CN1588715A

CN1588715A - 补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置

Info

Publication number: CN1588715A
Application number: CN 200410062458
Authority: CN
Inventors: 耿爱丛; 王希军; 许祖彦; 侯玮; 李瑞宁; 张瑛
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2024-07-09
Also published as: CN1317796C

Abstract

本发明公开了一种补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置，包括：球面折叠镜、第一谐振腔镜、第二谐振腔镜、板条晶体和倍频晶体，在光路上依次安置第一谐振腔镜、板条晶体、球面折叠镜；在球面折叠镜的反射光路上，依次安置倍频晶体和第二谐振腔镜；泵浦光源安置在板条晶体的侧面对其进行泵浦。本发明以板条晶体作为激光激活物质，采用折叠腔进行腔内倍频，将板条晶体易于克服热效应、产生大功率高光束质量激光的优点，以及折叠腔容易产生高效率倍频的优点相结合，只需选用合适的球面折叠镜的偏转角度，就可以补偿谐振腔内由两种因素引起的像散，从而克服了已有技术通过插入其它光学元件补偿像散而增加损耗的缺点，并且不会降低器件的效率。

Description

补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置

技术领域

本发明涉及一种板条激光装置，特别是涉及一种补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置。

背景技术

泵浦面和冷却面分开的侧面泵浦板条激光器，装置简单且易于散热，不但有效地克服了由于热分布不均匀而产生的热透镜、热致应力双折射和热畸变，并且因为增益介质的吸收与增益介质的长度无关而可以泵入大功率，从而获得高光束质量和大功率激光输出，因此板条激光器受到了人们的重视。但是，非轴对称的板条晶体是一个像散元件，由于子午面和弧矢面内具有不同的热焦距或光程，使得激光腔中的光束在这两个面内有不同的光斑大小、光腰位置和波面曲率，从而阻碍了板条激光器光束质量的提高，因此补偿板条晶体的像散可以进一步提高板条激光器的性能。然而，已有的补偿方法是在板条激光器谐振腔内引入其它光学元件，如文献1：鄢雨等人1994年在“中国激光”上发表了“板条激光器的像散补偿”中所述：在谐振腔内插入两个光学元件即二分之一波片和与原板条机构参数完全相同的补偿块来补偿像散，这种方法需要两块板条晶体，并且插入光学元件不可避免的引入损耗，从而影响了器件的总效率。

通过合理设计的折叠腔腔内倍频，不仅可以在激光棒内得到适当的基模体积保证光束质量，并且在非线性晶体中可以得到小束腰保证高功率密度；同时，将倍频晶体在两个方向上产生的二次谐波集合成一条光束输出，从而可以得到很高的倍频效率，因此，折叠腔腔内倍频得到了广泛应用。但是，由于折叠反射镜一般工作在离轴位置而引入像散，使得光束在子午面和弧矢面上的束腰直径和焦点位置不同，从而降低了倍频效率。折叠腔腔内倍频通常采取拉大腔长的办法来减小折叠角，从而将像散减到最小，但是改变腔长会影响模体积，并且像散依然存在。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种克服板条激光器已有像散补偿方法的缺点，即以损失器件效率为代价来提高光束质量和克服已有折叠腔腔内倍频激光器采用小折叠角只能部分补偿像散的缺点的补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置。

为实现上述目的，本发明补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置，包括：球面折叠镜、第一谐振腔镜、第二谐振腔镜、板条晶体和倍频晶体；在光路上依次安置第一谐振腔镜、板条晶体、球面折叠镜；在球面折叠镜的反射光路上，依次安置倍频晶体和第二谐振腔镜；泵浦光源安置在板条晶体的侧面对其进行泵浦；第一谐振腔镜、第二谐振腔镜和球面折叠镜共同构成折叠腔；所述板条晶体和所述倍频晶体分别安置在两个折叠臂上。

进一步地，所述第一谐振腔镜、第二谐振腔镜和球面折叠镜共同构成V型折叠腔。

进一步地，在所述球面折叠镜的反射光路上还安置有一球面折叠镜，所述倍频晶体和谐振腔镜安置在该球面折叠镜的反射光路上，从而构成Z型折叠腔。

进一步地，在所述板条晶体的两通光面的前端分别安置一块平面反射镜，使激光在所述板条晶体长度方向较宽的面内形成多程折叠光路。

进一步地，所述板条晶体长度方向两端通光面被切成布儒斯特角，使激光在所述板条晶体长度方向向较宽的面内形成单程锯齿形光路。

进一步地，所述板条晶体的两个通光面位于所述板条晶体长度方向的一端，所述通光面被切成布儒斯特角，使激光在所述板条晶体长度方向较宽的面内形成多程锯齿形光路。

进一步地，在所述光路中还安置Q开关，该Q开关安置在第一谐振腔镜与板条晶体之间、或板条晶体与球面折叠镜之间、或球面折叠镜与倍频晶体之间、或倍频晶体与第二谐振腔镜之间的光路中，以产生准连续倍频光输出；其中，所述Q开关为电光Q开关、或声光Q开关、或声光锁模装置。

