CN115459040A - 碟片激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光技术领域，提供一种碟片激光器，包括：多对碟片晶体构造成环形结构，每对碟片晶体包括第一碟片晶体和第二碟片晶体，第一碟片晶体与第二碟片晶体相对设置；多个反射镜包括一个第一反射镜和多个第二反射镜，第一反射镜的正投影位于环形结构的中心，多个第二反射镜分别与多个第一碟片晶体一一相对设置；多个泵浦源组件分别与多个第二碟片晶体一一相对设置。上述的碟片激光器，通过设置多对碟片晶体、多个反射镜和多个泵浦源组件，通过对每个碟片晶体进行多程泵浦，增加了碟片晶体的吸收效率，利用碟片晶体优异的构型优势，使其在轴向方向的热分布成一维均匀分布，热梯度分布均匀，有效解决了热畸变引起的功率和光束质量下降的问题。

Description

碟片激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种碟片激光器。

背景技术

基于主振荡功率放大器(MasterOscillator Power-Amplifier，ΜΟΡΑ)的激光器，尤其是端面泵浦的主振荡功率放大器，既能保持主振荡器的高光束质量，又能保证高的峰值功率、高的转换效率、大能量输出，该类激光器被广泛应用于激光加工、远程测绘、空间雷达等领域。半导体激光器(Laser Diode，LD)作为泵浦源，因其与传统灯泵浦相比具有结构紧凑、寿命长、能量转换效率高、易于热管理等优势，被广泛使用在主振荡功率放大器中。连续或准连续的半导体激光器已经在中小功率的工业激光器中得到了广泛应用，脉冲式半导体激光器也已经有了成型的产品。以半导体激光器作为泵浦源，此类主振荡功率放大器具有输出能量高、脉宽窄、结构紧凑等优点，具有广泛的实用价值。

按泵浦方式来分类，端面泵浦可以分为连续端面泵浦和脉冲式端面泵浦。连续端面泵浦多以光纤方式输出泵浦光，此类泵浦光光斑均匀，输出功率从几瓦到几千瓦。连续端面泵浦的MOPA激光器，输出光束质量好(单横模)，重复频率高，其光束质量在X方向为1.28，在Y方向为1.21；也有输出单脉冲大能量的MOPA激光器，其脉冲宽度为60ns，重复频率5kHz，光束质量小于1.3。但是，它们都采用水冷的方式，因为连续泵浦功率大，产生的热量多。于是，出现了脉冲式端面泵浦，泵浦源平均功率较低，可以采用传导冷却或者风冷方式，大大减少了增益晶体或泵浦源被污染的机会，其光束质量小于1.5，但单脉冲能量只有54mJ，限制了远程测距的距离。侧面泵浦板条MOPA无水冷激光器，结构简单，输出单脉冲能量大，但是，采用脉冲二极管直接泵浦，泵浦光的均匀性影响输出光的光束质量。

现有的无水冷激光器，通常采用分布式散热的结构，光纤耦合输出的泵浦光通过衍射元件，将泵浦光分解为多束等功率的小光束，然后注入激光晶体内，以达到分散原有高功率泵浦光，使激光晶体内单位面积内的受热量变小的目的，从而实现无需水冷散热的要求。此外，晶体的泵浦光入射面镀有泵浦光的增透膜和输出激光的反射膜，在晶体后放置输出镜，输出的多束小光束激光再经过衍射合束元件合成为一束高功率的激光输出。但是该技术的激光晶体在轴向方向的厚度是限制此类激光器向高功率和高功率质量进一步发展的关键问题，晶体越厚，散热结构对该方向的均匀散热能力越差，由于热效应的累积，晶体内部会产生热应力折射，形成热透镜效应，导致功率和光束质量的降低。

发明内容

本发明提供一种碟片激光器，用以解决现有技术中激光器因晶体厚度较厚导致功率和光束质量降低的缺陷。

本发明提供一种碟片激光器，包括：多对碟片晶体，多对所述碟片晶体构造成环形结构，每对所述碟片晶体包括第一碟片晶体和第二碟片晶体，所述第一碟片晶体与所述第二碟片晶体相对设置；多个反射镜，多个所述反射镜包括一个第一反射镜和多个第二反射镜，所述第一反射镜的正投影位于所述环形结构的中心，多个所述第二反射镜分别与多个所述第一碟片晶体一一相对设置；多个泵浦源组件，多个所述泵浦源组件分别与多个所述第二碟片晶体一一相对设置；其中，每个所述泵浦源组件发出的泵浦光能够经过所述第二碟片晶体、所述第一反射镜、所述第一碟片晶体入射至所述第二反射镜，并由所述第二反射镜反射后，沿与初始的传播路径相反的传播方向入射至所述第二碟片晶体。

