CN112615238A - 一种大能量高效率全固态绿光激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大能量高效率全固态绿光激光器，包括：振荡级、一级放大、二级放大和腔外倍频；振荡级输出光束经过一级放大和二级放大，再通过腔外倍频，进行高光束质量绿光输出。本发明具有高可靠性、高效率的特点，绿光输出能量可达30MJ以上，倍频效率可达50％以上，且能实现大能量高光束质量绿光输出。
Description
技术领域
本发明涉及全固态激光技术领域，尤其是一种大能量高效率全固态绿光激光器。
背景技术
由于LD泵浦的脉冲绿光激光器具有效率高、功率大、激光输出光束质量好、运转可靠、寿命长、峰值功率高、谱线宽度等特点，因而全固态绿光激光器不仅在激光加工、激光彩色显示、数据存储、环境监测、医疗卫生、科研、等技术领域有着广泛的应用，而且为激光雷达、激光制导、瑞利信标等军事应用提供了可靠的光源。同时，在一些特殊领域如激光雷达应用中，需要大能量的激光器来提升其探测距离。因此，全固态绿激光器具有重要的科学研究价值和广阔的应用前景。基于此，国内外众多企业及科研机构积极从事全固态绿激光器方面的研究工作。
现有的MOPA结构为了获得大能量，激光器结构体积较大，且其腔内热效应比较严重，热致折射率变化和热应力形变会导致放大后的光束质量大大退化。同时由于激光晶体自身的限制，能量过大会使晶体热效应过高而导致光束质量和转化效率也会下降。
另外，为了获得可见光通常采用倍频晶体将红外光转换为可见光，进入20世纪90年代以后人们尝试了各种手段努力获得高倍频效率、高光束质量和高平均功率的绿光输出。获得高倍频效率绿光的途径通常有两种：一种是采用腔内倍频技术，即把倍频晶体放于谐振腔内，利用激光谐振腔中高的腔内功率密度，获得高效倍频效率，但是它稳定性较差，功率提升受振荡器限制，难以获得高功率大能量激光输出；另外一种方法是腔外倍频技术，这种方法是把非线性晶体置于谐振腔外，这样可以有效地避免腔内倍频的功率波动问题，而且这种倍频方法可以对激光腔和倍频腔分别进行优化。此外，腔外倍频还具有结构灵活，易于拆装等优点，因而腔外倍频备受人们的关注，成为研究的热点之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种大能量高效率全固态绿光激光器，具有高可靠性、高效率的特点，绿光输出能量可达30MJ以上，倍频效率可达50％以上，且能实现大能量高光束质量绿光输出。
为解决上述技术问题，本发明提供一种大能量高效率全固态绿光激光器，包括：振荡级、一级放大、二级放大和腔外倍频；振荡级输出光束经过一级放大和二级放大，再通过腔外倍频，进行高光束质量绿光输出。
优选的，振荡级包括振荡级泵浦模块、道威棱镜、准直聚焦镜、振荡级后腔镜、振荡级激光晶体、振荡级偏振片、振荡级1/4波片、电光开关、振荡级光楔对和输出镜；振荡级泵浦模块中泵浦光经准直镜，而后经过道威棱镜方向被折转180°，进入准直聚焦后，透过振荡级后腔镜入射到振荡级激光晶体中，依次经过振荡级偏振片、振荡级1/4波片、电光开关、振荡级光楔对和输出镜，最后形成激光输出。
