CN1490907A - 固体激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种固体激光装置，其激发效率和激发分布良好，而且即使在各向异性的激光介质中也可以容易地进行晶轴定位。该固体激光装置具备：激光介质11，其吸收来自LD10的激发光12，产生或者放大规定波长的光；散热片，其由第一～第三块15a、15b、15c构成，定位激光介质11，冷却激光介质11，并反射激发光12。激光介质11的入射面A是圆弧状，反射部是平面。因为具有扩散角的激发光12通过入射面A变成平行光，所以激光介质11被均匀地激发。另外，因为反射部是平面，所以不仅可以容易地对轴方向不同特性不同的激光介质11进行定位，而且也因为反射光与入射光基本平行地反射，所以可以高效地激发激光介质11。

Description

固体激光装置
技术领域
本发明涉及一种固体激光装置，尤其涉及一种利用半导体激光器(以下称为“LD”)作为激发光源的LD激发固体激光装置，该固体激光装置的激发效率和激发分布都良好，并且，即使在各向异性的激光介质中也可以容易地进行晶轴的定位。
背景技术
以LD作为激发光光源的LD激发固体激光装置，由于与电灯激发的固体激光装置相比体积小、效率高而且寿命长，所以很引人注目。尤其是近年来，LD的性能和质量都有大幅度提高，由LD激发的完全固体激光器的实用化正在快速发展。由此，与现有的电灯激发的固体激光装置相比较，固体激光器的寿命从1000小时上升到了10000小时。另外，在LD激发固体激光装置中，因为固体激光介质的吸收波长和LD的振荡波长一致，所以可以高效地激发激光晶体，因为量子效率较高，所以可以降低热透镜效果而大幅度提高光束的质量。再有，已经提出并制作了大量的以所谓的侧面激发方式为激发方式的固体激光装置，该侧面激发方式是在从细长的固体激光介质振荡出的激光的光轴的侧面排列LD进行激发。
大家知道在工业用固体激光装置中利用的激光介质是Nd:YAG晶体、Nd:YVO4晶体。虽然Nd:YAG晶体具有良好的机械强度、热传导性，但是由于其荧光寿命较长，所以不适于30kHz以上的高频脉冲振荡。另外，由于没有晶体的轴特性，激发效率与激发光的偏振特性无关，所以比较容易处理。另一方面，Nd:YVO4晶体虽然在机械强度、热传导性方面比Nd:YAG差，但是因为与Nd:YAG比较，其荧光寿命短，受激发射剖面积大，所以是最适合高频脉冲振荡的材料。但是因为它是单轴性的晶体，所以在用于激光振荡时，不仅向特定的方向偏振振荡，而且其吸收特性也是各向异性。特开平4-137775号公报中公开了这样的情况：一般LD为了向特定的方向偏振振荡，通过选择相对晶体的偏振方向，可以实现高效率的振荡。
特开平2-54588号公报中记载了侧面激发方式的LD激发固体激光装置的一个例子。
如图6所示，该激光装置具备：反射层64，其包围了沿着圆筒状激光介质61的光轴的外周；开口63，其设置在反射层64的一部分上，该反射层用于使来自LD60的激发光62入射到激光介质61。而且，用反射层64覆盖沿着激光介质61的外面的大部分，其微小部分作为来自LD60的激发光62的入射部分。由此，因为来自LD60的激发光62被圈闭在激光介质61内，可以被激光介质61高效地吸收，所以可以提高振荡的能量效率。
作为将激光介质以可以定位激光介质的晶轴的方式固定，并使反射光不会集中在一点的LD激发固体激光装置，有利用方形棒状的激光介质的LD激发固体激光装置。如图7所示，该LD激发固体激光装置具备：反射层74，其包围沿着四棱柱状的激光介质71的光轴的外周；开口73，其设置在反射层74的一部分上，用于把来自LD的激发光72入射到激光介质71。用反射层74覆盖沿着激光介质71的外面的大部分，其微小部分作为来自LD70的激发光72的入射部分。由此，因为来自LD70的激发光72被圈闭在激光介质71内，可以被激光介质高效地吸收，所以可以提高振荡的能量效率。通过利用作为激光介质71的方形Nd:YVO4晶体，可以使激发光72的光电场方向与a轴切断的Nd:YVO4晶体的c轴平行。