根据本发明提供的一种碟片激光器，每个所述第二反射镜的光轴与所述泵浦源组件的光轴重合。

根据本发明提供的一种碟片激光器，每个所述泵浦源组件包括：光纤耦合镜组，所述光纤耦合镜组与所述第二碟片晶体相对设置；泵浦源，通过光纤与所述光纤耦合镜组连接。

根据本发明提供的一种碟片激光器，所述光纤耦合镜组包括：一对第一平凸透镜，两个所述第一平凸透镜相对设置，两个所述第一平凸透镜的凸面相对设置，两个所述第一平凸透镜中的一者与所述第二碟片晶体相对设置，另一者与所述光纤连接。

根据本发明提供的一种碟片激光器，还包括：第二平凸透镜，与多对所述碟片晶体相对设置，所述第一反射镜位于所述碟片晶体与所述第二平凸透镜之间，所述第二平凸透镜的凸面朝向所述第一反射镜。

根据本发明提供的一种碟片激光器，还包括：调Q晶体，沿光线的传播方向，所述调Q晶体位于所述第二平凸透镜的下游。

根据本发明提供的一种碟片激光器，还包括：合束元件，沿光线的传播方向，所述合束元件位于所述调Q晶体的下游。

根据本发明提供的一种碟片激光器，还包括：热沉，多对所述碟片晶体设置于所述热沉的第一侧，所述热沉具有与所述第一侧相对的第二侧，所述第二侧用于粘接半导体制冷器。

根据本发明提供的一种碟片激光器，所述第一反射镜和所述第二反射镜的表面镀有增透膜和高反射膜，其中，所述增透膜和所述高反射膜的镀膜密度大于或等于99.5％，所述增透膜能够透过的光线波长为940nm，所述高反射膜能够透过的光线波长为1030nm。

根据本发明提供的一种碟片激光器，所述第二平凸透镜的表面镀有反射膜，所述反射膜的镀膜密度等于97％，所述反射膜能够透过的光线波长为1030-1050nm。

本发明提供的碟片激光器，通过设置多对碟片晶体、多个反射镜和多个泵浦源组件，通过对每个碟片晶体进行多程泵浦，增加了碟片晶体的吸收效率，利用碟片晶体优异的构型优势，使其在轴向方向的热分布成一维均匀分布，热梯度分布均匀，从而有效解决了热畸变引起的功率和光束质量下降的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，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是本发明提供的碟片激光器的结构示意图；

图2是图1中示出的反射镜和碟片晶体的排列示意图；

附图标记：

11：热沉；20：碟片晶体；21：第一碟片晶体；22：第二碟片晶体；30：反射镜；31：第一反射镜；32：第二反射镜；41：泵浦源；42：光纤；43：光纤耦合镜组；50：第二平凸透镜；60：调Q晶体；70：合束元件；431：第一平凸透镜。

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，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面结合图1和图2描述本发明的碟片激光器。

如图1和图2所示，在本发明的实施例中，碟片激光器包括：多对碟片晶体20、多个反射镜30以及多个泵浦源组件。多对碟片晶体20构造成环形结构，每对碟片晶体20包括第一碟片晶体21和第二碟片晶体22，第一碟片晶体21与第二碟片晶体22相对设置。多个反射镜30包括一个第一反射镜31和多个第二反射镜32，第一反射镜31的正投影位于环形结构的中心，多个第二反射镜32分别与多个第一碟片晶体21一一相对设置。多个泵浦源组件分别与多个第二碟片晶体22一一相对设置。其中，每个泵浦源组件发出的泵浦光能够经过第二碟片晶体22、第一反射镜31、第一碟片晶体21入射至第二反射镜32，并由第二反射镜32反射后，沿与初始的传播路径相反的传播方向入射至第二碟片晶体22。

具体来说，在本实施例中，每个碟片晶体20的厚度为数百微米，碟片晶体20的材质为Yb：YAG，掺杂浓度为10％，碟片晶体20作为增益介质，由于其晶体厚度极薄，使其在轴向上的温度成一维分布，热梯度差极小，有效地解决了热透镜效应导致的光束质量恶化的难题。此外，极薄的晶体厚度非常有利于热传导，极大地降低了碟片晶体20温度控制的压力。

