CN109494551B - 一种碟片激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碟片激光器，包括：LD泵浦源，匀化棒，聚焦系统，聚焦反射镜，反射镜组，碟片晶体、热沉，输出耦合镜等八部分组成。本发明利用半导体激光器对碟片激光器进行端面多次泵浦，通过在聚焦反射镜前端环带上的倾斜通孔，使入射泵浦光直接照射到碟片晶体上，通过反射镜组反射，实现碟片晶体对泵浦光的多次吸收。碟片晶体后表面镀有激光高反膜，与输出耦合镜构成谐振腔，获得激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及全固态激光器领域，具体涉及到一种碟片激光器领域。
背景技术
碟片激光器具有高平均功率、高光束质量、高转换效率的一种新型激光器。目前以光纤激光器和碟片激光器为代表的新一代固体激光器已经成为激光器家族中的典型代表。由于碟片激光器的晶体很薄，每次对泵浦光吸收有限，所以势必要采用，多冲程泵浦的碟片激光器，让泵浦光多次通过碟片激光器，使泵浦光获得高吸收效率，因此多冲程碟片激光器泵浦，高功率碟片固体激光器高效稳定运行的核心技术。其中，碟片激光器的放大主要是提高碟片晶体上的泵浦区域。
2003年，美国专利Steffen Erhard等提出了单抛物面和多棱镜构成的空间旋转多次泵浦的结构(US657766682)，2005年，Steffen Erhard等对上述方案进行改进提出了基于单抛物面和两个大型棱镜实现光束空间旋转多次泵浦技术的方案(US6891874B2)。
但是，大功率碟片激光器的放大受到泵浦方式的制约，利用现有技术实现大功率碟片激光器输出功率的缩放，获得大功率碟片激光器的功率放大，受到非球面镜加工尺寸、装调精度等技术因素的制约。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的碟片激光器，该激光器可实现碟片激光器功率的缩放，以获得高功率、小尺寸、高效率、宽公差装配的碟片激光器。
本发明提供的一种碟片激光器，包括：LD泵浦源，匀化棒，聚焦系统，聚焦反射镜，反射镜组，碟片晶体及热沉，输出耦合镜，聚焦反射镜为轴对称结构，其焦点位于聚焦反射镜的对称轴上，于聚焦反射镜中心开设有通孔，通孔的中心轴与聚焦反射镜的对称轴重合，于聚焦反射镜上开设有倾斜通光孔，倾斜通光孔的中心轴通过聚焦反射镜的焦点，于聚焦反射镜的焦点处设有碟片晶体，碟片晶体中心对称轴与聚焦反射镜中心轴重合，于聚焦反射镜的反射面一侧设有成对的反射镜组。
LD泵浦源(1)发出的泵浦光依次经匀化棒、聚焦系统、再通过聚焦反射镜上的倾斜通光孔直接将LD泵浦光聚焦入射到碟片晶体表面上，泵浦光在碟片晶体、聚焦反射镜和反射镜组间的反复传输泵浦。在圆形通孔外侧设有输出耦合镜，输出耦合镜与碟片晶体构成光学谐振腔，由输出耦合镜输出激光。
LD泵浦源为半导体激光器，输出波长为808nm、940nm和969nm。其中，808nm为Nd：YAG碟片增益晶体吸收谱线；940nm和969nm分别为Yb：YAG碟片增益晶体吸收谱线；增益介质厚度为100-300μm，增益介质为Yb：YAG；其输出波长为1030nm、1050nm；增益介质为Nd：YAG；其输出波长为1064nm；
匀化棒采用熔石英材料材料，为多边形棱柱体，一般为六边形或四边边形，通过扰模的方式将LD泵浦源的高斯光束，整形为平顶光束。当匀化后的泵浦光聚焦于碟片晶体上时，使泵浦区域功率密度均匀。
