CN103208730B - 具有环形泵浦结构的固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有环形泵浦结构的固体激光器，包括泵浦光输入装置、激光腔和泵浦光回收装置，泵浦光输入装置用于产生泵浦光并入射到所述激光腔内，激光腔用于对激光振荡输出，泵浦光回收装置用于将从所述激光腔泄露的泵浦光回收后重新输入到激光腔中。泵浦光回收装置可由多个反射镜构成，例如四个，四片反射镜构成的环形结构可将系统残余的泵浦光重新导入到激光腔中。本发明安全性高，对泵源的偏振性无要求，且能够完全充分利用泵浦光，并且不会造成泵浦光反射回泵浦源将其损坏。

Description

具有环形泵浦结构的固体激光器

技术领域

本发明与固体激光器有关，特别是一种具有环形泵浦结构的固体激光器。

背景技术

激光二极管泵浦的固体激光器具有全固态、小型化、效率高、使用方便等优点，受到人们的广泛关注，其在激光加工、激光标记、科学研究等方面有着多种应用。由于端面泵浦具有高效率和结构紧凑等优点，因此端面泵浦是最常见的泵浦方式之一。根据泵浦光注入方向与激光输出方向的不同，端面泵浦又分为正向泵浦和反向泵浦两种。

在端面激光泵浦的情况下，为了吸收足够的泵浦功率，激光增益介质的长度不能太短。但是，泵浦光在增益介质中是呈指数衰减的，若增益介质长度太长，将会出现增益小于损耗的情况。于是，当增益介质长度太短时，则对泵浦能量吸收不充分，而当增益介质长度太长时，不仅所能吸收的泵浦功率不再明显增加，而且增益介质对振荡激光的残余吸收加大，使腔内损耗增加，从而导致输出功率下降和泵浦阈值上升。可见，不管增益介质长度取值如何，注入的泵浦光都不会被完全吸收干净，总是存在剩余的泵浦光。

在高功率固体激光器中，未被吸收的剩余泵浦光功率是非常可观的，这不仅造成了能量的浪费，且存在安全隐患。

图1和图2显示了现有的端面泵浦结构的固体激光器的光路图，其中图1为正向泵浦结构，图2为反向泵浦结构，箭头代表激光输出方向。图中所示各元件分别为：二极管泵浦源1、准直镜2、双色镜3和4、聚焦镜5、激光增益介质7、激光腔镜6和8，其中激光腔镜6镀激光全反膜，激光腔镜8镀激光部分反射膜，双色镜3和4镀泵浦光高反、激光高透膜。现有的端面泵浦结构的固体激光器中，泵浦光单程通过系统后，未被吸收的剩余泵浦光由系统后端输出。由于激光增益介质不可能将入射的泵浦光吸收完全，所以系统后端存在剩余泵浦光，且其将随着入射泵浦功率的提高而提高，在高功率情况下，这部分泄露的泵浦功率值是相当可观的。这一方面增加了系统能耗，另一方面存在安全隐患，需采取适当措施妥善处理这部分能量。

虽然可以在系统最后端的激光腔镜镀泵浦光高反膜从而使残余泵浦光再次通过增益介质，但是，若泵浦光再次通过增益介质且未被吸收干净时，不仅造成能耗，且这部分泵浦光将返回到泵浦源有可能将其损坏。

申请号为201110162781.0的中国专利申请中提到一种利用半波片的端面泵浦激光器，但是它仅适用于泵浦激光器输出为线偏振光的情况。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是提出一种能够对激光腔泄露的泵浦光重新回收的固体激光器，以减小因泵浦光的泄露对激光器造成的损耗和效率降低。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种具有环形泵浦结构的固体激光器，包括泵浦光输入装置、激光腔，其中，所述泵浦光输入装置用于产生泵浦光并入射到所述激光腔内，所述激光腔用于对激光振荡输出，所述固体激光器还包括有泵浦光回收装置，该泵浦光回收装置用于将从所述激光腔泄露的泵浦光回收后重新输入到激光腔中。

