CN109038202A - 可控的被动调q绿光激光器 - Google Patents

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Abstract

一种可控的被动调Q绿光激光器，包括泵浦组件、聚焦组件、谐振组件、激光晶体、被动调Q晶体、及倍频晶体；泵浦组件包括第一泵浦激光器；谐振组件包括前端镜、转折镜及尾端镜；前端镜、折镜、及尾端镜组成激光谐振腔；第一泵浦激光器输出脉冲泵浦光；激光晶体、被动调Q晶体及倍频晶体处于激光谐振腔中；满足泵浦功率要求的脉冲泵浦光进入激光晶体内形成粒子数反转后，产生连续运转的1064nm红外激光，被动调Q晶体将其调整为脉冲运转的1064nm红外激光，在倍频效应下产生532nm脉冲绿光并透过转折镜输出到激光谐振腔外。通过在第一泵浦激光器的频率限制下，可控的被动调Q绿光激光器输出脉冲频率稳定的1064nm脉冲绿光激光。

Description

可控的被动调Q绿光激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种可控的被动调Q绿光激光器。
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532nm激光应用于冷加工领域，在非金属以及精密加工中的应用价值尤其突出。获取光束质量优良，参数可控，且能长效稳定运行的绿光激光，对日渐增长的激光加工行业，意义重大。端面泵浦是比较合适的方式，不过市面上一般的单端面泵浦的绿光固体激光器采用主动调Q(声光调Q、电光调Q等)的方式，需要利用到Q驱动、Q晶体两个高价器件，成本较为高昂。在采用被动调Q的激光器中，由于调Q属于被动，激光脉冲输出通常不能由控制电路进行主动控制，难免在一个泵浦周期中产生多个脉冲组成的脉冲串，进而影响脉冲峰值功率，单位时间内输出的脉冲数存在一定的不稳定性。由于输出脉冲频率也不能主动调节；而在实际应用中，基本是利用扫描振镜使得激光沿一定的轨迹运动，依靠单脉冲打点的方式进行加工，点间距便是脉冲间隔时间乘以扫描速度，脉冲间隔的不稳定会造成打点的不均匀，频率的波动也会造成多点少点的情况，所以传统的被动调Q的激光器在工业应用上存在一定的弊端。
发明内容
基于此，有必要针对被动调Q激光器输出的脉冲频率不稳定的问题，提供一种可控的被动调Q绿光激光器。
一种可控的被动调Q绿光激光器，包括：泵浦组件、聚焦组件、谐振组件、激光晶体、被动调Q晶体、及倍频晶体；所述泵浦组件包括第一泵浦激光器；所述谐振组件包括前端镜、转折镜及尾端镜；所述前端镜与所述聚焦组件对应设置；所述前端镜镀808/880nm增透和1064nm高反膜；所述转折镜镀1064nm全反和532nm增透膜；所述尾端镜镀1064nm和532nm全反膜；所述前端镜、所述转折镜、及所述尾端镜组成激光谐振腔；所述激光晶体及所述被动调Q晶体设置在所述前端镜与所述转折镜之间，所述倍频晶体设置在所述转折镜与所述尾端镜之间；所述第一泵浦激光器以第一预定频率输出波长808nm或880nm的脉冲泵浦光；所述脉冲泵浦光经所述聚焦组件聚焦在所述激光晶体中；满足泵浦功率要求的所述脉冲泵浦光进入所述激光晶体内形成粒子数反转后，在所述激光谐振腔内谐振放大形成连续运转的1064nm红外激光，且所述被动调Q晶体将连续运转的1064nm红外激光调整为脉冲运转的1064nm红外激光，1064nm脉冲红外激光由所述转折镜到所述尾端镜过程中，经过所述倍频晶体时产生倍频效应，部分1064nm脉冲红外激光转换为532nm脉冲绿光，该部分532nm脉冲绿光和剩余的1064nm光经过所述尾端镜一起全反射，再一次经过所述倍频晶体，又一部分1064nm脉冲红外激光转化为532nm脉冲绿光；最后所有的532nm绿光与剩余的1064nm基频光一起打在所述转折镜上，532nm脉冲绿光激光全透输出到腔外，1064nm红外激光继续反射在激光谐振腔内谐振。
