CN116722429A - 一种高光束质量的长脉宽绿光激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高光束质量的长脉宽绿光激光器，包括：半导体激光器、耦合透镜组、第一基频光反射镜、调Q器件、第二基频光反射镜、激光晶体、补偿透镜、分色镜、倍频晶体以及双波长反射镜；所述第一基频光反射镜、第二基频光反射镜、补偿透镜、分色镜以及所述双波长反射镜构成产生基频光振荡的谐振腔，所述半导体激光器出射的激光脉冲，经由所述谐振腔后由所述分色镜输出绿色光束。本发明通过第二基频光反射镜和补偿透镜组合使用，补偿激光晶体热效应增加腔内基频光基模体积，同时采用的分色镜，可变换曲率和腔内位置改变腔长，以增加脉宽，压缩倍频晶体处基频光光斑，提高绿光转换效率。

Description

一种高光束质量的长脉宽绿光激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种高光束质量的长脉宽绿光激光器。

背景技术

绿光激光具有波长短，亮度高，可聚焦能力强等特点，广泛应用于军事、科研、医疗及激光加工领域，成为人们研究的热点。短脉冲激光技术趋于成熟，目前成熟产品已经应用到各个领域，而高功率长脉宽绿光激光其具有较高的单脉冲能量和较长的脉冲宽度，在微孔加工、FPC加工、太阳能电池加工等领域有着广泛的应用。较长的脉冲宽度会导致倍频效率下降，绿光功率低，无法满足加工需求，而采用LD侧面泵浦棒状激光晶体腔内倍频可获得较高功率长脉宽绿光输出，如LD侧面Nd:YAG晶体可获得百瓦级以上的绿光激光，但由于难以抑制高阶模振荡，绿光光束质量较差，不利于医疗和工业精细加工应用。

发明内容

根据现有技术中存在的问题，本发明提供一种高光束质量的长脉宽绿光激光器，用以解决现有侧面泵浦长脉宽绿光激光器难以抑制高阶模振荡，绿光光束光束质量差问题，增加脉宽，提高绿光转换效率。

本发明的技术方案如下：

一种高光束质量的长脉宽绿光激光器，包括：

半导体激光器、耦合透镜组、第一基频光反射镜、调Q器件、第二基频光反射镜、激光晶体、补偿透镜、分色镜、倍频晶体以及双波长反射镜；第一基频光反射镜、第二基频光反射镜、补偿透镜、分色镜以及双波长反射镜构成产生基频光振荡的谐振腔，半导体激光器出射的激光脉冲，经由谐振腔后由分色镜输出绿色光束；

谐振腔内光路包括从第一基频光反射镜出射的第一基频光路和第二基频光路，以及从分色镜反射出的倍频光路；第一基频光路包括依次设有的激光晶体、补偿透镜、分色镜；第二基频光路包括依次设有的调Q器件、第二基频光反射镜；倍频光路包括依次设有的倍频晶体、双波长反射镜；

其中，第二基频光反射镜与补偿透镜的焦距相同，并与激光晶体成对称放置，第二基频光反射镜到激光晶体的距离与补偿透镜到激光晶体的距离相同；

补偿透镜与双波长反射镜的距离为补偿透镜焦距值，分色镜与双波长反射镜的距离为分色镜焦距值，当改变补偿透镜焦距和/或分色镜焦距时，对应改变分色镜到双波长反射镜的距离，以改变谐振腔的腔长；

补偿透镜的焦距与分色镜的焦距成整数倍关系。

作为优选的技术方案，分色镜相对于第一基频光路的光轴和/或相对于倍频光路的光轴倾斜放置，分色镜包括第一凹面和第二平面；第一凹面朝向第二基频光反射镜方向，第二平面用以将半导体激光器输出的基频光，经耦合透镜组和谐振腔后输出绿色光束。

作为优选的技术方案，第一凹面曲率半径为100mm-1000mm，第一凹面依次镀有基频光高反射膜、倍频光减反膜；第二平面镀有倍频光减反射膜。

作为优选的技术方案，分色镜相对于第一基频光路的光轴和倍频光路的光轴夹角呈10-15度。

作为优选的技术方案，半导体激光器输出波长为808 nm、878 nm、885 nm、888 nm中的一种，半导体激光器的光纤芯直径为100 μm、200 μm、400 μm中的一种。