根据本发明的一种实施方式，所述泵浦光回收装置包括多个反射镜，所述泄露的泵浦光经由该多个反射镜反射后重新入射到激光腔中。

根据本发明的一种实施方式，所述激光腔包括前腔镜、增益介质和后腔镜，从其中一个腔镜泄露的泵浦光通过另一个腔镜重新输入到所述激光腔。

根据本发明的一种实施方式，所述固体激光器采用正向泵浦方式，泵浦光从所述前腔镜入射，激光从所述后腔镜输出。

根据本发明的一种实施方式，所述泵浦光输入装置包括泵浦聚焦镜，所述由泵浦光输入装置产生的泵浦光和由所述激光腔泄露的泵浦光均透过该泵浦聚焦镜的聚焦后输入到激光腔中。

根据本发明的一种实施方式，所述多个反射镜中的一个第一反射镜接收由所述激光腔的后腔镜输出的激光和泄露的泵浦光，对激光进行透射，对泄露的泵浦光进行反射。

根据本发明的一种实施方式，所述固体激光器采用反向泵浦方式，泵浦光从所述后腔镜入射，同时激光也从后腔镜输出。

根据本发明的一种实施方式，所述泵浦光输入装置包括泵浦聚焦镜，所述由泵浦光输入装置产生的泵浦光和由所述激光腔泄露的泵浦光均透过该泵浦聚焦镜的聚焦后输入到激光腔中，并且，从所述后腔镜输出的激光也经由该泵浦聚焦镜输出。

根据本发明的一种实施方式，所述泵浦光回收装置还包括泵浦光输出准直镜，其对于从所述前腔镜泄露的泵浦光进行准直后输出到所述多个反射镜。

根据本发明的一种实施方式，所述泵浦光输入装置还包括两个双色镜，由泵浦光输入装置产生的泵浦光经由该两个双色镜反射后入射到所述激光腔的后腔镜，由所述激光腔的后腔镜输出的激光也透射过其中一个双色镜后出射。

(三)有益效果

本发明的固体激光器具有环形泵浦结构，其安全性高，对泵源的偏振性无要求，且能够完全充分利用泵浦光，不会造成泵浦光反射回泵浦源将其损坏。

附图说明

图1是现有的正向端面泵浦的固体激光器的光路图；

图2是现有的反向端面泵浦的固体激光器的光路图；

图3是本发明的具有环形泵浦结构的固体激光器的第一实施例的光路图；

图4是本发明的具有环形泵浦结构的固体激光器的第二实施例的光路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图3显示了本发明的具有环形泵浦结构的固体激光器第一实施例的光路图。该实施例的固体激光器具有环形正向泵浦结构，如图3所示，该固体激光器包括泵浦源1、泵浦准直镜2、泵浦聚焦镜5、激光腔、输出准直镜9。此外，该实施例的固体激光器还包括有第一至第四反射镜10、11、12和13。

在该实施例中，泵浦源1、泵浦准直镜2和泵浦聚焦镜5构成泵浦光输入装置，泵浦光输入装置用于产生泵浦光并入射到激光腔内。其中，泵浦源1通常可为激光二极管泵浦源，用于发射泵浦光。泵浦准直镜2用于对泵浦光进行准直后传输到泵浦聚焦镜5，泵浦聚焦镜5用于将准直后的泵浦光会聚到激光腔内。需要说明的是，第一实施例中的泵浦光输入装置只是一种示例性的实施方式，本领域技术人员也可以采用其他泵浦源或光学元件，或者以其他的光路结构来构成泵浦光输入装置。

激光腔包括前腔镜6、增益介质7和后腔镜8。激光腔的前腔镜用于透射从外部入射到激光腔的泵浦光，并反射激光腔内产生的激光。增益介质7用于将入射进来的泵浦光转化为激射激光。后腔镜8用于部分反射激光，并作为激光腔向外出射激光的通道。在该实施例中，前腔镜6能够对激光进行全反射，可镀有激光全反膜。后腔镜8能够对激光进行部分反射，可镀有激光反射率为95％的部分反射膜。增益介质7例如是激光晶体Nd:YAG，但也可以是其他固体激光晶体或稀土掺杂光纤，包括：Nd:YVO₄、Nd:YLF、Yb:YAG、Tm:YAG、Er:YAG、掺Yb光纤、掺Er光纤、掺Tm光纤等。