优选的，一级放大级包括一级放大级扩束系统、一级放大级45°反射镜、一级放大级隔离器、1064半波片、一级放大级偏振分光棱镜PBS、一级放大级激光晶体、一级放大级模式匹配透镜、一级放大级1/4波片、一级放大级光楔对和一级放大级0°反射镜；振荡级形成的激光输出光束入射到一级放大级扩束系统上，光束被整形后，入射至一级放大级45°反射镜，光路被折转90°，入射到一级放大级隔离器中，而后光路入射1064半波片，经过一级放大级偏振分光棱镜PBS，光路再次被折转90°后入射到一级放大级激光晶体中，接着依次传输到一级放大级模式匹配透镜、一级放大级1/4波片、一级放大级光楔对和一级放大级0°反射镜，光束被一级放大级0°反射镜反射后再次依次入射到一级放大级光楔对、一级放大级1/4波片、一级放大级模式匹配透镜、一级放大级激光晶体中；将两次经过一级放大级激光晶体的振荡级输出光束放大，最后再透过一级放大级偏振分光棱镜PBS，输出至二级放大级。
优选的，二级放大级包括二级放大级扩束系统、二级放大级隔离器、二级放大级45°反射镜、二级放大级偏振分光棱镜PBS、二级放大级激光晶体、二级放大级模式匹配透镜、二级放大级1/4波片、二级放大级光楔对和二级放大级0°反射镜；一级放大级形成的激光输出光束入射到二级放大扩束系统上，光束被整形后，入射到二级放大级隔离器中，而后出射至二级放大级45°反射镜，光束被折转90°，经过二级放大级偏振分光棱镜PBS光路，再次被折转90°后入射到二级放大级激光晶体中，接着传输到二级放大级模式匹配透镜、二级放大级1/4拨片、二级放大级光楔对和二级放大级0°反射镜，被二级放大级0°反射镜反射后再次依次通过二级放大级光楔对、二级放大级1/4波片、二级放大级模式匹配透镜、二级放大级激光晶体中；将两次经过二级放大级激光晶体的一级放大级输出光束放大，最后再透过二级放大级偏振分光棱镜PBS和二级放大级45°反射镜，将光束折转90°输出至腔外倍频。
优选的，腔外倍频包括腔外倍频扩束系统、腔外倍频45°反射镜、倍频晶体、532/1064分光镜、1064吸收体、腔外倍频扩束系统、45°532反射镜和窗口镜；二级放大级形成的激光输出光束入射到倍频缩束系统上，光束被整形后，传递至腔外倍频45°反射镜，光路被折转90°，入射倍频晶体，而后经过532/1064分光镜，透过分光镜的1064nm激光入射到1064吸收体被吸收，被分光镜反射532nm绿光入射扩束系统进行光束整形，光束折转90°，穿过窗口镜传递至腔外。
优选的，振荡级泵浦模块和放大级泵浦模块中，泵浦源为半导体激光器，泵浦方式为端面泵浦或侧面泵浦。
优选的，振荡级后腔镜为平凸镜，凸面朝向腔内直接补偿激光晶体的热透镜效应，无需在腔内插入负透镜补偿，凸面曲率半径可根据激光晶体等效热透镜焦距灵活调整。
优选的，振荡级激光晶体和两级放大级激光晶体为激光器的增益介质，用于吸收泵浦光并产生激光输出，基质材料为氟化钇锂、钒酸盐、YAG(钇铝石榴石)晶体、玻璃或陶瓷，其中至少掺杂一种激活离子，激活离子为Nd3+、Yb3+、Cr3+或Tm3+。
优选的，光楔对由两个光楔斜面相对放置，用以在后腔镜和输出镜固定后微调腔内光路，以及放在两级放大光路补偿系统中微调放大级光路。
优选的，倍频晶体用于吸收1064nm基频光并产生532nm激光输出，基质材料为KTP、LBO、BBO、KDP晶体。
本发明的有益效果为：(1)本发明的激光器振荡级采用端泵方式，热效应小，光束质量好，注入两级放大系统进行放大；(2)本发明提供的激光器，腔内采用了多组45°反射镜和0°反射镜，折转光路形成U型腔，使激光器更加紧凑，节省空间体积；(3)两级放大级采用侧面泵浦，扩束系统进行光束整形，采用模式匹配透镜进行光学补偿，通过双程放大，充分提取激光晶体中的能量，且光束输出质量高；(4)每一级的光楔对由两个光楔斜面相对放置，用以微调各级光路，便于优化光路，使激光输出功率最大；(5)采用腔外倍频模式，多组扩束、缩束系统对光束进行优化整形，使进入倍频晶体的光束匹配度高，使其晶体倍频效率高，光束输出质量高。