上述可控的被动调Q绿光激光器，通过第一泵浦激光器输出脉冲泵浦光，在满足泵浦功率要求下，脉冲泵浦光的能量被激光晶体吸收，形成粒子数反转，被动调Q晶体将连续运转的1064nm红外激光调整为脉冲运转的1064nm红外激光出，在脉冲泵浦光下降至泵浦功率要求之下后，由于激光晶体无法吸收足够的泵浦光能量，从而停止532nm绿光激光输出，在第一泵浦激光器的频率限制下，可控的被动调Q绿光激光器的激光输出频率与第一预定频率保持同步，输出脉冲频率稳定的532nm脉冲绿光激光。
在其中一个实施例中，还包括第一驱动电源；所述泵浦组件还包括第二泵浦激光器及合束器；所述第一驱动电源向所述第一泵浦激光器输出脉冲驱动电流；所述第二泵浦激光器产生第二恒定泵浦光，所述第二恒定泵浦光的功率强度与所述激光谐振腔的阈值泵浦功率对应；所述第二泵浦激光器产生的所述第二恒定泵浦光通过合束器与所述第一泵浦激光器产生的脉冲泵浦光与进行合束，所述合束器的输出端输出合束泵浦光，所述合束泵浦光经聚焦组件聚焦在所述激光晶体中，所述激光晶体内形成粒子数反转；当所述合束泵浦光的功率大于所述激光谐振腔的阈值泵浦功率时，所述激光谐振腔内产生1064nm脉冲红外激光，在所述倍频晶体的作用下，产生532nm脉冲绿光并透过所述转折镜输出到所述激光谐振腔外。
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、第二传输光纤、及第三传输光纤；所述合束器设有第一泵浦输入端、第二泵浦输入端、及合束输出端；所述第一泵浦激光器输出的脉冲泵浦光通过所述第一传输光纤传输至所述合束器的第一泵浦输入端，所述第二泵浦激光器输出的第二恒定泵浦光通过所述第二传输光纤传输至所述合束器的第二泵浦输入端，所述合束器的合束输出端将合束泵浦光输入至所述第三传输光纤；所述第三传输光纤的输出端与所述聚焦组件对应。
在其中一个实施例中，所述光纤组件还包括输出头，所述输出头与所述聚焦组件对应设置，所述第三传输光纤的输出端固定在所述输出头上。
在其中一个实施例中，还包括第二驱动电源，所述第二驱动电源向所述第二泵浦激光器输出恒定驱动电流。
在其中一个实施例中，所述聚焦组件的聚焦点处于所述激光晶体内部，且与所述激光晶体输入端面相距1.8-2.2mm的位置。
在其中一个实施例中，所述聚焦组件包括第一平凸透镜、及与所述第一平凸透镜对应设置的第二平凸透镜。
在其中一个实施例中，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设置。
在其中一个实施例中，所述激光晶体为Nd:YVO4晶体、Nd:YAG晶体、或Nd:GdYVO4晶体。
在其中一个实施例中，所述被动调Q晶体为Cr：YAG晶体。
附图说明
图1为本发明的一较佳实施例的可控的被动调Q绿光激光器的结构图；
图2为图1所示可控的被动调Q绿光激光器在通过第一泵浦激光器驱动时输入泵浦功率与输出532nm脉冲红外激光强度的关系图；
图3为图1所示可控的被动调Q绿光激光器在通入峰值泵浦源功率时所产生的532nm脉冲红外激光的波形图；
图4为图1所示可控的被动调Q绿光激光器加入第二泵浦激光器后的结构图；
