CN114628977A - 一种输出均匀光束的激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种输出均匀光束的激光器，所述激光器包括电源、泵浦源、增益介质、光束整形系统、腔镜组和水冷机，所述泵浦源设置在所述腔镜组的侧部，泵浦源产生的泵浦光在整形后照射到所述增益介质内，并形成激光；所述腔镜组包括腔镜Ⅰ和腔镜Ⅱ，所述增益介质设置在所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ之间，所述增益介质产生的激光在光轴位置发生激光振荡，且沿垂直并远离所述光轴的方向实现功率和光斑放大，得到输出激光，且所述输出激光在所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ的反射后，沿平行于所述光轴的方向射出。本发明采用离轴非稳腔的腔型设计，结合了其离轴发射的特点与泵浦源结构特点，有效的避免了由泵浦源不均匀带来的激光输出光斑不均匀性。

Description

一种输出均匀光束的激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体而言是一种输出均匀光束的激光器。

背景技术

近场光斑的均匀性是衡量激光器输出特性的重要指标。影响激光器近场光斑均匀性的一个重要因素是激光泵浦的不均匀性和光腔的选择。通常，较低的激活粒子浓度或较长的泵浦长度可以有效的提高泵浦均匀性。这其中较为典型的是，大孔径侧面或端面泵浦板条技术，以及端面泵浦碟片技术。前者是通过较低的增益介质浓度使泵浦光在介质中传播时单位体积吸收的功率减小，但仍然服从朗伯-比尔定律，所以泵浦光沿传播方向依然是以指数形式衰减，只是在局部小范围内由于激活粒子浓度较低，吸收较少，使吸收功率密度较为均匀；后者由于碟片本身较薄，单程吸收较少，通常采用多程泵浦的方式以达到充分的泵浦光吸收，相邻程数之间的泵浦光传播方向相反，使得对于上一程吸收末端功率密度较小的位置在本次吸收时可以得到较大的吸收功率密度。这种结构的特点单程吸收越低，泵浦程数越大，整体泵浦光就越均匀。

在光腔的选择上，稳定腔因其空间模式的固有存在，导致了其输出光斑通常含有高阶模式，存在空间上的功率不均匀性。相比之下，非稳腔具有较高的模式鉴别能力，较大的基模尺寸，使其输出光束一般比较均匀。

激光器实际的输出光束，受到泵浦技术的影响，同时也受到了腔型的限制。合适的泵浦和腔型的选择显得尤为重要。

发明内容

根据上述技术问题，而提供一种输出均匀光束的激光器。

本发明采用的技术手段如下：

一种输出均匀光束的激光器，所述激光器包括电源、泵浦源、增益介质、光束整形系统、腔镜组和水冷机；

所述泵浦源设置在所述腔镜组的侧部，且所述泵浦源在所述电源的作用下产生泵浦光，所述泵浦光在所述光束整形系统的整形后照射到所述增益介质内，且所述增益介质在吸收到所述泵浦光后实现上能级粒子反转形成激光，所述水冷机向所述增益介质输送循环冷却介质，所述循环冷却介质带走所述增益介质因发光而产生的热量；

所述腔镜组包括腔镜Ⅰ和腔镜Ⅱ，所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ形成激光谐振腔，所述增益介质设置在所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ之间，所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ的光轴与所述增益介质吸收泵浦光的入射面重合；所述泵浦光的传输方向与所述光轴相交；

所述增益介质产生的激光在所述光轴位置发生激光振荡，且沿垂直并远离所述光轴的方向实现功率和光斑放大，得到输出激光，且所述输出激光在所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ的反射后，沿平行于所述光轴的方向射出。

进一步地，所述增益介质为固体，为掺Nd或Yb离子的晶体、陶瓷或玻璃材料；

或所述增益介质为气体，为以碱金属或铜原子或惰性气体作为激活粒子的光学泵浦气体材料。

进步一地，所述泵浦源为具有发光能力的LD、LED或者氙灯，且其的输出波长能被所述增益介质中的激活粒子所吸收并实现粒子数反转。

进一步地，所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ的曲率半径分别为R₁和R₂，两者之间的中心距离为L，所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ满足非稳腔条件|g₁g₂|>1，其中，g₁＝1-L/R₁，g₂＝1-L/R₂。

作为优选地，所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ为共焦非稳腔，此时L＝(R₁+R₂)/2，所述激光器的所述输出激光的光束为平行光。

进一步地，所述增益介质在所述光轴方向上的尺寸a小于L，且满足

N_eff为所述激光在所述激光谐振腔内沿所述光轴方向的有效菲涅尔数；λ为所述激光的波长。

进一步地，所述增益介质吸收泵浦光的入射面镀有与所述泵浦光的波长相匹配的增透膜Ⅰ，所述增益介质与所述光轴相交的表面镀有与所述输出激光的波长相匹配的增透膜Ⅱ。

进一步地，所述腔镜Ⅰ和所述的腔镜Ⅱ均为反射镜，且其反射面镀有与所述输出激光的波长相匹配的高反膜层。

或者所述腔镜Ⅰ为凹面镜和所述腔镜Ⅱ为凸面镜；

所述腔镜Ⅱ的曲率半径R₂大于所述腔镜Ⅰ的曲率半径R₁，所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ的光轴设置在其靠近所述增益介质的一端的端部，且所述光轴垂直于所述泵浦光的传播方向，

