CN112397977A - 一种板条激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种板条激光器，包括：激光介质，激光介质为长＞宽≥厚的板条状；谐振腔，包括第一镜片和第二镜片，第一镜片和第二镜片分设于激光介质的端面的两侧；泵浦源，设置于激光介质的大面的至少一侧，其中，激光介质包括预设宽度w0和预设厚度t0的掺杂区域，掺杂区域由掺杂激活离子的基质材料构成，掺杂区域与板条激光器的基模体积相匹配。本发明实施例的板条激光器，对激光介质在宽度和厚度方向分别掺杂预设宽度和预设厚度形成掺杂区域，使得掺杂区域与板条激光器的基模体积相匹配，最终使板条激光器工作在基模状态，提高输出光束质量。
Description
技术领域
本发明涉及固体激光技术领域，尤其涉及一种板条激光器。
背景技术
传统的棒状激光器，由于径向的温度梯度，在大功率半导体激光列阵泵浦条件下，热透镜效应和双折射效应很明显，难以实现高光束质量高平均功率激光输出。为此，1969年美国通用公司提出了固体激光器的模型。固体激光器的激光介质为板条形状，一般为长方形薄片式结构，宽度与厚度之比大，被激发的激光在板条内部全内反射沿Z形光路传输。这种设计有利于消除一阶热透镜效应、应力双折射和退偏效应。
但是现有的板条激光器，板条状的激光介质由于两个方向的光束质量不同，导致激光器输出的光束质量差。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有固体板条激光器光束质量差的问题，对激光介质在宽度和厚度方向分别掺杂预设宽度和预设厚度形成掺杂区域，使得掺杂区域与板条激光器的基模体积相匹配，最终使板条激光器工作在基模状态，提高输出光束质量。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种板条激光器，包括：光介质为长＞宽≥厚的板条状；谐振腔，包括第一镜片和第二镜片，第一镜片和第二镜片分设于激光介质的端面的两侧；泵浦源，设置于激光介质的大面的至少一侧，其中，激光介质包括预设宽度w0和预设厚度t0的掺杂区域，掺杂区域由掺杂激活离子的基质材料构成，掺杂区域与板条激光器的基模体积相匹配。
可选地，激光介质还包括非掺杂区域，非掺杂区位于掺杂区域宽度方向的两侧。
可选地，激光介质端面的切角θ、激光入射至激光介质端面的入射角θ1、激光介质外部区域的折射率n1、掺杂区域的折射率n2、预设厚度t0与所预设宽度w0满足：
其中，n1＜n2。
可选地，非掺杂区域在掺杂区域的两侧对称设置，掺杂区域一侧的非掺杂区域的宽度w1与掺杂区域的宽度w0满足：w1:w0≥1。
可选地，激光介质中传输的激光光束的宽度w2满足：w2≥0.5mm。
可选地，第一镜片和第二镜片均为平面镜或凸面镜，第一镜片和第二镜片中一者为全反射镜，另一者为部分反射镜。
可选地，激光介质的垂直于宽度方向的截面为矩形、梯形或平行四边形。
可选地，激光从所述激光介质一侧端面的中心位置入射，从所述激光介质另一侧端面的中心位置出射。
可选地，激活离子包括Nd、Yb、Ti、Pr、Cr、Tm和Ho中的至少一种；和/或基质材料包括晶体、玻璃和陶瓷中的至少一种。
可选地，激光介质在泵浦光的入射面键合有一层非掺杂晶体。
(三)有益效果
本发明提供了一种板条激光器，对激光介质在宽度和厚度方向分别掺杂预设宽度和预设厚度形成掺杂区域，使得掺杂区域与板条激光器的基模体积相匹配，最终使板条激光器工作在基模状态，提高输出光束质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例提供的一种板条激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种板条状的激光介质的立体图；
