CN103022870B - 基于板条结构的大功率355nm紫外激光器 - Google Patents
基于板条结构的大功率355nm紫外激光器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于，包括：半导体激光泵浦模块、透镜组、板条薄片状的激光晶体、激光谐振腔、调制器件、谐波非线性晶体组以及使紫外激光与其他光线分离的三棱镜；前述激光谐振腔由腔镜组成，激光在激光器中形成“M” 字形光路。本发明的有益之处在于：通过设计合理的“M” 字形光路以及适当选择柱面镜的曲率半径，可减轻甚至消除一阶热聚焦、应力双折射和退偏效应，从而利用简单的板条激光结构获得更好的光束质量和更高的输出功率；在不改变激光器内部结构的情况下，在激光晶体破坏值范围内，可通过提高半导体激光泵浦模块的泵浦功率，进一步增加腔内基频激光的功率密度。
Description
技术领域
本发明涉及一种全固态激光器，具体涉及一种基于板条结构的大功率355nm紫外激光器。
背景技术
激光二极管泵浦的全固态激光器因具有转换效率高、稳定性好、结构紧凑、使用寿命长等优点使其成为当今固态激光技术研究的热点之一，其中板条激光器由于泵浦效率高、散热效率好而受到广泛重视。采用棒状工作介质的高功率固体激光器在长时间运转时，工作介质的径向温度梯度使棒呈现出热透镜效应和双折射效应，进而严重降低了光束质量，限制了激光器的输出水平和高重复率运转。对于板条结构的固体激光器，可以通过设计合理的“M”字形光路，减轻甚至消除一阶热聚焦、应力双折射和退偏效应，从而获得更好的光束质量和更高的输出功率。早在20世纪70年代美国GE公司的W.B.Martin等就提出了板条激光器设计的概念，使得板条晶体内部温度场的分布趋于均匀，极大降低了晶体本身的热效益。但该方案存在结构设计复杂、吸收长度短、抽运效率低等缺点，限制了其进一步的发展。
紫外激光器在很多实际运用中都有非常广泛的应用，利用紫外激光器加工材料过程称为“光蚀”效应，高能量的光子直接破坏材料的化学键，属于“冷”处理过程，热影响区域微乎其微。相比之下，可见光和红外激光利用聚焦到加工部位的热量来熔化材料，热量经过传导会影响到周围的材料，产生有害的热影响区域；同时，由于紫外激光在聚焦时，聚焦点可小到亚微米数量级，从而对金属和聚合物的微处理更具优越性，可以进行小部件的加工，即使在不高的脉冲能量水平下，也能得到较高的能量密度，有效地进行材料加工。所以，紫外激光器具有良好的“冷加工”和“聚焦”性能，两者结合在一起，使其可以加工极其微小的部件；不仅如此，由于大多数材料都能够有效地吸收紫外激光，从而紫外激光器有更高的灵活性和更广泛的应用场合，可以被用来加工红外和可见激光加工不了的材料。现有的紫外激光器多是采用棒状激光晶体得到1064nm基频激光输出，然后进行频率转换至紫外激光输出。由于棒状激光晶体所能承受的热负荷与泵浦光功率有限，直接限制了紫外光的大功率输出。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于板条结构获得更好的光束质量和更高的输出功率的大功率355nm紫外激光器。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于，包括：激光晶体，分居前述激光晶体两侧的第一半导体激光泵浦模块和第二半导体激光泵浦模块，设置于前述激光晶体与半导体激光泵浦模块之间的透镜组，将前述第一半导体激光泵浦模块和第二半导体激光泵浦模块发射出的泵浦光转换成高光束质量的基频激光的激光谐振腔，对前述基频激光进行调制的调制器件，以及对前述基频激光进行频率变换的谐波非线性晶体组；前述激光晶体为板条形状的薄片，泵浦光的通光方向在薄片之内，激光晶体的“C”轴竖直向上放置或者旋转90°水平放置；前述激光谐振腔由腔镜组成，腔镜包括：第一柱面镜、第二柱面镜、第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜、第四平面镜、第五平面镜、第六平面镜、凹面镜，上述第一柱面镜和第二柱面镜设置于激光晶体的一侧，第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜、第四平面镜、第五平面镜、第六平面镜和凹面镜设置于激光晶体的另一侧，并且沿光路方向凹面镜设置于谐波非线性晶体组之前，激光在激光器中形成“M”字形光路；前述谐波非线性晶体组由二次谐波非线性晶体和三次谐波非线性晶体组成。
优选的，第一柱面镜(3)、第二柱面镜(5)和设置于谐波非线性晶体组之前的第一平面镜(8)、第二平面镜(10)、第三平面镜(11)、第四平面镜(12)及第五平面镜(14)的端面镀有对1064nm激光高反膜，设置于谐波非线性晶体组之后的第六平面镜的端面镀有对1064nm、532nm、355nm激光高反膜，凹面镜的端面镀有对1064nm激光高反膜、对532nm、355nm激光高透膜。
