CN102420386B - 基于离轴抛物面的碟片固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于离轴抛物面的碟片固体激光器，它包括二个鼓形抛物面反射镜、碟片激光晶体、矫正镜和激光输出镜；二个鼓形抛物面反射镜相对放置，且底面相互平行且在同一平面，两抛物面反射镜的光轴存在一定的偏移量；碟片激光晶体一面镀有高反膜并安装在晶体支架上，另一面镀有高透膜，碟片激光晶体放置在一鼓形抛物面反射镜的焦点上或离焦处，该离焦量小于碟片激光晶体的直径；矫正镜放置在另一鼓形抛物面反射镜的焦点处或离焦处，该离焦量小于碟片激光晶体的直径。本发明多次泵浦，仅需对光线进行必要的准直，通过控制两抛物面的离轴量或碟片激光晶体与矫正镜的相对角度就可实现可控的多次泵浦，且泵浦次数得到了极大提高，更有利于实现高功率、高效率、高光束质量的激光输出。

Description

基于离轴抛物面的碟片固体激光器

技术领域

本发明属于激光技术，具体涉及一种碟片固体激光器。

背景技术

随着激光技术水平的提高，固体激光器向着高平均功率、高光束质量、高转换效率的方向快速发展。目前以光纤激光器和碟片激光器为代表的新一代固体激光器已经成为激光器家族中的典型代表。此类高档工业激光器与其他高新技术相互融合，使得固体激光器在汽车车身外板焊接、汽车板拼焊和金属板材切割等领域有着越来越广泛的应用。

碟片固体激光器多采用准三能级激光介质，利用其热效应低，掺杂浓度高的特点，将其几何外形设计成碟片状(0.2mm～1mm)。碟片晶体的前表面镀有对泵浦光和激光均高透的增透膜，后表面镀有对泵浦光和激光均高反的高反膜，有利于构成激光谐振腔。碟片晶体封装在铜钨合金或金刚石基板上，端面采用液体冲击冷却或高效TEC冷却，实现有效地温控。这种轴向的温度场分布极大地消除了晶体热变形对激光输出的影响，便于获得更好光束质量的激光。然而这种碟片状的几何外形存在对泵浦光吸收长度小的缺点，为了提高泵浦光的吸收效率，多次泵浦技术和光斑匀化技术是高功率碟片固体激光器高效稳定运行的核心技术之一。1994年，A.Giesen教授提出了多次泵浦的概念，碟片思想得以实现。2003年，Steffen Erhard等提出了单抛物面物面和多棱镜构成的空间旋转多次泵浦的结构；2005年，Steffen Erhard等对上述方案进行改进提出了基于单抛物面和两个大型棱镜实现光束空间旋转多次泵浦技术的方案，实现泵浦光32次的泵浦，使得泵浦光得到有效地利用。2008年，朱晓等提出一种基于对称共轭双抛物面的多次泵浦方案，实现泵浦光斑的多次传输，其泵浦次数与激光晶体和矫正镜的夹角有关。

Steffen Erhard等提出碟片激光器的多次泵浦技术要求入射光斑为圆形准直光斑，光斑在整个抛物面空间多次旋转传输，且以光轴为轴对称分布从而实现多次泵浦。这就需要加工尺寸较大的抛物面和折叠镜以实现上述光线的传输；朱晓教授等提出共轭抛物面的多次泵浦方案对矫正镜和碟片晶体之间的角度关系直接决定泵浦光斑的次数，由于入射孔位置和共轭抛物面几何结构的限制，泵浦光斑的次数受到较大的制约，而且在装配和调整方面存在两抛物面共轭放置的严格要求，装配精度比较严格。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的基于离轴抛物面的碟片固体激光器，该激光器有利于实现高功率、高效率、高光束质量的激光输出。

