CN108933378B - 双晶体紫外激光器 - Google Patents

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Abstract

一种双晶体紫外激光器，包括第一泵浦激光器、第二泵浦激光器、第一聚焦组件、第二聚焦组件、谐振组件、第一激光晶体、第二激光晶体、调Q晶体、二倍频晶体及三倍频晶体；谐振组件构成激光谐振腔；输出低重复频率的355nm脉冲光时，第一泵浦激光器输出泵浦光，第一激光晶体产生1064nm激光；输出高重复频率的355nm脉冲光时，第二泵浦激光器输出泵浦光，第二激光晶体产生1064nm激光；在调Q晶体、二倍频及三倍频晶体的调制下，激光谐振腔内形成355nm脉冲光；通过第一激光晶体与第二激光晶体在能级寿命上的差异，从而能使单个激光谐振腔在低重复频率输出与高重复频率输出之间切换时，输出的355nm脉冲光功率保持稳定。

Description

双晶体紫外激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种双晶体紫外激光器。
背景技术
激光是近代科学技术中的重大发明之一，其中，端面泵浦的355nm激光应用于冷加工领域，在金属、非金属以及精密加工中的应用价值尤其突出。由于端泵可获得较高的光束质量，获取光束质量优良，能长效稳定运行的端泵绿光激光，对日渐增长的激光加工行业，意义重大。
市面上端面泵浦激光器一般单端泵浦或者双端泵浦激光晶体，然后利用调Q元件进行谐振腔调节形成脉冲光。在实际应用时，高频低频的参数能进行不同工作，利用传统方式形成的脉冲光平均功率在不同频率下会有变化，无法同时在高重复频率和低重复频率下都有较好的功率稳定性，导致高重复频率和低重复频率的355nm脉冲光需由不同的设备输出，导致激光加工的设备投入成本提高。
发明内容
基于此，有必要提供一种在高重复频率和低重复频率能稳定输出355nm脉冲光的双晶体紫外激光器。
一种双晶体紫外激光器，包括第一泵浦激光器、第二泵浦激光器、与所述第一泵浦激光器对应的第一聚焦组件、与所述第二泵浦激光器对应的第二聚焦组件、谐振组件、第一激光晶体、第二激光晶体、调Q晶体、二倍频晶体、及三倍频晶体；所述谐振组件包括第一前端镜、第二前端镜、转折镜、第一尾端镜、及第二尾端镜；所述第一前端镜、所述第二前端镜、所述转折镜、所述第一尾端镜、及第二尾端镜构成激光谐振腔；所述第一前端镜与所述第二前端镜对应设置；所述转折镜分别与所述第一前端镜、所述三倍频晶体对应设置；所述第二尾端镜与所述第二前端镜对应设置；所述第一激光晶体、所述第二激光晶体设置在所述第一前端镜与所述第二前端镜之间；所述调Q晶体、所述二倍频晶体、及所述三倍频晶体设置在所述激光谐振腔内；输出低重复频率的355nm脉冲光时，所述第一泵浦激光器输出泵浦光，所述第一泵浦激光器输出的泵浦光经所述第一聚焦组件聚焦到所述第一激光晶体，所述第一激光晶体在所述激光谐振腔内产生1064nm激光；由所述第一激光晶体产生的1064nm激光透射所述第二激光晶体；输出高重复频率的355nm脉冲光时，所述第二泵浦激光器输出泵浦光，所述第二泵浦激光器输出的泵浦光经所述第二聚焦组件聚焦到所述第二激光晶体，所述第二激光晶体在所述激光谐振腔内产生1064nm激光；由所述第二激光晶体产生的1064nm激光透射所述第一激光晶体；在所述调Q晶体的调制下，所述激光谐振腔内形成1064nm脉冲光，1064nm脉冲光经过所述二倍频晶体时，部分1064nm脉冲光转换为532nm脉冲光；532nm脉冲光与1064nm脉冲光在所述三倍频晶体内进行和频，产生355nm脉冲光；1064nm脉冲光、532nm脉冲光、及355nm脉冲光在输出三倍频晶体后分开，355nm脉冲光输出到所述激光谐振腔外。
