CN104283092A - Nd:YAG陶瓷晶体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了Nd：YAG陶瓷晶体激光器，包括泵浦单元、聚焦耦合系统、激光晶体与谐振腔，激光晶体为Nd：YAG陶瓷晶体；谐振腔包括反射镜、全反镜A、全反镜B与输出镜，谐振光路呈Z型，Z型夹角为10°-30°，并且根据输出的不同的激光波长来选择在镜片上镀膜；泵浦单元发出的泵浦光经聚焦耦合系统聚焦至激光晶体。本发明使用Nd：YAG陶瓷晶体作为激光晶体，具有良好的热传导性、热稳定性和失调稳定性，获得较高功率输出和较好的光束质量，功率稳定度，使用寿命长，缩短系统搭建时间，能够在大多数普通环境下正常工作，在工业精密加工、科研、医疗卫生、日常生活、激光技术研究等方面有广泛应用。

Description

Nd:YAG陶瓷晶体激光器

技术领域

    本发明涉及激光器制造领域，具体是一种Nd：YAG陶瓷晶体激光器。

背景技术

半导体YAG泵浦方式最大的优点就是容易获得好的光束质量，可以实现高亮度的固体激光器，已成为激光学科的重点发展方向之一。半导体YAG泵浦的效率较高。这是因为,在泵浦激光模式不太差的情况下，泵浦光都能由会聚光学系统耦合到工作物质中，耦合损失较少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而产生的振荡光的模式与泵浦光模式有密切关系，匹配的效果好，因此，工作物质对泵浦光的利用率也相对高一些它，在激光打标、激光微加工、激光印刷、激光显示技术、激光医学和科研等领域都有广泛的用途，具有很大的市场潜力。技术日益成熟的半导体YAG泵浦固体激光器分大、中小功率两类。中小功率的激光器的优势在于小巧的体积、良好的光束质量、较稳定输出功率，关键是特别便于频率转换。这广泛应用于精密激光标记、硅晶切割、PCB板加工、各种塑料制品的打标等方面。大功率激光器想要大范围的应用就必须朝着小体积、高光束质量、高转换效率等方面发展，目前已经取得了一些成绩，应用于金属切割方面。

行业目前常用的是Nd：YAG晶体和Nd：YVO4，因为他们的吸收系数比较高，能够用来提高端面泵浦的转换效率。虽然YVO4晶体有着受激发射截面和吸收系数较高的优点，但是该晶体物理相比于YAG硬度低，热导率低，热膨胀系数较大，中心高热量难以散热，导致激光晶体在较高泵浦功率下极易出现裂痕和坏点，所以该晶体被用于中小功率的端面泵浦激光器中。固体激光器工作物质对泵浦光的吸收是不均匀的，这会导致热透镜效应、热致变形和热致双折射的出现而大大影响谐振腔的光学特性以及光束参数从而影响激光束的输出质量。YAG晶体在机械特性和热特性上都优于YVO4，但是吸收系数低，转换效率低，不适合在低泵浦功率下使用。由上可知，正是激光晶体的热特性限制了端面泵浦方式的激光器向高功率发展。除此之外还有一个难题就是单晶晶体制作工艺复杂，要求高，难度大，很难大批量生产，极大地限制了半导体YAG泵浦固体激光器的推广和使用。因此，如果寻找到一种合适的材料作为激光晶体，那么以上的难题将获得突破性的的进展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功率输出高、光束质量好的Nd：YAG陶瓷晶体激光器,以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

Nd：YAG陶瓷晶体激光器，包括泵浦单元、聚焦耦合系统、激光晶体与谐振腔，泵浦单元包括光纤耦合半导体激光器和光纤；聚焦耦合系统包括扩束镜和平凸镜A，激光晶体为Nd：YAG陶瓷晶体；谐振腔包括反射镜、全反镜A、全反镜B与输出镜，谐振光路呈Z型，Z型夹角为10°-30°，并且根据输出的不同的激光波长来选择在镜片上镀膜；光纤耦合半导体激光器与光纤连接，光纤输出端在扩束镜的前焦点处；扩束镜、平凸镜A、反射镜、激光晶体与全反镜A顺序放置，泵浦单元发出的泵浦光经聚焦耦合系统聚焦至激光晶体，激光由输出镜输出。

作为本发明进一步的方案：扩束镜是由2块平凸镜组成。

作为本发明进一步的方案：平凸镜A焦距为30mm，中心厚度3mm。

作为本发明进一步的方案：输出镜与全反镜B之间距离为110-120mm，全反镜B与全反镜A之间的距离为145-155mm，全反镜A与激光晶体之间距离为95-105mm，激光晶体和反射镜之间距离为10-20mm；全反镜A、全反镜B与输出镜均为平凹镜。

作为本发明进一步的方案：输出镜与全反镜B之间距离为115mm，全反镜B与全反镜A之间的距离为150mm，全反镜A与激光晶体之间距离为100mm，激光晶体和反射镜之间距离为15mm。

