CN205583365U - 半导体双端泵浦板条多程折叠腔激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种半导体双端泵浦板条多程折叠腔激光器，解决了现有泵浦板条激光器存在的体积庞大、结构复杂、晶体受热不均等问题。技术方案包括半导体泵浦模块、激光谐振腔模块和位于激光谐振腔模块中心的增益介质模块，所述增益介质模块为板条激光晶体，所述半导体泵浦模块为分别位于所述板条激光晶体两个端面侧的两个半导体泵浦激光器及其对应的耦合透镜。本实用新型能得到高光光效率、高功率、高光束质量的激光输出，具有结构简单、体积小、生产和制造成本低、维护简单、使用寿命长的优点。

Description

半导体双端泵浦板条多程折叠腔激光器

技术领域

本实用新型涉及一种激光器，具体的说是一种半导体双端泵浦板条多程折叠腔激光器。

背景技术

半导体激光器泵浦的全固态激光器因具有转换效率高、稳定性好、结构紧凑、使用寿命长等众多优点，使其成为当今固态激光技术研究的热点之一，其中板条激光器由于泵浦效率高、大面散热效率好而受到广泛重视。现有的1064nm激光器多是采用棒状晶体得到近红外激光输出，采用棒状工作介质的高功率固体激光器在长时间运转时，工作介质的径向温度梯度使棒呈现出热透镜效应和双折射效应，进而严重降低了光束质量，直接限制了高功率激光的高光束质量输出。

早在20世纪70年代美国GE公司的W.B.Martin等就提出了板条激光器设计的概念，使得板条晶体内部温度场的分布趋于均匀，极大降低了晶体本身的热效益。但该方案存在结构设计复杂、吸收长度短、抽运效率低等缺点，限制了其进一步的发展。对于板条结构的固体激光器，国内已经做出了基于侧面泵浦、角泵浦和部分端面泵浦技术的激光器，侧面泵浦的泵浦光与腔内模式匹配不好，效率不高，输出光束质量不好；角泵浦的耦合效率不高，加工工艺复杂，成本高；大多数端面泵浦的结构复杂，增益介质太长时，远离泵浦光输入端的增益不够，增益不均匀，而且泵浦光发散角大，泵浦效率不高；增益 介质太短时，单程增益不高导致输出功率不高。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构简单、吸收长度长、抽运效率高、热效应分布更均匀，泵浦光宽度方向与腔内模式匹配，泵浦效率更高、晶体内泵浦光长度方向热分布更均匀，有效减小了热效应的影响，从而获得更好光束质量、更高效率和更高功率的激光输出的半导体双端泵浦板条多程折叠腔激光器。

本实用新型激光器包括半导体泵浦模块、激光谐振腔模块和位于激光谐振腔模块中心的增益介质模块，所述增益介质模块为板条激光晶体，所述半导体泵浦模块为分别位于所述板条激光晶体两个端面侧的两个半导体泵浦激光器及其对应的耦合透镜；所述两个半导体泵浦激光器对向射出的两束泵浦光经对应的耦合透镜及所述激光谐振腔模块对向射入板条激光晶体中，板条激光晶体在泵浦光的激励下产生受激辐射在激光谐振腔模块内谐振后部分输出。

所述激光谐振腔模块为多程折叠激光谐振腔模块，包括两个分色折镜、用于使激光光束偏折的两个偏折镜以及一个用于全反射激光光束的全反尾镜和用于输出部分激光光束的部分输出镜；以板条激光晶体为中心，所述两个分色折镜对称设置、两个偏折镜对称设置、全反尾镜和部分输出镜对称设置；所述多程折叠激光谐振腔模块内的激光光束被全反尾镜反射后，在两个偏折镜间多程折叠，从而使激光光束多次经过板条激光晶体获得多次增益，最后由部分输出镜部分输出。

作为本实用新型的一个优选结构：所述两个分色折镜分设于板条激光晶体的两侧，分别位于泵浦光耦合透镜与板条激光晶体之间；

所述偏折镜与所述分色折镜对应，分别设于分色折镜与全反尾镜和分色折镜与部分输出镜之间，用于将被分色折镜反射的部分激光光束偏转角度后再经分色折镜反射回板条激光晶体。

泵浦光光轴、耦合透镜中心轴线、分色折镜中心、板条激光晶体中心轴线都在同一直线上，称为主轴线；全反尾镜、部分输出镜和偏折镜位于垂直于主轴线的方向上。

所述分色折镜双面镀泵浦光增透膜，反射面镀1064nm全反膜；偏折镜的反射面镀1064nm激光全反膜；全反尾镜的反射面镀1064nm全反膜，部分输出镜的激光入射面镀1064nm激光部分透过膜。