图3为本发明实施例提供的一种板条状的激光介质的主视图；
图4为本发明实施例提供的一种板条状的激光介质的掺杂区域俯视图；
图5为本发明实施例提供的一种板条状的激光介质的左视图；
图6为本发明实施例提供的一种激光以一定角度入射至激光介质的端面的光路示意图；
图7为本发明实施例提供的一种激光垂直于激光介质的端面入射的光路示意图；
图8为本发明实施例提供的一种截面为等腰梯形的激光介质的光路示意图；
图9为本发明实施例提供的一种截面为平行四边形的激光介质的光路示意图；
图10为本发明实施例提供的一种截面为矩形的激光介质的光路示意图；
图11为本发明实施例提供的另一种截面为梯形的激光介质的光路示意图；
图12为本发明实施例提供的另一种截面为矩形的激光介质的光路示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。
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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
为了克服相关技术中板条激光器输出光束质量不好的问题，本发明实施例提供了一种板条激光器，请参阅图1至图5所示，图1为本发明实施例提供的一种板条激光器的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种板条状的激光介质的立体图；图3为本发明实施例提供的一种板条状的激光介质的主视图；图4为本发明实施例提供的一种板条状的激光介质的掺杂区域俯视图；图5为本发明实施例提供的一种板条状的激光介质的左视图。本发明实施例的板条激光器100包括板条状的激光介质10、谐振腔20和泵浦源30。其中，板条状的激光介质10的长＞宽≥厚，也即如图2所示，板条状的激光介质10的在图示坐标系中，定义x方向为板条状的激光介质10的长度方向，z方向为板条状的激光介质10的宽度方向，y方向为板条状的激光介质10的厚度方向，激光介质10包括预设宽度w0和预设厚度t0的掺杂区域11，掺杂区域11由掺杂激活介质的基质材料构成，掺杂区域11与该板条激光器100的基模体积相匹配。需要说明的是，对于板条状的激光介质10，其具有六个面，大面通常是指图2所示对应的沿y方向两端的两个平面，该平面面积较大，可以对应设置冷却装置；端面通常是指图示中沿x方向两端的两个平面；侧面通常是指图示中沿x方向两端的两个平面。本文中所涉及的“大面”、“端面”和“侧面”与上述常规定义一致。谐振腔20包括第一镜片21和第二镜片22，第一镜片21和第二镜片22分设于激光介质10的端面的两侧，以使谐振腔20内的激光40产生振荡。泵浦源30设置于激光介质10的大面的至少一侧，产生泵浦光31作用于激光介质10的掺杂区域11。本发明实施例的板条激光器100，通过对激光介质10在宽度和厚度方向分别掺杂预设宽度w0和预设厚度t0形成掺杂区域11，使得掺杂区域11与板条激光器100的基模体积相匹配，最终使板条激光器100工作在基模状态，提高输出光束的质量。
在一些实施例中，可以对整个板条状的激光介质10进行掺杂。在另一些实施例中，如图2至图5所示，可以对板条状的激光介质10进行部分区域掺杂，也即激光介质10包括掺杂区域11和非掺杂区域12，其中，非掺杂区域12位于掺杂区域11宽度方向的两侧。对板条状的激光介质10进行部分区域掺杂，便于控制光体积，提高光束质量。可选地，非掺杂区域12在掺杂区域11的两侧对称设置，掺杂区域11一侧的非掺杂区域12的宽度w1与掺杂区域11的宽度w0满足：w1:w0≥1。增大非掺杂区域12的宽度，便于装配，并且当在激光介质10的大面一侧设置冷却装置50时，能够增大冷却装置50与板条状的激光介质10的接触面积，有利于提高冷却效果。
