CN1972034A

CN1972034A - 低能耗大功率的双棒串接平凹腔绿光激光器

Info

Publication number: CN1972034A
Application number: CN 200610015700
Authority: CN
Inventors: 姚建铨; 张玉萍; 张会云; 李喜福; 王鹏
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2007-05-30

Abstract

本发明公开了一种低能耗大功率的双棒串接平凹腔绿光激光器，属于绿光激光装置技术领域。该绿光激光器包括在凹面对基频光镀有全反膜的全反镜，在全反镜的凹面一侧沿光路设置Q开关，之后是两个型号相同的泵浦源，在泵浦源中设置激光棒，两激光棒的中间设置90°石英旋光片，在激光棒之后设置平平谐波反射镜，或是设置平平折叠输出镜，在谐波反射镜或平平折叠输出镜之后设置非线性倍频晶体，倍频晶体之后设置直腔平平输出镜或折叠腔平平双色全反镜。本发明的优点，结构紧凑，整体装置体积小，能耗低功率大，生产成本低，转换效率高、光束质量好并且稳定可靠。可广泛应用于激光彩色显示、激光医疗、工业激光加工、科研、核工业、海底探测以及军事光电对抗等领域。

Description

低能耗大功率的双棒串接平凹腔绿光激光器

技术领域

本发明涉及一种低能耗大功率的双棒串接平凹腔绿光激光器，属于绿光激光装置技术领域。

背景技术

全固态绿光激光器是利用非线性频率变换技术在可见光范围内获得较高输出功率的一种激光技术。全固态绿光激光器由于具有效率高、光束质量好、运转可靠、体积小以及寿命长等优点，使其在激光彩色显示、激光医疗、工业激光加工、科研、核工业、海底探测以及军事光电对抗等领域中得到广泛的应用，成为国内外激光研究的热点之一。

采用声光Nd：YAG内腔倍频技术是实现高功率绿光光源的重要途径之一。由于受激光晶体热致双折射效应、谐振腔热稳定性、倍频晶体热效应以及声光Q开关关断能力等因素的限制，使一般绿光激光器平均功率难以提高，且稳定性差。尽管国内有少数几个实验室中已有超过100W的大功率绿光报道，但由于以上各种原因，大于100W的绿光激光器在国内还没有产品化，这大大限制了其在工业、科研等领域的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低能耗大功率的双棒串接平凹腔绿光激光器，该激光器具有效率高、输出功率大和光束质量好的特点。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种低能耗大功率的双棒串接平凹腔绿光激光器，结构之一，其特征在于包括在凹面镀有对基频光全反膜的全反镜1，在全反镜的凹面一侧沿光路设置Q开关2，之后是两个型号相同的半导体二极管侧面泵浦组件或是闪光灯的泵浦源3和3’；在泵浦源中设置Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF或Yb:YAG材料的激光棒4和4’，激光棒两端面镀有对基频光的增透膜；在两激光棒的中间设置90°石英旋光片5，该石英旋光片两端面镀有对基频光的增透膜；在激光棒4’之后设置平平谐波反射镜6，该谐波反射镜面向激光晶体的一面镀有对基频光的增透膜，另一面镀有对基频光高透，对倍频光高反的膜层；谐波反射镜之后设置KTP或LBO非线性倍频晶体7，倍频晶体两端面镀有对基频光和倍频光的增透膜；倍频晶体之后设置平平输出镜8，该输出镜的面向腔内的镜面镀有对基频光高反、对倍频光高透的膜层，背向腔内的镜面对倍频光镀有增透膜。

一种低能耗大功率的双棒串接平凹腔绿光激光器，结构之二，其特征在于包括在凹面镀有对基频光全反膜的全反镜1，在全反镜的凹面一侧沿光路设置Q开关2，之后是两个型号相同的半导体二极管侧面泵浦组件或是闪光灯的泵浦源3和3’；在泵浦源中设置Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF或Yb:YAG材料的激光棒4和4’，激光棒两端面镀有对基频光的增透膜；在两激光棒的中间设置90°石英旋光片5，该石英旋光片两端面镀有对基频光的增透膜；在激光棒4’之后设置平平折叠输出镜9，该折叠输出镜面向腔内的一面镀有对基频光45°全反、对倍频光45°高透的膜层；背向腔内的一面对倍频光镀有45°增透膜；折叠输出镜之后设置KTP或LBO非线性倍频晶体7，倍频晶体两端面镀有对基频光和倍频光的增透膜；倍频晶体之后设置平平双色全反镜8，该镜片面向腔内的一面镀有对基频光和倍频光均全反的膜层。

