CN205790924U - 一种角锥式多冲程泵浦碟片激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种角锥式多冲程泵浦碟片激光器，包括：泵浦源；准直系统；环状端镜；碟片状晶体；夹角为90度的角锥镜；夹角为45度的棱镜组；中间带孔的凹面非球面反射镜，凹面朝向碟片晶体方向；输出耦合镜，八部分组成。本实用新型巧妙地利用了角锥棱镜与棱镜组组合，实现了对棱镜组折叠泵浦光的重新排布，设计出一种角锥式多冲程泵浦碟片激光器。该碟片激光器很好的解决了多冲程繁琐复杂的光路结构，通过角锥结构将折叠光路横向或纵向分离，使平凹非球面反射镜上呈现对称分布的双环泵浦光斑轮廓，使碟片激光器减小结构复杂性的同时又可实现晶体对泵浦光的多次吸收，大大提升了抽运光的利用率。
Description
技术领域
本实用新型涉及碟片激光器领域，具体涉及到一种角锥式多冲程泵浦碟片激光器领域。
背景技术
碟片激光器作为一种新型固体激光器，自1994年被德国斯德图特大学A.Giesen教授提出并报道以来，受到广泛关注。碟片激光器具有高平均功率、高光束质量、高转换效率的方向快速发展。目前以光纤激光器和碟片激光器为代表的新一代固体激光器已经成为激光器家族中的典型代表。但是，由于碟片激光器的晶体很薄，每次对泵浦光吸收有限，所以势必要采用，多冲程泵浦的碟片激光器，让泵浦光多次通过碟片激光器，使泵浦光获得高吸收效率，因此多次泵浦技术和光斑匀化技术是高功率碟片固体激光器高效稳定运行的核心技术之一。1994年，A.Giesen教授提出了多次泵浦的概念，碟片思想得以实现。2003年，Steffen Erhard等提出了单抛物面物面和多棱镜构成的空间旋转多次泵浦的结构；2001年，Steffen Erhard等对上述方案进行改进提出了基于单抛物面和两个大型棱镜实现光束空间旋转多次泵浦技术的方案，实现泵浦光32次的泵浦，使得泵浦光得到有效地利用。2008年，朱晓等提出一种基于对称共轭双抛物面的多次泵浦方案，实现泵浦光斑的多次传输，其泵浦次数与激光晶体和矫正镜的夹角有关。2011年，朱广智提出一种基于离轴抛物面的碟片固体激光器的多次泵浦方案，实现泵浦光斑的32次传输，其泵浦次数与控制两抛物面的离轴量或碟片晶体与矫正镜的相对角度就可实现可控的多次泵浦有关。
现有方法中采用棱镜组结构对于多冲程碟片激光器而言，调节难度大，结构复杂，当冲程数高于24冲程后，需要增加用于折返光路的棱镜组数量，由于棱镜组之间需要相互配合和精密计算光路走向才能进行光束聚焦泵浦，对于加工和调节来说难度很大。
实用新型内容
为了解决多冲程泵浦碟片激光器的结构复杂性和调节难度，本实用新型介绍了一种角锥式多冲程泵浦碟片激光器，其通过利用角锥棱镜这一特殊结构，巧妙的解决了多冲程碟片激光器结构复杂性、调节难度大和光斑匀化的核心技术问题。利用4组成90度的棱镜与角锥棱镜配合使用，完成两轮多冲程泵浦结构。碟片增益晶体采用厚度为100-300mm的Yb:YAG，Nb:YAG等增益晶体，同时晶体后表面需要焊接在热沉上。采用背面冷却方式进行冷却，晶体前表面镀对泵浦光和 激光波段透射的增透膜，后表面镀对泵浦光和激光波段反射的反射膜并作为谐振腔的一个后端镜，或作为谐振腔内的一个平面反射镜，构成直线、V、Z型腔结构。
通过对角锥棱镜的调节可以实现非球面镜双环泵浦光点的位置变化，该变化反映了晶体上耦合光斑分布特性，对于光斑匀化调整起到关键调整指导作用。
一个中间带孔的平凹非球面反射镜，凹面朝向碟片晶体方向；一个碟片增益晶体，于非球面反射镜聚焦中心位置，其正面用于泵浦光抽运，背面焊接在金属热沉上用于背向冷却；一个中心带有孔洞的端镜，于准直系统同轴位置，中心孔洞使泵浦光通过，环带用于作为反射端镜；一个夹角为90的角锥镜，于第一轮泵浦光吸收后输出位置，经过角锥后光路发生偏转，继续以平行光输出到非球面镜上完成第二轮泵浦光吸收；两组夹角成45度的棱镜，以晶体聚焦点为轴成圆周阵列分布，同时棱镜两两之间互成90度放置。
