CN104701728A - 一种平凹腔被动调q激光器及其激光产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种平凹腔被动调Q激光器及其激光产生方法。所述平凹腔被动调Q激光器包括泵浦系统，与泵浦系统依次光耦合的准直镜、聚焦镜、谐振腔，所述谐振腔从聚焦镜一侧起，依次包括光耦合的反射镜、增益组件、被动调Q晶体和输出镜；所述输出镜出光面依次耦合有非线性晶体和扩束镜；所述泵浦系统包括泵浦源，给泵浦源供电并提供制冷、为非线性晶体提供温度控制的驱动源；所述反射镜、输出镜中至少一个为凹面镜。本发明可以加快实现稳定的激光输出。

Description

一种平凹腔被动调Q激光器及其激光产生方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤指一种平凹腔被动调Q激光器及其激光产生方法。

背景技术

自激光问世以来，激光加工技术就受到人们的重视，至今激光加工技术已成为先进制造技术的重要组成部分。由于激光束具有单色性好、能量密度高、空间控制性和时间控制性良好等一系列优点，目前它已广泛应用于材料加工等领域，针对于激光微加工，材料标记等领域的激光器主要有红外激光器、绿光激光器、紫外光激光器。但现有的激光器较为复杂，主要采用声光或电光调Q的固体激光器倍频来实现的，成本也较高。

专利文献CN2781607A于2006年05月17日公开了一种采用平面反射的激光器，可用于电光调Q的免调试固体激光器，它包括激光棒、前反射镜、角锥棱镜、电光Q开关，在后反射镜的角锥棱镜的角顶放置在激光棒的轴线上，在角锥棱镜与前反射镜之间包含电光Q开关、偏振镜和激光棒，其中偏振镜作为耦合输出镜，在腔内可放置波片。该激光器具有体积小、重量轻，效率高，抗失调能力强，稳定性高，不但适合于被动调Q，而且适合于主动电光调Q，便于实现标准化、组件化、系列化，可以广泛应用于军事、工业加工、医疗、科研等领域。

该专利文献代表的现有技术采用平平腔被动调Q，激光器的热稳定性差，达到稳定工作状态时间比较长。在激光器工作初始状态，由于增益晶体的热透镜效应需一定的平衡时间，平平腔在这个时间内不能实现稳定输出，影响最终的工作效果，比如激光打标书写一个字的时候，初始的笔画不清晰，稳定后的标记笔画才清晰。平平腔的失调灵敏度高，在运输或工作过程中的震动有可能会影响平平腔的平行度，进而影响激光器的输出效果。

发明内容

本发明提供一种加快实现稳定的激光输出的平凹腔被动调Q激光器及其激光产生方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种平凹腔被动调Q激光器，包括泵浦系统，与泵浦系统依次光耦合的准直镜、聚焦镜、谐振腔，其特征在于，所述谐振腔从聚焦镜一侧起，依次包括光耦合的反射镜、增益组件、被动调Q晶体和输出镜；所述输出镜出光面耦合有非线性晶体；所述泵浦系统包括泵浦源，给泵浦源供电的驱动源；所述反射镜、输出镜中至少一个为凹面镜；凹面的曲率半径范围为50mm-1000mm。

进一步，增益组件的入光面镀膜，形成所述反射镜；所述输出镜为凹面镜。

进一步，所述增益组件为单增益的增益晶体，所述非线性晶体为二倍频晶体；所述反射镜采用凹面镜，所述被动调Q晶体出光面一端镀有半反半透膜，形成所述输出镜，所述第一增益晶体、被动调Q晶体、二倍频晶体采用透明胶材胶合或利用分子键合的方式固定。

进一步，所述反射镜为凹面镜，输出镜为平面镜；或者，所述反射镜为平面镜，输出镜为凹面镜；或者，所述反射镜和输出镜均为凹面镜。

进一步，所述凹面的曲率半径范围为300-500mm。

进一步，所述被动调Q晶体的透过率范围为50％-95％。

进一步，所述所述增益组件为单增益的增益晶体，所述非线性晶体为二倍频晶体，所述第一增益晶体的材质为Nd：YAG晶体，Nd：YVO4晶体，Nd：GGG晶体，Nd：YLF晶体,Nd:GdVO4晶体,Nd:YAP晶体或Nd:LuvO4晶体中的任意一种；所述被动调Q晶体为Cr:YAG晶体，Cr:ZnS晶体，Sesam晶体或V:YAG晶体中的任意一种；所述泵浦源为连续半导体激光器或脉冲半导体激光器，当泵浦源为脉冲半导体激光器时，其中心波长为808nm±5nm，880nm±5nm，885nm±5nm、915nm±5nm、940nm±5nm中的一种或以上任意两种波长的组合。

进一步，所述增益组件包括两种不同性质的增益晶体，分别为采用各项同性、高上能级寿命和高储能材质的第一增益晶体和采用具备偏振特性材质的第二增益晶体；所述第一增益晶体和第二增益晶体光耦合。

进一步，所述第一增益晶体为Nd：YAG晶体或Nd：YAG陶瓷晶体或YAG与Nd:YAG的键合或胶合的晶体，第二增益晶体为Nd：YVO4晶体或YVO4与Nd：YVO4的键合或胶合的晶体；或者，第一增益晶体为Nd：YVO4晶体或YVO4与Nd：YVO4的键合或胶合的晶体，第二增益晶体为Nd：YAG晶体或Nd：YAG陶瓷晶体或YAG与Nd:YAG的键合或胶合的晶体，第一增益晶体的出光面相距第二增益晶体的入光面距离小于10mm；

或者，所述第一增益晶体为所述第一增益晶体为Nd：YAG晶体，其Nd离子的掺杂浓度为0.2％-2％，第二增益晶体为Nd：YVO4晶体，其Nd离子的掺杂浓度为0.1％-3％，或者，第一增益晶体为Nd：YVO4晶体其Nd离子的掺杂浓度为为0.1％-2％，第一增益晶体(10)为Nd：YAG晶体，其Nd离子的掺杂浓度为0.2％-3％；

