CN215267056U - 一种可降低激光晶体热透镜效应的泵浦固体激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种可降低激光晶体热透镜效应的泵浦固体激光器，包括若干平行间隔布置的半导体激光器、布置于若干半导体激光器一侧的光纤紧固套、以及依次布置于光纤紧固套一侧的准直透镜、聚焦透镜和激光谐振腔；每一半导体激光器的输出端还设有一光纤，且每一光纤的一端均插设于光纤紧固套布置，半导体激光器经光纤耦合输出泵浦光。本实用新型通过采用多个半导体激光器合一的方式对激光晶体进行均匀泵浦，可以匀化激光晶体上的能量分布，进而降低激光晶体的热透镜效应，从而提高半导体泵浦固体激光器的输出功率，同时，由于激光晶体上通光方向横截面吸收面积和吸收体积都变大，进而容易获得大光斑的固体激光输出，实用性强。

Description

一种可降低激光晶体热透镜效应的泵浦固体激光器

技术领域

本实用新型涉及固体激光器技术领域，尤其涉及一种可降低激光晶体热透镜效应的泵浦固体激光器。

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，市场对半导体泵浦固体激光器也提出了更多的要求，提高固体激光器输出功率、扩大激光光斑直径是常见的应用要求。而半导体泵浦固体激光器输出功率的大小主要和两个因素有关：一是半导体激光器的泵浦功率，二是半导体激光器的泵浦效率。在理想情况下，半导体激光器泵浦功率越高，相应固体激光器的输出功率越高，然而，激光晶体内部的热透镜效应和半导体激光器泵浦功率密切相关，半导体激光器泵浦功率越高，激光晶体对应的热透镜效应就越强，当热透镜效应累积到一定强度时，会导致谐振腔失调，激光器输出功率无法上升。

因此，如果想要获得高的固体激光输出功率，就务必要降低激光晶体的热透镜效应。热透镜效应是指半导体激光器工作时产生的温度会使晶体表面发生热形变，造成了晶体各部分密度不同，而光在经过不同密度的分界线时发生不同程度的折射，因此就形成了像是光线通过普通透镜一样的折射效果。激光晶体热透镜效应的强度主要与激光晶体对半导体激光泵浦光的吸收长度有关，研究发现，激光晶体对半导体激光器泵浦光的吸收长度越长，热透镜效应越弱。与此同时，激光晶体对半导体激光器泵浦光的吸收长度越长，相应的半导体激光器的泵浦效率越高。因此，为了降低激光晶体的热透镜效应，需要选取合适波长的半导体激光对激光晶体进行泵浦。另外，半导体激光器泵浦光光斑能量分布对激光晶体的热透镜效应也有重要影响。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可降低激光晶体热透镜效应的泵浦固体激光器，通过采用多个半导体激光器合一的方式对激光晶体进行均匀泵浦，可以匀化激光晶体上的能量分布，进而降低激光晶体的热透镜效应，从而提高半导体泵浦固体激光器的输出功率，同时，由于激光晶体上通光方向横截面吸收面积和吸收体积都变大，进而容易获得大光斑的固体激光输出，且二向色镜的凸面可以补偿激光晶体的热透镜效应，进一步提高激光器输出功率，实用性强。

为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种可降低激光晶体热透镜效应的泵浦固体激光器，包括若干平行间隔布置的半导体激光器、布置于若干半导体激光器一侧的光纤紧固套、以及依次布置于光纤紧固套一侧的准直透镜、聚焦透镜和激光谐振腔；每一半导体激光器的输出端还设有一光纤，且每一光纤的一端均插设于光纤紧固套布置，半导体激光器经光纤耦合输出泵浦光；所述激光谐振腔内还设有激光晶体，准直透镜用于与聚焦透镜相互配合，以将半导体激光器输出的泵浦光准直聚焦至激光晶体内。

第一实施例中，所述半导体激光器的数量和光纤的数量均设置为七个，且七个所述光纤插设于光纤紧固套的一端的排列结构为三层结构；所述三层结构的上层、下层均设有两个水平布置的光纤，三层结构的中间层设有三个水平布置的光纤。

进一步地，所述半导体激光器经光纤输出的泵浦光传输方向与激光谐振腔的长度方向重合，且激光谐振腔内还设有布置于聚焦透镜与激光晶体之间的二向色镜，以及依次布置于激光晶体一侧的Q开关、激光输出镜。

第二实施例中，所述半导体激光器的数量和光纤的数量均设置为十九个，且十九个所述光纤插设于光纤紧固套的一端的排列结构为五层结构；所述五层结构的第一层和第五层均设有三个水平布置的光纤，五层结构的第二层和第四层均设有四个水平布置的光纤，五层结构的第三层设有五个水平布置的光纤。

