CN215070852U - 一种多棒串接端面泵浦谐振腔 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种多棒串接端面泵浦谐振腔，包括三倍频系统、靠近三倍频系统布置的反射镜组件，以及靠近反射镜组件布置的若干半导体激光泵浦源组件；若干所述半导体激光泵浦源组件平行间隔布置，且靠近每一半导体激光泵浦源组件的泵浦光发射端处还均设有一激光晶体；若干所述激光晶体相互串接。本实用新型采用多路半导体激光泵浦的方式，可提高半导体激光器的泵浦功率，同时，多个激光晶体相互串接，可降低单个激光晶体的光功率密度，进而抑制激光晶体的热透镜效应，为半导体激光器的大光斑运行提供了前提条件。

Description

一种多棒串接端面泵浦谐振腔

技术领域

本实用新型涉及固体激光器谐振腔技术领域，尤其涉及一种多棒串接端面泵浦谐振腔。

背景技术

半导体端面泵浦固体激光器结构简单、体积小巧、光束质量好、运行稳定，易于集成，因此被广泛应用在激光切割、激光钻孔、激光打标、激光划线、精密调阻、激光清洗，以及激光内雕等激光加工行业。

随着工业应用对激光加工效果及加工效率要求的不断提高，市场对激光器输出波长的要求也越来越高。而紫外激光器输出波长仅为目前使用的红外激光器的三分之一，其加工精度高，可以实现微米量级的精细加工。紫外激光的光子能量是普通红外激光光子能量的三倍，使得激光冷加工成为可能，应用范围也得到了极大的拓展，此外，355nm波长的紫外激光器的重复频率极高，从而提高了生产效率，节约了社会成本，降低了能耗。因此，在实际应用中，355nm的紫外激光器为微加工中的切除动作提供了新的工具，其不会给材料造成热损伤和微裂痕，因此，在例如玻璃、硅片、晶元、陶瓷等脆性材料的加工上有特殊优势。

而355nm波长的紫外激光主要是1064nm红外激光通过复杂的非线性转换过程产生的，而非线性晶体LBO则是实现非线性转换的介质，可以将其理解成：1064nm紫外激光经过LBO晶体组合后即可获得355nm紫外激光。因此，想要获得高功率355nm紫外激光输出，必须要提高1064nm激光功率，然而，LBO晶体对1064nm激光存在损伤阈值，当LBO晶体上的1064nm激光功率密度超过一定数值时，LBO晶体很快会损坏。故为了降低LBO晶体上的1064nm激光功率密度，在提高1064nm激光功率的时候，必须同时提高1064nm激光的光斑尺寸。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种多棒串接端面泵浦谐振腔，用于解决上述中十瓦级紫外激光器的LBO晶体上的激光功率密度过大的问题。

为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种多棒串接端面泵浦谐振腔，包括三倍频系统、靠近三倍频系统布置的反射镜组件，以及靠近反射镜组件布置的若干半导体激光泵浦源组件；若干所述半导体激光泵浦源组件平行间隔布置，且靠近每一半导体激光泵浦源组件的泵浦光发射端处还均设有一激光晶体；若干所述激光晶体相互串接，每一半导体激光泵浦源组件用于对靠近其泵浦光发射端布置的激光晶体进行泵浦，且激光晶体上激发的振荡光经反射镜组件反射至三倍频系统上；所述振荡光光路上还设有一二向色镜，且靠近二向色镜处还依次布置有Q开关和第一平面反射镜。

进一步地，靠近每一半导体激光泵浦源组件的泵浦光发射端处还均设有一半导体激光反射镜，且每一半导体激光反射镜与一激光晶体对应设置；所述半导体激光反射镜用于将半导体激光泵浦源组件发射的泵浦光反射至对应的激光晶体上，以对其进行泵浦。

进一步地，所述二向色镜布置于其中一半导体激光反射镜与一激光晶体之间的振荡光光路上，且入射至二向色镜镜面的振荡光的入射角度为45°。

进一步地，所述二向色镜为平面透镜，且二向色镜与Q开关相对的一面镀有振荡光高反膜和泵浦光增透膜，二向色镜的另一面镀有泵浦光增透膜。

进一步地，所述半导体激光泵浦源组件包括半导体激光器，以及光束准直聚焦装置；所述半导体激光器的输出端还设有光纤，半导体激光器基于光纤耦合输出光束至光束准直聚焦装置上；所述光束准直聚焦装置包括靠近半导体激光器的输出端布置的第一聚焦透镜，以及与第一聚焦透镜间隔布置的第二聚焦透镜；所述第一聚焦透镜的透镜凸面与第二聚焦透镜的透镜凸面相对设置，且半导体激光器的出光点位于第一聚焦透镜的焦点处。

