CN1988297A - 棱镜扩束技术和半导体激光泵浦的固体板条激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种棱镜扩束技术和半导体激光泵浦的固体板条激光器，包括由半导体激光器和光导体组构成的泵浦结构、固体板条激光晶体、激光晶体冷却单元、谐振腔。谐振腔含有至少一组棱镜、输出耦合镜和高反射镜，棱镜组位于谐振腔输出耦合镜内侧，激光晶体设置于棱镜组与谐振腔高反镜之间，谐振腔内配置非线性晶体元件以实现二倍频、三倍频输出，或配置光学调制元件实现脉冲输出，泵浦结构与谐振腔相结合，谐振腔内位于输出耦合镜侧的光束经棱镜放大后与固体板条激光晶体的宽度一致，实现基模光斑与泵浦光之间的匹配，在激光器中产生大基模体积激光振荡。本发明能在100W以上高功率激光器中获得近衍射极限光束和高效率激光输出。

Description

棱镜扩束技术和半导体激光泵浦的固体板条激光器

                            技术领域

本发明涉及一种半导体激光泵浦的固体激光器，特别是涉及一种谐振腔内采用棱镜扩束技术和高功率、高质量光束输出的固体板条激光器。

                           背景技术

在半导体激光泵浦的高功率固体激光器中，为获得高功率激光输出，需解决激光晶体的热透镜效应、应力双折射、自聚焦效应。采用宽度大于厚度的板条结构晶体作为激光工作介质，使工作时晶体内部的温度沿厚度方向近似呈一维分布，可大大改善晶体内部温度分布的均匀性，从而可以改善晶体内部应力分布的均匀性，减轻双折射效应。如将晶体两端加工成具有布儒斯特角结构，则激光在晶体中的路径为锯齿形，由于晶体内部的温度呈一维分布，每一束光线在经历一个锯齿路径时波前畸变相互抵消和补偿，这样可以减缓甚至消除因热引起的激光在光腔中传输所发生的波前畸变，因此固体激光器用板条结构替代棒状结构晶体。但是，这种板条结构的激光器存在两种缺陷：一是输出光斑为长条形，在大多数情况下不可直接应用，光束必须整形；二是此种结构的激光器如果采用常规谐振腔，如稳腔和平-平腔，则尽管在厚度方向可获得低阶模或基模激光束，但在宽度方向一般为多模输出，总的输出光束质量较差。如果希望获得近衍射极限光束，则需添加光阑，那么激光输出的光-光转换效率低下。因此这种结构的激光器难于获得高转换效率、近衍射极限、高光束质量激光输出。此外，这种结构的激光器的性能还依赖于激光晶体的泵浦方式。

为获得高功率、高效率，同时也为获得近衍射极限激光输出，目前激光器主要采用非稳腔技术。有报道谐振腔采用柱面输出耦合镜和平面高反射镜，在一个方向为平-平腔，在另一方向为非稳腔，激光器输出光斑为长条形，参见专利200410067696.6。专利200410067696.6的实施例采用宽7-10mm、厚为1mm的波导结构的激光器，获得光束质量因子为M²＝1.2×1.1，但光斑宽度方向尺寸大，约在7mm-10mm。

在泵浦方面，有端面泵浦、面泵浦、侧边泵浦。端面泵浦中，泵浦光聚焦后从激光晶体的端面纵向进入，其入射方向与激光谐振腔的光轴相同，它的优势在于可实现激光振荡模式与泵浦光有效匹配，但端面泵浦方式因泵浦入射初始段注入能量密度高、其它部位较低，只适用于较低功率激光器。面泵浦是泵浦光从激光晶体的大面入射的泵浦方式，可获得均匀泵浦能量分布，但晶体吸收厚度有限，泵浦光不能充分被吸收，不过激光晶体注入的能量密度高，易获得较高功率激光输出。侧边泵浦时，泵浦光从晶体的厚度方向入射，宽度尺寸大于厚度，宽度所在面即大面，用于冷却。这种结构的优势是激光晶体的散热效果好，缺点是泵浦不均匀，因为激光晶体的两侧边泵浦光强度高，而激光晶体的中心泵浦光强度弱。最初的侧边泵浦方式，存在边缘注入能量密度高、中心密度小，因而中心增益系数比边缘小。近几年，出现角泵浦，见专利200410067696.6，激光晶体泵浦能量分布均匀性大大改善，但在获得连续几百瓦高功率输出时，激光的输出光束质量仍不理想。