作为本实用新型的另一优选结构：所述偏折镜设于板条激光晶体和分色折镜之间，用于将来自板条激光晶体的激光光束偏转角度后反射回板条激晶体。

所述两个分色折镜，一个位于全反尾镜与偏折镜之间，另一个位于部分输出镜与偏折镜之间；分色折镜中心和板条激光晶体中心轴线在同一直线上，称这条直线方向为主轴线方向，全反尾镜、部分输出镜、偏折镜沿主轴线方向摆放，半导体泵浦激光器与耦合透镜沿垂直于主轴线的方向摆放。

所述分色折镜双面镀1064nm增透膜，反射面镀泵浦光全反膜；偏折镜的双面镀泵浦光增透膜，反射面镀1064nm激光全反膜；全反尾镜的反射面镀1064nm全反膜，部分输出镜的激光入射面镀1064nm 激光部分透过膜。

所述分色折镜反射面法线与泵浦光光轴夹角优选为a为40°-50°，分色折镜的反射面法线与对应的偏折镜的反射面法线的夹角b优选为35°～55°。

与现有的板条激光器相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)，采用双端泵浦对向入射板条激光晶体，不但使泵浦光与激光腔模式匹配更好，而且对称的泵浦光使得板条激光晶体热效应分布更为均匀，光-光效率更高，输出更高功率更好光束质量的激光；

(2)，利用两个偏折镜实现激光多程折叠通过激光晶体，在同一增益介质长度的条件下有效增加增益长度，使得输出功率更高；

(3)，激光多程折叠通过激光晶体可以使激光板条晶体内泵浦光长度方向的热分布更均匀，可以输出更好光束质量的激光；

(4)，板条状激光晶体可以使用大面与散热水冷热沉接触，显著增加散热面积，散热效果更好，输出光束质量更好，光功率更高；

(5)浦泵光在板条激光晶体入射面和射出面为板条激光晶体的对应的两个端面，采用端面直接入射的方式，使得入射光线的角度及位置更易控制，减少激光的损耗，提高光束质量，解决了泵浦光由侧面经镜面反射再入射导致的光功率损耗大、提取效率不高，从而输出功率不高的问题。

总而言之，本实用新型提出的半导体双端泵浦板条晶体多程折叠腔激光器方案能得到高光光效率、高功率、高光束质量的激光输出，具有结构简单、体积小、生产和制造成本低、控制维护简单、使用寿 命长的优点。

附图说明

图1是根据本实用新型实施例的半导体激光器双端泵浦板条晶体多程折叠腔激光器结构示意图；

图2是根据本实用新型实施例的半导体激光器双端泵浦板条晶体多程折叠腔激光器另一种结构示意图。

图3是根据本实用新型实施例的半导体激光器双端泵浦板条晶体多程折叠腔激光器另一种结构示意图。

图4是根据本实用新型实施例的半导体激光器双端泵浦板条晶体多程折叠腔激光器另一种结构示意图。

1-板条激光晶体，2、3-分色折镜，4、5-偏折镜，6、7-耦合透镜，8-部分输出镜，9-全反尾镜，10、11-半导体泵浦激光器。

具体实施例方式

下面结合附图对本实用新型作进一步解释说明：

实施例1：参见图1，本实用新型激光器包括半导体泵浦模块、多程折叠激光谐振腔模块和增益介质模块，所述增益介质模块为板条激光晶体1，所述半导体泵浦模块为两个半导体泵浦激光器10、11，及对应的两个耦合透镜6、7；所述多程折叠激光谐振腔模块包括两个分色折镜2、3，两个偏折镜4、5以及全反尾镜9和部分输出镜8。参见图1，本实施例中，以板条激光晶体1为对称中心，水平方向由内外向依次对称布置两个分色折镜2、3、两个耦合透6、7镜和两个半导体泵浦激光器10、11，沿两个分色折镜2、3的反射面的激光光 路上两个偏折镜4、5对称布置，全反尾镜9和部分输出镜8对称布置。所述分色折镜反射面法线与泵浦光光轴夹角为a为40°-50°，分色折镜的反射面法线与对应的偏折镜的反射面法线的夹角b为35°～55°，具体角度的控制距离根据多程折叠激光谐振腔模块内激光光束的折叠次数决定，本领域技术人员可以根据实际需要合理设计。