进一步地，所述第一聚焦透镜采用以下透镜中的任意一种：平凸球面透镜、双凸球面透镜、平凸非球面透镜、双凸非球面透镜；所述第二聚焦透镜采用以下透镜中的任意一种：平凸球面透镜、双凸球面透镜、平凸非球面透镜、双凸非球面透镜。

进一步地，若干所述半导体激光反射镜镜面法线方向与振荡光光路方向呈布儒斯特角放置；所述半导体激光反射镜为平平透镜，且其中一半导体激光反射镜靠近二向色镜的一面为镀膜面，其余的半导体激光反射镜靠近与其对应的激光晶体的一面为镀膜面；所述半导体激光反射镜的镀膜面所镀膜系为半导体激光高反膜和振荡光增透膜。

进一步地，所述反射镜组件包括第二平面反射镜、第三平面反射镜和第四平面反射镜；所述激光晶体激发的振荡光依次经第二平面反射镜、第三平面反射镜和第四平面反射镜反射至三倍频系统上，且振荡光入射至第二平面反射镜、第三平面反射镜的镜面的入射角度均为45°，振荡光入射至第一平面反射镜的入射角度为0°。

进一步地，所述第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜和第四平面反射镜均为平面透镜，且每一平面反射镜的镀膜面所镀膜系为振荡光高反膜。

进一步地，所述激光晶体采用以下晶体中的任意一种：Nd:YVO4晶体、Nd:YAG晶体、Nd:GaYVO4晶体。

采用上述方案，本实用新型的有益效果是：

该谐振腔采用多路半导体激光泵浦的方式，可提高半导体激光器的泵浦功率，同时，多个激光晶体相互串接，可降低单个激光晶体的光功率密度，进而抑制激光晶体的热透镜效应，为半导体激光器的大光斑运行提供了前提条件，同时，谐振腔内插入的半导体激光反射镜与振荡光路呈布儒斯特角放置，由于振荡光为线偏振光，布儒斯特角放置方式大大降低了半导体激光反射镜的插入损耗，同时，由于激光晶体的热透镜效应较弱，谐振腔可以拉长腔长，而腔长越长，腔内激光光斑越粗，从而降低了LBO晶体上的光功率密度，延长了三倍频晶体以及二倍频晶体的使用寿命，提高了紫外激光器的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

其中，附图标识说明：

1—三倍频系统； 2—反射镜组件；

3—半导体激光泵浦源组件； 4—激光晶体；

5—二向色镜； 6—Q开关；

7—第一平面反射镜； 8—半导体激光反射镜；

21—第二平面反射镜； 22—第三平面反射镜；

23—第四平面反射镜； 31—半导体激光器；

32—第一聚焦透镜； 33—第二聚焦透镜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明。

参照图1所示，本实用新型提供一种多棒串接端面泵浦谐振腔，包括三倍频系统1、靠近三倍频系统1布置的反射镜组件2，以及靠近反射镜组件2布置的若干半导体激光泵浦源组件3；若干所述半导体激光泵浦源组件3平行间隔布置，且靠近每一半导体激光泵浦源组件3的泵浦光发射端处还均设有一激光晶体4；若干所述激光晶体4相互串接，每一半导体激光泵浦源组件3用于对靠近其泵浦光发射端布置的激光晶体4进行泵浦，且激光晶体4激发的振荡光经反射镜组件2反射至三倍频系统1上；所述振荡光光路上还设有一二向色镜5，且靠近二向色镜5处还依次布置有Q开关6和第一平面反射镜7。

其中，靠近每一半导体激光泵浦源组件3的泵浦光发射端处还均设有一半导体激光反射镜8，且每一半导体激光反射镜8与一激光晶体4对应设置；所述半导体激光反射镜8用于将半导体激光泵浦源组件3发射的泵浦光反射至对应的激光晶体4上，以对其进行泵浦；所述二向色镜5布置于其中一半导体激光反射镜8与一激光晶体4之间的振荡光光路上，且入射至二向色镜5镜面的振荡光的入射角度为45°(如图1中的β，为其反射角度)；所述二向色镜5为平面透镜，且二向色镜5与Q开关6相对的一面镀有振荡光高反膜和泵浦光增透膜，二向色镜5的另一面镀有泵浦光增透膜。