本发明提供的基于离轴抛物面的碟片固体激光器，其特征在于，它包括第一鼓形抛物面反射镜、第二鼓形抛物面反射镜、碟片激光晶体、矫正镜和激光输出镜；其中，激光输出镜与碟片激光晶体构成谐振腔；第一鼓形抛物面反射镜和第二鼓形抛物面反射镜相对放置，且底面相互平行且在同一平面，第一鼓形抛物面反射镜、第二鼓形抛物面反射镜的光轴存在偏移量Δh，0＜Δh＜1/2PH1，其中，PH1为第一鼓形抛物面反射镜上下两个端面的距离；碟片激光晶体一面镀有对泵浦光和输出激光高反的膜层并安装在晶体支架上，另一面镀有对泵浦光和输出激光高透的膜层，碟片激光晶体放置在第二鼓形抛物面反射镜的焦点上或适当离焦，其离焦量小于碟片激光晶体的直径；矫正镜放置在第一鼓形抛物面反射镜的焦点处或适当离焦，其离焦量小于碟片激光晶体的直径。

上述技术方案可以采用下述一种或多种方式进行改进：(一)该碟片固体激光器还包括激光全反镜，其中碟片激光晶体和激光全反镜与激光输出镜构成谐振腔；(二)第一鼓形抛物面反射镜、第二鼓形抛物面反射镜的光轴存在偏移量Δh，0＜Δh＜1/2PH1，其中，PH1为第一鼓形抛物面反射镜上下两个端面的距离；(三)第二鼓形抛物面反射镜的外形比第一鼓形抛物面反射镜的外形大，即[PH2-PH1]＞w，PH1为第一鼓形抛物面反射镜上下两个端面的距离，PH2为第二鼓形抛物面反射镜上下端面的距离，w为入射光斑的宽度；(四)碟片激光晶体是厚度为0.2mm～1mm，直径为4mm～25mm；(五)碟片激光晶体安装时其法线与光轴存在一夹角α，0≤α＜π/4；(六)矫正镜安装时其法线与光轴存在一夹角β，0≤β＜π/4。

本发明装置的核心在于多次泵浦系统，较前述的两种方案，实现相同泵浦次数时，抛物面的尺寸作的更为小巧，对光束传输的控制更为高效，方式更为灵活。仅需对光线进行必要的准直，通过控制两抛物面的离轴量或碟片激光晶体与矫正镜的相对角度就可实现可控的多次泵浦，且泵浦次数得到了极大提高，更有利于实现高功率、高效率、高光束质量的激光输出。具体而言，本发明具有以下优点：

(1)采用贴片式冷却方式，碟片状激光晶体热效应小，实现高功率、高光束质量、高效率的连续激光输出。

(2)采用离轴鼓形抛物面多次传输系统对入射的泵浦光进行多次传输与变换，降低了对泵浦光的准直特性和光斑形状的要求，泵浦光准直系统的设计难度得以降低。

(3)两个鼓形抛物面反射镜对称离轴放置，通过调整离轴量的大小或碟片晶体与矫正镜的夹角实现可控的多次泵浦，调整难度降低的同时，极大地增加泵浦次数和光线的可控性，在实现高效泵浦的同时，泵浦光斑的均匀性得以较大提高。

(4)设备体积较小、机械结构和调整简单、质量较轻，便于工业应用。

附图说明

图1是基于离轴抛物面的碟片固体激光器结构示意图；

图2是第一鼓形抛物面反射镜和第二鼓形抛物面反射镜示意图及光斑在其表面的分布特性；(a)为第一鼓形抛物面反射镜表面光斑分布特性，(b)为第二鼓形抛物面反射镜表面光斑分布特性。

图3是基于离轴抛物面碟片激光器泵浦光多次传输和V型谐振腔示意图；

图4是基于离轴抛物面碟片激光器泵浦光多次传输和直线型谐振腔示意图。

具体实施方式

本发明采用两个鼓形的抛物面反射镜作为聚光腔，两个抛物面反射镜的面型函数可以相同也可以不同，但外形尺寸不同。通过控制两抛物面反射镜的离轴量和碟片激光晶体与矫正镜之间的夹角实现对入射光束的多次传输，完成碟片晶体的多次均匀泵浦，提高泵浦光的利用效率。

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

如图1所示，第一方案提供的基于离轴抛物面的碟片固体激光器包括：第一鼓形抛物面反射镜2，第二鼓形抛物面反射镜3，碟片激光晶体4、矫正镜5，晶体支架6，激光输出镜7，激光全反镜8，其中碟片激光晶体4和激光全反镜8与激光输出镜7构成谐振腔。

