CN108899753B - 一种端面均匀泵浦固体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种端面均匀泵浦固体激光器，第一激光泵浦源组件出射第一泵浦光，且第一泵浦光依次经过热补偿负透镜、第二泵浦源反射镜的透射后入射聚焦到激光晶体内的第一聚焦点；第二激光泵浦源组件出射第二泵浦光，且第二泵浦光经过第二泵浦源反射镜的反射后入射聚焦到激光晶体内的第二聚焦点；第三激光泵浦源组件出射第三泵浦光，且第三泵浦光经过第三泵浦源反射镜的反射后入射聚焦到激光晶体内的第三聚焦点；第四激光泵浦源组件出射第四泵浦光，且第四泵浦光依次经过第四泵浦源反射镜的反射、第三泵浦反射镜的透射后入射聚焦到激光晶体内的第四聚焦点。本发明解决减小固体激光器体积的同时提高激光器的输出功率、降低激光的脉冲宽度。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种端面均匀泵浦固体激光器。
背景技术
半导体端面泵浦固体激光器结构简单、体积小巧、光束质量好、运行稳定、易于集成，因此被广泛应用在激光打标、激光划线、精密调阻、激光清洗，以及激光内雕等激光加工行业。
随着工业应用对激光加工效果及加工效率要求的不断提高，市场对激光器也提出了更多的要求，缩小固体激光器体积、减小输出激光脉冲宽度，以及采用风冷的冷却方式是常见的应用要求。若要缩小固体激光器体积，首先要缩短激光谐振腔的腔长，在同等条件下，腔长越短，重复频率越高、脉宽越窄。而对于较短的激光谐振腔长度，谐振腔内振荡模的高斯光束光斑尺寸较小。为了和光斑尺寸较小的高斯光束相匹配，聚焦光斑尺寸会受到一定的限制，通常对于160mm左右的谐振腔长度，聚焦光斑直径一般小于400μm。由于激光晶体对808nm半导体激光的吸收系数较大，加上泵浦光斑直径较小，导致单位体积的光功率密度巨大，对应的热透镜效应剧烈，激光器输出功率受到极大限制，无法实现激光器的小体积、窄脉宽、高功率稳定运转。特别是体积非常小的激光晶体也可以吸收非常大的半导体激光泵浦功率。激光晶体吸收的泵浦功率可以通过激光谐振腔来提取出来，通常情况下，谐振腔的提取效率在50％左右。也就是说，有将近一半的半导体激光泵浦功率会以热量的方式存在于激光晶体中。如前所述，吸收了一半半导体激光泵浦功率的激光晶体体积非常小，而激光晶体内部热量主要通过热传导方式带走。众所周知，热传导表面积越大，导热能力越强。与之相反，激光晶体表面积非常小，因此激光晶体内部热量无法通过热传导的方式有效散除，激光晶体内部热量逐步堆积，导致激光晶体炸裂，激光器损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种端面均匀泵浦固体激光器，解决减小固体激光器体积的同时提高激光器的输出功率、降低激光的脉冲宽度。
