CN202930742U

CN202930742U - 一种腔内倍频固体激光器

Info

Publication number: CN202930742U
Application number: CN 201220561935
Authority: CN
Inventors: 杨淇鸿
Original assignee: SHENZHEN WEIHONG BOKE OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN WEIHONG BOKE OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2022-10-30

Abstract

本实用新型公开了一种腔内倍频固体激光器，包括第一全反腔镜、激光介质、至少一个非线性光学晶体、第二全反腔镜、第三全反腔镜和光束直径调节单元，激光光束在激光介质处的光斑直径D_LM和在非线性光学晶体处的光斑直径D_NLC大小关系为：0.1<D_NLC/D_LM<0.9，激光介质中心距第一个全反腔镜的距离L₁，与激光介质中心距所述第二个全反腔镜的距离L₂关系为：0.1<L₁/L₂<0.5。采用本实用新型实施例的腔内倍频固体激光器，在连续使用中，系统器件性能和激光参数较稳定，可靠性提高，寿命延长，满足了工业客户的需求。另，如所述腔内倍频固体激光器故障，只需调节或维修其非线性光学晶体，该方法更简易。

Description

一种腔内倍频固体激光器

技术领域

本实用新型涉及一种腔内倍频固体激光器。

背景技术

美国专利号5.850.407阐述了一种Nd:YAG固体激光器，利用其谐振腔镜及非线性光学晶体，将基频波长转换成第二次和第三次谐波的方法。置于反射镜内的激光介质受到泵浦源激发产生基波，两个LBO非线性光学晶体用于产生第二次和第三次谐波。其中，产生第三次谐波的LBO非线性光学晶体与谐振腔的光轴成布鲁斯特角,第三次谐波可无损耗地经布鲁斯特角输出。但是该固体激光器的调节非常敏感，尤其是产生第三次谐波的LBO非线性光学晶体易受到温度的影响而发生热应力破坏，进而发生折射率的变化，进而导致谐振腔失调。近年来的工业应用证明，非线性光学晶体的热应力破坏会降低波长转换效率（尤其是三次紫外谐波的产生），及激光输出的稳定性，进而导致该激光器的谐振腔失调、可靠性降低和寿命缩短。

为了防止非线性光学晶体表面退化，获得较高的倍频转换效率。现有方法之一为，在非线性光学晶体的表面镀防反膜，以使基波、二次谐波或三次谐波的激光光束能够无损耗地通过。但实践证明，在高强度激光的作用下，如若非线性光学晶体和防反膜层的热膨胀系数不同，该防反膜层因热应力而被破坏，导致激光器输出功率下降，激光光束品质变差。现有方法之二为“晶体移位”法，即当非线性光学晶体由于激光光束的作用而出现局部损伤时，将非线性光学晶体移动到另一个位置，以使得激光光束通过倍频晶体无损伤的部位。但由于非线性光学晶体每个点的寿命很短（几百个小时），非线性光学晶体的横截面大小也受物理限制，频繁移动非线性光晶体会导致次品率增加，甚至导致生产停顿，无法满足工业客户的需求。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型提供一种腔内倍频固体激光器,包括第一全反腔镜、激光介质、至少一个非线性光学晶体、第二全反腔镜、第三全反腔镜和光束直径调节单元，所述第一全反腔镜、所述激光介质、所述至少一个非线性光学晶体和所述第二全反腔镜均沿第一光轴依次设置，所述第三全反腔镜沿第二光轴设置，所述第一全反腔镜与所述第一光轴正向成锐角，所述第一光轴与所述第二光轴分居于所述第一全反腔镜法线两侧且对称，所述第二全反腔镜与所述第一光轴成直角，所述第三全反腔镜与所述第二光轴成直角，所述光束直径调节单元设于所述激光介质和所述第二全反腔镜之间，所述光束直径调节单元由光学透镜或者带曲率的反射元件组成，用于改变激光光束直径大小，所述激光光束在所述激光介质处的光斑直径D_LM和在所述非线性光学晶体处的光斑直径D_NLC大小关系为：0.1<D_NLC/D_LM<0.9，所述激光介质中心距所述第一个全反腔镜的距离L₁，与所述激光介质中心距所述第二个全反腔镜的距离L₂关系为：0.1<L₁/L₂<0.5。

优选的，所述激光光束在所述激光介质处的光斑直径D_LM和在所述非线性光学晶体处的光斑直径D_NLC大小关系为：0.25<D_NLC/D_LM<0.7，所述激光介质中心距所述第一个全反腔镜的距离L₁，与所述激光介质中心距所述第二个全反腔镜的距离L₂关系为：0.25<L₁/L₂<0.4。