附图说明
图1为本发明的激光器结构示意图。
图2为本发明的单程两级放大激光器结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种大能量高效率全固态绿光激光器，包括：振荡级、一级放大、二级放大和腔外倍频；振荡级输出光束经过一级放大和二级放大，再通过腔外倍频，进行高光束质量绿光输出。
振荡级包括振荡级泵浦模块1，道威棱镜2，准直聚焦3，共用底4，振荡级后腔镜5，振荡级激光晶体6，振荡级偏振片7，振荡级1/4波片8，调Q开关9，振荡级光楔对10，输出镜11。振荡级泵浦模块1由中心波长882.3nm的LD及泵浦耦合透镜组成，LD发出的泵浦光被道威棱镜折转，经过泵浦耦合透镜准直聚焦，经后腔镜入射到振荡级激光晶体端面。道威棱镜2和准直聚焦镜3，端面镀880nm增透膜，泵浦光经长端面入射到棱镜内部，在两斜面处发生全发射后射出棱镜，将光路折转180°，减小激光器空间结构。振荡级后腔镜5是平凸透镜，镀808nm/880nm增透膜、1064nm高反膜，凸面朝向腔内以补偿激光晶体的热透镜效应，其曲率半径为激光晶体等效热透镜焦距的2倍。振荡级激光晶体6为掺杂浓度0.6％的Nd:YAG晶体棒，其两端面镀泵浦光880nm增透膜。调Q开关9为KD*P晶体，与振荡级偏振片7、振荡级1/4波片8组合形成电光调Q脉冲输出。振荡级光楔对10镀膜1064高透膜，由两个光楔中心对称放置，用以在后腔镜和输出镜固定后微调腔内光路。输出镜11为平平镜，对1064nm波段激光透射率50％，与后腔镜3构成谐振腔。
一级放大级包括：一级放大级扩/缩束系统12，一级放大级45°反射镜13，一级放大级隔离器14，一级放大级半波片15，一级放大级偏振分光棱镜PBS20，放大级激光晶体19，一级放大级模式匹配透镜18、一级放大级1/4波片17、一级放大级光楔对10和一级放大级0°反射镜16。一级放大级扩/缩束系统12，镀膜1064nm高透膜，将振荡级输出光束进行整形。一级放大级45°反射镜13，镀膜1064高反膜，将光路折转90°，减小激光器空间结构。一级放大级隔离器14两边窗口镀膜1064高透，防止回光，对振荡级光学器件起到保护作用。一级放大级半波片15和一级放大级偏振分光棱镜PBS20组成偏振分光系统，镀膜1064nm增透膜，让光束呈垂直偏振方向通过偏振分光棱镜折转90°进入激光晶体，减小激光器空间结构。一级放大级激光晶体19为掺杂浓度0.6％的Nd:YAG晶体棒，其两端面镀1064nm增透膜。一级放大级模式匹配透镜18是平凹透镜，镀膜1064nm增透膜，以补偿激光晶体的热透镜效应，其曲率半径为激光晶体等效热透镜焦距的2倍。一级放大级1/4波片17镀膜1064nm增透膜，与一级放大级模式匹配透镜18用以补偿激光晶体的热透镜效应，同时经过一级放大级0°反射镜反射回来的光束再次通过一级放大级1/4波片，偏振方向变为水平方向，可直接穿过一级放大级偏振分光棱镜PBS20进入二级放大系统。一级放大级光楔对10由两个光楔中心对称放置，镀膜1064高透膜，在一级放大级0°反射镜和一级放大晶体固定后微调一级放大光路。一级放大级0°反射镜16镀膜1064nm高反膜，将光束0°反射进入一级放大晶体进行双程放大。