为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种端面均匀泵浦固体激光器，包括第一激光泵浦源组件、热补偿负透镜、第二激光泵浦源组件、第二泵浦源反射镜、激光晶体、第三激光泵浦源组件、第三泵浦源反射镜、第四激光泵浦源组件、第四泵浦源反射镜、Q开关、激光输出镜；所述热补偿负透镜与激光输出镜构成激光谐振腔，激光谐振腔内从热补偿负透镜一侧至激光输出镜一侧依次分布第二泵浦源反射镜、激光晶体、第三泵浦源反射镜、第四泵浦源反射镜、Q开关；所述第一激光泵浦源组件用于出射第一泵浦光，且第一泵浦光依次经过热补偿负透镜、第二泵浦源反射镜的透射后入射聚焦到激光晶体内的第一聚焦点；所述第二激光泵浦源组件用于出射第二泵浦光，且第二泵浦光经过第二泵浦源反射镜的反射后入射聚焦到激光晶体内的第二聚焦点；所述第三激光泵浦源组件用于出射第三泵浦光，且第三泵浦光经过第三泵浦源反射镜的反射后入射聚焦到激光晶体内的第三聚焦点；所述第四激光泵浦源组件用于出射第四泵浦光，且第四泵浦光依次经过第四泵浦源反射镜的反射、第三泵浦反射镜的透射后入射聚焦到激光晶体内的第四聚焦点。
较佳地，所述第一泵浦光传输方向与激光谐振腔的长度方向重合；所述第二泵浦源反射镜与激光谐振腔的长度方向呈布儒斯特角布置，以使第二泵浦源反射镜对激光谐振腔内振荡光与第一泵浦光有最低的反射率；所述第三泵浦源反射镜与激光谐振腔的长度方向呈布儒斯特角布置，以使第三泵浦源反射镜对激光谐振腔内振荡光与第四泵浦光有最低的反射率；所述第四泵浦源反射镜与激光谐振腔的长度方向呈布儒斯特角布置，以使第四泵浦源反射镜对激光谐振腔内振荡光有最低的反射率；所述第三泵浦源反射镜的法线方向与第四泵浦源反射镜的法线方向垂直。
较佳地，所述第一泵浦光的传输方向、第二泵浦光的传输方向、第二泵浦源反射镜的法线方向、第三泵浦光的传输方向、第三泵浦源反射镜的法线方向位于第一平面，第四泵浦光的传输方向、第四泵浦源反射镜的法线方向位于第二平面，第一平面与第二平面垂直。
较佳地，所述第一激光泵浦源组件、第二激光泵浦源组件、第三激光泵浦源组件、第四激光泵浦源组件均包括半导体激光器泵浦源、准直镜、聚焦镜。
较佳地，所述准直镜采用第一平凸透镜，第一激光泵浦源组件、第二激光泵浦源组件、第三激光泵浦源组件、第四激光泵浦源组件的半导体激光器泵浦源发光点一一对应在相应准直镜的焦点位置。
较佳地，所述聚焦镜采用第二平凸透镜，第一激光泵浦源组件、第二激光泵浦源组件、第三激光泵浦源组件、第四激光泵浦源组件的聚焦镜在泵浦光路上的前后位置使得四路泵浦光在激光晶体内的聚焦点位置错落分布。
较佳地，所述第一聚焦点、第二聚焦点、第三聚焦点、第四聚焦点位置沿激光振荡方向等距间隔分布于激光晶体内。
较佳地，所述热补偿负透镜采用第三平凸透镜，其平面一侧靠近第一激光泵浦源组件；所述热补偿负透镜双面镀膜，平面镀泵浦光增透膜，凸面镀振荡光高发膜和泵浦光增透膜。
较佳地，所述第二泵浦源反射镜、第三泵浦源反射镜、第四泵浦源反射镜采用第一平面透镜，其反射面镀膜，另一面抛光；所述第一平面透镜设为激光谐振腔内振荡光透射、水平偏振泵浦光透射，竖直偏振泵浦光反射。
较佳地，所述半导体激光器泵浦源采用单管半导体激光器；所述激光输出镜采用红外激光输出镜；所述激光输出镜为第二平面透镜，其靠近Q开关一面镀振荡光部分反射膜，其反射率大于70％。
采用上述方案，本发明的有益效果是：
采用四路半导体激光器泵浦源对激光晶体进行均匀泵浦，大大降低了激光晶体的热透镜效应。同时由于单个半导体激光器泵浦源输出功率较低，能够将泵浦光聚焦到更细的尺寸，从而提高了激光晶体内部的泵浦模体积，增加了激光器的增益，有利于压缩激光器的脉冲宽度，实现小体积固体激光的高重复频率、窄脉冲宽度、高功率输出。
附图说明