本发明的工作原理：

(I)热致双折射补偿

高功率运转的Nd:YAG激光器，存在严重的热致双折射效应，由于热致双折射导致的退偏会在谐振腔中引入损耗，从而大大降低激光器的输出功率、光束质量等性能。而双棒串接中间加90°旋光器的方法，一方面可以有效克服了单个模块泵浦功率不够高的限制，充分利用更廉价的泵浦源提高激光器的输出功率；另一方面利用90°旋光器可以巧妙的使两激光棒的热致双折射效应基本抵消。

90°旋光器使激光束电场的每个分量都旋转90°，在第一个激光棒中成径向偏振的模式，在第二个激光棒中就变成切向偏振的。光束的每个部分几乎都通过两个棒中相同的区域，所以在一个棒中产生的迟滞通过90°旋光器被另一个棒抵消。

(II)腔型设计

泵浦光和基频光对激光棒产生较严重的热透镜效应，基频光和倍频光在倍频晶体处产生的热透镜效应也不可忽略，腔内的热透镜效应造成振荡光模体积减小，输出功率下降。我们采用优化的平凹热稳腔型设计，能够对热透镜效应进行补偿，同时增大了模体积。理论计算表明，双棒串接一般采用对称腔结构(见K.P.Driedger，R.M.Ifflander，and H.Weber，multirod resonators for High-Power Solid-State Lasers with Improved Quality，IEEE J.Quantum Electronics，24(4)，1998)，因为在双棒参数完全相同的情况下，对称腔结构能够充分利用两激光棒的激活介质体积。但在实际情况下，即使同时购买的两套相同型号的泵浦系统和激光棒，其输出特性等参数也是有差异的，有时差别比较大，那么在使用一套电源控制泵浦电流的情况下，输出特性好的泵浦组件就得不到充分利用，如果使用两套电源分别控制又增加了生产成本和设备的复杂性。本发明中我们通过将谐振腔设计的适当不对称来补偿这种差异。实验证明，通过合理调换两泵浦组件的位置，我们设计的平凹热稳腔较好的适应了这种情况。

热稳腔设计原则：双棒中间放置90°旋光器，使两激光棒尽量靠近。谐振腔的其他参数，左激光棒的左端面到左腔镜的距离，右激光棒的右端面到右腔镜的距离，腔镜的曲率半径，倍频晶体的位置等的设计，要根据泵浦功率的范围，激光棒上的光斑尺寸，激光棒和倍频晶体的热透镜焦距等参数，结合实现热稳腔的条件，及使谐振腔的不对准灵敏度较低的条件进行计算。

热稳腔设计方法：(1)实验测量激光器运行时热透镜焦距的变化范围，确定每一个激光棒固定的热透镜焦距；(2)根据两个激光棒间的距离和测得的热透镜焦距，计算总的热透镜焦距和主平面的位置；(3)根据激光棒的截面尺寸，由模体积和谐振腔稳定区宽度之间折中考虑确定一个(复合)激光棒上的光斑尺寸；(4)计算倍频晶体的热透镜焦距；(5)结合实现热稳腔的条件，及使谐振腔的不对准灵敏度较低的条件，求出谐振腔的各个参数。

(III)精确确定倍频晶体使用常温冷却水时光线正入射的切割角度

如果倍频晶体使用常温水冷却，那么倍频晶体与两激光棒就可以使用一套水冷装置，从而使激光器产品化时总的体积更小，生产成本更低，消耗的总功率也降低。而常温切割的倍频晶体在激光器运行于高功率时，由于吸收基波和谐波的功率而产生温度梯度，中心温度高而产生晶体的相位失配。因此，如果仍要使用常温冷却，就必须根据晶体的中心温度确定晶体的相位匹配切割角。我们先根据相位匹配理论计算晶体所需的相位匹配切割角，按计算得到的参数购买晶体用到激光器上。由于温度估计的不准确等，计算总是存在偏差。这一偏差通过实验来校正。在实验中通过略微倾斜晶体角度达到最佳输出，测量返回的光斑与原光斑的距离等参数，根据几何原理计算出晶体倾斜的角度，反过来修正所需的相位匹配切割角。