二级放大级包括：二级放大级扩/缩束系统12，二级放大级隔离器14，二级放大级45°反射镜21，二级放大级偏振分光棱镜PBS20，二级放大级激光晶体22，二级放大级模式匹配透镜18、二级放大级1/4波片17、二级放大级光楔对10和二级放大级0°反射镜16。二级放大级扩/缩束系统12，镀膜1064高透膜，将一级放大后的输出光束进行整形。二级放大级隔离器14，两边窗口镀膜1064高透膜，防止回光，对一级放大级光学器件起到保护作用。二级放大级45°反射镜21，镀膜1064高反膜，将光路折转90°，减小激光器空间结构。二级放大级偏振分光棱镜PBS20，斜边面镀偏振分光膜，其它四个直角通光表面镀1064nm增透膜，将呈垂直偏振方向的光束折转90°进入二级放大激光晶体，减小激光器空间结构。二级放大级激光晶体22为掺杂浓度0.6％的Nd:YAG晶体棒，其两端面镀1064nm增透膜。二级放大级模式匹配透镜18是平凹透镜，镀膜1064nm增透膜，以补偿激光晶体的热透镜效应，其曲率半径为激光晶体等效热透镜焦距的2倍。二级放大级1/4波片17镀膜1064nm增透膜，与二级放大级模式匹配透镜18用以补偿激光晶体的热透镜效应，同时经过二级放大级0°反射镜反射回来的光束再次通过二级放大级1/4波片，偏振方向变为水平方向，可直接穿过二级放大级偏振分光棱镜PBS20进入腔外倍频系统。二级放大级光楔对10镀膜1064高透膜，由两个光楔中心对称放置，用以在二级放大级0°反射镜和一级放大晶体固定后微调一级放大光路。二级放大级0°反射镜16镀膜1064nm高反膜，将光束0°反射进入一级放大晶体进行双程放大。
腔外倍频包括：腔外倍频45°反射镜21，腔外倍频扩/缩束系统12、倍频晶体23、532/1064分光镜24、1064nm吸收体25、腔外倍频扩/缩束系统12、532/1064分光镜24和窗口镜26；腔外倍频45°反射镜21镀膜1064nm高反膜，将光路来回折转90°，减小腔内空间。腔外倍频扩/缩束系统12，镀膜1064nm高透膜，将二级放大后的输出光束进行整形。倍频晶体23为θ＝90/Phi＝10.5°的LBO晶体，其两端面镀1064nm/532nm增透膜。532/1064分光镜24，镀膜1064nm高透膜，532nm高反膜用以将1064nm和532nm光束分光。1064nm吸收体25，平凹镜焦距较短，镀膜1064nm高透膜，将透过532/1064分光镜24的1064nm激光发散吸收。腔外倍频扩/缩束系统12，镀膜532nm高透膜，将倍频后的绿光进行光束整形。532/1064分光镜24，镀膜1064nm高透膜，532nm高反膜，用以将1064nm和532nm激光分光，并将光束折转90°传输至腔外。窗口镜26，镀膜532nm增透膜，将激光器腔内与外界隔离。
Claims (10)
1.一种大能量高效率全固态绿光激光器，其特征在于，包括：振荡级、一级放大、二级放大和腔外倍频；振荡级输出光束经过一级放大和二级放大，再通过腔外倍频，进行高光束质量绿光输出。
2.如权利要求1所述的大能量高效率全固态绿光激光器，其特征在于，振荡级包括振荡级泵浦模块、道威棱镜、准直聚焦镜、振荡级后腔镜、振荡级激光晶体、振荡级偏振片、振荡级1/4波片、电光开关、振荡级光楔对和输出镜；振荡级泵浦模块中泵浦光经准直镜，而后经过道威棱镜方向被折转180°，进入准直聚焦后，透过振荡级后腔镜入射到振荡级激光晶体中，依次经过振荡级偏振片、振荡级1/4波片、电光开关、振荡级光楔对和输出镜，最后形成激光输出。
