CN108400518A - 高功率激光器单向泵浦双向耦合结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率激光器单向泵浦双向耦合结构，光纤耦合模块A发射泵浦光光依次经过耦合透镜组B、小孔光阑C、第一激光腔镜D、激光晶体E、第二激光腔镜G、反向耦合镜F、平面反射镜H；返回的泵浦光依次通过第二激光腔镜G、激光晶体E、第一激光腔镜D、小孔光阑C、耦合透镜组B，且返回的泵浦光在激光晶体E右端面形成焦点，经过耦合透镜组B的透射光，在光纤耦合模块A的前端形成焦点，然后再发散照射到光纤耦合模块A上。本发明利用一个高功率泵浦模块来替代两个泵浦的双端泵方案，具有结构简单，提取效率高，增益稳定等特点。

Description

高功率激光器单向泵浦双向耦合结构

技术领域

本发明涉及激光器结构技术领域，特别是涉及一种高功率激光器单向泵浦双向耦合结构。

背景技术

端面泵浦激光器具有光学质量优异，能量转换效率高等优点，广泛应用于工业零部件的打标、钻孔、划片、焊接、切割以及医疗器械的微加工、电子元件封装、微型部件立体成型等。

端面泵浦激光器最大优点是光束质量优异，工作原理是将泵浦光聚集到晶体中，由于泵浦区域和激光光斑大小接近，这样就可以避免高阶模式的产生，但是由于聚集光斑较小，这样就会急剧增加晶体的热效应，从而使出光功率饱和，这也是制约端面泵浦激光器功率的最大障碍，所以端面泵浦激光器的出光功率比侧面泵浦及光纤泵浦等激光器出光功率也低一些。

因此，设计高功率端面泵浦激光器的核心就是要解决晶体的热效应问题。晶体热效应是制约功率泵浦功率的主要因素。

发明内容

针对上述现有技术存在技术问题，本发明的目的提供一种高功率激光器单向泵浦双向耦合结构。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种高功率激光器单向泵浦双向耦合结构，所述装置包括光纤耦合模块A、耦合透镜组B以及小孔光阑C、第一激光腔镜D、激光晶体E、第二激光腔镜G、反向耦合镜F、平面反射镜H，

所述耦合透镜组B包括用于准直的第一耦合镜B1和用于汇聚的第二耦合镜B2，

其中，光纤耦合模块A发射泵浦光光依次经过耦合透镜组B、小孔光阑C、第一激光腔镜D、激光晶体E、第二激光腔镜G、反向耦合镜F、平面反射镜H；返回的泵浦光依次通过第二激光腔镜G、激光晶体E、第一激光腔镜D、小孔光阑C、耦合透镜组B，且返回的泵浦光在激光晶体E右端面形成焦点，经过耦合透镜组B的透射光，在光纤耦合模块A的前端形成焦点，然后再发散照射到光纤耦合模块A上。

其中，所述激光晶体E由两段以上晶体组成。

其中，所述激光晶体E由三段晶体组成。

其中，所述光纤耦合模块A为888nm模块，功率大于100W。

其中，激光腔镜包括第一激光腔镜D，第二激光腔镜G，均为888nm高透，1064nm高反射镜。

与现有技术相比，本发明的有益效果为，利用一个高功率泵浦模块来替代两个泵浦的双端泵方案，具有结构简单，提取效率高，增益稳定等特点，便于在产业上推广和应用。

附图说明

图1所示为本申请的结构示意图；

图2所示为本申请的正向透射原理示意图；

图3所示为本申请的反向透射原理示意图；

图中，A:光纤耦合模块；B：耦合透镜组，B1：第一耦合镜，B2：第二耦合镜；C：小孔光阑；D：第一激光腔镜；G：第二激光腔镜；E：激光晶体，E1：第一晶体，E2：第二晶体，E3：第三晶体；F：反向耦合镜；H:平面反射镜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，既包括某一部件与另一部件直接连接，也包括某一部件通过其他部件与另一部件相连接。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个部件或者模块或特征与其他部件或者模块或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了部件或者模块在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的部件或者模块被倒置，则描述为“在其他部件或者模块或构造上方”或“在其他部件或者模块或构造之上”的部件或者模块之后将被定位为“在其他部件或者模块或构造下方”或“在其他部件或者模块或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该部件或者模块也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为了得到高功率的红外激光器需要尽量的完善晶体的散热条件，使晶体在相同热效应的情况下能够注入更高的泵浦功率；此外还可以改变泵浦光波长，提高量子转换效率，或使用键合晶体等方式来降低热效应。

