CN103151681A - 环形增益介质固体激光器 - Google Patents

Abstract

一种固体激光器，包括输出镜1，输出端圆环形透镜2，圆环形固体激光增益介质3，全反射端圆环形透镜4，全反射镜5在光路上依次排列，在输出镜1和全反射镜5之间形成谐振腔。

Description

环形增益介质固体激光器

技术领域

本发明涉及一种固体激光器，属于激光器领域。

背景技术

现有的固体激光器一般都是简单采用平板型或圆柱形的增益介质，对于这样的激光器来说，如果需要增大激光器的发射功率，则需要增加泵浦能量并且还需要增加平板型或圆柱形增益介质的截面积(半径)。如果只是简单的增加泵浦能量则可能会超过增益介质的承受能力，从而对增益介质产生永久性的破坏，所以在增加泵浦能量的同时需要增加增益介质的截面积。但是增益介质的截面积增加之后又会出现新的问题，这些新的问题包括：1)截面积的增加(也即半径的增加)会使得激光器出射光束的半径增加，出射光束的半径增加之后在一定程度上就降低了激光的强度(也即单位面积内的能量分布)，这对于提高的激光束的强度是不利的；2)截面积变大之后散热问题更加突出，因为散热装置只能分布于增益介质的四周，截面积越大，导致散热装置对于增益介质内部的散热能力越差；3)半径增加之后，使得增益介质的体积变大，体积变大之后散热的不均匀性将变得更加明显，从而导致增益介质的径向折射率梯度变大，这使得激光束的横向分布性变得更差；4)随着截面积的增加，泵浦的光均匀性分布也会变差。本发明就是针对现有技术中的该问题提出来的，提供了一种高强度的固体激光器。

发明内容

根据本发明，提供了一种固体激光器，包括输出镜1，输出端圆环形透镜2，圆环形固体激光增益介质3，全反射端圆环形透镜4，全反射镜5在光路上依次排列，在输出镜1和全反射镜5之间形成谐振腔；

输出镜1为半透半反镜，用于将谐振腔内的振荡激光输出；输出端圆环形透镜2中心处的通孔的直径要大于圆环形固体激光增益介质3的圆柱体的直径，并且还要小于圆环形固体激光增益介质3的圆环柱的内半径，并且输出端圆环形透镜2的焦距至少要大于全反射端环形透镜4的焦距，输出镜1位于输出端圆环形透镜2的焦点处，圆环形固体激光增益介质的外围圆环柱和内部圆柱体之间留有的圆环形的空隙内设置有泵浦光源，全反射端圆环形透镜4中心处的通孔的直径要大于圆环形固体激光增益介质3的圆柱体的直径，并且还要小于圆环形固体激光增益介质3的圆环柱的内半径，并且全反射端圆环形透镜4的焦距至少短于输出端圆环形透镜2的焦距，全反射镜5位于全反射端圆环形透镜的焦点处，并且，该激光器还满足以下的参数关系，假如被该激光器的激光束照射点距离输出镜的距离为S，圆环形固体激光增益介质3的外围圆环柱的外直径为D，圆环形固体激光增益介质3的圆环柱内的圆柱体的直径为d，而输出端圆环形透镜2的焦距为F，则上述四个参数满足以下关系：

$S=\frac{\mathrm{Fd}}{D}---\left(1\right)$

所述泵浦光源采用沿该圆环形空隙的圆周排列设置的灯管，或者采用由发光二极管组成的双面发光的圆筒形的发光阵列。

所述输出端圆环形透镜为可更换的，根据不同的长度需求来选择具有合适焦距的圆环形透镜。

所述圆环形固体激光增益介质的圆环柱的厚度等于圆环形固体激光增益介质的圆柱体的半径。

附图说明

图1为本发明固体激光器的结构示意图；

图2为本发明固体激光器的谐振腔内部的光路示意图；

图3为本发明固体激光器的外部激光照射光路的示意图。

具体实施方式

以下在结合附图的基础上对于本发明的内容进行更加详细的描述。

图1示出了本发明的固体激光器的结构简图，为了画图与阅读的方便该激光器中的某些部件没有画出，对于没有画出的部分下面会有详细的描述。在图1中，1表示输出镜，其为半透半反镜，2为输出端圆环形透镜，3为圆环形固体激光增益介质，该圆环形的激光增益介质包括外围的圆环柱以及位于圆环柱内圆柱体，外围的圆环柱和内部的圆柱体之间留有空隙，4表示全反射端圆环形透镜，5表示全反射镜。

