CN104051941A - 环形光泵浦、切换输出柱状矢量光的被动调q固体激光器 - Google Patents

Abstract

一种环形光泵浦、切换输出柱状矢量光的被动调Q固体激光器，包括输出光束呈环形分布的泵浦源，沿泵浦源输出光束方向依次为泵浦耦合系统、激光增益介质、可饱和吸收体和输出耦合镜。本发明具有结构简单、紧凑，效率高、光束质量好，工作稳定、成本低、易于调试，通过改变泵浦功率即可实现切换输出柱状矢量偏振光，在输出为角向偏振光时通过调节晶体相对光轴的倾斜角度可以将输出切换为径向偏振光，柱状偏振光之间的切换对激光器效率无影响等优点。

Description

环形光泵浦、切换输出柱状矢量光的被动调Q固体激光器

技术领域

本发明涉及被动调Q的固体激光器，特别是一种环形光泵浦、切换输出柱状矢量光的被动调Q固体激光器。

背景技术

当前激光在金属加工领域中有着大量的应用，如何提高激光加工效率成为一个广泛关注的话题。相比传统的线偏振或是圆偏振的激光，柱状矢量激光（径向偏振光、角向偏振光）在加工效率方面有显著的提高。径向偏振光是一个全局p偏振的光，研究表明在激光近垂直入射时金属对p偏振光的吸收效率最高，这就使得径向偏振光用于金属加工时可以获得加倍的效率提升。而在处理某些特殊的金属材料（如低碳钢）时，在研究中发现角向偏振光的加工效率比传统的线偏振或圆偏振激光的加工效率高四倍，这一效率提升甚至超越了径向偏振光。基于柱状矢量光在金属加工中的显著优势，为了获取最高的激光加工效率，就对短脉冲、高峰值功率、可切换输出柱状矢量光的激光器提出了迫切的需求。在众多脉冲激光产生技术中，被动调Q技术以其简单、紧凑，易于调试、成本低，特别是对激光无偏振选择性等特点，使得其成为脉冲的柱状矢量光束产生的一种重要手段。

要在激光谐振腔中获得柱状矢量光振荡，通常需要在谐振腔内部添加特制的偏振选择元件，如光子晶体光栅镜、轴锥体、双折射晶体等。采用光子晶体光栅镜是获得高效、高光束质量的柱状矢量光束输出的一种简单而有效的技术手段。然而要实现输出柱状矢量光的切换，就需要更换不同的光子晶体光栅镜，这在实际应用中带来了诸多的不便且会极大的提升系统的成本。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题和缺点，本发明提供了一种环形光泵浦、切换输出柱状矢量光的被动调Q固体激光器。利用环形光端面泵浦固体激光器结构，可以借助环形泵浦光与柱状矢量光束之间良好的空间匹配，易于获得高效、高光束质量的激光输出，同时环形泵浦光可以在增益介质内部形成一个轴对称的热梯度分布进而导致晶体内部出现轴对称的热致双折射，这就使得增益介质可以同时作为柱状矢量光的腔内偏振选择元件，极大地简化了激光器谐振腔的设计和成本。本发明采用端面泵浦固体激光器结构，整个激光器结构简单、紧凑，效率高、光束质量好，工作稳定、成本低、易于调试，通过改变泵浦功率即可实现切换输出柱状矢量光，在角向偏振光输出时通过调节激光增益介质相对光轴的倾斜角度可以将输出切换为径向偏振光。

本发明的技术方案如下：

一种环形光泵浦、切换输出柱状矢量光的被动调Q固体激光器，其特点在于包括输出光束呈环形分布的泵浦源，沿泵浦源输出光束方向依次为泵浦耦合系统、激光增益介质、可饱和吸收体和输出耦合镜，所述的泵浦源输出功率可调，且输出端面位于所述泵浦耦合系统的物方焦平面，所述的泵浦耦合系统的像方焦平面位于激光增益介质内部，所述的激光增益介质的前表面镀有泵浦波段增透膜和激光波段全反膜，所述激光增益介质的后表面镀有激光波段的增透膜，所述的激光增益介质可以进行二维的角度调节。所述的输出耦合镜与所述的激光增益介质的前表面构成激光器谐振腔。