图1为本发明的立体图；
图2为本发明省却Q开关的立体图；
图3为本发明以第一平面为参考面的结构示意图；
图4为本发明以第二平面为参考面的结构示意图；
其中，附图标识说明：
1—第一激光泵浦源组件， 2—热补偿负透镜，
3—第二激光泵浦源组件， 4—第二泵浦源反射镜，
5—激光晶体， 6—第三激光泵浦源组件，
7—第三泵浦源反射镜， 8—第四激光泵浦源组件，
9—第四泵浦源反射镜， 10—Q开关，
11—激光输出镜， 101/301/601/801—半导体激光器泵浦源，
102/302/602/802—准直镜， 103/203/603/803—聚焦镜。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
参照图1至4所示，本发明提供一种端面均匀泵浦固体激光器，包括第一激光泵浦源组件1、热补偿负透镜2、第二激光泵浦源组件3、第二泵浦源反射镜4、激光晶体5、第三激光泵浦源组件6、第三泵浦源反射镜7、第四激光泵浦源组件8、第四泵浦源反射镜9、Q开关10、激光输出镜11；所述热补偿负透镜2与激光输出镜11构成激光谐振腔，激光谐振腔内从热补偿负透镜2一侧至激光输出镜11一侧依次分布第二泵浦源反射镜4、激光晶体5、第三泵浦源反射镜7、第四泵浦源反射镜9、Q开关10；所述第一激光泵浦源组件1用于出射第一泵浦光，且第一泵浦光依次经过热补偿负透镜2、第二泵浦源反射镜4的透射后入射聚焦到激光晶体5内的第一聚焦点；所述第二激光泵浦源组件3用于出射第二泵浦光，且第二泵浦光经过第二泵浦源反射镜4的反射后入射聚焦到激光晶体5内的第二聚焦点；所述第三激光泵浦源组件6用于出射第三泵浦光，且第三泵浦光经过第三泵浦源反射镜7的反射后入射聚焦到激光晶体5内的第三聚焦点；所述第四激光泵浦源组件8用于出射第四泵浦光，且第四泵浦光依次经过第四泵浦源反射镜9的反射、第三泵浦反射镜7的透射后入射聚焦到激光晶体5内的第四聚焦点。
其中，所述第一泵浦光传输方向与激光谐振腔的长度方向重合；所述第二泵浦源反射镜4与激光谐振腔的长度方向呈布儒斯特角布置，第二泵浦光经第二泵浦源反射镜4反射后光路与激光谐振腔的长度方向重合；所述第三泵浦源反射镜7与激光谐振腔的长度方向呈布儒斯特角布置，第三泵浦光经第三泵浦源反射镜7反射后光路与激光谐振腔的长度方向重合；所述第四泵浦源反射镜9与激光谐振腔的长度方向呈布儒斯特角布置，第四泵浦光经第四泵浦源反射镜9反射后光路与激光谐振腔的长度方向重合；所述第三泵浦源反射镜7的法线方向与第四泵浦源反射镜9的法线方向垂直。所述第一泵浦光的传输方向、第二泵浦光的传输方向、第二泵浦源反射镜4的法线方向、第三泵浦光的传输方向、第三泵浦源反射镜7的法线方向位于第一平面，第四泵浦光的传输方向、第四泵浦源反射镜9的法线方向位于第二平面，第一平面与第二平面垂直。
