CN102354901A - 半导体侧面泵浦固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体激光器，具体是一种半导体侧面泵浦固体激光器，包括激光模块、谐振腔、冷却系统，其不同之处在于：还包括扩束镜，所述谐振腔为由全反镜、小孔光阑、输出镜构成的近似半共心腔，所述全反镜为曲率半径4-6m的平凹镜，输出镜为曲率半径0.6-0.8m的平凹镜，扩束镜设置在输出镜的输出光路上。本发明提供了一种高稳定度、高光束质量、高峰值功率的半导体侧面泵浦固体激光器。

Description

半导体侧面泵浦固体激光器

技术领域

本发明涉及一种固体激光器，具体是一种半导体侧面泵浦固体激光器。

背景技术

当前在激光标记、表面处理加工等应用领域中，半导体侧面泵浦固体激光器占据了大部分市场。该类激光器利用半导体激光器输出波长与晶体吸收波长匹配的特点，获得相比于灯泵浦高一个数量级的转换效率。侧面泵浦实现了高功率泵浦和高功率的激光输出，目前常用该类固体激光器在50-100W之间。同时，Nd:YAG由于自发辐射寿命较长，可以获得更高的腔内储能，获得窄脉宽和高峰值功率，特别适用于金属材料的表面加工和一定深度的雕刻。其关键部件——激光模块基本摆脱了国外厂家的垄断，国内厂家如吉泰、强光、海特等已经生产出了高功率、高稳定性、高光束质量的激光模块，已经获得了广泛使用，受到了多数激光生产厂商的好评。

侧面泵浦技术已经广泛使用，但是国内并未对光路部分进行深入的研究。常用激光器的谐振腔为平平腔。平平腔两端腔镜采用平面镜，该腔型虽然易于调节，原材料加工方便，发散角较小，但是存在很多缺陷。首先，该类腔型由于腔镜曲率与腔内产生的高斯光束曲率半径不匹配，使得衍射损耗和几何损耗较大，增加了腔内损耗，直接导致激光输出功率下降和阈值的提高，间接降低了转换效率。其次，平平腔选模能力差，易于产生多模振荡，降低光束质量，对激光加工十分不利。同时，小孔光阑直径与位置选择不当也会影响基模输出。最后，作为临界稳定腔，平平腔调节精度要求高，经过振动及其他外力影响将严重影响激光输出，光路会发生不可恢复变化。

因此，如何通过改变谐振腔或其他器件来优化激光器光路，提高加工质量是该类激光器的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，提供一种高稳定度、高光束质量、高峰值功率的半导体侧面泵浦固体激光器。

为解决上述技术问题，本发明提供一种半导体侧面泵浦固体激光器，包括激光模块、谐振腔、冷却系统，其不同之处在于：还包括扩束镜，所述谐振腔为由全反镜、小孔光阑、输出镜构成的近似半共心腔，所述全反镜为曲率半径4-6m的平凹镜，输出镜为曲率半径0.6-0.8m的平凹镜，扩束镜设置在输出镜的输出光路上。

优选的，所述输出镜为1064nm激光光功率部分透过。

优选的，所述输出镜透射率在15％-25％之间。

优选的，所述全反镜对1064nm激光全反。

优选的，所述谐振腔的腔长在0.3-0.5m之间。

优选的，所述小孔光阑靠近全反镜一侧，两者距离在0.05-0.1m之间。

优选的，所述扩束镜倍率为3-8倍。

对比现有技术，本发明的有益效果如下：

激光器平平腔其对热效应较灵敏，通过传输矩阵进行计算，可得出：

$\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& L\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/f& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& L2\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& L2\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/f& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& L1\\ 0& 1\end{array}\right]$

为谐振腔稳定性条件。其中f为热透镜焦距，L1+L2＝L。可以看出，谐振腔的稳定性由热透镜焦距和腔长决定，由于工业加工对尺寸要求尽可能小，因此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作用。由于随着泵浦功率的增加，热透镜效应愈加明显，因此，谐振腔内光学特性也会随着热透镜焦距的变化而变化，严重影响了在不同泵浦功率下激光输出的稳定性和光束质量。

基于以上发现，本发明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和光束质量。

本发明将平平腔改为近似半共心腔。全反镜为曲率半径4-6m的平凹镜，全反镜曲率半径近似平面，可将镜片近似当做平面镜来看，但是由于带有一定曲率，与腔内激光波前形成匹配，降低了一部分损耗。输出镜采用较小曲率半径的平凹镜，曲率半径在0.6m-0.8m之间，该曲率与腔内激光匹配，达到了一定的选模作用，并且通过其对腔内光束的影响，来降低热焦距的影响作用，计算腔内的传输矩阵得出：

