CN106684692A - 脉宽可调激光器 - Google Patents

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Abstract

二极管泵浦的声光Q开关固体激光器，可对固体激光工作物质作终端泵浦，或侧面泵浦，或端泵和侧泵两者的适当复合，并保证激光器工作於基本同样的热效应下，以实现激光脉冲的脉宽可控。

Description

脉宽可调激光器
技术领域
激光两极管泵浦的声光Q开关固体激光器，可以实现可控的激光脉宽。
背景技术
激光二极管泵浦的固体激光器在激光加工、医疗及军事等多方面均有极其广泛的应用。
典型的二极管泵浦固体激光器采用两种典型的泵浦方式，侧面泵浦和端面泵浦。
二极管对固体激光工作物质进行侧面泵浦的方式时，一般直接将二极管板条抵近固体激光工作物质的侧面，直接进行泵浦，或只采用简单的光束整形光学元件对二极管输出光作适当的聚焦整形。其优点是固体激光工作物质的受泵浦面积大，易于靠增加泵浦二极管的数量实现固体激光器的高功率输出。但其另一特点是泵浦光在固体激光工作物质内分布范围较大，固体激光器工作在TEM00模式时，激光振荡模式范围内的激光工作增益较低，因此在采用声光Q开关，工作于脉冲状态时，在确定的激光脉冲重复频率范围内，激光的脉冲宽度较宽。一个典型的数据是对3-8W的三倍频UV激光输出，10kHz脉冲重复频率时，激光的脉宽为60-70ns。
另一典型的泵浦方式是端面泵浦，例如激光二极管的输出经光束整形后耦合到光纤或光纤束中，光纤输出端的输出光束再经聚焦光学元件分别耦合到激光工作物质的两个通光端面。该种方案中与泵浦光相关的光学系统较为复杂，增加了成本。同时固体激光工作物质受泵浦面积有限，限制了固体激光器可实现的输出功率上限。但其另一个特点是泵浦光聚焦耦合入激光工作物质的通光端面处，在固体激光器工作於TEM00模式时，激光工作模式范围内的泵浦光密度高，因此Q开关工作时，特定激光脉冲重复频率下激光的脉宽较窄。一个典型的数据是对于3-8W三倍频UV激光输出，激光脉冲重复频率为10kHz时，激光脉宽为20ns左右。
当然实际中，可以通过设计不同的激光谐振腔长度，或改变泵浦工作的强度来实现不同的激光脉宽。但是，一种硬件的固定设计，只能实现一种确定的激光脉宽输出。而由于固体激光器需要工作在特定的泵浦强度下，以保证激光器处于可以稳定工作的特定热效应下，在实际工作中，试图通过改变泵浦的强度以实现可控改变的激光脉冲宽度并不现实，从而使得某一特定设计制造的固体激光器只能保证一个对应于特定的脉冲重复频率的特定激光脉宽。
但是例如在激光工业加工应用中，对于不同的待加工件材料，为能获得最佳的加工效果、加工速度，所需要的最佳激光脉宽经常是不同的。因此实际应用迫切需要一种固体激光器，其输出的激光脉宽，在特定的脉冲重复频率时，可以方便的通过激光器的控制电路进行方便的控制调节。例如对3-8W UV激光器，脉冲重复频率为10kHz时，激光的脉宽可以在20ns-60ns之间随意调节，择优选用，同时激光脉冲的稳定性和其他激光光束特性如发散角等保持不变。
发明内容
为解决上述固体激光器激光脉宽可控调节的问题，设想研发了侧泵与端泵复合型固体激光器，该激光器的工作可简便的通过软件指令控制在侧泵与端泵之间切换，或工作在侧泵与端泵二者之间不同复合比的复合泵浦情况下。通过适当控制侧泵与端泵的强度，或在复合泵浦情况下控制两种泵浦各自的强度，可以使固体激光器工作于其理想的热状态下，即固体激光工作物质的热形变保证使激光器工作于所需要的稳定区，保证激光的稳定输出，同时实现了激光脉宽的可控调节。
附图说明
图1侧面泵浦的固体激光器示意图
图2端面泵浦的固体激光器示意图
图3本发明端泵与侧泵复合型固体激光器的示意图
具体实施方案
图1所示为一典型的侧面泵浦的固体激光器示意图。其中01为激光全反镜，02为激光输出镜，04为固体激光工作物质，05为声光Q开关，06为输出的激光束。03为泵浦激光二极管或激光二极管组，包括了可能的光束光学整形元件(图中未示出)。其输出的泵浦光束(图中未示出)耦合入激光工作物质的侧面。010为激光器的电源，其输出011用于驱动泵浦二极管03，输入013为声光Q开关05提供驱动电信号。
由于泵浦光直接或经经聚焦后耦合至激光工作物质的侧面，相应被泵浦区内泵浦强度低，与激光TEM00工作模式区域重合性较差，激光工作增益较低，故在Q开关工作时，输出的激光脉冲宽度较宽。但这种结构的泵浦面积大，容许采用数量较多的泵浦激光二极管或激光二极管组进行泵浦，以实现较大的激光输出功率，能量。
