CN104104002A - 一种抗失调型固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗失调型固体激光器，所述固体激光器包括抗失调谐振腔、泵浦模块、偏振控制模块，所述抗失调谐振腔包括：角锥棱镜、光楔对、全反镜、输出镜，所述泵浦模块包括：Nd:YAG晶体、泵浦光源，所述偏振控制模块包括用于对所述固体激光器中的光束退偏进行补偿的1/4λ波片。为了解决激光器在恶劣环境下易失调的问题，本发明在谐振腔内使用了角锥棱镜作为光路折转器件，组成角锥棱镜折叠腔，使谐振腔在结构易变形处发生形变后也能保证其全反镜和输出镜的光学平行性，从而提高激光器的抗失调能力。为了减小角锥棱镜引起的退偏振损耗，谐振腔内使用了常用的1/4λ波片对谐振光进行了相位补偿，达到了极佳的补偿效果。

Description

一种抗失调型固体激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种抗失调型固体激光器。

背景技术

激光器谐振腔易失调一直是影响固体激光器稳定性的重要问题。谐振腔的易失调特性严重降低了激光器的稳定性，增加了激光器的调试和维护难度，限制了激光器在恶劣环境中的应用。一直以来，人们探索各种各样的方法，尤其着重强调通过机械结构强化和腔型设计，使谐振腔的稳定性得到了一定提高。但通过机械结构强化使谐振腔更加稳定的方法无法从根本上解决谐振腔易失调问题，而且会明显增加激光器的体积和重量，将严重限制激光器的应用领域。相比机械结构强化，使用各种新型的抗失调腔型设计可更有效的解决谐振腔易失调问题。

目前，用于Nd:YAG固体激光器的抗失调谐振腔设计主要有：交叉玻罗棱镜谐振腔、角锥棱镜谐振腔、正/负分支非稳腔等。美国的Thomas G.Crow曾经耗费了大量的心血发明了交叉玻罗棱镜谐振腔，这种技术在当时的激光学界堪称一流，因此在全世界范围内得到了普遍应用。美国专利“Laser apparatus employing mechanical stabilization means”(专利号US3924201)提出了玻罗棱镜腔激光器的设计方法。交叉玻罗棱镜腔激光器使用两块正交放置的玻罗棱镜作为谐振腔，玻罗棱镜的轻微倾斜不会影响谐振腔的稳定性，腔镜装调时只需将两玻罗棱镜正交放置即可。玻罗棱镜谐振腔在很大程度上增加了激光器的稳定性并且降低了激光器的维护难度。但玻罗棱镜腔激光器仍存在一些难以克服的缺点，比如：体积较大，难以实现小型化；谐振腔损耗大，激光器效率较低；近场光斑分裂为四瓣，光束质量不佳。

角锥棱镜谐振腔是一种将角锥棱镜作为全反镜的谐振腔，专利“免调试固体激光装置”(专利号CN98113402)介绍了一种角锥棱镜腔激光器设计。该谐振腔利用了角锥棱镜使入射光原路返回的特性极大地提高了激光器稳定性，但该谐振腔退偏振严重，难以实现高效率电光调Q，且谐振腔损耗大，效率较低，同时，光斑分裂现象也较为严重。

正/负分支非稳腔是一种需要精密设计的谐振腔结构，文献“正分支共焦非稳腔的脉冲固体激光器研究”(激光技术，第37卷，第4期，2013年7月)和“负分支非稳定谐振腔Nd:YAG激光器”(激光与红外，1979年10期)描述了正/负分支非稳腔激光器的特性。正/负分支非稳腔激光器有一定抗失调能力，但正/负分支非稳腔腔镜曲率和位置需要精确设计，难以实现小型化，激光器中的多个器件装调难度较大，对器件的加工精度和质量的要求较高，因此目前正/负分支非稳腔激光器还存在着很大的工程化难度，难以得到广泛应用。

这些具有高稳定性谐振腔的设计都能有效地提高激光器的稳定性，但同时会带来体积明显增大、腔内损耗高、成本和工程化难度增加等缺陷，难以完全满足各种应用对固体激光器的稳定性、性能和体积日趋严苛的要求。

发明内容

为了解决目前各种抗失调激光器存在的腔内损耗高、电光调Q效率低、体积大等问题，本发明提出了一种新型的具有高抗失调能力的高效率固体激光器设计，其兼具体积小、抗失调能力强、腔内损耗小等特性。