输出镜1，输出端圆环形透镜2，圆环形固体激光增益介质3，全反射端圆环形透镜4，全反射镜5在光路上依次排列，在输出镜1和全反射镜5之间形成谐振腔。

输出镜1为半透半反镜，用于将谐振腔内的振荡激光输出，其为普通的激光输出镜。输出端圆环形透镜2中心处的通孔的直径要大于圆环形固体激光增益介质3的圆柱体的直径，并且还要小于圆环形固体激光增益介质3的圆环柱的内半径，并且该透镜的焦距要长，其焦距至少要大于全反射端环形透镜4的焦距，输出镜1位于输出端圆环形透镜2的焦点处(如图2所示)，圆环形固体激光增益介质的外围圆环柱和内部圆柱体之间留有的圆环形的空隙内设置有泵浦光源，泵浦光源可采用沿该圆环形空隙的圆周排列设置的灯管，也可以是由发光二极管组成的双面发光的圆筒形的发光阵列。全反射端圆环形透镜4中心处的通孔的直径要大于圆环形固体激光增益介质3的圆柱体的直径，并且还要小于圆环形固体激光增益介质3的圆环柱的内半径，并且该透镜的焦距要尽可能短，至少短于输出端圆环形透镜2的焦距，全反射镜5位于全反射端圆环形透镜的焦点处，并且，该激光器还满足以下的参数关系，假如被该激光器的激光束照射点6(例如用于加工工件的位置处，或者需要高辐射目标的所在位置处)距离输出镜的距离为S(参见附图3)，圆环形固体激光增益介质3的外围圆环柱的外直径为D，圆环形固体激光增益介质3的圆环柱内的圆柱体的直径为d，而输出端圆环形透镜2的焦距为F，则上述四个参数满足一下关系：

$S=\frac{\mathrm{Fd}}{D}---\left(1\right)$

为了能够获得更灵活的应用，可将输出端圆环形设置为可更换的，这样，就可以根据不同的长度需求来选择具有合适焦距的圆环形透镜。

同时需要考虑到的是，由于全反射端圆环形透镜4是将激光束聚焦在了全反射镜5上，对于功率稍大的激光器来说，由于聚焦位置的激光束能量特别强，很容易对全反射镜5产生伤害，为此，需要在全反射端圆环形透镜4与全反射镜5之间增加一种光学滤波片，该光学滤波器对于谐振激光的透射率小于10％，反射率大于90％，这样，透射过该光学滤波片的激光束同样会聚焦到全反射镜5作为激光谐振的种子光，同时又不会由于聚焦激光束的能量过强而对全反射镜5产生损伤。该特征作为本发明的发明点之一，属于我们首次提出并验证的用于解决在本发明的装置中有效解决种子光的获得与聚焦能量过强之间矛盾的方法和装置，很好的扩大了本发明装置的适用性。

下面来着重说明上述设置所带来的优点：

1)输出镜和全反射镜分别位于输出端圆环形透镜和全反射端圆环形透镜的焦点处，这样就可以使得增益介质的相分离的内部圆柱体内的和外部圆环柱内的激光混合在一起形成一个统一的谐振腔，即使激光束是分别在相分离的内部圆柱体内和外部圆环柱内获得增益，但是由于是在同一谐振腔内震荡，所以他们具有完全相同的特性，并且在输出的时候是完全合成在了由内部圆柱体的直径所决定的光束直径内，从而使得输出的激光束强度得到大大增强；

2)全反射端的圆环形透镜的焦距设置的小便于整个激光的集成，使得激光器体积小，而输出端的圆环形透镜的焦距设置的比较大则便于激光器的应用，因为可能会存在一些情况，也即激光器的照射点距离输出镜的距离可能不是很近，那么只要把输出端圆环形透镜的焦距设置的比较大则可以满足这些情况，由此，要求输出端圆环形透镜的焦距至少要大于全反射端圆环形透镜的焦距；