所述第一激光泵浦源组件1、第二激光泵浦源组件3、第三激光泵浦源组件6、第四激光泵浦源组件8均包括半导体激光器泵浦源101/301/601/801、准直镜102/302/602/802、聚焦镜103/203/603/803。所述准直镜102/302/602/802采用第一平凸透镜，第一激光泵浦源组件1、第二激光泵浦源组件3、第三激光泵浦源组件6、第四激光泵浦源组件8的半导体激光器泵浦源101/301/601/801发光点一一对应在相应准直镜102/302/602/802的焦点位置。所述聚焦镜103/203/603/803采用第二平凸透镜，第一激光泵浦源组件1、第二激光泵浦源组件3、第三激光泵浦源组件6、第四激光泵浦源组件8的聚焦镜103/203/603/803在泵浦光路上的前后位置使得四路泵浦光在激光晶体5内的聚焦点位置错落分布。所述第一聚焦点、第二聚焦点、第三聚焦点、第四聚焦点位置沿激光振荡方向等距间隔分布于激光晶体5内。
所述热补偿负透镜2采用第三平凸透镜，其平面一侧靠近第一激光泵浦源组件1；所述热补偿负透镜2双面镀膜，平面镀泵浦光增透膜，凸面镀振荡光高发膜和泵浦光增透膜。所述第二泵浦源反射镜4、第三泵浦源反射镜7、第四泵浦源反射镜9采用第一平面透镜，其反射面镀膜，另一面抛光；所述第一平面透镜设为激光谐振腔内振荡光透射、水平偏振泵浦光透射，竖直偏振泵浦光反射。所述半导体激光器泵浦源101/301/601/801采用单管半导体激光器；所述激光输出镜11采用红外激光输出镜；所述激光输出镜11为第二平面透镜，其靠近Q开关一面镀振荡光部分反射膜，其反射率大于70％。
本发明工作原理：
本发明解决减小固体激光器体积的同时提高激光器的输出功率、降低激光的脉冲宽度；在同等条件下，腔长越短，重复频率越高、脉宽越窄。在缩短谐振腔长度的前提下，单纯增加半导体激光器泵浦光功率，一定会导致激光晶体内部光功率密度过大，从而引起激光器热失调甚至激光晶体炸裂。
第一激光泵浦源组件1、第四激光泵浦源组件8采用使得半导体激光器输出光偏振方向为竖直方向偏振光的安装方式(第一激光泵浦源组件1偏振方向的参考平面为第一平面，第四泵浦源组件8偏振方向的参考平面为第二平面)；第二激光泵浦源组件3、第三激光泵浦源组件6采用使得半导体激光器输出光偏振方向为水平方向偏振光的安装方式(第二激光泵浦源组件3、第三激光泵浦源组件6偏振方向的参考平面为第一平面)。第一泵浦光的传输方向、第二泵浦光的传输方向、第二泵浦源反射镜4的法线方向、第三泵浦光的传输方向、第三泵浦源反射镜7的法线方向位于第一平面，第四泵浦光的传输方向、第四泵浦源反射镜9的法线方向位于第二平面，第一平面与第二平面垂直。因第一平面与第二平面垂直，第四泵浦光以第二平面作为参考面时是竖直偏振光，以第一平面作为参考面时是水平偏振光。
第一泵浦光、第二泵浦光、第三泵浦光、第四泵浦光在激光晶体5内部的聚焦点位置，沿激光振荡方向间隔分布。采用端面均匀泵浦方式，将数路半导体激光器泵浦光在激光晶体5内部激光振荡方向均匀泵浦，由于每一路泵浦光的功率有限，且每一路泵浦光在激光晶体5内部的焦点位置不同，激光晶体5内部的半导体激光器泵浦光功率密度大大降低，有效地抑制了激光热透镜效应。与此同时，多路半导体激光器均匀泵浦激光晶体5，大大增加了激光器泵浦模体积，有利于实现激光器的窄脉宽、高功率输出。半导体激光器泵浦源101/301/601/801采用单管半导体激光器(半导体激光器自然放置时为竖直偏振状态，如果需要实现泵浦光的水平偏振输出，需要把半导体激光器的放置方式转动90°)，激光器输出波长为808±3nm或878.6±3nm，输出功率为12±3W。通过调节该4个聚焦镜103/203/603/803在泵浦光路上的前后位置，使得4路泵浦光在激光晶体5内的聚焦点位置错落布置。