CN205004612U - 简约三路钬激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种简约三路钬激光器，包括第一钬激光谐振腔、第二钬激光谐振腔、第三钬激光谐振腔、梯形棱镜、汇聚透镜、光导锥和传输光纤，梯形棱镜的材料为石英玻璃，梯形棱镜为等腰梯形棱镜，梯形棱镜的上面和两个斜面均镀有波长为2.094微米的增透膜。根据石英折射率和从棱镜底面到斜面出射时光线的偏转规律，设计出对氦氖光和钬激光有相同偏转角的两个梯形棱镜，用氦氖激光和梯形棱镜调试系统后，置换为梯形棱镜，从顶面和两个斜面入射的三路钬激光经梯形棱镜后，变为相互平行的光束，经汇聚透镜和光导锥后，能耦合进入同一条传输光纤。本实用新型提供了一种光路简单的三路钬激光器，需要的元器件少、调试方便，不需要转动器件及其控制系统，可实现三路激光的合并，获得高功率的激光输出。

Description

简约三路钬激光器

技术领域

本实用新型涉及高功率固体激光器领域，尤其是一种简约三路钬激光器。

背景技术

钬激光器是用Cr，Tm，Ho∶YAG晶体制作的脉冲激光器，其输出波长2.1μm处于水的吸收峰，因此这种激光对人体组织的穿透深度浅，有很高的外科手术精度，且对人眼安全，加上它可用光纤传输，所以在医疗上它是一种很好的做外科的光源。因此，钬激光已经广泛应用于泌尿外科、皮肤科、妇产科、消化科、普外科和五官科等领域。

但是，钬激光晶体的发光阈值高，其热导率低，在高重频条件下工作时，晶体的热透镜效应明显，由于这些特点，使得单根激光晶体的输出功率不可能较高。为了获得高输出功率的钬激光治疗机，往往采用两路、或更多路的激光器轮流出光，经过合并光路并耦合进同一条光纤的方法来提高总的输出功率。

已有多个实用新型专利公开了将两路钬激光合并光路后耦合输出的技术方案【授权公告号CN202723982U、CN202288460U、CN201332212Y】。当双路钬激光不能满足某些手术对激光器功率的要求时，人们又研发了三路钬激光系统，在已有的两组激光器谐振腔的上方，如授权公告号CN201332212Y的摘要附图所示，添加一组谐振腔，如权公告号CN201478675U摘要附图所示，在该谐振腔前方安装一个45°全反镜，同时在中间一组激光器谐振腔的前方安装一个受伺服电机控制的可转动的45°全反镜，当可转动的45°全反镜位于光路中间时，新添加的一路激光经过这两个45°全反镜转向后，其光路与中间一路激光重复，可以入射到耦合透镜上，当可转动的45°全反镜不在光路中间时，中间一路激光可以直接入射到耦合透镜上。排在最下方的一组激光器的输出，仍按原有的方式入射到耦合透镜。按一定的时序控制可转动的45°全反镜，就可以让三路激光入射到耦合透镜上，经过聚焦后，输入到同一条传输光纤中。

现有的三路钬激光需要三个45°全反镜、一个可转动的45°全反镜和伺服电机及其控制系统，存在三个技术缺陷：(1)需要的元器件多(2)光路复杂、调试不方便。(3)需要精确控制光路系统，可转动的45°全反镜的转动规律必须与两个激光器的脉冲时间匹配。

实用新型内容

为了解决上述的技术问题，本实用新型提供了一种光路简单的三路钬激光器，需要的元器件少、调试方便，不需要转动器件及其控制系统，可实现三路激光的合并，获得高功率的激光输出。

本实用新型解决上述技术问题的方案如下：

简约三路钬激光器，包括第一钬激光谐振腔、第二钬激光谐振腔、第三钬激光谐振腔、梯形棱镜、汇聚透镜、光导锥和传输光纤；

所述第一钬激光谐振腔、第二钬激光谐振腔和第三钬激光谐振腔均包括依次同轴放置的前腔镜、聚光腔和输出镜，前腔镜和输出镜为平面镜，前腔镜是波长为2.094微米全反射镜，输出镜是波长为2.094微米的部分反射镜；