3)将泵浦装置设置在圆环形固体激光增益介质的外围圆环柱和内部圆柱体之间留有的圆环形的空隙内，并且设置为双面发光，这使得对激光增益介质的泵浦更加均匀，同时由于激光增益介质是空间上分离的两部分，从而使得每一部分厚度都得到了降低，这就使得散热效果更佳，其中的散热装置可在增益介质外部以及外围圆环柱和内部圆柱体之间留有的圆环形的空隙内同时设置，而散热装置采用现有的可用装置即可，此处不再赘述；

4)输出端圆环形透镜2以及全反射端圆环形透镜中心处通孔的直径要大于圆环形固体激光增益介质3的圆柱体的直径，并且还要小于圆环形固体激光增益介质3的圆环柱的内半径则可以在对中间的圆柱体增益介质所产生的激光束不产生任何影响的情况下实现与外围圆环柱内激光束的合束；

5)被该激光器的激光束照射点6(例如用于加工工件的位置处，或者需要高辐射目标的所在位置处)距离输出镜的距离为S(参见附图3)，圆环形固体激光增益介质3的外围圆环柱的外直径为D，圆环形固体激光增益介质3的圆环柱内的圆柱体的直径为d，而输出端圆环形透镜2的焦距为F，满足以下关系：

$S=\frac{\mathrm{Fd}}{D}---\left(1\right)$

上述关系的满足可保证以最大的激光强度来对照射点6进行照射。

为了实现较好的结构特性，例如实现较好的散热以及较高的激光输出能量，以及为了实现优化的结构及加工特性，最好使得圆环形固体激光增益介质的圆环柱的厚度(也即内外半径差)等于圆环形固体激光增益介质的圆柱体的半径。并且圆环形固体激光增益介质内的圆柱体的直径最好不要大于5cm，因为当直径大于5cm时，由于外部圆环柱以及泵浦源的作用，对于内部的圆柱体增益介质可能会产生较大的影响。

Claims (5)

1.一种固体激光器，包括：光路上依次排列设置的输出镜1，输出端圆环形透镜2，圆环形固体激光增益介质3，全反射端圆环形透镜4，全反射镜5；在输出镜1和全反射镜5之间形成谐振腔；

输出镜1为半透半反镜，用于将谐振腔内的振荡激光输出；输出端圆环形透镜2中心处的通孔的直径要大于圆环形固体激光增益介质3的圆柱体的直径，并且还要小于圆环形固体激光增益介质3的圆环柱的内半径，并且输出端圆环形透镜2的焦距至少要大于全反射端圆环形透镜4的焦距，输出镜1位于输出端圆环形透镜2的焦点处，圆环形固体激光增益介质的外围圆环柱和内部圆柱体之间留有的圆环形的空隙内设置有泵浦光源，全反射端圆环形透镜4中心处的通孔的直径要大于圆环形固体激光增益介质3的圆柱体的直径，并且还要小于圆环形固体激光增益介质3的圆环柱的内半径，并且全反射端圆环形透镜4的焦距至少短于输出端圆环形透镜2的焦距，全反射镜5位于全反射端圆环形透镜的焦点处，并且，该激光器还满足以下的参数关系，假如被该激光器的激光束照射点6距离输出镜的距离为S，圆环形固体激光增益介质3的外围圆环柱的外直径为D，圆环形固体激光增益介质3的圆环柱内的圆柱体的直径为d，而输出端圆环形透镜2的焦距为F，则上述四个参数满足以下关系：

$S=\frac{\mathrm{Fd}}{D}---\left(1\right);$

并且，在全反射端圆环形透镜4与全反射镜5之间还具有一光学滤光片。

2.根据权利要求1所述的固体激光器，所述泵浦光源采用沿该圆环形空隙的圆周排列设置的灯管，或者采用由发光二极管组成的双面发光的圆筒形的发光阵列。

3.根据权利要求1或2所述的固体激光器，所述输出端圆环形透镜为可更换的，根据不同的长度需求来选择具有合适焦距的圆环形透镜。

4.根据权利要求1或2所述的固体激光器，所述圆环形固体激光增益介质的圆环柱的厚度等于圆环形固体激光增益介质的圆柱体的半径。

5.根据权利要求1的固体激光器，所述光学滤光片对于谐振激光的透射率小于10％，反射率大于90％。

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