聚焦系统由1-3片镀有增透膜的透镜组成，起到将LD泵浦聚焦到碟片晶体上，均匀泵浦碟片晶体的作用。通过调节聚焦系统的距离和焦距，能够实现泵浦光斑在碟片晶体上的缩放。聚焦系统是与聚焦反射镜不相关的独立光学器件，其能够单独控制LD泵浦源发出的泵浦光在碟片晶体上的光斑尺寸，通过控制聚焦系统的焦距，使得碟片激光晶体上泵浦光斑能够实现缩放，可实现碟片激光器的功率放大。
聚焦反射镜为球面或非球面的轴对称聚焦反射镜，其表面镀有泵浦光高反射薄膜，聚焦反射镜的焦点位于碟片晶体上，其几何中心轴与碟片晶体的中心对称轴相重合。
聚焦反射镜中心带孔，并且在其上设有一个或者2个以上倾斜通光孔，用来使泵浦光能够穿过，入射到碟片晶体上，并且该倾斜通光孔可随泵浦光的光束宽度适当缩放；开孔的轴心通过聚焦反射镜的焦点，与聚焦反射镜的几何中心轴呈10-60度倾斜；
当开孔为2个以上时，开孔通常不在同一个同心圆上；当多通孔同时存在时，每个通孔对应设置有一个LD泵浦源、一个和一个聚焦系统。
反射镜组位于聚焦反射镜反射镜面一侧相对放置，为2-6对以过聚焦反射镜的对称轴并垂直该轴的对称中心线，而成对对称设置的屋脊反射镜组，其作用是反射由聚焦反射镜入射来的泵浦光，并且使得泵浦光发生位置平移同方向反射到聚焦反射镜上，实现泵浦光在碟片晶体、聚焦反射镜和反射镜组间的反复传输，多次泵浦。
于碟片晶体远离聚焦反射镜一侧表面设有热沉。
于聚焦反射镜中心开设的通孔为圆形通孔；于聚焦反射镜上开设有倾斜通光孔为圆形通孔。
反射镜组和聚焦反射镜配合，聚焦反射镜凹面，即相对于与晶体方向镀对应泵浦光反射膜。反射镜组位于聚焦反射镜反方向放置。为2-6对的屋脊反射镜组，其作用是反射由聚焦反射镜入射来的泵浦光，并且使得泵浦光发生位置平移并同方向反射到聚焦反射镜上，实现泵浦光在碟片晶体、聚焦反射镜和反射镜组间的反复传输，可使泵浦光反复通过焦点位置的碟片晶体，使碟片晶体可以吸收24、32、48次泵浦光，以实现泵浦光的多次吸收泵浦。反射镜组中每块反射镜面均镀有对应泵浦光反射膜。
本发明核心装置是中心带孔的聚焦反射镜，并且在带孔的聚焦反射镜的环带上有一个或者多个倾斜通光孔，用来使泵浦光能够穿过，入射到碟片晶体上，并且该倾斜通光孔可随泵浦光的光束宽度适当缩放。开孔的轴心通过聚焦反射镜的焦点，与聚焦反射镜的几何中心轴呈10-60度倾斜。当开孔为2个以上时，开孔不在同一个同心圆上。当多通孔同时存在时，每个通孔对应一个LD泵浦源和一个聚焦系统。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的一种新型的碟片激光器，由于采用了带有孔的聚焦反射镜，泵浦光可以通过聚光反射镜上的通孔直接入射到碟片晶体上，实现在碟片晶体上泵浦光斑尺寸的任意缩放，从而不受传统碟片激光器准直系统的制约而实现碟片晶体上泵浦光斑大小的有效控制。
(2)本发明解决了大功率碟片激光器功率缩放的问题。通过倾斜通光孔(9)的数量在一个或多个以上。当开孔为2个以上时，开孔不在同一个同心圆上。当多个通孔同时存在时，每个通孔对应一个泵浦源和一个聚焦系统。
附图说明
图1为实施例1的一种碟片激光器示意图；
图2为以单孔24冲程为例的聚焦反射镜上泵浦光斑示意图；
图3为双孔双泵浦源聚焦反射镜上泵浦光斑示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。该具体实施例以同带泵浦全固态光纤激光器的工作原理进行解释说明。