作为优选的技术方案，耦合透镜组镀有半导体激光器激光波长减反膜，耦合透镜组出光比例为1:5-1:10。

作为优选的技术方案，第一基频光反射镜为平面镜，平面镜朝向激光晶体的一面依次镀有泵浦光减反膜、基频光高反膜，平面镜远离激光晶体的一面镀有泵浦光减反膜；

第一基频光偏振片相对于第一基频光路的光轴倾斜放置，第一基频光反射镜与第一基频光路的光轴呈0-15度夹角。

作为优选的技术方案，调Q器件为主动调Q器件，主动调Q器件为声光Q器件或者电光Q器件，主动调Q器件的频率为0-200 kHz。

作为优选的技术方案，第二基频光反射镜为平凸透镜，平凸透镜的凸面朝向第一基频光反射镜，第二基频光反射镜用以增加谐振腔内基频光基模体积。

作为优选的技术方案，激光晶体的双端截面镀泵浦光和基频光减反膜；

激光晶体为Yb:YAG晶体、Nd:YLF晶体、Nd:YVO4晶体、Nd:GdVO4晶体、Nd:YAG晶体、Nd:YAP晶体中的一种；

激光晶体浓度为0.1%-1%，尺寸为3mm×3mm×20mm或3mm×3mm×30mm。

作为优选的技术方案，补偿透镜为双凸透镜或平凸透镜，补偿透镜双面镀基频光减反膜，用以补偿激光晶体热效应。

作为优选的技术方案，倍频晶体的两端面镀有基频光减反膜和倍频光减反膜；

倍频晶体为KTP、PPLN、LBO、BBO中的一种；

倍频晶体的尺寸为3mm×3mm×15mm或3mm×3mm×20mm。

作为优选的技术方案，还包括底座和水冷系统，半导体激光器、耦合透镜组、第一基频光反射镜、调Q器件、第二基频光反射镜、激光晶体、补偿透镜、分色镜、倍频晶体以及双波长反射镜均固定于底座上，并通过水冷系统控温和散热。

本发明采用的技术方案达到如下有益效果：

1.第一基频光反射镜、第二基频光反射镜、补偿透镜、分色镜以及双波长反射镜构成产生基频光振荡的谐振腔，共同组成高光束质量的长脉宽绿光激光器，且第二基频光反射镜为平凸透镜增加腔内基频光基模体积，补偿透镜补偿激光晶体热效应，第二基频光反射镜和补偿透镜组合使用，补偿激光晶体热效应同时保证腔内基频光为基模振荡；

2.分色镜为平凹镜，通过改变分色镜的曲率和分色镜在谐振腔内的位置，增加腔长，从而增加脉冲宽度，同时压缩倍频晶体体处激光光斑，提高频率转换效率；

3.该装置不仅适用于半导体激光器单端泵浦方式，为了获得更高功率绿光输出，同样适用于双端泵浦方式，同样有助于改善半导体激光器侧面泵浦方式绿光光束质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1公开的高光束质量的长脉宽绿光激光器结构示意图；

图2为本发明实施例2公开的高光束质量的长脉宽绿光激光器结构示意图；

附图标记说明：

半导体激光器100；耦合透镜组101；第一基频光反射镜102；调Q器件103；第二基频光反射镜104；激光晶体105；补偿透镜106；分色镜107；倍频晶体108；双波长反射镜109。

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，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

显然，所描述的实施例仅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。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种高光束质量的长脉宽绿光激光器，包括：

半导体激光器100、耦合透镜组101、第一基频光反射镜102、调Q器件103、第二基频光反射镜104、激光晶体105、补偿透镜106、分色镜107、倍频晶体108以及双波长反射镜109；

谐振腔内光路包括从第一基频光反射镜102出射的第一基频光路和第二基频光路，以及从分色镜107反射出的倍频光路；第一基频光路包括依次设有的激光晶体105、补偿透镜106、分色镜107；第二基频光路包括依次设有的调Q器件103、第二基频光反射镜104；倍频光路包括依次设有的倍频晶体108、双波长反射镜109；

其中，第二基频光反射镜104与补偿透镜106的焦距相同，并与激光晶体105成对称放置，第二基频光反射镜104到激光晶体105的距离与补偿透镜106到激光晶体105的距离相同；