图5为图2所示可控的被动调Q绿光激光器通过第一泵浦激光器及第二泵浦激光器驱动时输入泵浦功率与输出532nm脉冲红外激光强度的关系图。
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至图5，为本发明一较佳实施方式的可控的被动调Q绿光激光器100，用于通过被动调Q1的谐振腔产生红外脉冲激光输出。该可控的被动调Q绿光激光器100包括泵浦组件、聚焦组件30、谐振组件、激光晶体50、被动调Q晶体60及倍频晶体70；泵浦组件包括第一泵浦激光器21；谐振组件包括前端镜41、转折镜42及尾端镜43；前端镜41与聚焦组件30对应设置；前端镜41镀808/880nm增透和1064nm高反膜；转折镜42镀1064nm全反和532nm增透膜；尾端镜43镀1064nm和532nm全反膜；前端镜41、转折镜42、及尾端镜43组成激光谐振腔；激光晶体50及被动调Q晶体60设置在前端镜41与转折镜42之间，倍频晶体70设置在转折镜42与尾端镜43之间；第一泵浦激光器21以第一预定频率输出波长808nm或880nm的脉冲泵浦光；脉冲泵浦光经聚焦组件30聚焦在激光晶体50中；满足泵浦功率要求的脉冲泵浦光进入激光晶体50内形成粒子数反转后，在激光谐振腔内谐振放大形成连续运转的1064nm红外激光，且被动调Q晶体60将连续运转的1064nm红外激光调整为脉冲运转的1064nm红外激光，1064nm脉冲红外激光由转折镜42到尾端镜43过程中经过倍频晶体70时产生倍频效应，部分1064nm脉冲红外激光转换为532nm脉冲绿光，该部分532nm脉冲绿光和剩余的1064nm光经过尾端镜43一起全反射，再一次经过倍频晶体70，又一部分1064nm脉冲红外激光转化为532nm脉冲绿光；最后所有的532nm绿光与剩余的1064nm基频光一起打在转折镜42上，532nm脉冲绿光激光全透输出到腔外，1064nm红外激光继续反射在激光谐振腔内谐振。
通过第一泵浦激光器21输出脉冲泵浦光，在满足泵浦功率要求下，脉冲泵浦光的能量被激光晶体50吸收，形成粒子数反转，被动调Q晶体60将连续运转的1064nm红外激光调整为脉冲运转的1064nm红外激光出，在脉冲泵浦光下降至泵浦功率要求之下后，由于激光晶体50无法吸收足够的泵浦光能量，从而停止532nm绿光激光输出，在第一泵浦激光器21的频率限制下，可控的被动调Q绿光激光器100的激光输出频率与第一预定频率保持同步，输出脉冲频率稳定的532nm脉冲绿光激光。
请参阅图2及图3，第一预定频率与激光晶体50、被动调Q晶体60、倍频晶体70、及激光谐振腔对应，即与532nm脉冲绿光激光的光脉冲波形的正常频率对应设置；具体地，为确定第一泵浦激光器21的第一预定频率，根据可控的被动调Q绿光激光器100所输出的532nm脉冲绿光激光的脉冲峰值功率要求确定峰值泵浦源功率P0，将功率恒定为P0的808nm或者880nm第一恒定泵浦光经聚焦组件30聚焦激光晶体50，进入激光晶体50内形成粒子数反转后，在激光谐振腔内谐振放大形成连续运转的1064nm红外激光，被动调Q晶体60将连续运转的1064nm红外激光调整为脉冲运转的1064nm红外激光，在倍频晶体70的倍频效应作用下，部分1064nm脉冲红外激光转化为532nm脉冲绿光，532nm脉冲绿光由转折镜42输出到激光谐振腔外；通过光功率计及示波器，获得在功率恒定为P0的808nm或者880nm第一恒定泵浦光的作用下，可控的被动调Q绿光激光器100所产生的532nm脉冲绿光的光脉冲波形，根据532nm脉冲绿光的波形，从而可确定在未产生重复脉冲串时，532nm脉冲绿光的光脉冲波形的正常周期或频率；532nm脉冲绿光的光脉冲波形的正常周期或频率与泵浦系统、谐振腔系统相关，具体地，包括泵浦功率的大小、聚集光斑的大小、谐振腔的腔长、激光晶体50、被动调Q晶体60、及倍频晶体70的选型等。