图1实施例1的一种碟片激光器示意图，LD泵浦源1，聚焦系统3，匀化棒2，聚焦反射镜4，反射镜组(5)，碟片晶体6及热沉7，输出耦合镜8等七个部分组成。聚焦反射镜4中心带有开孔，以中心为圆心的环带上任一点可开倾斜通光孔9，使得LD泵光能够通过聚焦反射镜4上的通光孔9，而直接将LD泵浦光1聚焦入射到晶体表面上，LD泵浦光聚焦系统3是与聚焦反射镜4不相关的独立光学器件，其能够单独控制LD泵浦光在晶体上的光斑尺寸。
LD泵浦源1通过耦合系统聚焦于匀化棒2中，通过匀化棒后使LD泵浦源1发出的高斯或类高斯的泵浦光匀化为平顶光束。平顶光束通过聚焦系统3后，通过聚焦反射镜4上倾斜通光孔9入射到碟片晶体6上。通过调节聚焦系统3的焦距和于晶体的位置关系可以获得碟片晶体上泵浦光斑的缩放。由于碟片晶体6位于聚焦反射镜4的焦点位置，通过利用反射镜组5与聚焦反射镜4配合，利用常规的光学反射知识就可以知道，可实现泵浦光在碟片激光器上的多次泵浦。同时，由于反射到聚焦反射镜4上的泵浦光斑，是以带孔的聚焦反射镜4的中心为同心圆分布的。如果开孔在2个以上时，当开孔为2个以上时，开孔不在同一个同心圆上。当多个斜通光孔9同时存在时，每个通孔对应一个泵浦源1和一个聚焦系统3。LD泵浦光聚焦系统3是与聚焦反射镜4不相关的独立光学器件，其能够单独控制LD泵浦源发出的泵浦光在碟片晶体6上的光斑尺寸，通过控制聚焦系统3的焦距，使得碟片激光晶体上泵浦光斑能够实现缩放，实现碟片激光器的功率放大。
LD泵浦源采用半导体激光器，其发射波长为808、940、968nm，可根据增益介质的不同进行更换。碟片激光器采用24、32、48冲程碟片激光器作为泵浦耦合腔。其中，碟片晶体6厚度为100-300μm，材料为Yb：YAG时，其输出波长为1030nm、1050nm；材料为Nd：YAG时，其输出波长为1064nm；
聚焦反射镜4中心带孔，并且在其环带上任意圆环位置有一个或者多个倾斜通光孔9，用来使泵浦光能够穿过。当开孔为2个以上时，开孔不在同一个同心圆上。
聚焦反射镜4上所开倾斜通孔9轴与聚焦反射镜4中心对称轴呈10-60度倾斜。反射镜组5位于开孔位置开口处反方向放置。可使泵浦光通过该倾斜通光孔，入射到碟片晶体6上，并且该倾斜通光孔9可随泵浦光的光束宽度适当缩放。
碟片晶体6的前表面镀增透膜，后表面镀高反膜，当碟片晶体获得泵浦时，高反膜与输出耦合镜构成谐振腔，获得激光输出。
图2为以24冲程为例的聚焦反射镜4上泵浦光斑示意图，其中1号位置为倾斜的通孔。经过反射镜组5和聚焦反射镜4配合后，在以聚焦反射镜4中心为轴，呈现同心圆分布，同时各个泵浦光点之间呈30度角的规律分布。
图3为双孔双泵浦源聚焦反射镜4上泵浦光斑示意图，其中1号位置与图2所示聚焦反射镜4上泵浦光斑示意图相同，不在赘述。斜体加粗的1，是以第二个倾斜的孔进入的泵浦光，形成了斜体的1-12号光斑，同时光斑环是以聚焦反射镜4中心为轴的同心圆。为避免机械结构碰撞，两组同心圆半径之间需要有1mm以上的距离。通过双孔设计，可以降低单个泵浦源的功率。减小器件的抗损伤性，提高系统的稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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 (9)
