CN205004613U - 简约四路钬激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种简约四路钬激光器，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、第四钬激光谐振腔、折射棱镜、汇聚透镜、光导锥和传输光纤；折射棱镜的入射端为四棱锥形状，折射棱镜的出射端为四棱柱形状，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，折射棱镜的中心光轴、汇聚透镜的中心光轴与光导锥的中心光轴同轴，为系统光轴；四个钬激光谐振腔的出射光分别射到折射棱镜入射端的四个斜面，经过折射之后沿系统光轴方向从折射棱镜的底面射出。本实用新型需要的元器件少、调试方便，不需要转动器件及其控制系统，可实现四路激光的合并，获得高功率的激光输出。

Description

简约四路钬激光器

技术领域

本实用新型涉及高功率固体激光器领域，尤其是一种简约四路钬激光器。

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，采用两路、三路或四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。

目前已报道的将四路钬激光合并光路后耦合输出的技术方案可分为两类：

1、第一类是以几何光学为基础，利用一个伺服电机控制的全反射镜，改变4路激光的光路，将4路激光反射到同一个耦合透镜中，从而进入同一条传输光纤中(例如，授权公告号CN202059047U，四核钬激光发生系统)，市场上已经有了以这类技术方案为基础的钬激光器产品。但是：

授权公告号为CN202059047U的四核钬激光发生系统，光路十分复杂，每一路激光需经两个反射镜反射后，入射到伺服电机控制的全反镜上，同时，需要控制电路精确控制伺服电机的转动。

而且，现有四路钬激光产品，需要8个全反镜、一个可转动的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，可转动的全反镜的转动规律必须与两个激光器的脉冲时间匹配。

2、第二类是利用波导技术，使用1×4的波分复用器(例如，授权公告号CN203277954U，多路固体钬激光集束装置)。

授权公告号CN203277954U的多路固体钬激光集束装置，以波导技术为基础的合波过程中，光功率损耗较大。以1550nm波长的1×4光波分复用器为例，中山奥康公司的插损在6.8dB左右。

而且，市场上还未见以波导技术为基础的钬激光器产品，目前市场上还没有能用于大功率钬激光的光波分复用器。

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四路钬激光器，需要的元器件少、调试方便，不需要转动器件及其控制系统，可实现四路激光的合并，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：

简约四路钬激光器，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、第四钬激光谐振腔、折射棱镜、汇聚透镜、光导锥和传输光纤；

所述四个钬激光谐振腔，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；

所述折射棱镜的入射端为四棱锥形状，折射棱镜的出射端为四棱柱形状，折射棱镜入射端的四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；

所述折射棱镜的中心光轴、汇聚透镜的中心光轴与光导锥的中心光轴同轴，为系统光轴；

所述第一钬激光谐振腔、第三钬激光谐振腔处于同一水平面，第二钬激光谐振腔、第四钬激光谐振腔处于同一竖直平面，所述水平面和所述竖直平面的交线，与所述系统光轴共轴，第一钬激光谐振腔的中心光轴与系统光轴的夹角为P、第二钬激光谐振腔的中心光轴与系统光轴的夹角为P，第三钬激光谐振腔的中心光轴与系统光轴的夹角为P，第四钬激光谐振腔的中心光轴与系统光轴的夹角为P，四个钬激光谐振腔的出射光分别射到折射棱镜入射端的四个斜面，经过折射之后沿系统光轴方向从折射棱镜的底面射出。

简约型四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)第一钬激光谐振腔、第二钬激光谐振腔、第三钬激光谐振腔和第四钬激光谐振腔分别从折射棱镜的4个斜面入射，经过斜面折射，传输方向改变为垂直于折射棱镜底面，与系统光轴平行。传输方向相互平行的4路激光，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，4路激光可以耦合进入与光导锥对接的传输光纤。

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。

本实用新型具有光路简单的特点，因此带来以下优点：

1、本激光器仅用一个折射棱镜让4路激光传输方向变为与系统光轴平行的光束，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、通过调节折射棱镜在系统光轴上的相对位置，可以方便地调节四路激光相互的间距，使四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四路激光的汇聚。

附图说明

图1是本实用新型的简约四路钬激光器的光路图。

图2是折射棱镜的光路图。

图3是底角A不同的取值，对应的P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所示的简约型四路钬激光器，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、第四钬激光谐振腔4、折射棱镜5、汇聚透镜6、光导锥7和传输光纤8，

所述四个钬激光谐振腔，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；

折射棱镜5的材料为石英玻璃，折射棱镜5的入射端11为四棱锥形状，折射棱镜5的出射端12为四棱柱形状，折射棱镜5入射端11的四个斜面均镀有波长为2.094微米的增透膜；折射棱镜5的固定部件夹持在出射端12。

光导锥7的较大端面朝向汇聚透镜6，并与汇聚透镜6的焦平面重合，光导锥7的较小端面朝向传输光纤8；

所述折射棱镜5的中心光轴、汇聚透镜6的中心光轴与光导锥7的中心光轴同轴，为系统光轴，即图1中的坐标系的Z轴；

所述第一钬激光谐振腔1、第三钬激光谐振腔3处于同一水平面，第二钬激光谐振腔2、第四钬激光谐振腔4处于同一竖直平面，所述水平面和所述竖直平面的交线，与所述系统光轴共轴，第一钬激光谐振腔1的中心光轴与系统光轴的夹角为P、第二钬激光谐振腔2的中心光轴与系统光轴的夹角为P，第三钬激光谐振腔3的中心光轴与系统光轴的夹角为P，第四钬激光谐振腔4的中心光轴与系统光轴的夹角为P，四个钬激光谐振腔的出射光分别射到折射棱镜5入射端11的四个斜面，经过折射之后沿系统光轴方向从折射棱镜5的底面射出。

