CN115513759B

CN115513759B - 激光器

Info

Publication number: CN115513759B
Application number: CN202211461445.0A
Authority: CN
Inventors: 金凤文; 张放
Original assignee: Beamtech Optronics Co ltd
Current assignee: Beamtech Optronics Co ltd
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2042-11-17
Also published as: CN115513759A

Abstract

提供了一种激光器。该激光器具有光路，包括工作物质、泵浦源以及谐振腔。工作物质设置于光路，泵浦源与工作物质在排列方向上并排布置。谐振腔包括保罗棱镜，保罗棱镜用于反射沿光路传播的光束。光路经过保罗棱镜的脊线，脊线相对排列方向围绕光束的光轴旋转45°。这样，激光器的输出光能够具有较为均匀的能量分布。

Description

激光器

技术领域

本申请涉及光学领域，更具体地涉及一种激光器。

背景技术

已知激光器包括工作物质、泵浦源以及谐振腔。泵浦源用于激励工作物质，使得工作物质实现粒子数反转。谐振腔用于选择和放大具有特定频率和方向的光。然而，泵浦源对工作物质的激励不均匀。工作物质靠近泵浦源的部分具有较大的反转粒子数密度，而远离泵浦源的部分具有较小的反转粒子数密度。这使得激光的能量分布不均，激光的光束品质较低。

发明内容

鉴于上述现有技术的状态而做出本申请。本申请的目的在于提供一种激光器，其能够克服上述背景技术中说明的缺点中的至少一个缺点。

为了实现上述目的，本申请采用如下的技术方案。

本申请提供了一种如下的激光器，该激光器包括：工作物质，其设置于所述光路；泵浦源，其与所述工作物质在排列方向上并排布置；以及谐振腔，其包括保罗棱镜，所述保罗棱镜用于反射沿所述光路传播的光束，所述光路经过所述保罗棱镜的脊线，所述脊线相对所述排列方向围绕所述光束的光轴旋转45°。

在一个可选的方案中，所述泵浦源包括第一泵浦源和第二泵浦源，所述第一泵浦源与所述工作物质在第一排列方向上并排布置，所述第二泵浦源与所述工作物质在第二排列方向上并排布置，所述第一排列方向与所述第二排列方向平行，所述第一泵浦源和所述第二泵浦源位于所述脊线的不同侧，所述脊线相对所述第一排列方向围绕所述光轴旋转45°且所述脊线相对所述第二排列方向围绕所述光轴旋转45°。

在另一个可选的方案中，所述泵浦源包括第一泵浦源和第二泵浦源，所述第一泵浦源与所述工作物质在第一排列方向上并排布置，所述第二泵浦源与所述工作物质在第二排列方向上并排布置，所述第一排列方向与所述第二排列方向垂直，所述第一泵浦源和所述第二泵浦源位于所述脊线的同侧，所述脊线相对所述第一排列方向围绕所述光轴旋转45°且所述脊线相对所述第二排列方向围绕所述光轴旋转45°。

在另一个可选的方案中，所述工作物质和所述泵浦源为棒状，所述工作物质与所述光轴同轴地布置，所述泵浦源与所述工作物质平行地布置。

在另一个可选的方案中，所述工作物质包括第一工作物质和第二工作物质，所述第一工作物质和所述第二工作物质沿所述光路并排布置。

在另一个可选的方案中，还包括起偏器，所述起偏器设置于所述光路。

在另一个可选的方案中，所述起偏器包括第一起偏器和第二起偏器，所述第一起偏器和所述第二起偏器具有相同的偏振方向，所述工作物质位于所述第一起偏器和所述第二起偏器之间。

在另一个可选的方案中，还包括Q开关，所述Q开关设置于所述光路。

在另一个可选的方案中，还包括波片，所述波片设置于所述光路。

在另一个可选的方案中，还包括反射元件，所述反射元件用于反射所述光束并改变所述光束的传播方向。

采用上述技术方案，通过使保罗棱镜的脊线相对于工作物质和泵浦源的排列方向围绕光轴旋转45°，保罗棱镜的入射光束能够沿脊线对折得到保罗棱镜的出射光束，使得激光器的输出光能够具有较为均匀的能量分布，从而能够提高输出光的光束品质。