其中，所述非线性光学晶体为两个，即分别为二次倍频晶体和三次倍频晶体，所述三次倍频晶体沿所述第一光轴位于所述激光介质和所述二次倍频晶体之间，所述激光束在所述二次倍频晶体处的光斑直径D_SHG和所述三次倍频晶体处的光斑直径D_THG大小关系为：0.25<D_SHG/D_LM<0.7，0.25<D_THG/D_LM<0.7且0.8<D_THG/D_SHG<1.2。

优选的，所述激光束在所述二次倍频晶体处的光斑直径D_SHG和所述三次倍频晶体处的光斑直径D_THG大小关系为：0.9<D_THG/D_SHG<1.1。

其中，所述第二全反腔镜反射基频波且反射二次倍频波，所述基频波和所述二次倍频波同轴、同方向通过所述三次倍频晶体而产生三次倍频波。

其中，所述二次倍频晶体与所述三次倍频晶体的中心距离L₃，与所述第二全反腔镜和所述第三全反腔镜的中心距离L₄的关系为：L₃<L₄/20。

其中，所述腔内倍频固体激光器还包括双波长90°旋转器，所述双波长90°旋转器沿所述第一光轴设于所述三次倍频晶体和所述二次倍频晶体之间，用于补偿所述三次倍频晶体和所述二次倍频晶体中热效应，所述二次倍频晶体与所述三次倍频晶体材质相同。

其中，所述激光介质是Nd:YAG晶体、Nd:YV0₄晶体、Nd:YLF晶体或Nd:GdV0₄晶体中的一种，所述非线性光学晶体是LBO，BBO，KDP或KTP中的一种或两种。

其中，所述腔内倍频固体激光器还包括波长选择输出元件，所述波长选择输出元件沿所述第一光轴，设于所述激光介质与所述非线性光学晶体之间，所述波长选择输出元件与所述第一光轴正向成α角，所述30°<α<80°，优选的40°<α<60°，所述波长选择输出元件的两侧面上覆有介质膜层，用于高透基频波长且全反高次谐波。

其中，所述波长选择输出元件材料为石英玻璃或蓝宝石，且沿所述第一光轴的厚度小于3mm。

本实用新型实施例放弃高效率波长转换的通常方法，旨在增加激光光束在非线性光学晶体上的光斑直径，以减小非线性光学晶体表面热损伤。依据激光谐振腔的理论，适当的全反腔镜的曲率半径，及适当的激光介质与非线性光学晶体的中心间距，可改变激光光束光斑直径。非线性晶体上的激光光束的光斑直径增加一个数量级，会导致激光的功率密度降低两个数量级。本实用新型实施例的腔内倍频固体激光器在连续使用中，系统器件性能和激光参数较稳定，可靠性提高，寿命延长，满足了工业客户的需求。另，如所述腔内倍频固体激光器故障，只需调节或维修其非线性光学晶体，该方法更简易。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例的腔内倍频固体激光器结构示意图；

图2是本实用新型实施例的波长选择输出元件的示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，本实用新型提供一种腔内倍频固体激光器100，包括第一全反腔镜1、激光介质2、至少一个非线性光学晶体3、第二全反腔镜4、第三全反腔镜5和光束直径调节单元。

第一全反腔镜1、激光介质2、至少一个非线性光学晶体3和第二全反腔镜4均沿第一光轴10依次设置，第三全反腔镜5沿第二光轴11设置，第一全反腔镜1与第一光轴10正向成锐角，第一光轴10与第二光轴11分居于第一全反腔镜1法线两侧且对称，第二全反腔镜4与第一光轴10成直角，第三全反腔镜4与第二光轴11成直角。

光束直径调节单元（图中未示出）设于激光介质2和第二全反腔镜4之间，光束直径调节单元由光学透镜或者带曲率的反射元件组成，用于改变激光光束直径大小。

激光光束在激光介质2处的光斑直径D_LM和在非线性光学晶体3处的光斑直径D_NLC大小关系为：0.1<D_NLC/D_LM<0.9，优选的，0.25<D_NLC/D_LM<0.7。

激光介质2中心距第一个全反腔镜1的距离L₁，与激光介质2中心距第二个全反腔镜4的距离L₂关系为：0.1<L₁/L₂<0.5，优选的，0.25<L₁/L₂<0.4。