例如，特开平7-307510号公报中公开了一种不使用聚光光学系统，也可以均匀激发激光介质的固体激光装置。
如图8所示，在该固体激光装置中，利用激光介质81对激发光82具有规定的折射率的特性，通过将激光介质81配置在激发光82附近，并在激光介质81的激发光源侧的一面形成凸面部86，就可以不利用聚光光学系统而缩小激发光82的扩散角。
另外，特开2001-244526号公报中公开了一种用于使没有被固体激光棒(激光介质)吸收的激发光有效地返回到固体激光棒的方法。
但是，特开2001-244526号公报所示的固体激光装置如图9所示，因为多重配置了与固体激光棒1为同心圆状的冷却介质用的间隙2、冷却管3、还有用于形成反射面的圆筒状部件4，所以没有被固体激光棒1吸收的激发光至少两次通过冷却媒体用的缝隙2、冷却管3，在此期间激发光被衰减，不能最有效地利用反射光。
但是，以上例子所示的现有的LD激发固体激光装置都存在用LD激发任何一种激光介质时，其分布不均匀的问题。
例如，在图6所示的现有的例子中，因为反射层64是圆形，所以反射光集中在一点，激光介质61无法均匀地被LD激发(参照图10)。另外，在图7的例子中，虽然通过把反射面作成方形可以使反射光不集中在一个点而扩散到整个区域，但是因为来自LD70的激发光72具有扩散角，所以在激光介质71的外侧会产生较弱的激发分布的扩散，产生高次空间模式。结果导致特开平5-335662号公报中所记载的光束质量变差。希望激光介质内可以由激发光平行地激发。
另外，作为现有例中存在的问题，还有无法定位激光介质的晶轴、无法高效率地均匀激发激光介质的问题。
例如图6的固体激光装置中，因为激光介质61是圆筒状，所以存在晶轴的定位比较困难的缺点。在图7的固体激光装置中，因为激光介质71是方形，所以虽然可以对晶轴进行定位，但是存在以下缺点：因为来自LD70的激发光72在激光介质71中被大幅度地扩散，所以不能均匀地激发。在图8的固体激光装置中，激光介质81的一端的面为凸面，另一端的面为平面，与镜子邻接。因此，激发光82的一部分透过输出镜84，而不能高效地激发激光介质81。另外，也没有考虑激光介质81的晶轴和激发光82的关系。
发明内容
本发明是为解决上述问题而作出的，目的在于提供一种固体激光装置，其激发效率和激发分布都良好，并且，即使在各向异性的激光介质中也可以容易地进行晶轴的定位。
本发明的固体激光装置具有以下特征，其具备：固体激光介质；激发光源，其配置在该固体激光介质侧面，激发上述固体激光介质；反射部，其将没有被上述固体激光介质吸收的来自上述激发光源的激发光返回到上述固体激光介质，该固体激光装置的特征在于：将上述固体激光介质与上述激发光源相对的面作成使上述激发光在上述固体激光介质内平行的光入射面，并将与上述反射部相对的面作成平面，使来自上述反射部的反射光以平行状态返回到上述固体激光介质。通过采用这样的结构，通过使来自激发光源的扩散的激发光在激光介质中为平行光，用反射部反射在一次通过中没有被激光介质吸收的激发光，使其返回到固体激光介质，可以使激发效率和激发分布都良好，并通过使固体激光介质的平面与反射部接触，容易地进行晶轴的定位。
附图说明
图1是用与激光振荡轴方向垂直的面切断本实施方式的固体激光装置的剖面图。
图2是在本实施方式的固体激光装置中使用的激光介质的立体图。
图3是在本实施方式的固体激光装置中激发激光介质时的光线跟踪图。
图4表示本实施方式的固体激光装置的变形例。
图5表示本实施方式的固体激光装置的其他变形例。
图6是用与激光振荡轴方向垂直的面切断现有的固体激光装置的剖面图。
图7是用与激光振荡轴方向垂直的面切断激光介质是棱柱状的现有的固体激光装置的剖面图。
图8是用与激光振荡轴方向垂直的面切断现有的固体激光装置的剖面图，该固体激光装置可以不利用聚光光学系统而缩小激发光的扩散角。
图9是用与激光振荡轴方向垂直的面切断现有的固体激光装置的剖面图，该固体激光装置使没有被固体激光棒吸收的激发光有效地返回固体激光棒。
图10是用与激光振荡轴方向垂直的面切断现有固体激光装置中的激光介质的激发状态的剖面图。
具体实施方式