第二泵浦源反射镜4、第三泵浦源反射镜7、第四泵浦源反射镜9为单端镀膜的第一平面透镜，镀膜面镀膜参数为：HR@泵浦光波长，R＞95％@S光，入射角度：55.4±6°；AR@1064nm，R＜0.1％@P光，入射角度：55.4度(布氏角)；AR@泵浦光波长，R＜1％@P光，入射角度：55.4±6°，另一面仅抛光。第二泵浦源反射镜4、第三泵浦源反射镜7的反射面均为靠近激光晶体5的一面，第四泵浦源反射镜9的反射面为靠近第三泵浦源反射镜7的一面。
本实施例中，所用到的单管半导体激光器发射波长为808nm，采用快轴压缩方式(单管半导体激光器发光点为矩形，矩形的长轴方向光的发散角小，矩形的短轴方向发散角大；发散角大的是快轴，发散角小的是慢轴，为了得到近似正方形的激光，需要压缩快轴)直接输出，输出功率为10W，发光点宽度200μm，偏振方向为TE。热补偿负透镜2的作用首先是振荡光反射镜，其次是补偿激光晶体5的热透镜效应；热补偿负透镜2的曲率半径大，准直镜102/302/602/802和聚焦镜103/203/603/803的曲率半径很小。准直镜102/302/602/802采用第一平凸透镜，第一平凸透镜的焦距可根据实际情况选取，一般取值在10mm～50mm之间，本实施例中4个准直镜102/302/602/802统一采用25mm；半导体激光器泵浦源101/301/601/801发出的泵浦光经准直镜102/302/602/802准直后，平行照射到对应的聚焦镜103/203/603/803上，聚焦镜103/203/603/803的焦距可根据实际情况选取，主要是要考虑到以下三点：1)激光振荡模(振荡光在激光晶体5内的分布)与泵浦模(泵浦光在激光晶体5内的分布)之间的匹配；2)激光晶体5的热透镜效应；3)激光的脉冲宽度需求。一般取值在25mm～100mm之间，本实施例中4个聚焦镜103/203/603/803统一采用50mm。本实施例中4个半导体激光器泵浦源101/301/601/801发出光经4个聚焦镜103/203/603/803聚焦后，在激光晶体5内聚焦，4个聚焦点均匀布置，将激光晶体5均匀分成5等份。本实施例中激光晶体5采用Nd:YVO4晶体，激光晶体5尺寸为3mm*3mm*15mm。
通过镀膜参数进行创新性优化设计，使得水平偏振的半导体激光器泵浦光绝大部分从泵浦源反射镜4/7所透射；而竖直偏振的半导体激光器泵浦光绝大部分被泵浦源反射镜4/7/9所反射；从而实现4路泵浦光同时泵浦到激光晶体5上；使得激光晶体5的均匀泵浦成为可能。另外，沿着泵浦光路挪动半导体激光泵浦源聚焦镜103/203/603/803，使得4个半导体激光器泵浦源在激光晶体5内的聚焦位置错落布置，从而实现了激光晶体5的均匀泵浦。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种端面均匀泵浦固体激光器，其特征在于，包括第一激光泵浦源组件、热补偿负透镜、第二激光泵浦源组件、第二泵浦源反射镜、激光晶体、第三激光泵浦源组件、第三泵浦源反射镜、第四激光泵浦源组件、第四泵浦源反射镜、Q开关、激光输出镜；所述热补偿负透镜与激光输出镜构成激光谐振腔，激光谐振腔内从热补偿负透镜一侧至激光输出镜一侧依次分布第二泵浦源反射镜、激光晶体、第三泵浦源反射镜、第四泵浦源反射镜、Q开关；所述第一激光泵