具体而言，本发明提供一种抗失调型固体激光器，其特征在于，所述固体激光器包括抗失调谐振腔、泵浦模块、偏振控制模块，所述抗失调谐振腔包括：角锥棱镜、光楔对、全反镜、输出镜，所述泵浦模块包括：Nd:YAG晶体、泵浦光源，所述偏振控制模块包括用于对所述固体激光器中的光束退偏进行补偿的1/4λ波片。

在一种实现方式中，所述固体激光器还包括所述电光调Q模块，所述电光调Q模块包括：1/4λ波片和Pockel盒，所述电光调Q模块采用升压调Q方式；

所述偏振控制模块还包括：起偏器。

在另一种实现方式中，所述偏振控制模块中的1/4λ波片、所述起偏器、所述光楔对、所述Pockel盒、所述电光调Q模块中的1/4λ波片和所述全反镜依次共轴设置；所述输出镜、所述Nd：YAG晶体彼此共轴设置，所述角锥棱镜的两个反射端面分别对向所述第二个1/4λ波片的光轴和所述Nd：YAG晶体的光轴。

在另一种实现方式中，所述激光采用zig-zag板条晶体；

所述固体激光器还包括所述电光调Q模块，所述电光调Q模块包括：1/4λ波片和Pockel盒，所述电光调Q模块采用升压调Q方式。

在另一种实现方式中，所述固体激光器还包括激光器外壳，所述输出镜和所述全反镜位于所述激光器外壳的一端，并且二者的法线方向彼此平行，所述角锥棱镜位于所述激光器外壳的另一端，与所述输出镜和所述全反镜形成折叠腔。

在另一种实现方式中，所述输出镜和所述全反镜嵌入在所述激光器外壳的一端内。

在另一种实现方式中，所述固体激光器还包括TEC控温器，所述TEC控温器在所述泵浦光源与激光器外壳之间，对所述泵浦光源进行控温。

在另一种实现方式中，所述泵浦光源位于所述Nd:YAG晶体侧部，对所述Nd:YAG晶体进行侧面泵浦。

进一步地，所述1/4λ波片(2)与所述抗失调型固体激光器的激光偏振方向成预定夹角，优选为12度。

本发明的所述激光器输出偏振光，这可以通过起偏器或谐振腔本身的腔体设计来实现。

本发明的激光器的抗失调谐振腔使用角锥棱镜作为折转器件，与输出镜和全反镜组成折叠腔，使激光器的结构更为紧凑。由于角锥棱镜具有使入射光沿原路返回的特性，输出镜和全反镜所在结构平面的角度变化或角锥棱镜本身的角度变化不会影响输出镜和全反镜的光学平行性，从而保证了谐振腔的稳定性。但是，通常情况下采用角锥棱镜会带来严重的退偏问题，引起能量损失。本发明的激光器光路中安装有1/4λ波片，适当旋转该1/4λ波片至预定角度能补偿角锥棱镜产生的退偏振现象。也就是说，本发明将角锥棱镜与1/4λ波片结合使用，能够实现大功率、稳定无退偏的激光输出。该1/4λ波片位于角锥棱镜与起偏器之间。

输出镜和全反镜安装于激光器壳体上的同一结构平面上，通过机械加工即可保证输出镜和全反镜安装后具有较好光学平行性，无需调试机构。输出镜和全反镜的平行性精调通过旋转腔内光楔对完成，因此，对于输出镜和全反镜安装面平行性的加工误差需小于光楔角度。

谐振腔对棱镜的安装精度要求较低，棱镜的通光面角度无需高精度校准，只需将棱镜固定于结构件的定位槽中即可，结构定位槽的加工精度为常规机械加工精度。

在一种实现方式中，本发明的激光器的泵浦模块主要由Nd:YAG晶体、半导体激光泵浦阵列、TEC控温器组成。半导体激光泵浦阵列在Nd:YAG晶体下方，采用侧面泵浦方式。TEC控温器在半导体激光泵浦阵列与壳体之间，对半导体激光泵浦阵列控温，使其中心波长稳定在808nm。泵浦模块的工作方式由驱动电气控制，可根据需要工作在连续泵浦或脉冲泵浦模式下。激光器的下底面与散热器接触，散热方式可以根据实际热功耗需求而定，一般使用强制风冷即可。所述激光器的泵浦模块也可使用传统的氙灯泵浦模块或半导体侧泵激光棒模块。