所述被动调Q晶体为Cr:YAG、V:YAG、半导体饱和吸收体、石墨烯中的任意一种，被动调Q晶体的初始透过率为10％-95％；

所述泵浦源为连续半导体激光器或脉冲半导体激光器，当泵浦源为光纤耦合输出的脉冲半导体激光器时，其中心波长为808nm±5nm，880nm±5nm，885nm±5nm中的一种或以上任意两种波长的组合；激光器壳体体积小于80x80x430mm³，其横截面积小于80x80mm²，长度小于430mm。

一种如本发明所述的平凹腔被动调Q激光器的激光产生方法，包括步骤：泵

浦系统发出泵浦光通过传能光纤输出到激光头的准直镜；

通过增益组件产生粒子数反转，发生自发辐射；

在反射镜和输出镜组成的至少带一个凹面镜的谐振腔反馈作用下，产生受激辐射；

在被动调Q晶体的作用下产生红外脉冲激光；

输出镜输出红外脉冲激光，再经过非线性晶体产生单一波长的激光。

目前所有的技术方案的反射镜和输出镜都采用的是平面结构，即其构成的谐振腔为平平腔。图7所示为平平腔中，腔内的光斑半径随热透镜焦距的变化的曲线示意图；该谐振腔的腔长为70mm，可以看出当热焦距从5000mm变化到80mm时，腔内的光斑半径从0.42mm变化到0.12mm，变化范围比较大。而本发明反射镜、输出镜中至少一个为凹面镜，形成的为平凹腔，如图8所示，凹面镜R＝500mm，腔长也为70mm，腔内的光斑半径从0.25mm变化到0.11mm，相对平平腔其光斑变化较小，对热效应不敏感。热焦距与泵浦功率的关系如下：

$f=\frac{2\mathrm{\π}{K}_c{\mathrm{\ω}}_p^2}{{\mathrm{\δP}}_{\mathrm{in}}(\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}+n{\mathrm{\α}}_T)}\frac{1}{1-\exp (-{\mathrm{\α}}_{p}l)}$

δP_in＝ηP_pump

其中η为热转换率，P_pump为泵浦功率。

附图说明

图1是本发明实施例十二平凹腔被动调Q激光器的原理示意图；

图2是本发明各种平凹腔被动调Q激光器的原理第一示意图；

图3是本发明各种平凹腔被动调Q激光器的原理第二示意图；

图4是本发明各种平凹腔被动调Q激光器的原理第三示意图；

图5是本发明各种平凹腔被动调Q激光器的原理第四示意图；

图6是本发明各种平凹腔被动调Q激光器的原理第五示意图；

图7是现有的平平腔腔内的光斑半径随热透镜焦距的变化的曲线示意图；

图8是本发明平凹腔腔内的光斑半径随热透镜焦距的变化的曲线示意图；

图9是本发明一种被动调Q绿光激光器的原理示意图；

图10是本发明一种被动调Q紫外光激光器的原理示意图；

图11是本发明实施例一采用高温角度匹配非线性晶体的被动调Q激光器的原理示意图；

图12是本发明实施例九分离式被动调Q绿光激光器的原理示意图；

图13是本发明实施例十分离式被动调Q紫外光激光器的原理示意图；

图14是本发明实施例十一双增益晶体紧凑型被动调Q紫外光激光器的原理示意图。

其中：

1、泵浦系统；11、驱动源；12、泵浦源；2、传能光纤；3、激光头；4、壳体；5、扩束镜；6、准直镜；7、聚焦镜；8、谐振腔；81、反射镜；82、增益组件；821、第一增益晶体；822、第二增益晶体；83、被动调Q晶体；84、输出镜；86、半反半透膜；9、非线性晶体；91、二倍频晶体；92、三倍频晶体。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本实施方式公开平凹腔被动调Q激光器，包括泵浦系统1，与泵浦系统1依次光耦合的准直镜6、聚焦镜7、谐振腔8，所述谐振腔8从聚焦镜7一侧起，依次包括光耦合的反射镜81、增益组件82、被动调Q晶体83和输出镜84；所述输出镜84出光面依次耦合有非线性晶体9和扩束镜5；所述泵浦系统1包括泵浦源12，给泵浦源供电的驱动源；所述反射镜81、输出镜84中至少一个为凹面镜；凹面的曲率半径范围为50mm-1000mm。

本实施方式还公开一种如本发明所述的平凹腔被动调Q激光器的激光产生方法，包括步骤：泵浦系统发出泵浦光通过传能光纤输出到激光头的准直镜；

通过增益组件产生粒子数反转，发生自发辐射；

在反射镜和输出镜组成的至少带一个凹面镜的谐振腔反馈作用下，产生受激

辐射；

在被动调Q晶体的作用下产生红外脉冲激光；

输出镜输出红外脉冲激光，再经过非线性晶体产生单一波长的激光。

目前所有的技术方案的反射镜81和输出镜84都采用的是平面结构，即其构成的谐振腔8为平平腔。图7所示为平平腔中，腔内的光斑半径随热透镜焦距的变化的曲线示意图；该谐振腔8的腔长为70mm，可以看出当热焦距从5000mm变化到80mm时，腔内的光斑半径从0.42mm变化到0.12mm，变化范围比较大。而本发明反射镜81、输出镜84中至少一个为凹面镜，形成的为平凹腔，如图8所示，凹面镜R＝500mm，腔长也为70mm，腔内的光斑半径从0.25mm变化到0.11mm，相对平平腔其光斑变化较小，对热效应不敏感。热焦距与泵浦功率的关系如下：

$f=\frac{2\mathrm{\π}{K}_c{\mathrm{\ω}}_p^2}{{\mathrm{\δP}}_{\mathrm{in}}(\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}+n{\mathrm{\α}}_T)}\frac{1}{1-\exp (-{\mathrm{\α}}_{p}l)}$

δP_in＝ηP_pump

其中η为热转换率，P_pump为泵浦功率。

实施例二

如图1、9、10所示，本实施方式公开一种平凹腔被动调Q激光器，包括泵浦系统1，与泵浦系统1依次光耦合的准直镜6、聚焦镜7、谐振腔8，其特征在于，所述谐振腔8从聚焦镜7一侧起，依次包括光耦合的反射镜81、增益组件82、被动调Q晶体83和输出镜84；所述输出镜84出光面依次耦合有非线性晶体9和扩束镜5；所述泵浦系统1包括泵浦源12；所述反射镜81、输出镜84中至少一个为凹面镜。凹面的曲率半径范围优选为300-500mm，如350mm、400mm、450mm等。泵浦源12的制冷和非线性晶体9的温度控制也可以通过驱动源来提供。