所述梯形棱镜为等腰梯形棱镜，梯形棱镜的上面和两个斜面均镀有波长为2.094微米的增透膜；

所述光导锥的较大端面朝向汇聚透镜，并与汇聚透镜的焦平面重合，光导锥的较小端面朝向传输光纤；

所述第二钬激光谐振腔的中心光轴、梯形棱镜的中心光轴、汇聚透镜的中心光轴与光导锥的中心光轴同轴；

所述第一钬激光谐振腔、第二钬激光谐振腔、第三钬激光谐振腔处于同一水平面，第一钬激光谐振腔的中心光轴与第二钬激光谐振腔的中心光轴的夹角为J，第三钬激光谐振腔的中心光轴与第二钬激光谐振腔的中心光轴的夹角为J，第一钬激光谐振腔的出射光射到梯形棱镜的一个斜面，经过折射之后垂直于梯形棱镜的底面射出，第三钬激光谐振腔的出射光入射到梯形棱镜的另一个斜面，经过折射之后垂直于梯形棱镜的底面射出；

简约型三路钬激光器的工作方法，包括以下步骤：

(1)每一路激光器的谐振腔依次放置了前腔镜、聚光腔和输出镜，聚光腔截面为椭圆，一条激光棒与氙灯分别位于聚光腔内的椭圆的两个焦点上。给聚光腔的氙灯加上一定的电信号后，氙灯发出的泵浦光直接或者经过聚光腔壁反射后，入射到激光棒上；

(2)激光棒吸收泵浦光后发出激光，前腔镜的后表面和输出镜的前表面分别镀了2.094微米的全反膜和部分反射膜，由前腔镜、聚光腔和输出镜构成的谐振腔中，对波长为2.094微米的、在光轴方向传输的激光作最优先的放大，而把其它频率和方向的光加以抑制，从输出镜输出波长为2.094微米的激光；

(3)中间一路激光垂直入射到梯形棱镜的顶面，不改变传输方向，从底面出射，另两路激光分别从梯形棱镜的两个斜面入射，经过斜面折射，传输方向改变为垂直于梯形棱镜底面，与中间一路激光平行。三路激光经过梯形棱镜后，变为并行传输的光束，经汇聚透镜汇聚之后，在汇聚透镜的焦平面也就是光导锥的较大端面，入射到光导锥；

(4)经过光导锥后，汇合光束的横截面变小，三路激光可以耦合进入与光导锥对接的传输光纤。

本实用新型具有光路简单的特点，因此带来以下优点：

1、本激光器采用仅用一个梯形棱镜让两路激光传输方向变为与中间一路激光并行的光束，极大地减小了所需的元件，降低了生产成本。而且光路简单，调节和维修方便。

2、由于本激光器的光束合并中不需要用伺服电机控制的转镜，减少所需的控制信号，简化了系统的控制电路系统。

3、通过调节梯形棱镜在系统光轴上的相对位置，可以方便地调节旁边的两路激光与中间一路激光的并行间距，使三路激光在汇聚透镜上获得更好的聚焦结果，再加上光导锥的光线汇聚作用，最大程度的减小了耦合损耗，用非常紧凑的光路实现了三路激光的汇聚。

此处附上光导锥的工作原理：

光导锥是一种锥形光导管，其两端的横截面尺寸不同，能改变光束的孔径，将横截面大的光束改变为横截面小的光束。具体的：

光导锥是由一段锥形光纤构成，锥形光纤的纤芯的直径随光纤长度呈线性变化，以能通过光纤轴线的光线(称为子午光线)为例，光线进入光导锥后在纤芯与包层的分界面上每反射一次，再入射到对面的分界面时，入射角会减小，当光线经过多次反射后在分界面上的入射角不满足全反射条件时，就会从包层泄漏出去；但是，对于那些在进入光导锥时，其在入射横截面上的入射点距光导锥轴线的距离超过传输光纤的纤芯半径的光线，只要入射角很小，经过一定长度的光导锥后，仍满足全反射条件，这些光线就能够进入传输光纤，因此，将光导锥设置在会聚透镜的焦平面上，其孔径与三路激光在汇聚透镜焦面上的分布相匹配，输出端的孔径与传输光纤的匹配，光导锥就能使汇聚透镜输出的光束更多地进入传输光纤。

