CN103259176B - 高功率全固态皮秒激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率全固态皮秒激光器，包括半导体激光泵浦源、激光晶体和谐振腔，激光晶体设置在谐振腔内，谐振腔包括激光输出镜、热补偿负透镜、第一平凹反射镜、第二平凹反射镜和锁模装置；半导体激光泵浦源发出的泵浦光经光束整形装置准直聚焦后进入谐振腔；热补偿负透镜的凸面曲率半径与激光晶体的等效热透镜焦距的两倍相当且置于尽量靠近激光晶体的位置，热补偿负透镜的法线方向与泵浦光具有小夹角，激光输出镜设置在热补偿负透镜的反射光路上。本发明采用热补偿负透镜对激光晶体的热透镜效应进行补偿，提高了全固态皮秒激光器的输出功率和光束质量，也提高了全固态皮秒激光器的热稳定性，实现了高功率全固态皮秒激光器的稳定运行。

Description

高功率全固态皮秒激光器

技术领域

本发明涉及固态皮秒激光器，具体涉及高功率全固态皮秒激光器。

背景技术

随着超快激光技术的迅速发展，各种高能量的皮秒脉冲激光在工业加工、激光医疗、军事以及科学研究等领域的应用需求不断增加。例如：全固态皮秒激光器（脉冲宽度在10皮秒左右，重复频率在80M左右），很好的符合了激光加工对激光器的性能需求，广泛应用于高精细加工、准连续紫外电路板加工、激光材料处理、激光熔接、清洗、打标、晶片检测，以及精细三维印刷技术等方面。

由此可见，在体积小巧、结构紧凑、性能稳定、全固体化的器件上实现高功率、高光束质量、高效率、高稳定性和长寿命的激光器是激光领域今后发展的方向。

中国发明专利CN101562310公开了一种“被动锁模皮秒激光器”（申请号为200910083431.8），该技术方案采用了等效共焦腔的稳腔设计，增大了光程，降低重频，大大缩短了腔长，从而减小了激光器的体积并提高了稳定性。

然而，由于激光晶体的热透镜效应所限，即使提高输入端半导体激光泵浦源的功率，激光输出镜端的输出功率也不会随之明显提高。因此，现有的全固态皮秒激光器的输出功率大多小于10W，加之重复频率却在80MHZ左右，这就造成了全固态皮秒激光器的单脉冲能量较低，需要进行多级放大才能达到激光加工的应用要求，从而使得激光器的成本极大提高，应用范围非常有限。虽然可以采用光纤放大器对皮秒激光进行放大，但是由于皮秒激光器的峰值功率极高，而光纤的损伤阈值较低，所以难以实现高功率高光束质量的全固态皮秒激光输出。

综上所述，现有的全固态皮秒激光器无法提供高功率、高光束质量的输出激光。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决由于激光晶体的热透镜效应所限，难以实现高功率高光束质量的全固态皮秒激光输出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种高功率全固态皮秒激光器，包括半导体激光泵浦源、激光晶体和谐振腔，所述激光晶体设置在所述谐振腔内；所述谐振腔包括激光输出镜、热补偿负透镜、第一平凹反射镜、第二平凹反射镜和锁模装置；所述半导体激光泵浦源发出的泵浦光经光束整形装置准直聚焦后进入所述谐振腔，所述热补偿负透镜的射入面为平面，射出面为凸向所述激光晶体的凸面，所述凸面镀信号光高反射膜且曲率半径等于所述激光晶体的等效热透镜焦距的两倍，所述热补偿负透镜设置在光束整形装置和所述激光晶体之间，紧邻所述激光晶体且法线方向与泵浦光具有夹角，所述激光输出镜设置在所述热补偿负透镜的反射光路上且射入面镀信号光部分反射膜，在所述谐振腔内，信号光的震荡一次的路线为：激光晶体、第一平凹反射镜、第二平凹反射镜、锁模装置、第二平凹反射镜、第一平凹反射镜、激光晶体、热补偿负透镜、激光输出镜、热补偿负透镜、激光晶体。

在上述方案中，所述热补偿负透镜的射入面镀泵浦光增透膜。

在上述方案中，所述激光晶体的射入面镀泵浦光增透膜，射出面镀信号光增透膜。

在上述方案中，所述第一平凹反射镜和第二平凹反射镜的反射面镀信号光高反射膜。

在上述方案中，所述锁模装置为半导体可饱和吸收镜。

在上述方案中，所述第一平凹反射镜的凹面曲率半径为1000mm到1500mm，所述第二平凹反射镜的凹面曲率半径在200mm到1000mm，所述第一平凹反射镜和第二平凹反射镜的法线方向与信号光光路方向的夹角均为5度。