如图2所示，折射棱镜5的四个斜面与底面的夹角均为A，设石英玻璃对钬激光的折射率n，第一钬激光谐振腔1的出射光、第二钬激光谐振腔2的出射光、第三钬激光谐振腔3的出射光、第四钬激光谐振腔4的出射光分别射到折射棱镜5的四个斜面的入射角为A+P，底角A与入射角A+P满足nsinA＝sin(A+P)时，四路激光的传输方向均变为与Z方向平行，其中，P是四束激光入射时分别与系统光轴的夹角，即四束激光入射时分别与图1中的Z方向的夹角。本实施例所用的石英材料对钬激光的折射率为n＝1.4367，底角A与P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＝25°，P＝12.3856°。

下面对本简约四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，要求调试光从出射端底面垂直入射到折射棱镜的任一斜面上时，出射光与z轴的夹角也是P，即出射光的偏转角是P。

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，若用氦氖激光时的偏转角仍然保持是P，那么，调试用的折射棱镜的底角不同于A＝25°。根据sin(P+A’)＝1.4570·sinA’，可算出A’＝24.0655°，因此，我们用一个底角为24.0655°的折射棱镜，让氦氖激光垂直入射到折射棱镜的底面，分别从四个斜面折射时出射光的偏转角为P＝12.3856°，具体的调试步骤为：

(1)根据折射棱镜放置的水平高度和位置，将氦氖激光放置在折射棱镜右边的适当位置，调节氦氖激光的俯仰，让其俯仰角为零。放置底角为A’折射棱镜，让氦氖激光垂直入射到折射棱镜的底面，平移氦氖激光，让氦氖激光进入四棱锥后入射到图1中的斜面(第一钬激光谐振腔所对应的那个斜面)，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)调节第一钬激光谐振腔，让钬激光从谐振腔中心射出。调节第一钬激光谐振腔的前腔镜的俯仰，让前腔镜的反射光束回到上述斜面的出射点，进一步细调让反射光束穿过折射棱镜回到光阑上的光斑位于光阑中央。调节第一钬激光谐振腔的输出镜的俯仰，让输出镜的反射光束回到上述斜面的出射点，进一步细调让反射光束穿过折射棱镜回到光阑上的光斑位于光阑中央。

(3)沿X轴平移氦氖激光，让氦氖激光进入折射棱镜后入射到图1中的斜面(第三钬激光谐振腔所对应的那个斜面)，并保持氦氖激光仍然垂直于折射棱镜的底面，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。调节第三钬激光谐振腔，让钬激光从谐振腔中心射出。调节第三钬激光谐振腔的前腔镜的俯仰，让前腔镜的反射光束回到斜面的出射点，进一细调让反射光束穿过折射棱镜回到光阑上的光斑位于光阑中央。调节第三钬激光谐振腔的输出镜的俯仰，让输出镜的反射光束回到上述斜面的出射点，进一步细调让反射光束穿过折射棱镜回到光阑上的光斑位于光阑中央。

(4)在垂直方向上，移动氦氖激光，用类似于(3)的方法，调节其余两个钬激光谐振腔。

(5)保持氦氖激光器和光阑在上述调节结束时的状态，用底角为A的折射棱镜替换底角为A’的折射棱镜，让折射棱镜的底面垂直于氦氖激光。然后去掉氦氖激光器和光阑。至此完成了四路激光器谐振腔的调试。

经过上述调试，钬激光器工作时，四路钬激光将按照调试时的氦氖激光的反方向传输，经过折射棱镜后，变为四束相互平行的激光。

四束激光入射到汇聚透镜上的光斑呈矩形分布。细调折射棱镜在图1中的X与Y方向的位置，可以让光斑呈正方形分布；细调折射棱镜在图1中的Z方向的位置，可以让四个呈正方形分布的光斑紧凑地靠在一起，有利于汇聚透镜的聚焦。

(6)在折射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，可实现四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.简约四路钬激光器，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、第四钬激光谐振腔、折射棱镜、汇聚透镜、光导锥和传输光纤；

所述四个钬激光谐振腔，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；

所述折射棱镜的入射端为四棱锥形状，折射棱镜的出射端为四棱柱形状，折射棱镜入射端的四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；

所述折射棱镜的中心光轴、汇聚透镜的中心光轴与光导锥的中心光轴同轴，为系统光轴；

所述第一钬激光谐振腔、第三钬激光谐振腔处于同一水平面，第二钬激光谐振腔、第四钬激光谐振腔处于同一竖直平面，所述水平面和所述竖直平面的交线，与所述系统光轴共轴，第一钬激光谐振腔的中心光轴与系统光轴的夹角为P、第二钬激光谐振腔的中心光轴与系统光轴的夹角为P，第三钬激光谐振腔的中心光轴与系统光轴的夹角为P，第四钬激光谐振腔的中心光轴与系统光轴的夹角为P，四个钬激光谐振腔的出射光分别射到折射棱镜入射端的四个斜面，经过折射之后沿系统光轴方向从折射棱镜的底面射出。