所述腔镜Ⅱ远离所述增益介质的一端沿平行于所述光轴的方向切割，切割部分与未切割部分在垂直于所述光轴的方向上的比例为(M-1)：1，其中，M＝|R₂/R₁|，M为所述激光在所述激光谐振腔中每次往返时的放大率。

泵浦源在电源的作用下发出的光经所述光束整形系统照射到增益介质上，增益介质吸收的泵浦光沿泵浦光传播方向以e指数形式衰减，而激光的种子光恰巧在为光轴处产生并开始振荡放大。激光光斑尺寸在泵浦光传输维度方向上以幂指数形式放大，底数为放大率M。在泵浦光的传播方向上，吸收泵浦光功率以指数形式的衰减和激光尺寸以指数形式放大，形成了一种匀化激光光强的有效方法；在垂直于泵浦光传播方向维度，谐振腔为平行平面腔，较小的菲涅尔数有利于实现单横模的激光输出，避免了由于高阶模式导致的输出激光的空间强度分布不均匀，从而实现较为均匀的激光输出。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明中，采用离轴非稳腔的腔型设计，结合了其离轴发射的特点与泵浦源结构特点，有效的避免了由泵浦源不均匀带来的激光输出光斑不均匀性。

2.本发明中，采用泵浦源单侧面泵浦的结构设计，极大的简化了为提高的泵浦均匀性导致的结构复杂性的问题。

3.本发明中，激光输出光斑为实心光斑，有效提高了激光在远场的亮度和聚焦度。

基于上述理由本发明可在激光器等领域广泛推广。

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以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式中一种输出均匀光束的激光器结构示意图。

图2为本发明具体实施方式中泵浦源和腔镜组结构主视图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明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发明。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

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。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1～2所示，一种输出均匀光束的激光器，所述激光器包括电源1、泵浦源2、增益介质3、光束整形系统4、腔镜组5和水冷机6；

所述泵浦源2设置在所述腔镜组5的侧部，且所述泵浦源2在所述电源1的作用下产生泵浦光，所述泵浦光在所述光束整形系统4的整形后照射到所述增益介质3内，且所述增益介质3在吸收到所述泵浦光后实现上能级粒子反转形成激光，所述水冷机6向所述增益介质3输送循环冷却介质，所述循环冷却介质带走所述增益介质3因发光而产生的热量；

所述腔镜组5包括腔镜Ⅰ7和腔镜Ⅱ8，所述腔镜Ⅰ7和所述腔镜Ⅱ8形成激光谐振腔，所述增益介质3设置在所述腔镜Ⅰ7和所述腔镜Ⅱ8之间，所述腔镜Ⅰ7和所述腔镜Ⅱ8的光轴9(如图2中虚线所示)与所述增益介质3吸收泵浦光的入射面重合；所述泵浦光的传输方向与所述光轴9相交，本实施例为垂直；

所述增益介质3产生的激光在所述光轴9位置发生激光振荡，且沿垂直并远离所述光轴9的方向实现功率和光斑放大，得到输出激光，且所述输出激光在所述腔镜Ⅰ7和所述腔镜Ⅱ8的反射后，沿平行于所述光轴9的方向射出。

所述增益介质3为固体或气体，本实施例中采用固体，所述增益介质3为Yb:YAG晶体。所述Yb:YAG晶体为扁长状长方体，尺寸为100mm×10mm×5mm，Yb粒子的掺杂浓度为0.6at.％。所述的增益介质3的泵浦光的入射面(10mm×5mm)镀有中心波长为940nm的增透膜Ⅰ，与激光谐振腔光轴相交的表面(100mm×10mm)镀有输出激光波长1030nm的增透膜Ⅱ。

所述腔镜Ⅰ7和腔镜Ⅱ8的中心距离为L＝1000mm和曲率分别R₁＝-2000mm和R₂＝4000mm：满足非稳腔条件|g₁g₂|>1。其中，g₁＝1+1000/2000＝3/2，g₂＝1-1000/4000＝3/4。为共焦非稳腔。此时，激光器输出光束为平行光。

本实施例中所述腔镜Ⅰ7为凹面镜和所述腔镜Ⅱ8为凸面镜；

所述腔镜Ⅱ8的曲率半径R₂大于所述腔镜Ⅰ7的曲率半径R₁，所述腔镜Ⅰ7和所述腔镜Ⅱ8的光轴9设置在其靠近所述增益介质3的一端的端部，且所述光轴9垂直于所述泵浦光的传播方向，所述腔镜Ⅱ8远离所述增益介质4的一端沿平行于所述光轴9的方向切割，切割部分与未切割部分在垂直于所述光轴的方向上的比例为(M-1)：1，其中，M＝|R₂/R₁|＝|4000/2000|＝2，M为所述激光在所述激光谐振腔中每次往返时的放大率。