上述双晶体紫外激光器，通过在输出低重复频率的355nm脉冲光时，由第一泵浦激光器输出泵浦光，第一激光晶体产生1064nm激光，在输出高重复频率的355nm脉冲光时，由第二泵浦激光器输出泵浦光，第二激光晶体产生1064nm激光，通过第一激光晶体与第二激光晶体在能级寿命上的差异，从而能使单个激光谐振腔在低重复频率输出与高重复频率输出之间切换时，输出的355nm脉冲光功率保持稳定，从而可利用单台激光加工的设备实现低重复频率及高重复频率355nm脉冲光的稳定输出。
在其中一个实施例中，所述第一激光晶体为Nd:YAG，所述第二激光晶体为Nd:YVO4。
在其中一个实施例中，所述第一激光晶体及所述第二激光晶体的双面镀1064nm增透膜。
在其中一个实施例中，所述第一激光晶体及所述第二激光晶体的双面镀808/880nm增透膜。
在其中一个实施例中，还包括光阑，所述光阑上设有通光孔，所述通光孔处于所述第一激光晶体与所述第二激光晶体之间。
在其中一个实施例中，还包括光纤组件，所述光纤组件包括第一传输光纤及第二传输光纤；所述第一泵浦激光器耦合所述第一传输光纤输出泵浦光，所述第二泵浦激光器耦合所述第二传输光纤输出泵浦光。
在其中一个实施例中，所述光纤组件还包括与所述第一聚焦组件对应设置的第一固定件，所述第一传输光纤的输出端固定在所述第一固定件上。
在其中一个实施例中，所述光纤组件还包括与所述第二聚焦组件对应设置的第二固定件，所述第二传输光纤的输出端固定在所述第二固定件上。
在其中一个实施例中，所述第一聚焦组件包括第一平凸透镜及第二平凸透镜，所述第一平凸透镜的凸面与所述第二平凸透镜的凸面相对。
在其中一个实施例中，所述第二聚焦组件包括第三平凸透镜及第四平凸透镜，所述第三平凸透镜的凸面与所述第四平凸透镜的凸面相对。
附图说明
图1为本发明的一较佳实施例的双晶体紫外激光器的结构图；
图2为图1所示的双晶体紫外激光器输出的脉冲光的功率、脉宽与重复频率之间的关系曲线图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1，为本发明一较佳实施方式的双晶体紫外激光器100，用于输出355nm脉冲光。该双晶体紫外激光器100包括第一泵浦激光器11、第二泵浦激光器12、与第一泵浦激光器11对应的第一聚焦组件21、与第二泵浦激光器12对应的第二聚焦组件22、谐振组件、第一激光晶体41、第二激光晶体42、调Q晶体50、二倍频晶体61、及三倍频晶体62；谐振组件包括第一前端镜31、第二前端镜32、转折镜33、第一尾端镜34、及第二尾端镜35；第一前端镜31、第二前端镜32、转折镜33、第一尾端镜34、及第二尾端镜35构成激光谐振腔；第一前端镜31与第二前端镜32对应设置；转折镜33分别与第一前端镜31、三倍频晶体62对应设置；第二尾端镜35与第二前端镜32对应设置；第一激光晶体41、第二激光晶体42设置在第一前端镜31与第二前端镜32之间；调Q晶体50、二倍频晶体61、及三倍频晶体62设置在激光谐振腔内；输出低重复频率的355nm脉冲光时，第一泵浦激光器11输出808nm或者880nm泵浦光，第一泵浦激光器11输出的泵浦光经第一聚焦组件21聚焦到第一激光晶体41，第一激光晶体41吸收泵浦光能量后实现粒子数反转，在激光谐振腔内产生1064nm激光；由第一激光晶体41产生的1064nm激光透射第二激光晶体42；输出高重复频率的355nm脉冲光时，第二泵浦激光器12输出808nm或者880nm泵浦光，第二泵浦激光器12输出的泵浦光经第二聚焦组件22聚焦到第二激光晶体42，第二激光晶体42吸收泵浦光能量后实现粒子数反转，在激光谐振腔内产生1064nm激光；由第二激光晶体42产生的1064nm激光透射第一激光晶体41；在调Q晶体50的调制下，激光谐振腔内形成1064nm脉冲光，1064nm脉冲光经过二倍频晶体61时，部分1064nm脉冲光转换为532nm脉冲光；532nm脉冲光与1064nm脉冲光在三倍频晶体62内进行和频，产生355nm脉冲光；1064nm脉冲光、532nm脉冲光、及355nm脉冲光在输出三倍频晶体62后分开，355nm脉冲光输出到激光谐振腔外。