进一步地，所述谐振腔镜可以是平面镜、平凹镜、平凸镜、光栅。

进一步地，所述球面折叠镜可以是平凹镜、平凸镜。

进一步地，所述泵浦光源是一个以上半导体激光器，安置在所述板条晶体的一侧或两侧对所述板条晶体进行单面侧泵或双面侧泵；其中，泵浦面是所述板条晶体长度方向较窄的面，冷却面是所述板条晶体长度方向较宽的两个面。

进一步地，所述板条晶体为掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、或掺钕钒酸钇(Nd:YVO₄)、或掺钕氟化钇锂(Nd:YLF)、或掺铥氟化钇锂(Tm:YLF)、或掺镱氟磷酸锶(Yb:S-FAP)或其它可加工成板条形状的激光晶体。

进一步地，所述倍频晶体为三硼酸锂(LBO)、或三硼酸铯(CBO)、或偏硼酸钡(BBO)、或硼酸铋(BiBO)、或铌酸钾(KNbO₃)、或钛氧磷酸钾(KTP)、或周期性极化钛氧磷酸钾(PPKTP)、或周期性极化钽酸锂(PPLT)、或周期性极化铌酸锂(PPLN)或其它非线性光学晶体以及光学超晶格晶体。

本发明以板条晶体作为激光激活物质，采用折叠腔进行腔内倍频，将板条晶体易于克服热效应、产生大功率高光束质量激光的优点，以及折叠腔容易产生高效率倍频的优点相结合，光路上依次摆放第一谐振腔镜、板条晶体、球面折叠镜、倍频晶体、第二谐振腔镜，只需选用合适的球面折叠镜的偏转角度，就可以补偿谐振腔内由两种因素引起的像散，从而克服了已有技术通过插入其它光学元件补偿像散而增加损耗的缺点，并且不会降低器件的效率。

此外，本发明在调节过程中，无需引入其它光学元件，只需调整球面折叠镜上光线的离轴角度，就能补偿板条晶体和球面折叠镜上产生的两种像散，结构非常简单。所用球面折叠镜的加工工艺已经很成熟，且成本低，精度高。通过采用不同的板条晶体材料可输出红、绿、蓝等波长的激光，且适用于连续及准连续波。因此，本发明为高效率、高光束质量、高功率倍频激光器的实用化开辟了广阔的前景，可广泛应用于军事、科研、娱乐、医疗等领域。

附图说明

图1是本发明激光装置组成示意图；

图2是本发明补偿像散的单侧泵三程折叠V型腔腔内倍频板条激光装置的光路图；

图3是本发明补偿像散的双侧泵五程折叠Z型腔腔内倍频板条激光装置的光路图；

图4是本发明补偿像散的双侧泵单程锯齿形光路折叠腔腔内倍频板条激光装置的光路图；

图5是本发明补偿像散的双侧泵两程锯齿形光路折叠腔腔内倍频板条激光装置的光路图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明的工作原理为：在光路上依次安置第一谐振腔镜1、板条晶体2、球面折叠镜4，在球面折叠镜4的反射光路上，依次安置倍频晶体5和第二谐振腔镜6，泵浦光源2安置在板条晶体3的侧面对其进行泵浦，第一谐振腔镜1、第二谐振腔镜6和球面折叠镜4共同构成折叠腔，板条晶体3和倍频晶体5分别安置在两个折叠臂上，泵浦光源2由半导体激光器产生。当泵浦光源2泵浦板条晶体3时产生基频光，基频光经过倍频晶体5后产生倍频光，并由球面折叠镜4输出。由于板条晶体3的非对称性即子午面和弧矢面上的热焦距或光程不同，从而产生像散；同时，由于折叠镜工作在离轴位置，同样产生了像散，该像散与光线离轴角度有关。因此，当合理设计第一谐振腔镜1和第二谐振腔镜6之间的光路以后，板条晶体2中的激光光路已经确定，对应不同的泵浦功率即在不同的热焦距下，只需调节球面折叠镜4上光线的离轴角度，就可以使两种因素引起的像散相互补偿，从达到消除像散的目的。

