CN114243441A - 一种固体激光器及固体激光器系统 - Google Patents

一种固体激光器及固体激光器系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种固体激光器及固体激光器系统，通过沿光路方向依次设置的激光出射模块、反射模块、折射模块、耦合模块和传输光纤；激光出射模块包括集成于同一集成腔体内的至少四个激光出射单元，每一激光出射单元出射的激光光束相互平行且独立；反射模块包括沿光路方向依次设置的第一反射单元和第二反射单元；折射模块与第二反射单元同轴设置，进行激光光束的出射角度调节，经折射模块调整后激光光束出射至耦合模块；耦合模块与第二反射单元同轴设置，耦合至少四束激光光束进入传输光纤。实现将多路激光光束耦合进入同一根传输光纤，提高传输功率，同时多个激光出射单元集成于同一集成腔体内，有效压缩固体激光器的空间体积。

Description

一种固体激光器及固体激光器系统
技术领域
本发明实施例涉及激光器技术领域，尤其涉及一种固体激光器及固体激光器系统。
背景技术
现有的固体激光器的应用过程中，由于谐振腔中的激光晶体在高重频条件下工作时热透镜效应明显等特点，使得单根激光晶体的输出功率不可能较高。对于多路激光光路的耦合方式，多数采用马达轮流切换每一个激光光束，按照一定的次序轮流进入光纤，多路光束无法严格同时耦合进入光纤，部分不采用电机切换激光光束的激光器设计方案则采用多个分立光学元件，有时会采用特殊制作的光学器件，造成光学器件数量较多，结构复杂，实际调整需要空间多维度操作，实际耦合难度加大，多个激光光路难以耦合入一根光纤中，增加制作成本。
发明内容
本发明实施例提供一种固体激光器及固体激光器系统，有效提高激光输出功率，同时结构简单，操作方便。
第一方面，本发明实施例提供了一种固体激光器，包括：沿光路方向依次设置的激光出射模块、反射模块、折射模块、耦合模块和传输光纤；
所述激光出射模块包括至少四个激光出射单元，至少四个所述激光出射单元集成于同一集成腔体内，每一所述激光出射单元出射的激光光束相互平行且独立；
所述反射模块包括沿光路方向依次设置的第一反射单元和第二反射单元；所述第一反射单元和所述第二反射单元依次位于所述激光光束的传播路径上，用于依次反射所述激光光束至所述折射模块；
所述折射模块与所述第二反射单元同轴设置，用于接收所述第二反射单元反射的激光光束并进行出射角度调节，经所述折射模块调整后所述激光光束出射至耦合模块；
所述耦合模块与所述第二反射单元同轴设置，用于接收经所述折射模块出射的所述激光光束并耦合至少四束所述激光光束进入所述传输光纤。
可选的，所述第二反射单元沿光路方向朝向所述耦合模块凸起。
可选的，第一反射单元包括至少四个第一子反射单元，所述第一子反射单元与所述激光出射单元一一对应，且所述第一子反射单元位于与其对应设置的所述激光出射单元出射的激光光束的传播路径上。
可选的，所述第一反射单元包括环形一体式反射结构以及位于所述环形一体式反射结构中间的镂空结构；所述第一反射单元与所述折射模块同轴设置，
所述第二反射单元反射的所述激光光束经所述镂空结构入射至所述折射模块。
可选的，所述第一反射单元包括弧面反射结构，所述第一反射单元沿光路方向朝向所述激光出射模块凹陷。
可选的，沿光路方向，所述激光出射模块包括依次设置的全反射镜、激光出射单元和半透半反镜；
所述激光出射单元包括激光晶体和泵浦源；所述泵浦源用于提供泵浦能量；所述激光晶体用于接收所述泵浦能量并激发产生光信号；
在所述全反射镜和所述半透半反镜用于对所述光信号谐振放大，形成激光光束出射。
可选的，所述泵浦源包括充氙闪光灯、氪弧灯、碘钨灯、半导体发光二极管中的至少一种；
所述激光晶体包括YAG晶体。
可选的，所述折射模块包括折射棱镜，所述耦合模块包括聚焦透镜。
可选的，所述集成腔体内还设置有冷却单元，所述冷却单元用于为所述激光出射单元冷却散热。
第二方面，本发明实施例还提供了一种固体激光器系统，其特征在于，包括封装壳体以及第一方面任意一项所述的固体激光器，所述固体激光器设置于所述封装壳体内。