通过在输出低重复频率的355nm脉冲光时，由第一泵浦激光器11输出泵浦光，第一激光晶体41产生1064nm激光，在输出高重复频率的355nm脉冲光时，由第二泵浦激光器12输出泵浦光，第二激光晶体42产生1064nm激光，通过第一激光晶体41与第二激光晶体42在能级寿命上的差异，从而能使单个激光谐振腔在低重复频率输出与高重复频率输出之间切换时，输出的355nm脉冲光功率保持稳定，从而可利用单台激光加工的设备实现低重复频率及高重复频率355nm脉冲光的稳定输出。
在其中一个实施方式中，为实现第一激光晶体41与第二激光晶体42低重复频率及高重复频率之间具有不同的上能级寿命，第一激光晶体41为Nd:YAG，第二激光晶体42为Nd:YVO4；由于Nd:YAG与Nd:YVO4的在能级寿命特性存在差异；Nd:YVO4的上能级寿命短，约90us-100us，Nd:YAG上能级寿命长，约230us，由于此特性的差异，Nd:YVO4在高频(大于30kHZ)下有比较好的激光输出，Nd:YAG在低频(小于20kHZ)下有比较好的激光输出，从而使激光谐振腔在低重复频率输出与高重复频率输出之间切换时，输出的355nm脉冲光功率保持稳定。
请参阅图2，在图2中，双晶体紫外激光器100输出的532nm脉冲光的平均功率为P、脉冲宽度为τ；在本实施方式中，在通过第二泵浦激光器12激活第二激光晶体42时，所输出的355nm脉冲光具有更小的脉宽，即在相同平均功率输出下，相对第一激光晶体41的运行效果，脉冲峰值更高；若通过第二激光晶体42在低重复频率下输出355nm脉冲光，则355nm脉冲光的功率下降严重，而通过第一激光晶体41在低重复频率下输出355nm脉冲光时，则能保持较大的脉冲能量。
进一步地，由于第一激光晶体41为Nd:YAG，第二激光晶体42为Nd:YVO4，且Nd:YAG与Nd:YVO4在脉冲宽度特性上存在差异，在需要高脉冲宽度的355nm脉冲光时，第一泵浦激光器11启动，第二泵浦激光器12停止，Nd:YAG晶体激活工作，从而输出高脉冲宽度的355nm脉冲光；在需要低脉冲宽度的355nm脉冲光时，第二泵浦激光器12启动，第一泵浦激光器11停止，Nd:YVO4晶体激活工作，从而输出低脉冲宽度的355nm脉冲光，从而可利用单台激光加工的设备实现低脉冲宽度及高脉冲宽度355nm脉冲光的稳定输出；在其他实施方式中，还可以是，第一激光晶体41为Nd:YVO4，第二激光晶体42为Nd:YAG。
在其中一个实施方式中，为减少1064nm激光经过第一激光晶体41或第二激光晶体42表面时的损耗，第一激光晶体41及第二激光晶体42的双面镀1064nm增透膜，从而减少1064nm激光的反射。
在其中一个实施方式中，为减少泵浦光经过第一激光晶体41或第二激光晶体42表面时的损耗，第一激光晶体41及第二激光晶体42的双面镀808/880nm增透膜，从而提高第一激光晶体41或第二激光晶体42对泵浦光的吸收。
请参阅图1，在其中一个实施方式中，为调节双晶体紫外激光器100的输出模式，双晶体紫外激光器100还包括光阑70，光阑70上设有通光孔，通光孔处于第一激光晶体41与第二激光晶体42之间；在双晶体紫外激光器100运行时，符合横模特性需求的1064nm激光通过通光孔，从而使双晶体紫外激光器100处于预定的输出模式；进一步地，由于光阑70设置在第一激光晶体41与第二激光晶体42之间，可避免第二激光晶体42接收到第一泵浦激光器11所发出的泵浦光，或第一激光晶体41接收到第二泵浦激光器12所发出的泵浦光，从而避免第一激光晶体41与第二激光晶体42同时激活，避免泵浦光不必要的消耗。
在其中一个实施方式中，为使第一泵浦激光器11或第二泵浦激光器12所产生的泵浦光可靠传输，双晶体紫外激光器100还包括光纤组件，光纤组件包括第一传输光纤81及第二传输光纤82；第一泵浦激光器11耦合第一传输光纤81输出泵浦光，第二泵浦激光器12耦合第二传输光纤82输出泵浦光。