本发明的优点：

采用双棒串接的方式，有效克服了单个模块泵浦功率不够高的限制，充分利用更廉价的泵浦源提高激光器的输出功率；两根激光棒中间放置90°旋光器，巧妙的使两激光棒的热致双折射效应相互抵消；采用优化的平凹热稳腔型设计，使谐振腔可以补偿热效应，同时增大了模体积；靠近凹面镜处放置Q开关，凹面镜一端较粗的光束有利于声光器件的关断，实现较高的峰值功率；通过理论计算和实验校正两步法，精确确定倍频晶体使用常温冷却水时光线正入射的切割角度，从而在保证激光器性能不变坏的情况下，使倍频晶体与两激光棒仅用一套水冷装置进行冷却，使激光器产品化时总的体积更小，生产成本更低，消耗的总功率也降低。本发明一种高效高功率双棒串接平凹腔绿光激光器，具有转换效率高、结构紧凑、易于产品化并且稳定可靠等优点，可广泛应用于激光彩色显示、激光医疗、工业激光加工、科研、核工业、海底探测以及军事光电对抗等领域，具有可观的经济效益。

附图说明：

图1为本发明第一种装置结构示意图。

图2为本发明第二种装置结构示意图。

图中：1-全反镜；2-Q开关；3、3’-激光棒；4、4’-泵浦源；5-90°旋光器；6-直腔谐波反射镜；7-倍频晶体；8-直腔输出镜；9-L型折叠腔输出镜；10-L型折叠腔双色全反镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明，但并不是限制本发明。

如图1，泵浦源4和4’选用两台180W(808nm)半导体激光泵浦组件，设计了一套电源控制两激光泵浦组件；两套泵浦组件中间放置90°石英旋光片5；全反镜1选用凹面曲率半径为1.5m的凹面镜，凹面对1064nm镀有全反膜；Q开关2选用一个声光Q开关，其驱动功率为100W，调制频率为1～50kHz，声光晶体双面镀有1064nm增透膜；激光棒3和3’选用两根φ3×67mm的Nd:YAG棒，棒两端镀有1064nm增透膜；谐波反射镜选用石英镜片，面向激光棒的一面对1064nm镀有增透膜，面向倍频晶体的一面镀有对1064nm高透、对532nm高反的膜层；倍频晶体6选用θ＝90°，＝24.1°切割的KTP晶体，尺寸为4×4×10mm，双面对1064nm和532nm镀有增透膜；倍频晶体与两个泵浦模块使用同一套水冷，冷却温度为25℃，控温精度±0.1℃；输出镜7为平平镜，面向腔内的一面镀有对1064nm高反、对532nm高透的膜层；背向腔内的一面对532nm镀有高透膜。

整个激光器元件布局的尺寸如下：整个腔长470mm左右，两激光棒中心距140mm左右，90°旋光片放置在两激光棒中间任意位置，激光棒3的前端面距离全反镜110mm左右，声光Q开关放置在全反镜与激光棒3之间，位置可前后调节，激光棒3’的后端面距离全反镜160mm左右，KTP晶体放置在激光棒3’与输出镜之间，靠近输出镜以获得小的倍频光斑，谐波反射镜放置在倍频晶体与激光棒3’之间。整个激光器仅使用一台水冷机。用以色列产的Nova II型激光功率/能量计测量本实施例的功率，Q开关重复频率为10KHz，泵浦电流为23.5A时，532nm激光平均输出功率达到60W，此时光光转换效率为16.7％。在平均输出功率为55W时连续运转两小时，每两分钟记录一次数据，计算出不稳定度为1.02％(均方根)。

