CN105305218A - 一种全固态激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全固态激光器，包括激光谐振腔，激光谐振腔中设有复合激光晶体，对应复合激光晶体设有泵浦光源；泵浦光源包括一个或者至少两个沿谐振腔中光路方向间隔设置的泵浦光单元，泵浦光单元为至少两个半导体沿复合激光晶体周向设置的半导体阵列；泵浦光源包括一个或者至少两个沿激光光路间隔设置的泵浦光单元，泵浦光单元为由至少两个半导体沿复合激光晶体周向设置的半导体阵列；复合激光晶体吸收泵浦光源发出的泵浦光后产生对应的激光，该激光在激光谐振腔中进行振荡并射出。激光器具有较稳定输出能力，而且使激光器小型化，该装置具有体积小，光束均匀，激光能量微调整容易等特点，并且输出的激光能量得到了大幅度提升。

Description

一种全固态激光器

技术领域

本发明涉及一种全固态激光器，尤其涉及一种采用以光控光稳定激光能量输出的全固态激光器。

背景技术

国内外同等功率的激光器，大多采用种子放大技术或激光器电源电压能量自反馈技术，但是利用这两种技术而制造出的激光器输出不稳定，而且输出的激光的能量也不是特别高，不满足广泛使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种全固态激光器，用以解决传统的激光器输出不稳定、而且输出能量不高的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种全固态激光器，包括激光谐振腔，激光谐振腔中设有复合激光晶体，对应所述复合激光晶体设有泵浦光源；所述泵浦光源包括一个或者至少两个沿所述谐振腔中光路方向间隔设置的泵浦光单元，所述泵浦光单元为至少两个半导体沿所述复合激光晶体周向设置的半导体阵列。

所述激光谐振腔包括全反射镜和用于部分透射、部分反射激光的半反射镜，所述复合激光晶体设置在所述全反射镜和半反射镜之间的激光光路上，所述复合激光晶体和所述全反射镜之间的光路上设置有调Q晶体，所述调Q晶体和复合激光晶体键合。

所述复合激光晶体为振荡级激光Nd:YAG晶体；所述调Q晶体为透过率为50％的掺Cr⁴⁺的YAGQ晶体，用于对振荡级激光Nd:YAG晶体进行脉宽压缩，使振荡级激光Nd:YAG晶体输出的激光获得窄脉宽输出。

所述振荡级激光Nd:YAG晶体为掺1％Nd离子的YAG晶体，该振荡级激光Nd:YAG晶体两端镀1064nm增透膜。

所述激光器还包括一个放大级Nd:YAG晶体，所述放大级Nd:YAG晶体设置在所述半反射镜的出射光路上，用于对半反射镜的出射激光进行一级放大。

所述全固态激光器还包括一个辅助光源，所述辅助光源包括一个或者至少两个沿所述激光光路间隔设置的辅助单元，所述辅助单元为由至少两个半导体沿所述放大级Nd:YAG晶体周向设置的半导体阵列。

所述激光器还包括一个光电探测器，所述光电探测器的尾纤用于取样所述半反射镜与所述复合激光晶体之间光路上的激光，所述光电探测器控制连接一个用于驱动所述泵浦光源的阵列驱动源；光电探测器根据取样的激光进行数据处理，并输出给所述阵列驱动源相应地驱动信号。

所述半反射镜与所述复合激光晶体之间的光路上设置有一个起偏棱镜，用于对穿过该起偏棱镜的激光进行偏振处理，符合透光条件的激光通过，不符合透光条件的激光输出所述激光谐振腔外；所述激光器还包括设置依次设置在所述半反射镜与所述放大级Nd:YAG晶体之间光路上的光阑和折转棱镜，依次经半反射镜和光阑后射出的激光经过所述折转棱镜的折转后输入给所述放大级Nd:YAG晶体。

激光器包括一个金属热沉，该金属热沉分为两个热沉板：第一热沉板和第二热沉板，所述复合激光晶体和放大级激光Nd:YAG晶体焊接在所述第一热沉板上，用于为复合激光晶体和放大级激光Nd:YAG晶体进行散热；所述泵浦光源和辅助光源焊接在所述第二热沉板上，用于为泵浦光源和辅助光源散热。