以下利用附图，对本发明的实施方式进行详细的说明。
图1是与本发明的实施方式的LD激发固体激光装置(以下称为“本实施方式的固体激光装置”)的激光振荡轴方向垂直的方向的剖面图，图2是本实施方式的固体激光装置中的激光介质的立体图。图3是激发本实施方式的固体激光装置时的光线跟踪图。
本实施方式的固体激光装置具备：LD10；激光介质11；由第一块15a、第二块15b和第三块15c组成的散热片(heat sink)。
这里，使用具有以下结构的LD10：激发光12的输出是40W；各个扩散角是40°(半幅值)、波长是800nm。在激光振荡的端面上涂敷1064nm的氩(Ar)涂层并进行光学研磨，减少激光振荡的损失。
激光介质11与激光振荡轴方向垂直的方向的剖面为D字形。即，将与LD10相对的面作成圆弧状的入射面A，将与入射面A相反的面作成平面部。入射面A也可以形成与凸透镜相同的凸面。还有，除了与激发光源LD10相对的部分之外，在激光介质11上形成反射层14。由该反射层14在上述平面部形成反射面B。激光介质11是晶体，具体地说是Nd剂量为0.5at％的a轴切断的Nd:YVO4。如图2所示，激光介质11的晶体的c轴方向与平面部平行。激光介质11是直径为1.5mm、长度为12mm的棒，是从侧面开始朝向中心0.5mm的位置上平面地切断棒的侧面的一部分而成的。激光介质11吸收来自LD10的激发光12，产生或者放大规定波长的光。再有，可以利用Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:GdVO4、Yb:YVO4、Yb:YAG、Yb:YLF、Yb:GdVO4、Er:YVO4、Er:YAG、Er:YLF、Er:GdVO4、Ho:YVO4、Ho:YAG、Ho:YLF、Ho:GdVO4、Ti:ALO3等作为激光介质11。
例如配置由铜制成的第一块15a、第二块15b和第三块15c以覆盖激光介质11，并在第一块15a和第二块15b之间设置缝隙13，以使来自LD10的激发光12输入到激光介质11中。另外，在第三块15c中形成有与激光介质11的平面部接触，用于定位晶轴的平面形状部16。再有，虽然未图示，但是因为在各块的内部循环冷却水，所以可以间接地冷却激光介质11和LD10。另外，因为要提高冷却效果，所以要充分研磨与激光介质11的接触部，使其没有凹凸，提高激光介质11和散热片的紧贴性。另外，最好把第一块15a、第二块15b和第三块15c的内面研磨成镜面，或涂敷Au涂层为代表的高反射膜涂层。
在如上构成的本实施方式的固体激光装置中，激发光12入射到由距离LD10的射出口0.5mm的D字形棒构成的激光介质11的入射面A上时，激发光12的整个扩散角减少到不超过5°。激发光12实际上变为平行，激发光12的光轴通过介质11的中心部。虽然激光介质内11的激发光12一边基本平行地前进一边被吸收，但在一次通过(这里是1.0mm)中大约30％没有被吸收的激发光被平面部即反射面B反射成基本与入射光平行，这样基本与入射光相互重合地激发激光介质11，所以可以大幅度提高激发效率。
因为激发光12的偏振面使用与图1的Y轴方向平行的面，所以如果把激光介质11的平面部按压在第三块15c上，则激发光12的偏振面与激光介质11的c轴平行。因此，激光介质11的激发光12的吸收率和激光振荡的受激发射剖面积为最大，激光介质11即使是各向异性的Nd:YVO4，也能高效地进行激光振荡。这里用具体例子来说明Nd:YVO4晶体的各向异性。如果从可以最高效地激发由Nd:YVO4晶体构成的激光介质的轴方向把晶轴旋转90°，那么激发光(大概808nm)的吸收率就骤减到1/4～1/5左右，另外受激发射剖面积也骤减到1/4～1/5左右。在本实施方式中，因为激光媒体11的侧面的一部分是平面，所以通过使该平面与第三块15c的平面形状部16接触，可以容易地将晶轴定位在能最高效地激发的轴方向上。
