CN2566506Y - 激光二极管端面泵浦的高效高功率固体激光器 - Google Patents

Abstract

一种激光二极管端面泵浦的高效高功率固体激光器，包括泵浦源，光学耦合系统，由全反镜、输出镜组成的谐振腔以及设置在两镜之间的固体激光介质，特征是：a.全反镜为一平凸全反镜，其凸面在谐振腔里面，输出镜为一平凹镜，其凹面在谐振腔里面，且两镜的位置均可在光轴方向前后平移调整；b.平凸全反镜与光学耦合系统构成泵浦光光学调节系统。本激光器采用可调节的凸－凹谐振腔，消除了激光器的热效应，并解决了振荡光和泵浦光之间的模匹配等问题，使激光器的TEM₀₀激光输出功率及其稳定性、光－光转换效率有很大提高。在24.664W的泵浦功率下，1064nm TEM₀₀激光输出功率达到16.396W，光－光转换效率达到66.5％，输出功率不稳定度约为0.1％。

Description

激光二极管端面泵浦的高效高功率固体激光器

(一)技术领域

本实用新型属于激光技术领域，特别是一种激光二极管端面泵浦的高效高功率固体激光器，它适于激光打标、激光划片、印刷板的热成像、激光医疗、激光测距等领域的应用。

(二)背景技术

大功率激光二极管端面泵浦的固体激光器因其高效、稳定、结构紧凑等优点而成为国内外激光研究的热点之一。目前，国际上大功率激光二极管已商品化，因此，已有许多类型的大功率激光二极管泵浦的固体激光器实现了商品化。对于该类激光器存在的，诸如激光介质的热效应(含热透镜效应、热致双折射等)、泵浦光和振荡光的模匹配、“绿光问题”等严重地影响激光器的输出功率及其稳定性提高的问题，多采用平-平谐振腔或平平镜组成的折叠腔、单频等技术进行解决，(如图1、2为现有技术中常见的两种结构的谐振腔)。但是上述措施只能适应某一特定的泵浦功率，或以牺牲激光器的转换效率为代价。而我国目前由于大功率激光二极管的限制，严重地影响大功率激光二极管泵浦的固体激光器的研究。对激光二极管泵浦的固体激光器多采用平-凹谐振腔或折叠腔内插入凸透镜(见中国专利号01225034.1，其名称“大功率半导体激光纵向泵浦固体激光器”；和中国专利申请号99105276.5，其名称“具有光学镇定器的高度稳定性的LD泵浦固体激光器”)。单纯采用冷却技术减少激光介质的热透镜效应，而不能做到对热透镜效应的完全消除；而插入凸透镜，会增加腔内损耗，影响激光输出功率和效率等。泵浦功率变化时，振荡光和泵浦光之间模匹配等关键技术也没有完全解决。从而严重地影响国内大功率激光二极管泵浦的固体激光器的产品化的实现。

(三)发明内容

本实用新型的目的正是为了解决上述现有技术中所存在的诸如激光介质及其倍频晶体的热效应、谐振腔内的振荡光与泵浦光的模匹配等问题影响着激光输出功率及其稳定性和激光效率等不足之处而专门设计出的一种新的激光二极管端面泵浦的高效高功率固体激光器。该激光器设计合理，利用可调节凸-凹谐振腔和泵浦光的可调节光学系统能有效地克服热透镜效应对激光输出功率及其稳定性、激光效率、激光模式和振荡光与泵浦光间的模匹配影响，彻底解决具有热透镜效应的激光二极管泵浦的固体激光器的激光输出功率、效率和稳定性降低的问题，使之在很大的泵浦功率范围内，激光器处于高效高功率TEM00工作状态。

本实用新型的目的是通过以下方案来实现的：本激光二极管端面泵浦的高效高功率固体激光器包括泵浦源，光学耦合系统，由全反镜、输出镜组成的谐振腔以及设置在两镜之间的固体激光介质，其中：全反镜为一平凸全反镜，其平面在谐振腔外面，凸面在谐振腔里面，输出镜为一平凹镜，其凹面在谐振腔里面，且两镜的位置均可在光轴方向前后作平移调整，其目的是消除大变化范围内的不同泵浦功率所产生的不同焦距的热透镜效应，提高激光器输出的功率及其功率稳定性。同时，在结构上，平凸全反镜与光学耦合系统构成泵浦光光学调节系统。平凸全反镜相对于光学耦合系统的位置应在光轴方向可前后平移调整，对泵浦光曲率半径、光斑半径和位置进行调节，实现大变化范围内不同泵浦功率下的泵浦光和振荡光之间的模匹配，提高激光器的输出功率和效率。