在一些实施例中，掺杂区域11掺杂的激活离子可以包括Nd离子、Yb离子、Tm离子和Ho离子中的至少一种。在另一些实施例中，基质材料可以为晶体、玻璃或陶瓷。具体的，掺杂区域11的材质可以包括但不限于Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:GSGG、Nd:GYSGG、Nd:LGG、Nd:GGG、Nd:YLF、Nd:YAP、Nd:S-FAP、Yb:YAG、Yb:YVO4、Yb:GGG、Yb:YLF、Yb:YAP、Yb:S-FAP、Tm:YAG、Tm:YVO4、Ho:YAP、Ho:YAG、Ti:Al2O3、Cr:BeAl2O4、Pr:YLF、Pr:YAP、Cr:GSGG、Cr:YAG、红宝石晶体，掺杂Nd离子陶瓷，掺杂Yb离子陶瓷，掺杂Nd离子玻璃，掺杂Yb离子玻璃，掺杂Tm离子陶瓷，掺杂Ho离子陶瓷，掺杂Tm离子玻璃，掺杂Ho离子玻璃等。
激光介质10的垂直于宽度方向的截面可以为矩形、梯形或平行四边形，也即图示中，垂直于x方向的截面为矩形、梯形或平行四边形。
在一些实施例中，请参阅图6所示，图6为本发明实施例提供的一种激光以一定角度入射至板条状的激光介质端面的光路示意图，激光40可以在激光介质10内以Z字形传播。激光介质10端面的切角θ、激光40入射至激光介质10端面的入射角θ1、激光介质10外部区域的折射率n1、掺杂区域11的折射率n2、掺杂区域11的预设厚度t0与掺杂区域11的预设宽度w0满足：
其中，n1＜n2。本实施例中，掺杂区域11的预设宽度w0和预设厚度t0满足上述关系式，可以保证激光介质10的掺杂区域11的预设宽度w0与端面倾斜掺杂宽度ws在光截面上的投影宽度ws′一致。使得沿光传输方向的截面近似为正方形，使两个方向的光束质量相近，两个方向光束畸变较小，光束质量好。本实施例中激光介质10外部区域的折射率n1小于掺杂区域11的折射率n2，能够通过调整激光40入射至板条状的激光介质10的端面的入射角，进而调整激光40在激光介质10的大面上的反射角度，以使激光40在激光介质10中发生全反射，减少光损失，提高光利用率。
在一些实施例中，激光40可以以布儒斯特角入射至激光介质10的端面，并在激光介质10中以Z字形传播。
请参阅图7所示，图7为本发明实施例提供的一种激光垂直于激光介质的端面入射的光路示意图。以激光介质10垂直于宽度方向的截面为等腰梯形为例，若激光40垂直于激光介质10的端面的中心入射，则激光介质10的端面的切角θ、掺杂区域11的折射率n2、预设厚度t0和预设宽度可以满足：w0=t0/sinθ，θ≥arcsin(1/n2)。可以保证激光40在激光介质10中发生全反射，提高光利用率。
对于不同截面形状的激光介质10，可以设计不同的激光介质的长度L，以使激光沿预设的位置出射，通常使激光沿激光介质10的端面的中心位置入射，另一个端面的中心位置出射。可以理解的是，激光40的入射和出射均沿激光介质10的掺杂区域11。
在一些实施例中，激光介质10的截面为等腰梯形，请参阅图8所示，图8为本发明实施例提供的一种截面为等腰梯形的激光介质的光路示意图。本实施例中，激光40在激光介质中以Z字形传播，激光40在激光介质10中全反射，则，
n为激光40在激光介质10中一个大面的反射次数，且n为大于等于1的整数。
在一些实施例中，激光介质的截面为平行四边形，请参阅图9所示，图9为本发明实施例提供的一种截面为平行四边形的激光介质的光路示意图。本实施例中，激光40在激光介质中以Z字形传播，其中，
L=2ntan(θ2+θ)t0，
n为激光40在激光介质10中一个大面的反射次数，且n为大于等于1的整数。