进一步地，所述激光谐振腔内还设有倾斜布置于聚焦透镜与激光晶体之间的二向色镜、布置于激光晶体一侧的激光输出镜，以及靠近激光输出镜布置的Q开关和激光反射镜；所述半导体激光器经光纤输出的泵浦光传输方向，与激光谐振腔内的振荡光从二向色镜传输至激光输出镜的光路传输方向重合；所述二向色镜至激光反射镜之间的光路方向，与二向色镜至激光输出镜的光路方向之间呈一夹角。

综合以上实施例，所述准直透镜和聚焦透镜均为平凸透镜，且准直透镜的透镜凸面与聚焦透镜的透镜凸面相对设置。

进一步地，所述二向色镜为平凸透镜，且二向色镜的透镜平面靠近聚焦透镜布置；所述二向色镜的透镜平面镀有泵浦光增透膜，二向色镜的透镜凸面镀有振荡光高反膜和泵浦光增透膜。

进一步地，所述激光输出镜为平平透镜。

进一步地，所述Q开关采用声光Q开关或电光Q开关。

进一步地，所述激光反射镜为平平透镜，且激光反射镜靠近Q开关的一面镀有振荡光高反膜。

采用上述方案，本实用新型的有益效果是：

通过采用多个半导体激光器合一的方式对激光晶体进行均匀泵浦，可以均匀激光晶体上的能量分布，进而降低激光晶体的热透镜效应，从而提高半导体泵浦固体激光器的输出功率，同时，由于激光晶体上通光方向横截面吸收面积和吸收体积都变大，进而容易获得大光斑的固体激光输出，且二向色镜的凸面可以补偿激光晶体的热透镜效应，进一步提高激光器输出功率，实用性强。

附图说明

图1为本实用新型的第一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型的第一实施例的光纤排列结构示意图；

图3为本实用新型的第二实施例的结构示意图；

图4为本实用新型的第二实施例的光纤排列结构示意图；

其中，附图标识说明：

1—半导体激光器； 2—光纤紧固套；

3—准直透镜； 4—聚焦透镜；

5/5’—激光晶体； 6/6’—二向色镜；

7/7’—Q开关； 8/8’—激光输出镜；

9—激光反射镜； 10—光纤。

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至4所示，本实用新型提供一种可降低激光晶体热透镜效应的泵浦固体激光器，包括若干平行间隔布置的半导体激光器1、布置于若干半导体激光器1一侧的光纤紧固套2、以及依次布置于光纤紧固套2一侧的准直透镜3、聚焦透镜4和激光谐振腔；每一半导体激光器1的输出端还设有一光纤10，且每一光纤10的一端均插设于光纤紧固套2布置，半导体激光器1经光纤10耦合输出泵浦光；所述激光谐振腔内还设有激光晶体5/5’，准直透镜3用于与聚焦透镜4相互配合，以将半导体激光器1输出的泵浦光准直聚焦至激光晶体5/5’内。

第一实施例中，参照图1至2所示，所述半导体激光器1的数量和光纤10的数量均设置为七个，且七个所述光纤10插设于光纤紧固套2的一端的排列结构为三层结构；所述三层结构的上层、下层均设有两个水平布置的光纤10，三层结构的中间层设有三个水平布置的光纤10。

其中，所述半导体激光器1经光纤10输出的泵浦光传输方向与激光谐振腔的长度方向重合，且激光谐振腔内还设有布置于聚焦透镜4与激光晶体5之间的二向色镜6，以及依次布置于激光晶体5一侧的Q开关7、激光输出镜8。

第二实施例中，参照图3至4所示，所述半导体激光器1的数量和光纤10的数量均设置为十九个，且十九个所述光纤10插设于光纤紧固套2的一端的排列结构为五层结构；所述五层结构的第一层和第五层均设有三个水平布置的光纤10，五层结构的第二层和第四层均设有四个水平布置的光纤10，五层结构的第三层设有五个水平布置的光纤10。

其中，所述激光谐振腔内还设有倾斜布置于聚焦透镜4与激光晶体5’之间的二向色镜6’、布置于激光晶体5’一侧的激光输出镜8’，以及靠近激光输出镜8’布置的Q开关7’和激光反射镜9；所述半导体激光器1经光纤10输出的泵浦光传输方向，与激光谐振腔内的振荡光从二向色镜6’传输至激光输出镜8’的光路传输方向重合；所述二向色镜6’至激光反射镜9之间的光路方向，与二向色镜6’至激光输出镜8’的光路方向之间呈一夹角。