实施例1：图2为补偿像散的单侧泵三程折叠V型腔腔内倍频板条激光装置。

该激光装置包括第一谐振腔镜1，它选用平面镜，其靠近腔内的一面镀946nm高反膜；距离第一谐振腔镜1左侧60mm处安置板条晶体3，该板条晶体3为Nd:YAG，泵浦光源2安置在板条晶体3一侧对其进行单侧面泵浦，板条晶体3长20mm，被泵浦的侧面镀808nm高透膜，与其相对的面镀808nm高反膜，两个通光面镀946nm高透膜；距离板条晶体3左侧55mm处安置第一平面镜9，其靠近板条晶体3的一面镀946nm高反膜，它使激光再次通过板条晶体3，然后入射到距离板条晶体3右侧55mm处安置的第二平面镜10上，第二平面镜10与第一平面镜9相同；第二平面镜10又使激光第三次通过板条晶体3，然后入射到距离板条晶体3左侧111mm处安置的球面折叠镜4上，它选用曲率半径为-2000mm的平凸镜，其凸面镀946nm高反和473nm高透膜；在球面折叠镜4反射光路上距其115mm和208mm处分别安置倍频晶体5和第二谐振腔镜6，倍频晶体5选用8mm长的BiBO晶体，其切割角为θ＝161.7°，φ＝90°，第二谐振腔镜6采用曲率半径为1500mm的平凹镜，凹面镀946nm和473nm高反膜。

该激光器的板条晶体3吸收泵浦光源2产生的808nm泵浦光以后，产生波长为946nm的基频光，并在由第一谐振腔镜1、第一平面镜9、第二平面镜10、球面折叠镜4和第二谐振腔镜6构成的V型腔内振荡，该波长的激光在经过倍频晶体5时倍频产生473nm连续蓝光，并从球面折叠镜4输出。由于板条晶体3在子午面和弧矢面产生的热焦距不同，且激光经过板条晶体3时在两个面上的光程也不相同，因此产生了像散，通过微调球面折叠镜4的折叠角度，就可以利用球面折叠镜4产生的像散补偿由板条晶体3产生的像散。例如当板条晶体3在子午面和弧矢面上产生的热焦距分别为300mm和1000mm，取球面折叠镜4上的光线离轴角度为78°，使得激光腔中的光束在子午面和弧矢面内有着相同的光斑大小、光腰位置和波面曲率，从而进一步提高了板条激光器光束质量，同时提高了倍频效率。

实施例2：图3为补偿像散的双侧泵五程折叠Z型腔腔内倍频板条激光装置。

该激光装置包括第一谐振腔镜1，它选用曲率半径为1000mm的平凹镜，其凹面镀1047nm高反膜；距离第一谐振腔镜1右侧50mm处安置第一球面折叠镜4，它选用曲率半径为-1500mm的平凸镜，其凸面镀1047nm高反膜；在第一谐振腔镜1和第一球面折叠镜4之间的光路上安置一Q开关8，该Q开关为电光Q开关；在球面折叠镜4反射光路上距其60mm处，安置板条晶体3，该板条晶体3为Yb:S-FAP，两个泵浦光源2对板条晶体3进行双侧面泵浦，板条晶体3长20mm，两个被泵浦的面镀900nm高透膜，两个通光面镀1047nm高透膜；距离板条晶体3左侧56mm处安置第一平面镜9，其靠近板条晶体3的一面镀1047nm高反膜，它使激光再次通过板条晶体3，然后入射到距离板条晶体3右侧56mm处安置的第二平面镜10上，第二平面镜10与第一平面镜9相同，经第二平面镜10反射使激光第三次通过板条晶体3，再次入射到第一平面镜9上，反射后激光第四次通过板条晶体3入射到第二平面镜10；经第二平面镜10再次反射使激光第五次通过板条晶体3，然后入射到距离板条晶体3左侧60mm处安置的第二球面折叠镜7上，它选用曲率半径为1000mm的平凹镜，其凹面镀1047nm高反和524nm高透膜；在第二球面折叠镜7反射光路上距其60mm和70mm处分别安置倍频晶体5和第二谐振腔镜6；倍频晶体5选用10mm长的LBO晶体，其切割角为θ＝90°，φ＝12.4°；第二谐振腔镜6采用曲率半径为200mm的平凹镜，凹面镀1047nm和524nm高反膜。