                           发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能实现泵浦光与激光基模匹配、具有高转换效率、高光束质量激光输出的棱镜扩束技术和半导体激光泵浦的固体板条激光器。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：激光谐振腔采用一种棱镜扩束技术，工作介质采用板条结构激光晶体，构成一种谐振腔内具有棱镜扩束和半导体激光泵浦的固体板条激光器，它包括由半导体激光器和光导体组构成的泵浦结构、固体板条激光晶体、激光晶体冷却单元、谐振腔。谐振腔含有至少一组棱镜、输出耦合镜和高反射镜，棱镜组位于谐振腔输出耦合镜内侧，激光晶体设置于棱镜组与高反镜之间，谐振腔内配置非线性晶体元件以实现二倍频、三倍频输出，或配置光学调制元件实现脉冲输出，泵浦结构与所述谐振腔相结合，谐振腔内位于输出耦合镜侧的光束经棱镜放大后与固体板条激光晶体的宽度一致，实现基模光斑与泵浦光之间的匹配，在激光器中产生大基模体积激光振荡。

上述泵浦结构是角泵浦、或面泵浦、或侧边泵浦结构。谐振腔采用稳定谐振腔或平-平谐振腔或非稳谐振腔。

谐振腔内的棱镜为直角棱镜，每两块棱镜倒置构成一组，成对布置；所述谐振腔内的棱镜数量为奇数时，只有一组是由单块直角棱镜构成；所述直角棱镜斜面上的光线以布儒斯特角入射，所有直角棱镜底边锐角与布儒斯特角大小相等，从斜面上入射的光束经棱镜的一直角边射出被放大，每块直角棱镜的放大系数等于布儒斯特角的正切值并与棱镜材料的折射率相等，所有棱镜组的总放大倍数满足基模光束被放大后光斑尺寸等于或接近板条激光晶体的宽度。

半导体激光泵浦的固体激光器采用角泵浦与棱镜组组合方式，其激光晶体两侧为未掺杂晶体，未掺杂晶体是蓝宝石或者高导热系数或者高透光系数的其它材料；所述激光晶体冷却与角泵浦在同侧或相互垂直方向上。

半导体激光器或者采用侧边泵浦结构与棱镜组组合方式，以及采用面泵浦结构与棱镜组组合方式。

固体板条激光晶体为长方体结构或者为具有布儒斯特角的梯形或具有布儒斯特角的平行六面体结构。

本发明泵浦结构与所述谐振腔相结合，谐振腔内位于输出耦合镜侧的光束经棱镜放大后与固体板条激光晶体的宽度一致，实现基模光斑与泵浦光之间的匹配，在激光器中产生大基模体积激光振荡。激光器使用稳定谐振腔或平-平谐振腔或非稳谐振腔，不仅可在低功率而且可在100W以上高功率激光器中获得近衍射极限光束质量和高效率激光输出。

                           附图说明

图1是棱镜扩束原理和棱镜角度关系图；

图2是角泵浦与棱镜组组合的激光器之一结构主视图；

图3是角泵浦与棱镜组组合的激光器之一结构俯视图；

图4是角泵浦与棱镜组组合的激光器之二结构主视图；

图5是角泵浦与棱镜组组合的激光器之二结构俯视图；

图6是横向侧边泵浦与棱镜组组合的激光器结构俯视图；

图7是面泵浦与棱镜组组合的激光器结构主视图；

图8是面泵浦与棱镜组组合的激光器结构俯视图。

                           具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

如图2至8所示，本发明包括由半导体激光器和光导体组构成的泵浦结构、固体板条激光晶体6、激光晶体冷却单元、谐振腔。谐振腔含有至少一组棱镜7、输出耦合镜8和高反射镜1，棱镜组7位于谐振腔输出耦合镜8内侧，激光晶体6设置于棱镜组7与谐振腔高反镜1之间，谐振腔内配置非线性晶体元件以实现二倍频、三倍频输出，或配置光学调制元件实现脉冲输出，泵浦结构与所述谐振腔相结合，谐振腔内位于输出耦合镜8侧的光束经棱镜放大后与固体板条激光晶体6的宽度一致，实现基模光斑与泵浦光之间的匹配，在激光器中产生大基模体积激光振荡。