实现上述反射镜81、输出镜84的凹面镜子，包括但不局限于以下方式：

方案一、如图2所示，所述第一增益晶体821的入光面镀膜，形成所述反射镜81；所述输出镜84为凹面镜。

方案二、如图3所示，所述反射镜81为凹面镜，输出镜84为平面镜。

方案三、如图4所示，所述反射镜81为平面镜，输出镜84为凹面镜。

方案四、如图5所示，所述反射镜81和输出镜84均为凹面镜。

方案五、如图6所示，所述增益组件为单增益的第一增益晶体821，所述非线性晶体为二倍频晶体91；所述反射镜81采用凹面镜，所述被动调Q晶体83出光面一端镀有半反半透膜86，形成所述输出镜84，所述第一增益晶体821、被动调Q晶体83、二倍频晶体91采用透明胶材胶合或利用分子键合的方式固定。本方案仅适用于绿光激光器。

如果激光器为绿光激光器，所述增益组件82为第一增益晶体821，所述非线性晶体9为二倍频晶体91，所述第一增益晶体821的材质为Nd：YAG晶体，Nd：YVO4晶体，Nd：GGG晶体，Nd：YLF晶体，Nd:GdVO4晶体，Nd:YAP晶体或Nd:LuvO4晶体中的任意一种；所述被动调Q晶体83为Cr:YAG晶体，Cr:ZnS晶体，Sesam晶体或V:YAG晶体中的任意一种；所述泵浦源12为连续半导体激光器或脉冲半导体激光器，当泵浦源12为脉冲半导体激光器时，其中心波长为808nm±5nm，880nm±5nm，885nm±5nm、915nm±5nm、940nm±5nm中的一种或以上任意两种波长的组合。

如果激光器为紫外光激光器。所述增益组件82包括采用各项同性、高上能级寿命和高储能材质的第一增益晶体821和采用具备偏振特性材质的第二增益晶体822；所述第一增益晶体821和第二增益晶体822光耦合。

所述第一增益晶体821为Nd：YAG晶体或Nd：YAG陶瓷晶体或YAG与Nd:YAG的键合或胶合的晶体，第二增益晶体822为Nd：YVO4晶体或YVO4与Nd：YVO4的键合或胶合的晶体；或者，第一增益晶体821为Nd：YVO4晶体或YVO4与Nd：YVO4的键合或胶合的晶体，第二增益晶体822为Nd：YAG晶体或Nd：YAG陶瓷晶体或YAG与Nd:YAG的键合或胶合的晶体，第一增益晶体821的出光面相距第二增益晶体822的入光面距离小于10mm。所述被动调Q晶体83为Cr:YAG、V:YAG、半导体饱和吸收体、石墨烯中的任意一种，被动调Q晶体83的初始透过率为10％-95％。

所述非线性晶体9从输出镜84一侧起，依次包括二倍频晶体91和三倍频晶体92；所述二倍频晶体91为LBO晶体、KTP晶体、BBO晶体、BiBO晶体、CLBO晶体、PPLN晶体，匹配方式可采用临界相位匹配或非临界相位匹配，三倍频晶体92为LBO晶体、BBO晶体、BiBO晶体、CLBO晶体、KDP晶体，匹配方式可采用临界相位匹配或非临界相位匹配。

所述泵浦源12为连续半导体激光器或脉冲半导体激光器，当泵浦源12为光纤耦合输出的脉冲半导体激光器时，其中心波长为808nm±5nm，880nm±5nm，885nm±5nm中的一种或以上任意两种波长的组合；传能光纤2长度大于50cm，激光器壳体4体积小于80x80x430mm³，其横截面积小于80x80mm²，长度小于430mm³，泵浦系统1与激光头3的冷却方式为风冷。

如果激光器为紫外光激光器，还可以有另外一种实施方案。

所述第一增益晶体821为所述第一增益晶体821为Nd：YAG晶体，其Nd离子的掺杂浓度为0.2％-2％，第二增益晶体822为Nd：YVO4晶体，其Nd离子的掺杂浓度为0.1％-3％，Nd：YAG的长度为1mm-15mm，Nd：YVO4晶体长度为1-15mm。或者，第一增益晶体821为Nd：YVO4晶体其Nd离子的掺杂浓度为为0.1％-2％，第一增益晶体821(10)为Nd：YAG晶体，其Nd离子的掺杂浓度为0.2％-3％；

所述被动调Q晶体83为Cr:YAG、V:YAG、半导体饱和吸收体、石墨烯中的任意一种，被动调Q晶体83的初始透过率为10％-95％；

所述非线性晶体9从输出镜84一侧起，依次包括二倍频晶体91和三倍频晶体92；所述二倍频晶体91为LBO晶体、KTP晶体、BBO晶体、BiBO晶体、CLBO晶体、PPLN晶体，匹配方式可采用临界相位匹配或非临界相位匹配，三倍频晶体92为LBO晶体、BBO晶体、BiBO晶体、CLBO晶体、KDP晶体，匹配方式可采用临界相位匹配或非临界相位匹配；所述泵浦源12为连续半导体激光器或脉冲半导体激光器，当泵浦源12为光纤耦合输出的脉冲半导体激光器时，其中心波长为808nm±5nm，880nm±5nm，885nm±5nm中的一种或以上任意两种波长的组合；传能光纤2长度大于50cm，激光器壳体4体积小于80x80x430mm³，其横截面积小于80x80mm²，长度小于430mm³，泵浦系统1与激光头3的冷却方式为风冷。

实施例三

如图9所示，本实施方式公开绿光激光器包括泵浦系统1、传能光纤2、激光器壳体4，激光器壳体4内设有准直镜6、聚焦镜7、反射镜81、第一增益晶体821、被动调Q晶体83、输出镜84和二倍频晶体91，壳体4外固定有扩束镜5，其中泵浦系统1由驱动源11和泵浦源12组成，驱动源11为泵浦源12供电，泵浦源12发出泵浦光，经过传能光纤2，经过准直镜6和聚焦镜7后对第一增益晶体821进行泵浦，第一增益晶体821产生粒子数反转，发生自发辐射，在反射镜81和输出镜84组成的谐振腔8的反馈作用下，产生受激辐射，在被动调Q晶体83的作用下产生红外脉冲激光，激光由输出镜84输出，红外脉冲激光通过二倍频晶体91产生绿光激光输出，输出的激光经过扩束镜5进行准直，扩束镜5镀有具有对红外光高反，对绿光增透的膜系，最终输出单一波长的绿光激光。