前述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于，前述激光晶体为Nd:YVO4晶体，或者Nd:YLF晶体、Nd:YAG晶体、Nd:Glass晶体、Yb:YAG晶体、Er:YAG晶体。
前述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于，前述半导体激光泵浦模块的中心波长为808nm或880nm。
前述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于，前述半导体激光泵浦模块发出的泵浦光经透镜组会聚成截面为长方形的一维平行光，前述一维平行光的上下宽度为激光晶体厚度的一半，长度小于激光晶体的长度。
前述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于，前述分居激光晶体两侧的半导体激光泵浦模块同时泵浦中间的激光晶体，或者两个半导体激光泵浦模块中的任意一个对激光晶体进行单独泵浦。
前述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于,前述调制器件为声光调制器件、电光调制器件或吸收型被动调Q开关，优选的，前述调制器件的两个端面均镀有1064nm增透膜。
前述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于,前述二次谐波非线性晶体为I类LBO，或者Ⅱ类LBO、Ⅱ类KTP、Ⅱ类BBO、Ⅱ类CLBO。
优选的，前述二次谐波非线性晶体的两个端面均镀有1064nm、532nm及355nm三色高透膜。
前述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于,前述三次谐波非线性晶体为Ⅱ类LBO，或者I类LBO、Ⅱ类BBO、Ⅱ类CLBO。
优选的，前述三次谐波非线性晶体的两个端面均镀有1064nm、532nm及355nm三色高透膜。
前述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于,还包括：用于提高光束质量的光阑，前述光阑设置于激光谐振腔内。
本发明的有益之处在于：通过设计合理的“M”字形光路，以及适当选择柱面镜的曲率半径，可减轻甚至消除一阶热聚焦、应力双折射和退偏效应，从而利用简单的板条激光结构获得更好的光束质量和更高的输出功率；并且，在不改变激光器内部结构的情况下，在激光晶体破坏值范围内，可以通过提高半导体激光泵浦模块的泵浦功率，进一步增加腔内基频激光的功率密度，从而得到更高功率的紫外激光输出。
附图说明
图1是本发明基于板条结构的大功率355nm紫外激光器的一个具体实施例的结构示意图；
图中附图标记的含义：1-第一半导体激光泵浦模块，2-第一透镜，3-第一柱面镜，4-激光晶体，5-第二柱面镜，6-第二透镜，7-第二半导体激光泵浦模块，8-第一平面镜，9-调制器件，10-第二平面镜，11-第三平面镜，12-第四平面镜，13-光阑，14-第五平面镜，15-凹面镜，16-二次谐波非线性晶体，17-三次谐波非线性晶体，18-第六平面镜，19-三棱镜。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1，本发明基于板条结构的大功率355nm紫外激光器包括：激光晶体4，分居激光晶体4两侧的第一半导体激光泵浦模块1和第二半导体激光泵浦模块7，设置于激光晶体4与第一半导体激光泵浦模块1和第二半导体激光泵浦模块7之间的第一透镜2、第二透镜6，第一透镜2、第二透镜6组成透镜组，将第一半导体激光泵浦模块1和第二半导体激光泵浦模块7发射出的泵浦光转换成高光束质量的基频激光的激光谐振腔，对上述基频激光进行调制的调制器件9，对上述基频激光进行频率变换的谐波非线性晶体组以及使紫外激光与其他光线相分离而得到紫外激光输出的三棱镜19。其中，谐波非线性晶体组由二次谐波非线性晶体16和三次谐波非线性晶体17组成；激光晶体4为板条形状的薄片，泵浦光的通光方向在薄片之内；激光谐振腔由腔镜组成，激光在激光器中形成“M”字形光路。
在本发明中，激光晶体4的“C”轴竖直向上放置，其还可以旋转90°即水平放置，相应的，二次谐波非线性晶体16和三次谐波非线性晶体17也旋转90°放置。
作为一种优选的方案，第一透镜2、第二透镜6均镀有对泵浦光的高透膜。
下面详细介绍激光谐振腔。