谐振腔中采用多块直角棱镜或直角棱镜组7。当激光器中的激光束从棱镜侧传向激光晶体6时，激光束被放大；当激光器中的激光束反向传输时，激光束被压缩。棱镜的光束尺寸放大原理和棱镜结构尺寸如图1所示，棱镜材料的折射率为n，其在底边的锐角等于斜边上的光束入射角i₁，并等于布儒斯特角i_B。这样在激光器中传输光为偏振光，而且光在直角棱镜斜面上入射光只发生折射，在斜面上没有反射损耗，这有利于激光器振荡。而棱镜中出光的直角面上镀减反膜，当光反方向传播时可减小光在直角面上的反射损耗。w_a、w_b为棱镜的入射和出射光束横截面尺寸，则单块棱镜的放大倍数为

$M=\frac{w_b}{w_a}={\cos i}_2/{\cos i}_1={\mathrm{tgi}}_1={\mathrm{tgi}}_B=n$

多块棱镜的扩束系数为

$M=M_1\×M_2\×\…\×M_n=\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{M}_i$

其中M₁、M₂…M_n分别为棱镜1、2…n的扩束系数。

激光器谐振腔内每两块棱镜倒置构成一组，成对布置，确保入射到棱镜组的光束和出射光束相互平行，并可使通过棱镜组的光束始终平行于激光器中的光轴，便于调腔。棱镜数量也可是奇数，但只有一组是由单块棱镜构成，此时入射到棱镜的光束和出射光束发生偏转。棱镜组7位于谐振腔输出耦合镜8一侧，激光晶体6布置于谐振腔高反镜1侧，激光器谐振腔内基模激光束经棱镜组放大后的尺寸与板条激光晶体宽度尺寸一致，在激光器中产生大基模体积激光振荡。谐振腔采用稳定谐振腔或平-平谐振腔或非稳谐振腔。

根据泵浦结构不同，本发明提供角泵浦结构与棱镜组、侧边泵浦结构与棱镜组、面泵浦结构与棱镜组组合的多种结构的固体板条激光器，如下：

(1)角泵浦结构与棱镜组组合的激光器：如图2、3所示，角泵浦与棱镜组组合的激光器结构由高反射镜1、半导体激光器阵列2、第一光导体3、第二光导体4、散热器5、激光晶体6、棱镜组7、输出耦合镜8构成。

激光晶体6为长方体结构，它的冷却与泵浦在同一侧，它的上部和下部为未掺激活离子的晶体材料即第二光导体4，如在Nd:YAG激光器和Yb:YAG激光器中，为未掺Nd³⁺和Yb³⁺离子的YAG晶体。第二光导体4也可以是折射率低于激光晶体、导热系数高的晶体，如蓝宝石或其它材料。这些材料在激光晶体的上部和下部对称布置，它们两端加工有倒角，以便泵浦光进入，使泵浦光斜入射，在激光介质中来回反射并经历较长距离，以便充分吸收。合理选取激光晶体的上下层介质即光导体二两端的倒角可以使从上层传输到下层介质的入射泵浦光在下层介质下表面发生全内反射，反射光再传送到激光晶体吸收部分能量，传至上层，在上层介质上表面发生全内反射，泵浦光可以多次穿过激光晶体。从下层介质入射的泵浦光经历类似的路径。这样被激光晶体泵浦的均匀性得到改善，而且泵浦光被充分吸收。