所述增益介质在所述光轴方向上的尺寸a＝0.5mm小于L＝1000mm，且满足

N_eff为所述激光在所述激光谐振腔内沿所述光轴方向的有效菲涅尔数；λ为所述激光的波长。

本实施例中的所述的泵浦源是基于InGaAs半导体激光器组成的巴条面阵，面阵阵列为5x20，沿水平排布。

泵浦源2发出的光经整形系统4照射到增益介质3上，增益介质3吸收的泵浦光沿图2中Y方向以e指数形式衰减，而激光的种子光恰巧在以增益介质3的泵浦面为光轴9(图2虚线)处产生并开始振荡放大。激光光斑尺寸在泵浦光传输维度方向上以幂指数形式放大，底数为放大率M＝2。在泵浦光的传播方向(图2中Y方向)上，吸收泵浦光功率以指数形式的衰减和激光尺寸以指数形式放大，形成了一种匀化激光光强的有效方法；在垂直于泵浦光传播方向维度，激光谐振腔为平行平面腔，较小的菲涅尔数有利于实现单横模的激光输出，避免了由于高阶模式导致的输出激光的空间强度分布不均匀，从而实现较为均匀的激光输出。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种输出均匀光束的激光器，所述激光器包括电源、泵浦源、增益介质、光束整形系统、腔镜组和水冷机，其特征在于：

所述泵浦源设置在所述腔镜组的侧部，且所述泵浦源在所述电源的作用下产生泵浦光，所述泵浦光在所述光束整形系统的整形后照射到所述增益介质内，且所述增益介质在吸收到所述泵浦光后实现上能级粒子反转形成激光，所述水冷机向所述增益介质输送循环冷却介质，所述循环冷却介质带走所述增益介质因发光而产生的热量；

所述腔镜组包括腔镜Ⅰ和腔镜Ⅱ，所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ形成激光谐振腔，所述增益介质设置在所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ之间，所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ的光轴与所述增益介质吸收泵浦光的入射面重合；所述泵浦光的传输方向与所述光轴相交；

所述增益介质产生的激光在所述光轴位置发生激光振荡，且沿垂直并远离所述光轴的方向实现功率和光斑放大，得到输出激光，且所述输出激光在所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ的反射后，沿平行于所述光轴的方向射出。

2.根据权利要求1所述的一种输出均匀光束的激光器，其特征在于，所述增益介质为固体，为掺Nd或Yb离子的晶体、陶瓷或玻璃材料。

3.根据权利要求1所述的一种输出均匀光束的激光器，其特征在于，所述增益介质为气体，为以碱金属或铜原子或惰性气体作为激活粒子的光学泵浦气体材料。

4.根据权利要求1所述的一种输出均匀光束的激光器，其特征在于，所述泵浦源为具有发光能力的LD、LED或者氙灯，且其的输出波长能被所述增益介质中的激活粒子所吸收并实现粒子数反转。

5.根据权利要求1所述的一种输出均匀光束的激光器，其特征在于，所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ的曲率半径分别为R₁和R₂，两者之间的中心距离为L，所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ满足非稳腔条件|g₁g₂|>1，其中，g₁＝1-L/R₁，g₂＝1-L/R₂。

6.根据权利要求4所述的一种输出均匀光束的激光器，其特征在于，所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ为共焦非稳腔，此时L＝(R₁+R₂)/2，所述激光器的所述输出激光的光束为平行光。

7.根据权利要求1所述的一种输出均匀光束的激光器，其特征在于，所述增益介质吸收泵浦光的入射面镀有与所述泵浦光的波长相匹配的增透膜Ⅰ，所述增益介质与所述光轴相交的表面镀有与所述输出激光的波长相匹配的增透膜Ⅱ。

8.根据权利要求1所述的一种输出均匀光束的激光器，其特征在于，所述腔镜Ⅰ和所述的腔镜Ⅱ均为反射镜，且其反射面镀有与所述输出激光的波长相匹配的高反膜层。

9.根据权利要求5所述的一种输出均匀光束的激光器，其特征在于，所述腔镜Ⅰ为凹面镜和所述腔镜Ⅱ为凸面镜，所述腔镜Ⅱ的曲率半径R₂大于所述腔镜Ⅰ的曲率半径R₁，所述腔镜Ⅰ和所述腔镜Ⅱ的光轴设置在其靠近所述增益介质的一端的端部，且所述光轴垂直于所述泵浦光的传播方向，

所述腔镜Ⅱ远离所述增益介质的一端沿平行于所述光轴的方向切割，切割部分与未切割部分在垂直于所述光轴的方向上的比例为(M-1)：1，其中，M＝|R₂/R₁|，M为所述激光在所述激光谐振腔中每次往返时的放大率。

10.根据权利要求5所述的一种输出均匀光束的激光器，其特征在于，所述增益介质在所述光轴方向上的尺寸a小于L，且满足

N_eff为所述激光在所述激光谐振腔内沿所述光轴方向的有效菲涅尔数；λ为所述激光的波长。

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