采用实施例的激光器，配以激光外部控制系统(伺服电机/语音卡/运动控制卡)，研制了一台高功率激光地标机，激光射程大于10公里，各项性能稳定可靠。

采用实施例的激光器，配以激光表演设计系统，研制了一台大功率绿光激光表演机，色彩强烈眩目，各项性能稳定可靠。

采用实施例的激光器，配以光纤传输系统、内窥镜等部件，研制了一台绿激光前列腺治疗仪，已进行的动物实验表明该仪器各项性能稳定可靠。

增大两泵浦组件的功率，可获得超过100W的532nm激光功率输出。

如图2，泵浦源4和4’选用两台600W(808nm)半导体激光泵浦组件；两套泵浦组件中间放置90°石英旋光片5；全反镜1选用凹面曲率半径为2m的凹面镜，凹面对1064nm镀有全反膜；Q开关2选用两个声光Q开关，每个Q开关的驱动频率为100W，调制频率为1～50kHz，声光晶体双面镀有1064nm增透膜，用DG535数字/延迟脉冲脉冲发生器控制两个Q开关同步，使声光Q开关达到最佳关断状态；激光棒3和3’选用两根φ3×97mm的Nd:YAG棒，棒两端镀有1064nm增透膜；折叠输出镜6为平平镜，面向腔内的一面镀有对基频光45°全反、对倍频光45°高透的膜层；背向腔内的一面对倍频光镀有增透膜；倍频晶体7选用θ＝90°，φ＝24.4°切割的KTP晶体，尺寸为5×5×10mm，双面对1064nm和532nm镀有增透膜；双色全反镜8为平平镜，面向腔内的一面镀有对基频光和倍频光均全反的膜层。

整个激光器的元件布局的尺寸如下：整个腔长600mm左右，两激光棒中心距170mm左右，90°石英旋光片放置在两激光棒中间任意位置，激光棒3的前端面距离全反镜140mm左右，两声光Q开关放置在全反镜与激光晶体之间，位置可前后调节，激光棒3’的后端距双色全反镜约190mm左右，距输出镜50mm左右，KTP晶体放置在输出镜与双色全反镜之间，靠近双色全反镜以获得小的倍频光斑。

采用本实施例的激光器，整个激光器仅使用一台功率较大的水冷机，已实现平均功率大于120W的准连续绿光激光输出，激光器运转稳定可靠。以此为基础，配以光纤传输系统、内窥镜等部件，正在开发的大功率绿激光前列腺治疗仪，可用于前列腺增生巨大的患者，具有可观的社会效益和经济效益。

Claims

1.一种低能耗大功率的双棒串接平凹腔绿光激光器，结构之一，其特征在于包括在凹面对基频光镀有全反膜的全反镜(1)，在全反镜的凹面一侧沿光路设置Q开关(2)，之后是两个型号相同的半导体二极管侧面泵浦组件或是闪光灯的泵浦源(3、3’)；在泵浦源中设置Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF或Yb:YAG材料的激光棒(4、4’)，激光棒两端面镀有对基频光的增透膜；在两激光棒的中间设置90°石英旋光片(5)，该石英旋光片两端面镀有对基频光的增透膜；在激光棒4’之后设置平平谐波反射镜(6)，该谐波反射镜面向激光晶体的一面镀有对基频光的增透膜，另一面镀有对基频光高透，对倍频光高反的膜层；谐波反射镜之后设置KTP或LBO非线性倍频晶体(7)，倍频晶体两端面镀有对基频光和倍频光的增透膜；倍频晶体之后设置平平输出镜(8)，该输出镜的面向腔内的镜面镀有对基频光高反、对倍频光高透的膜层，背向腔内的镜面对倍频光镀有增透膜；

结构之二，其特征在于包括在凹面对基频光镀有全反膜的全反镜(1)，在全反镜的凹面一侧沿光路设置Q开关(2)，之后是两个型号相同的半导体二极管侧面泵浦组件或是闪光灯的泵浦源(3、3’)；在泵浦源中设置Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF或Yb:YAG材料的激光棒(4、4’)，激光棒两端面镀有对基频光的增透膜；在两激光棒的中间设置90 °石英旋光片(5)，该石英旋光片两端面镀有对基频光的增透膜；在激光棒4’之后设置平平折叠输出镜(9)，该折叠输出镜面向腔内的一面镀有对基频光45°全反、对倍频光45°高透的膜层；背向腔内的一面对倍频光镀有45°增透膜；折叠输出镜之后设置KTP或LBO非线性倍频晶体(7)，倍频晶体两端面镀有对基频光和倍频光的增透膜；倍频晶体之后设置平平双色全反镜(10)，该镜片面向腔内的一面镀有对基频光和倍频光均全反的膜层。