本发明提供固体激光器，通过沿光路方向依次设置的激光出射模块、反射模块、折射模块、耦合模块和传输光纤；激光出射模块包括至少四个激光出射单元，至少四个激光出射单元集成于同一集成腔体内，每一激光出射单元出射的激光光束相互平行且独立；反射模块包括沿光路方向依次设置的第一反射单元和第二反射单元；第一反射单元和第二反射单元依次位于激光光束的传播路径上，用于依次反射所述激光光束至折射模块；折射模块与第二反射单元同轴设置，用于接收第二反射单元反射的激光光束并进行出射角度调节，经折射模块调整后激光光束出射至耦合模块；耦合模块与第二反射单元同轴设置，用于接收经折射模块出射的激光光束并耦合至少四束激光光束进入传输光纤。实现对相对独立的多路激光光束进行耦合进入同一根传输光纤，提高传输功率，同时多个激光出射单元集成于同一集成腔体内，有效压缩固体激光器的空间体积。
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做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本发明的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本发明的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本发明的权利要求范围之内。
图1为本发明实施例提供的一种固体激光器的侧视结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种集成腔体的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种集成腔体的侧视结构示意图；
图4为图3沿AA’剖面线的剖面图；
图5为本发明实施例提供的一种第一反射单元的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种第一反射单元的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种固体激光器系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例所揭示和提示的基本概念，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种固体激光器的侧视结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种集成腔体的结构示意图，图3为本发明实施例提供的一种集成腔体的侧视结构示意图，图4为图3沿AA’剖面线的剖面图，如图1、图2、图3和图4所示，固体激光器100包括：沿光路方向依次设置的激光出射模块101、反射模块102、折射模块103、耦合模块104和传输光纤105；激光出射模块101包括至少四个激光出射单元1011，至少四个激光出射单元1011集成于同一集成腔体106内，每一激光出射单元1011出射的激光光束相互平行且独立；反射模块102包括沿光路方向依次设置的第一反射单元1021和第二反射单元1022；第一反射单元1021和第二反射单元1022依次位于激光光束的传播路径上，用于依次反射激光光束至折射模块103；折射模块103与第二反射单元1022同轴设置，用于接收第二反射单元1022反射的激光光束并进行出射角度调节，经折射模块103调整后激光光束出射至耦合模块104；耦合模块104与第二反射单元1022同轴设置，用于接收经折射模块103出射的激光光束并耦合至少四束激光光束进入传输光纤105。
其中，固体激光器100包括沿光路方形沿光路方向依次设置的激光出射模块101、反射模块102、折射模块103、耦合模块104和传输光纤105，激光出射模块101用于出射激光光束，激光出射模块101内可以设置位于同一集成腔体106内多个相互独立的激光出射单元1011，减少多个激光出射单元1011的整体体积。激光出射单元1011可以设置四个、六个、八个甚至更多，以满足用户对高传输功率的需求，具体激光出射单元1011的设置数量可以根据实际设计需求进行选择，本发明实施例不做具体限定。图3中示例性的画出四个激光出射单元1011，每一激光出射单元1011出射的激光光束相互平行且独立，四个激光出射单元1011的工作状态可以包括控制一个激光出射单元1011单独工作、两个激光出射单元1011同时工作、三个激光出射单元1011同时工作或是四个激光出射单元1011同时工作，且当两个、三个或四个激光出射单元1011工作过程中彼此互不影响，保证各个激光出射单元1011的正常工作。