所述半导体激光泵浦源组件3包括半导体激光器31，以及光束准直聚焦装置；所述半导体激光器31的输出端还设有光纤，半导体激光器31基于光纤耦合输出光束至光束准直聚焦装置上；所述光束准直聚焦装置包括靠近半导体激光器31的输出端布置的第一聚焦透镜32，以及与第一聚焦透镜32间隔布置的第二聚焦透镜33；所述第一聚焦透镜32的透镜凸面与第二聚焦透镜33的透镜凸面相对设置，且半导体激光器31的出光点位于第一聚焦透镜32的焦点处；所述第一聚焦透镜32采用以下透镜中的任意一种：平凸球面透镜、双凸球面透镜、平凸非球面透镜、双凸非球面透镜；所述第二聚焦透镜33采用以下透镜中的任意一种：平凸球面透镜、双凸球面透镜、平凸非球面透镜、双凸非球面透镜；若干所述半导体激光反射镜8镜面法线方向与振荡光光路方向呈布儒斯特角放置；所述半导体激光反射镜8为平平透镜，且其中一半导体激光反射镜8靠近二向色镜5的一面为镀膜面，其余的半导体激光反射镜8靠近与其对应的激光晶体4的一面为镀膜面；所述半导体激光反射镜8的镀膜面所镀膜系为半导体激光高反膜和振荡光增透膜。

所述反射镜组件2包括第二平面反射镜21、第三平面反射镜22和第四平面反射镜23；所述激光晶体4激发的振荡光依次经第二平面反射镜21、第三平面反射镜22和第四平面反射镜23反射至三倍频系统1上，且振荡光入射至第二平面反射镜21、第三平面反射镜22的镜面的入射角度均为45°，振荡光入射到第四平面反射镜23镜面的入射角略小于45度，以便紫外光可以从第四平面反射镜23旁水平输出，振荡光入射至第一平面反射镜21的入射角度为0°；所述第一平面反射镜7、第二平面反射镜21、第三平面反射镜22和第四平面反射镜23均为平面透镜，且每一平面反射镜的镀膜面所镀膜系为振荡光高反膜；所述激光晶体4采用以下晶体中的任意一种：Nd:YVO4晶体、Nd:YAG晶体、Nd:GaYVO4晶体，且半导体激光器采用输出波长为875nm-890nm之间的半导体激光器

本实用新型工作原理：

继续参照图1所示，图1中的箭头A紫外光，箭头B为振荡光，本方案中，振荡光的入射角度为：振荡光入射至相应镜面的光束与该镜面法线方向之间的夹角；本实施例中，半导体激光泵浦源组件3的数量设置为四组，可实现四路泵浦，可根据实际使用场景自由设置其数量，在此不作限制；每个半导体激光泵浦源组件3可用于为一激光晶体4进行泵浦(泵浦光经半导体激光反射镜8反射至激光晶体4上)，可对激光晶体4的生长参数进行精确控制，以及优化激光晶体4的散热，进而可降低激光晶体4的热透镜效应；由于是经半导体激光反射镜8将泵浦光反射至激光晶体4上，故半导体激光反射镜8既要能透射1064nm波长的激光，又要能反射半导体泵浦光，因此，其镀膜要特殊设计，本实施例中，半导体激光反射镜8采用平平透镜，且其中一半导体激光反射镜8的镀膜面与二向色镜5相邻，其余的半导体激光反射镜8的镀膜面与其对应的激光晶体4相邻；本实施例中的四个激光晶体4相互串接，经过多棒串接后，可降低单个激光晶体4的泵浦光功率密度，进而抑制激光晶体4的热透镜效应，同时，为了确保腔内振荡光的偏振特性，提高半导体激光器31的偏振度的同时降低插入损耗，在谐振腔内布置的半导体激光反射镜8与谐振腔内的振荡光方向成布儒斯特角放置。

如图1所示，在三倍频系统1中，其内部的三倍频晶体的紫外光输出方向与腔内振荡光传输方向呈一角度，由于紫外光与腔内振荡光在三倍频晶体内传输时具有不同的折射率，紫外光从三倍频晶体端面输出后(振荡光反射至三倍频系统1上，经过复杂的非线性转换过程，从三倍频系统射出紫外光)，紫外光传输方向与振荡光传输方向呈一角度(图1中的α)，为了将紫外光从谐振腔内提取出来，在谐振腔内布置了第二平面反射镜21、第三平面反射镜22和第四平面反射镜23，紫外光可以从第二平面反射镜21旁射出；以上是从光学原理上，阐述了该谐振腔的设计原理，为了使得振荡光在谐振腔内形成稳定振荡，最终得到高功率、高光束、高质量的紫外光，该谐振腔还必须满足高斯光束的一般传输规律、以及谐振腔G参数设计标准，因此，必须对谐振腔进行高斯光束的ABCD矩阵传输分析，以确定谐振腔内光学元件的位置以及曲率半径等参数。