在上述方案中，所述激光输出镜放置在所述热补偿负透镜的反射光路上，且所述激光输出镜的反射面与入射光垂直。

在上述方案中，所述半导体可饱和吸收镜设置在所述第二平凹反射镜的反射光路上，并使得入射光从原路反射回去。

在上述方案中，所述激光输出镜对信号光的反射率为70%。

本发明，在激光晶体的射入端设置了热补偿负透镜且热补偿负透镜紧邻激光晶体放置，激光晶体等效热透镜的焦距的两倍与热补偿负透镜的凸面曲率半径相匹配，从而利用热补偿负透镜对激光晶体的热透镜效应进行补偿，加大了激光晶体中基模光斑半径，增加了激光晶体中基模体积，大大提高了全固态皮秒激光器的输出功率和光束质量，也提高了全固态皮秒激光器的热稳定性，实现了高功率全固态皮秒激光器的稳定运行。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出详细的说明。

如图1所示，本发明提供的高功率全固态皮秒激光器，包括半导体激光泵浦源3、激光晶体6和谐振腔。

半导体激光泵浦源3为880nm半导体激光器，由半导体激光泵浦源3发出的泵浦光首先经光束整形装置4准直聚焦，然后从端面入射到激光晶体6内，光束整形装置4由两片以上（包含两片）凸透镜组成。

激光晶体6选用的是Nd：YVO4或Nd:GdVO4晶体，两端通光面分别镀泵浦光和信号光增透膜，作为高功率全固态皮秒激光器的工作物质，激光晶体6设置在谐振腔内。

热补偿负透镜5所用镜片为平凸镜，其中，热补偿负透镜5的射入面为平面且法线方向与泵浦光具有小夹角，热补偿负透镜5的射出面为凸面，根据光学定义凸面的曲率半径为负，所以称为负透镜。

假如半导体激光泵浦3发出光（平行光）直接入射到激光晶体6上，激光晶体6会发热，等效为一个凸透镜，若此时平行光经过激光晶体6，平行光会变成会聚光，现采用热补偿负透镜5补偿激光晶体6的热透镜效应，半导体激光泵浦3发出光入射到热补偿负透镜5的射入面平面上，透过凹面后射出，此时，热补偿负透镜5作为凹透镜，凹透镜和凸透镜（激光晶体6）构成了一个扩束镜，平行光经过扩束镜之后光斑会变大，从而抵消激光晶体6受热变成凸透镜这个现象。

谐振腔由激光输出镜8、热补偿负透镜5、第一平凹反射镜7、第二平凹反射镜1和锁模装置组成。热补偿负透镜5的射入面镀泵浦光增透膜，热补偿负透镜5的射出面镀信号光高反射膜。第一平凹反射镜7和第二平凹反射镜1的凹面反射面镀信号光高反射膜。锁模装置采用的是半导体可饱和吸收镜2，作为高功率高全固态皮秒激光器的被动锁模元件。半导体可饱和吸收镜2的反射面对信号光的高反射率随时间发生变化，因此信号光形成皮秒脉冲输出，而激光晶体6两端通光面镀了信号光增透膜，降低了全固态皮秒激光器的腔内损耗。

激光输出镜8镀信号光部分反射镜，对信号光部分反射，其反射率可根据具体输出情况进行调整，本实施例中，激光输出镜8对信号光的反射率为70%。

热补偿负透镜5放置在光束整形装置4和激光晶体6之间，用于补偿激光晶体6的热透镜效应。第一平凹反射镜7放置在激光晶体6的轴向光路上，为了增加全固态皮秒激光器的光学谐振腔长度，第一平凹反射镜7凹面的曲率半径选取在1000mm到1500mm之间，第一平凹反射镜7的法线方向与信号光光路方向的夹角尽可能小（本实施例中，夹角选取为5°），以便减小第一平凹反射镜7子午面与弧矢面的象散。为了控制半导体可饱和镜2上激光光斑大小和增加全固态皮秒激光器的光学谐振腔长度，在第一平凹反射镜7的反射光路上放置了第二平凹反射镜1，第二平凹反射镜1凹面的曲率半径在200mm到1000mm之间，同理，第二平凹反射镜1的法线方向与信号光光路方向的夹角也应尽可能小（本例夹角选取为5°），以便减小第二平凹反射镜1子午面与弧矢面的象散。半导体可饱和吸收镜2放置在第二平凹反射镜1的反射光路上，并使得入射光从原路反射回去。激光输出镜8放置在热补偿负透镜5的反射光路上，由于输出镜8对信号光有部分透过率，因此信号光从激光输出镜8输出。