这样，根据本实施方式的固体激光装置，因为激光介质11的入射面A具有把来自LD10的扩散的激发光12变成平行光的形状，所以可以通过不使用那些用于把激发光12变成平行光的光学部件的简单结构，均匀而且高密度地激发激光介质11。另外，因为激光介质11的外面的大部分被反射层14所覆盖，可以把激发光12圈闭在激光介质11内，所以可以进行高效的激发。还有，因为激光介质11的侧面的一部分为平面，所以可以容易地定位晶轴。因此，即使在例如Nd:YVO4这样的各向异性的晶体中，也可以高效地进行激发。即，通过本实施方式的固体激光装置，无论在各向异性还是各向同性的激光介质中，都可以高效地进行高光束质量的激光振荡。
再有，激光介质的形状不局限于如图2所示的与振荡轴方向垂直的方向的剖面形状为D字形，只要入射面是把扩散的激发光变成平行光的形状、反射部是平面就可以得到相同的效果。图4和图5是利用与图1、2形状不同的激光介质的变形例。在图4中，激光介质41具有将如图2所示的D字形棒的上面和下面平行切断的形状。在图5中，激光介质51具有用上下对称的直线置换图4的入射面的形状，整体剖面是五角形。在图4和图5中，除了激光介质41和激光介质51之外的构成元件与图1的同名构成元件构成相同。
如上所述，根据本发明的固体激光装置具备：固体激光介质；激发光源，其配置在该固体激光介质侧面，激发上述固体激光介质；反射部，其将没有被上述固体激光介质吸收的来自上述激发光源的激发光返回到上述固体激光介质，在固体激光装置中，因为将上述固体激光介质与上述激发光源相对的面作成使上述激发光在上述固体激光介质内平行的光入射面，并将与上述反射部相对的面作成平面，使来自上述反射部的反射光以平行状态返回到上述固体激光介质，因此可以通过完全不使用光学部件的简单结构，均匀而且高密度地激发激光介质，能以高效率进行高光束质量的激光振荡。另外，即使在使用轴方向不同特性不同的各向异性的激光介质的情况下，因为可以利用与反射部相对的平面而容易地进行定位，因此可以高效地激发激光介质。

Claims (9)

1.一种固体激光装置，具备：固体激光介质；激发光源，其配置在该固体激光介质侧面，激发上述固体激光介质；反射部，其将没有被上述固体激光介质吸收的来自上述激发光源的激发光返回到上述固体激光介质，该固体激光装置的特征在于：
将上述固体激光介质与上述激发光源相对的面作成使上述激发光在上述固体激光介质内平行的光入射面，并将与上述反射部相对的面作成平面，使来自上述反射部的反射光以平行状态返回到上述固体激光介质。
2.如权利要求1所述的固体激光装置，其特征在于：与上述固体激光介质的侧面正交的剖面中上述光入射面部分的形状是圆弧状。
3.如权利要求1所述的固体激光装置，其特征在于：与上述固体激光介质的侧面正交的剖面中上述光入射面部分的形状是多边形。
4.如权利要求1所述的固体激光装置，其特征在于：在上述固体激光介质的除了与上述激发光源相对的部分之外的部分上形成反射层，将该反射层作为上述的反射部。
5.如权利要求1所述的固体激光装置，其特征在于：用散热片覆盖上述固体激光介质的除了与上述激发光源相对的部分之外的外周，将该散热片与上述固体激光介质的平面相对的面作成镜面，将该镜面作为上述反射部。
6.如权利要求1所述的固体激光装置，其特征在于：上述固体激光介质由各向异性的晶体构成，并配置成使来自上述激发光源的激发光实质上与上述晶体的c轴平行。
7.如权利要求1所述的固体激光装置，其特征在于：上述固体激光介质由各向同性的晶体构成，并配置成使来自上述激发光源的激发光实质上与上述晶体平行。
8.如权利要求6所述的固体激光装置，其特征在于：上述晶体由以下任何一种晶体构成：Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:GdVO4、Yb:YVO4、Yb:YAG、Yb:YLF、Yb:GdVO4、Er:YVO4、Er:YAG、Er:YLF、Er:GdVO4、Ho:YVO4、Ho:YAG、Ho:YLF、Ho:GdVO4、Ti:ALO3，上述激发光源由半导体激光器构成。
9.如权利要求6所述的固体激光装置，其特征在于：上述固体激光介质由与侧面正交的剖面的形状是D字形的棒组成。
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