本实施中，所述分色折镜2、3双面镀泵浦光增透膜，反射面镀1064nm全反膜；偏折镜4、5的反射面镀1064nm激光全反膜；全反尾镜9的反射面镀1064nm全反膜，部分输出镜8的激光入射面镀1064nm激光部分透过膜，本实施例中透过率控制在15％-40％。

所述板条激光晶体可选用Nd:YVO₄晶体或Nd:YAG晶体或Nd:GdVO₄晶体；激光晶体尺寸可选为12mm×10mm×1mm，通光方向为10mm尺寸方向，厚度为1mm，12mm×1mm面镀泵浦光和激光增透膜；设计的水冷热沉与激光晶体大面通过铟箔接触散热。

优选地，半导体泵浦激光器10、11可选用的中心波长为808nm或880nm，半导体泵浦激光器10、11发出的泵浦光经过耦合透镜6、7整形后在板条激光晶体1端面是长条形，宽度方向与腔内基模尺寸匹配，长度方向与板条激光晶体1端面长度尺寸匹配。具体地，泵浦光光轴、耦合透镜中心轴线、分色折镜2、3中心、板条激光晶体5中心轴线都在同一直线上，称为主轴线；全反尾镜9、部分输出镜8和偏折镜4、5位于垂直于主轴线的方向上。

原理：

对称设置的两个半导体泵浦激光器10、11由两端对向发射泵浦 光形成双端泵浦光，所述双端泵浦光经耦合透镜6、7整形，分别透过分色折镜2、3由板条激光晶体1的两侧端面对向入射进入板条激光晶体1，板条激光晶体1在泵浦光的激励下产生受激辐射，激光光束由板条激光晶体1的两端面射出，在多程折叠激光谐振腔模块内谐振输出；谐振腔内激光是无限次重复同一往返路径，为简单说明激光谐振光路，假设光路以板条激光晶体5靠近分色折镜3的端面为起点，激光光束经分色折镜3、全反尾镜9反射后，重新进入板条激光晶体1，再由分色折镜2反射到偏折镜4上，再由偏折镜4偏折一定角度后反射回分色折镜2，再由分色折镜2反射回板条激光晶体1，由板条激光晶体1另一侧射出的激光光速再经分色折镜3的反射、偏折镜5偏折一定角度后再经分色折镜3的反射后重新进入板条激光晶体1，如此多程折叠通过板条激光晶体1，最后由激光晶体1出射由分色折镜2反射到部分输出镜8上，由部分输出镜8输出激光。

分色折镜2、3、偏折镜4、5选为平面反射镜，全反尾镜9和部分输出镜8可以为平面镜，或者曲率为2000mm的平凹镜，根据使激光输出功率和光束质量最佳来选取。

本实施例中，每个所述半导体泵浦激光器的功率为100W，合计200W泵浦光输入时，可输出约93W近红外激光，光束质量因子约为1.3。相比于同样功率下的单端泵浦结构，输出功率更高，光束质量更好；相比于稳非稳双端泵浦结构，输出的光束质量更高。

参见图1及图2，作为本实施例的变形，偏折镜4及对应的部分输出镜8，和偏折镜5和对应的全反尾镜9可以在同侧设置，也可以 分别在两对侧设置，仅需对应改变分色折镜2、3的摆放方式即可。

实施例2

本实施例中，将偏折镜4、5设于板条激光晶体1的两侧，即位于板条激光晶体1和分色折镜之间，，利用偏折镜挡住板条激光晶体1大部分端面，留出一部分端面使激光输出到部分输出镜8，由板条激光晶体1射出的激光光束能够在偏折镜4、5之间多次穿过板条激光晶体1进行多程折叠。具体地，分色折镜中心和板条激光晶体中心轴线在同一直线上，称这条直线方向为主轴线方向，全反尾镜9、部分输出镜8、偏折镜4、5沿主轴线方向摆放，半导体泵浦激光器10、11与耦合透镜6、7沿垂直于主轴线的方向摆放。本实施例中，所述分色折镜2、3双面镀1064nm增透膜，反射面镀泵浦光全反膜；偏折镜4、5的双面镀泵浦光增透膜，反射面镀1064nm激光全反膜；全反尾镜9的反射面镀1064nm全反膜，部分输出镜8的激光入射面镀1064nm激光部分透过膜，其余同实施例1。

原理：

对称设置的两个半导体泵浦激光器10、11发射泵浦光形成双端泵浦光，所述双端泵浦光经耦合透镜6、7整形，分别经分色折镜2、3反射后由板条激光晶体1的两侧端面对向入射进入板条激光晶体1，板条激光晶体1在泵浦光的激励下产生受激辐射，激光光束由板条激光晶体1的两侧端面反向射出，激光在腔内开始谐振；