参照图1，该激光谐振腔由腔镜组成，具体由第一柱面镜3、第二柱面镜5，第一平面镜8、第二平面镜10、第三平面镜11、第四平面镜12、第五平面镜14、第六平面镜18和凹面镜15组成。第一柱面镜3、第二柱面镜5设置于激光晶体4的一侧，第一平面镜8、第二平面镜10、第三平面镜11、第四平面镜12、第五平面镜14、第六平面镜18和凹面镜15设置于激光晶体4的另一侧，其中，第一平面镜8竖直设置，第三平面镜11水平设置，第二平面镜10、、第四平面镜12、第五平面镜14、第六平面镜18和凹面镜15均倾斜设置，并且沿光路方向凹面镜15设置于第一平面镜8、第二平面镜10、第三平面镜11、第四平面镜12、第五平面镜14、之后、谐波非线性晶体组之前，平面镜18用作紫外激光反射镜。
作为一种优选的方案，第一柱面镜3、第二柱面镜5和第一平面镜8、第二平面镜10、第三平面镜11、第四平面镜12、第五平面镜14的端面镀有对1064nm激光高反膜，凹面镜15的端面镀有对1064nm激光高反膜、对532nm、355nm激光高透膜，第六平面镜18的端面镀有对1064nm、532nm、355nm激光高反膜。
在本发明中，激光晶体4为Nd:YVO4晶体，其还可以是Nd:YLF晶体、Nd:YAG晶体、Nd:Glass晶体、Yb:YAG晶体、Er:YAG晶体等基频激光晶体。
作为一种优选的方案，激光晶体4的两个端面均镀有对泵浦光和1064nm激光增透的增透膜，用以增加对泵浦光的吸收。
更为优选的是，在激光晶体4的上下面上还设置有热沉(未图示)，热沉与激光晶体4接触，可保证热量的有效传导。
在本发明中，第一半导体激光泵浦模块1和第二半导体激光泵浦模块7均为半导体激光二极管，其中心波长为808nm，最高输出功率为30W，也可以根据所选用的激光晶体4的不同而选用其他中心波长例如880nm的半导体激光泵浦模块。
第一半导体激光泵浦模块1和第二半导体激光泵浦模块7可以同时泵浦中间的激光晶体4，也可以是两个第一半导体激光泵浦模块1和第二半导体激光泵浦模块7中的任意一个对激光晶体4进行单独泵浦。
第一半导体激光泵浦模块1和第二半导体激光泵浦模块7发出的泵浦光经第一透镜2、第二透镜6会聚成截面为长方形的一维平行光，作为一种优选的方案，上述一维平行光的上下宽度为激光晶体4厚度的一半，长度小于激光晶体4的长度，略小即可。
作为一种优选的方案，调制器件9为声光调制器件、电光调制器件或者吸收型被动调Q开关。
更为优选的是，调制器件9的两个端面均镀有1064nm增透膜。
在本发明中，二次谐波非线性晶体16和三次谐波非线性晶体17组成谐波非线性晶体组，设置于凹面镜15和第六平面镜18之间。经激光谐振腔的选模作用所形成的基频激光经调制器件9调制后得到调制激光，该调制激光经二次谐波非线性晶体16的倍频作用，得到绿激光输出；调制后的基频激光和绿激光再次进入三次谐波非线性晶体17进行混频作用，得到355nm紫外激光，得到的紫外激光经紫外激光反射镜18的反射作用输出激光谐振腔外，在三棱镜19的分离作用下，得到三次谐波紫外激光输出。
作为一种优选的方案，二次谐波非线性晶体16为I类LBO，或者Ⅱ类LBO、Ⅱ类KTP、Ⅱ类BBO、Ⅱ类CLBO。
更为优选的是，二次谐波非线性晶体16的两个端面均镀有1064nm、532nm及355nm三色高透膜。
作为一种优选的方案，三次谐波非线性晶体17为Ⅱ类LBO，或者I类LBO、Ⅱ类BBO、Ⅱ类CLBO。
更为优选的是，三次谐波非线性晶体17的两个端面均镀有1064nm、532nm及355nm三色高透膜。
作为一种优选的方案，二次谐波非线性晶体16、三次谐波非线性晶体17以及激光晶体4均用铟箔包裹后放入散热晶体座中。
作为一种优选的方案，本发明的紫外激光器还包括光阑13，光阑13设置于激光谐振腔内，用以进一步提高光束质量。
参照图1，本发明的紫外激光器的工作原理为：第一半导体激光泵浦模块1和第二半导体激光泵浦模块7发出的泵浦光经第一透镜2、第二透镜6会聚后直接射入激光晶体4的端面，激光晶体4吸收泵浦光能量后产生受激发射，发射出的光在激光谐振腔(由第一柱面镜3、第二柱面镜5，第一平面镜8、第二平面镜10、第三平面镜11、第四平面镜12、第五平面镜14、第六平面镜18和凹面镜15组成)的选模作用下形成高光束质量的基频激光，该基频激光经调制器件9的调制后，得到高峰值功率的调制激光，该调制激光经二次谐波非线性晶体16的倍频作用，得到绿激光输出，调制后的基频激光和绿激光再次进入三次谐波非线性晶体17进行混频作用，得到355nm紫外激光，得到的紫外激光经紫外激光反射镜18的反射作用输出激光谐振腔外，在三棱镜19的分离作用下，得到三次谐波紫外激光输出。
本发明的紫外激光器，在不改变激光器内部结构的情况下，在激光晶体破坏阀值范围内，还可以提高激光二极管的泵浦功率，进一步增加腔内基频激光的功率密度，从而得到更高功率的紫外激光输出。
另外，本发明的基于板条结构的固体紫外激光器，相比于基于棒状工作介质的紫外激光器，通过设计合理的“M”字形光路，以及适当选择柱面镜的曲率半径，可减轻甚至消除一阶热聚焦、应力双折射和退偏效应，从而利用简单的板条激光结构获得更好的光束质量和更高的输出功率。