综合以上实施例，所述准直透镜3和聚焦透镜4均为平凸透镜，且准直透镜3的透镜凸面与聚焦透镜4的透镜凸面相对设置。

其中，所述二向色镜6/6’为平凸透镜，且二向色镜6/6’的透镜平面靠近聚焦透镜4布置；所述二向色镜6/6’的透镜平面镀有泵浦光增透膜，二向色镜6/6’的透镜凸面镀有振荡光高反膜和泵浦光增透膜；所述激光输出镜8/8’为平平透镜；所述Q开关7/7’采用声光Q开关或电光Q开关；所述激光反射镜9为平平透镜，且激光反射镜9靠近Q开关7/7’的一面镀有振荡光高反膜。

本实用新型工作原理：

继续参照图1至4所示，本实用新型主要是为解决在高半导体激光器1泵浦功率下，激光晶体5/5’热效应剧烈、以及激光谐振腔内光斑直径过小的问题，通过采用多个半导体激光器1合一的方式对激光晶体5/5’进行均匀泵浦，可以均匀激光晶体5/5’上的能量分布，进而降低激光晶体5/5’的热透镜效应，从而提高半导体泵浦固体激光器的输出功率，同时，由于激光晶体5/5’上通光方向横截面吸收面积和吸收体积都变大，容易获得大光斑的固体激光输出，此外，采用对称激光谐振腔有助于获得大模体积振荡光运转，且二向色镜6/6’的凸面可以补偿激光晶体5/5’的热透镜效应，进一步提高激光器输出功率，实用性强。

本实用新型提供了两个实施例，第一实施例中，如图1至2所示，半导体激光器1的数量和光纤10的数量均设置为七个，且七个光纤10插设于光纤紧固套2的一端的排列结构为三层结构，三层结构的上层、下层均设有两个水平布置的光纤10，三层结构的中间层设有三个水平布置的光纤10，整体横截面近似呈一个圆形(以匀化激光晶体5/5’上光路传输横截面的泵浦光能量分布，激光晶体5/5’上同一位置容纳的半导体激光器1泵浦光功率有限，这种排列方式可使得半导体激光器1泵浦功率分散到激光晶体5/5’不同位置，可大大提高激光晶体5/5’的吸收体积，降低激光晶体5/5’内部单位体积的光功率密度)；第二实施例中，半导体激光器1的数量和光纤10的数量均设置为十九个，且十九个光纤10插设于光纤紧固套2的一端的排列结构为五层结构，五层结构的第一层和第五层均设有三个水平布置的光纤10，五层结构的第二层和第四层均设有四个水平布置的光纤10，五层结构的第三层设有五个水平布置的光纤10，其整体横截面也近似呈一个圆形；两个实施例的工作原理类似，现主要以第一实施例作原理性说明：

半导体激光器1采用光纤10耦合输出的半导体激光器1，半导体激光器1发射波长为878nm或888nm，波长光谱宽度范围在0.5nm以内；激光输出镜8/8’采用红外激光输出镜，激光输出镜8/8’为平平透镜，其靠近Q开关7/7’的一面镀有振荡光部分反射膜(第二实施例中的激光输出镜8/8’，靠近激光晶体5/5’的一面镀振荡光部分反射膜，另外一面镀振荡光增透膜或仅抛光)，其反射率大于60％；且第二实施例中的激光反射镜9靠近Q开关7/7’的一面镀振荡光高反膜，反射率大于99.9％，另一面抛光。

工作时，半导体激光器1经光纤10输出的泵浦光会经过准直透镜3、聚焦透镜4准直聚焦后，聚到激光晶体5/5’内部，激光晶体5/5’内焦点处半导体泵浦光光斑大小可以通过准直透镜3焦距和聚焦透镜4焦距的比例来进行调节；激光晶体5/5’采用Nd:YVO4晶体，且激光晶体5/5’采用专门的水冷激光晶体夹具进行散热；在第一实施例中，二向色镜6/6’和激光输出镜8/8’构成了激光谐振腔(第二实施例中，二向色镜6/6’、激光反射镜9和激光输出镜8/8’构成了激光谐振腔)，激光谐振腔长度与半导体激光器1输出光直径大小密切相关(在第二实施例中，二向色镜6/6’到激光反射镜9的距离与二向色镜6/6’到激光输出镜8/8’的距离的比例对激光器输出直径大小也有影响)，与此同时，激光晶体5/5’内焦点处半导体泵浦光光斑大小务必与激光谐振腔长度相匹配，避免出现输出光光束质量恶化的情况；二向色镜6/6’可以采用平凸透镜，透镜凸面与激光晶体5/5’相对布置，透镜凸面可以用于补偿激光晶体5/5’的热透镜效应，透镜凸面曲率半径大小与热透镜效应等效焦距相匹配，二向色镜6/6’的透镜平面镀泵浦光增透膜，其凸面镀泵浦光增透膜以及振荡光高反膜，反射率大于99％。