泵浦系统1的体积为293mmx195mmx95mm,内部安装驱动源11和泵浦源12驱动源11具有一路电压自适应的恒流输出，和两路温控输出，分别为泵浦源12提供电能，为泵浦源12提供制冷，为二倍频晶体91提供精确的温度控制，泵浦源12的输出功率为30W，在温度为25℃时，其中心波长为808nm，泵浦源12输出的泵浦光通过一条长度为2.5m，芯径400um，数值孔径为0.22的传能光纤2传输到激光器壳体4内部，激光器壳体4的体积为48mmx48mmx170mm，光纤用金属铠甲作为保护套，保护套的直径为7mm，泵浦光经过准直镜6和聚焦镜7聚焦到第一增益晶体821中，对第一增益晶体821进行泵浦，反射镜81的曲率半径为5000mm，镀有808nm高透和1064nm高反的膜系，被动调Q晶体83为Cr：YAG晶体，其小信号透过率为83％，输出镜84的透过率为25％，二倍频晶体91采用临界相位匹配方式的LBO晶体，切割角为(θ＝90°Φ＝10.9°)，当泵浦源12输出的泵浦功率为25W时，此时输出的红外基频光功率为9.11W,经过二倍频晶体91后得到3.3W的绿光激光输出，经过扩束镜5后，滤掉剩余的红外基频光，得到了发散角为1.2mrad，功率为3.15W的绿光激光输出。如无特殊说明，本实施方式的工作原理，各部件的参数适用于以下实施例的所有绿光激光器。

本实施方式采用被动调Q设计，降低了激光器的成本，具有更好的稳定性。采用泵浦系统1与激光器壳体4采用分离式设计，泵浦系统1与激光器壳体4用大于50cm的传能光纤2相连接，并且将激光器壳体4的体积小于80x80x430mm³，其横截面积小于80x80mm²，长度小于430mm³，使激光器的体积更小巧，结构更紧凑，方便客户安装使用。

实施例四

如图10所示，本实施方式公开的紫外光激光器包括：泵浦系统1、传能光纤2、激光器壳体4；激光器壳体4内集成有准直镜6，聚焦镜7，反射镜81，第一增益晶体821，第二增益晶体822，被动调Q晶体83，输出镜84，二倍频晶体91、三倍频晶体92，以及集成在壳体4外的扩束镜5。

泵浦系统1由驱动源11和泵浦源12组成，驱动源11为泵浦源12供电，泵浦源12发出泵浦光，经过传能光纤2，经过准直镜6和聚焦镜7后对第一增益晶体821和第二增益晶体822进行泵浦，第一增益晶体821和第二增益晶体822产生粒子数反转，发生自发辐射，在反射镜81和输出镜84组成的谐振腔8的反馈作用下，产生受激辐射，在被动调Q晶体83的作用下产生红外脉冲激光，激光由输出镜84输出，红外脉冲激光通过二倍频晶体91以及三倍频晶体92产生紫外光激光输出，输出的激光经过扩束镜5进行准直，扩束镜5镀有具有对红外光高反，对紫外光增透的膜系，最终输出单一波长的紫外光激光。

泵浦系统1的体积为293mmx195mmx95mm，内部安装驱动源11和泵浦源12驱动源11具有一路电压自适应的恒流输出，和两路温控输出，分别为泵浦源12提供电能，为泵浦源12提供制冷，为二倍频晶体91以及三倍频晶体92提供精确的温度控制，泵浦源12的输出功率为30W，在温度为25℃时，其中心波长为808nm，泵浦源12输出的泵浦光通过一条长度为2.5m，芯径400um，数值孔径为0.22的传能光纤2传输到激光器壳体4内部，激光器壳体4的体积为48mmx48mmx170mm，光纤用金属铠甲作为保护套，保护套的直径为7mm，泵浦光经过准直镜6和聚焦镜7聚焦到第一增益晶体821和第二增益晶体822中，对第一增益晶体821和第二增益晶体822进行泵浦，反射镜81的曲率半径为5000mm，镀有808nm高透和1064nm高反的膜系，被动调Q晶体83为Cr：YAG晶体，其小信号透过率为83％，输出镜84的透过率为25％，二倍频晶体91和三倍频晶体92采用临界相位匹配方式的LBO晶体，其中二倍频晶体91的切割角为(θ＝90°Φ＝10.9°)，三倍频晶体92的切割角为(θ＝43.9°Φ＝90°)，当泵浦源12输出的泵浦功率为25W时，此时输出的红外基频光功率为9.2W,经过二倍频晶体91后得到1.8W的绿光激光和7.1W的剩余红外基频光，经过三倍频晶体92后最终获得了1.5W的355nm紫外光激光输出，经过扩束镜5后，滤掉剩余的红外基频光和绿光后，得到了发散角为1.2mrad，功率为1.3W的紫外光激光输出。如无特殊说明，本实施方式的工作原理，各部件的参数适用于以下实施例的所有紫外光激光器。

实施例五

如图12并参见图9所示，本实施方式公开一种分离式被动调Q绿光激光器，包括泵浦系统1，所述泵浦系统1还耦合有与其分离设置的激光头3，所述激光头3依次包括光耦合的准直镜6、聚焦镜7、反射镜81、第一增益晶体821、被动调Q晶体83、输出镜84和二倍频晶体91；所述泵浦系统1包括泵浦源12，给泵浦源12供电并提供制冷、为二倍频晶体91提供温度控制的驱动源11；所述泵浦源12通过传能光纤2与所述准直镜6光耦合；所述激光头3采用风冷方式散热。

所述驱动源11、泵浦源12安装于泵浦系统1中，为一整体；所述准直镜6、聚焦镜7、反射镜81、第一增益晶体821、被动调Q晶体83、输出镜84和二倍频晶体91集成在同一壳体4内，所述壳体4外还固定有与所述二倍频晶体91光耦合的扩束镜5；所述扩束镜5镀有具有对红外光高反，对绿光增透的膜系。

