CN211088738U - 一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光器，特别是一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器,它至少包括激光二极管泵浦源、激光谐振腔；激光谐振腔包括谐振腔输入镜、激光介质、谐振腔输出镜，激光介质在谐振腔输入镜和谐振腔输出镜之间，激光介质是YAG透明陶瓷棒，所述YAG透明陶瓷棒的长度为l，直径为D，其特征是：在长度为l的YAG透明陶瓷棒轴线上，小于直径D长度为YAG透明陶瓷棒长l的柱形空间有掺杂的Nd³⁺，激光二极管泵浦源对长度为l的YAG透明陶瓷棒进行泵浦，在谐振腔输入镜和谐振腔输出镜之间的谐振腔产生基模或低阶模振荡光产生增益放大输出。实现具有高光束质量和高输出效率的圆棒状陶瓷激光器。

Description

一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器

技术领域

本实用新型涉及一种激光器，特别是一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器。

背景技术

Nd:YAG陶瓷激光器，主要由泵浦源激光二极管阵列和谐振腔组成。谐振腔为激光器的核心部分，其中以透明陶瓷作为材料的激光介质是实现将泵浦能量转化成激光能量的枢纽。Nd:YAG透明陶瓷相对于Nd:YAG单晶，具有更高的掺杂浓度，能够进行大尺寸设计的优势，且与Nd:YAG单晶近乎相同的物理化学和光学性能，使其在全固态大功率激光器中具有广泛应用。

目前所见多数陶瓷激光器中的激光介质多为圆棒状、板条状、碟片状结构。其中圆棒状激光介质应用最为广泛，尤其在侧面泵浦激光器中是一种综合性能比较优越的结构，便于实现均匀分布的泵浦光排列。但是，在均匀掺杂的棒状陶瓷介质中，由于棒内部靠近侧表面的区域存在大量的对泵浦光的吸收，导致泵浦能量在棒中心区域的分布被严重削弱。陶瓷介质中上能级粒子数的分布分散于整个介质，当激光器工作时，处于激光棒边缘区域的高阶模被大量激发，引起激光的光束质量变差，同时，位于棒中心区域的基模或低阶模的能量占比变小，影响激光器的应用效果。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种结构简单、输出效率高、克服传统棒状陶瓷介质对泵浦光的吸收范围过于分散的缺陷，抑制输出光中高阶模的成分，将激光能量集中于基模或低阶模，提升输出光的光束质量。实现具有高光束质量和高输出效率的圆棒状陶瓷激光器及设计方法。

本实用新型的目的是这样实现的，一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器，它至少包括激光二极管泵浦源、激光谐振腔；激光谐振腔包括谐振腔输入镜、激光介质、谐振腔输出镜，激光介质在谐振腔输入镜和谐振腔输出镜之间，激光介质是YAG透明陶瓷棒，所述YAG透明陶瓷棒的长度为l，直径为D，其特征是：在长度为l的YAG透明陶瓷棒轴线上，小于直径D长度为YAG透明陶瓷棒长l的柱形空间有掺杂的Nd³⁺，激光二极管泵浦源对长度为l的YAG透明陶瓷棒进行泵浦，在谐振腔输入镜和谐振腔输出镜之间的谐振腔产生基模或低阶模振荡光产生增益放大输出。

所述的激光介质为中心掺杂Nd³⁺周围不掺杂Nd³⁺的YAG棒状陶瓷。

小于直径D长度为YAG透明陶瓷棒长l的柱形空间有掺杂的Nd³⁺，其中小于直径D是依据谐振腔的理论对激光器中的相关参数进行设计，设L为谐振腔腔长，两个反射镜的曲率半径分别为R₁和R₂，根据稳定腔理论可以得到两个腔镜上基模高斯激光的光斑半径ω₁和ω₂分别为：

其中，λ为激光波长，

且满足稳定性条件，0＜g₁g₂＜1。

则腔内基模高斯光的平均直径可以估计为

控制激光介质中增益区的直径是通过控制激光陶瓷介质直径D内的柱形空间掺杂Nd³⁺，柱形空间掺杂Nd³⁺的直径是腔内高斯光平均直径的1～2倍，并小于激光陶瓷介质直径D。

本实用新型的特点是：和传统陶瓷激光器中的激光介质结构不同，本实用新型充分利用了激光介质Nd³⁺对泵浦光的吸收作用，通过将激光介质的结构设计为中心掺杂Nd³⁺的圆棒状陶瓷，使其对侧面泵浦的泵浦光在轴线附近进行集中的吸收，提高了激光介质基模区域对泵浦光的吸收效率，而其四周环绕的无掺杂Nd³⁺圆棒状YAG陶瓷基底，使得介质的尺寸满足激光器结构的要求，由于仅中心小半径范围内存在掺杂Nd³⁺，限制腔内振荡的模式，抑制高阶模的产生，提高基模成分的激光效率，改善光束质量。