附图说明

图1示出了根据本申请的第一实施例的激光器的示意图。

图2示出了图1中的激光器的投影面的示意图。

图3示出了根据本申请的第二实施例的激光器的示意图。

图4示出了根据本申请的第三实施例的激光器的示意图。

图5示出了根据本申请的第四实施例的激光器的示意图。

图6示出了根据本申请的第五实施例的激光器的投影面的示意图。

附图标记说明

1 工作物质；11 第一工作物质；12 第二工作物质；

2 泵浦源；21 第一泵浦源；22 第二泵浦源；

3 谐振腔；31 保罗棱镜；31a 脊线；32 输出镜；

4 起偏器；41 第一起偏器；42 第二起偏器；

5 Q开关；

6 波片；

7 反射元件；71 第一反射元件；72 第二反射元件；

A 光轴；

I 第一排列方向；II 第二排列方向。

具体实施方式

下面参照附图描述本申请的示例性实施例。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。

在本申请中，如无特殊说明，“光路”是指激光器中光束的传播路径，“光轴”是指光束的中心轴线，“光路”与“光轴”具有相同的延伸方向。元件与“光轴”同轴地布置是指该元件与“光轴”的至少一部分同轴地布置。

（第一实施例）

图1和图2示出了根据本申请的第一实施例的激光器，特别示出了一种纳秒激光器。该激光器可以包括工作物质1、泵浦源2、谐振腔3、起偏器4、Q开关5以及波片6。

参照图1，工作物质1可以为棒状固体，例如可以为棒状的掺镱钇铝石榴石（Yb:YAG）晶体。工作物质1可以与光束的光轴A同轴地布置，使得光束能够沿工作物质1的中心轴线穿过工作物质1。

泵浦源2可以包括第一泵浦源21和第二泵浦源22。具体地，第一泵浦源21和第二泵浦源22可以为棒状光源，例如可以为棒状的氙灯。第一泵浦源21、第二泵浦源22和工作物质1可以彼此平行地布置。第一泵浦源21和工作物质1可以在第一排列方向I上并排布置，第二泵浦源22和工作物质1可以在第二排列方向II上并排布置，第一排列方向I和第二排列方向II平行。第一泵浦源21和第二泵浦源22可以关于光轴A对称地布置。

谐振腔3可以包括一个保罗棱镜31和输出镜32。具体地，保罗棱镜31可以包括两个全反射面，两个全反射面可以正交地布置。一个全反射面所在的平面可以与另一个全反射面所在的平面相交并且限定保罗棱镜31的脊线31a（在本实施例中脊线为实际存在的分界线，在可选的方案中脊线可以为虚拟的分界线），脊线31a与光轴A相交且垂直。脊线31a可以相对第一排列方向I和第二排列方向II围绕光轴A旋转45°，第一泵浦源21和第二泵浦源22可以位于脊线31a的不同侧。输出镜32可以为部分反射镜，其可以与光轴A同轴地布置。

亦即，对于光轴A的垂直平面，可以将工作物质1、第一泵浦源21、第二泵浦源22和保罗棱镜31沿光轴A向该平面投影。在该垂直平面内，如图2所示，可以分别确定工作物质1、第一泵浦源21和第二泵浦源22在上述平面上投影形状的几何中心（以下简称几何中心），由工作物质1的几何中心和第一泵浦源21的几何中心所确定的直线的延伸方向即为第一排列方向I，由工作物质1的几何中心和第二泵浦源22的几何中心所确定的直线的延伸方向即为第二排列方向II。例如在本实施例中，工作物质1、第一泵浦源21和第二泵浦源22的几何中心为各自的圆心。脊线31a可以与第一排列方向I和第二排列方向II均呈45°。第一泵浦源21可以位于脊线31a的一侧，第二泵浦源22可以位于脊线31a的另一侧。对于光轴A非直线延伸的情况，即当光轴A具有多个延伸方向时，可以将光轴A的所有部分调整成一条直线并且将设置于光路中的不同部件也相应调整位置以实施上述投影操作来确定排列方向。

起偏器4、Q开关5和波片6可以位于保罗棱镜31和工作物质1之间，光轴A可以自工作物质1向保罗棱镜31依次穿过起偏器4、Q开关5和波片6。其中，起偏器4可以为偏振片，脊线31a可以相对起偏器4的偏振方向围绕光轴A旋转45°。Q开关5可以为电光晶体。波片6可以为半波片，波片6的快轴或慢轴可以与起偏器4的偏振方向平行。当然，波片6不是必须的。