在上层介质的上表面和在下层介质的下表面镀上泵浦光波长的全反射膜，用来约束逃逸的泵浦光。在上层介质的上表面和下层介质的下表面有散热器5。此种结构的泵浦和冷却在激光晶体的同侧，激光晶体的上层介质和下层介质即泵浦光导体二兼有散热作用。

激光晶体6为具有布儒斯特角的梯形或者具有布儒斯特角的平行六面体结构。在具有布儒斯特角的梯形或平行六面体结构中，棱镜组7与激光晶体6之间放置有半波片，用于改变来自棱镜侧偏振光的偏振方向，使之与具有布儒斯特角激光晶体6的偏振方向一致。

(2)角泵浦与棱镜组组合的另一种激光器，如图4、5所示，角泵浦与棱镜组组合的激光器由高反射镜1、半导体激光器阵列2、光导体一3、光导体二4、散热器5、激光晶体6、棱镜组7、输出耦合镜8。此激光器的激光晶体6的冷却与泵浦结构在不同面上。激光晶体6和上下两侧的光导体二4的结构、泵浦光的入射路径和反射路径与图2、3相似，但泵浦光的入射面的宽度较小，此种结构的泵浦和冷却在激光晶体的不同表面上。泵浦光从激光晶体的侧边入射，大面上贴有散热器5即微通道冷却器或半导体制冷设备或其它散热设备，用于冷却激光晶体6。

(3)侧边泵浦结构与棱镜组组合的激光器，如图6所示，横向泵浦与棱镜组组合的激光器结构由高反射镜1、半导体激光器阵列2、激光晶体6、棱镜组7、输出耦合镜8构成。此激光器的激光晶体的冷却与泵浦结构在不同面上。激光晶体6为长方体结构，或具有布儒斯特角的梯形或平行六面体结构。在具有布儒斯特角的梯形或平行六面体结构中，棱镜组7与激光晶体6之间放置有半波片。棱镜为直角棱镜，其一锐角大小等于其布儒斯特角。

(4)面泵浦结构与棱镜组组合的激光器，如图7、8所示，面泵浦与棱镜组组合的激光器结由高反射镜1、半导体激光器阵列2、激光晶体6、棱镜组7、输出耦合镜8、激光晶体冷却通道9构成。此种结构中的冷却与前几种不同，前几种激光晶体使用固体冷却器冷却，后者为流体冷却，它的泵浦半导体激光器的出射光轴与激光晶体6的大面垂直，并穿过流体冷却通道9，激光晶体6为长方体结构，或具有布儒斯特角的梯形或平行六面体结构。在具有布儒斯特角的梯形或平行六面体结构中，棱镜组7与激光晶体6之间放置有半波片。所有棱镜为直角棱镜，其一锐角大小等于其布儒斯特角。

上述多种结构，为未插入Q开关元件和非线性光学元件，根据激光器的用途，谐振腔内可配置不同非线性晶体元件实现二倍频、三倍频输出，也可配光学调制元件实现脉冲输出。同时为了缩短激光器的总体长度或消除子午面和弧矢面之间的像差，可在激光谐振腔中采用折叠镜。

本发明实施例所提供的是一种高于100W连续输出固体板条激光器，它由角泵浦与棱镜组合而成，其布局与图2相同，组成元器件包括：四只激光二极管bar条、与其对应的四块光导体、一复合结构激光晶体、两微通道冷却器、一扩束棱镜组(两对棱镜，共四块)、一平面高反射镜、一平面输出耦合镜，具体参数如下：

激光二极管bar条参数：每只bar条输出功率为100W、发射波长为808nm，条形输出，输出宽度10.8mm，快轴发散角36°，慢轴发散角10°。

激光晶体结构：上下两层材料为未掺杂YAG晶体，即用于传输泵浦光的第二光导体的材料为未掺杂YAG晶体，与激光晶体的基质材料相同，长为24mm，宽11mm，各厚1mm；中心层为掺Nd浓度为0.6atm％的YAG晶体，长为24mm，宽11mm，厚1mm，它与上下两层未掺杂YAG晶体即第二光导体键合在一起构成复合结构整体。此复合结构两端加工为1×45°倒角便于泵浦光入射。