附图说明

图1是本实用新型的简约型三路钬激光器的俯视图。

图2是梯形棱镜斜面的光路图。

图3是底角A不同的取值，对应的J的变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1和图2所示的简约型三路钬激光器，包括第一钬激光谐振腔1、第二钬激光谐振腔2、第三钬激光谐振腔3、梯形棱镜4、汇聚透镜5、光导锥6和传输光纤7；

第一钬激光谐振腔1、第二钬激光谐振腔2和第三钬激光谐振腔3均包括依次同轴放置的前腔镜9、聚光腔和输出镜8，前腔镜9和输出镜8为平面镜，前腔镜9是波长为2.094微米全反射镜，输出镜8是波长为2.094微米的部分反射镜；

梯形棱镜4的材料为石英玻璃，梯形棱镜4为等腰梯形棱镜，梯形棱镜4的上面和两个斜面均镀有波长为2.094微米的增透膜；

光导锥6的较大端面朝向汇聚透镜5，并与汇聚透镜5的焦平面重合，光导锥6的较小端面朝向传输光纤7；

第二钬激光谐振腔2的中心光轴、梯形棱镜4的中心光轴、汇聚透镜5的中心光轴与光导锥6的中心光轴同轴；第二钬激光谐振腔2的出射光沿中心光轴传输，即垂直入射到梯形棱镜的上面，并以垂直于梯形棱镜底面的方向从底面出射，垂直入射到汇聚透镜中心。

第一钬激光谐振腔1、第二钬激光谐振腔2、第三钬激光谐振腔3处于同一水平面，第一钬激光谐振腔1的中心光轴与第二钬激光谐振腔2的中心光轴的夹角为J，第三钬激光谐振腔3的中心光轴与第二钬激光谐振腔2的中心光轴的夹角为J，第一钬激光谐振腔1的出射光射到梯形棱镜4的一个斜面，经过折射之后垂直于梯形棱镜4的底面射出，第三钬激光谐振腔3的出射光入射到梯形棱镜4的另一个斜面，经过折射之后垂直于梯形棱镜4的底面射出；

第一钬激光谐振腔1、第二钬激光谐振腔2、第三钬激光谐振腔3处于同一水平面，第一钬激光谐振腔1、第三钬激光谐振腔3对称分布在第二钬激光谐振腔2的两侧。第一钬激光谐振腔1和第三钬激光谐振腔3的出射光分别入射到梯形棱镜的2个斜面，它们的入射方向与中心光轴的夹角均为J，入射角均为A+J，其中，A是梯形棱镜4的2个斜面与底面的夹角；当梯形棱镜4的底角A与光束的入射角A+J满足nsinA＝sin(A+J)时，第一钬激光谐振腔1和第三钬激光谐振腔3的出射光经过梯形棱镜的斜面折射后，传输方向均变为与中心光轴平行，并以垂直于梯形棱镜底面的方向从底面出射。当所用的石英材料对钬激光的折射率为n＝1.4367，底角A与J之间的关系如图3所示。我们根据系统整体布局的需要确定底角A的大小，在本实施例中，选择A＝20°，J＝9.4313°。

下面对本简约三路钬激光器的调试进行说明：

在调试系统时，根据光的可逆性，要求调试光从梯形棱镜底面垂直入射到任一斜面上时，出射光与中心光轴的夹角也是J，即出射光的偏转角是J。

通常我们用可见的氦氖激光作为调试光束。由于氦氖激光的波长(632.8nm)与钬激光的波长不同，设上述石英玻璃对于氦氖激光的折射率n＝1.4570，用氦氖激光时的偏转角仍然是J，那么，调试用的梯形棱镜的底角不同于A＝20°。根据sin(J+A’)＝1.4570·sinA’，可算出A’＝19.2015°，因此，用一个底角为19.2015°的梯形棱镜，让氦氖激光垂直入射到梯形棱镜的底面，从分别2个斜面折射时出射光的偏转角为J＝9.4313°，具体的调试步骤为：