通常，在固体激光器的输出端还包括一个或多个激光输出元件，用于将激光腔出射的激光进行准直等处理后向外部输出。在该实施例中，该激光输出元件为输出准直镜9，用于对输出的激光进行准直。

如前所述，由于种种原因，从激光腔的后腔镜仍有少量泄露的泵浦光输出，为了回收这部分泵浦光，本发明与现有的固体激光器不同的是，还包括有泵浦光回收装置，用于对从激光腔泄露的泵浦光反射回激光腔中。在该实施例中，泵浦光回收装置包括四个反射镜，其中第一反射镜10位于激光输出元件的后端，该第一反射镜10用于对泵浦光进行反射，对激光进行透射，第二、第三、第四反射镜11、12、13用于对第一反射镜10反射的泵浦光再次反射，使之经由泵浦聚焦镜5从前腔镜6重新入射回激光腔中。作为一种实施方式，如图3所示，第一反射镜10是45°反射镜，并镀有对激光高透、对泵浦光高反射的膜，第二、第三、第四反射镜11、12和13均为45°反射镜，且镀有对泵浦光高反射的膜。

需要说明的是，上述实施例的各反射镜的设置只是本发明的一种优选方式，反射镜的数目、角度、位置可以根据实际应用进行调整，只要保证泄露的泵浦光能够顺利入射回激光腔。

如图3所示，细实线及箭头代表泵浦源1产生泵浦光的传输过程，激光经前腔镜6和后腔镜8的振荡后正向输出，第一反射镜10将未被吸收的残余泵浦光和输出激光分开。其中激光透射输出，如图中粗实线及箭头所示；残余泵浦光的传输过程如图中虚线及虚箭头所示。如此就构成了本发明的环形泵浦结构，泵浦光将被充分利用直至吸收完全，且不会造成泵浦光反射回泵浦源将其损坏。

图4显示了本发明的具有环形泵浦结构的固体激光器第二实施例的光路图。该实施例的固体激光器具有环形反向泵浦结构，如图4所示，该固体激光器包括泵浦源1、泵浦准直镜2、第一双色镜3、第二双色镜4、泵浦聚焦镜5、激光腔和泵浦光输出准直镜15。同样，该实施例的固体激光器还包括有第一至第四反射镜10、11、12和13。

在该实施例中，泵浦源1、泵浦准直镜2、两个双色镜3、4和泵浦聚焦镜5构成泵浦光输入装置，泵浦光输入装置用于产生泵浦光并入射到激光腔内。其中，泵浦源1通常可为激光二极管泵浦源，用于发射泵浦光。泵浦准直镜2用于对泵浦光进行准直后传输到两个双色镜3、4，两个双色镜3、4用于将泵浦光反射到泵浦聚焦镜5。泵浦聚焦镜5用于将准直后的泵浦光会聚到激光腔内。与第一实施例不同的是，第二实施例中设置了两个双色镜，其主要是用于将泵浦光和激射激光分开，并防止激射激光返回泵浦源将其打坏。同样需要说明的是，第二实施例中的泵浦光输入装置也只是一种示例性的实施方式，本领域技术人员也可以采用其他泵浦源或光学元件，或者以其他的光路结构来构成泵浦光输入装置。

与第一实施例类似，激光腔也包括前腔镜6、增益介质7和后腔镜8。所不同的是，该实施例中，泵浦光是经由后腔镜8入射到激光腔中的，即激光腔的后腔镜8既用于透射从外部入射到激光腔的泵浦光，同时也用于部分反射激光，并作为激光腔向外出射激光的通道。激光腔的前腔镜则用于全反射激光腔内产生的激光。增益介质7用于将入射进来的泵浦光转化为激射激光。在该实施例中，前腔镜6能够对激光进行全反射，可镀有激光全反膜。后腔镜8能够对激光进行部分反射，可镀有激光反射率为95％的部分反射膜。增益介质7例如是激光晶体Nd:YAG，但也可以是其他固体激光晶体或稀土掺杂光纤，包括：Nd:YVO₄、Nd:YLF、Yb:YAG、Tm:YAG、Er:YAG、掺Yb光纤、掺Er光纤、掺Tm光纤等。

在该实施例中，由于采用了反向泵浦方式，因此，泵浦聚焦镜5兼起到激光输出元件的作用，用于对输出的激光进行准直。并且，该实施例中，第二双色镜4也作为激光输出元件，用于透射经准直的出射激光。