在一些实施例中，激光介质的截面为矩形，请参阅图10所示，图10为本发明实施例提供的一种截面为矩形的激光介质的光路示意图。本实施例中，激光40在激光介质中以Z字形传播，其中，
w0=w′s=t0cosθ2，
n为激光40在激光介质10中一个大面的反射次数，且n为大于等于1的整数。
在一些实施例中，激光介质10的截面为平行四边形或梯形，以激光介质10的截面为梯形为例，请参阅图11所示，图11为本发明实施例提供的另一种截面为梯形的激光介质的光路示意图。本实施例中，激光40在激光介质10中直线传播。本实施例中，
也即
此时，w0=w′s=t0，对于激光介质10的长度L不做限制，可以根据实验需求进行设定。
在另一些实施例中，激光介质10的截面为矩形，请参阅图12所示，图12为本发明实施例提供的另一种截面为矩形的激光介质的光路示意图。本实施例中，激光40在激光介质10的端面垂直入射，则激光40在激光介质10中直进直出，此时，w0=w′s=t0，对于激光介质10的长度L不做限制，可以根据实验需求进行设置。
上述实施例中，激光介质10中激光40光束的宽度w2满足：w2≥0.5mm，实现高功率的基模运转。
在一些实施例中，可以在激光介质10的泵浦源30发射的泵浦光31入射的大面上设置对泵浦光31具有高透光率的膜层，以提高泵浦效率。该膜层的波长和角度根据泵浦光31的波长和入射角度来确定。
在另一些实施例中，激光介质10的端面设置有对激光40具有高透过率的膜层，这样，可以提高从谐振腔20的镜片反射至激光介质10内的激光40，从而提升振荡效率。该膜层的波长和角度根据激光40的波长和入射角度来确定。
在一些实施例中，激光介质10的下侧大面设置有对泵浦光31具有高反射率的膜层，以提高泵浦光31在激光介质10中的反射效率，实现双程吸收。
对于泵浦源30的类型本发明不做限制，优选半导体激光器阵列作为泵浦源。
在一些实施例中，泵浦源30可以设置在激光介质10两个端面中任一端面的外侧，还可以分别对称地设置在两个端面的外侧。在另一些实施例中，泵浦源30还设置在激光介质10两个大面中任一大面的外侧，还可以分别对称地设置于两个大面的外侧。在又一些实施例中，泵浦源30可以设置在激光介质10两个侧面中任一侧面的外侧，还可以分别对称地设置在两个侧面的外侧。
在一些实施例中，激光介质10在泵浦光31的入射面键合有一层非掺杂晶体，也即在激光介质10设置泵浦源30的一个侧面或两个侧面可以对应的键合一层非掺杂晶体，可以减小晶体(激光介质)表面的热效应，进一步提升光束质量。
光谐振腔20包括第一镜片21和第二镜片22，第一镜片21和第二镜片22分设于激光介质10两个端面的外侧。第一镜片21和第二镜片22均可以采用平面镜或凸面镜中的一种。在一些实施例中，第一镜片21和第二镜片22均为平面镜，第一镜片21和第二镜片22中一者为全反射镜，另一者为部分反射镜。本发明实施例中均以第一镜片21为全反射镜片，第二镜片22为部分反射镜为例进行说明。
为了降低激光介质10的温度，在一些实施例中，请参阅图1所示，板条激光器100还可以包括冷却装置50，冷却装置50可以设置在板条状的激光介质10的大面，例如，可以设置包覆有具有冷却介质的冷却微通道，冷却介质可以为液体，如水或者其他混合液，也可以为气体，如空气或氮气或其他其气体的混合气体；冷却介质的流动方向可以沿板条状的激光介质10的长度方向。可选地，在板条状的激光介质10的大面可以镀二氧化硅薄膜作为倏逝波膜，防止冷却介质对激光介质10内部全反射的激光产生干扰。可选的，可以在激光介质10的设置冷却装置50的大面上镀金，并通过铟与冷却装置焊接，能够提高导热效果。
下面根据具体实施例对本发明的板条激光器做详细描述。
实施例1