反射模块102包括沿光路方向依次设置的第一反射单元1021和第二反射单元1022，第一反射单元1021和第二反射单元1022依次位于激光光束的传播路径上，第一反射单元1021用于接收激光出射单元1011出射的激光光束并反射至第二反射单元1022，第二反射单元1022位于激光出射单元1011与第一反射单元1021之间，此时对激光光束的光路进行折叠，有效压缩固体激光器100出射激光光束的空间间距。第二反射单元1022接收经第一反射单元1021出射的激光光束，并进行反射后出射至折射模块103，为保证第二反射单元1022出射的激光光束可以被折射模块103接收，第一反射单元1021可以包括多个间隔排列的反射单元或是在第二反射单元1022出射激光光束方向上，第一反射单元1021设置有镂空结构，使得第二反射单元1022出射的激光光束可以通过镂空结构被折射模块103所接收，第一反射单元1021和第二反射单元1022用于接收激光光束的表面可以设置有镀膜，实现对激光光束的反射。折射模块103与第二反射单元1022同轴设置，折射模块103接收第二反射单元1022反射的激光光束并进行发散角度调节，避免多束激光光束的出射角度过于发散，影响后续耦合模块104的耦合效果，使得经折射模块103调整后激光光束射入耦合模块104。耦合模块104接收到折射模块103出射的激光光束，耦合模块104可以为聚焦透镜，对多束平行出射的激光光束会聚至一点，进而耦合多束激光光束进入同一根传输光纤105，实现大功率传输。折射模块103、耦合模块104均与第二反射单元1022同轴设置，使得用户对光路调节时只需要调节折射模块103、耦合模块104与第二反射单元1022之间的轴向间隔，方便操作，同时激光出射单元1011与第一反射单元1021之间的轴向间距以及第一反射单元1021和第二反射单元1022的间距可以根据实际设计需求进行调节。
本发明实施例通过同一集成腔体内设置多个激光出射单元且出射的激光光束相互平行且独立，配合设置折射模块、反射模块和耦合模块，通过对激光光束的光路调节，使得多路激光光束可以实现聚焦到一点，形成理想光斑，耦合进入同一根传输光纤中，实现大功率传输，同时无需另外设置电机进行光路轮换，整体结构简单，集成度高，降低空间体积。
继续参考图1，可选的，第二反射单元1022沿光路方向朝向耦合模块104凸起。
其中，由于经激光出射单元1011出射的激光光束具备一定的发散角度，为保证后续经耦合模块104可以将多路激光光束聚焦到一个点，因此，将第二反射单元1022设置成沿光路方向朝向耦合模块104凸起。经第一反射单元1021反射并出射的激光光束由第二反射单元1022接收，第二反射单元1022会对接收的激光光束进行反射，并使反射后的激光光束以一定发散角度入射至折射模块103，经折射模块103调节后的激光光束被耦合模块104接收，保证耦合模块104的聚焦效果，将多束激光光束聚焦至一点，进而保证多路激光光束均能耦合至同一根传输光纤105内，实现大功率传输。
图5为本发明实施例提供的一种第一反射单元的结构示意图，结合图1、图5所示，可选的，第一反射单元1021包括至少两个第一子反射单元1023，第一子反射单元1023与激光出射单元1011一一对应，且第一子反射单元1023位于与其对应设置的激光出射单元1011出射的激光光束的传播路径上。
其中，如图1和图5所示，示例性的激光出射模块101包括四个独立设置的激光出射单元1011，与激光出射单元1011相对应的第一反射单元1021包括四个第一子反射单元1023，第一子反射单元1023分别对应接收激光出射单元1011出射的激光光束，并将激光光束反射至第二反射单元1022。对应第二反射单元1022出射激光光束的方向，第一子反射单元1023之间存在较大间隙，保证经第二反射单元1022出射的激光光束能被耦合单元103接收，且多路激光光束独立传输，互不影响，相较于现有技术中需要电机进行光路切换传输的方式，整体结构简单，方便安装。
图6为本发明实施例提供的另一种第一反射单元的结构示意图，如图6所示，可选的，第一反射单元1021包括环形一体式反射结构107以及位于环形一体式反射结构107中间的镂空结构108；第一反射单元1021与折射模块103同轴设置，第二反射单元1022反射的激光光束经镂空结构108入射至折射模块103。