本发明的激光器根据需要可以工作在连续泵浦或脉冲泵浦模式下；泵浦模块也能使用传统的氙灯泵浦模块或半导体侧泵激光棒模块。

在一种实现方式中，激光器的电光调Q模块由1/4λ波片和Pockel盒组成。采用升压调Q方式，电压大于3500V，上升沿小于15ns。电光调Q模块也可去掉1/4λ波片，使用升压调Q方式。

本发明的激光器使用了新型角锥棱镜折叠谐振腔结构，保证了激光谐振腔的稳定性、减小了激光器的体积。现有的折叠腔结构都会带来退偏的问题，针对这样的问题，本发明同时使用波片补偿角锥棱镜产生的退偏损耗，以提高激光器的电光调Q效率，保证了激光器的高效率输出。

附图说明

图1是本发明所述激光器的偏振控制模块工作原理图；

图2是本发明所述激光器的第一个实施例示意图；

图3是本发明所述激光器的第二个实施例示意图；

图4是本发明所述激光器的第三个实施例示意图。

具体实施方式

实施例1

图2示出了本发明的抗失调型固体激光器的一个实施例。该固体激光器包括抗失调谐振腔、泵浦模块、电光调Q模块、偏振控制模块组成。

如图所示，抗失调谐振腔包括角锥棱镜1、光楔对4、全反镜7、输出镜8。全反镜7和输出镜8的初始光学平行性靠结构件保证，如图所示，二者嵌入在同一固定件9中。光楔对4用于精调全反镜7和输出镜8的光学平行性，保证激光器能量输出最高。角锥棱镜1相对全反镜7和输出镜8的微量位置和角度变化不会影响激光器的能量输出。

泵浦模块包括Nd:YAG晶体10和半导体激光泵浦阵列11。半导体激光泵浦阵列11使用TEC控温，采用侧面脉冲泵浦方式泵浦Nd:YAG晶体10。

电光调Q模块包括1/4λ波片6和Pockel盒5。采用升压调Q方式，电压大于3500V，上升沿小于15ns。电光调Q模块也可去掉1/4λ波片，使用升压调Q方式。

偏振控制模块由起偏器3和1/4λ波片2组成。起偏器3将谐振光偏振态保持Y方向线偏振，以实现电光调Q。1/4λ波片2快轴旋转至与Y方向(激光偏振方向)形成约12°夹角时，角锥棱镜折转后的出射光经波片后形成近似于Y方向线偏振的椭圆偏振光，能很好的消除由角锥棱镜产生的退偏振损耗。

该激光器在腔体结构发生明显变形时仍可以保证激光器的输出能量不下降。同时，激光器内的偏振补偿设计保证了腔内的低损耗，在提高激光器稳定性的同时并未牺牲其输出性能。

下面介绍玻片对退偏补偿的具体过程和原理。如图1和2所示，在本实施例中，激光器的偏振控制模块由起偏器3和1/4λ波片2组成。起偏器将谐振光偏振态保持Y方向线偏振，以实现电光调Q。由于抗失调谐振腔使用了角锥棱镜，谐振光经过角锥棱镜的全反面时会产生退偏振现象，当谐振光往返震荡时会造成退偏振损耗。

由文献“Polarization properties of corner-cube retroreflectors:theory andexperiment”(APPLIED OPTICS,Vol.36,No.7,March 1997)给出的计算方法可知线偏振光经过角锥棱镜后的偏振态。当Y方向的线偏振光12的偏振态由向量表示为：

$E_{12}=\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right)$

角锥棱镜的琼斯矩阵为：

$J_1=\left(\begin{array}{cc}-0.0266+0.9586i& 0.2282+0.1685i\\ 0.2282+0.1685i& -0.9083+0.3075i\end{array}\right)$

线偏振光12经过角锥棱镜折转后的出射光为椭圆偏振光13，其偏振态向量为：

$E_{13}=J_1\·E_{12}\left(\begin{array}{cc}-0.0266+0.9586i& 0.2282+0.1685i\\ 0.2282+0.1685i& -0.9083+0.3075i\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}-0.0266+0.9586i\\ 0.2282+0.1685i\end{array}\right)$