多个碟片晶体20围设成环形结构，在本实施例中，环形结构可以为矩形环，也可以为圆形环，如图2所示的两对碟片晶体20构造成的矩形环结构，也可以为三对或四对碟片晶体20构造成的圆环形结构，其中每对碟片晶体20的第一碟片晶体21需与第二碟片晶体22相对设置。

具体地，每个第二碟片晶体22都对应设置有一个泵浦源组件，该泵浦源组件用于发出泵浦光，泵浦光射入相对应的第二碟片晶体22，被第二碟片晶体22反射至第一反射镜31，再由第一反射镜31反射至与该第二碟片晶体22相对的第一碟片晶体21，并由第一碟片晶体21反射至与第一碟片晶体21相对的第二反射镜32。泵浦光被第二反射镜32反射后，沿传播路径原路返回至第二碟片晶体22。具体地，泵浦光被第二反射镜32反射至与该第二反射镜32相对的第一碟片晶体21，再由第一碟片晶体21反射至第一反射镜31，最后由第一反射镜31反射至第二碟片晶体22，在此过程中，泵浦光经过了一对碟片晶体20两次，实现了每个碟片晶体20吸收了两次泵浦光，有效提升了碟片激光器对泵浦光的吸收效率。

本发明实施例提供的碟片激光器，通过设置多对碟片晶体、多个反射镜和多个泵浦源组件，通过对每个碟片晶体进行多程泵浦，增加了碟片晶体的吸收效率，利用碟片晶体优异的构型优势，使其在轴向方向的热分布成一维均匀分布，热梯度分布均匀，从而有效解决了热畸变引起的功率和光束质量下降的问题。

进一步地，在本发明的实施例中，第一反射镜31和第二反射镜32的表面镀有增透膜和高反射膜，其中，增透膜和高反射膜的镀膜密度大于或等于99.5％，增透膜能够透过的光线波长为940nm，高反射膜能够透过的光线波长为1030nm。

进一步地，在本发明的实施例中，每个第二反射镜32的光轴与泵浦源组件的光轴重合，即第二反射镜32与相对的泵浦源组件的光轴之间的角度为0°。

如图1和图2所示，在本发明的实施例中，每个泵浦源组件包括：泵浦源41、光纤42和光纤耦合镜组43。泵浦源41通过光纤42与光纤耦合镜组43连接，光纤耦合镜组43与第二碟片晶体22相对设置。

具体来说，泵浦源41发出的泵浦光经过光纤42进行匀化和整形后进入光纤耦合镜组43，光纤耦合镜组43对泵浦光进行1:2的扩束准直，然后射入与该光纤耦合镜组43相对设置的第二碟片晶体22中。可选地，在本实施例中，光纤42的芯径为800微米。

进一步地，光纤耦合镜组43包括一对第一平凸透镜431。两个第一平凸透镜431相对设置，两个第一平凸透镜431的凸面相对设置，两个第一平凸透镜431中的一者与第二碟片晶体22相对设置，另一者与光纤42连接。

具体来说，两个第一平凸透镜431用于将泵浦光进行扩束准直，其扩束比为1:2。

如图1所示，在本发明的实施例中，碟片激光器还包括第二平凸透镜50。第二平凸透镜50与多对碟片晶体20相对设置，第一反射镜31位于碟片晶体20与第二平凸透镜50之间，第二平凸透镜50的凸面朝向第一反射镜31。具体来说，碟片晶体20吸收的多次泵浦光经过第二平凸透镜50形成谐振腔输出激光。

进一步地，第二平凸透镜50的表面镀有反射膜，反射膜的镀膜密度等于97％，反射膜能够透光的光线波长为1030-1050nm。

进一步地，碟片激光器还包括调Q晶体60。沿光线的传播方向，调Q晶体60位于第二平凸透镜50的下游。由第二平凸透镜50输出的激光在经过调Q晶体60后，由调Q晶体60对脉冲宽度进行压缩，可获得亚纳秒级的短脉冲激光。

进一步地，碟片激光器还包括合束元件70。沿光线的传播方向，合束元件70位于调Q晶体60的下游。

具体来说，每个碟片晶体20吸收的泵浦光经过第二平凸透镜50形成谐振腔输出激光，该激光由调Q晶体60对脉冲宽度进行压缩，获得亚纳秒级的短脉冲激光，多束激光经过合束元件70合束后成为一束高峰值功率、高光束质量的激光输出。