在其中一个实施方式中，为固定第一传输光纤81的输出端，光纤组件还包括与第一聚焦组件21对应设置的第一固定件83，第一传输光纤81的输出端固定在第一固定件83上。
在其中一个实施方式中，为固定第二传输光纤82的输出端，光纤组件还包括与第二聚焦组件22对应设置的第二固定件84，第二传输光纤82的输出端固定在第二固定件84上。
在其中一个实施方式中，为减少第一聚焦组件21的像差，第一聚焦组件21包括第一平凸透镜23及第二平凸透镜24，第一平凸透镜23的凸面与第二平凸透镜24的凸面相对；进一步地，为减少泵浦光在第一聚焦组件21上的损耗，第一平凸透镜23及第二平凸透镜24镀808nm/880nm增透膜；具体地，第一聚焦组件21的焦点处于第一激光晶体41内，且与第一激光晶体41端面相距1-3mm处。
在其中一个实施方式中，为减少第二聚焦组件22的像差，第二聚焦组件22包括第三平凸透镜25及第四平凸透镜26，第三平凸透镜25的凸面与第四平凸透镜26的凸面相对；进一步地，为减少泵浦光在第二聚焦组件22上的损耗，第三平凸透镜25及第四平凸透镜26镀808nm/880nm增透膜；具体地，第二聚焦组件22的焦点处于第二激光晶体42内，且与第二激光晶体42端面相距1-3mm处。
具体地，第一泵浦激光器11及第二泵浦激光器12为半导体激光器；为提高第一激光晶体41或第二激光晶体42吸收到的泵浦光，或减少1064nm激光的损失，第一前端镜31、第二前端镜32镀808nm/880nm增透、及1064nm高反膜，第一尾端镜34及第二尾端镜35镀1064nm高反膜；转折镜33镀1064nm高反膜；
进一步地，为提高1064nm激光对532nm激光的转换效率，减少二倍频晶体61的用料或体积，二倍频晶体61靠近第一尾端镜34设置，1064nm激光经第一前端镜31反射至转折镜33，经转折镜33反射后，1064nm激光从三倍频的端面依次入射三倍频晶体62及二倍频晶体61，1064nm激光经过二倍频晶体61时，部分1064nm激光转换为532nm激光，该部分532nm激光和剩余的1064nm激光经过第一尾端镜34全反射，再一次经过二倍频晶体61，又一部分1064nm激光转化为532nm激光；532nm激光与1064nm激光在三倍频晶体62内进行和频，产生355nm激光；为实现1064nm脉冲光、532nm脉冲光、及355nm脉冲光的分开，同时避免双晶体紫外激光器100的寿命受影响，三倍频晶体62的输出端采用布氏角切割，在其他实施方式中，还可以通过分光器或镀膜实现1064nm脉冲光、532nm脉冲光、及355nm脉冲光的分离；1064nm脉冲光、532nm脉冲光、及355nm脉冲光分离后，355nm脉冲光输出至激光谐振腔外，1064nm脉冲光继续在激光谐振腔内谐振工作；为避免532nm脉冲光对355nm脉冲光输出的影响，双晶体紫外激光器100还包括挡光片90，挡光片90对532nm脉冲光进行阻挡，使纯净的355nm激光输出到激光谐振腔外。
具体地，二倍频晶体61为LBO、KDP、或KTP，三倍频晶体62LBO、或BBO。
在其中一种实施方式中，调Q晶体50设置在第二前端镜32与第二尾端镜35之间；调Q晶体50为声光Q晶体、电光Q晶体或被动调Q晶体50；具体地，第二前端镜32将1064nm激光反射至第二尾端镜35，然后经第二尾端镜35反射后，沿原路返回，在调Q晶体50的调制下，激光谐振腔内形成1064nm脉冲光；本实施方式中，通过激光谐振腔的多次折叠，空间利用效率非常高，在有限的空间内实现了各个光学器件有条不紊的摆放，虽然紧凑但是不存在干扰装配的情况，在实现过程中大大缩小了整机所需要的体积，使得激光器更加的小型化，有利于下游应用端的集成。