附图说明

下面结合实施例附图对本实用新型做进一步说明：

图1是本实用新型实施例原理图；

图2是本实用新型实施例1中激光介质剖面结构示意图。

图中：1、谐振腔输入镜；2、激光二极管泵浦源；3、激光介质；4、谐振腔输出镜。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示，一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器，它至少包括激光二极管泵浦源2、激光谐振腔；激光谐振腔包括谐振腔输入镜1、激光介质3、谐振腔输出镜4，激光介质3在谐振腔输入镜1和谐振腔输出镜4之间，激光介质3是YAG透明陶瓷棒，所述YAG透明陶瓷棒的长度为l，直径为D，其特征是：在长度为l的YAG透明陶瓷棒轴线上，小于直径D长度为YAG透明陶瓷棒长l柱形空间有掺杂的Nd³⁺，激光二极管泵浦源2对长度为l的YAG透明陶瓷棒进行泵浦，在谐振腔输入镜1和谐振腔输出镜4之间的谐振腔产生谐振激光输出。

激光谐振腔内小于直径D长度为l的柱形空间掺杂Nd³⁺，用于对谐振激光的基模或低阶模振荡光产生增益放大输出。

激光介质3为中心掺杂Nd³⁺周围不掺杂Nd³⁺的YAG棒状陶瓷，激光二极管泵浦源2通过侧面泵浦陶瓷激光介质棒的Nd³⁺掺杂区域，使泵浦光进入Nd³⁺掺杂区域的掺杂粒子被吸收，限制腔内能够振荡的激光范围，使得输出激光为基模高斯光束或低阶模高斯光束。

依据谐振腔的理论对激光器中的相关参数进行设计，设L为谐振腔腔长，两个反射镜的曲率半径分别为R₁和R₂，根据稳定腔理论可以得到两个腔镜上基模高斯激光的光斑半径ω₁和ω₂分别为：

其中，λ为激光波长，

且满足稳定性条件，0＜g₁g₂＜1。

则腔内基模高斯光的平均直径可以估计为

控制激光介质中增益区的直径为腔内高斯光平均直径的1～2倍，使激光器以基模高斯光为主输出。

利用上述公式，设

也就是说：激光陶瓷介质中心掺杂区域直径d为0.8mm，激光陶瓷介质的直径D可设计为3mm，激光谐振腔的腔长L设计为50mm，输入输出镜的曲率半径R₁为0.5m，可以得到R₂为1m，则该激光器可以实现以基模为主的高光束质量、高效率激光输出。

实施例2

如图1和图2所示，一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器，它至少包括激光二极管泵浦源2、激光谐振腔；激光谐振腔包括谐振腔输入镜1、激光介质3、谐振腔输出镜4，激光介质3在谐振腔输入镜1和谐振腔输出镜4之间，激光介质3是YAG透明陶瓷棒，所述YAG透明陶瓷棒的长度为l，直径为D，其特征是：在长度为l的YAG透明陶瓷棒轴线上，小于直径D长度为YAG透明陶瓷棒长l柱形空间有掺杂的Nd³⁺，二极管泵浦源2对长度为l的YAG透明陶瓷棒进行泵浦，在谐振腔输入镜1和谐振腔输出镜4之间的谐振腔产生谐振激光输出。

激光谐振腔内小于直径D长度为l的柱形空间掺杂Nd³⁺，用于对谐振激光的基模或低阶模振荡光产生增益放大输出。

激光介质3为中心掺杂Nd³⁺周围不掺杂Nd³⁺的YAG棒状陶瓷，激光二极管泵浦源2通过侧面泵浦陶瓷激光介质棒的Nd³⁺掺杂区域，使泵浦光进入Nd³⁺掺杂区域的掺杂粒子被吸收，限制腔内能够振荡的激光范围，使得输出激光为基模高斯光束或低阶模高斯光束。

依据谐振腔的理论对激光器中的相关参数进行设计，设L为谐振腔腔长，两个反射镜的曲率半径分别为R₁和R₂，根据稳定腔理论可以得到两个腔镜上基模高斯激光的光斑半径ω₁和ω₂分别为：

其中，λ为激光波长，

且满足稳定性条件，0＜g₁g₂＜1。

则腔内基模高斯光的平均直径可以估计为

控制激光介质中增益区的直径为腔内高斯光平均直径的1～2倍，使激光器以基模高斯光为主输出。

利用上述公式，设

也就是说：激光陶瓷介质中心掺杂区域直径d为0.9mm，激光陶瓷介质的直径D可设计为4mm，激光谐振腔的腔长L设计为80mm，输入输出镜的曲率半径R₁为0.5m，可以得到R₂为0.75m，则该激光器可以实现以基模为主的高光束质量、高效率激光输出。

实施例3

如图1和图2所示，一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器，它至少包括激光二极管泵浦源2、激光谐振腔；激光谐振腔包括谐振腔输入镜1、激光介质3、谐振腔输出镜4，激光介质3在谐振腔输入镜1和谐振腔输出镜4之间，激光介质3是YAG透明陶瓷棒，所述YAG透明陶瓷棒的长度为l，直径为D，其特征是：在长度为l的YAG透明陶瓷棒轴线上，小于直径D长度为YAG透明陶瓷棒长l柱形空间有掺杂的Nd³⁺，二极管泵浦源2对长度为l的YAG透明陶瓷棒进行泵浦，在谐振腔输入镜1和谐振腔输出镜4之间的谐振腔产生谐振激光输出。