下面介绍该激光器的工作原理。

泵浦源2可以发出泵浦光并照射工作物质1，工作物质1可以受到泵浦光的激励以实现粒子数反转。高能态粒子中的一部分可以产生自发辐射，使得工作物质1向各方向发光。其中，沿光轴A方向传播的光可以在保罗棱镜31和输出镜32之间往复反射以形成平行光束，而沿其它方向传播的光则会在谐振腔3中耗散。在光束往复反射的过程中，光束中的一部分光子可以与工作物质1中的高能态粒子相遇，使得高能态粒子产生受激辐射，从而实现光能反馈。光束中的另一部分光子可以穿过输出镜32，从而作为激光器的输出光。

工作物质1的储能密度分布与工作物质1和泵浦源2所确定的排列方向有关。具体地，工作物质1靠近泵浦源2的部分一般具有较大的反转粒子数密度，而远离泵浦源2的部分一般具有较小的反转粒子数密度。相应地，工作物质1中具有较大反转粒子数密度的部分具有较大的储能密度，从而该部分发出的光形成光束中能量较高的部分。工作物质1中具有较小反转粒子数密度的部分具有较小的储能密度，从而该部分发出的光形成光束中能量较低的部分。

能量分布不均的光束作为保罗棱镜31的入射光束被保罗棱镜31反射。由于保罗棱镜31的脊线31a与排列方向呈45°，保罗棱镜31的入射光束能够沿脊线31a对折得到保罗棱镜31的出射光束。入射光束和出射光束可以彼此重叠形成激光器的输出光，使得激光器的输出光能够具有较为均匀的能量分布，从而能够提高输出光的光束品质。此外，在泵浦源2数量较少的情况下，激光器依然能够发射能量分布均匀的输出光，从而能够降低激光器的成本并有利于激光器的小型化。同时，保罗棱镜31对光束的入射方向不敏感，使得激光器稳定且易于调试。

（第二实施例）

根据本申请的第二实施例的激光器是第一实施例的变型，对于与第一实施例相同或相似的特征，在本实施例中使用相同的附图标记，并省略对这些特征的详细介绍。

参照图3，起偏器4的数量可以为多个。具体地，起偏器4可以包括第一起偏器41和第二起偏器42，第一起偏器41和第二起偏器42可以具有相同的偏振方向。工作物质1可以位于第一起偏器41和第二起偏器42之间。这样，通过设置多个起偏器4，激光器的输出光能够具有较高的偏振纯度。

（第三实施例）

根据本申请的第三实施例的激光器是第一实施例的变型，对于与第一实施例相同或相似的特征，在本实施例中使用相同的附图标记，并省略对这些特征的详细介绍。

参照图4，工作物质1的数量可以为多个。具体地，工作物质1可以包括第一工作物质11和第二工作物质12，第一工作物质11和第二工作物质12可以沿光轴A并排布置。第一工作物质11所对应的泵浦源2和第二工作物质12所对应的泵浦源2可以具有相同的数量和布置方式。当然，这不是必须的。这样，通过设置多个工作物质1，激光器的输出光能够具有较高的功率。

（第四实施例）

根据本申请的第四实施例的激光器是第一实施例的变型，对于与第一实施例相同或相似的特征，在本实施例中使用相同的附图标记，并省略对这些特征的详细介绍。

参照图5，激光器还可以包括反射元件7。具体地，反射元件7可以为平面反射镜，反射元件7可以包括第一反射元件71和第二反射元件72。第一反射元件71和第二反射元件72可以彼此正交地布置，使得光轴A的至少一部分被限定为U形。这样，在光轴A的长度一定的情况下，通过设置反射元件7，光轴A可以被反射元件7翻折，使得激光器能够具有较为紧凑的结构。

（第五实施例）

根据本申请的第五实施例的激光器是第一实施例的变型，对于与第一实施例相同或相似的特征，在本实施例中使用相同的附图标记，并省略对这些特征的详细介绍。

参照图6，第一排列方向I可以与所述第二排列方向II垂直，第一泵浦源21的中心轴线与光轴的最短距离可以与第二泵浦源22的中心轴线与光轴的最短距离相同。脊线31a可以相对第一排列方向I和第二排列方向II均围绕光轴旋转45°，第一泵浦源21和第二泵浦源22可以位于脊线31a的同侧。

本申请至少具有以下优点。

（i）通过使脊线31a相对于工作物质1和泵浦源2的排列方向围绕光轴A旋转45°，保罗棱镜31的入射光束能够沿脊线31a对折得到保罗棱镜31的出射光束，使得激光器的输出光能够具有较为均匀的能量分布，从而能够提高输出光的光束品质。