本实施方式中，腔内倍频固体激光器100产生二次谐波和三次谐波，则非线性光学晶体3为两个，即分别为二次倍频晶体31和三次倍频晶体32，三次倍频晶体32沿第一光轴10位于激光介质2和二次倍频晶体31之间，激光束在二次倍频晶体31处的光斑直径D_SHG和三次倍频晶体32处的光斑直径D_THG大小关系为：0.25<D_SHG/D_LM<0.7，0.25<D_THG/D_LM<0.7且0.8<D_THG/D_SHG<1.2，优选的，0.9<D_THG/D_SHG<1.1。

本实施方式中，腔内倍频固体激光器100产生二次谐波和三次谐波，第二全反腔镜4用于反射基频波，且反射二次倍频波。基频波和二次倍频波同轴、同方向通过三次倍频晶体32而产生三次倍频波。

在其他实施方式中，如果腔内倍频固体激光器100只产生第二次谐波，则非线性光学晶体3为一个，即为二次倍频晶体31，激光光束在激光介质2处的光斑直径D_LM和在二次倍频晶体31处的光斑直径D_SHG大小关系为：0.25<D_SHG/D_LM<0.7，其中D_SHG与D_NLC相等。

本实施方式中，为了减少空气色散对谐波转换效率的影响，二次倍频晶体31和三次倍频晶体32的中心间距L₃，与第二全反腔镜4和第三全反腔镜5的中心间距L₄的关系为：L₃<L₄/20。

尽管激光光束在非线性光学晶体3上的光斑大小比现有技术中的光斑大小增加了几十倍，但在高功率激光光束的作用下，非线性光学晶体3仍会出现热致双折射的现象。本实施方式中，在三次倍频晶体32和二次倍频晶体31之间设双波长90°旋转器6，用于补偿三次倍频晶体32和二次倍频晶体31中热效应。为了达到更好的热效应补偿效果，三次倍频晶体32和二次倍频晶体31采用同一种晶体材料，以使得二次倍频晶体31与三次倍频晶体32的热膨胀性能一致。

激光介质2是Nd:YAG晶体、Nd:YV0₄晶体、Nd:YLF晶体或Nd:GdV0₄晶体中的一种，非线性光学晶体3是LBO，BBO，KDP或KTP中的一种或两种。

进一步的，腔内倍频固体激光器100还包括波长选择输出元件7，波长选择输出元件7沿第一光轴10，设于激光介质2与非线性光学晶体3之间。为了进一步增加激光光束在非线性光学晶体3上的光斑大小，波长选择输出元件7与第一光轴10正向成α角，30°<α<80°，优选的40°<α<60°。波长选择输出元件7的两侧面上覆有介质膜层，用于高透基频波长且全反高次谐波。波长选择输出元件7材料为导热率高的光学材料，如石英玻璃或蓝宝石，且其沿第一光轴11的厚度小于3mm，以减少吸收损耗。

参见图2，波长选择输出元件7包括相对的两个反射面O1和反射面O2。其中反射面O1的介质膜层是全反三次倍频波长和全透基频波长。反射面O2的介质膜层为全反二次倍频波长和全透基频波长。

参见图1，本实施方式中，腔内倍频固体激光器100还包括一个轴向泵浦源8，泵浦源8发射光谱的中心波长处于激光介质2的吸收带内，以提高泵浦效率。在其他实施方式中，一个轴向泵浦源8可由两个波长相近的泵浦源替代。

进一步的，本实施方式中，腔内倍频固体激光器100还包括声光调制元件9，用于腔内倍频固体激光器100谐振腔的调Ｑ，声光调制元件9沿第二光轴11，设于第一全反腔镜1和第二全反腔镜4之间。在其他实施方式中，声光调制元件9可采用电光调制元件替代。

本实施方式中，泵浦源8为发射光中心波长为808nm。基频波的波长为1064nm，二次倍频波的波长为532nm，三次倍频波的波长为355nm。

发射光依次经第一全反腔镜1和激光介质2，激光介质2受到泵浦能量激发产生基频激光辐射，发出1064nm的基频波，基频波经三次倍频晶体32、二次倍频晶体31和第二全反腔镜4间的相互作用，形成532nm的二次倍频波和355nm的三次倍频波。二次倍频波和三次倍频波分别经波长选择输出元件7的反射面O2和反射面O1输出。