该激光器的板条晶体3吸收泵浦光源2产生的900nm泵浦光以后，产生波长为1047nm的基频光，并在由第一谐振腔镜1、第一球面折叠镜4、第一平面镜9、第二平面镜10、第二球面折叠镜7和第二谐振腔镜6构成的Z型腔内振荡，该波长的激光在经过倍频晶体5时倍频产生524nm准连续绿光，并从第二球面折叠镜7处输出。由于板条晶体3在子午面和弧矢面产生的热焦距不同，且激光经过板条晶体3时在两个面上存在光程差，因此产生了像散，通过微调第一球面折叠镜4和第二球面折叠镜7的折叠角度，就可以利用两块球面折叠镜产生的像散补偿由板条晶体3产生的像散。例如当板条晶体3在子午面和弧矢面上产生的热焦距分别为300mm和1000mm，取第一球面折叠镜4和第二球面折叠镜7上的光线离轴角度分别为51°和80°，使得激光腔中的光束在子午面和弧矢面内有着相同的光斑大小、光腰位置和波面曲率，从而进一步提高了板条激光器光束质量，同时提高了倍频效率。

实施例3：图4为补偿像散的双侧泵单程锯齿形光路折叠腔腔内倍频板条激光装置。

该激光装置包括第一谐振腔镜1，它选用平面镜，其靠近腔内的一面镀1342nm高反膜；距离第一谐振腔镜1左侧60mm处安置被泵浦光源2双侧面泵浦的板条晶体3，该板条晶体3为Nd:YVO₄，晶体长20mm，左右两个通光面被切成布儒斯特角，被泵浦的两个侧面镀1342nm高反和808nm高透膜，激光在板条晶体3中呈锯齿形光路传播；距离板条晶体3左侧55mm处安置球面折叠镜4，它选用曲率半径为2000mm的平凹镜，其凹面镀1342nm高反和671nm高透膜；在板条晶体3和球面折叠镜4之间安置一Q开关8，该Q开关为声光Q开关；在球面折叠镜4反射光路上距其183mm和198mm处分别安置倍频晶体5和第二谐振腔镜6；倍频晶体5选用10mm长的KTP晶体，其切割角为θ＝58.9°，φ＝0°；第二谐振腔镜6采用曲率半径为2000mm的平凹镜，凹面镀1342nm和671nm高反膜。

该激光器的板条晶体3吸收泵浦光源2产生的808nm泵浦光以后，产生波长为1342nm的基频光，在由第一谐振腔镜1、板条晶体3侧壁、球面折叠镜4、第二谐振腔镜6构成的折叠腔内振荡，该波长的激光在经过倍频晶体5时倍频产生671nm准连续红光，并从球面折叠镜4处输出。由于板条晶体3在子午面和弧矢面产生的热焦距不同，且激光经过板条晶体3时在两个面上的光程也不相同，因此产生了像散，通过微调球面折叠镜4的折叠角度，就可以利用球面折叠镜4产生的像散补偿由板条晶体3产生的像散。例如当板条晶体3在子午面和弧矢面上产生的热焦距分别为300mm和1000mm时，取球面折叠镜4上的光线离轴角度为75°，使得激光腔中的光束在子午面和弧矢面内有着相同的光斑大小、光腰位置和波面曲率，从而进一步提高了板条激光器光束质量，同时提高了倍频效率。

实施例4：图5为补偿像散的双侧泵两程锯齿形光路折叠腔腔内倍频板条激光装置。

该激光装置包括第一谐振腔镜1，它选用平面镜，其靠近腔内的一面镀1053nm高反膜；距离第一谐振腔镜1一侧170mm处安置板条晶体3，该板条晶体3为Nd:YLF，两个泵浦光源2对板条晶体3进行双侧面泵浦，板条晶体3长20mm，其两个通光面均位于左侧，被切成布儒斯特角，板条晶体3被泵浦的两个侧面镀1053nm高反和798nm高透膜，垂直并紧挨泵浦面的一面镀1053nm高反膜，激光两次通过板条晶体3并呈锯齿形光路传播；距离板条晶体3左下侧320mm处安置球面折叠镜4，它选用曲率半径为1500mm的平凹镜，其凹面镀1053nm高反和527nm高透膜；在球面折叠镜4反射光路上距其175mm和220mm处分别安置倍频晶体5和第二谐振腔镜6；倍频晶体5选用6mm长的BBO晶体，其切割角为θ＝23°；第二谐振腔镜6采用曲率半径为1500mm的平凹镜，凹面镀1053nm和527nm高反膜。