需要说明的是：在以上所述的实施例中，每个碟片晶体20发出一束泵浦光，如在图2所示的实施例中，共有4个碟片晶体20共发出4束泵浦光，4束泵浦光在经过第二平凸透镜50、调Q晶体60和合束元件70后合束成一束激光。可以理解的是：当碟片晶体20的数量越多，其合束后形成的激光的峰值功率越高、光束质量越高。

进一步地，如图1所示，在本发明的实施例中，碟片激光器还包括热沉11。多对碟片晶体20设置于该热沉11的表面。具体来说，在本实施例中，热沉11的材质为铜，热沉11的一侧设置有多个碟片晶体20，热沉11的另一侧用于粘接半导体制冷器，以对碟片晶体20进行散热。

本发明实施例提供的碟片激光器，具有体积小、功耗低等固体激光器的优点，在保证高峰值功率的同时，可以兼顾良好的光束质量。采用多对碟片晶体分别焊接在热沉上，采用多个泵浦源组件分别对相对设置的碟片晶体进行多程泵浦，增加了碟片晶体的吸收效率；利用碟片晶体优异的构型优势，其在轴向方向的热分布成一维均匀分布，热梯度分布均匀，有效地解决了热畸变引起的功率和光束质量下降的难题，同时这种构型有效减少了谐振腔的腔长，在经过调Q晶体后可将脉冲宽度进行有效地压缩，从而获得亚纳秒级宽度的激光，再经过合束元件合束后得到一束高峰值功率、窄脉宽的高光束质量的激光。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种碟片激光器，其特征在于，包括：

多对碟片晶体，多对所述碟片晶体构造成环形结构，每对所述碟片晶体包括第一碟片晶体和第二碟片晶体，所述第一碟片晶体与所述第二碟片晶体相对设置；

多个反射镜，多个所述反射镜包括一个第一反射镜和多个第二反射镜，所述第一反射镜的正投影位于所述环形结构的中心，多个所述第二反射镜分别与多个所述第一碟片晶体一一相对设置；

多个泵浦源组件，多个所述泵浦源组件分别与多个所述第二碟片晶体一一相对设置；

其中，每个所述泵浦源组件发出的泵浦光能够经过所述第二碟片晶体、所述第一反射镜、所述第一碟片晶体入射至所述第二反射镜，并由所述第二反射镜反射后，沿与初始的传播路径相反的传播方向入射至所述第二碟片晶体。

2.根据权利要求1所述的碟片激光器，其特征在于，每个所述第二反射镜的光轴与所述泵浦源组件的光轴重合。

3.根据权利要求1所述的碟片激光器，其特征在于，每个所述泵浦源组件包括：

光纤耦合镜组，所述光纤耦合镜组与所述第二碟片晶体相对设置；

泵浦源，通过光纤与所述光纤耦合镜组连接。

4.根据权利要求3所述的碟片激光器，其特征在于，所述光纤耦合镜组包括：

一对第一平凸透镜，两个所述第一平凸透镜相对设置，两个所述第一平凸透镜的凸面相对设置，两个所述第一平凸透镜中的一者与所述第二碟片晶体相对设置，另一者与所述光纤连接。

5.根据权利要求1所述的碟片激光器，其特征在于，还包括：

第二平凸透镜，与多对所述碟片晶体相对设置，所述第一反射镜位于所述碟片晶体与所述第二平凸透镜之间，所述第二平凸透镜的凸面朝向所述第一反射镜。

6.根据权利要求5所述的碟片激光器，其特征在于，还包括：

调Q晶体，沿光线的传播方向，所述调Q晶体位于所述第二平凸透镜的下游。

7.根据权利要求6所述的碟片激光器，其特征在于，还包括：

合束元件，沿光线的传播方向，所述合束元件位于所述调Q晶体的下游。

8.根据权利要求1所述的碟片激光器，其特征在于，还包括：

热沉，多对所述碟片晶体设置于所述热沉的第一侧，所述热沉具有与所述第一侧相对的第二侧，所述第二侧用于粘接半导体制冷器。

9.根据权利要求1所述的碟片激光器，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二反射镜的表面镀有增透膜和高反射膜，其中，所述增透膜和所述高反射膜的镀膜密度大于或等于99.5％，所述增透膜能够透过的光线波长为940nm，所述高反射膜能够透过的光线波长为1030nm。

10.根据权利要求5所述的碟片激光器，其特征在于，所述第二平凸透镜的表面镀有反射膜，所述反射膜的镀膜密度等于97％，所述反射膜能够透过的光线波长为1030-1050nm。

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