所述金属热沉为铜热沉，所述复合激光晶体和放大级激光Nd:YAG晶体均为圆柱体；

所述第二热沉板上加工有两个凹槽：第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽与所述复合激光晶体对应设置，所述第一凹槽的槽壁上设置所述泵浦光源，所述复合激光晶体与所述泵浦光源存在着径向的间隙；所述第二凹槽与所述放大级激光Nd:YAG晶体对应设置，所述第二凹槽的槽壁上设置所述辅助光源，所述放大级激光Nd:YAG晶体与所述辅助光源存在着径向的间隙。

利用光控光稳定激光能量输出的全固态Nd:YAG激光器技术改变了激光器的输出特性，使激光器具有较稳定输出能力，该激光器中的泵浦光源包括一个或者至少两个沿激光光路间隔设置的泵浦光单元，每个泵浦光单元均为由至少两个半导体沿复合激光晶体周向设置的半导体阵列，泵浦光源设置在复合激光晶体的周围，能够同时向该晶体上照射泵浦光，复合激光晶体吸收大量的泵浦光，进而产生大功率的激光，这样布置泵浦光源的作用在于以较小的占用空间释放较大功率的泵浦光，继而能够产生大功率的激光，这样的设计特点使激光器小型化，该装置具有体积小，光束均匀，激光能量微调整容易等特点，并且输出的激光能量得到了大幅度提升。

附图说明

图1是全固态激光器结构示意图；

图2是激光器热沉剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供的全固态激光器是采用以光控光稳定激光能量输出的全固态Nd:YAG激光器，其是基于集稳定腔技术、激光棒铟焊技术、光纤探针技术、稳定动态偏振补偿技术、晶体键合技术、激光放大技术一体的激光器。

如图1所示，该激光器包括一个全反射镜1和半反射镜8，全反射镜1和半反射镜8之间形成一个激光振荡腔，该激光振荡腔内、且在光路上设置有掺Cr⁴⁺的YAG晶体2和振荡级Nd:YAG晶体4(振荡级Nd:YAG晶体也称为振荡级Nd:YAG激光棒)。泵浦光源3包括一个或者至少两个沿激光光路间隔设置的泵浦光单元，泵浦光单元为由至少两个半导体沿振荡级Nd:YAG晶体4周向设置的半导体阵列。

掺Cr⁴⁺的YAG晶体2设置在振荡级激光Nd:YAG晶体4于全反射镜1之间的光路上，振荡级激光Nd:YAG晶体4和掺Cr⁴⁺的YAG晶体2通过晶体键合技术键合，振荡级激光Nd:YAG晶体4靠近半反射镜8，掺Cr⁴⁺的YAG晶体2靠近全反射镜1，振荡级激光Nd:YAG晶体4的两端镀1064nm增透膜。掺Cr⁴⁺的YAG晶体2为透过率为50％的掺Cr⁴⁺的YAGQ晶体，振荡级Nd:YAG晶体4为Nd离子掺杂浓度为1％的激光增益Nd：YAG棒。

全反射镜1为一厚度为5mm，直径为16mm的K9玻璃激光反射镜，其靠近掺Cr⁴⁺的YAG晶体2的表面为平面镜，而且该平面镜上镀有1064nm的全反膜，其主要作用是将激光反馈到腔内，产生受激放大。半反射镜8为一厚度为5mm，直径为16mm的K9玻璃激光反射镜，其远离振荡级Nd:YAG晶体4的一面为平面，镀1064nm增透膜，其靠近振荡级Nd:YAG晶体4的面也为平面，镀1064nm的20％半反射膜，其主要作用是将一部分激光反馈到腔内，产生受激放大，将另一部分激光透射到该激光器的后续的部件中。

所以，全反射镜1、掺Cr⁴⁺的YAG晶体2、振荡级Nd:YAG晶体4和半反射镜8形成振荡级激光振荡腔，振荡级Nd:YAG晶体4受半导体阵列发出的泵浦光照射后，吸收该泵浦光，形成增益通道并产生1.064μm的激光。掺Cr⁴⁺的YAG晶体2对振荡级Nd:YAG晶体4产生的激光的初始透过率为50％，而且，掺Cr⁴⁺的YAG晶体2的主要作用是对振荡级Nd:YAG晶体4进行脉宽压缩，使振荡级Nd:YAG晶体4发出的激光获得窄脉宽输出。