$\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -2{/R}_1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& L1\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/f& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& L2\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -2/R_2& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& L2\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/f& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& L1\\ 0& 1\end{array}\right]$

其中R₁为全反镜的曲率半径，R₂为输出镜的曲率半径，可以看出，在总腔长固定的情况下，腔内光学特性除了由热透镜焦距影响外，还受到了曲率半径的控制。通过理论计算，选择合适曲率半径，使得的数值在中等到较高泵浦功率范围一直保证在0.5左右，谐振腔为稳定腔，而且在所需要的功率范围，将热透镜效应的影响降到最低程度。另外，降低了损耗，降低了激光阈值，提高了输出功率，使得转换效率相比平平腔获得了较大提升。

优选的，本发明激光器的谐振腔，具备一定的选模能力，在光学束腰处附近放置小孔光阑，可以滤掉高阶模式，保证在侧面泵浦高功率条件下获得基模输出。束腰位置在全反镜前一定距离处。

优选的，本发明激光器的腔长通过理论计算严格控制在输出曲率半径一半长度左右，从而能保证谐振腔的稳定性。

优选的，本发明激光器，谐振腔采用近似半共心腔会导致发散角较大，通过加相应倍率的括束镜可压缩发散角，达到标记要求的精度。

附图说明

图1为本发明实施例半导体侧面泵浦固体激光器实物结构示意图；

图2为本发明实施例半导体侧面泵浦固体激光器光路结构示意图；

图3为本发明实施例半导体侧面泵浦固体激光器与传统激光器连续输出功率曲线比较图；

图4为本发明实施例半导体侧面泵浦固体激光器与传统激光器在相同电流不同频率下的峰值功率比较图；

图5为本发明实施例半导体侧面泵浦固体激光器与传统激光器在不同调制频率下的雕刻效果比较图。

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。

本发明所涉及的半导体侧面泵浦固体激光器，其技术方案结合图1、图2、图3、图4说明如下：

实施方式1：

图1为1064nm半导体侧面泵浦固体激光器的实物结构示意图，其对应的光路结构示意图如图2所示，半导体侧面泵浦固体激光器，包括激光模块、谐振腔、冷却系统，激光模块5使用海特光电的50W激光模块，所述谐振腔包括全反镜2、输出镜6、小孔光阑3，其中全反镜2、输出镜6为带有一定曲率半径的平凹镜，在腔内靠近全反镜处放置小孔光阑3。扩束镜7设置在输出镜6的输出光路上。另外图中的1为红光指示器，7为扩束镜(可选)，红光指示器1的作用是：调光时作为光路准直用；指示激光光路的位置。根据实际使用要求可选是否加扩束镜7，可使用3-8倍中任一倍率。本实施方式选用5倍扩束镜。

具体的，激光模块5为最大输出50W功率的模块，在22A获得连续最大输出功率。

具体的，冷却系统由水冷机和水管构成，水冷机通过水管与激光模块5和调Q晶体4相连，利用冷却水对两个模块冷却，并精确控制温度。实际使用温度为25℃，可控制在0.1℃精度范围内。

具体的，谐振腔由全反镜2、输出镜6、小孔光阑3组成。激光由输出镜6输出，输出镜6与全反镜2之间距离为0.37m，输出镜6距离激光模块5中心0.1525m，全反镜2距离激光模块中心为0.2175m，全反镜2使用曲率半径R₁＝5m的平凹镜，在凹面镀1064nmHR膜，AR膜反射率R＞99.8％；输出镜6使用曲率半径为R₂＝0.7m的平凹镜，在凹面镀1064nm透射率T＝25％的膜，平面镀1064nmAR膜，AR膜反射率R＜0.2％。小孔光阑3距离全反镜0.05m，小孔直径1.5mm。

该腔型与传统激光器功率曲线比较图，如图3所示，在中小功率上平平腔的功率占优势，其原因是平平腔产生多阶模式，功率高，而新腔型产生基模激光，光束质量好。随着电流的增加，新腔型输出功率超过平平腔，其在17A达到最高功率，并获得了更高了转换效率。

