CN1832275A

CN1832275A - 高功率灯泵浦大功率固体激光器

Info

Publication number: CN1832275A
Application number: CNA2006100786306A
Authority: CN
Inventors: 李强; 王志敏; 于振声; 左铁钏
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2006-04-29
Filing date: 2006-04-29
Publication date: 2006-09-13

Abstract

本发明公开了一种高功率灯泵浦大功率固体激光器，其谐振腔为全反镜和部分反射耦合输出镜构成，激光腔为全腔水冷双灯泵浦陶瓷漫反射腔，由聚光腔、激光晶体、泵浦灯、滤光管组成；所述的谐振腔的腔体中心放置激光晶体；其外套设有滤光管；两侧对称位置放置有两根泵浦灯；上述聚光腔、激光晶体、泵浦灯、滤光管均固定在有机玻璃盒内，浸泡于循环冷却水中，上面加盖有机玻璃盒盖，有机玻璃盒为封闭系统；循环冷却水流经区域，由进水口、出水口与激光器循环冷却系统连接；激光腔外连接两个光阑。可获得高功率输出；光束质量高；宽的稳定区域，可调范围大；束腰总在输出镜面处，有利于光纤传输。

Description

高功率灯泵浦大功率固体激光器

技术领域

本发明涉及一种固体激光器，特别涉及一种高光束质量高功率灯泵浦大功率固体激光器。

背景技术

激光加工应用范围十分广泛，目前已在机械、电子、汽车、航空航天、钢铁、造船、军工等行业获得较为广泛的应用，并且在国民生产总值中占有越来越大的比重。大功率固体激光器具有高功率输出、波长短、金属吸收率高的优点，易于光纤传输，不但提高了系统的灵活性，同时与工业机器人匹配可组装成在线柔性制造系统实现柔性加工。灯泵浦大功率固体激光器是目前工业应用中被证明可靠的激光器，且与二极管泵浦大功率固体激光器、片状激光器、光纤激光器相比价格相对较低。

灯泵浦大功率固体激光器工业应用要求在保证高光束质量的条件下，高功率激光输出。对于灯泵浦的激光器，由于泵浦灯发射的光谱较宽，泵浦光非吸收光谱区的能量转换为热；荧光过程的量子效率小于1，部分光子能量散失到基质晶格中转换为热；泵浦带和荧光能级间的能量差通过无辐射跃迁散失到基质晶格中转换为热，在激光棒内引起的强烈的热透镜效应，会导致输出光束质量的降低，严重时会造成输出功率的降低。提高激光器输出功率和光束质量，都归结为激光器总体效率，由于泵浦灯的光谱和效率、聚光腔的效率、激光晶体的效率不够高，以及谐振腔结构等因素，因而使激光器的电光转换效率不高，只有3％，并且使输出功率受到限制，单腔输出功率只有400W左右。

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种高功率灯泵浦大功率固体激光器，改变现有的固体激光器的谐振腔结构不合理，因而使激光器的电光转换效率不高，使输出功率受到限制的问题。

本发明是采用以下技术手段实现的。

一种高功率灯泵浦大功率固体激光器，其谐振腔为全反镜和部分反射耦合输出镜构成，激光腔为全腔水冷双灯泵浦陶瓷漫反射腔，由聚光腔、激光晶体、泵浦灯、滤光管组成；所述的谐振腔的腔体中心放置激光晶体；其外套设有滤光管；两侧对称位置放置有两根泵浦灯；上述聚光腔、激光晶体、泵浦灯、滤光管均固定在有机玻璃盒，浸泡于循环冷却水中，上面加盖有机玻璃盒盖，有机玻璃盒为封闭系统；循环冷却水流经区域，由进水口、出水口与激光器循环冷却系统连接；激光腔外连接两个光阑。