该泵浦光源3和辅助光源的峰值功率共2.8kw，采用宽光谱设计，其用来进行激光器功率的额定输出。泵浦光源3中还包括功率为0.2kw的半导体阵列，其由两组组成，其由波长分别为808nm和1064nm的布拉格散射光栅窄光谱阵列组成，两组阵列的功率分别为0.1Kw，分布在振荡棒上，其用来控制激光能量的波动，能量减小时808nm阵列启动，能量增加时1064nm阵列启动。

该泵浦光源3产生的泵浦光经振荡级Nd:YAG晶体4吸收后产生相应的激光。当泵浦光源3工作时，泵浦光被振荡级Nd:YAG激光棒4吸收，自发辐射产生的1064nm激光在振荡级形成激光振荡，在振荡级Nd:YAG激光棒4储能期间，Q晶体的透过率较低，当振荡级Nd:YAG激光棒4的储能最大时，Q晶体的透过率突然增加，产生激光振荡，由于全反镜半反镜的耦合，激光输出。

在振荡级Nd:YAG晶体4与半反射镜8之间的光路上设置有起偏棱镜6，该起偏棱镜6为一空气间隙的棱镜对，用来对自发辐射的激光进行偏振处理，符合透光条件的激光通过，不符合透光条件的激光输出腔外。所以，该起偏棱镜6相当于一个滤光片，将符合要求的激光保留，滤除不符合要求的杂光。

起偏棱镜6于半反射镜8之间设置有光纤探针7，该光线探针7为一带尾纤的光电探测器，尾纤的主要作用是取样经起偏棱镜6处理后输出的激光，并对取样的激光进行光电转换及数据处理，并提供能量增大或减小的触发信号；该光电探测器控制连接一个阵列驱动源5，该阵列驱动源5具体是为半导体阵列提供驱动的电子电路。

光纤探针探测到激光信号增强时，即激光能量变大时，其驱动半导体阵列中的1064nm阵列工作，1064nm激光诱发离子自发辐射增强，激光工作物质上能级离子减小，激光器增益减小，进而使激光器输出能量向小的方向变化；当激光能量变小时，光纤探针探测到信号减弱，其驱动半导体阵列中的808nm阵列工作，808nm激光激发离子跃迁，激光工作物质上能级离子增加，激光器增益增强，进而使激光器输出能量向大的方向变化。通过控制阵列驱动源5，对阵列进行控制，能够稳定激光器的输出能量。

半反射镜8射出的激光经过的光路上依次设置有光阑9、折转棱镜10及放大级Nd:YAG激光棒11。

光阑9为一厚度为1.5mm，内孔直径为4mm的钛合金圆片，主要用于将激光光斑阑成与振荡级Nd:YAG晶体4相匹配的光斑，以匹配入瞳直径为5mm的光学天线。

折转棱镜10为熔融石英材质的直角棱镜，该折转棱镜10的通光端面(靠近光阑9的表面)镀1064増透膜，激光出入该端面时，该端面对1.064μm的激光高透；另外，该折转棱镜10的两个反射面能够将穿过光阑9的激光进行连续两次的反射，经过两次的反射后，将激光的传播方向改变了180°。

经折转棱镜10的反射后，激光耦合到放大级Nd:YAG激光棒11中，放大级Nd:YAG激光棒11为两端镀増透膜的掺Nd为1.2％的YAG圆柱，用于实现激光的一级放大输出。

放大级Nd:YAG激光棒11还配套设置有辅助光源，该辅助光源与上述泵浦光源一样，也是由半导体阵列构成。该辅助光源包括一个或者至少两个沿激光光路间隔设置的辅助单元，每个辅助单元也为由至少两个半导体沿放大级Nd:YAG激光棒11周向设置的半导体阵列。辅助光源具体为辐射波长为1064nm的半导体阵列，其沿放大级Nd:YAG激光棒11周向布置，用于激光能量有向高波动趋势时，增强Nd:YAG自发辐射，降低上能级粒子数，阻止能量的向高波动。