一组典型的数据是：对于两组40W的二极管03，在激光工作物质04为Nd：YAG时，并且在激光腔内安置有非线性二及三倍频器件时(图中未标出)，可以实现3-8W的355nm UV激光输出，在脉冲重复频率为10kHz时，典型的激光脉宽为约60ns左右。
图1中各元件的典型性能数据广为人知，此处不再赘述。
图2所示为一典型的端面泵浦的固体激光器的示意图。其中021位激光全反镜，029为激光输出镜，025为固体激光工作物质，026为声光Q开关，022为输出的激光束。023和024为泵浦激光二极管，包括了可能的光束光学整形元件及光束传输光纤(图中未示出)。其输出时泵浦光束036及037分别经聚焦光学元件027及028聚焦后耦合入激光工作物质025的两通光端面处。030为激光器的电源，其输出032及033分别用于驱动泵浦二极管023及024，输出034为声光Q开关026提供驱动电信号。
由于泵浦光经聚焦后耦合至激光工作物质的两通光端面区，相应被泵浦区域小，泵浦区域内泵浦强度高，与固体激光TEM00工作模式区域重合性好，激光工作增益高，故在Q开关工作时，输出的激光脉冲宽度较窄。但在实际应用时，可用的泵浦光功率会受到较大的限制。
一组典型的数据是：对于各为40W的二极管023及024，在激光工作物质025为Nd：YAG时，并且在激光腔内安置有非线性二及三倍频器件时(图中未标出)，可以实现3-8W的355nm UV激光输出，在脉冲重复频率为10kHz时，典型的激光脉宽为约20ns左右。
图2中各元件的典型性能数据广为人知，此处也不再赘述。
图3为本发明端泵与侧泵复合型固体激光器的示意图。其中051位激光全反镜，052为激光输出镜，054为固体激光工作物质，055为声光Q开关，056为输出的激光光束。060和065为端泵泵浦激光二极管，包括了可能的光束光学整形元件及光束传输光纤(图中未示出)。其输出时泵浦光束061及066分别经聚焦光学元件062及067聚焦后耦合入激光工作物质054的两端面处。053为侧泵泵浦激光二极管或激光二极管组，包括了可能的光束光学整形元件(图中未示出)。其输出的泵浦光束(图中未示出)耦合入激光工作物质054的侧面。070为激光器的电源，其输出075及078分别用于驱动端泵泵浦二极管065及060，输出077用于驱动端泵泵浦二极管或激光二极管组053，输入034为声光Q开关026提供驱动电信号。
图3中各元件的典型性能数据广为人知，此处不再赘述。
本激光器的泵浦工作可以有以下三种状态：
1.端泵全功率工作，侧泵强度为零，此时输出激光脉宽为T端；
2.侧泵全功率工作，端泵强度为零，此时输出激光脉宽为T侧；
3.端泵及侧泵复合工作，依据端泵及侧泵强度的不同复合比，激光器输出激光脉宽在T侧及T端之间连续可控调节。
实质上，上述工作状态1及2亦可以看作是工作状态3中的两个极端状态。
在具体设计及生产调试时，当激光器处于工作状态1及2时，端泵强度及侧泵强度分别调控至使固体激光工作物质的热形变处于相类似的状态，因此激光器在工作状态1及2时，均处于相类似的稳定工作区，均可实现稳定的激光输出，但相应的激光脉冲的脉宽分别为T端和T侧
而在工作状态3情况下，根据端泵强度的变化，侧泵强度可以配合调节至使固体激光工作物质达到相似的热变形，而使在该复合泵浦情况下，激光器处于同样的稳定工作区，实现稳定的激光输出。或根据侧泵强度的变化，端泵强度可以配合调节至使固体激光工作物质达到相似的热变形，而使在该复合泵浦情况下，激光器处于同样的稳定工作区，实现稳定的激光输出。依据端泵及侧泵强度的不同复合比，激光器输出激光脉宽在T侧及T端之间连续可控调节。
可见，本发明上述三种工作状态的设计之基本目的并非是为获得更高的激光器输出功率或能量，而是在维持激光器输出功率或能量基本不变的情况下实现激光器输出激光脉宽在T侧及T端之间连续可控的调节，以满足各种应用时对最佳激光器输出激光脉宽的需求。
上述三种工作状态的切换及具体控制，均由软件指令通过激光器的电源070控制实现。
本激光器的硬件成本要比图1及图2所示激光器有所增加，但由于有足够的泵浦光余量，且端泵及侧泵相互之间可在复合工作时相互补充，因此生产中调试较容易，长期工作时亦有足够泵浦能量的余量可以对激光器因其它原因造成的性能下降予以补偿，因此而减少了生产及使用维护成本。