补偿透镜106与双波长反射镜109的距离为补偿透镜焦距值，分色镜107与双波长反射镜109为分色镜107焦距值，当改变补偿透镜106焦距和/或分色镜107焦距时，对应改变分色镜107到双波长反射镜109的距离，以改变谐振腔的腔长；

补偿透镜106的焦距与分色镜107的焦距成整数倍关系，用以等比例压缩倍频晶体108处基频光光斑尺寸，提高倍频晶体108处基频光功率密度，从而实现提高倍频转换效率。

优选地，分色镜107相对于第一基频光路的光轴和/或相对于倍频光路的光轴倾斜放置，分色镜107包括第一凹面和第二平面；第一凹面朝向第二基频光反射镜104方向，第二平面用以将半导体激光器100输出的基频光，经耦合透镜组101和谐振腔后输出绿色光束。

本说明书提供的高光束质量的长脉宽绿光激光器中，第二基频光反射镜104和补偿透镜106组合使用，能够补偿激光晶体105热效应同时保证腔内基频光为基模振荡。分色镜107为平凹镜，通过改变分色镜107的曲率和腔内位置，增加腔长，从而增加脉冲宽度，同时压缩倍频晶体108处激光光斑，提高频率转换效率。该装置不仅适用于半导体激光器100单端泵浦方式，为了获得更高功率绿光输出，同样适用于双端泵浦方式，见实施例2。

优选地，半导体激光器100输出波长为808nm、878nm、885nm、888nm中的一种，半导体激光器100的光纤芯直径为100μm、200μm、400μm中的一种。

具体的，半导体激光器100为连续808nm、878nm、885nm、888nm光纤耦合半导体模块，光纤芯径100μm、200μm、400μm，通过水冷或者半导体制冷片控温，其功率为50W-200W。

优选地，耦合透镜组101镀有半导体激光器100激光波长减反膜，耦合透镜组101出光比例为1:5-1:10。

具体的，耦合系统为一个凸透镜或凹透镜，或者为多个凸透镜和/或凹透镜的组合，其耦合系统镀有半导体激光器100激光波长减反膜，用以将半导体激光器100出射的光经耦合系统后以出光比例为1:5-1:10耦合到激光晶体105中。

优选地，第一基频光反射镜102为平面镜，平面镜朝向激光晶体105的一面依次镀有泵浦光减反膜、基频光高反膜，平面镜远离激光晶体105的一面镀有泵浦光减反膜；

第一基频光偏振片相对于第一基频光路的光轴倾斜放置，第一基频光反射镜102与第一基频光路的光轴呈0-15度夹角。

具体的，耦合系统和激光晶体105之间放置一个第一基频光反射镜102，第一基频光反射镜102为平面镜，双面镀泵浦光减反膜，靠近激光晶体105面镀基频光高反膜，与光轴呈小角度放置，在一种优选的实施方式中，第一基频光反射镜102与第一基频光路的光轴呈15度夹角。

优选地，调Q器件103为主动调Q器件，主动调Q器件为声光Q器件或者电光Q器件，主动调Q器件的频率为0-200kHz。

具体的，半导体激光器100出射的泵浦光依次经过耦合系统、第一基频光反射镜102后出射的基频光通过声光调Q开关或电光调Q开关进行调制，以实现高功率高重复频率基频光运转。

优选地，第二基频光反射镜104为平凸透镜，平凸透镜的凸面朝向第一基频光反射镜102，第二基频光反射镜104用以增加谐振腔内基频光基模体积。

优选地，激光晶体105的双端截面镀泵浦光和基频光减反膜；

激光晶体105为Yb:YAG晶体、Nd:YLF晶体、Nd:YVO4晶体、Nd:GdVO4晶体、Nd:YAG晶体、Nd:YAP晶体中的一种；

激光晶体105浓度为0.1%-1%，尺寸为3mm×3mm×20mm或3mm×3mm×30mm。

具体的，半导体激光器100产生泵浦光，经耦合系统后将泵浦光斑耦合到激光晶体105内，对激光晶体105进行单端泵浦，产生基频光，以使基频光在谐振腔进行腔内振荡。

优选地，补偿透镜106为双凸透镜或平凸透镜，补偿透镜106双面镀基频光减反膜，用以补偿激光晶体105热效应。

具体的，半导体激光器100产生泵浦光，经耦合系统后将泵浦光斑耦合到激光晶体105后产生的基频光，经过补偿透镜106后出射，在一种优选的实施方式中，补偿透镜106为双凸透镜或双凹透镜，用以补偿激光晶体105热效应，第二基频光反射镜104和补偿透镜106组合使用，能够更好的补偿激光晶体105热效应同时保证腔内基频光为基模振荡。