由E₁₃可以得到线偏振光12经过角锥棱镜折转后的出射光X和Y方向的偏振分量强度比约为0.304，若直接经过起偏器，造成的能量损耗高达9.24％。一般情况下，1/4λ波片在激光器中的用途是将线偏振光的偏振方向旋转45°，而在本发明中，1/4λ波片并非通常用法，而是起到了对特定椭圆偏振光进行相位补偿的作用。起偏器与角锥棱镜间加入1/4λ波片2能很好的消除由角锥棱镜产生的退偏振损耗。当1/4λ波片2的快轴旋转至与Y方向形成约12°夹角时，角锥棱镜折转后的出射光经波片后形成近似于Y方向线偏振的椭圆偏振光14，其偏振向量为：

其中J₂是1/4λ波片2的琼斯矩阵，T(12°)和T(-12°)是坐标旋转矩阵，可描述1/4λ波片2的快轴相对于Y的旋转角度。由E₁₄可以得到椭圆偏振光13经过角锥棱镜折转后的出射光X和Y方向的偏振分量强度比约为0.0353，造成的能量损耗仅为0.13％，比普通器件插入损耗还小。在调试过程中无需精确确定1/4λ波片快轴与Y方向夹角，只需旋转1/4λ波片，将能量调至最大即可。因此，插入1/4λ波片可完美的解决由角锥棱镜产生的退偏振损耗问题，且成本低廉，装调简单。

为了消除角锥棱镜的退偏振损耗，在理论上还可使用旋转起偏器起偏角的方法实现，但存在工程化实现的难度。由于具有高损伤阈值特性的起偏器端面平行性较差，在对起偏器进行旋转时会同时改变谐振腔的平行性，因而无法判断能量波动是由谐振腔平行性引起还是由角锥棱镜退偏振引起，从而很难将起偏器调至最佳位置。并且在工程上实现对起偏器的旋转固定的难度要远大于波片。若使用针对角锥棱镜偏振特性设计的相位补偿器件代替1/4λ波片在理论上可将退偏损耗完全消除，但考虑到器件加工的难度、成本、误差，其实际效果也很难将其退偏损耗减小到0.13％以内。因此，使用1/4λ波片对角锥棱镜进行退偏振补偿是最为有效和廉价的方法。

实施例2

图3示出了本发明的抗失调型固体激光器的另一种实现方式。该固体激光器包括抗失调谐振腔、泵浦模块、电光调Q模块、偏振控制模块。

抗失调谐振腔由角锥棱镜1、光楔对4、全反镜7、输出镜8组成。全反镜7和输出镜8的初始光学平行性由结构加工保证，使用光楔对4精调全反镜7和输出镜8的光学平行性，保证激光器能量输出最高。角锥棱镜1相对全反镜7和输出镜8的微量位置和角度变化不会影响激光器的能量输出。

泵浦模块由zig-zag板条晶体10和半导体激光泵浦阵列11组成。zig-zag板条晶体10两端面使用布儒斯特角切割，具有偏振选择特性，同时可起到起偏器作用。zig-zag板条晶体10内的zig-zag光路平衡了晶体的热效应，使光束质量更好。半导体激光泵浦阵列11使用TEC控温，采用侧面脉冲泵浦方式泵浦zig-zag板条晶体10。

电光调Q模块由1/4λ波片6和Pockel盒5组成。采用升压调Q方式，电压大于3500V，上升沿小于15ns。电光调Q模块也可去掉1/4λ波片，使用升压调Q方式。

偏振控制模块由1/4λ波片2组成。zig-zag板条晶体10将谐振光偏振态保持Y方向线偏振。1/4λ波片2快轴旋转至与Y方向形成约12°夹角时，角锥棱镜折转后的出射光经波片后形成近似于Y方向线偏振的椭圆偏振光，能很好的消除由角锥棱镜产生的退偏振损耗。