本实施例中，半导体激光器31能发射波长为875nm～890nm的光束，且半导体激光器31的输出端还设有光纤，半导体激光器31基于光纤耦合输出光束至光束准直聚焦装置上；第一平面反射镜7、第二平面反射镜21、第三平面反射镜22和第四平面反射镜23均为平面透镜，且第一平面反射镜7与Q开关6相对的一面镀有振荡光高反膜，Q开关6为声光Q开关6或电光Q开关6；第二平面反射镜21、第三平面反射镜22的反射振荡光的一面均镀有振荡光高反膜，振荡光入射角度为45°(图1中的γ)，其反射率大于99.9％；该谐振腔采用四路半导体激光泵浦方式提高激光器的泵浦功率，分散了单个激光晶体4上的热量，降低了激光晶体4的热透镜效应，为激光器的大光斑运行提供了前提条件；同时，由于激光晶体4的热透镜效应较弱，该谐振腔可以拉长腔长，而腔长越长，腔内激光光斑越粗，从而降低了LBO晶体上的光功率密度，延长了三倍频晶体以及二倍频晶体的使用寿命，提高了紫外激光器的稳定性，实现了固体紫外激光器的高效率、高输出功率稳定运转。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多棒串接端面泵浦谐振腔，其特征在于，包括三倍频系统、靠近三倍频系统布置的反射镜组件，以及靠近反射镜组件布置的若干半导体激光泵浦源组件；若干所述半导体激光泵浦源组件平行间隔布置，且靠近每一半导体激光泵浦源组件的泵浦光发射端处还均设有一激光晶体；若干所述激光晶体相互串接，每一半导体激光泵浦源组件用于对靠近其泵浦光发射端布置的激光晶体进行泵浦，且激光晶体上激发的振荡光经反射镜组件反射至三倍频系统上；所述振荡光光路上还设有一二向色镜，且靠近二向色镜处还依次布置有Q开关和第一平面反射镜。

2.根据权利要求1所述的多棒串接端面泵浦谐振腔，其特征在于，靠近每一半导体激光泵浦源组件的泵浦光发射端处还均设有一半导体激光反射镜，且每一半导体激光反射镜与一激光晶体对应设置；所述半导体激光反射镜用于将半导体激光泵浦源组件发射的泵浦光反射至对应的激光晶体上，以对其进行泵浦。

3.根据权利要求2所述的多棒串接端面泵浦谐振腔，其特征在于，所述二向色镜布置于其中一半导体激光反射镜与一激光晶体之间的振荡光光路上，且入射至二向色镜镜面的振荡光的入射角度为45°。

4.根据权利要求3所述的多棒串接端面泵浦谐振腔，其特征在于，所述二向色镜为平面透镜，且二向色镜与Q开关相对的一面镀有振荡光高反膜和泵浦光增透膜，二向色镜的另一面镀有泵浦光增透膜。

5.根据权利要求1所述的多棒串接端面泵浦谐振腔，其特征在于，所述半导体激光泵浦源组件包括半导体激光器，以及光束准直聚焦装置；所述半导体激光器的输出端还设有光纤，半导体激光器基于光纤耦合输出光束至光束准直聚焦装置上；所述光束准直聚焦装置包括靠近半导体激光器的输出端布置的第一聚焦透镜，以及与第一聚焦透镜间隔布置的第二聚焦透镜；所述第一聚焦透镜的透镜凸面与第二聚焦透镜的透镜凸面相对设置，且半导体激光器的出光点位于第一聚焦透镜的焦点处。

6.根据权利要求5所述的多棒串接端面泵浦谐振腔，其特征在于，所述第一聚焦透镜采用以下透镜中的任意一种：平凸球面透镜、双凸球面透镜、平凸非球面透镜、双凸非球面透镜；所述第二聚焦透镜采用以下透镜中的任意一种：平凸球面透镜、双凸球面透镜、平凸非球面透镜、双凸非球面透镜。

7.根据权利要求2所述的多棒串接端面泵浦谐振腔，其特征在于，若干所述半导体激光反射镜镜面法线方向与振荡光光路方向呈布儒斯特角放置；所述半导体激光反射镜为平平透镜，且其中一半导体激光反射镜靠近二向色镜的一面为镀膜面，其余的半导体激光反射镜靠近与其对应的激光晶体的一面为镀膜面；所述半导体激光反射镜的镀膜面所镀膜系为半导体激光高反膜和振荡光增透膜。

8.根据权利要求1所述的多棒串接端面泵浦谐振腔，其特征在于，所述反射镜组件包括第二平面反射镜、第三平面反射镜和第四平面反射镜；所述激光晶体上激发的振荡光依次经第二平面反射镜、第三平面反射镜和第四平面反射镜反射至三倍频系统上，且振荡光入射至第二平面反射镜、第三平面反射镜的镜面的入射角度均为45°，振荡光入射至第一平面反射镜的入射角度为0°。

9.根据权利要求8所述的多棒串接端面泵浦谐振腔，其特征在于，所述第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜和第四平面反射镜均为平面透镜，且每一平面反射镜的镀膜面所镀膜系为振荡光高反膜。

10.根据权利要求1所述的多棒串接端面泵浦谐振腔，其特征在于，所述激光晶体采用以下晶体中的任意一种：Nd:YVO4晶体、Nd:YAG晶体、Nd:GaYVO4晶体。

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