其中，如图1和6所示，第一反射单元1021包括环形一体式反射结构107以及位于环形一体式反射结构107中间的镂空结构108，由于每一激光出射单元1011出射的激光光束相互平行且独立，使得经激光出射单元1011出射后的激光光束均由环形一体式反射结构107接收，并分布在环形一体式反射结构107的不同位置，环形一体式反射结构107朝向激光出射模块101凹陷，使其对接收到的激光光束分别以其对应的反射角度进行反射，并出射至第二反射单元1022，第二反射单元1022对接收到的激光光束再次反射，并经第一反射单元1021的镂空结构108出射并入射至折射模块103，可以有效压缩固体激光器100的空间体积，提高集成度。将第一反射单元1021设置成环形一体式反射结构107，作为一体式设计，减少分立部件的设置，从而节省固定光学元件的机械结构，压缩固体激光器100的空间体积，同时进一步降低制作工艺难度以及用户对光路的调节难度。
可选的，第一反射单元1021包括弧面反射结构，第一反射单元1021沿光路方向朝向激光出射模块101凹陷。
其中，如图1所示，第一反射单元1021为弧面反射结构，第一反射单元1021沿光路方向朝向激光出射模块101凹陷，配合第二反射单元1022反射，对激光光束进行调整，并使得经第一反射单元1021反射后的光线经过折射模块103和耦合模块104可以进行聚焦至一点，进而实现对多束激光光束的经耦合模块104耦合至同一根光纤。具体第一反射单元1021的弧面反射结构的弧面角度以及第二反射结构的弧面角度，可以根据实际设计需求进行选择，以保证经第一反射单元1021和第二反射单元1022反射的激光光束可以入射至折射模块103并经耦合模块104耦合进同一光纤内，本发明实施例不做具体限定。
继续参考图1、图2、图3和图4，可选的，沿光路方向，激光出射模块101包括依次设置的全反射镜1012、激光出射单元1011和半透半反镜1013；激光出射单元1011包括激光晶体1014和泵浦源1015；泵浦源1015用于提供泵浦能量；激光晶体1014用于接收泵浦能量并激发产生光信号；在全反射镜1012和半透半反镜1013用于对光信号谐振放大，形成激光光束出射。
其中，同一集成腔体106内设置有多个相互独立的激光出射单元1011，每一个激光出射单元1011均包括激光晶体1014和泵浦源1015，激光晶体1014接收泵浦源1015提供的泵浦能量并激发产生光信号，由于此时受到激发产生光信号的强度较弱，无法进行实际应用，因此需要利用光学谐振腔进行光信号放大，依次设置的全反射镜1012、激光出射单元1011和半透半反镜1013，使得全反射镜1012和半透半反镜1013分别位于激光出射单元1011的两侧，对激光晶体1014受到激发后出射的光信号进行反射，使得光信号在全反射镜1012和半透半反镜1013之间谐振最终形成高单色性和高定向性的激光光束，并由半透半反单元1013出射。
继续参考图1，可选的，泵浦源1015包括充氙闪光灯、氪弧灯、碘钨灯或半导体发光二极管中的至少一种；激光晶体1014包括YAG晶体。
其中，泵浦源1015可以为充氙闪光灯、氪弧灯、碘钨灯或半导体发光二极管，泵浦源1015用于提供能量对激光晶体1014进行激发，使得激光晶体1014中上下能级间的粒子数翻转，产生光信号。激光晶体1014可以包括Cr，Tm，Ho:YAG晶体、Nd:YAG晶体、Er:YAG晶体、Yb:YAG晶体等，本发明实施例中示例性的以Cr，Tm，Ho:YAG晶体为例进行说明，钬(Ho)激光波长为2100nm，对应Cr，Tm，Ho:YAG晶体可以通过进行激励，由于钬的激光波长恰好处于水的吸收次峰上，其能量可被人体组织中的水分高效吸收，所以在医学上有着极大的应用价值，目前主要用于结石粉碎和组织切割等领域。
可选的，折射模块103包括折射棱镜，耦合模块104包括聚焦透镜。
其中，折射模块103包括折射棱镜，用于接收第一反射单元1021出射的激光光束并调整激光光束的发散角度.耦合模块104可以为聚焦透镜，用于将发射的激光光束进行聚焦汇聚，方便后续耦合至传输光纤105中。聚焦透镜可以为球透镜、柱透镜、自聚焦透镜或非球面透镜等透镜，以实现对激光光束的聚焦，具体的透镜面型的选择可以根据实际设计需求进行选择，本发明实施例不做具体限定。示例性的图1中，激光出射模块101包括四个激光出射单元1011，即会出射四束激光光束至折射模块103，折射模块103接收到发散的激光光束进行激光光束的发散角度调节，出射经调节后的激光光束至耦合模块104。根据耦合模块104的自身结构特点，将四束平行的激光光束进行聚焦至一点，形成较为理想的光斑，耦合进入同一根光纤内，无须借助额外的光学部件即可实现耦合，降低制作成本，同时压缩固体激光器100的体积。