作为本发明进一步的方案：激光晶体在主光轴上，其中心与反射镜之间的距离为20-30mm；激光晶体中Nd³⁺掺杂浓度为0.7at.%。

作为本发明进一步的方案：激光晶体的中心与反射镜之间的距离为25mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的镀膜特性将根据所需的激光波长来选择。平凹谐振腔具有一定的选膜能力，能够保证在高光束质量下获得高输出功率。该结构空间充足，可附加多种调制或激光器件，可在多种情况下使用。使用的Nd：YAG陶瓷晶体作为激光晶体，可以克服以前常用晶体的热透镜效应，并且具有良好的热传导性、热稳定性和失调稳定性，还可以获得较高功率输出和较好的光束质量，功率稳定度，使用寿命长，缩短系统搭建时间，能够在大多数普通环境下正常工作，在工业精密加工、科研、医疗卫生、日常生活、激光技术研究等方面有广泛应用。

附图说明

图1是Nd：YAG陶瓷晶体激光器结构图；

图中：1-光纤耦合半导体激光器、2-光纤、3-扩束镜、4-平凸镜A、5-反射镜、6-激光晶体、7-全反镜A、8-全反镜B、9-输出镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更好地改善半导体YAG泵浦激光器的性能，本发明主要是采用一种新型的激光晶体材料来大大改善半导体YAG泵浦固体激光器的弊端所在。现在的半导体YAG激光晶体存在的缺点为：晶体生产周期长、成本高，晶体掺杂浓度不高且离子分部不均匀，晶体尺寸小利用率低。为解决以上技术问题，采用Nd：YAG陶瓷晶体替代其它晶体，其具有如下优点：

陶瓷烧结条件简单，成本低，周期短。陶瓷制备的形状、尺寸可以任意选制。掺杂浓度高且离子分布均匀。陶瓷晶体属于离子晶体，决定激光陶瓷光学特性的内在因素是陶瓷内部气孔和晶界晶格的散射，因此晶体光学质量受到气孔密度、晶界结构尺寸和原料纯度等严格限制，气孔中气体折射率与陶瓷晶体差异较大，导致散射现象严重，单位体积内气孔数目越多，散射和衰弱越强，因此气孔率要尽量低。根据实验数据分析，在150vol.ppm下才能获得高于Nd：YAG普通晶体的光学特性。晶界结构要求干净、微薄、没有二次相偏折。原料纯度要求在烧结过程中不能存在多余的杂质，避免杂质为中心的散射和折射。目前利用真空烧结法和氢气烧结等制备方法已经获得了极低气孔率和散射损耗的晶体，无论在光学特性还是在机械特性上，Nd：YAG陶瓷晶体已经获得了和Nd：YAG相同甚至更好的特性，在大功率下获得了67KW以上的高功率输出，在中小功率端面泵浦固体激光器也获得了相当高的转换效率。可见，陶瓷激光体有很好的发展前景。表1为陶瓷晶体和典型单晶晶体性能上的比较。

表1

性能	体密度(g/cm3)	在590nm处的折射率	莫氏硬度	热导率(W/mK)在20℃下	自发辐射寿命/us	受激辐射截面/cm-2
							0.9at.%NdYAG晶体	4.551	1.809	8.523	10.721	217	4.75*10-19
0.7at.%Nd：YVO4	4.218	1.945	5.041	5.234	90	25.20*10-19
							1.1at.%Nd:YAG陶瓷晶体	4.546	1.808	8.822	10.380	210	4.76*10-19

在上表中，掺杂浓度不会影响晶体的物理特性，只会影响晶体对泵浦光的吸收系数，有此表可知，Nd：YAG陶瓷晶体具备Nd：YAG热导率、机械硬度和强度尤其是热导率是Nd：YOV4晶体的2倍；机械硬度高出3个点；表中未列出吸收系数，通常Nd：YAG要比Nd：YOV4低，这可以通过掺杂高浓度和大尺寸来弥补自发辐射寿命是Nd：YOV4的2倍多，便于获得更高峰值功率的调Q输出。综上所述，Nd：YAG陶瓷晶体非常适用于激光的产生。

实施例1

请参阅图1，本发明实施例中，Nd：YAG陶瓷晶体激光器，包括泵浦单元、聚焦耦合系统、激光晶体6、谐振腔，泵浦单元发出的泵浦光经聚焦耦合系统聚焦至激光晶体6，所述谐振腔包括反射镜5、全反镜A7、全反镜B8与输出镜9，谐振光路呈Z型，Z型夹角β为10°，输出镜9对1064nm波长激光透过率T=28%。

激光晶体6为Nd：YAG陶瓷晶体，Nd³⁺掺杂浓度为0.7at.%，尺寸5*5*11mm，两个端面均镀808nmAR膜，AR膜反射率R<0.4%，以及1064nmHT膜，HT膜反射率R<0.2%。

光纤耦合半导体激光器1和光纤2组成泵浦单元。光纤耦合半导体激光器1在20℃输出808nm波长的激光，在输出电流35A情况下输出最大30W激光。光纤耦合半导体激光器1与光纤2连接，光纤2纤芯直径0.4mm，数值孔径0.21，输出端为圆形光斑。光纤2长度2m，功率损耗＜0.1%。

