，所述聚焦耦合系统的后焦点设置激光晶体中靠近泵浦光的入射端；激光晶体使用Nd：YVO4，Nd3+掺杂浓度为0.3%atm，尺寸3×3×10mm，两个端面均镀808nmAR膜，AR膜反射率R<0.2%，以及1064nmHT膜，HT膜反射率R<0.5%。

2.根据权利要求1所述的端面泵浦风冷激光器，其特征在于：所述V型夹角为18-22度。

3.根据权利要求1或2所述的端面泵浦风冷激光器，其特征在于：所述输出镜对1064nm波长的光功率部分透过。