CN114498255A - 一种热稳区可调的非稳腔激光器及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热稳区可调的非稳腔激光器及其方法，包括依次设置的反射镜、第一侧泵模块、4f成像系统、旋光片、第二侧泵模块、起偏器、调Q模块、可调孔洞和输出镜；反射镜和第一侧泵模块的距离可调；4f成像系统包括两个同轴设置的凸面透镜，所述凸面透镜之间的距离可调；通过调整反射镜和第一侧泵模块的距离，粗调热稳区的位置，通过调整两个凸面透镜之间的距离，细调热稳区的位置。本发明能够实现精确调节热稳区位置，所形成的激光谐振腔，可以通过热稳区的优化获得大功率的基模输出。

Description

一种热稳区可调的非稳腔激光器及其方法
技术领域
本发明属于高功率固体激光技术领域，具体涉及一种热稳区可调的非稳腔激光器及其方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
高功率、高光束质量的近红外激光源已广泛应用于工业加工、激光医学、激光测距等领域。特别是具有线偏振输出的激光源是非线性频率变换的理想泵浦源，常用来产生中红外、绿光、紫外和深紫外激光。
作为典型代表，二极管侧面泵浦Nd:YAG激光器具有结构简单、稳定性好、成本低等优点，使用封装的激光头模块很容易实现100瓦甚至千瓦的输出功率。
遗憾的是，在高功率泵浦条件下，Nd:YAG棒的热效应将导致严重的热致双折射和热退偏效应，严重阻碍了激光功率和亮度的提高。特别是当偏振器插入谐振器时，高阶模式现象变得更加明显。因此，产生高功率线偏振TEM00模激光器已成为研究热点。
据发明人了解，目前常用的技术方案就是设计大基模体积的非稳腔激光器，当参数满足一定条件时，这种激光器的基模参数会在特定的高功率泵浦范围内保持不变或变化甚缓，这就是非稳定腔型设计的基本思想。然而传统的非稳腔设计，一旦腔型搭建成功，其热稳定区间就已经固定，只能通过改变泵浦功率大小来匹配激光谐振腔的稳定区间。并且这类非稳腔热稳定区间相对较小，由于不能灵活移动热稳区位置，这对腔型的热稳区优化带来了很大困难。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种热稳区可调的非稳腔激光器及其方法，本发明能够实现精确调节热稳区位置，所形成的激光谐振腔，可以通过热稳区的优化获得大功率的基模输出。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种热稳区可调的非稳腔激光器，包括依次设置的反射镜、第一侧泵模块、4f成像系统、旋光片、第二侧泵模块、起偏器、调Q模块、可调孔洞和输出镜；
所述反射镜和第一侧泵模块的距离可调；
所述4f成像系统包括两个同轴设置的凸面透镜，所述凸面透镜之间的距离可调；
通过调整反射镜和第一侧泵模块的距离，粗调热稳区的位置，通过调整两个凸面透镜之间的距离，细调热稳区的位置。
作为可选择的实施方式，所述反射镜设置于第一位移台上，通过调整第一位移台的位置，移动所述反射镜的位置。
作为可选择的实施方式，靠近第一侧泵模块的凸面透镜设置于第二位移台上，通过调整第二位移台的位置，移动所述凸面透镜的位置。
作为可选择的实施方式，所述第一侧泵模块和第二侧泵模块均为Nd:YAG侧泵模块。
作为进一步的限定，所述第一侧泵模块和第二侧泵模块为激光二极管阵列以三重对称几何结构的侧面泵浦。
作为可选择的实施方式，所述第一侧泵模块和第二侧泵模块连接有冷水机，温度在设定范围内可调。
作为可选择的实施方式，所述旋光片为90°石英旋光片，旋光片和4f成像系统用以实现完全的热致双折射补偿。
作为可选择的实施方式，所述凸面透镜的焦距一致。
作为可选择的实施方式，所述起偏器为石英布儒斯特片。
作为可选择的实施方式，所述调Q模块和可调孔洞之间设置有反射镜，用以折叠光路。
作为可选择的实施方式，所述可调孔洞的孔径直径大小在设定范围内可调。
基于上述非稳腔激光器的工作方法，包括：
通过调整反射镜和第一侧泵模块的距离，粗略设置热稳区的位置，通过调整两个凸面透镜之间的距离，精确调整热稳区的位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过巧妙的结构设计，可以通过调整反射镜和第一侧泵模块的距离，粗略设置热稳区的位置，通过调整两个凸面透镜之间的距离，精确调整热稳区的位置；相较于调节泵浦功率或改变激光晶体吸收区的吸收特性来实现调节的方式，操作简便、具有较高的适用性和灵活性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本实施例的热稳区可调的非稳腔激光器示意图；
图2为本实施例的热稳区移动理论模拟结果；
图3为平均输出功率随泵浦功率变化关系图，插图为输出光谱；
图4为最高输出功率时光斑形状示意图；
图5为本实施例的脉冲串示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，热稳区可调的非稳腔激光器，包括依次设置的平面反射镜1、(Nd:YAG#1)2、4f成像系统、90°石英旋光片5、(Nd:YAG#2)6、石英布儒斯特片7、声光调Q开关8、平面反射镜9、圆形可变小孔10和输出镜11。