请参阅图7所示，激光介质10的垂直于宽度方向的截面为等腰梯形，激光介质10的端面的切角θ为45°，激光40垂直入射至激光介质10的端面，则有：
L-(2n+2)t0；
t0一定时，
可以保证两个方向上光束质量近似相等的。板条长度L满足上述关系，激光在板条内经过Z字形传播之后，能够垂直于方形光截面出射。
在这种腔型结构下，腔内基模尺寸基本固定，在一定范围内的激光介质10尺寸、腔长、热焦距下，基模直径在大于0.5mm范围内。基于此，厚度t0的取值范围就基本可以确定。设计激光介质10的结构，确切的说是设计激光介质10中掺杂区域11的尺寸，来与之匹配，从而得到高光束质量的激光输出。
激光介质10焊接在热沉(冷却装置)上，冷却面积大，泵浦源30侧面均匀泵浦，热效应不显著。本实施例中
激光40在激光介质一个大面的反射次数n＝9时，w0=ws=1nm，L=14.2nm，Ls=19nm。本实施例中，设计n＝9可以实现整个板条激光器10具有相对小的体积并保持较大的基模体积。以免板条尺寸太小加工难度大，不好装配，或者板条尺寸大，浪费材料。
本实施例中，还可以通过腔长设计来调节腔内基模体积，使之与泵浦光31匹配。
本实施例中用到的泵浦源30为泵浦光31波长为808nm的半导体激光器，经过快慢轴准直，入射到激光介质10的掺杂区域11的光斑尺寸约为。设计腔长，使基模光束直径约为泵光尺寸的0.6～0.8倍，可得到最佳的光-光转换效率。
的掺杂区域设计，与板条激光器100的基模体积相匹配。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种板条激光器，其特征在于，包括：
激光介质，所述激光介质为长＞宽≥厚的板条状；
谐振腔，包括第一镜片和第二镜片，所述第一镜片和第二镜片分设于所述激光介质的端面的两侧；
泵浦源，设置于所述激光介质的大面的至少一侧，
其中，所述激光介质包括预设宽度w0和预设厚度t0的掺杂区域，所述掺杂区域由掺杂激活离子的基质材料构成，所述掺杂区域与所述板条激光器的基模体积相匹配。
2.根据权利要求1所述的板条激光器，其特征在于，所述激光介质还包括非掺杂区域，所述非掺杂区位于所述掺杂区域宽度方向的两侧。
3.根据权利要求2所述的板条激光器，其特征在于，所述激光介质端面的切角θ、激光入射至所述激光介质端面的入射角θ1、所述激光介质外部区域的折射率n1、所述掺杂区域的折射率n2、所述预设厚度t0与所预设宽度w0满足：
其中，n1＜n2。
4.根据权利要求2所述的板条激光器，其特征在于，所述非掺杂区域在所述掺杂区域的两侧对称设置，所述掺杂区域一侧的非掺杂区域的宽度w1与所述掺杂区域的宽度w0满足：w1:w0≥1。
5.根据权利要求2所述的板条激光器，其特征在于，所述激光介质中传输的激光光束的宽度w2满足：w2≥0.5mm。
6.根据权利要求1所述的板条激光器，其特征在于，所述第一镜片和所述第二镜片均为平面镜或凸面镜，所述第一镜片和所述第二镜片中一者为全反射镜，另一者为部分反射镜。
7.根据权利要求1所述的板条激光器，其特征在于，所述激光介质的垂直于宽度方向的截面为矩形、梯形或平行四边形。
8.根据权利要求1所述的板条激光器，其特征在于，激光从所述激光介质一侧端面的中心位置入射，从所述激光介质另一侧端面的中心位置出射。
9.根据权利要求1至8任一项所述的板条激光器，其特征在于，所述激活离子包括Nd、Yb、Ti、Pr、Cr、Tm和Ho中的至少一种；和/或
所述基质材料包括晶体、玻璃和陶瓷中的至少一种。
10.根据权利要求1至8任一项所述的板条激光器，其特征在于，所述激光介质在泵浦光的入射面键合有一层非掺杂晶体。
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