Claims (8)

1.激光二极管泵浦的固体激光器，具有声光Q开关，同时具有对固体激光工作物质进行端面泵浦及侧面泵浦的结构，端面泵浦及侧面泵浦可通过激光二极管的控制驱动系统进行相互独立控制，可对固体激光工作物质分别独立进行端面泵浦或侧面泵浦，或者端面泵浦和侧面泵浦以不同的复合比例同时进行的复合式泵浦，并在上述不同的泵浦的状态下基本上保持激光工作物质的热效应稳定不变，从而使激光器保持处于稳定工作区域，激光器输出的Q开关激光脉冲宽度在脉冲重复频率固定的情况下，可通过泵浦方式的转换或两种泵浦方式同时工作时不同的复合比例进行控制调整。
2.权利要求1中，固体激光工作物质为Nd：YAG，Yb：YAG，Yb：YVO，Ho：YAG,Er：YAG，Nd：YLF。
3.权利要求2中，固体激光工作物质为棒状或板条状。
4.权利要求1中，泵浦用激光二极管波长在500至2000微米。
5.权利要求4中，泵浦用激光二极管配有光束整形微光学元件。
6.权利要求5中，激光二极管的输出先被耦合至导光光纤中，再将导光光纤的输出耦合至固体激光工作物质进行泵浦。
7.权利要求1中，固体激光器内安置有非线性光学元件，激光器的输出为激光器基波的二倍频，三倍频。
8.权利要求1中，激光二极管的控制驱动系统可根据控制指令对端面泵浦及侧面泵浦的激光二极管进行相互独立控制，使固体激光工作物质分别处于端面泵浦及侧面泵浦的状态下，或处于端面泵浦及侧面泵浦同时复合式工作状态下，同时泵浦的强度基本上保持激光工作物质的热效应在上述不同的泵浦的状态下保持稳定不变，从而使激光器保持处于稳定工作区域，激光器输出的Q开关激光脉冲宽度在脉冲重复频率固定的情况下，可通过泵浦方式的转换或两种泵浦方式同时工作时不同的复合比例进行控制调整。
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