所述反射镜81、输出镜84中至少一个为凹面镜。具体来说，反射镜81和输出镜84构成的谐振腔8为稳定腔，反射镜81为凹面镜，输出镜84为平面镜；或者，反射镜81为平面镜输出镜84为凹面镜；或者，反射镜81为凹面镜，输出镜84为凹面镜；或者，反射镜81由第一增益晶体821的左端面镀膜代替，输出镜84为凹面镜，具体参见图2-5所示。

为了使得绿光激光器的结构更为紧凑，如图6所示，所述反射镜81采用凹面镜，所述被动调Q晶体83出光面一端镀有半反半透膜86，形成所述输出镜84，所述第一增益晶体821、被动调Q晶体83、二倍频晶体91采用透明胶材胶合或利用分子键合的方式固定。

所述激光的第一增益晶体821的材质为Nd：YAG晶体，Nd：YVO4晶体，Nd：GGG晶体，Nd：YLF晶体，Nd:GdVO4晶体，Nd:YAP晶体或Nd:LuvO4晶体中的任意一种。所述被动调Q晶体83为Cr:YAG晶体，Cr:ZnS晶体，Sesam晶体或V:YAG晶体中的任意一种。

所述传能光纤2长度大于50cm，所述壳体4体积小于80x80x430mm³，其横截面积小于80x80mm²，长度小于430mm。所述泵浦源12为连续半导体激光器或脉冲半导体激光器，当泵浦源12为光纤耦合输出的脉冲半导体激光器时，其中心波长为808nm±5nm，880nm±5nm，885nm±5nm、915nm±5nm、940nm±5nm中的一种或以上任意两种波长的组合。

实施例六

如图13并参见图10所示，本实施方式公开一种分离式被动调Q紫外光激光器，包括泵浦系统1，所述泵浦系统1还耦合有与其分离设置的激光头3，所述激光头3依次包括光耦合的准直镜6、聚焦镜7、谐振腔8、二倍频晶体91和三倍频晶体92；所述泵浦系统1包括泵浦源12，给泵浦源12供电并提供制冷、为二倍频晶体91和三倍频晶体92提供温度控制的驱动源11；所述泵浦源12通过传能光纤2与所述准直镜6光耦合。所述二倍频晶体91为LBO晶体、KTP晶体、BBO晶体、BiBO晶体、CLBO晶体、PPLN晶体，匹配方式可采用临界相位匹配或非临界相位匹配，三倍频晶体92为LBO晶体、BBO晶体、BiBO晶体、CLBO晶体、KDP晶体，匹配方式可采用临界相位匹配或非临界相位匹配。

所述驱动源11、泵浦源12安装于泵浦系统1中，为一整体；所述准直镜6、聚焦镜7、谐振腔8、二倍频晶体91和三倍频晶体92集成在同一壳体4内，所述壳体4外还固定有与所述三倍频晶体92光耦合的扩束镜5；扩束镜5镀有具有对红外光高反，对紫外光增透的膜系。

所述谐振腔8从聚焦镜7一侧起，依次包括光耦合的反射镜81、增益组件82、被动调Q晶体83和输出镜84；由反射镜81和输出镜84构成的谐振腔8为稳定腔；所述输出镜84的出光面与所述二倍频晶体91耦合。所述增益组件82包括采用各项同性、高上能级寿命和高储能材质的第一增益晶体821和采用具备偏振特性材质的第二增益晶体822；所述第一增益晶体821和第二增益晶体822光耦合。

所述第一增益晶体821为Nd：YAG晶体或Nd：YAG陶瓷晶体或YAG与Nd:YAG的键合或胶合的晶体，第二增益晶体822为Nd：YVO4晶体或YVO4与Nd：YVO4的键合或胶合的晶体。

或者，第一增益晶体821采用Nd：YVO4晶体或YVO4与Nd：YVO4的键合或胶合的晶体，第二增益晶体822为Nd：YAG晶体或Nd：YAG陶瓷晶体或YAG与Nd:YAG的键合或胶合的晶体，第一增益晶体821的出光面相距第二增益晶体822的入光面距离小于10mm。

再者也可以采用第一增益晶体821为Nd：YAG晶体，其Nd离子的掺杂浓度为0.2％-2％，第二增益晶体822为Nd：YVO4晶体，其Nd离子的掺杂浓度为0.1％-3％，或者，第一增益晶体821为Nd：YVO4晶体其Nd离子的掺杂浓度为为0.1％-2％，第一增益晶体821(10)为Nd：YAG晶体，其Nd离子的掺杂浓度为0.2％-3％。

所述被动调Q晶体83为Cr:YAG、V:YAG、半导体饱和吸收体、石墨烯中的任意一种，被动调Q晶体83的初始透过率为10％-95％。

所述反射镜81、输出镜84中至少一个为凹面镜；或者，所述第一增益晶体821的入光面镀膜，形成所述反射镜81；所述输出镜84为凹面镜。具体来说，反射镜81和输出镜84构成的谐振腔8为稳定腔，反射镜81为凹面镜，输出镜84为平面镜；或者，反射镜81为平面镜输出镜84为凹面镜；或者，反射镜81为凹面镜，输出镜84为凹面镜；或者，反射镜81由第一增益晶体821的左端面镀膜代替，输出镜84为凹面镜，具体参见图2-5所示。

所述泵浦源12为连续半导体激光器或脉冲半导体激光器，当泵浦源12为光纤耦合输出的脉冲半导体激光器时，其中心波长为808nm±5nm，880nm±5nm，885nm±5nm中的一种或以上任意两种波长的组合；传能光纤2长度大于50cm，激光器壳体4体积小于80x80x430mm3，其横截面积小于80x80mm2，长度小于430mm3，泵浦系统1与激光头3的冷却方式为风冷。