继续参考图1和图2，可选的，集成腔体106内还设置有冷却单元，冷却单元用于为激光出射单元1011冷却散热。
其中，固体激光器100工作过程中会产生比较严重的热效应，通常需要采用冷却措施，主要是对激光出射单元1011中的激光晶体1014和泵浦源1015进行冷却，因此在集成腔体106内设置冷却单元(图2中并未示出)，冷却单元可以采用液体冷却、气体冷却或传导冷却的方式实现冷却工作，保证固体激光器100的正常使用和器材的保护。
图7为本发明实施例提供的一种固体激光器系统的结构示意图，如图7所示，固体激光器系统200包括封装壳体201以及上述实施例任意一项所述的固体激光器100，固体激光器100设置于封装壳体201内。
需要说明的是，固体激光器系统具备固体激光器相同或相应的有益效果，此处不做赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种固体激光器，其特征在于，包括：沿光路方向依次设置的激光出射模块、反射模块、折射模块、耦合模块和传输光纤；
所述激光出射模块包括至少四个激光出射单元，至少四个所述激光出射单元集成于同一集成腔体内，每一所述激光出射单元出射的激光光束相互平行且独立；
所述反射模块包括沿光路方向依次设置的第一反射单元和第二反射单元；所述第一反射单元和所述第二反射单元依次位于所述激光光束的传播路径上，用于依次反射所述激光光束至所述折射模块；
所述折射模块与所述第二反射单元同轴设置，用于接收所述第二反射单元反射的激光光束并进行出射角度调节，经所述折射模块调整后所述激光光束出射至耦合模块；
所述耦合模块与所述第二反射单元同轴设置，用于接收经所述折射模块出射的所述激光光束并耦合至少四束所述激光光束进入所述传输光纤。
2.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述第二反射单元沿光路方向朝向所述耦合模块凸起。
3.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，第一反射单元包括至少四个第一子反射单元，所述第一子反射单元与所述激光出射单元一一对应，且所述第一子反射单元位于与其对应设置的所述激光出射单元出射的激光光束的传播路径上。
4.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述第一反射单元包括环形一体式反射结构以及位于所述环形一体式反射结构中间的镂空结构；所述第一反射单元与所述折射模块同轴设置，
所述第二反射单元反射的所述激光光束经所述镂空结构入射至所述折射模块。
5.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述第一反射单元包括弧面反射结构，所述第一反射单元沿光路方向朝向所述激光出射模块凹陷。
6.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，沿光路方向，所述激光出射模块包括依次设置的全反射镜、激光出射单元和半透半反镜；
所述激光出射单元包括激光晶体和泵浦源；所述泵浦源用于提供泵浦能量；所述激光晶体用于接收所述泵浦能量并激发产生光信号；
在所述全反射镜和所述半透半反镜用于对所述光信号谐振放大，形成激光光束出射。
7.根据权利要求6所述的固体激光器，其特征在于，所述泵浦源包括充氙闪光灯、氪弧灯、碘钨灯、半导体发光二极管中的至少一种；
所述激光晶体包括YAG晶体。
8.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述折射模块包括折射棱镜，所述耦合模块包括聚焦透镜。
9.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述集成腔体内还设置有冷却单元，所述冷却单元用于为所述激光出射单元冷却散热。
10.一种固体激光器系统，其特征在于，包括封装壳体以及权利要求1-9任意一项所述的固体激光器，所述固体激光器设置于所述封装壳体内。
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