本实施例中，通过在输出低重复频率的355nm脉冲光时，由第一泵浦激光器输出泵浦光，第一激光晶体产生1064nm激光，在输出高重复频率的355nm脉冲光时，由第二泵浦激光器输出泵浦光，第二激光晶体产生1064nm激光，通过第一激光晶体与第二激光晶体在能级寿命上的差异，从而能使单个激光谐振腔在低重复频率输出与高重复频率输出之间切换时，输出的355nm脉冲光功率保持稳定，从而可利用单台激光加工的设备实现低重复频率及高重复频率355nm脉冲光的稳定输出。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种双晶体紫外激光器，其特征在于，包括第一泵浦激光器、第二泵浦激光器、与所述第一泵浦激光器对应的第一聚焦组件、与所述第二泵浦激光器对应的第二聚焦组件、谐振组件、第一激光晶体、第二激光晶体、调Q晶体、二倍频晶体、及三倍频晶体；所述谐振组件包括第一前端镜、第二前端镜、转折镜、第一尾端镜、及第二尾端镜；所述第一前端镜、所述第二前端镜、所述转折镜、所述第一尾端镜、及第二尾端镜构成激光谐振腔；所述第一前端镜与所述第二前端镜对应设置；所述转折镜分别与所述第一前端镜、所述三倍频晶体对应设置；所述第二尾端镜与所述第二前端镜对应设置；所述第一激光晶体、所述第二激光晶体设置在所述第一前端镜与所述第二前端镜之间；所述调Q晶体、所述二倍频晶体、及所述三倍频晶体设置在所述激光谐振腔内；输出低重复频率的355nm脉冲光时，所述第一泵浦激光器输出泵浦光，所述第一泵浦激光器输出的泵浦光经所述第一聚焦组件聚焦到所述第一激光晶体，所述第一激光晶体在所述激光谐振腔内产生1064nm激光；由所述第一激光晶体产生的1064nm激光透射所述第二激光晶体；输出高重复频率的355nm脉冲光时，所述第二泵浦激光器输出泵浦光，所述第二泵浦激光器输出的泵浦光经所述第二聚焦组件聚焦到所述第二激光晶体，所述第二激光晶体在所述激光谐振腔内产生1064nm激光；由所述第二激光晶体产生的1064nm激光透射所述第一激光晶体；在所述调Q晶体的调制下，所述激光谐振腔内形成1064nm脉冲光，1064nm脉冲光经过所述二倍频晶体时，部分1064nm脉冲光转换为532nm脉冲光；532nm脉冲光与1064nm脉冲光在所述三倍频晶体内进行和频，产生355nm脉冲光；1064nm脉冲光、532nm脉冲光、及355nm脉冲光在输出三倍频晶体后分开，355nm脉冲光输出到所述激光谐振腔外；所述第一激光晶体为Nd:YAG，所述第二激光晶体为Nd:YVO4。
2.根据权利要求1所述的双晶体紫外激光器，其特征在于，所述第一激光晶体及所述第二激光晶体的双面镀1064nm增透膜。
3.根据权利要求1所述的双晶体紫外激光器，其特征在于，所述第一激光晶体及所述第二激光晶体的双面镀808/880nm增透膜。
4.根据权利要求1所述的双晶体紫外激光器，其特征在于，还包括光阑，所述光阑上设有通光孔，所述通光孔处于所述第一激光晶体与所述第二激光晶体之间。
5.根据权利要求1所述的双晶体紫外激光器，其特征在于，还包括光纤组件，所述光纤组件包括第一传输光纤及第二传输光纤；所述第一泵浦激光器耦合所述第一传输光纤输出泵浦光，所述第二泵浦激光器耦合所述第二传输光纤输出泵浦光。
6.根据权利要求5所述的双晶体紫外激光器，其特征在于，所述光纤组件还包括与所述第一聚焦组件对应设置的第一固定件，所述第一传输光纤的输出端固定在所述第一固定件上。
7.根据权利要求5所述的双晶体紫外激光器，其特征在于，所述光纤组件还包括与所述第二聚焦组件对应设置的第二固定件，所述第二传输光纤的输出端固定在所述第二固定件上。
8.根据权利要求1所述的双晶体紫外激光器，其特征在于，所述第一聚焦组件包括第一平凸透镜及第二平凸透镜，所述第一平凸透镜的凸面与所述第二平凸透镜的凸面相对。
9.根据权利要求1所述的双晶体紫外激光器，其特征在于，所述第二聚焦组件包括第三平凸透镜及第四平凸透镜，所述第三平凸透镜的凸面与所述第四平凸透镜的凸面相对。
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