实施例七

如图14并参见图10所示，本实施方式公开一种双第一增益晶体紧凑型被动调Q紫外光激光器，包括泵浦系统1，所述泵浦系统1还耦合有依次光耦合的准直镜6、聚焦镜7、谐振腔8、二倍频晶体91和三倍频晶体92；所述泵浦系统1包括泵浦源12，给泵浦源12供电并提供制冷、为二倍频晶体91和三倍频晶体92提供温度控制的驱动源11；所述谐振腔8从聚焦镜7一侧起，依次包括光耦合的反射镜81、采用各项同性、高上能级寿命和高储能材质的第一增益晶体821、采用具备偏振特性材质的第二增益晶体822、被动调Q晶体83和输出镜84；由反射镜81和输出镜84构成的谐振腔8为稳定腔；所述输出镜84的出光面与所述二倍频晶体91耦合。所述泵浦源12通过传能光纤2与所述准直镜6光耦合。泵浦系统1与激光头3的冷却方式为风冷。

所述驱动源11、泵浦源12安装于泵浦系统1中，为一整体；所述准直镜6、聚焦镜7、谐振腔8、二倍频晶体91和三倍频晶体92集成在同一壳体4内，所述壳体4外还固定有与所述三倍频晶体92光耦合的扩束镜5；扩束镜5镀有具有对红外光高反，对紫外光增透的膜系。

所述第一增益晶体821为Nd：YAG晶体或Nd：YAG陶瓷晶体或YAG与Nd:YAG的键合或胶合的晶体，第二增益晶体822为Nd：YVO4晶体或YVO4与Nd：YVO4的键合或胶合的晶体；或者，第一增益晶体821为Nd：YVO4晶体或YVO4与Nd：YVO4的键合或胶合的晶体，第二增益晶体822为Nd：YAG晶体或Nd：YAG陶瓷晶体或YAG与Nd:YAG的键合或胶合的晶体，第一增益晶体821的出光面相距第二增益晶体822的入光面距离小于10mm。

所述第一增益晶体821为Nd：YAG晶体，其Nd离子的掺杂浓度为0.2％-2％，第二增益晶体822为Nd：YVO4晶体，其Nd离子的掺杂浓度为0.1％-3％，或者，第一增益晶体821为Nd：YVO4晶体其Nd离子的掺杂浓度为为0.1％-2％，第一增益晶体821(10)为Nd：YAG晶体，其Nd离子的掺杂浓度为0.2％-3％。

所述被动调Q晶体83为Cr:YAG、V:YAG、半导体饱和吸收体、石墨烯中的任意一种，被动调Q晶体83的初始透过率为10％-95％。

所述反射镜81、输出镜84中至少一个为凹面镜。具体来说，反射镜81和输出镜84构成的谐振腔8为稳定腔，反射镜81为凹面镜，输出镜84为平面镜；或者，反射镜81为平面镜输出镜84为凹面镜；或者，反射镜81为凹面镜，输出镜84为凹面镜；或者，反射镜81由第一增益晶体821的左端面镀膜代替，输出镜84为凹面镜，具体参见图2-5所示。

所述二倍频晶体91为LBO晶体、KTP晶体、BBO晶体、BiBO晶体、CLBO晶体、PPLN晶体，匹配方式可采用临界相位匹配或非临界相位匹配，三倍频晶体92为LBO晶体、BBO晶体、BiBO晶体、CLBO晶体、KDP晶体，匹配方式可采用临界相位匹配或非临界相位匹配。

传能光纤2长度大于50cm，激光器壳体4体积小于80x80x430mm3，其横截面积小于80x80mm2，长度小于430mm3。所述泵浦源12为连续半导体激光器或脉冲半导体激光器，当泵浦源12为光纤耦合输出的脉冲半导体激光器时，其中心波长为808nm±5nm，880nm±5nm，885nm±5nm中的一种或以上任意两种波长的组合。

实施例八

如图11并参见图9、10所示，本实施方式采用高温角度匹配非线性晶体的被动调Q激光器，包括泵浦系统1，与泵浦系统1依次光耦合的准直镜6、聚焦镜7、谐振腔8，其特征在于，所述谐振腔8从聚焦镜7一侧起，依次包括光耦合的反射镜81、增益组件82、被动调Q晶体83和输出镜84；所述输出镜84出光面依次耦合有非线性晶体9和扩束镜5，非线性晶体9匹配的温度大于室温。具体来说，所述非线性晶体9匹配的温度大于25℃，小于等于100℃。，优选的，非线性晶体9匹配的温度大于等于40℃，小于等于60℃。比如45℃、48℃、52℃、55℃、57℃等。更优的选择，非线性晶体9匹配的温度等于50度。

所述准直镜6、聚焦镜7、谐振腔8集成在同一壳体4内，并与泵浦系统1分离；所述泵浦系统1包括泵浦源12，给泵浦源12供电并提供制冷、为非线性晶体9提供温度控制的驱动源11；所述泵浦源12通过传能光纤2与所述准直镜6光耦合。

对于紫外光激光来说，本实施方式的增益组件82可以采用各项同性、高上能级寿命和高储能材质的第一增益晶体821和采用具备偏振特性材质的第二增益晶体822光耦合组成，所述非线性晶体9从输出镜84一侧起，依次包括二倍频晶体91和三倍频晶体92。

所述反射镜81、输出镜84中至少一个为凹面镜。具体来说，反射镜81和输出镜84构成的谐振腔8为稳定腔，反射镜81为凹面镜，输出镜84为平面镜；或者，反射镜81为平面镜输出镜84为凹面镜；或者，反射镜81为凹面镜，输出镜84为凹面镜；或者，反射镜81由第一增益晶体821的左端面镀膜代替，输出镜84为凹面镜，具体参见图2-5所示。

对于绿光激光来说，本实施方式增益组件82仅用一个第一增益晶体821，所述非线性晶体9为二倍频晶体91；所述反射镜81、输出镜84中至少一个为凹面镜。具体来说，反射镜81和输出镜84构成的谐振腔8为稳定腔，反射镜81为凹面镜，输出镜84为平面镜；或者，反射镜81为平面镜输出镜84为凹面镜；或者，反射镜81为凹面镜，输出镜84为凹面镜；或者，反射镜81由第一增益晶体821的左端面镀膜代替，输出镜84为凹面镜。

参见图6，为了使得绿光激光器的结构更为紧凑，所述反射镜81采用凹面镜，所述被动调Q晶体83出光面一端镀有半反半透膜86，形成所述输出镜84，所述第一增益晶体821、被动调Q晶体83、二倍频晶体91采用透明胶材胶合或利用分子键合的方式固定。