浦源组件用于出射第一泵浦光，且第一泵浦光依次经过热补偿负透镜、第二泵浦源反射镜的透射后入射聚焦到激光晶体内的第一聚焦点；所述第二激光泵浦源组件用于出射第二泵浦光，且第二泵浦光经过第二泵浦源反射镜的反射后入射聚焦到激光晶体内的第二聚焦点；所述第三激光泵浦源组件用于出射第三泵浦光，且第三泵浦光经过第三泵浦源反射镜的反射后入射聚焦到激光晶体内的第三聚焦点；所述第四激光泵浦源组件用于出射第四泵浦光，且第四泵浦光依次经过第四泵浦源反射镜的反射、第三泵浦反射镜的透射后入射聚焦到激光晶体内的第四聚焦点；
所述第一泵浦光传输方向与激光谐振腔的长度方向重合；所述第二泵浦源反射镜与激光谐振腔的长度方向呈布儒斯特角布置，以使第二泵浦源反射镜对激光谐振腔内振荡光与第一泵浦光有最低的反射率；所述第三泵浦源反射镜与激光谐振腔的长度方向呈布儒斯特角布置，以使第三泵浦源反射镜对激光谐振腔内振荡光与第四泵浦光有最低的反射率；所述第四泵浦源反射镜与激光谐振腔的长度方向呈布儒斯特角布置，以使第四泵浦源反射镜对激光谐振腔内振荡光有最低的反射率；所述第三泵浦源反射镜的法线方向与第四泵浦源反射镜的法线方向垂直；
所述第一聚焦点、第二聚焦点、第三聚焦点、第四聚焦点位置沿激光振荡方向等距间隔分布于激光晶体内。
2.根据权利要求1所述的端面均匀泵浦固体激光器，其特征在于，所述第一泵浦光的传输方向、第二泵浦光的传输方向、第二泵浦源反射镜的法线方向、第三泵浦光的传输方向、第三泵浦源反射镜的法线方向位于第一平面，第四泵浦光的传输方向、第四泵浦源反射镜的法线方向位于第二平面，第一平面与第二平面垂直。
3.根据权利要求1所述的端面均匀泵浦固体激光器，其特征在于，所述第一激光泵浦源组件、第二激光泵浦源组件、第三激光泵浦源组件、第四激光泵浦源组件均包括半导体激光器泵浦源、准直镜、聚焦镜。
4.根据权利要求3所述的端面均匀泵浦固体激光器，其特征在于，所述准直镜采用第一平凸透镜，第一激光泵浦源组件、第二激光泵浦源组件、第三激光泵浦源组件、第四激光泵浦源组件的半导体激光器泵浦源发光点一一对应在相应准直镜的焦点位置。
5.根据权利要求4所述的端面均匀泵浦固体激光器，其特征在于，所述聚焦镜采用第二平凸透镜，第一激光泵浦源组件、第二激光泵浦源组件、第三激光泵浦源组件、第四激光泵浦源组件的聚焦镜在泵浦光路上的前后位置使得四路泵浦光在激光晶体内的聚焦点位置错落分布。
6.根据权利要求1所述的端面均匀泵浦固体激光器，其特征在于，所述热补偿负透镜采用第三平凸透镜，其平面一侧靠近第一激光泵浦源组件；所述热补偿负透镜双面镀膜，平面镀泵浦光增透膜，凸面镀振荡光高发膜和泵浦光增透膜。
7.根据权利要求1所述的端面均匀泵浦固体激光器，其特征在于，所述第二泵浦源反射镜、第三泵浦源反射镜、第四泵浦源反射镜采用第一平面透镜，其反射面镀膜，另一面抛光；所述第一平面透镜设为激光谐振腔内振荡光透射、水平偏振泵浦光透射，竖直偏振泵浦光反射。
8.根据权利要求3所述的端面均匀泵浦固体激光器，其特征在于，所述半导体激光器泵浦源采用单管半导体激光器；所述激光输出镜采用红外激光输出镜；所述激光输出镜为第二平面透镜，其靠近Q开关一面镀振荡光部分反射膜，其反射率大于70%。
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