谐振的激光光束在偏折镜4、5的作用下穿过板条激光晶体1在偏折镜4、5之间多程折叠，再透过分色折镜3被全反尾镜9反射后， 再在偏折镜4、5之间多程折叠后透过分色镜2经部分输出镜8输出激光。

本实施例中，每个所述半导体泵浦激光器的功率为100W，合计在200W泵浦光输入时，可输出约75W近红外激光，光束质量因子约为1.3。

参见图3及图4，作为本实施例的变形，半导体泵浦激光器10、11及其对应的耦合透镜6、7可以在同侧设置，也可以在两对侧设置，仅需对应改变分色折镜2、3的摆放位置即可。

Claims (9)

1.一种半导体双端泵浦板条多程折叠腔激光器，包括半导体泵浦模块、激光谐振腔模块和位于激光谐振腔模块中心的增益介质模块，其特征在于，所述增益介质模块为板条激光晶体，所述半导体泵浦模块为分别位于所述板条激光晶体两个端面侧的两个半导体泵浦激光器及其对应的耦合透镜；所述两个半导体泵浦激光器对向射出的两束泵浦光经对应的耦合透镜及所述激光谐振腔模块对向射入板条激光晶体中，板条激光晶体在泵浦光的激励下产生受激辐射在激光谐振腔模块内谐振后输出激光。

2.如权利要求1所述的半导体双端泵浦板条多程折叠腔激光器，其特征在于，所述激光谐振腔模块为多程折叠激光谐振腔模块，包括两个分色折镜、用于使激光光束偏折的两个偏折镜以及一个用于全反射激光光束的全反尾镜和用于输出部分激光光束的部分输出镜；以板条激光晶体为中心，所述两个分色折镜对称设置、两个偏折镜对称设置、全反尾镜和部分输出镜对称设置；所述多程折叠激光谐振腔模块内的激光光束被全反尾镜反射后，在两个偏折镜间多程折叠，从而使激光光束多次经过板条激光晶体获得多次增益，最后由部分输出镜部分输出。

3.如权利要求2所述的半导体双端泵浦板条多程折叠腔激光器，其特征在于，所述两个分色折镜分设于板条激光晶体的两侧；所述偏折镜与所述分色折镜对应，用于将被分色折镜反射的部分激光光束偏转角度后再经分色折镜反射回板条激光晶体。

4.如权利要求3所述的半导体双端泵浦板条多程折叠腔激光器，其特征在于，所述两个分色折镜对称位于两个耦合透镜与激光晶体之间；泵浦光光轴、耦合透镜中心轴线、分色折镜中心、板条激光晶体中心轴线都在同一直线上，称为主轴线；全反尾镜、部分输出镜和偏折镜位于垂直于主轴线的方向上。

5.如权利要求3或4所述的半导体双端泵浦板条多程折叠腔激光器，其特征在于，所述分色折镜双面镀泵浦光增透膜，反射面镀1064nm全反膜；偏折镜的反射面镀1064nm激光全反膜；全反尾镜的反射面镀1064nm全反膜，部分输出镜的激光入射面镀1064nm激光部分透过膜。

6.如权利要求2所述的半导体双端泵浦板条多程折叠腔激光器，其特征在于，所述偏折镜设于板条激光晶体和分色折镜之间，用于将来自板条激光晶体的部分激光光束偏转角度后反射回板条激晶体。

7.如权利要求6所述的半导体双端泵浦板条多程折叠腔激光器，其特征在于，所述两个分色折镜，一个位于全反尾镜与偏折镜之间，另一个位于部分输出镜与偏折镜之间；分色折镜中心和板条激光晶体中心轴线在同一直线上，这条直线方向称为主轴线方向，全反尾镜、部分输出镜、偏折镜沿主轴线方向摆放，半导体泵浦激光器与耦合透镜沿垂直于主轴线的方向摆放。

8.如权利要求6或7所述的半导体双端泵浦板条多程折叠腔激光器，其特征在于，所述分色折镜双面镀1064nm增透膜，反射面镀泵浦光全反膜；偏折镜的双面镀泵浦光增透膜，反射面镀1064nm激光全反膜；全反尾镜的反射面镀1064nm全反膜，部分输出镜的激光入射面镀1064nm激光部分透过膜。

9.如权利要求3所述的半导体双端泵浦板条多程折叠腔激光器，其特征在于，所述分色折镜反射面法线与泵浦光光轴夹角为a为40°-50°角，分色折镜的反射面法线与对应的偏折镜的反射面法线的夹角b为35°～55°角。