在本实用新型中，激光介质可沿光轴方向进行平移调节，以适应泵浦光曲率半径、光斑半径和位置的调节。

在本实用新型中，可调节谐振腔的平凸镜和平凹镜的曲率半径，以及谐振腔光学长度等参数的设计，要根据泵浦功率的范围、激光介质的热透镜效应、泵浦光斑的范围，通过计算确定。

在平凸全反镜的两面或平面对泵浦光镀增透膜，凸面对振荡光镀增反膜。如果激光介质存在多条激光谱线，当要实现激光输出的谱线的受激发射截面小于另外的存在的谱线的受激发射截面时，还要对平凸镜的里端面或两端面镀其它谱线的增透膜。

本激光器最突出的技术特征有以下两点：(1)可调节平凸-凹谐振腔能够消除不同的泵浦功率所产生的不同焦距的热透镜效应，提高激光器输出的功率及其功率稳定性。(2)平凸镜与光学耦合系统构成的泵浦光光学调节系统，能够对泵浦光斑半径和位置进行调节，实现不同泵浦功率下的泵浦光和振荡光的模匹配，提高激光器的输出功率。

本实用新型采用可调节的凸-凹谐振腔，消除了激光器的热透镜效应，并解决了振荡光和泵浦光之间的模匹配等问题，使激光器的TEM₀₀激光输出功率及其稳定性、光-光转换效率有了很大的提高。我们采用本实用新型，所研制的大功率激光二极管端面泵浦的TEM₀₀ Nd：YVO₄激光器，在24.664W的泵浦功率泵浦下，1064nm TEM₀₀激光输出功率达到16.396W，光-光转换效率达到66.5％，激光输出功率不稳定度约为0.1％。比采用常用的平-凹谐振腔，输出功率提高2.05W，光-光转换效率提高了8.3％。

本实用新型工作原理如下：

1、可调节凸-凹谐振腔

激光器的谐振腔由平凸全反镜和平凹输出镜组成。其中平凸全反镜平面在谐振腔外面，凸面在谐振腔里面。平凹输出镜的凹面谐振腔的里面。两谐振腔镜均沿可光轴方向进行前后平移调节。

①可调节凸-凹谐振腔消除激光器热透镜效应的工作原理

凸面反射镜和凹面反射镜在没有泵浦光的情况下可以是非稳腔，也可以是稳定腔。即使在没有泵浦光的情况下是非稳腔，在一定的泵浦功率下，由于激光介质的热透镜效应，该谐振腔可能成为稳定谐振腔。但是为了降低激光器的泵浦阈值，并在泵浦阈值至较大的泵浦功率下，都能实现稳定的激光功率，提高激光功率的稳定性，便于非激光专业人员使用，可以选择较短的谐振腔长度，使凸-凹谐振腔在没有泵浦功率的情况下也是稳定腔。

激光介质的热透镜效应使谐振腔内的振荡光的模体积变小，振荡光与谐振腔之间产生模失配，振荡光与泵浦光之间也产生模失匹配。从而造成激光输出功率和功率稳定性降低，激光效率下降。而合适曲率半径的平凸镜对振荡光的光斑半径、曲率半径和位置的调节，克服了热透镜效应造成的振荡光模体积减小；保持了振荡光与谐振腔的模匹配。

可调节凸-凹稳腔的设计原则是：A、热透镜处的TEM₀₀振荡光的光斑半径尽可能大，以获得大的模体积，从而实现高功率高效率。B、腔模体积对热焦距的变化尽可能不灵敏，以求热稳定。C、振荡光和泵浦光实现模匹配。

假定R₁、R₂分别是平凸全反镜和平凹输出镜的曲率半径；d₁、d₂分别是平凸全反镜和平凹输出镜到热透镜距离；热透镜的焦距为f；谐振腔内的传输矩阵为 。则谐振腔的G参数为： $G_1=a-\frac{b}{R_1}=1-\frac{d_1}{f}-\frac{b}{R_1}-----\left(1\right)$ $G_2=d-\frac{b}{R_2}=1-\frac{d_2}{f}-\frac{b}{R_2}-----\left(2\right)$ $b=d_1+d_2-\frac{d_1{d}_2}{f}------\left(3\right)$

为下面的公式推导方便，引入三个新的参数 $u_1=d_1(1-\frac{d_1}{R_1})-----\left(4\right)$ $u_2=d_2(1-\frac{d_2}{R_2})-----\left(5\right)$ $x=\frac{1}{f}-\frac{1}{d_1}-\frac{1}{d_2}---\left(6\right)$

利用ABCD定律可求出热透镜处的光斑半径为 ${\mathrm{\ω}}_3^2=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}\frac{{2\mathrm{xu}}_1{u}_2+u_1+u_2}{{\left[(1-G_1{G}_2)G_1{G}_2\right]}^{1/2}}------\left(7\right)$