前述的聚光腔是由两块相同的氧化铝陶瓷体构成。

前述的陶瓷体表面为镀掺氧化钐的釉层。

前述的陶瓷体为变形的紧包结构。

前述的谐振腔的为对称平行平面结构。

前述的泵浦灯采用氪灯。

前述的激光晶体采用Nd:YAG晶体，Nd:YAG晶体的掺杂浓度范围为0.8-1.0at％。

前述的激光晶体的镀膜层经抛光处理。

前述的激光晶体(9)的直径与前述的两根泵浦灯(8)的直径相近。

本发明与现有技术相比，具有明显的优势和有益效果。

本实用新型一种高功率灯泵浦大功率固体激光器，由于采用了以上所述的优化设计，所以在工作时，两根泵浦灯发出的泵浦光经聚光腔构成高效漫反射，再透过滤光管均匀地照射在激光晶体即Nd:YAG棒上，使激光晶体能产生有效、均匀的吸收，形成粒子数反转，在全反镜和部分反射耦合输出镜构成的谐振腔内振荡，大功率高光束质量的激光由部分反射耦合输出镜输出。冷却水经区域沿泵浦灯、滤光管流过，流速大而均匀地进行冷却，可获得高功率输出；光束质量高；宽的稳定区域，可调范围大；束腰总在输出镜面处，有利于光纤传输。

附图说明

图1.激光器的原理结构图；

图2.激光腔的原理结构截面图；

图3.电源泵浦功率与输出激光功率；

图4.测量输出激光光束的功率密度图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例加以说明：

请参阅图1所示，为该激光器的原理结构，其谐振腔为全反镜1和部分反射耦合输出镜2构成；激光腔4的结构如图2所示，为全腔水冷双灯泵浦陶瓷漫反射腔，由聚光腔7、激光晶体9、泵浦灯8、滤光管10组成；聚光腔7是由两块相同的氧化铝陶瓷体构成的高反射率漫反射聚光腔；腔体中心放置激光晶体9即Nd:YAG棒；其外套有滤光管10；两侧对称放置两根泵浦灯8；聚光腔7、激光晶体9、泵浦灯8、滤光管10均固定在有机玻璃盒13内，浸泡于循环冷却水中，有机玻璃盒加盖12，使有机玻璃盒成为封闭系统，循环冷却水流经区域11，由进水口5、出水口6与激光器循环冷却系统连接；激光腔4外连接两个光阑3。工作时，两根泵浦灯8发出的泵浦光经聚光腔7构成高效漫反射，再透过滤光管10均匀地照射在激光晶体9即Nd:YAG棒上，使激光晶体9能产生有效、均匀的吸收，形成粒子数反转，在全反镜1和部分反射耦合输出镜2构成的谐振腔内振荡，大功率高光束质量的激光由部分反射耦合输出镜2输出。冷却水经区域11沿泵浦灯8、滤光管10流过，流速大而均匀地进行冷却，冷却水由外部的冷却循环系统提供。

激光器部件的特性说明如下：聚光腔7是由两块相同的氧化铝陶瓷体构成的高反射率漫反射聚光腔，以实现对放置于腔体中心的激光晶体9即Nd:YAG棒均匀泵浦，腔体表面镀掺氧化钐的釉层，来提高反射率；两根泵浦灯8由激光电源驱动，激光晶体9即Nd:YAG棒由泵浦灯8发出的光经聚光腔7漫反射后泵浦，激光晶体9即Nd:YAG棒的直径与对称放置两根泵浦灯8的直径相近，激光晶体9即Nd:YAG棒的掺杂浓度与泵浦灯8的功率参数、光谱参数相匹配；激光晶体9即Nd:YAG棒外套的滤光玻璃管10滤除波长长于1064nm的红外光和小于310nm的紫外光；聚光腔7、激光晶体9、泵浦灯8、滤光管10的长度相匹配。谐振腔采用对称平行平面腔，其优点为：大的模体积，可获得高功率输出；光束质量高；宽的稳定区域，可调范围大；束腰总在输出镜面处，有利于光纤传输。