优选的，分色镜107相对于第一基频光路的光轴和倍频光路的光轴夹角呈10-15度；分色镜107的第一凹面曲率半径为100mm-1000mm，第一凹面依次镀有基频光高反射膜、倍频光减反膜，第二平面镀有倍频光减反射膜。

具体的，分色镜107为平凹镜，凹面镀基频光高反膜、倍频光减反膜，平面镀倍频光减反膜，做为倍频光输出镜，可变换曲率和腔内位置，起到转折光路，增加腔长，增加脉宽，压缩光斑尺寸作用。

优选地，倍频晶体108的两端面镀有基频光减反膜和倍频光减反膜；

倍频晶体108为KTP、PPLN、LBO、BBO中的一种；

倍频晶体108的尺寸为3mm×3mm×15mm或3mm×3mm×20mm。

具体的，倍频晶体108为KTP、PPLN、LBO、BBO中的一种，但不限于此，根据实际所需选择，采用临界或非临界相位匹配方式，倍频晶体108的尺寸为3mm×3mm×15mm或3mm×3mm×20mm或者其他尺寸，其两端面镀基频光和倍频光减反膜，通过半导体制冷片控温，温控精度优于±0.1℃。

经激光晶体105后的基频光再经过补偿透镜106后，入射到分色镜107反射进入倍频晶体108中，此时基频光转换为倍频光，倍频光再经过双波长反射镜109反射后在通过倍频晶体108后的倍频光，经过分色镜107射出，出射的光为绿色光束。可以通过改变分色镜107的曲率以及其在谐振腔内的位置，来增加腔长，从而增加脉冲宽度，同时压缩倍频晶体108处的激光光斑，提高频率转换效率。

在本实施例中产生的基频光为1030nm、1047nm、1053nm、1064nm、1079nm等近红外谱线，基频光经倍频晶体108后转换为倍频光为515nm、523nm、527nm、532nm、539nm等绿光谱线。

优选地，还包括底座和水冷系统，半导体激光器100、耦合透镜组101、第一基频光反射镜102、调Q器件103、第二基频光反射镜104、激光晶体105、补偿透镜106、分色镜107、倍频晶体108以及双波长反射镜109均固定于底座上，并通过水冷系统及时控温和散热，以便激光器正常且高效的工作。

实施例2

本实施例提供一种高光束质量的长脉宽绿光激光器，与实施例1不同的是装置上多了一个半导体激光器100、一个耦合透镜组101以及一个第一基频光反射镜102，图2的双端泵浦方式，同样能够提高半导体激光器泵浦功率，获得更高功率的绿光输出。

以上对本申请实施例一种高光束质量的长脉宽绿光激光器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (13)

1.一种高光束质量的长脉宽绿光激光器，其特征在于，包括：

半导体激光器、耦合透镜组、第一基频光反射镜、调Q器件、第二基频光反射镜、激光晶体、补偿透镜、分色镜、倍频晶体以及双波长反射镜；所述第一基频光反射镜、第二基频光反射镜、补偿透镜、分色镜以及所述双波长反射镜构成产生基频光振荡的谐振腔，所述半导体激光器出射的激光脉冲，经由所述谐振腔后由所述分色镜输出绿色光束；

所述谐振腔内光路包括从所述第一基频光反射镜出射的第一基频光路和第二基频光路，以及从所述分色镜反射出的倍频光路；所述第一基频光路包括依次设有的所述激光晶体、补偿透镜、分色镜；所述第二基频光路包括依次设有的所述调Q器件、第二基频光反射镜；所述倍频光路包括依次设有的所述倍频晶体、双波长反射镜；

其中，所述第二基频光反射镜与所述补偿透镜的焦距相同，并与所述激光晶体成对称放置，所述第二基频光反射镜到所述激光晶体的距离与所述补偿透镜到所述激光晶体的距离相同；

所述补偿透镜与所述双波长反射镜的距离为所述补偿透镜焦距值，所述分色镜与所述双波长反射镜的距离为所述分色镜焦距值，当改变所述补偿透镜焦距和/或所述分色镜焦距时，对应改变分色镜到所述双波长反射镜的距离，以改变所述谐振腔的腔长；