经准直后的泵浦光1，一般为经过光学系统准直后的半导体激光，若采用柱面镜整形，获得的为矩形光斑，其中光斑的宽度为w，快轴与慢轴的发散角相等时，在碟片激光晶体4上获得正方形泵浦光斑；若采用的是带尾纤的半导体激光器，则准直后的泵浦光为圆形光束。

第一鼓形抛物面反射镜2和第二鼓形抛物面反射镜3构成聚光腔的核心部分。两抛物面反射镜相对放置，且底面相互平行且在同一平面。第一鼓形抛物面上下两个端面的距离为PH1，第二鼓形抛物面上下端面的距离为PH2，如图2所示。两抛物面反射镜的光轴存在一定的偏移量Δh(0＜Δh＜(PH1)/2)。第二鼓形抛物面反射镜3与第一鼓形抛物面反射镜2的面型函数可以相同也可不同。为便于接收经准直后的泵浦光1，第二鼓形抛物面反射镜3的外形比第一鼓形抛物面反射镜2稍大，即(PH2-PH1)大于入射光斑的宽度([PH2-PH1]＞w)。图2为第一鼓形抛物面反射镜2和第二鼓形抛物面反射镜3的示意图及光斑在其表面的分布情况，第一鼓形抛物面反射镜2在第二鼓形抛物面反射镜3焦点的位置开有通孔10，以放置封装在晶体支架6上的碟片激光晶体4。第二鼓形抛物面反射镜3在第一鼓形抛物面反射镜2焦点位置开有一矩形通光孔11，除用于放置矫正镜5外，还为激光的振荡提供通光通道。

碟片激光晶体4的尺寸是厚度为0.2mm～1mm，直径为4mm～25mm。该晶体一面镀有对泵浦光和输出激光高反的膜层并贴焊在晶体支架6上，与激光输出镜7和激光全反镜8构成激光谐振腔；另一面镀有对泵浦光和输出激光的高透膜层，以减少泵浦光和输出激光的反射损耗。碟片激光晶体4放置在第二鼓形抛物面反射镜3的焦点上也可适当离焦(离焦量小于碟片晶体的直径)，碟片激光晶体4安装时其法线与光轴存在一夹角α(0≤α＜π/4)。

矫正镜5为一反射镜，镀有对泵浦光高反的光学膜，该矫正镜可以是平面镜也可以是球面镜，放置在第一鼓形抛物面反射镜2的焦点处也可适当离焦(离焦量小于碟片晶体的直径)，矫正镜5安装时其法线与光轴存在一夹角β(0≤β＜π/4)。

晶体支架6，为碟片激光晶体4提供必要的机械支撑和轴向冷却，碟片晶体4镀高反膜的一面贴焊在晶体支架6上。晶体支架6，一般为导热率较高且热膨胀系数匹配的铜钨合金、金锡合金或金刚石材料做成。多采用冲击冷却或TEC冷却技术实现高效的冷却。

激光输出镜7，激光全反镜8，可以为平面镜、也可以为曲面镜，与碟片激光晶体4一端面的激光全反膜构成谐振腔，实现谐振放大，完成激光输出。

本发明所述的第一种碟片固体激光器的工作过程如下：

图3给出第一方案泵浦光多次传输和产生激光的示意图，由于两个鼓形抛物面反射镜的尺寸不同，第一鼓形抛物面反射镜2小于第二鼓形抛物面反射镜3，经准直的泵浦光1从第一鼓形抛物面反射镜2的上方入射到第二鼓形抛物面反射镜3表面，被其反射后聚焦到焦点F2处，碟片激光晶体4放置该焦点处，被碟片激光晶体4反射后的光线回到第二鼓形抛物面反射镜3表面，由于碟片晶体倾角α的存在此时光斑到第二鼓形抛物面光轴的距离与入射光斑到光轴的距离不等。此后被第二鼓形抛物面反射的光线平行入射到第一鼓形抛物面反射镜，由于两个鼓形抛物面反射镜离轴放置，因此照射到第一鼓形抛物面反射镜表面的光斑距离该抛物面的光轴距离相对于第二鼓形抛物面反射镜光轴存在Δh的差值，此后光线被反射到第一鼓形抛物面的焦点处，被放置在此处的矫正镜5反射回到第一鼓形抛物面反射镜2表面，由于矫正镜5倾角β的存在，此时光斑位置再次发生平移。光线经过上述传输在聚光腔内完成了一次循环。在开始第二次循环时，第二次入射光斑相对入射光斑1在第二鼓形抛物面表面平移了一定的距离，此后上述过程不断重复，从而完成碟片激光晶体的多次泵浦。可见，光线在抛物面反射镜表面的平移量受到两抛物面光轴离轴量Δh和碟片激光晶体4与矫正镜5夹角(|α-β|)的控制。经过多次泵浦碟片激光晶体4将泵浦光几乎全部吸收，通过激光全反镜8，碟片激光晶体4，激光输出镜7所构成的V型腔输出激光束9。