热稳条件为： $\frac{{\mathrm{d\ω}}_3}{\mathrm{df}}=0-----------\left(8\right)$ 对ω₃求导，可得热条件： $G_1{G}_2=\frac{1}{2}(1-\frac{u_2}{u_1}),\left|u_1\right|>\left|u_2\right|------\left(9\right)$ 如果|u₂|＞|u₁|，则要把上式的下标1，2交换。

②可调节凸-凹谐振腔的使用

激光介质的热透镜焦距f与泵浦光的功率、聚焦光斑大小及折射率随温度的变化等有密切的关系： $f=\frac{\mathrm{\π}{K}_c{\mathrm{\ω}}_p^2}{P_{\mathrm{ph}}(\mathrm{dn}/\mathrm{dT})}\frac{1}{1-\exp (-\mathrm{od})}------\left(10\right)$ 式中P_ph为产生热效应的泵浦功率，ω_p为泵浦光聚焦束腰半径，l、K_c分别为激光介质的通光长度和热传导系数，α为激光介质对泵浦光的吸收系数，dn/dT为激光介质的折射率随温度的变化。

因此，对于上述给定曲率半径的平凸镜和平凹镜组成的谐振腔，只能解决某一特定泵浦功率的热透镜效应问题。为了扩大某一给定曲率半径的凸面反射镜的使用范围，我们采取下面两种方法相结合：(1)利用平凸全反镜和平凹输出镜调节架在光轴方向的平移功能，调节平凸全反镜和平凹输出镜的位置，控制谐振腔的长度，扩大凸-凹谐振腔的使用范围。(2)利用温控仪控制激光介质的温度，使热透镜焦距保持某一特定的变化范围，从而扩大给定曲率半径的平凸全反镜和平凹输出镜组成的谐振腔的泵浦功率范围。这要求提高热传导速度和散热的均匀性，保证激光介质的冷却温度的控制精度。

因此，通过上述可调节凸-凹谐振腔，消除了激光器的热透镜效应，克服了热透镜效应引起的激光饱和现象等，提高了激光输出功率及其稳定性和光-光转换效率。

2、泵浦光和振荡光之间的模匹配调节

由公式(10)可知，随着泵浦功率等的变化，激光介质的热透镜焦距将变化，导致谐振腔内振荡光的束腰位置及束腰半径等发生变化；同时随着泵浦功率的变化，聚焦的泵浦光斑半径和曲率半径等也发生变化；从而导致振荡光与泵浦光的模匹配被破坏，降低激光器的输出功率和效率。我们所设计的激光二极管端面泵浦的固体激光器的平凸镜和光学耦合系统对泵浦光而言，组成了一个新的光学成像系统，通过调节平凸镜的位置，可以改变聚焦后泵浦光的曲率半径、光斑大小和位置，以及谐振腔中振荡光的曲率半径、束腰半径等，相当容易地实现不同泵浦功率下的泵浦光和振荡光之间的模匹配调节。从而提高激光器的输出功率和效率。

因此，可调节谐振腔的平凸镜和平凹镜的曲率半径、谐振腔光学长度，以及激光介质的冷却温度等参数的设计，要根据泵浦功率的大小和变化范围、激光介质的热透镜效应的大小和变化范围、泵浦光斑的大小和变化范围等综合因素，进行优化组合，由公式(1)～(10)确定。保证克服热透镜效应，实现振荡光与谐振腔之间的匹配和振荡光与泵浦光之间的模匹配。

上述技术方案也适合于激光二极管侧面泵浦的固体激光器。

本实用新型的优点在于：

(1)在较大的泵浦功率范围内，激光输出功率高。在24.664W的泵浦功率泵浦下，激光输出功率达到16.396W，比采用常用的平-凹谐振腔，输出功率提高2.05W多。

(2)在较大的泵浦功率范围内，激光器的光-光转换效率高。在24.664W的泵浦功率泵浦下，光-光转换效率达到66.5％，比采用常用的平-凹谐振腔，提高了8.3％。