本实施例中未使用专门的起偏器，采用Nd:YAG晶体10自身的偏振特性取代起偏器的功能。

实施例3

按图4示出了本发明的抗失调型固体激光器的另一种实现方式。在本实施例中，激光器包括抗失调谐振腔、泵浦模块、偏振控制模块。

抗失调谐振腔包括角锥棱镜1、光楔对4、全反镜7、输出镜8。全反镜7和输出镜8的初始光学平行性靠结构件保证，使用光楔对4精调全反镜7和输出镜8的光学平行性，保证激光器能量输出最高。角锥棱镜1相对全反镜7和输出镜8的微量位置和角度变化不会影响激光器的能量输出。

泵浦模块由Nd:YAG晶体10和半导体激光泵浦阵列11组成。半导体激光泵浦阵列11使用TEC控温，采用侧面泵浦方式泵浦Nd:YAG晶体10。可使用连续泵浦方式或准连续泵浦方式，具体泵浦方式取决于半导体激光泵浦阵列特性和激光器的外部散热能力。

偏振控制模块由1/4λ波片2组成。Nd:YAG晶体10将谐振光偏振态保持Y方向线偏振。1/4λ波片2快轴旋转至与Y方向形成约12°夹角时，角锥棱镜折转后的出射光经波片后形成近似于Y方向线偏振的椭圆偏振光。

本实施例中未使用电光调Q模块，激光器可输出连续或准连续线偏振激光输出。

需要说明的是，在上述实施例2和实施例3中，对退偏进行补偿的原理与实施例1类似，因此，在此不再详细叙述。

另外，需要说明的是，本发明的附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除其与其真实形状存在一定差异，附图仅用于对本发明的原理进行说明，图中所示部件的具体细节并非对发明保护范围的限定。本领域技术人员也应该理解，上述实施例也仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。

Claims (9)

1.一种抗失调型固体激光器，其特征在于，所述固体激光器包括抗失调谐振腔、泵浦模块、偏振控制模块，所述抗失调谐振腔包括：角锥棱镜(1)、光楔对(4)、全反镜(7)、输出镜(8)，所述泵浦模块包括：Nd:YAG晶体(10)、泵浦光源(11)，所述偏振控制模块包括用于对所述固体激光器中的光束退偏进行补偿的1/4λ波片(2)。

2.根据权利要求1所述的抗失调型固体激光器，其特征在于，

所述固体激光器还包括所述电光调Q模块，所述电光调Q模块包括：1/4λ波片(6)和Pockel盒(5)，所述电光调Q模块采用升压调Q方式；

所述偏振控制模块还包括：起偏器(3)。

3.根据权利要求2所述的抗失调型固体激光器，其特征在于，所述偏振控制模块中的1/4λ波片(2)、所述起偏器(3)、所述光楔对(4)、所述Pockel盒(5)、所述电光调Q模块中的1/4λ波片(6)和所述全反镜(7)依次共轴设置；所述输出镜(8)、所述Nd：YAG晶体彼此共轴设置，所述角锥棱镜(1)的两个反射端面分别对向所述第二个1/4λ波片(2)的光轴和所述Nd：YAG晶体的光轴。

4.根据权利要求1所述的抗失调型固体激光器，其特征在于，所述激光采用zig-zag板条晶体；

所述固体激光器还包括所述电光调Q模块，所述电光调Q模块包括：1/4λ波片(6)和Pockel盒(5)，所述电光调Q模块采用升压调Q方式。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的抗失调型固体激光器，其特征在于，所述固体激光器还包括激光器外壳，所述输出镜(8)和所述全反镜(7)位于所述激光器外壳的一端，并且二者的法线方向彼此平行，所述角锥棱镜(1)位于所述激光器外壳的另一端，与所述输出镜(8)和所述全反镜(7)形成折叠腔。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的抗失调型固体激光器，其特征在于，所述输出镜(8)和所述全反镜(7)嵌入在所述激光器外壳的一端内。

7.根据权利要求1-4中任意一项所述的抗失调型固体激光器，其特征在于，所述固体激光器还包括TEC控温器，所述TEC控温器在所述泵浦光源(11)与激光器外壳之间，对所述泵浦光源(11)进行控温。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的抗失调型固体激光器，其特征在于，所述泵浦光源(11)位于所述Nd:YAG晶体(10)侧部，对所述Nd:YAG晶体(10)进行侧面泵浦。

9.根据权利要求1-4中任意一项所述的抗失调型固体激光器，其特征在于，所述1/4λ波片(2)与所述抗失调型固体激光器的激光偏振方向成预定夹角。