请参阅图4及图5，在其中一个实施方式中，可控的被动调Q绿光激光器100还包括第一驱动电源81，为实现第一泵浦激光器21的泵浦光功率的脉冲调节，第一驱动电源81向第一泵浦激光器21输出脉冲驱动电流，通过对第一泵浦激光器21的输入电流的调节，从而实现对第一泵浦激光器21的泵浦光功率的脉冲调节，具体地，脉冲驱动电流与第一驱动电源81的输出功率正相关；为降低对第一驱动电源81的性能要求，减少对脉冲驱动电流的上升沿时间ta或下降沿时间tb的限制，泵浦组件还包括第二泵浦激光器22及合束器23，第二泵浦激光器22产生第二恒定泵浦光，第二恒定泵浦光的功率强度与激光谐振腔的阈值泵浦功率对应；第二泵浦激光器22产生的第二恒定泵浦光通过合束器23与第一泵浦激光器21产生的脉冲泵浦光进行合束，合束器23的输出端输出合束泵浦光，合束泵浦光经聚焦组件30聚焦在激光晶体50中，激光晶体50内形成粒子数反转。
当合束泵浦光的功率大于激光谐振腔的阈值泵浦功率时，被动调Q晶体60产生振荡，激光谐振腔内产生1064nm脉冲红外激光，在倍频晶体70的作用下，产生532nm脉冲绿光并透过转折镜42输出到激光谐振腔外；当合束泵浦光的功率小于或等于激光谐振腔的阈值泵浦功率时，激光谐振腔未达到振荡条件，限制532nm脉冲绿光的输出。
请参阅图2及图5，由于在脉冲驱动电流处于低值时，第二泵浦激光器22保持输出第二恒定泵浦光，每次产生532nm脉冲绿光的脉冲输出时，合束泵浦光的功率从激光谐振腔的阈值泵浦功率附近开始上升，在脉冲输出周期结束时，合束泵浦光的功率下降至阈值泵浦功率附近，在相同的上升沿时间ta或下降沿时间tb要求下，可减少第一驱动电源81输出电流上升或输出电流下降过程中的电流变化速率，在相同的电流变化速率条件下，可减少上升沿时间ta或下降沿时间tb的数值限制，从而降低对第一驱动电源81的性能要求。
具体地，激光谐振腔的阈值泵浦功率为激光谐振腔输出532nm脉冲绿光的临界值，当进入激光谐振腔的泵浦光的功率超过阈值泵浦功率时，激光谐振腔开始输出532nm脉冲绿光。
为确定第二泵浦激光器22产生的第二恒定泵浦光时所输入的恒定驱动电流的大小，通过停止第一泵浦激光器21的运行输出，同时将第二泵浦激光器22的输入电流从零开始逐渐上调，同时利用光功率计探头对透过转折镜42输出的532nm脉冲绿光进行检测，当刚好检测到微弱的532nm脉冲绿光时，即可确认第二泵浦激光器22输出泵浦光的功率达到激光谐振腔的阈值泵浦功率，此时第二泵浦激光器22的输入电流通过适当下调，即可作为第二泵浦激光器22产生第二恒定泵浦光时所对应输入的恒定驱动电流；第二恒定泵浦光的功率为P1。
请参阅图4，在其中一个实施方式中，为使第一泵浦激光器21或第二泵浦激光器22产生的泵浦光可靠传送，可控的被动调Q绿光激光器100还包括光纤组件，光纤组件包括、第一传输光纤91、第二传输光纤92、及第三传输光纤93；合束器23设有第一泵浦输入端、第二泵浦输入端、及合束输出端；第一泵浦激光器21输出的脉冲泵浦光通过第一传输光纤91传输至合束器23的第一泵浦输入端，第二泵浦激光器22输出的第二恒定泵浦光通过第二传输光纤92传输至合束器23的第二泵浦输入端，合束器23的合束输出端将合束泵浦光输入至第三传输光纤93；第三传输光纤93的输出端与聚焦组件30对应。