实施例九

如图11所示，本实施方式公开一种采用高温角度匹配非线性晶体的被动调Q激光器，包括泵浦系统1，与泵浦系统1依次光耦合的准直镜6、聚焦镜7、谐振腔8，所述谐振腔8从聚焦镜7一侧起，依次包括光耦合的反射镜81、增益组件82、被动调Q晶体83和输出镜84；所述输出镜84出光面依次耦合有非线性晶体9和扩束镜5，非线性晶体9匹配的温度大于室温。

非线性晶体一般采用两种方式进行匹配。一种是温度匹配，一般折射率随温度有明显变化的非线性晶体适合于温度匹配，温度匹配对温度的控制的要求非常严格，一般精度要小于+/-0.1摄氏度，并且很多晶体的匹配温度较高，超过150摄氏度，需要精度较高的温控炉，增加了成本。相比之下另一种非线性晶体匹配方式，即角度匹配较为方便，这种匹配方式是先设置好非线性晶体的使用温度，然后根据这个温度进行匹配角计算，最后按照这个匹配角对晶体进行切割，切割出来的晶体只有在之前设置的那个温度下使用，效率才能最高，这种方式匹配的晶体在工作时使用比较方便，对温度的控制精度要求也没有那么高，因此系统较为简单。

但是现有技术中常规的角度匹配方式，一般晶体的相位匹配角都采用匹配室温(本申请所称室温是指室内温度，根据地域环境不同存在差异一般是指25℃)的切割方式，这种方式会有不足之处：

首先，匹配室温切割方式得到的角度匹配非线性晶体在工作时会需要双向的温度控制，即在夏天使用时需要制冷，冬天使用时需要加热，极大增加了系统的复杂性。

其次，由于激光通过非线性晶体时和没有激光通过非线性晶体时，该晶体的温度有较大的变化，需要较长的温度平衡时间，导致首脉冲序列的能量不足，使加工效果不稳定。假设匹配温度为25℃时其接受温度为+/-1℃，只有在这个温度范围内，其倍频的效率才比较高，如温度不在此范围则倍频效率会下降，出激光的时候激光穿过非线性晶体部分的温度会急剧上升，例如上升至40℃，在不出激光的时候其温度又会迅速降低至25℃，这时出激光和不出激光时温度差的比较大，因此在不出激光到出激光的一瞬间需要一段的温度平衡时间，这段时间会导致首脉冲序列能量不足，响应速度慢，使加工效果不稳定，且要在短时间内平衡温差，造成控制电路复杂，推高成本。而本发明采用高温角度匹配方式则解决了上述问题，例如，假设采用高温角度匹配(以50℃匹配为例)的非线性晶体，该非线性晶体的切割角为(θ＝90°Φ＝10.9°)，其接受温度为+/-1℃，则出激光时为51℃，不出激光的时候为49℃，避免了室温匹配情况下，从室温25℃上升到工作温度50℃所需要的温度平衡时间并且接近非线性晶体的最佳工作温度，因此采用高温匹配时其出激光和不出激光的状态相差较小，可以让非线性晶体更快进入最佳工作温度，使得响应速度明显加快，且调温范围小，也有利于简化控制电路，降低成本。最后，由于能够充分利用了激光通过非线性晶体时产生的能量来提高非线性晶体的温度，因此，采用高温角度匹配的方式还能够进一步降低能耗。

实施例十

如图12所示，本实施方式公开一种分离式被动调Q绿光激光器，包括泵浦系统1，所述泵浦系统1还耦合有与其分离设置的激光头3，所述激光头3依次包括光耦合的准直镜6、聚焦镜7、反射镜81、第一增益晶体821、被动调Q晶体83、输出镜84和二倍频晶体91；所述泵浦系统1包括泵浦源12，给泵浦源12供电并提供制冷、为二倍频晶体91提供温度控制的驱动源11；所述泵浦源12通过传能光纤2与所述准直镜6光耦合。

本发明的泵浦系统1与激光器壳体4采用分离式设计，泵浦系统1与激光器壳体4用传能光纤2相连接，这样使得激光头3的体积更小巧，结构更紧凑；且激光头3和泵浦分离形成独立配件，也方便独立维修、更换，便于安置使用及后期维护。另外，本发明采用被动调Q设计，降低了激光器的成本，具有更好的稳定性。

实施例十一

如图13所示，本实施方式公开一种分离式被动调Q紫外光激光器，包括泵浦系统1，所述泵浦系统1还耦合有与其分离设置的激光头3，所述激光头3依次包括光耦合的准直镜6、聚焦镜7、谐振腔8、二倍频晶体91和三倍频晶体92；所述泵浦系统1包括泵浦源12，给泵浦源12供电并提供制冷、为二倍频晶体91和三倍频晶体92提供温度控制的驱动源11；所述泵浦源12通过传能光纤2与所述准直镜6光耦合。

本发明的泵浦系统1与激光器壳体4采用分离式设计，泵浦系统1与激光器壳体4用传能光纤2相连接，这样使得激光头3的体积更小巧，结构更紧凑；且激光头3和泵浦分离形成独立配件，也方便独立维修、更换，便于安置使用及后期维护。另外，本发明采用被动调Q设计，降低了激光器的成本，具有更好的稳定性。

实施例十二

如图14所示，本实施方式公开一种双增益晶体紧凑型被动调Q紫外光激光器，包括泵浦系统1，所述泵浦系统1还耦合有依次光耦合的准直镜6、聚焦镜7、谐振腔8、二倍频晶体91和三倍频晶体92；所述泵浦系统1包括泵浦源12，给泵浦源12供电并提供制冷、为二倍频晶体91和三倍频晶体92提供温度控制的驱动源11；所述谐振腔8从聚焦镜7一侧起，依次包括光耦合的反射镜81、采用各项同性、高上能级寿命和高储能材质的第一增益晶体821、采用具备偏振特性材质的第二增益晶体822、被动调Q晶体83和输出镜84；由反射镜81和输出镜84构成的谐振腔8为稳定腔；所述输出镜84的出光面与所述二倍频晶体91耦合。