众所周知，谐振腔的作用是为高功率全固态皮秒激光器提供正反馈，激光晶体中激光光斑半径大小和半导体可饱和吸收镜上激光光斑半径大小与调Q锁模输出功率密切相关，因此，为了保证高功率全固态皮秒激光器正常工作，谐振腔内的相邻器件之间的距离必须满足激光震荡条件，通过调节谐振腔内反射器件的距离以实现全固态皮秒激光器的稳定运行。在连续锁模情况下，皮秒激光的重复频率跟光学谐振腔长度有关（光学谐振腔长度越长重复频率越低），为了降低重复频率，本实施例中光学谐振腔长度选取为3米，相应的重复频率为50MHZ。

本发明提供的高功率全固态皮秒激光器的工作过程如下：

由半导体激光泵浦源3发出的泵浦光经过光束整形装置4准直聚焦后，穿过热补偿负透镜5从端面入射到激光晶体6中，激光晶体6吸收了泵浦光并激发出信号光，信号光在谐振腔内震荡形成稳定激光，并由激光输出镜8稳定输出。本实施例中，以激光晶体6为起点，皮秒激光震荡一个脉冲，即一周的路线为：激光晶体6→第一平凹反射镜7→第二平凹反射镜1→半导体可饱和吸收镜2→第二平凹反射镜2→第一平凹反射镜1→激光晶体6→热补偿负透镜5→激光输出镜8→热补偿负透镜5，最后回到激光晶体6。

本发明，采用了热补偿负透镜对激光晶体的热透镜效应进行补偿，提高了全固态皮秒激光器的输出功率和光束质量，也提高了全固态皮秒激光器的热稳定性，实现了高功率全固态皮秒激光器的稳定运行。另外，光学谐振腔内设有双平凹反射镜，使得激光晶体和半导体可饱和吸收镜上激光光斑半径大小的调节成为可能，并增加了光学谐振腔长度，大大降低了全固态皮秒激光器的重复频率。最后，通过提高全固态皮秒激光器的输出功率和降低全固态皮秒激光器的重复频率，大大提高的全固态皮秒激光器的单脉冲能量。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.高功率全固态皮秒激光器，包括半导体激光泵浦源、激光晶体和谐振腔，所述激光晶体设置在所述谐振腔内，其特征在于，所述谐振腔包括激光输出镜、热补偿负透镜、第一平凹反射镜、第二平凹反射镜和锁模装置，所述半导体激光泵浦源发出的泵浦光经光束整形装置准直聚焦后进入所述谐振腔，所述热补偿负透镜的射入面为平面，射出面为凸向所述激光晶体的凸面，所述凸面镀信号光高反射膜且曲率半径等于所述激光晶体的等效热透镜焦距的两倍，所述热补偿负透镜设置在光束整形装置和所述激光晶体之间，紧邻所述激光晶体且法线方向与泵浦光具有夹角，所述激光输出镜设置在所述热补偿负透镜的反射光路上且射入面镀信号光部分反射膜，所述激光输出镜的反射面与入射光垂直，在所述谐振腔内，信号光震荡一次的路线为：激光晶体、第一平凹反射镜、第二平凹反射镜、锁模装置、第二平凹反射镜、第一平凹反射镜、激光晶体、热补偿负透镜、激光输出镜、热补偿负透镜、激光晶体；所述热补偿负透镜的射入面镀泵浦光增透膜，所述谐振腔的长度为3米，相应的重复频率为50MZ，所述第一平凹反射镜的凹面曲率半径为1000mm到1500mm，所述第二平凹反射镜的凹面曲率半径在200mm到1000mm，所述第一平凹反射镜和第二平凹反射镜的法线方向与信号光光路方向的夹角均为5度。

2.如权利要求1所述的高功率全固态皮秒激光器，其特征在于，所述激光晶体的射入面镀泵浦光增透膜，射出面镀信号光增透膜。

3.如权利要求1所述的高功率全固态皮秒激光器，其特征在于，所述第一平凹反射镜和第二平凹反射镜的反射面镀信号光高反射膜。

4.如权利要求1所述的高功率全固态皮秒激光器，其特征在于，所述锁模装置为半导体可饱和吸收镜。

5.如权利要求4所述的高功率全固态皮秒激光器，其特征在于，所述半导体可饱和吸收镜设置在所述第二平凹反射镜的反射光路上，并使得入射光从原路反射回去。

6.如权利要求1所述的高功率全固态皮秒激光器，其特征在于，所述激光输出镜对信号光的反射率为70％。