3.如权利要求1所述的大能量高效率全固态绿光激光器，其特征在于，一级放大级包括一级放大级扩束系统、一级放大级45°反射镜、一级放大级隔离器、1064半波片、一级放大级偏振分光棱镜PBS、一级放大级激光晶体、一级放大级模式匹配透镜、一级放大级1/4波片、一级放大级光楔对和一级放大级0°反射镜；振荡级形成的激光输出光束入射到一级放大级扩束系统上，光束被整形后，入射至一级放大级45°反射镜，光路被折转90°，入射到一级放大级隔离器中，而后光路入射1064半波片，经过一级放大级偏振分光棱镜PBS，光路再次被折转90°后入射到一级放大级激光晶体中，接着依次传输到一级放大级模式匹配透镜、一级放大级1/4波片、一级放大级光楔对和一级放大级0°反射镜，光束被一级放大级0°反射镜反射后再次依次入射到一级放大级光楔对、一级放大级1/4波片、一级放大级模式匹配透镜、一级放大级激光晶体中；将两次经过一级放大级激光晶体的振荡级输出光束放大，最后再透过一级放大级偏振分光棱镜PBS，输出至二级放大级。
4.如权利要求1所述的大能量高效率全固态绿光激光器，其特征在于，二级放大级包括二级放大级扩束系统、二级放大级隔离器、二级放大级45°反射镜、二级放大级偏振分光棱镜PBS、二级放大级激光晶体、二级放大级模式匹配透镜、二级放大级1/4波片、二级放大级光楔对和二级放大级0°反射镜；一级放大级形成的激光输出光束入射到二级放大扩束系统上，光束被整形后，入射到二级放大级隔离器中，而后出射至二级放大级45°反射镜，光束被折转90°，经过二级放大级偏振分光棱镜PBS光路，再次被折转90°后入射到二级放大级激光晶体中，接着传输到二级放大级模式匹配透镜、二级放大级1/4拨片、二级放大级光楔对和二级放大级0°反射镜，被二级放大级0°反射镜反射后再次依次通过二级放大级光楔对、二级放大级1/4波片、二级放大级模式匹配透镜、二级放大级激光晶体中；将两次经过二级放大级激光晶体的一级放大级输出光束放大，最后再透过二级放大级偏振分光棱镜PBS和二级放大级45°反射镜，将光束折转90°输出至腔外倍频。
5.如权利要求1所述的大能量高效率全固态绿光激光器，其特征在于，腔外倍频包括腔外倍频扩束系统、腔外倍频45°反射镜、倍频晶体、532/1064分光镜、1064吸收体、腔外倍频扩束系统、45°532反射镜和窗口镜；二级放大级形成的激光输出光束入射到倍频缩束系统上，光束被整形后，传递至腔外倍频45°反射镜，光路被折转90°，入射倍频晶体，而后经过532/1064分光镜，透过分光镜的1064nm激光入射到1064吸收体被吸收，被分光镜反射532nm绿光入射扩束系统进行光束整形，光束折转90°，穿过窗口镜传递至腔外。
6.如权利要求2所述的大能量高效率全固态绿光激光器，其特征在于，振荡级泵浦模块和放大级泵浦模块中，泵浦源为半导体激光器，泵浦方式为端面泵浦或侧面泵浦。
7.如权利要求2所述的大能量高效率全固态绿光激光器，其特征在于，振荡级后腔镜为平凸镜，凸面朝向腔内直接补偿激光晶体的热透镜效应，无需在腔内插入负透镜补偿，凸面曲率半径可根据激光晶体等效热透镜焦距灵活调整。
8.如权利要求2所述的大能量高效率全固态绿光激光器，其特征在于，振荡级激光晶体和两级放大级激光晶体为激光器的增益介质，用于吸收泵浦光并产生激光输出，基质材料为氟化钇锂、钒酸盐、YAG晶体、玻璃或陶瓷，其中至少掺杂一种激活离子，激活离子为Nd3+、Yb3+、Cr3+或Tm3+。
9.如权利要求2所述的大能量高效率全固态绿光激光器，其特征在于，光楔对由两个光楔斜面相对放置，用以在后腔镜和输出镜固定后微调腔内光路，以及放在两级放大光路补偿系统中微调放大级光路。
10.如权利要求5所述的大能量高效率全固态绿光激光器，其特征在于，倍频晶体用于吸收1064nm基频光并产生532nm激光输出，基质材料为KTP、LBO、BBO、KDP晶体。
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