本实用新型实施例放弃高效率谐波转换的通常方法，旨在增加激光光束在非线性光学晶体3上的光斑直径，以减小非线性光学晶体3表面热损伤。依据激光谐振腔的理论，适当的全反腔镜的曲率半径，及适当的激光介质2与非线性光学晶体3的中心间距，可改变激光光束光斑直径。非线性光学晶体3上的激光光束的光斑直径增加一个数量级，会导致激光的功率密度降低两个数量级。本实用新型实施例的腔内倍频固体激光器100在连续使用中，系统器件性能和激光参数较稳定，可靠性提高，寿命延长，满足了工业客户的需求。另，如腔内倍频固体激光器100故障，只需调节或维修其非线性光学晶体3，更简易可行。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种腔内倍频固体激光器，其特征在于，包括第一全反腔镜、激光介质、至少一个非线性光学晶体、第二全反腔镜、第三全反腔镜和光束直径调节单元，所述第一全反腔镜、所述激光介质、所述至少一个非线性光学晶体和所述第二全反腔镜均沿第一光轴依次设置，所述第三全反腔镜沿第二光轴设置，所述第一全反腔镜与所述第一光轴正向成锐角，所述第一光轴与所述第二光轴分居于所述第一全反腔镜法线两侧且对称，所述第二全反腔镜与所述第一光轴成直角，所述第三全反腔镜与所述第二光轴成直角，所述光束直径调节单元设于所述激光介质和所述第二全反腔镜之间，所述光束直径调节单元由光学透镜或者带曲率的反射元件组成，用于改变激光光束直径大小，所述激光光束在所述激光介质处的光斑直径D_LM和在所述非线性光学晶体处的光斑直径D_NLC大小关系为：0.1<D_NLC/D_LM<0.9，所述激光介质中心距所述第一个全反腔镜的距离L₁，与所述激光介质中心距所述第二个全反腔镜的距离L₂关系为：0.1<L₁/L₂<0.5。

2.如权利要求1所述的一种腔内倍频固体激光器，其特征在于，所述激光光束在所述激光介质处的光斑直径D_LM和在所述非线性光学晶体处的光斑直径D_NLC大小关系为：0.25<D_NLC/D_LM<0.7，所述激光介质中心距所述第一个全反腔镜的距离L₁，与所述激光介质中心距所述第二个全反腔镜的距离L₂关系为：0.25<L₁/L₂<0.4。

3.如权利要求1所述的一种腔内倍频固体激光器，其特征在于，所述非线性光学晶体为两个，即分别为二次倍频晶体和三次倍频晶体，所述三次倍频晶体沿所述第一光轴位于所述激光介质和所述二次倍频晶体之间，所述激光束在所述二次倍频晶体处的光斑直径D_SHG和所述三次倍频晶体处的光斑直径D_THG大小关系为：0.25<D_SHG/D_LM<0.7，0.25<D_THG/D_LM<0.7且0.8<D_THG/D_SHG<1.2。

4.如权利要求3所述的一种腔内倍频固体激光器，其特征在于，所述激光束在所述二次倍频晶体处的光斑直径D_SHG和所述三次倍频晶体处的光斑直径D_THG大小关系为：0.9<D_THG/D_SHG<1.1。

5.如权利要求3所述的一种腔内倍频固体激光器，其特征在于，所述第二全反腔镜反射基频波且反射二次倍频波，所述基频波和所述二次倍频波同轴、同方向通过所述三次倍频晶体而产生三次倍频波。

6.如权利要求3所述的一种腔内倍频固体激光器，其特征在于，所述二次倍频晶体与所述三次倍频晶体的中心距离L₃，与所述第二全反腔镜和所述第三全反腔镜的中心距离L₄的关系为：L₃<L₄/20。

7.如权利要求3所述的一种腔内倍频固体激光器，其特征在于，所述腔内倍频固体激光器还包括双波长90°旋转器，所述双波长90°旋转器沿所述第一光轴设于所述三次倍频晶体和所述二次倍频晶体之间，用于补偿所述三次倍频晶体和所述二次倍频晶体中热效应，所述二次倍频晶体与所述三次倍频晶体材质相同。

8.如权利要求1所述的一种腔内倍频固体激光器，其特征在于，所述激光介质是Nd:YAG晶体、Nd:YV0₄晶体、Nd:YLF晶体或Nd:GdV0₄晶体中的一种，所述非线性光学晶体是LBO，BBO，KDP或KTP中的一种或两种。

9.如权利要求1所述的一种腔内倍频固体激光器，其特征在于，所述腔内倍频固体激光器还包括波长选择输出元件，所述波长选择输出元件沿所述第一光轴，设于所述激光介质与所述非线性光学晶体之间，所述波长选择输出元件与所述第一光轴正向成α角，所述30°<α<80°，优选的40°<α<60°，所述波长选择输出元件的两侧面上覆有介质膜层，用于高透基频波长且全反高次谐波。

10.如权利要求9所述的一种腔内倍频固体激光器，其特征在于，所述波长选择输出元件材料为石英玻璃或蓝宝石，且沿所述第一光轴的厚度小于3mm。