该辅助光源用于泵浦放大级Nd:YAG激光棒11，当该辅助光源工作时，其产生的泵浦光会被放大级Nd:YAG激光棒11吸收，进而产生相应的激光。

经过该放大级Nd:YAG激光棒11放大后输出的激光即是该全固态激光器的输出。

另外，由于全固态激光器在高功率泵浦的情况下，激光增益介质存在着热效应，而且，当热效应异常时，该热效应能够严重影响激光器的功率的稳定性、光束质量和激光效率等。尤其在棒状增益晶体中，会形成严重的热透镜，同时热效应还会引起晶体端面凸起，这种情况会直接影响激光谐振腔内的模式分布，从而影响到整体的激光性能。因此，为了减少热效应的影响，就需要对振荡级Nd:YAG晶体4和放大级Nd:YAG激光棒11进行有效地散热。

将振荡级Nd:YAG激光棒4与放大级Nd:YAG激光棒11采用铟焊技术焊接在金属热沉上，利用金属热沉进行散热。为了说明方便，本实施例以散热性较好的紫铜热沉为例进行说明，当然，其并不局限于紫铜热沉。

如图1所示，通过折转棱镜10的两次反射，将激光进行了180°折转，也就是说，射出振荡级Nd:YAG激光棒4的激光和射入放大级Nd:YAG激光棒11的激光为平行光，所以，振荡级Nd:YAG激光棒4和射入放大级Nd:YAG激光棒11平行设置。同时，如图2所示，紫铜热沉分为第一热沉板和第二热沉板，第一热沉板为激光棒热沉12，将振荡级Nd:YAG激光棒4和射入放大级Nd:YAG激光棒11通过铟焊平行焊接在激光棒热沉12上，用于振荡级Nd:YAG激光棒4和射入放大级Nd:YAG激光棒11的散热；第二热沉板为阵列热沉板13，阵列热沉板13上加工有两个凹槽：第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽与振荡级Nd:YAG激光棒4对应设置，在第一凹槽的槽壁上设置泵浦光源3，振荡级Nd:YAG激光棒4与泵浦光源3存在着径向的间隙，也即：阵列发光面与激光棒表面之间有一定的间隙，例如1mm的间隙，这样能够防止激光棒面的反光造成阵列的损坏；第二凹槽与放大级激光Nd:YAG晶体11对应设置，在第二凹槽的槽壁上设置辅助光源(也是通过铟焊进行焊接)，放大级激光Nd:YAG晶体11与辅助光源存在着径向的间隙，也即：阵列发光面与激光棒表面之间有一定的间隙，例如1mm的间隙，这样能够防止激光棒面的反光造成阵列的损坏。

另外，为了使振荡级Nd:YAG激光棒4和射入放大级Nd:YAG激光棒11能够有效地焊接在激光棒热沉12上，激光棒热沉12上可以加工有与这两个激光棒等尺寸的圆槽，将激光棒置于对应的圆槽内，然后通过铟焊进行焊接。

上述实施例中，泵浦光源、调Q晶体、复合激光晶体均不局限于上述实施例中给出的具体实施方式，作为其他的实施方式，复合激光晶体还可以是振荡级Nd³⁺:YVO₄晶体等其他复合激光晶体，泵浦光源也可以是其他符合要求的能够产生泵浦光的介质，调Q晶体也可以是其他符合要求的晶体。

上述实施例中，在半反射镜的出射光路上设置有放大级Nd:YAG晶体，用于对激光进行一级放大，这是一种优化的实施方式，作为其他的实施例，如果不需要对激光进行再次放大，就无需设置放大级Nd:YAG晶体。

上述实施例中，设置起偏棱镜用于滤除不符合条件的杂光，作为其他的实施例，如果对杂光没有严格要求的话，也就无需设置起偏棱镜。同理，如果对激光的输出能量没有严格稳定性要求的话，光电探测器也就无需设置。