该激光器的板条晶体3吸收泵浦光源2产生的798nm泵浦光以后，产生波长为1053nm的基频光，在由第一谐振腔镜1、板条晶体3侧壁、球面折叠镜4、第二谐振腔镜6构成的折叠腔内振荡，该波长的激光在经过倍频晶体5时倍频产生527nm连续绿光，并从球面折叠镜4处输出。由于板条晶体3在子午面和弧矢面产生不同的热焦距，且激光经过板条晶体3时在两个面上存在光程差，因此产生了像散，通过微调球面折叠镜4的折叠角度，就可以利用球面折叠镜4产生的像散补偿由板条晶体3产生的像散。例如当板条晶体3在子午面和弧矢面上产生的热焦距分别为300mm和1000mm，取球面折叠镜4上的光线离轴角度为57°，使得激光腔中的光束在子午面和弧矢面内有着相同的光斑大小、光腰位置和波面曲率，从而进一步提高了板条激光器光束质量，同时提高了倍频效率。

Claims

1、一种补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置，其特征在于，包括：球面折叠镜、第一谐振腔镜、第二谐振腔镜、板条晶体和倍频晶体，在光路上依次安置第一谐振腔镜、板条晶体、球面折叠镜；在球面折叠镜的反射光路上，依次安置倍频晶体和第二谐振腔镜；泵浦光源安置在板条晶体的侧面对其进行泵浦；第一谐振腔镜、第二谐振腔镜和球面折叠镜共同构成折叠腔；所述板条晶体和所述倍频晶体分别安置在两个折叠臂上。

2、根据权利要求1所述的一种补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置，其特征在于，所述第一谐振腔镜、第二谐振腔镜和球面折叠镜共同构成V型折叠腔。

3、根据权利要求1所述的一种补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置，其特征在于，在所述球面折叠镜的反射光路上还安置有一球面折叠镜，所述倍频晶体和谐振腔镜安置在该球面折叠镜的反射光路上，从而构成Z型折叠腔。

4、根据权利要求1所述的一种补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置，其特征在于，在所述板条晶体的两通光面的前端分别安置一块平面反射镜，使激光在所述板条晶体长度方向较宽的面内形成多程折叠光路。

5、根据权利要求1所述的一种补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置，其特征在于，所述板条晶体长度方向两端通光面被切成布儒斯特角，使激光在所述板条晶体长度方向较宽的面内形成单程锯齿形光路。

6、根据权利要求1所述的一种补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置，其特征在于，所述板条晶体的两个通光面位于所述板条晶体长度方向的一端，所述通光面被切成布儒斯特角，使激光在所述板条晶体长度方向较宽的面内形成多程锯齿形光路。

7、根据权利要求1至6任一所述的一种补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置，其特征在于，在所述光路中还安置Q开关，该Q开关安置在第一谐振腔镜与板条晶体之间、或板条晶体与球面折叠镜之间、或球面折叠镜与倍频晶体之间、或倍频晶体与第二谐振腔镜之间的光路中，以产生准连续倍频光输出；其中，所述Q开关为电光Q开关、或声光Q开关、或声光锁模装置。

8、根据权利要求7所述的一种补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置，其特征在于，所述谐振腔镜可以是平面镜、平凹镜、平凸镜、光栅。

9、根据权利要求8所述的一种补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置，其特征在于，所述球面折叠镜可以是平凹镜、平凸镜。

10、根据权利要求9所述的一种补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置，其特征在于，所述泵浦光源是一个以上半导体激光器，安置在所述板条晶体的一侧或两侧对所述板条晶体进行单面侧泵或双面侧泵；其中，泵浦面是所述板条晶体长度方向较窄的面，冷却面是所述板条晶体长度方向较宽的两个面。

11、根据权利要求10所述的一种补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置，其特征在于，所述板条晶体为掺钕钇铝石榴石、或掺钕钒酸钇、或掺钕氟化钇锂、或掺铥氟化钇锂、或掺镱氟磷酸锶或其它可加工成板条形状的激光晶体。

12、根据权利要求11所述的一种补偿像散的折叠腔腔内倍频板条激光装置，其特征在于，所述倍频晶体为三硼酸锂、或三硼酸铯、或偏硼酸钡、或硼酸铋、或铌酸钾、或钛氧磷酸钾、或周期性极化钛氧磷酸钾、或周期性极化钽酸锂、或周期性极化铌酸锂或其它非线性光学晶体以及光学超晶格晶体。