激光器输出功率和光束质量，都归结为激光器效率。灯泵浦YAG激光器的效率涉及泵浦灯的光谱和效率、聚光腔的效率、激光晶体的效率和谐振腔结构等因素，在激光器的结构设计中，综合考虑了激光器件的这些因素，具体采取了以下措施：(1)聚光腔的形状、结构和材料经优化设计，聚光腔采用陶瓷漫反射体，陶瓷体表面上特殊釉层，陶瓷体对增益介质吸收波段的反射率大于97％，对400nm以下的短波荧光转换到的增益介质吸收波段，形状设计既考虑高的泵浦效率，又考虑对增益介质泵浦的均匀性，采用变形的紧包结构。(2)泵浦灯采用氪灯，泵浦灯的光谱参数和灯管的材料经优化，即氪灯的气体组份和气压根据最大泵浦电流和发光光谱优化，并考虑发光效率，氪灯的灯管采用掺铈特殊材料的石英玻管，对小于310nm的紫外光吸收。(3)激光晶体的参数和镀膜经优化，激光晶体采用Nd:YAG晶体，Nd:YAG晶体的掺杂浓度范围为0.8-1.0at％，激光棒的镀膜层经过后续抛光处理，以保证高功率的高损伤阈值。(4)聚光腔的冷却经优化。(5)为改善因反射镜热变形采用强制冷却方式对反射镜强制冷却。

聚光腔由两块相同氧化铝陶瓷体构成。氧化铝陶瓷体尺寸160mm×50mm×16mm，外表平整，表面镀掺氧化钐的釉层。棱角为R1mm-R1.5mm，形状尺寸与位置公差为0.1mm。激光晶体Nd:YAG的尺寸为φ9mm×155mm，泵浦灯为φ8mm×150mm的氪灯，采用双灯泵浦，电源的最大泵浦功率为16kW。滤光管的尺寸为φ15mm×140mm。谐振腔采用对称平行平面腔。

采用最佳透过率输出镜，测量输出激光的功率，激光器的输出功率随泵浦功率近线性的增加，在16kW最大电源泵浦功率时，输出功率647W，电源泵浦功率与输出激光功率如图3。采用大功率光束光斑质量诊断仪，对输出激光光束的功率密度进行测量，如图4。由于激光器输出激光的束腰在输出镜处，用透镜聚焦输出激光束，采用“套孔法”测量输出激光光束质量，即用大功率光束光斑质量诊断仪测量透镜聚焦束腰和焦距处包含激光光强86％的半径及相应距离，求得输出激光束的光束质量为22mm·mrad。考虑总体电光转换效率。测量在高光束质量条件下的最高输出功率和注入的电功率，求得激光器的总体电光转换效率为4％。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1、一种高功率灯泵浦大功率固体激光器，其谐振腔为全反镜(1)和部分反射耦合输出镜(2)构成，激光腔(4)为全腔水冷双灯泵浦陶瓷漫反射腔，由聚光腔(7)、激光晶体(9)、泵浦灯(8)、滤光管(10)组成；其特征在于：

所述的谐振腔的腔体中心放置激光晶体(9)；其外套设有滤光管(10)；两侧对称位置放置有两根泵浦灯(8)；

上述聚光腔(7)、激光晶体(9)、泵浦灯(8)、滤光管(10)均固定在有机玻璃盒(13)内，浸泡于循环冷却水中，上面加盖有机玻璃盒盖(12)，有机玻璃盒为封闭系统；循环冷却水流经区域(11)，由进水口(5)、出水口(6)与激光器循环冷却系统连接；激光腔(4)外连接两个光阑(3)。

2、根据权利要求1所述的高功率灯泵浦大功率固体激光器，其特征在于：所述的聚光腔(7)是由两块相同的氧化铝陶瓷体构成。

3、根据权利要求1或2所述的高功率灯泵浦大功率固体激光器，其特征在于：所述的陶瓷体表面为镀掺氧化钐的釉层。

4、根据权利要求3所述的高功率灯泵浦大功率固体激光器，其特征在于：所述的陶瓷体为变形的紧包结构。

5、根据权利要求1所述的高功率灯泵浦大功率固体激光器，其特征在于：所述的谐振腔的为对称平行平面结构。

6、根据权利要求1所述的高功率灯泵浦大功率固体激光器，其特征在于：所述的泵浦灯(8)采用氪灯。

7、根据权利要求1所述的高功率灯泵浦大功率固体激光器，其特征在于：所述的激光晶体(9)采用Nd:YAG晶体，Nd:YAG晶体的掺杂浓度范围为0.8-1.0at％。

8、根据权利要求7所述的高功率灯泵浦大功率固体激光器，其特征在于：所述的激光晶体(9)的镀膜层经抛光处理。

9、根据权利要求7所述的高功率灯泵浦大功率固体激光器，其特征在于：所述的激光晶体(9)的直径与前述的两根泵浦灯(8)的直径相近。