專利名稱：端面泵浦風(fēng)冷激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光器，特別是涉及一種端面泵浦風(fēng)冷激光器。
背景技術(shù)：
目前，市場(chǎng)上大部分商用端泵激光器采用的是直線腔結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，能夠獲得較大的激光輸出，但是由于這種腔型本身不對(duì)稱結(jié)構(gòu)以及端面泵浦區(qū)域小的限制，導(dǎo)致腔本身不能太長(zhǎng)，不能直接獲得光束質(zhì)量較好的激光輸出，并且由于熱透鏡效應(yīng)，激光輸出能量不穩(wěn)定。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)換率低，大部分泵浦能量轉(zhuǎn)換為熱能，散熱方式只能采用水冷，造成體積龐大，冷卻水的加入又為安全帶來(lái)了隱患，因此，其應(yīng)用受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出了一種新的激光諧振腔型的構(gòu)思，提供一種能夠獲得光束質(zhì)量好(近似基模)、功率穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)空氣冷卻的激光輸出的端面泵浦風(fēng)冷激光器。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所涉及的端面泵浦風(fēng)冷激光器的技術(shù)方案是這樣的本發(fā)明的原理是利用折疊腔型實(shí)現(xiàn)諧振腔的對(duì)稱來(lái)減小熱透鏡效應(yīng)，同時(shí)利用耦合聚焦鏡調(diào)節(jié)泵浦光束腰大小和位置與諧振腔的基模相匹配，使得大部分泵浦能量運(yùn)轉(zhuǎn)于基模，從而獲得光束質(zhì)量好功率穩(wěn)定的激光輸出。激光在諧振腔內(nèi)振蕩的過(guò)程中，在光束橫截面上的光強(qiáng)形成各種不同形式的穩(wěn)定分布，在光束橫截面上的這種穩(wěn)定分布，稱為激光束的橫向模式，簡(jiǎn)稱橫模，基橫模在激光光束的橫截面上各點(diǎn)的位相相同，光束質(zhì)量最好，簡(jiǎn)稱基模。泵浦光打在晶體內(nèi)部，形成熱量在晶體內(nèi)的不均勻分布，折射率發(fā)生微小變化的，晶體的光學(xué)特性等效于一個(gè)透鏡，稱之為熱透鏡。晶體在諧振腔內(nèi)可以等效于一個(gè)焦距為f的熱透鏡，熱透鏡f與泵浦光束腰ω的平方成正比，即f∝ω2，為了減少熱透鏡，就必須增加泵浦光束腰大?。坏菍?duì)于一定的諧振腔，基模在晶體上的大小ω00是一定的，為了使激光能量集中在基模，就必須增加泵浦光束腰大小和基模大小滿足ω≈ω00，因此泵浦光在晶體內(nèi)部的大小要盡可能的小于并且接近基模大小。對(duì)于大小和能量一定的泵浦，產(chǎn)生的熱透鏡f大小也是一定的。如圖3所示，根據(jù)透鏡的光學(xué)矩陣，折疊腔的熱透鏡矩陣為10-1f1,]]>而直線腔的等效熱透鏡矩陣為10-1f1×10-1f1=10-2f1,]]>其等效熱透鏡為 相同等效長(zhǎng)度的折疊腔的熱透鏡只有直線腔的一半，其熱透鏡效應(yīng)明顯減輕。對(duì)于相同的泵浦，采用折疊腔能夠大大減少諧振腔的熱透鏡效應(yīng)。