与第一实施例类似，该实施例中，由于种种原因，前腔镜6总会泄露一部分泵浦光，因此该实施例中也包括有泵浦光回收装置。在该实施例中。泵浦光回收装置包括四个反射镜和一个泵浦光输出准直镜15。在第一实施例中，激光输出准直镜9可兼作泵浦光输出准直镜，但是，由于该第二实施例采用反向泵浦，因此，需要为泄露的泵浦光单设一个准直镜，然后再经由四个反射镜进行反射后重新输入到激光腔中。所反射回收的泵浦光经由泵浦聚焦镜5和后腔镜8入射回激光腔中。

与第一实施例类似，作为一种实施方式，如图4所示，第一、第二、第三、第四反射镜10、11、12和13均为45°反射镜，且镀有对泵浦光高反射的膜。同样，该实施例的各反射镜的设置也只是本发明的一种优选方式，反射镜的数目、角度、位置可以根据实际应用进行调整，只要保证泄露的泵浦光能够顺利入射回激光腔。

如图4所示，细实线及箭头代表泵浦源1产生泵浦光的传输过程。激光经前腔镜6和后腔镜8振荡后反向输出，与残余泵浦光输出方向相反，无需经过分光即可相互分开，激光输出如图中粗实线及箭头所示。四个反射镜10、11、12和13将未被吸收的残余泵浦光反射后，再次注入到激光腔内被晶体吸收继续利用，其传输过程如图中虚线及虚箭头所示。如此，构成环形反向泵浦结构，泵浦光将被充分利用直至吸收完全，且不会造成泵浦光反射回泵浦源将其损坏。

综上所述，本发明提出了一种具有环形泵浦结构的固体激光器，根据泵浦光注入方向与激光输出方向的不同，可分为前向泵浦和后向泵浦两类。其中，固体激光器的环形正向泵浦结构，特点在于其构成包括泵浦光输入装置、激光腔、激光输出元件以及四片反射镜。若残余泵浦光输出方向与激光输出方向相同，其中一片反射镜需镀对泵浦光高反、激光高透的膜；若残余泵浦光输出方向与激光输出方向相反，四片反射镜只需对泵浦光镀高反膜。

四片反射镜构成的环形结构可将系统残余的泵浦光重新导入到增益介质中形成激光振荡，从而使残余的泵浦光可多次通过增益介质，直至被充分吸收。其中，各反射镜可根据要求镀各类膜系。

另外，泵浦聚焦镜尺寸要足够大(大于泵浦源直接输出的泵浦光经准直后的截面尺寸与环形结构残余泵浦光经准直后的截面尺寸之和)，从而不对泵浦源直接输出的泵浦光产生阻挡。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有环形泵浦结构的固体激光器，包括泵浦光输入装置、激光腔，其中，所述泵浦光输入装置用于产生泵浦光，所述激光腔用于对泵浦光进行增益放大后输出激光，其特征在于：

所述固体激光器还包括有泵浦光回收装置，该泵浦光回收装置包括多个反射镜和一个泵浦光输出准直镜；

所述泵浦光输入装置包括泵浦聚焦镜；

所述激光腔包括前腔镜、增益介质和后腔镜，所述前腔镜会泄露泵浦光；

所述泵浦光输出准直镜用于对由所述前腔镜泄露的泵浦光进行准直后输出到所述多个反射镜；

由所述泵浦光输入装置产生的泵浦光和由所述前腔镜泄露的泵浦光均经由所述泵浦聚焦镜从所述后腔镜入射到所述激光腔，由所述激光腔增益放大后输出的激光也从所述后腔镜输出。

2.如权利要求1所述的具有环形泵浦结构的固体激光器，其特征在于：从所述后腔镜输出的激光也经由该泵浦聚焦镜输出。

3.如权利要求1所述的具有环形泵浦结构的固体激光器，其特征在于：所述泵浦光输入装置还包括两个双色镜，由泵浦光输入装置产生的泵浦光经由该两个双色镜反射后入射到所述激光腔的后腔镜，由所述激光腔的后腔镜输出的激光也透射过其中一个双色镜后出射。