此结构可以获得最大连续输出功率31W，功率不稳定度在四小时内在3％以内，有较好的光束质量，远场发散角在未扩束条件下达到4mrad左右，光斑大小在约为3mm。

此结构不仅可使用在1064nm波段，也可以在修改输出镜和全反镜镀膜特性的条件下，使用在532nm波段，获得较高功率输出。

实施方式2：

利用实施方式1的结构，将全反镜2替换为曲率半径R₁＝4m的平凹镜，在凹面镀1064nmHR膜，AR膜反射率R＞99.8％；输出镜6替换为曲率半径R₂＝0.6m的平凹镜，在凹面镀1064nm透射率T＝25％的膜，平面镀1064nmAR膜，AR膜反射率R＜0.2％。输出镜6与全反镜2之间的距离修改为0.3m，小孔光阑3距离全反镜2调整为0.06m。

使用该结构，能够获得最大连续输出功率33W，功率不稳定度在四小时内小于2％，光束质量相比实施方式1有所降低，远场发散角扩大，光斑大小为2.8mm。

实施方式3：

利用实施方式1的结构，将全反镜2替换为曲率半径R₁＝6m的平凹镜，在凹面镀1064nmHR膜，AR膜反射率R＞99.8％；输出镜6替换为曲率半径R₂＝0.8m的平凹镜，在凹面镀1064nm透射率T＝25％的膜，平面镀1064nmAR膜，AR膜反射率R＜0.2％。输出镜6与全反镜2之间的距离修改为0.5m，小孔光阑3距离全反镜2调整为0.08m。

使用该结构，能够获得最大连续输出功率30W，功率不稳定度在四小时内小于3％，光束质量相比实施方式1有所降低，远场发散角减小，光斑大小为3.2mm。

实施方式4：

利用实施方式1的结构，输出镜6在凹面镀1064nm透射率T＝20％的膜，平面镀1064nmAR膜，AR膜反射率R＜0.2％。

使用该结构，能够获得最大连续输出功率27W，功率不稳定度在四小时内小于3％，光束质量相比实施方式1有较大提升，远场发散角减小，光斑大小为3mm。

实施方式5：

如图2所示，在小孔光阑3和激光模块5之间放置声光调Q晶体4，调制频率在2kHz到20kHz之间。

图4所示，新型激光器与传统激光器在相同电流下不同频率之间峰值功率的比较曲线图，可以看出，峰值功率获得了较大幅度的提升，其原因是功率相应提升，脉宽压缩的更窄。

此结构可以达到脉冲宽度40-120ns，脉宽稳定，峰值功率最高达111kW，单脉冲能量最大达到5.25mJ。

调Q后实际雕刻效果如图5所示，图中左边为新腔型在5kHz、8kHz、12kHz、15kHz的调制频率下的效果，右边为平平腔在同等条件下的效果。可以看出，左边从低频到高频的雕刻深度、线条细度、边缘的光滑度都远远优于平平腔的效果，说明本发明所述激光器的激光模式、峰值功率都获得了相当程度的提高。

本发明对半导体侧面泵浦固体激光器的结构进行了改进，输出激光稳定性获得了较大提高，能够在各种条件下正常工作，广泛应用在激光标记、表面处理和加工、深雕等方面。

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 (7)

1.半导体侧面泵浦固体激光器，包括激光模块、谐振腔、冷却系统，其特征在于：还包括扩束镜，所述谐振腔为由全反镜、小孔光阑、输出镜构成的近似半共心腔，所述全反镜为曲率半径4-6m的平凹镜，输出镜为曲率半径0.6-0.8m的平凹镜，扩束镜设置在输出镜的输出光路上。

2.如权利要求1所述的半导体侧面泵浦固体激光器，其特征在于：所述输出镜为1064nm激光光功率部分透过。

3.如权利要求1所述的半导体侧面泵浦固体激光器，其特征在于：所述输出镜透射率在15％-25％之间。

4.如权利要求1所述的半导体侧面泵浦固体激光器，其特征在于：所述全反镜对1064nm激光全反。

5.如权利要求1所述的半导体侧面泵浦固体激光器，其特征在于：所述谐振腔的腔长在0.3-0.5m之间。

6.如权利要求1所述的半导体侧面泵浦固体激光器，其特征在于：所述小孔光阑靠近全反镜一侧，两者距离在0.05-0.1m之间。

7.如权利要求1所述的半导体侧面泵浦固体激光器，其特征在于：所述扩束镜倍率为3-8倍。

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