上述实施例中，折转棱镜用于对激光的输出方向进行控制，作为其他的实施例，徐国无需对激光的输出方向进行控制，也就无需设置折转棱镜。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种全固态激光器，包括激光谐振腔，激光谐振腔中设有复合激光晶体，对应所述复合激光晶体设有泵浦光源；其特征在于，所述泵浦光源包括一个或者至少两个沿所述谐振腔中光路方向间隔设置的泵浦光单元，所述泵浦光单元为至少两个半导体沿所述复合激光晶体周向设置的半导体阵列。

2.根据权利要求1所述的全固态激光器，其特征在于，所述激光谐振腔包括全反射镜和用于部分透射、部分反射激光的半反射镜，所述复合激光晶体设置在所述全反射镜和半反射镜之间的激光光路上，所述复合激光晶体和所述全反射镜之间的光路上设置有调Q晶体，所述调Q晶体和复合激光晶体键合。

3.根据权利要求2所述的全固态激光器，其特征在于，所述复合激光晶体为振荡级激光Nd:YAG晶体；所述调Q晶体为透过率为50％的掺Cr⁴⁺的YAGQ晶体，用于对振荡级激光Nd:YAG晶体进行脉宽压缩，使振荡级激光Nd:YAG晶体输出的激光获得窄脉宽输出。

4.根据权利要求3所述的全固态激光器，其特征在于，所述振荡级激光Nd:YAG晶体为掺1％Nd离子的YAG晶体，该振荡级激光Nd:YAG晶体两端镀1064nm增透膜。

5.根据权利要求3所述的全固态激光器，其特征在于，所述激光器还包括一个放大级Nd:YAG晶体，所述放大级Nd:YAG晶体设置在所述半反射镜的出射光路上，用于对半反射镜的出射激光进行一级放大。

6.根据权利要求5所述的全固态激光器，其特征在于，所述全固态激光器还包括一个辅助光源，所述辅助光源包括一个或者至少两个沿所述激光光路间隔设置的辅助单元，所述辅助单元为由至少两个半导体沿所述放大级Nd:YAG晶体周向设置的半导体阵列。

7.根据权利要求2所述的全固态激光器，其特征在于，所述激光器还包括一个光电探测器，所述光电探测器的尾纤用于取样所述半反射镜与所述复合激光晶体之间光路上的激光，所述光电探测器控制连接一个用于驱动所述泵浦光源的阵列驱动源；光电探测器根据取样的激光进行数据处理，并输出给所述阵列驱动源相应地驱动信号。

8.根据权利要求5所述的全固态激光器，其特征在于，所述半反射镜与所述复合激光晶体之间的光路上设置有一个起偏棱镜，用于对穿过该起偏棱镜的激光进行偏振处理，符合透光条件的激光通过，不符合透光条件的激光输出所述激光谐振腔外；所述激光器还包括设置依次设置在所述半反射镜与所述放大级Nd:YAG晶体之间光路上的光阑和折转棱镜，依次经半反射镜和光阑后射出的激光经过所述折转棱镜的折转后输入给所述放大级Nd:YAG晶体。

9.根据权利要求8所述的全固态激光器，其特征在于，激光器包括一个金属热沉，该金属热沉分为两个热沉板：第一热沉板和第二热沉板，所述复合激光晶体和放大级激光Nd:YAG晶体焊接在所述第一热沉板上，用于为复合激光晶体和放大级激光Nd:YAG晶体进行散热；所述泵浦光源和辅助光源焊接在所述第二热沉板上，用于为泵浦光源和辅助光源散热。

10.根据权利要求9所述的全固态激光器，其特征在于，所述金属热沉为铜热沉，所述复合激光晶体和放大级激光Nd:YAG晶体均为圆柱体；

所述第二热沉板上加工有两个凹槽：第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽与所述复合激光晶体对应设置，所述第一凹槽的槽壁上设置所述泵浦光源，所述复合激光晶体与所述泵浦光源存在着径向的间隙；所述第二凹槽与所述放大级激光Nd:YAG晶体对应设置，所述第二凹槽的槽壁上设置所述辅助光源，所述放大级激光Nd:YAG晶体与所述辅助光源存在着径向的间隙。