激光谐振腔内小于直径D长度为l的柱形空间掺杂Nd³⁺，用于对谐振激光的基模或低阶模振荡光产生增益放大输出。

激光介质3为中心掺杂Nd³⁺周围不掺杂Nd³⁺的YAG棒状陶瓷，激光二极管泵浦源2通过侧面泵浦陶瓷激光介质棒的Nd³⁺掺杂区域，使泵浦光进入Nd³⁺掺杂区域的掺杂粒子被吸收，限制腔内能够振荡的激光范围，使得输出激光为基模高斯光束或低阶模高斯光束。

依据谐振腔的理论对激光器中的相关参数进行设计，设L为谐振腔腔长，两个反射镜的曲率半径分别为R₁和R₂，根据稳定腔理论可以得到两个腔镜上基模高斯激光的光斑半径ω₁和ω₂分别为：

其中，λ为激光波长，

且满足稳定性条件，0＜g₁g₂＜1。

则腔内基模高斯光的平均直径可以估计为

控制激光介质中增益区的直径d为腔内高斯光平均直径的1～2倍，使激光器以基模高斯光为主输出。

利用上述公式，设

也就是说：激光陶瓷介质中心掺杂区域直径为1.1mm，激光陶瓷介质的直径D可设计为4mm，激光谐振腔的腔长L设计为100mm，输入输出镜的曲率半径R₁为0.75m，可以得到R₂为1m，则该激光器可以实现以基模为主的高光束质量、高效率激光输出。

通过三个实施例用于说明，激光陶瓷介质中心掺杂区域直径是依据激光器的基模高斯光束或低阶模高斯光束进行设计，保证在激光谐振腔内的激光介质3产生谐振激光光路上是掺杂的Nd³⁺透明陶瓷。使在长度为l的YAG透明陶瓷棒轴线上，小于直径D长度的柱形空间是掺杂的Nd³⁺，二极管泵浦源2对掺杂的Nd³⁺，长度为l的YAG透明陶瓷棒中进行泵浦，在谐振腔输入镜1和谐振腔输出镜4之间的谐振腔产生谐振激光输出。

本实用新型中激光谐振腔内的激光介质3产生谐振激光光路上有掺杂的Nd:YAG；谐振激光光路外侧由透明陶瓷只是为了说明本实用新型的原理，实际上掺杂Nd:YAG和不掺杂Nd:YAG的透明陶瓷为一体式结构，从图2中看，有一个过渡的分界线。但这并不代表二者是分开的。

本实用新型通过依据谐振腔的理论对激光器中的相关参数进行设计，当确认了两个反射镜的曲率半径R₁和R₂的一个，确认了

同时确认了腔长L，可以通过公式计算曲率半径R₁和R₂的另一个。当然也可以确认了两个反射镜的曲率半径R₁和R₂、腔长，获取激光陶瓷介质中心掺杂区域直径，确认了两个反射镜的曲率半径R₁和R₂、激光陶瓷介质中心掺杂区域直径，获取腔长。

Claims (3)

1.一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器，它至少包括激光二极管泵浦源(2)、激光谐振腔；激光谐振腔包括谐振腔输入镜(1)、激光介质(3)、谐振腔输出镜(4)，激光介质(3)在谐振腔输入镜(1)和谐振腔输出镜(4)之间，激光介质(3)是YAG透明陶瓷棒，所述YAG透明陶瓷棒的长度为l，直径为D，其特征是：在长度为l的YAG透明陶瓷棒轴线上，小于直径D长度为YAG透明陶瓷棒长l的柱形空间有掺杂的Nd³⁺，激光二极管泵浦源(2)对长度为l的YAG透明陶瓷棒进行泵浦，在谐振腔输入镜(1)和谐振腔输出镜(4)之间的谐振腔产生基模或低阶模振荡光产生增益放大输出。

2.根据权利要求1所述的一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器，其特征是：所述的激光介质(3)为中心掺杂Nd³⁺周围不掺杂Nd³⁺的YAG棒状陶瓷。

3.根据权利要求1所述的一种具有高光束质量和高输出效率的陶瓷激光器，其特征是：小于直径D长度为YAG透明陶瓷棒长l的柱形空间有掺杂的Nd³⁺，其中小于直径D是依据谐振腔的理论对激光器中的相关参数进行设计，设L为谐振腔腔长，两个反射镜的曲率半径分别为R₁和R₂，根据稳定腔理论可以得到两个腔镜上基模高斯激光的光斑半径ω₁和ω₂分别为：

其中，λ为激光波长，

且满足稳定性条件，0＜g₁g₂＜1，

则腔内基模高斯光的平均直径可以估计为

控制激光介质中增益区的直径是通过控制激光陶瓷介质直径D内的柱形空间掺杂Nd³⁺，柱形空间掺杂Nd³⁺的直径是腔内高斯光平均直径的1～2倍，并小于激光陶瓷介质直径D。

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