目前所有的技术方案都采用一块晶体作为第一增益晶体821，如要么采用采用各项同性、高上能级寿命和高储能材质的第一增益晶体821(以下以Nd：YAG晶体为例分析)；要么采用具备偏振特性材质的第一增益晶体821(以下以Nd：YVO4晶体为例分析)；由于Nd：YAG晶体为各项同性晶体，其输出的基频光不具有偏振性，从而使后续的非线性频率变换的效率较低，但Nd：YAG晶体上能级寿命长，储能大，在被动调Q时可以获得很高的峰值功率，而采用Nd：YVO4晶体作为第一增益晶体821虽然发射的基频光具有很好的偏振特性，但由于Nd：YVO4晶体的受激截面大，上能级寿命较短，储能小，因此在被动调Q情形下，发射的基频光的峰值功率不高，这也影响了其后续非线性频率变换的效率，为了弥补两种情形的不足，本发明采用类似于Nd：YAG+Nd：YVO4的双第一增益晶体821方案，并且两者晶体具有对泵浦光基本相同的吸收峰(808.5nm和810nm)，因此采用单一泵浦源12即可满足对两种第一增益晶体821的抽运，相同的发射峰(1064nm)，因此采用本发明的双第一增益晶体821会使发射的基频光在Nd：YVO4晶体的偏振发射方向上具有明显的模式竞争优势，从而使输出的基频光具有很好的偏振性。由于非线性晶体要求输入为偏振光，因此，本方案更有利于提高非线性晶体的工作效率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1. 一种平凹腔被动调Q激光器，包括泵浦系统，与泵浦系统依次光耦合的准直镜、聚焦镜、谐振腔，其特征在于，所述谐振腔从聚焦镜一侧起，依次包括光耦合的反射镜、增益组件、被动调Q晶体和输出镜；所述输出镜出光面耦合有非线性晶体；所述泵浦系统包括泵浦源，给泵浦源供电的驱动源；所述反射镜、输出镜中至少一个为凹面镜；凹面的曲率半径范围为50mm-1000mm。

2. 如权利要求1所述的平凹腔被动调Q激光器，其特征在于，所述增益组件的入光面镀膜，形成所述反射镜；所述输出镜为凹面镜。

3. 如权利要求1所述的平凹腔被动调Q激光器，其特征在于，所述增益组件为单增益的第一增益晶体，所述非线性晶体为二倍频晶体；所述反射镜采用凹面镜，所述被动调Q晶体出光面一端镀有半反半透膜，形成所述输出镜，所述第一增益晶体、被动调Q晶体、二倍频晶体采用透明胶材胶合或利用分子键合的方式固定。

4. 如权利要求1所述的平凹腔被动调Q激光器，其特征在于，所述反射镜为凹面镜，输出镜为平面镜；或者，所述反射镜为平面镜，输出镜为凹面镜；或者，所述反射镜和输出镜均为凹面镜。

5. 如权利要求1所述的平凹腔被动调Q激光器，其特征在于，所述凹面的曲率半径范围为300-500mm。

6. 如权利要求1所述的平凹腔被动调Q激光器，其特征在于，所述被动调Q晶体的透过率范围为50%-95%。

7. 如权利要求1所述的平凹腔被动调Q激光器，其特征在于，所述所述增益组件为单增益的第一增益晶体，所述非线性晶体为二倍频晶体，所述第一增益晶体的材质为Nd：YAG晶体，Nd：YVO4晶体，Nd：GGG晶体，Nd：YLF晶体, Nd:GdVO4晶体 ,Nd:YAP晶体或Nd:LuvO4晶体中的任意一种；所述被动调Q晶体为Cr:YAG晶体，Cr:ZnS晶体，Sesam晶体或 V:YAG晶体中的任意一种；所述泵浦源为连续半导体激光器或脉冲半导体激光器，当泵浦源为脉冲半导体激光器时，其中心波长为808nm±5nm，880nm±5nm，885nm±5nm、915nm±5nm、940nm±5nm中的一种或以上任意两种波长的组合。

8. 如权利要求1所述的平凹腔被动调Q激光器，其特征在于，所述增益组件包括两种不同性质的增益晶体，分别为采用各项同性、高上能级寿命和高储能材质的第一增益晶体和采用具备偏振特性材质的第二增益晶体；所述第一增益晶体和第二增益晶体光耦合。

9. 如权利要求8所述的平凹腔被动调Q激光器，其特征在于，所述第一增益晶体为Nd：YAG晶体或Nd：YAG陶瓷晶体或YAG与Nd:YAG的键合或胶合的晶体，第二增益晶体为Nd：YVO4晶体或YVO4与Nd：YVO4的键合或胶合的晶体；或者，第一增益晶体为Nd：YVO4晶体或YVO4与Nd：YVO4的键合或胶合的晶体，第二增益晶体为Nd：YAG晶体或Nd：YAG陶瓷晶体或YAG与Nd:YAG的键合或胶合的晶体，第一增益晶体的出光面相距第二增益晶体的入光面距离小于10mm；

或者，所述第一增益晶体为所述第一增益晶体为Nd：YAG晶体，其Nd离子的掺杂浓度为0.2%-2%，第二增益晶体为Nd：YVO4晶体，其Nd离子的掺杂浓度为0.1%-3%，或者，第一增益晶体为Nd：YVO4晶体其Nd离子的掺杂浓度为为0.1%-2%，第一增益晶体（10）为Nd：YAG晶体，其Nd离子的掺杂浓度为0.2%-3%；

所述被动调Q晶体为Cr:YAG、V:YAG、半导体饱和吸收体、石墨烯中的任意一种，被动调Q晶体的初始透过率为10%-95%；

所述泵浦源为连续半导体激光器或脉冲半导体激光器，当泵浦源为光纤耦合输出的脉冲半导体激光器时，其中心波长为808nm±5nm，880nm±5nm，885nm±5nm中的一种或以上任意两种波长的组合；激光器壳体体积小于80x80x430mm³，其横截面积小于80x80mm²，长度小于430mm。

10. 一种如权利要求1-9任意所述的平凹腔被动调Q激光器的激光产生方法，其特征在于，包括步骤：

泵浦系统发出泵浦光通过传能光纤输出到激光头的准直镜；

通过增益组件产生粒子数反转，发生自发辐射；

在反射镜和输出镜组成的至少带一个凹面镜的谐振腔反馈作用下，产生受激

辐射；

在被动调Q晶体的作用下产生红外脉冲激光；

输出镜输出红外脉冲激光，再经过非线性晶体产生单一波长的激光。