(3)在较大的泵浦功率范围内，激光器的输出功率稳定性高。在24.664W的泵浦功率泵浦下，激光器工作2小时，激光输出功率不稳定度约为0.1％。

(4)光束质量好，激光模式为TEM₀₀模。

(5)结构紧凑、体积小、稳定性高、使用调节方便等。

该类激光器非常适合于激光打标、激光微加工、印刷板的热成像、激光医疗、生物测试、光存储、彩色显示、激光测距、科研等领域的应用。

(四)附图说明

图1为现有技术中平-凹谐振腔光路示意图。

图中：1’为全反镜，2’为输出镜，3’为固体激光介质，4’光学耦合系统，5’为泵浦光源。

图2为现有技术中折叠式谐振腔光路示意图。

图中：1”-A，1”-B，1”-C均为谐振腔全反镜，2”为输出镜，3”为固体激光介质，4”光学耦合系统，5”为泵浦光源，6”为消除热透镜效应所用的凸透镜。

图3为本实用新型激光器的光路示意图。

图4为本实用新型与现有的平-凹谐振腔型激光二极管泵浦的TEM₀₀Nd：YVO₄激光器的输出功率与泵浦功率关系图的对比实验结果。

(五)具体实施方式

本实用新型以下结合附图(实施例)做进一步描述，但并不是限制本实用新型。

如图3所示：激光二极管(1)输出激光波长808nm，激光功率29W(美国Coherent公司产FAP-Sys-30型)。光学耦合系统(3)是由三片凸透镜组成的，各透镜均镀808nm增透膜。平凸全反镜(4)的凸面曲率半径为-200mm，平面镀808nm增透膜，凸面镀1064nm高反膜。平凸全反镜(4)的可调节范围5～35mm。平凹输出镜(6)的凹面曲率半径为100mm，镀1064nm透射膜的透过率约为10％。谐振腔的几何长度为60～130mm可调。激光介质(5)采用Nd：YVO₄晶体，通光长度为10mm，两通光面镀1064nm和808nm增透膜，侧面用铟片包裹后放在紫铜夹中，以提高晶体的冷却效果。整个激光器的尺寸为120×120×200mm³。

整个激光器的元件布局的尺寸如下：光学耦合系统(3)的入射镜面距光纤(2)输出端面40mm；平凸全反镜(4)的平面距光学耦合系统(3)的输出镜面5～35mm可调；Nd：YVO₄晶体(5)的泵浦光入射面距光学耦合系统(3)的输出镜40mm；平凹输出镜(6)的凹面距平凸全反的凸面60～130mm可调，即谐振腔的几何长度为60～130mm可调。整个激光器的外形尺寸为120×120×200mm³。

图中：1为激光二极管，2为光纤，3为光学耦合系统，4为平凸全反镜，5为激光介质，6为平凹输出镜，7为冷却装置，8为恒温循环器，9为恒温循环器出水管(即对应冷却装置进水口)，10为恒温循环器进水管(即对应冷却装置出水口)。

本发明的大功率激光二极管端面泵浦的高效高功率TEM₀₀ Nd：YVO₄激光器与常用的平-凹谐振腔型激光二极管泵浦的TEM₀₀ Nd：YVO₄激光器进行了对比实验研究，用美国Newport产的2835-C型双通道多功能激光功率/能量计进行功率测量，实验结果如图4所示。图中带■的曲线表示采用本发明凸-凹谐振腔型激光器的输出功率与泵浦功率之间的关系，带●曲线表示平-凹谐振腔激光器输出功率与泵浦功率之间的关系。在1.5～24.664W的泵浦功率范围内，激光器均能保持稳定输出。并且没有出现饱和现象。在24.664W的泵浦功率泵浦下，1064nm TEM₀₀激光输出功率达到16.396W，光-光转换效率达到66.5％，激光输出功率不稳定度约为0.1％。比采用常用的平-凹谐振腔，输出功率提高2.05W，光-光转换效率提高了8.3％。实验结果充分说明，可调节凸-凹谐振腔能够很好地克服热透镜效应，提高激光器的输出功率及其稳定性和激光效率。

Claims (3)

1.一种激光二极管端面泵浦的高效高功率固体激光器，它包括泵浦源(1)，光学耦合系统(3)，由全反镜(4)、输出镜(6)组成的谐振腔以及设置在两镜之间的固体激光介质(5)，其特征在于：

a.全反镜(4)为一平凸全反镜，其平面在谐振腔外面，凸面在谐振腔里面，输出镜为一平凹镜，其凹面在谐振腔里面，且两镜的位置均可在光轴方向前后平移调整；

b.平凸全反镜与光学耦合系统构成泵浦光光学调节系统，平凸全反镜相对于光学耦合系统(3)的位置可在光轴方向前后平移调整。

2.根据权利要求1所述的高效高功率固体激光器，其特征在于，可调节谐振腔的平凸全反镜(4)和平凹输出镜(6)的曲率半径，以及谐振腔光学长度参数的设计，要根据泵浦功率的范围、激光介质的热透镜效应、泵浦光斑的范围，通过计算确定。

3.根据权利要求1所述的高效高功率固体激光器，其特征在于：激光介质(5)可沿光轴方向进行平移调节。

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