具体的，在本实施例中，1是1064nm平面反射镜，11是1064nm透射率为30％的平面输出镜。2(Nd:YAG#1)和6(Nd:YAG#2)是两个标准Nd:YAG侧泵模块，在本实施例中，由808nm激光二极管阵列(LDA)以三重对称几何结构侧面泵浦。
在本实施例中，Nd:YAG棒的尺寸均为Φ5mm×130mm，掺杂浓度均为0.6at.％，分别由两台激光冷水机冷却，温度在20℃～30℃可调。在两个相同的侧泵模块之间放置一个90°石英旋光片(或称为旋光器)5和一个4f成像系统，以实现完全的热致双折射补偿。
在本实施例中，4f成像系统由两个焦距为75mm的凸面薄透镜3和4组成。考虑到旋光片的厚度为14.4mm，4f成像系统的参数可推导如下
d1＝2f
Figure BDA0003507467360000061
Figure BDA0003507467360000062
其中d1＝150mm是焦距为f的两个凸面薄透镜3和4之间的距离，d2＝39.29mm是从Nd:YAG#1棒的右端面到薄透镜3的距离，d2′＝44.34是从薄透镜4到Nd:YAG#2棒的左端面的距离。n0＝1.82、n1＝1和n2＝1.54分别是YAG晶体、空气和石英旋光片的折射率。
反射镜1到Nd:YAG#1棒左端面的距离为L1(25cm)，Nd:YAG#2棒右端面到输出镜11的距离为L2(75cm)。
在Nd:YAG#2棒的后面插入一块石英布儒斯特片7作为起偏器，以实现线偏振激光输出。8为1μm声光调Q开关，用来产生脉冲激光。9为1μm波段45°平面反射镜用来折叠光路。10为圆形可变小孔，孔径直径大小2～5mm可调，放置在输出镜11前进一步抑制高阶模的产生。
12为电动位移台，可以用来移动反射镜1的位置，L1短臂长度的大小可以粗略设置热稳区的位置，相当于热稳区的粗调。13为五维位移台，用来前后移动凸透镜3的位置，从而精确移动激光腔热稳区，相当于热稳区的细调。
热稳区移动理论模拟结果如图2的(a)、(b)所示，图2的(a)为d1＝150mm时，改变L1长度，U型热稳区大范围移动的结果，横坐标代表单棒热透镜焦距大小，纵坐标代表晶体中心基模振荡光斑半径大小。因此可以粗略估算单棒热透镜大小，设置L1的长度。图2的(b)为L1＝25cm时，改变凸透镜3和4之间的距离，精确调节热稳区的结果，在这里我们假设d1＝150mm为标准参考距离，令e＝(d1-150)mm为凸透镜3移动距离，可以看出热稳区对于透镜3的位置变化十分敏感，因此凸透镜3只需要几毫米的微小移动就可以精确地调节热稳区的位置。
平均输出功率如图3所示，最大非偏振功率112W，插入偏振片即本实施例的石英布儒斯特片7，可实现的最大偏振输出功率为80W，可以看出本实施例提供的非稳腔激光器只有两个特定的稳定泵浦功率区间，而我们所需要的第二个稳定区间泵浦功率范围只有100W左右。最高输出功率下激光光束质量M2因子为3，光斑形状如图3所示，展现出良好的基模光斑形状。图5为打开声光开关的脉冲串图，可以看出经过优化后的非稳腔激光器稳定工作在脉冲运转模式下。
需要注意的是，上述实施例中，各个元器件的选材、参数设置、选型等均可以根据具体情况或要求进行更改，这些为本领域技术人员容易想到的，理应属于本发明的保护范围。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种热稳区可调的非稳腔激光器，其特征是，包括依次设置的反射镜、第一侧泵模块、4f成像系统、旋光片、第二侧泵模块、起偏器、调Q模块、可调孔洞和输出镜；
所述反射镜和第一侧泵模块的距离可调；
所述4f成像系统包括两个同轴设置的凸面透镜，所述凸面透镜之间的距离可调；
通过调整反射镜和第一侧泵模块的距离，粗调热稳区的位置，通过调整两个凸面透镜之间的距离，细调热稳区的位置。
2.如权利要求1所述的一种热稳区可调的非稳腔激光器，其特征是，所述反射镜设置于第一位移台上，通过调整第一位移台的位置，移动所述反射镜的位置。
3.如权利要求1所述的一种热稳区可调的非稳腔激光器，其特征是，靠近第一侧泵模块的凸面透镜设置于第二位移台上，通过调整第二位移台的位置，移动所述凸面透镜的位置。
4.如权利要求1所述的一种热稳区可调的非稳腔激光器，其特征是，所述第一侧泵模块和第二侧泵模块均为Nd:YAG侧泵模块；
或，所述第一侧泵模块和第二侧泵模块为激光二极管阵列以三重对称几何结构的侧面泵浦；
或，所述第一侧泵模块和第二侧泵模块连接有冷水机，温度在设定范围内可调。
5.如权利要求1所述的一种热稳区可调的非稳腔激光器，其特征是，所述旋光片为90°石英旋光片，旋光片和4f成像系统用以实现完全的热致双折射补偿。
6.如权利要求1所述的一种热稳区可调的非稳腔激光器，其特征是，所述凸面透镜的焦距一致。
7.如权利要求1所述的一种热稳区可调的非稳腔激光器，其特征是，所述起偏器为石英布儒斯特片。
8.如权利要求1所述的一种热稳区可调的非稳腔激光器，其特征是，所述调Q模块和可调孔洞之间设置有反射镜，用以折叠光路。
9.如权利要求1所述的一种热稳区可调的非稳腔激光器，其特征是，所述可调孔洞的孔径直径大小在设定范围内可调。
10.基于权利要求1-9中任一项所述的非稳腔激光器的工作方法，其特征是，包括：
通过调整反射镜和第一侧泵模块的距离，粗略设置热稳区的位置，通过调整两个凸面透镜之间的距离，精确调整热稳区的位置。
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