如图4所示，第二方案提供的基于离轴抛物面的碟片固体激光器包括第一鼓形抛物面反射镜2，第二鼓形抛物面反射镜3，碟片激光晶体4，矫正镜5，晶体支架6，激光输出镜7。其中，碟片激光晶体4全反面和激光输出镜7构成谐振腔。

经准直后的泵浦光1，一般为经过光学系统准直后的半导体激光，若采用柱面镜整形，获得的为矩形光斑，其中光斑的宽度为w，快轴与慢轴的发散角相等时，在碟片激光晶体上获得正方形泵浦光斑；若采用的是带尾纤的半导体激光器，则准直后的泵浦光为圆形光束。

第一鼓形抛物面反射镜2和第二鼓形抛物面反射镜3构成聚光腔的核心部分。两抛物面反射镜相对放置，且底面相互平行且在同一平面。第一鼓形抛物面上下两个端面的距离为PH1，第二鼓形抛物面上下端面的距离为PH2，如图2所示。两抛物面反射镜的光轴存在一定的偏移量Δh(0＜Δh＜(PH1)/2)。第二鼓形抛物面反射镜3与第一鼓形抛物面反射镜2的面型函数可以相同也可不同。为便于接收经准直后的泵浦光1，第二鼓形抛物面反射镜3的外形比第一鼓形抛物面反射镜2稍大，即(PH2-PH1)大于入射光斑的宽度([PH2-PH1]＞w)。图2为第一鼓形抛物面反射镜2和第二鼓形抛物面反射镜3的示意图及光斑在其表面的分布情况，第一鼓形抛物面反射镜2在第二鼓形抛物面反射镜3焦点的位置开有通孔10，以放置封装在晶体支架6上的碟片激光晶体4。第二鼓形抛物面反射镜3在第一鼓形抛物面反射镜2焦点位置开有一矩形通光孔11，除用于放置矫正镜5外，还为激光的振荡提供通光通道。

碟片激光晶体4的尺寸是厚度为0.2mm～1mm，直径为4mm～25mm。该晶体一面镀有对泵浦光和输出激光高反的膜层并贴焊在晶体支架6上，与激光输出镜7构成激光谐振腔；另一面镀有对泵浦光和输出激光的高透膜层，以减少泵浦光和输出激光的反射损耗。碟片激光晶体4放置在第二鼓形抛物面反射镜3的焦点上也可适当离焦(离焦量小于碟片激光晶体的直径)，碟片激光晶体4安装时其法线与光轴存在一夹角α(0≤α＜π/4)。

矫正镜5为一反射镜，镀有对泵浦光高反的光学膜，该矫正镜可以是平面镜也可以是球面镜，放置在第一鼓形抛物面反射镜2的焦点处也可适当离焦(离焦量小于碟片晶体的直径)，矫正镜5安装时其法线与光轴存在一夹角β(0≤β＜π/4)。

晶体支架6，为碟片激光晶体4提供必要的机械支撑和轴向冷却，碟片晶体4镀高反膜的一面贴焊在晶体支架6上。晶体支架6，一般为导热率较高且热膨胀系数匹配的铜钨合金、金锡合金或金刚石材料做成。多采用冲击冷却或TEC冷却技术实现高效的冷却。