如图1所示，本申请实施例包括：

光纤耦合模块A，具体地其可以为888nm模块，功率大于100W；

耦合透镜组B，其可包括两个透镜第一耦合镜B1，第二耦合镜B2，根据设计要求选择相应耦合镜片比，其中，设计要求第一耦合镜B1用于准直，第二耦合镜B2用于汇聚，例如1:2耦合头，f1＝15mm,f2＝30mm；

小孔光阑C；

激光腔镜，也为两个，第一激光腔镜D，第二激光腔镜G，为激光器中一部分，可以采用888nm高透，1064nm高反射镜；

激光晶体E，其可以由二块以上晶体组成，本实施例中，包含E1，E2，E3三块晶体，晶体类别可以使用Nd:YVO4或者Nd：YAG，也可以使用其他类别的晶体。

反向耦合镜F；平面反射镜H。

上述一种高功率单端泵双通耦合方案，此方案可以使用一个高功率泵浦模块单向泵浦一块激光晶体，首先通过不同浓度的晶体，然后将没有吸收的泵浦光再通过耦合镜反向耦合回晶体内，从而达到更高的耦合效率。

本方案可以适用于高功率单面泵浦设计，具有增益区域均匀，泵浦光利用率高等优点。

工作原理如下：如图2所示，首先，由光纤耦合模块A发射泵浦光，通常泵浦模块的泵浦波长选择大于880nm泵浦光，选取长波长泵浦光的主要作用在于提高晶体的量子转换效率，降低晶体的热效应，但是通常波长大于880nm泵浦光吸收效率比较低，所以需要增加晶体长度来增加泵浦光的吸收效率。由光纤耦合模块A发出的光首先经过耦合透镜组B，具体的耦合比需更加光学设计自行进行设计，同时耦合镜组B也不局限于两个镜片，或者有多个镜片组成，本方案中设计耦合比为1:2，B2的焦距选择尽量选取适合激光器设计的耦合距离，在本设计方案中由于出光功率最优位置在晶体E中的中间附件，所以需要选取适合B2焦距。B1主要起到准直的作用，B2主要是耦合作用。

经过耦合头的泵浦光然后依次通过小孔光阑C，第一激光腔镜D，激光晶体E进行传播，通常880波长以上的泵浦进行泵浦的时候，由于晶体对泵浦吸收比较少，所以通常晶体比较长，所以功率最优的位置并不是在晶体的前端面位置，对于880nm或者888nm的泵浦光源，焦点位置通常处于中心位置附近，此外由于吸收相对于808nm的光要弱，所以单向通过的时候吸收率通常会低于80％，所有会有大量的剩余泵浦光没有利用，如果增加晶体的长度可以吸收剩余额泵浦光，但是晶体长度增加后，会产生两个问题，1)长晶体的制作成本相对于同长度两块晶体要贵，2)泵浦光在增加长度晶体位置的发散角比较大，从而泵浦功率比较低，所以相应的吸收效率也低，所以增加晶体长度的方案并不是一个理想的方案。同时晶体长度基本有一个最长的长度，相对于长于880nm泵浦光，最优长度通常小于30mm。剩余的泵浦光在透过第二激光腔镜G后继续向后传播，剩余泵浦光在此时传播是发散的，在传播方向上放置反向耦合镜F，发散的光通过反向耦合镜F后汇聚，反向耦合镜F的汇聚能力根据设计要求进行确定，在本方案设计中，当第二耦合镜B2和反向耦合镜F对称放置时候，将反向耦合镜F的焦距略小于B2的焦距即可，此方案中可以设计反向耦合镜F的焦距为27mm。在反向耦合镜F后放置泵浦光平面反射镜H，并可以调整H的前后位置，在本方案中使剩余反射光汇聚焦点于晶体的右端面上。