光导体一为K9玻璃薄片，厚度为1m，宽度为11m，长60mm，两端镀808nm波长光增透膜。

位于复合结构激光晶体上下层的冷却器为微通道水冷却器，在激光晶体紧贴的表面镀金，用于反射波长为808nm的泵浦光，镀金表面尺寸为24×11mm。

棱镜材料为YAG晶体，折射率为1.82，每块直角棱镜的尺寸为10×18.2×5mm，棱镜底边锐角等于布儒斯特角，为61.2°，共四块，分两组。每块棱镜的放大系数为tg61.2°＝1.82，总的放大倍数为10.97。

平面输出耦合镜对1064nm的透过率为20％。

激光器的输出光斑约1×1mm、功率为135W近衍射激光输出。

Claims (8)

1.一种棱镜扩束技术和半导体激光泵浦的固体板条激光器，包括由半导体激光器和光导体组构成的泵浦结构、固体板条激光晶体、激光晶体冷却单元、谐振腔，其特征在于：所述谐振腔含有至少一组棱镜(7)、输出耦合镜(8)和高反射镜(1)，棱镜组(7)位于谐振腔输出耦合镜(8)内侧，激光晶体(6)设置于棱镜组(7)与谐振腔高反镜(1)之间，谐振腔内配置非线性晶体元件以实现二倍频、三倍频输出，或配置光学调制元件实现脉冲输出，所述泵浦结构与所述谐振腔相结合，谐振腔内位于输出耦合镜(8)内侧的光束经棱镜组(7)放大后与固体板条激光晶体(6)的宽度一致，实现基模光斑与泵浦光之间的匹配，在激光器中产生大基模体积激光振荡。

2.根据权利要求1所述的棱镜扩束技术和半导体激光泵浦的固体板条激光器，其特征在于，所述泵浦结构是角泵浦、或面泵浦、或侧边泵浦结构。

3.根据权利要求1所述的棱镜扩束技术和半导体激光泵浦的固体板条激光器，其特征在于，所述谐振腔采用稳定谐振腔、或平-平谐振腔、或非稳谐振腔。

4.根据权利要求1或3所述的棱镜扩束技术和半导体激光泵浦的固体板条激光器，其特征在于，所述谐振腔内的棱镜为直角棱镜，每两块棱镜倒置构成一组，成对布置；所述谐振腔内的棱镜数量为奇数时，只有一组是由单块直角棱镜构成；所述直角棱镜斜面上的光线以布儒斯特角入射，所有直角棱镜底边锐角与布儒斯特角大小相等，从斜面上入射的光束经棱镜的一直角边射出被放大，每块直角棱镜的放大系数等于布儒斯特角的正切值并与棱镜材料的折射率相等，所有棱镜组的总放大倍数M满足基模光束被放大后光斑尺寸等于或接近板条激光晶体的宽度。当光束以相反方向传输时，光束被压缩，总压缩系数为1/M。

5.根据权利要求1所述的棱镜扩束技术和半导体激光泵浦的固体板条激光器，其特征在于：所述激光器采用角泵浦与棱镜组组合方式，其激光晶体(6)两侧为未掺杂晶体，未掺杂晶体是蓝宝石、或者是其它高导热系数和高透光系数的材料，这些材料与工作介质组成复合结构；所述激光晶体的冷却与泵浦在激光晶体的同侧或相互垂直方向上。

6.根据权利要求1所述的棱镜扩束技术和半导体激光泵浦的固体板条激光器，其特征在于，所述激光器采用侧边泵浦结构与棱镜组组合方式。

7.根据权利要求1所述的棱镜扩束技术和半导体激光泵浦的固体板条激光器，其特征在于，所述激光器或采用面泵浦结构与棱镜组组合方式。

8.根据权利要求1所述的棱镜扩束技术和半导体激光泵浦的固体板条激光器，其特征在于，所述固体板条激光晶体(6)为长方体结构或者为具有布儒斯特角的梯形或具有布儒斯特角的平行六面体结构。

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