所述的激光增益介质为稀土掺杂的各向同性的激光晶体或激光玻璃，所述的激光晶体包括掺钕、掺镱或掺铒的钇铝石榴石晶体，掺钕、掺镱或掺铒的激光玻璃。

所述的可饱和吸收体为对激光偏振无选择特性的掺杂晶体或染料，所述的掺杂晶体包括掺四价铬、三价钒的钇铝石榴石晶体，掺二价钴的铝酸镁晶体。

所述的输出耦合镜可以为平面镜或凹面镜。

所述的泵浦耦合系统为成像系统，将泵浦源输出的环形泵浦光成像在增益介质内部。

激光器实现切换输出柱状矢量光的方法如下：

1、当泵浦功率高于激光器的阈值泵浦功率，由于泵浦光为环形分布，通过控制谐振腔长度易于获得高质量的空心激光输出。由于激光增益介质吸收的泵浦光并不能完全转化为激光输出，一部分泵浦光会以热的形式沉积在增益介质内部。积聚在增益介质中的热会诱导应力双折射，从而导致谐振腔内部径向偏振光的模场直径要小于角向偏振光的模场直径，使得径向偏振光与泵浦光的空间重叠效率更高。较高的空间重叠效率使得径向偏振光相对角向偏振光有更小的阈值和更高的增益，从而使得其在模式模式竞争中处于优势地位，形成径向偏振的激光输出。

2、增加泵浦光功率，利用增益介质中的热效应使得谐振腔内角向偏振光的模场直径小于径向偏振光的模场直径，从而使得角向偏振光与泵浦光的空间重叠效率超过径向偏振光与泵浦光的空间重叠效率，实现径向偏振光向角向偏振光的切换。

3、当输出切换到角向偏振光后，在-5°～5°范围内调节增益介质相对光轴的倾斜角度使径向偏振光与泵浦光的空间重叠效率大于角向偏振光与泵浦光的空间重叠效率，这样激光器的输出就会从角向偏振光切换到径向偏振光。

本发明的技术效果：

1、本发明通过改变泵浦功率即可实现切换输出柱状矢量光。

2、当输出为角向偏振光时，在-5°～5°范围内调节增益介质相对光轴的倾斜角度，可以实现输出角向偏振光切换为径向偏振光。

3、本发明在谐振腔内不采用任何偏振选择元件的条件下，可以获得高效率、高光束质量的柱状矢量偏振激光输出。

4、本发明采用的激光谐振腔仅包含增益介质、可饱和吸收体和输出耦合镜，谐振腔结构简单、紧凑，易于调试且激光器工作稳定性高。

5、在切换输出柱状矢量光束的过程中对激光器的效率几乎无影响。

附图说明

图1为本发明激光器的实施例的总体框图

图2为本发明采用的环形泵浦光场强度分布示意图

图3（a）为激光器输出的径向偏振光的光场强度和空间偏振态分布的示意图

图3（b）为激光器输出的角向偏振光的光场强度和空间偏振态分布的示意图

图4角度可调激光晶体的结构示意图（前视图）

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明做进一步的说明。

先请参阅图1，图1为本发明激光器的较佳实施例的总体框图。由图可见，该环形光泵浦的被动调Q固体激光器，包括输出泵浦光为环形分布的泵浦源1，沿泵浦光输出方向依次为同光轴的泵浦耦合系统2，激光增益介质3，可饱和吸收体4和输出耦合镜5。所述泵浦源1的输出泵浦光功率可调，且输出端面位于所述的泵浦耦合系统2的物方焦平面处。所述的泵浦耦合系统2的像方焦平面位于所述的激光增益介质3的内部。所述泵浦源1输出的环形泵浦光的强度分布如图2所示。所述的激光增益介质3的前表面镀有激光波段全反膜和泵浦波段增透膜，所述的激光增益介质3的后表面镀有激光波段的增透膜。所述的激光增益介质置于所述的二维调整架7上，可进行二维角度调节。所述的激光增益介质3的前表面与所述的输出耦合镜5构成激光谐振腔。激光器输出的径向偏振光的强度分布和空间偏振态分布如图3（a）所示，输出的角向偏振光的强度分布和空间偏振态分布如图3（b）所示。