如图3所示，返回泵浦光不需要按照原光路返回，是因为从平面反射镜H返回的泵浦光通常比较弱，如果按照原光路返回的时候，泵浦功率分布在比较大增益体积内，这样单位面积上功率密度相对来说比较弱，这样激光在泵浦区域内部的提取效率不高。而在本案设计中将泵浦光的焦点聚焦到晶体端面上，这样就可以将剩余泵浦光聚焦到很小的泵浦体积内，这样能够提高单位面积上的功率密度，可以提取出更多的激光能量。

返回的泵浦光首先在右端面形成焦点，然后剩余的泵浦光再次通过晶体，通过晶体后剩余的光通过小孔光阑后有一部分光被小孔挡住，剩下的透射光最终在光纤头的前端形成焦点，然后再发散照射到光纤头上，最终反向汇聚到焦点的功率小于总功率的5％，如果使用100W模块，在反向回焦点的功率小于5W，而光纤头并非在焦点处，所以照射到光纤头上的功率可以用相应面积的比例进行计算，反射入射进入光纤的功率低于1％，不会对光纤耦合头内部造成损坏。

晶体E使用三晶体分离方案，三晶体并非是键合晶体，但是利用键合晶体的工作原理将三段晶体的浓度进行设计，在距离光纤耦合头最近处的晶体E1使用低浓度的短晶体(低浓度相对于最终浓度来说)，中间位置放置最长的最优浓度晶体E2，最右端出射位置放置浓度最高晶体E3。当泵浦光由左端入射的时候，由于入射功率比较高，同时最左端的泵浦区域要比激光区域大，所以使用低浓度晶体这样可以减少热效应，减少激光提取区域以外的泵浦能量吸收。在中间晶体中采用最优的晶体浓度，达到最高的提取效率。最右端由于剩余的泵浦功率比较弱，所以为了增加泵浦光的吸收，所以采用的高浓度晶体，同时高功率晶体的另一个目的也是因为当反射回来的泵浦光汇聚时候，这时泵浦光比较弱，相应泵浦效率比较低，所以提高最后一个晶体的掺杂浓度能够提高激光的提取效率。同时为了避免晶体之间过近产生的标准具效应，在放置晶体位置的时候，尽量让晶体之间成一定的微小角度放置，这样基本就不会产生影响。使用三块晶体分别放置，而非使用一块键合晶体的好处是，首先加工成本相对键合晶体要便宜，同时可能存在由于调试操作不当产生端面的算坏，如果将晶体分开，这样就可以将坏晶体直接替换，维修成品便宜。

此高功率单向泵浦双通设计方案的优点在于利用一个高功率泵浦模块来替代两个泵浦的双端泵方案，具有结构简单，提取效率高，增益稳定等特定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高功率激光器单向泵浦双向耦合结构，其特征在于，所述装置包括光纤耦合模块(A)、耦合透镜组(B)以及小孔光阑(C)、第一激光腔镜(D)、激光晶体(E)、第二激光腔镜(G)、反向耦合镜(F)、平面反射镜(H)，

所述耦合透镜组(B)包括用于准直的第一耦合镜(B1)和用于汇聚的第二耦合镜(B2)，

其中，光纤耦合模块(A)发射泵浦光光依次经过耦合透镜组(B)、小孔光阑(C)、第一激光腔镜(D)、激光晶体(E)、第二激光腔镜(G)、反向耦合镜(F)、平面反射镜(H)；返回的泵浦光依次通过第二激光腔镜(G)、激光晶体(E)、第一激光腔镜(D)、小孔光阑(C)、耦合透镜组(B)，且返回的泵浦光在激光晶体(E)右端面形成焦点，经过耦合透镜组(B)的透射光，在光纤耦合模块(A)的前端形成焦点，然后再发散照射到光纤耦合模块(A)上。

2.根据权利要求1所述的高功率激光器单向泵浦双向耦合结构，其特征在于，所述激光晶体(E)由两段以上晶体组成。

3.根据权利要求2所述的高功率激光器单向泵浦双向耦合结构，其特征在于，所述激光晶体(E)由三段晶体组成。

4.根据权利要求1所述的高功率激光器单向泵浦双向耦合结构，其特征在于，所述光纤耦合模块(A)为888nm模块，功率大于100W。

5.根据权利要求1所述的高功率激光器单向泵浦双向耦合结构，其特征在于，所述激光腔镜包括第一激光腔镜(D)，第二激光腔镜(G)，均为888nm高透，1064nm高反射镜。