激光输出镜7，可以为平面镜、也可以为曲面镜，与碟片激光晶体4一端面的激光全反膜构成谐振腔，实现谐振放大，完成激光输出。

本发明所述的第二种碟片固体激光器的工作过程如下：

图4给出第二方案泵浦光多次传输和产生激光的示意图，由于两个鼓形抛物面反射镜的尺寸不同，第一鼓形抛物面反射镜2小于第二鼓形抛物面反射镜3，经准直的泵浦光1从第一鼓形抛物面反射镜2的上方入射到第二鼓形抛物面反射镜3表面，被其反射后聚焦到焦点F2处，碟片激光晶体4放置该焦点处，被碟片激光晶体4反射后的光线回到第二鼓形抛物面反射镜3表面，由于碟片晶体倾角α的存在此时光斑到第二鼓形抛物面光轴的距离与入射光斑到光轴的距离不等。此后被第二鼓形抛物面反射的光线平行入射到第一鼓形抛物面反射镜，由于两个鼓形抛物面反射镜离轴放置，因此照射到第一鼓形抛物面反射镜表面的光斑距离该抛物面的光轴距离相对于第二鼓形抛物面反射镜光轴存在Δh的差值，此后光线被反射到第一鼓形抛物面的焦点处，被放置在此处的矫正镜5反射回到第一鼓形抛物面反射镜2表面，由于矫正镜5倾角β的存在，此时光斑位置再次发生平移。光线经过上述传输在聚光腔内完成了一次循环。在开始第二次循环时，第二次入射光斑相对入射光斑1在第二鼓形抛物面表面平移了一定的距离，此后上述过程不断重复，从而完成碟片激光晶体的多次泵浦。可见，光线在抛物面反射镜表面的平移量受到两抛物面光轴离轴量Δh和碟片激光晶体4与矫正镜5夹角(|α-β|)的控制。经过多次泵浦碟片激光晶体4将泵浦光几乎全部吸收，通过碟片激光晶体4一端面的激光全反膜，激光输出镜7所构成的直线型腔形成激光输出。

该方案多次泵浦结构与第一方案相同，仅在形成谐振腔时，该方案采用碟片激光晶体和激光输出镜直接构成直线型谐振腔，从而实现激光高效输出。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于离轴抛物面的碟片固体激光器，其特征在于，它包括第一鼓形抛物面反射镜（2）、第二鼓形抛物面反射镜（3）、碟片激光晶体（4）、矫正镜（5）和激光输出镜（7）；其中，激光输出镜（7）与碟片激光晶体（4）构成谐振腔，

第一鼓形抛物面反射镜（2）和第二鼓形抛物面反射镜（3）相对放置，且底面相互平行且在同一平面，第一鼓形抛物面反射镜（2）、第二鼓形抛物面反射镜（3）的光轴存在偏移量Δh，0＜Δh＜1/2PH1，其中，PH1为第一鼓形抛物面反射镜（2）上下两个端面的距离；

碟片激光晶体（4）一面镀有对泵浦光和输出激光高反的膜层并安装在晶体支架（6）上，另一面镀有对泵浦光和输出激光高透的膜层，碟片激光晶体（4）放置在第二鼓形抛物面反射镜（3）的焦点处或适当离焦，该离焦量小于碟片激光晶体（4）的直径；

矫正镜（5）放置在第一鼓形抛物面反射镜（2）的焦点处或适当离焦，该离焦量小于碟片激光晶体（4）的直径。

2.根据权利要求1所述的基于离轴抛物面的碟片固体激光器，其特征在于，该碟片固体激光器还包括激光全反镜（8），其中碟片激光晶体（4）和激光全反镜（8）与激光输出镜（7）构成谐振腔。

3.根据权利要求1或2所述的基于离轴抛物面的碟片固体激光器，其特征在于，第二鼓形抛物面反射镜（3）的外形比第一鼓形抛物面反射镜（2）的外形大，即[PH2-PH1]＞w，PH2为第二鼓形抛物面反射镜（3）上下端面的距离，w为入射光斑的宽度。

4.根据权利要求1或2所述的基于离轴抛物面的碟片固体激光器，其特征在于，碟片激光晶体（4）是厚度为0.2mm～1mm，直径为4mm～25mm。

5.根据权利要求1或2所述的基于离轴抛物面的碟片固体激光器，其特征在于，碟片激光晶体（4）安装时其法线与光轴存在一夹角α，0≤α＜π/4。

6.根据权利要求1或2所述的基于离轴抛物面的碟片固体激光器，其特征在于，矫正镜（5）安装时其法线与光轴存在一夹角β，0≤β＜π/4。

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