聚焦耦合系统由扩束镜3和平凸镜A4组成，平凸镜A4焦距为30mm，中心厚度3mm，双面镀808nmAR膜，AR膜反射率R<0.2%。此处使用的扩束镜3是由2块平凸镜组成，光纤2输出端恰好在扩束镜3的前焦点处，泵浦光经扩束镜3之后成平行光并且经过扩束的光束的发散角更小，光束质量更好，扩束镜3倍数可调。聚焦耦合系统就是将光束聚焦在激光晶体6上。

本发明所用的激光器中谐振腔使用Z型结构平凹谐振腔，谐振腔包括反射镜5、全反镜A7、全反镜B8与输出镜9，谐振光路呈Z型，其中激光输出为输出镜9，镀膜特性将根据所需的激光波长来选择。平凹谐振腔具有一定的选膜能力，能够保证在高光束质量下获得高输出功率。该结构空间充足，可附加多种调制或激光器件，可在多种情况下使用。

输出镜9与全反镜B8之间距离为115mm，全反镜B8与全反镜A7之间的距离为150mm，全反镜A7与激光晶体6之间距离为100mm，激光晶体6和反射镜5之间距离为15mm。全反镜A7和全反镜B8为平凹镜，一面镀1064nmAR膜，1064nmAR膜反射率＞99.8%，曲率半径R=400mm；输出镜9为平凹镜，平面镀1064nmAR膜，1064nmAR膜反射率R<0.2%，凹面曲率半径R=400mm，凹面镀1064nmAR膜，透射率T为28%，反射镜5一面镀808nmAR膜，808nmAR膜反射率R＜0.2%，另一面镀1064nmHR膜，1064nmHR膜反射率＞99.8%和808nmHT膜，808nmHT膜反射率＜2%。激光晶体6在主光轴上，其中心与反射镜5之间的距离为25mm。

本发明可以获得最大连续输出功率28W，光束质量≤1.2，几个小时内功率不稳定度在1%以内。此外由于谐振腔腔长足够，可以添加Q开关。如果想要获得绿激光、紫激光也可以在谐振腔中加倍频器来满足需求。

本发明使用的Nd：YAG陶瓷晶体作为激光晶体6，可以克服以前常用晶体的热透镜效应，并且具有良好的热传导性、热稳定性和失调稳定性，还可以获得较高功率输出和较好的光束质量，功率稳定度，使用寿命长，缩短系统搭建时间，能够在大多数普通环境下正常工作，在工业精密加工、科研、医疗卫生、日常生活、激光技术研究等方面有广泛应用。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。 

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.Nd：YAG陶瓷晶体激光器，其特征在于，包括泵浦单元、聚焦耦合系统、激光晶体（6）与谐振腔，泵浦单元包括光纤耦合半导体激光器（1）和光纤（2）；聚焦耦合系统包括扩束镜（3）和平凸镜A（4），激光晶体（6）为Nd：YAG陶瓷晶体；谐振腔包括反射镜（5）、全反镜A（7）、全反镜B（8）与输出镜（9），谐振光路呈Z型，Z型夹角为10°-30°，并且根据输出的不同的激光波长来选择在镜片上镀膜；光纤耦合半导体激光器（1）与光纤（2）连接，光纤（2）输出端在扩束镜（3）的前焦点处；扩束镜（3）、平凸镜A（4）、反射镜（5）、激光晶体（6）与全反镜A（7）顺序放置，泵浦单元发出的泵浦光经聚焦耦合系统聚焦至激光晶体(6)，激光由输出镜(9)输出。

2.根据权利要求1所述的Nd：YAG陶瓷晶体激光器，其特征在于，所述扩束镜(3)是由2块平凸镜组成。

3.根据权利要求1所述的Nd：YAG陶瓷晶体激光器，其特征在于，所述平凸镜A（4）焦距为30mm，中心厚度3mm。

4.根据权利要求1所述的Nd：YAG陶瓷晶体激光器，其特征在于，所述输出镜（9）与全反镜B（8）之间距离为110-120mm，全反镜B（8）与全反镜A（7）之间的距离为145-155mm，全反镜A（7）与激光晶体（6）之间距离为95-105mm，激光晶体（6）和反射镜（5）之间距离为10-20mm；全反镜A（7）、全反镜B（8）与输出镜（9）均为平凹镜。

5.根据权利要求4所述的Nd：YAG陶瓷晶体激光器，其特征在于，所述输出镜（9）与全反镜B（8）之间距离为115mm，全反镜B（8）与全反镜A（7）之间的距离为150mm，全反镜A（7）与激光晶体（6）之间距离为100mm，激光晶体（6）和反射镜(5)之间距离为15mm。

6.根据权利要求1所述的Nd：YAG陶瓷晶体激光器，其特征在于，所述激光晶体(6)在主光轴上，其中心与反射镜(5)之间的距离为20-30mm；激光晶体（6）中Nd³⁺掺杂浓度为0.7at.%。

7.根据权利要求6所述的Nd：YAG陶瓷晶体激光器，其特征在于，所述激光晶体（6）的中心与反射镜（5）之间的距离为25mm。