所述补偿透镜的焦距与所述分色镜的焦距成整数倍关系。

2.根据权利要求1所述的高光束质量的长脉宽绿光激光器，其特征在于，所述分色镜相对于所述第一基频光路的光轴和/或相对于所述倍频光路的光轴倾斜放置，所述分色镜包括第一凹面和第二平面；所述第一凹面朝向所述第二基频光反射镜方向，所述第二平面用以将所述半导体激光器输出的基频光，经所述耦合透镜组和所述谐振腔后输出绿色光束。

3.根据权利要求2所述的高光束质量的长脉宽绿光激光器，其特征在于，所述第一凹面曲率半径为100mm-1000mm，所述第一凹面依次镀有基频光高反射膜、倍频光减反膜；所述第二平面镀有倍频光减反射膜。

4.根据权利要求2所述的高光束质量的长脉宽绿光激光器，其特征在于，所述分色镜相对于所述第一基频光路的光轴和所述倍频光路的光轴夹角呈10-15度。

5.根据权利要求1所述的高光束质量的长脉宽绿光激光器，其特征在于，所述半导体激光器输出波长为808 nm、878 nm、885 nm、888 nm中的一种，所述半导体激光器的光纤芯直径为100 μm、200 μm、400 μm中的一种。

6.根据权利要求1所述的高光束质量的长脉宽绿光激光器，其特征在于，所述耦合透镜组镀有半导体激光器激光波长减反膜，所述耦合透镜组出光比例为1:5-1:10。

7.根据权利要求1所述的高光束质量的长脉宽绿光激光器，其特征在于，所述第一基频光反射镜为平面镜，所述平面镜朝向所述激光晶体的一面依次镀有泵浦光减反膜、基频光高反膜，所述平面镜远离所述激光晶体的一面镀有泵浦光减反膜；

所述第一基频光反射镜相对于所述第一基频光路的光轴倾斜放置，所述第一基频光反射镜与所述第一基频光路的光轴呈0-15度夹角。

8.根据权利要求1所述的高光束质量的长脉宽绿光激光器，其特征在于，所述调Q器件为主动调Q器件，所述主动调Q器件为声光Q器件或者电光Q器件，所述主动调Q器件的频率为0-200 kHz。

9.根据权利要求1所述的高光束质量的长脉宽绿光激光器，其特征在于，所述第二基频光反射镜为平凸透镜，所述平凸透镜的凸面朝向所述第一基频光反射镜，所述第二基频光反射镜用以增加所述谐振腔内基频光基模体积。

10.根据权利要求1-9任一项所述的高光束质量的长脉宽绿光激光器，其特征在于，

所述激光晶体的双端截面镀泵浦光和基频光减反膜；

所述激光晶体为Yb:YAG晶体、Nd:YLF晶体、Nd:YVO4晶体、Nd:GdVO4晶体、Nd:YAG晶体、Nd:YAP晶体中的一种；

所述激光晶体浓度为0.1%-1%，尺寸为3mm×3mm×20mm或3mm×3mm×30mm。

11.根据权利要求1-9任一项所述的高光束质量的长脉宽绿光激光器，其特征在于，所述补偿透镜为双凸透镜或平凸透镜，所述补偿透镜双面镀基频光减反膜，用以补偿激光晶体热效应。

12.根据权利要求1-9任一项所述的高光束质量的长脉宽绿光激光器，其特征在于，

所述倍频晶体的两端面镀有基频光减反膜和倍频光减反膜；

所述倍频晶体为KTP、PPLN、LBO、BBO中的一种；

所述倍频晶体的尺寸为3mm×3mm×15mm或3mm×3mm×20mm。

13.根据权利要求1-9任一项所述的高光束质量的长脉宽绿光激光器，其特征在于，还包括底座和水冷系统，所述半导体激光器、耦合透镜组、第一基频光反射镜、调Q器件、第二基频光反射镜、激光晶体、补偿透镜、分色镜、倍频晶体以及双波长反射镜均固定于底座上，并通过所述水冷系统控温和散热。