一个中心带有孔洞的端镜，孔洞为预留给泵浦光通过。当完成第一轮泵浦光吸收后，剩余未被吸收的泵浦光会通过中心带孔的端镜外环带反射回碟片激光器棱镜组内完成第二轮泵浦光对晶体的冲程泵浦，最终实现晶体对泵浦光的48次吸收的过程。同时通过精确控制孔径和泵浦光光束直径，该结构可以避免高功率下剩余未被吸收的光进去泵浦源，造成泵浦源光纤头烧毁。
优选地，对角锥棱镜和晶体位置进行三维调节即可完成多冲程的结构和匀化过程。
优选地，中心带有孔洞的端镜为该碟片激光器一个特殊设计的结构，因为现有技术中碟片激光器在完成泵浦后，未被碟片激光器增益晶体吸收的光会反射到泵浦源激光头上，当应用于高功率时，会对激光头产生烧灼，严重的会使泵浦光源烧毁。为此利用这种中心带有孔洞的端镜和角锥棱镜进行配合，最大限度的减少未被晶体吸收的泵浦光对激光头的影响。可以保证获得高功率碟片激光器输出的同时，泵浦光光源不受影响。
总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本实用新型提供的一种角锥式多冲程泵浦碟片激光器，由于应用了角锥棱镜结构，使泵浦光48次通过碟片晶体，使得泵浦光利用率大幅度提升。泵浦光光斑的均匀性也可通过非球面镜上的双环带进行指导调节，进而获得高功率激光的输出。
(2)本实用新型解决了多冲程激光器结构的复杂性问题，利用角锥结构即可以实现多冲程结构，并且该碟片激光器体积较小，机械结构性简单易于加工。
附图说明
图1为实施例1的一种角锥式碟片激光器三维平面图；
图2为实施例1中的中心带孔的平凹非球面反射面上的光斑轮廓图。圆圈内的0-24是光斑位置顺序号。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。该具体实施例以48冲程角锥式结构为例进行解释说明。
图1为实施例1的一种角锥式碟片激光器三维平面图，其包括：泵浦源1，准直系统2，中部带通孔的环状端镜3，碟片晶体4，角锥棱镜5，棱镜组6：A、B、C、D，中心带通孔的凹面非球面反射镜7，耦合输出镜8。
其中，一个夹角为90的角锥棱镜5两个夹角面有对泵浦光波段的反射膜，该角锥棱镜5可以通过后方三维调节旋钮和滑道进行平移和旋转，以改变和调整主反射镜光斑分布结构，进而完成多冲程泵浦和光斑匀化过程。
实例1工作流程为：
中部带通孔的环状端镜3、碟片晶体4、角锥棱镜5、非球面反射镜7、AB棱镜组、CD棱镜组、构成泵浦光多冲程传输系统：
泵浦源1发出的泵浦光经准直系统2变成平行光，平行光经环状端镜3中部的通孔入射到非球面反射镜7上，聚焦于处于非球面反射镜7焦点位置的碟片晶体4上；泵浦光再于碟片晶体4、非球面反射镜7、AB棱镜组、非球面反射镜7、碟片晶体4、非球面反射镜7、CD棱镜组、非球面反射镜7之间依次顺序传输，泵浦光经碟片晶体3次后再经非球面反射镜7反射至角锥棱镜5使光路折叠90度后，再由非球面反射镜7反射至碟片晶体4上，泵浦光再于碟片晶体4、非球面反射镜7、CD棱镜组、非球面反射镜7、碟片晶体4、非球面反射镜7、AB棱镜组、非球面反射镜7之间依次顺序传输，泵浦光经碟片晶体3次后再经非球面反射镜7反射至中部带通孔的环状端镜3上；
环状端镜3为反射镜，环状端镜3的反射光经非球面反射镜7反射至碟片晶体4上；泵浦光再于碟片晶体4、非球面反射镜7、CD棱镜组、非球面反射镜7、碟片晶体4、非球面反射镜7、AB棱镜组、非球面反射镜7之间依次顺序传输，泵浦光经碟片晶体3次后再经非球面反射镜7反射至角锥棱镜5使光路折叠90度后，再由非球面反射镜7反射至碟片晶体4上，泵浦光再于碟片晶体4、非球面反射镜7、AB棱镜组、非球面反射镜7、碟片晶体4、非球面反射镜7、CD 棱镜组、非球面反射镜7之间依次顺序传输，泵浦光经碟片晶体3次后再经非球面反射镜7反射通过环状端镜3中部的通孔、准直系统(2)至泵浦源1的输出端；
于远离非球面反射镜7一侧的碟片晶体4表面设有反射膜；泵浦光累计经碟片晶体24次，碟片晶体4完成48次对泵浦光的吸收；碟片晶体4与耦合输出镜8构成激光器谐振腔，其中碟片晶体4后表面镀的对泵浦光与激光波段具有高反射的反射膜作为谐振腔的的一个反射面。当晶体吸收泵浦光后发生能级跃迁并在谐振腔内振荡，通过耦合输出镜8输出。通过增加1、2或2个以上反射镜与输出耦合镜构成直线、V、Z形腔或异性腔实现激光器输出，已获得具有不同输出特性的激光。