（ii）通过设置多个起偏器4，激光器的输出光能够具有较高的偏振纯度。

（iii）通过设置多个工作物质1，激光器的输出光能够具有较高的功率。

（iv）在光轴A的长度一定的情况下，通过设置反射元件7，光轴A可以被反射元件7翻折，使得激光器能够具有较为紧凑的结构。

应当理解，上述实施例仅是示例性的，不用于限制本申请。本领域技术人员可以在本申请的教导下对上述实施例做出各种变型和改变，而不脱离本申请的范围。

应当理解，泵浦源2的数量不限于为两个，例如泵浦源2的数量可以为单个或至少三个。当工作物质1与多个泵浦源2确定多个方向不同的排列方向时，脊线31a不限于相对每个排列方向均围绕光轴A旋转45°，在光轴A穿过脊线31a且与脊线31a垂直的情况下，脊线31a可以仅相对多个排列方向中的至少一个排列方向围绕光轴A旋转45°。泵浦源2不限于为棒状，例如可以为板状。泵浦源2不限于为氙灯，例如可以为氪灯或激光二极管。

应当理解，工作物质1不限于为棒状，例如可以为板状、盘状或管状。工作物质1不限于为掺镱钇铝石榴石晶体，例如可以为掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）晶体。

应当理解，波片6不限于为半波片，例如可以为四分之一波片。波片6和Q开关5的布置方式不限于上述实施例所示出的布置方式，例如波片6的位置可以与Q开关5的位置对调。

应当理解，起偏器4不限于为偏振片，例如可以为偏振棱镜。

应当理解，反射元件7不限于为平面反射镜，例如反射元件7可以为棱镜。

Claims

1.一种激光器，其具有光路，其特征在于，所述激光器包括：

工作物质（1），其设置于所述光路；

泵浦源（2），其与所述工作物质（1）在排列方向上并排布置；以及

谐振腔（3），其包括保罗棱镜（31），所述保罗棱镜（31）用于反射沿所述光路传播的光束，所述光路经过所述保罗棱镜（31）的脊线（31a），所述脊线（31a）相对所述排列方向围绕所述光束的光轴（A）旋转45°，其中

在所述光轴（A）的垂直平面内，由所述工作物质（1）的几何中心和所述泵浦源（2）的几何中心所确定的直线的延伸方向即为所述排列方向。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述泵浦源（2）包括第一泵浦源（21）和第二泵浦源（22），所述第一泵浦源（21）与所述工作物质（1）在第一排列方向（I）上并排布置，所述第二泵浦源（22）与所述工作物质（1）在第二排列方向（II）上并排布置，所述第一排列方向（I）与所述第二排列方向（II）平行，所述第一泵浦源（21）和所述第二泵浦源（22）位于所述脊线（31a）的不同侧，所述脊线（31a）相对所述第一排列方向（I）围绕所述光轴（A）旋转45°且所述脊线（31a）相对所述第二排列方向（II）围绕所述光轴（A）旋转45°。

3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述泵浦源（2）包括第一泵浦源（21）和第二泵浦源（22），所述第一泵浦源（21）与所述工作物质（1）在第一排列方向（I）上并排布置，所述第二泵浦源（22）与所述工作物质（1）在第二排列方向（II）上并排布置，所述第一排列方向（I）与所述第二排列方向（II）垂直，所述第一泵浦源（21）和所述第二泵浦源（22）位于所述脊线（31a）的同侧，所述脊线（31a）相对所述第一排列方向（I）围绕所述光轴（A）旋转45°且所述脊线（31a）相对所述第二排列方向（II）围绕所述光轴（A）旋转45°。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光器，其特征在于，所述工作物质（1）和所述泵浦源（2）为棒状，所述工作物质（1）与所述光轴（A）同轴地布置，所述泵浦源（2）与所述工作物质（1）平行地布置。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的激光器，其特征在于，所述工作物质（1）包括第一工作物质（11）和第二工作物质（12），所述第一工作物质（11）和所述第二工作物质（12）沿所述光路并排布置。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的激光器，其特征在于，还包括起偏器（4），所述起偏器（4）设置于所述光路。

7.根据权利要求6所述的激光器，其特征在于，所述起偏器（4）包括第一起偏器（41）和第二起偏器（42），所述第一起偏器（41）和所述第二起偏器（42）具有相同的偏振方向，所述工作物质（1）位于所述第一起偏器（41）和所述第二起偏器（42）之间。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的激光器，其特征在于，还包括Q开关（5），所述Q开关（5）设置于所述光路。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的激光器，其特征在于，还包括波片（6），所述波片（6）设置于所述光路。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的激光器，其特征在于，还包括反射元件（7），所述反射元件（7）用于反射所述光束并改变所述光束的传播方向。