需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于，包括：激光晶体(4)，分居上述激光晶体(4)两侧的第一半导体激光泵浦模块(1)和第二半导体激光泵浦模块(7)，设置于上述激光晶体(4)与第一半导体激光泵浦模块(1)和第二半导体激光泵浦模块(7)之间的透镜组，将上述第一半导体激光泵浦模块(1)和第二半导体激光泵浦模块(7)发射出的泵浦光转换成高光束质量的基频激光的激光谐振腔，对上述基频激光进行调制的调制器件(9)，对上述基频激光进行频率变换的谐波非线性晶体组以及使紫外激光与其他光线相分离而得到紫外激光输出的三棱镜(19)；上述激光晶体(4)为板条形状的薄片，泵浦光的通光方向在薄片之内，激光晶体(4)的“C”轴竖直向上放置或者旋转90°水平放置；上述激光谐振腔由腔镜组成，腔镜包括：第一柱面镜(3)、第二柱面镜(5)、第一平面镜(8)、第二平面镜(10)、第三平面镜(11)、第四平面镜(12)、第五平面镜(14)、第六平面镜(18)、凹面镜(15)，上述第一柱面镜(3)和第二柱面镜(5)设置于激光晶体(4)的一侧，第一平面镜(8)、第二平面镜(10)、第三平面镜(11)、第四平面镜(12)、第五平面镜(14)、第六平面镜(18)和凹面镜(15)设置于激光晶体(4)的另一侧，并且沿光路方向凹面镜(15)设置于谐波非线性晶体组之前，激光在激光器中形成“M”字形光路；上述谐波非线性晶体组由二次谐波非线性晶体(16)和三次谐波非线性晶体(17)组成。
2.根据权利要求1所述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于，第一柱面镜(3)、第二柱面镜(5)、第一平面镜(8)、第二平面镜(10)、第三平面镜(11)、第四平面镜(12)及第五平面镜(14)的端面均镀有对1064nm激光高反膜，凹面镜(15)的端面镀有对1064nm激光高反膜、对532nm、355nm激光高透膜，第六平面镜(18)的端面镀有对1064nm、532nm、355nm激光高反膜。
3.根据权利要求1所述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于，上述激光晶体(4)为Nd:YVO4晶体，或者Nd:YLF晶体、Nd:YAG晶体、Nd:Glass晶体、Yb:YAG晶体、Er:YAG晶体。
4.根据权利要求1所述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于，上述第一半导体激光泵浦模块(1)和第二半导体激光泵浦模块(7)的中心波长为808nm或880nm。
5.根据权利要求1所述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于，上述第一半导体激光泵浦模块(1)和第二半导体激光泵浦模块(7)发出的泵浦光经透镜组会聚成截面为长方形的一维平行光，上述一维平行光的上下宽度为激光晶体(4)厚度的一半，长度小于激光晶体(4)的长度。
6.根据权利要求1所述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于，上述分居激光晶体(4)两侧的第一半导体激光泵浦模块(1)和第二半导体激光泵浦模块(7)同时泵浦中间的激光晶体(4)，或者第一半导体激光泵浦模块(1)和第二半导体激光泵浦模块(7)中的任意一个对激光晶体(4)进行单独泵浦。
7.根据权利要求1所述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于,上述调制器件(9)为声光调制器件、电光调制器件或吸收型被动调Q开关，上述调制器件(9)的两个端面均镀有1064nm增透膜。
8.根据权利要求1所述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于,上述二次谐波非线性晶体(16)为I类LBO，或者Ⅱ类LBO、Ⅱ类KTP、Ⅱ类BBO、Ⅱ类CLBO，上述二次谐波非线性晶体(16)的两个端面均镀有1064nm、532nm及355nm三色高透膜。
9.根据权利要求1所述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于,上述三次谐波非线性晶体(17)为Ⅱ类LBO，或者I类LBO、Ⅱ类BBO、Ⅱ类CLBO，上述三次谐波非线性晶体(17)的两个端面均镀有1064nm、532nm及355nm三色高透膜。
10.根据权利要求1至9任意一项所述的基于板条结构的大功率355nm紫外激光器，其特征在于,还包括：用于提高光束质量的光阑(13)，上述光阑(13)设置于激光谐振腔内。
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