两层环带上的每一个光斑点，之间等间距、等角度分布，以48冲程为例，两层环带中，每一层环带光斑夹角为30度。
一个中心带有孔洞的端镜，孔洞为预留给泵浦光通过。当完成第一轮晶体对泵浦光24次吸收后，剩余未被吸收的泵浦光会通过环状端镜外环带反射回碟片激光器内完成第二轮晶体对泵浦光24次的吸收。同时通过精确控制孔径和泵浦光光束直径，该结构可以避免高功率下剩余未被吸收的光进去泵浦源，造成泵浦源光纤头烧毁。
图2为实施例1中的中心带孔的平凹非球面反射面上的光斑轮廓图。利用该轮廓图进行进一步光斑传递说明，其中包括位于碟片激光器非球面反射镜焦点位置0的为碟片晶体。实例中非球面反射镜光斑传递过程为，第一次以平行光入射到碟片激光器主反射镜上的泵浦光斑位置为1，经过非球面反射镜后汇聚于在碟片晶体0处，出射晶体后完成两次吸收。未被吸收的泵浦光继续反射到光斑位置2，经过非球面镜反射后平行光出射到棱镜组后光路发生90度转折到达光斑位置3，经过非球面反射聚焦于增益晶体0，以此类推，顺序经过非球面镜、棱镜组(AB或CD)、非球面镜、晶体后，在非球面反射面上4、5、6、7、8、9、10、11、12出现光斑位置，相对于晶体累计完成24次对泵浦光的吸收。12与13位置为角锥棱镜位置，泵浦光被横向移动一段距离后发生光路发生90度转折以平行光到达13位置。利用光路可逆原理，泵浦光在非球面反射镜上，以严格对称分布的形式在1-13泵浦光斑外环形成光斑14-24泵浦光斑。最后通过光斑位置24至环状端镜反射面上，再次反射回光斑位置24，利用光路可逆原理，最后剩余未被吸收的泵浦光，在非球面镜上顺序通过光斑位置为24-1，最后通过光斑位置1反射回泵浦源光纤头位置，晶体完成对泵浦光的48次吸收。但是本实用新型巧妙的利用了角锥棱镜可以进行角度的旋转及平移可控制返回泵浦源上未被晶体吸收的泵浦光的方向，有效的避免或最大限度的降低了高功率下对光纤头的损伤，以 48冲程为例，理论计算值48冲程对晶体厚度为0.3mm，掺杂浓度为10％的Yb:YAG晶体吸收效率可达99.9％以上，还是没有完全实现100％吸收，对于开发高功率的碟片激光器剩余反射回泵浦源光纤头的泵浦光功率依然很高，的处理尤为重要。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
本实用新型巧妙地利用了角锥棱镜与棱镜组组合，实现了对棱镜组折叠泵浦光的重新排布，设计出一种角锥式多冲程泵浦碟片激光器。该碟片激光器很好的解决了多冲程繁琐复杂的光路结构，通过角锥结构将折叠光路横向或纵向分离，使平凹非球面反射镜上呈现对称分布的双环泵浦光斑轮廓，使碟片激光器减小结构复杂性的同时又可实现晶体对泵浦光的多次吸收，大大提升了抽运光的利用率。
Claims (7)
1.一种角锥式多冲程泵浦碟片激光器，包括泵浦源(1)，准直系统(2)，中部带通孔的环状端镜(3)，碟片晶体(4)，角锥棱镜(5)，棱镜组(6)，中心带通孔的凹面非球面反射镜(7)，耦合输出镜(8)；其特征在于：还包括角锥棱镜(5)和棱镜组(6)，棱镜组由4个反射棱镜构成，反射棱镜的反射面与碟片晶体的表面成45度角，且4个反射棱镜分别为A、B、C、D，A、B的反射面相对成夹角为90设置构成AB棱镜组，C、D的反射面相对成夹角为90设置构成CD棱镜组，且A、D的反射面相平行或处于同一平面，B、C的反射面相平行或处于同一平面；
中部带通孔的环状端镜(3)、碟片晶体(4)、角锥棱镜(5)、非球面反射镜(7)、AB棱镜组、CD棱镜组、构成泵浦光多冲程传输系统：