在其中一个实施方式中，为固定第三传输光纤93的输出端，光纤组件还包括输出头94，输出头94与聚焦组件30对应设置，第三传输光纤93的输出端固定在输出头94上。
在其中一个实施方式中，为避免第二泵浦激光器22的输入电流受到干扰，影响第二泵浦激光器22的输入电流的稳定性，可控的被动调Q绿光激光器100还包括第二驱动电源82，第二驱动电源82向第二泵浦激光器22输出恒定驱动电流。
在其中一个实施方式中，为使合束泵浦光在激光晶体50内更均匀地分布，提高808nm或者880nm泵浦光的转换效率，聚焦组件30的聚焦点处于激光晶体50内部，且与激光晶体50输入端面相距1.8-2.2mm的位置，具体地，聚焦组件30的聚焦点与激光晶体50输入端面相距2mm。
在其中一个实施方式中，为使大部分合束泵浦光能聚焦到激光晶体50，聚焦组件30包括第一平凸透镜31、及与第一平凸透镜31对应设置的第二平凸透镜32。
在其中一个实施方式中，第一平凸透镜31的凸面与第二平凸透镜32的凸面相对设置。
在其中一个实施方式中，激光晶体50为Nd:YVO4晶体、Nd:YAG晶体、或Nd:GdYVO4晶体。
在其中一个实施方式中，被动调Q晶体60为Cr：YAG晶体。
由于被动调Q产生的激光频率受被动调Q晶体60的掺杂浓度影响，被动调Q晶体60的掺杂浓度过高，造成输出激光频率过低，不利于得到更多频率的激光输出，被动调Q晶体60的掺杂浓度过低，会造成输出激光频率过高，过高电调制电流时则会存在电流上升下降时间超过调制周期的失调情况，因此，在其中一种实施方式中，用作被动调Q晶体60的Cr:YAG的掺杂浓度为0.3～1at％，其1064nm初始透过率为5％～95％@1.06μm，从而获得最佳的激光频率输出效果；具体地，倍频晶体70为LBO、KDP、或KTP等晶体。
本实施例中，通过第一泵浦激光器输出脉冲泵浦光，在满足泵浦功率要求下，脉冲泵浦光的能量被激光晶体吸收，形成粒子数反转，被动调Q晶体将连续运转的1064nm红外激光调整为脉冲运转的1064nm红外激光出，在脉冲泵浦光下降至泵浦功率要求之下后，由于激光晶体无法吸收足够的泵浦光能量，从而停止532nm绿光激光输出，在第一泵浦激光器的频率限制下，可控的被动调Q绿光激光器的激光输出频率与第一预定频率保持同步，输出脉冲频率稳定的532nm脉冲绿光激光，令一个泵浦周期中的能量锁定在单个532nm绿光激光脉冲中，保证可控的被动调Q绿光激光器的脉冲峰值功率；基于输出脉冲频率的稳定性，可控的被动调Q绿光激光器应用在扫描振镜沿一定的轨迹打点时，能确保打点的均匀性。
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 (10)

1.一种可控的被动调Q绿光激光器，其特征在于，包括：泵浦组件、聚焦组件、谐振组件、激光晶体、被动调Q晶体、及倍频晶体；所述泵浦组件包括第一泵浦激光器；所述谐振组件包括前端镜、转折镜及尾端镜；所述前端镜与所述聚焦组件对应设置；所述前端镜镀808/880nm增透和1064nm高反膜；所述转折镜镀1064nm全反和532nm增透膜；所述尾端镜镀1064nm和532nm全反膜；所述前端镜、所述转折镜、及所述尾端镜组成激光谐振腔；所述激光晶体及所述被动调Q晶体设置在所述前端镜与所述转折镜之间，所述倍频晶体设置在所述转折镜与所述尾端镜之间；所述第一泵浦激光器以第一预定频率输出波长808nm或880nm的脉冲泵浦光；所述脉冲泵浦光经所述聚焦组件聚焦在所述激光晶体中