下面是本发明实施例的具体参数：

1.激光增益介质3为Nd:YAG晶体,晶体的前端面镀808nm增透、1064nm高反膜（作为前腔镜），后端面镀1064nm增透。激光晶体3装配在二维调整架7上，可进行二维的角度调节。

3.泵浦源1输出泵浦光的中心波长808nm，输出光功率0～7W连续可调。泵浦源输出的环形泵浦场的强度分布如图2所示。

2.可饱和吸收体4为Cr⁴⁺:YAG晶体。

4.输出耦合镜5为平面镜。

6.谐振腔长度为80mm。

下面为实施例的输出结果

1、激光器的阈值泵浦功率为3W。在泵浦功率为3～4.5W时，激光器输出径向偏振的激光脉冲，激光器的斜率效率为32%，输出光束的M²因子约为2，偏振纯度约为90%。在泵浦功率为3.8W时，输出激光脉冲的峰值功率为3.3kW，脉冲能量为130μJ，脉宽为39ns，重复频率为2.5kHz。

2、当泵浦功率大于4.5W时，激光器输出柱状矢量光由径向偏振光切换到角向偏振光。激光器的斜率效率，光束质量和偏振纯度保持不变。在4.9W的泵浦功率下获得了峰值功率为3kW的激光脉冲，脉冲能量为120μJ，脉宽为40ns，重复频率为5.7kHz。

3、在泵浦功率大于4.5W时，通过调节激光晶体相对光轴的倾斜角度可以将输出柱状矢量光由角向偏振光切换到径向偏振光。在泵浦功率为4.9W时，调节激光晶体相对光轴的倾斜角度为2.5°时，激光器输出柱状矢量光由角向偏振光切换到径向偏振光。激光器的斜率效率，光束质量和偏振纯度保持不变。输出激光脉冲的峰值功率为2.5kW，脉冲能量为100μJ，脉宽为40ns，重复频率为5.7kHz。

综上所述，本发明的激光器具有结构简单、紧凑，效率高、光束质量好、工作稳定、成本低、易于调试，通过改变泵浦功率即可实现切换输出柱状矢量偏振光，在输出为角向偏振光时通过调节晶体相对光轴的倾斜角度可以将输出光束切换为径向偏振光，在切换输出柱状矢量光时对激光器效率无影响等优点。

Claims (5)

1.一种环形光泵浦、切换输出柱状矢量光的被动调Q固体激光器，特征在于其构成包括输出光束呈环形分布的泵浦源，沿泵浦源输出光束方向依次为泵浦耦合系统、激光增益介质、可饱和吸收体和输出耦合镜，所述的泵浦源输出功率可调，且输出端面位于所述泵浦耦合系统的物方焦平面，所述的泵浦耦合系统的像方焦平面位于激光增益介质内部，所述的激光增益介质的前表面镀有泵浦波段增透膜和激光波段全反膜，所述激光增益介质的后表面镀有激光波段的增透膜，所述的激光增益介质具有二维的角度调节机构，所述的输出耦合镜与所述的激光增益介质的前表面构成激光器谐振腔。

2.根据权利要求1所述的被动调Q固体激光器，其特征在于所述的激光增益介质为稀土掺杂的各向同性的激光晶体或激光玻璃。

3.根据权利要求1所述的被动调Q固体激光器，其特征在于所述的可饱和吸收体为对激光偏振无选择特性的掺杂晶体或染料，所述的掺杂晶体包括掺四价铬、三价钒的钇铝石榴石晶体，掺二价钴的铝酸镁晶体。

4.根据权利要求1所述的被动调Q固体激光器，其特征在于所述的输出耦合镜为平面镜或凹面镜。

5.根据权利要求1所述的被动调Q固体激光器，其特征在于所述的泵浦耦合系统为成像系统。