泵浦源(1)发出的泵浦光经准直系统(2)变成平行光，平行光经环状端镜(3)中部的通孔入射到非球面反射镜(7)上，聚焦于处于非球面反射镜(7)焦点位置的碟片晶体(4)上；泵浦光再于碟片晶体(4)、非球面反射镜(7)、AB棱镜组、非球面反射镜(7)、碟片晶体(4)、非球面反射镜(7)、CD棱镜组、非球面反射镜(7)之间依次顺序传输，泵浦光经碟片晶体(4)3次后再经非球面反射镜(7)反射至角锥棱镜(5)使光路折叠90度后，再由非球面反射镜(7)反射至碟片晶体(4)上，泵浦光再于碟片晶体(4)、非球面反射镜(7)、CD棱镜组、非球面反射镜(7)、碟片晶体(4)、非球面反射镜(7)、AB棱镜组、非球面反射镜(7)之间依次顺序传输，泵浦光经碟片晶体(4)3次后再经非球面反射镜(7)反射至中部带通孔的环状端镜(3)上；
环状端镜(3)为反射镜，环状端镜(3)的反射光经非球面反射镜(7)反射至碟片晶体(4)上；泵浦光再于碟片晶体(4)、非球面反射镜(7)、CD棱镜组、非球面反射镜(7)、碟片晶体(4)、非球面反射镜(7)、AB棱镜组、非球面反射镜(7)之间依次顺序传输，泵浦光经碟片晶体(4)3次后再经非球面反射镜(7)反射至角锥棱镜(5)使光路折叠90度后，再由非球面反射镜(7)反射至碟片晶体(4)上，泵浦光再于碟片晶体(4)、非球面反射镜(7)、AB棱镜组、非球面反射镜(7)、碟片晶体(4)、非球面反射镜(7)、CD棱镜组、非球面反射镜(7)之间依次顺序传输，泵浦光经碟片晶体(4)3次后再经非球面反射镜(7)反射通过环状端镜(3)中部的通孔、准直系统(2)至泵浦源(1)的输出端；
于远离非球面反射镜(7)一侧的碟片晶体(4)表面设有反射膜； 泵浦光累计经碟片晶体(4)24次，碟片晶体(4)完成48次对泵浦光的吸收；
位于非球面反射镜(7)中心通孔左右二侧的碟片晶体(4)和耦合输出镜(8)构成谐振腔；于谐振腔内增益晶体发生受激振荡产生激光由耦合输出镜(8)输出。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：
于靠近非球面反射镜(7)一侧的碟片晶体(4)表面设有增透膜。
3.根据权利要求1或2所述的激光器，其特征在于：
碟片晶体(4)厚度为0.1-0.3mm，于远离非球面反射镜(7)一侧的碟片晶体(4)后表面镀反射膜,反射膜表面设有热沉,通过热沉焊接进行背向冷却。
4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：
经环状端镜(3)中部通孔入射到上的平行光光路E位于AD二个反射棱镜之间、或CD二个反射棱镜之间；
入射至角锥棱镜(5)上的入射光光路F、再经角锥棱镜(5)反射的反射光光路G同样位于CD二个反射棱非球面反射镜(7)镜之间、或AD二个反射棱镜之间。
5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：
其角锥棱镜位置可以沿平行于碟片晶体(4)的平面自由平移，用来控制呈现在碟片激光器非球面反射镜(7)上的双环光斑的间距，角锥棱镜可通过空间旋转使非球面反射镜(7)上的两组环状光斑产生分离，旋转轴为通过角锥棱镜几何中心的、与碟片晶体(4)的法线平行的轴线，实现晶体耦合光斑区域最小或增大，此平移或旋转构成的环状光斑变化及晶体耦合光斑变化。
6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：非球面反射镜(7)的中心通孔的一侧设置有0个、1个或2个以上的反射镜，使碟片晶体(4)、反射镜及耦合输出镜(8)构成直线、V、Z型或异型激光谐振腔，经准直的泵浦光经中心带孔的端镜(3)进入泵浦光多冲程传输系统，所述多冲程传输系统中的碟片晶体(4)经多次吸收泵浦光后，实现粒子束翻转通过直线、V和Z型激光谐振腔振荡，实现稳定的高能激光输出。
7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：
泵浦源(1)为二极管阵列泵浦源，经过光纤耦合输出泵浦激光，准直系统(2)为由2-3片表面镀有和泵浦源波段相匹配的高透射率的增透膜镜片组成，且透射镜片沿着光路传输方向顺次排列，进而构成高斯光束整形准直系统，实现泵浦光准直及光束能量分布呈平顶分布。
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