；满足泵浦功率要求的所述脉冲泵浦光进入所述激光晶体内形成粒子数反转后，在所述激光谐振腔内谐振放大形成连续运转的1064nm红外激光，且所述被动调Q晶体将连续运转的1064nm红外激光调整为脉冲运转的1064nm红外激光，1064nm脉冲红外激光由所述转折镜到所述尾端镜过程中，经过所述倍频晶体时产生倍频效应，部分1064nm脉冲红外激光转换为532nm脉冲绿光，该部分532nm脉冲绿光和剩余的1064nm光经过所述尾端镜一起全反射，再一次经过所述倍频晶体，又一部分1064nm脉冲红外激光转化为532nm脉冲绿光；最后所有的532nm绿光与剩余的1064nm基频光一起打在所述转折镜上，532nm脉冲绿光激光全透输出到腔外，1064nm红外激光继续反射在激光谐振腔内谐振。
2.根据权利要求1所述的可控的被动调Q绿光激光器，其特征在于，还包括第一驱动电源；所述泵浦组件还包括第二泵浦激光器及合束器；所述第一驱动电源向所述第一泵浦激光器输出脉冲驱动电流；所述第二泵浦激光器产生第二恒定泵浦光，所述第二恒定泵浦光的功率强度与所述激光谐振腔的阈值泵浦功率对应；所述第二泵浦激光器产生的所述第二恒定泵浦光通过合束器与所述第一泵浦激光器产生的脉冲泵浦光与进行合束，所述合束器的输出端输出合束泵浦光，所述合束泵浦光经聚焦组件聚焦在所述激光晶体中，所述激光晶体内形成粒子数反转；当所述合束泵浦光的功率大于所述激光谐振腔的阈值泵浦功率时，所述激光谐振腔内产生1064nm脉冲红外激光，在所述倍频晶体的作用下，产生532nm脉冲绿光并透过所述转折镜输出到所述激光谐振腔外。
3.根据权利要求2所述的可控的被动调Q绿光激光器，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、第二传输光纤、及第三传输光纤；所述合束器设有第一泵浦输入端、第二泵浦输入端、及合束输出端；所述第一泵浦激光器输出的脉冲泵浦光通过所述第一传输光纤传输至所述合束器的第一泵浦输入端，所述第二泵浦激光器输出的第二恒定泵浦光通过所述第二传输光纤传输至所述合束器的第二泵浦输入端，所述合束器的合束输出端将合束泵浦光输入至所述第三传输光纤；所述第三传输光纤的输出端与所述聚焦组件对应。
4.根据权利要求3所述的可控的被动调Q绿光激光器，其特征在于，所述光纤组件还包括输出头，所述输出头与所述聚焦组件对应设置，所述第三传输光纤的输出端固定在所述输出头上。
5.根据权利要求2所述的可控的被动调Q绿光激光器，其特征在于，还包括第二驱动电源，所述第二驱动电源向所述第二泵浦激光器输出恒定驱动电流。
6.根据权利要求2所述的可控的被动调Q绿光激光器，其特征在于，所述聚焦组件的聚焦点处于所述激光晶体内部，且与所述激光晶体输入端面相距1.8-2.2mm的位置。
7.根据权利要求2所述的可控的被动调Q绿光激光器，其特征在于，所述聚焦组件包括第一平凸透镜、及与所述第一平凸透镜对应设置的第二平凸透镜。
8.根据权利要求7所述的可控的被动调Q绿光激光器，其特征在于，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设置。
9.根据权利要求1所述的可控的被动调Q绿光激光器，其特征在于，所述激光晶体为Nd:YVO4晶体、Nd:YAG晶体、或Nd:GdYVO4晶体。
10.根据权利要求1所述的可控的被动调Q绿光激光器，其特征在于，所述被动调Q晶体为Cr：YAG晶体。
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