(1)在中路谐振腔和光阑之间放置A＝19.2015°的梯形棱镜，将氦氖激光放置在图1中路谐振腔的右边，调试氦氖激光的位置与俯仰，让氦氖激光垂直入射到中间一路激光器谐振腔，并从谐振腔中心线上穿过。将一个光阑置于氦氖激光的前面，让氦氖激光从光阑中间通过。

(2)细调中间一路激光器前腔镜的俯仰，让前腔镜反射的光束回到光阑的光斑位于光阑中央。细调激光器输出镜的俯仰，让输出镜反射的光束经过梯形棱镜后，回到光阑时的光斑位于光阑中央。

(3)在光阑前放上梯形棱镜，调节梯形棱镜的位置与俯仰，使氦氖激光垂直入射到梯形棱镜的底面，并位于下底面的对称中心，氦氖激光从梯形棱镜的顶面出射。

(4)移动氦氖激光，让氦氖激光垂直入射到梯形棱镜的底面后，氦氖激光从梯形棱镜的斜面(图中下方的斜面)出射。将光阑置于氦氖激光的前面，并让氦氖激光从光阑中间通过。

(5)调节图1中最上方的激光器谐振腔，调节该谐振腔位置，让氦氖激光从该谐振腔中心线上穿过，细调该激光器前腔镜的俯仰，让前腔镜反射的光束经过梯形棱镜回到光阑的光斑位于光阑中央。细调激光器输出镜的俯仰，让输出镜反射的光束经过梯形棱镜后，回到光阑时的光斑位于光阑中央。

(6)参照步骤(4)和(5)就可调节好图1的最下方的激光器谐振腔。

(7)将氦氖激光回调到中间位置，并有(3)的结果后，用A＝20°的梯形棱镜替换A＝19.2015°的梯形棱镜，检查梯形棱镜的俯仰，让梯形棱镜的底面仍然保持垂直于氦氖激光。

(8)经过上述调试，三路钬激光器工作时，三路钬激光将按照调试的氦氖激光的反方向传输，经过梯形棱镜后，变为三束并行的激光。

细调梯形棱镜在中心光轴方向上的位置，可以改变三路光束的的间距，让光斑紧凑地并列在一起，有利于耦合透镜的聚焦。

(9)在梯形棱镜的后面同轴放置汇聚透镜、光导锥，即完成了系统的调试，实现了三路钬激光耦合进入了同一条传输光纤。

上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (1)

1.简约三路钬激光器，其特征在于：包括第一钬激光谐振腔、第二钬激光谐振腔、第三钬激光谐振腔、梯形棱镜、汇聚透镜、光导锥和传输光纤；

所述第一钬激光谐振腔、第二钬激光谐振腔和第三钬激光谐振腔均包括依次同轴放置的前腔镜、聚光腔和输出镜，前腔镜和输出镜为平面镜，前腔镜是波长为2.094微米全反射镜，输出镜是波长为2.094微米的部分反射镜；

所述梯形棱镜为等腰梯形棱镜，梯形棱镜的上面和两个斜面均镀有波长为2.094微米的增透膜；

所述光导锥的较大端面朝向汇聚透镜，并与汇聚透镜的焦平面重合，光导锥的较小端面朝向传输光纤；

所述第二钬激光谐振腔的中心光轴、梯形棱镜的中心光轴、汇聚透镜的中心光轴与光导锥的中心光轴同轴；

所述第一钬激光谐振腔、第二钬激光谐振腔、第三钬激光谐振腔处于同一水平面，第一钬激光谐振腔的中心光轴与第二钬激光谐振腔的中心光轴的夹角为J，第三钬激光谐振腔的中心光轴与第二钬激光谐振腔的中心光轴的夹角为J，第一钬激光谐振腔的出射光射到梯形棱镜的一个斜面，经过折射之后垂直于梯形棱镜的底面射出，第三钬激光谐振腔的出射光入射到梯形棱镜的另一个斜面，经过折射之后垂直于梯形棱镜的底面射出。