1.一种碟片激光器，包括：LD泵浦源(1)，匀化棒(2)，聚焦系统(3)，聚焦反射镜(4)，反射镜组(5)，碟片晶体(6)及热沉(7)，输出耦合镜(8)，其特征在于：聚焦反射镜(4)为轴对称结构，其焦点位于聚焦反射镜的对称轴上，于聚焦反射镜中心开设有通孔，通孔的中心轴与聚焦反射镜的对称轴重合，于聚焦反射镜上开设有倾斜通光孔（9），倾斜通光孔的中心轴通过聚焦反射镜的焦点，于聚焦反射镜的焦点处设有碟片晶体(6)，于聚焦反射镜(4)的反射面一侧设有成对的反射镜组(5)，LD泵浦源(1)发出的泵浦光依次经匀化棒(2)、聚焦系统(3)、再通过聚焦反射镜（4）上的倾斜通光孔（9）直接将LD泵浦光聚焦入射到碟片晶体（6）表面上，泵浦光在碟片晶体(6)、聚焦反射镜(4)和反射镜组(5)间的反复传输泵浦，在圆形通孔外侧设有输出耦合镜(8)，输出耦合镜（8）与碟片晶体（6）构成光学谐振腔，由输出耦合镜（8）输出激光；
聚焦反射镜（4）中心带孔，并且在其上设有2个以上倾斜通光孔（9），用来使泵浦光能够穿过，入射到碟片晶体（6）上，并且该倾斜通光孔（9）的轴心通过聚焦反射镜（4）的焦点，与聚焦反射镜（4）的几何中心轴呈10-60度倾斜；大小可随泵浦光的光束宽度适当缩放；
开孔不在同一个同心圆上；当多通孔同时存在时，每个通孔对应设置有一个LD泵浦源（1）和一个聚焦系统（3）。
2.根据权利要求1所述的碟片激光器，其特征在于：LD泵浦源（1）为半导体激光器，其发射波长为808、940、968nm，可根据增益介质的不同进行更换。
3.根据权利要求1所述的碟片激光器，其特征在于：匀化棒（2）为六边形或四边形光学棱柱，泵浦光从匀化棒的底面通过匀化棒时对泵浦光强度实现均匀化。
4.根据权利要求1所述的碟片激光器，其特征在于：聚焦系统（3）由1-3片镀有增透膜的透镜组成，起到将LD泵浦聚焦到碟片晶体上，均匀泵浦碟片晶体的作用；通过调节聚焦系统的距离和焦距，能够实现泵浦光斑在碟片晶体上的缩放；
聚焦系统（3）是与聚焦反射镜（4）不相关的独立光学器件，其能够单独控制LD泵浦源（1）发出的泵浦光在碟片晶体（6）上的光斑尺寸，通过控制聚焦系统（3）的焦距，使得碟片激光晶体（6）上泵浦光斑能够实现缩放，可实现碟片激光器的功率放大。
5.根据权利要求1所述的碟片激光器，其特征在于：聚焦反射镜（4）为球面或非球面的轴对称聚焦反射镜，其表面镀有泵浦光高反射薄膜，聚焦反射镜的焦点位于碟片晶体上，其几何中心轴与碟片晶体（6）的中心对称轴相重合。
6.根据权利要求1所述的碟片激光器，其特征在于：碟片激光器采用24、32、48冲程碟片激光器作为泵浦耦合腔；其中，碟片晶体（6）厚度为100-300μm，材料为Yb:YAG时，其输出波长为1030nm、1050nm；材料为Nd:YAG时，其输出波长为1064nm。
7.根据权利要求1所述的碟片激光器,反射镜组（5）位于聚焦反射镜（4）反射镜面一侧相对放置，为2-6对以过聚焦反射镜（4）的对称轴并垂直该轴的对称中心线，而成对对称设置的屋脊反射镜组，其作用是反射由聚焦反射镜（4）入射来的泵浦光，使得泵浦光发生位置平移并同方向反射到聚焦反射镜（4）上，实现泵浦光在碟片晶体（6）、聚焦反射镜（4）和反射镜组（5）间的反复传输，多次泵浦。
8.根据权利要求1所述的碟片激光器，其特征在于：于碟片晶体(6)远离聚焦反射镜（4）一侧表面设有热沉(7)。
9.根据权利要求1所述的碟片激光器，其特征在于：于聚焦反射镜中心开设的通孔为圆形通孔；于聚焦反射镜上开设有倾斜通光孔（9）为圆形通孔。
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