Q开关7/7’用于将连续振荡光变为脉冲振荡光，提高输出激光的峰值功率，Q开关7/7’可以采用声光Q开关或者电光Q开关；在上述两个实施例中，半导体激光器1的发射谱宽小于0.5nm，半导体激光器1输出功率最大30瓦，第一实施例中的7个半导体激光器1最大可以输出210瓦功率(第二实施例中则可达到540瓦功率)；半导体激光器1耦合输出光纤10纤芯直径200μm，准直透镜3的焦距为25mm(第二实施例中，其焦距为50mm)，聚焦透镜4的焦距为40mm(第二实施例中，其焦距为50mm)；二向色镜6/6’为曲率半径为500mm的平凸透镜，激光晶体5/5’的晶体尺寸为5*5*20mm，激光输出镜8/8’对振荡光的反射率为60％；在第一实施例中，通过调节激光谐振腔的长度以及半导体激光器1的泵浦功率，最后获得了平均功率超过50瓦的1064nm固体红外激光输出，而第二实施例中，则获得了平均功率超过80瓦的1064nm固体红外激光输出。

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)

1.一种可降低激光晶体热透镜效应的泵浦固体激光器，其特征在于，包括若干平行间隔布置的半导体激光器、布置于若干半导体激光器一侧的光纤紧固套、以及依次布置于光纤紧固套一侧的准直透镜、聚焦透镜和激光谐振腔；每一半导体激光器的输出端还设有一光纤，且每一光纤的一端均插设于光纤紧固套布置，半导体激光器经光纤耦合输出泵浦光；所述激光谐振腔内还设有激光晶体，准直透镜用于与聚焦透镜相互配合，以将半导体激光器输出的泵浦光准直聚焦至激光晶体内。

2.根据权利要求1所述的可降低激光晶体热透镜效应的泵浦固体激光器，其特征在于，所述半导体激光器的数量和光纤的数量均设置为七个，且七个所述光纤插设于光纤紧固套的一端的排列结构为三层结构；所述三层结构的上层、下层均设有两个水平布置的光纤，三层结构的中间层设有三个水平布置的光纤。

3.根据权利要求2所述的可降低激光晶体热透镜效应的泵浦固体激光器，其特征在于，所述半导体激光器经光纤输出的泵浦光传输方向与激光谐振腔的长度方向重合，且激光谐振腔内还设有布置于聚焦透镜与激光晶体之间的二向色镜，以及依次布置于激光晶体一侧的Q开关、激光输出镜。

4.根据权利要求1所述的可降低激光晶体热透镜效应的泵浦固体激光器，其特征在于，所述半导体激光器的数量和光纤的数量均设置为十九个，且十九个所述光纤插设于光纤紧固套的一端的排列结构为五层结构；所述五层结构的第一层和第五层均设有三个水平布置的光纤，五层结构的第二层和第四层均设有四个水平布置的光纤，五层结构的第三层设有五个水平布置的光纤。

5.根据权利要求4所述的可降低激光晶体热透镜效应的泵浦固体激光器，其特征在于，所述激光谐振腔内还设有倾斜布置于聚焦透镜与激光晶体之间的二向色镜、布置于激光晶体一侧的激光输出镜，以及靠近激光输出镜布置的Q开关和激光反射镜；所述半导体激光器经光纤输出的泵浦光传输方向，与激光谐振腔内的振荡光从二向色镜传输至激光输出镜的光路传输方向重合；所述二向色镜至激光反射镜之间的光路方向，与二向色镜至激光输出镜的光路方向之间呈一夹角。

6.根据权利要求1所述的可降低激光晶体热透镜效应的泵浦固体激光器，其特征在于，所述准直透镜和聚焦透镜均为平凸透镜，且准直透镜的透镜凸面与聚焦透镜的透镜凸面相对设置。

7.根据权利要求3或5所述的可降低激光晶体热透镜效应的泵浦固体激光器，其特征在于，所述二向色镜为平凸透镜，且二向色镜的透镜平面靠近聚焦透镜布置；所述二向色镜的透镜平面镀有泵浦光增透膜，二向色镜的透镜凸面镀有振荡光高反膜和泵浦光增透膜。

8.根据权利要求3或5所述的可降低激光晶体热透镜效应的泵浦固体激光器，其特征在于，所述激光输出镜为平平透镜。

9.根据权利要求3或5所述的可降低激光晶体热透镜效应的泵浦固体激光器，其特征在于，所述Q开关采用声光Q开关或电光Q开关。

10.根据权利要求5所述的可降低激光晶体热透镜效应的泵浦固体激光器，其特征在于，所述激光反射镜为平平透镜，且激光反射镜靠近Q开关的一面镀有振荡光高反膜。

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