本發(fā)明所涉及的端面泵浦風(fēng)冷激光器由諧振腔、激光晶體和泵浦單元構(gòu)成。其特征是，激光器的諧振腔為V型折疊結(jié)構(gòu)，其光路為V形，沿光軸由全反鏡，腔鏡和輸出鏡構(gòu)成；激光晶體置于靠近腔鏡的光軸上，即位于折疊腔的拐角處，便于泵浦光泵浦激光晶體；采用折疊腔能夠使激光晶體處于對(duì)稱結(jié)構(gòu)的中心，熱透鏡效應(yīng)減少一半，而且能夠有效地拉長(zhǎng)腔長(zhǎng)，從而達(dá)到提高光束質(zhì)量、功率穩(wěn)定輸出的目的。泵浦單元由光纖和耦合聚焦鏡構(gòu)成，耦合聚焦鏡由多片透鏡組合而成。泵浦光從光纖輸出，經(jīng)泵浦光光纖出光口束腰，通過(guò)耦合聚焦鏡直和聚焦，再?gòu)腣型折疊腔拐角處的腔鏡入射到激光晶體內(nèi)部，形成耦合后泵浦光束腰并產(chǎn)生基頻光。通過(guò)耦合聚焦鏡后，泵浦光束腰在激光晶體內(nèi)部大小與此諧振腔的基模大小相同。耦合聚焦鏡采用可伸縮的結(jié)構(gòu)(即其中一片透鏡在光軸上的位置可以改變)，便于調(diào)節(jié)泵浦光束腰與基模位置重合從而使激光能量能夠集中在基模，光束質(zhì)量得到極大改善，能量也獲得了最大程度的利用；此結(jié)構(gòu)能獲得較高的光-光轉(zhuǎn)換效率，減少了熱量的產(chǎn)生，從而可以采用風(fēng)冷(空氣冷卻)結(jié)構(gòu)。在V型折疊腔內(nèi)光軸上設(shè)置調(diào)Q器件實(shí)現(xiàn)激光脈沖輸出或不設(shè)調(diào)Q器件即實(shí)現(xiàn)激光的連續(xù)輸出。在基頻光傳輸路徑上任一位置設(shè)置非線性晶體實(shí)現(xiàn)激光輸出的頻率(或波長(zhǎng))轉(zhuǎn)換或不設(shè)置非線性晶體不實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換。全反鏡到激光晶體的中心距離為145至155mm；腔鏡到晶體的中心距離為18至22mm；輸出鏡至腔鏡的距離為125至135mm；耦合聚焦鏡出光面到晶體的中心距離為28至32mm；V型折疊腔的拐角角度小于20°。
本發(fā)明所述的泵浦耦合聚焦鏡是由3片兩組透鏡組合而成；第一組鏡片由兩個(gè)透鏡8和9緊貼組成，對(duì)泵浦光進(jìn)行準(zhǔn)直；第二組鏡片僅一個(gè)透鏡7，作用是將準(zhǔn)直后的泵浦光聚焦，兩組透鏡之間距離可調(diào)，即透鏡7在光軸上的位置可以改變。
本發(fā)明所述的激光晶體位于等效腔的結(jié)構(gòu)中心。
本發(fā)明所述的激光晶體為摻釹酸釔晶體或摻銨釔鋁石榴石晶體或摻釹釩酸釓晶體或摻鐿釔鋁石榴石晶體或摻釹鋁酸釔晶體或摻釹鎢酸鉀釓晶體或摻釹氟化釔鋰晶體。
本發(fā)明所述的在V型折疊腔內(nèi)光軸上設(shè)置的調(diào)Q器件為聲光或光電或染料調(diào)Q器件。
本發(fā)明所述的在基頻光傳輸路徑上任一位置設(shè)置的非線性晶體為磷酸鈦氧鉀(KTP)或三硼酸鋰(LBO)或偏硼酸鋇(BBO)。
本發(fā)明所稱的端面泵浦風(fēng)冷激光器，其耦合聚焦鏡出光端面到激光晶體的中心距離為30mm；全反鏡到激光晶體的中心距離為150mm；腔鏡到激光晶體的中心距離為20mm；輸出鏡到腔鏡的距離為130mm；V型折疊腔的拐角角度為18°。
本發(fā)明所稱的端面泵浦風(fēng)冷激光器具有構(gòu)思新穎、設(shè)計(jì)合理、工藝規(guī)范、安裝簡(jiǎn)便、易于形成工業(yè)化批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)；具有輸出光束質(zhì)量好、功率穩(wěn)定、能夠?qū)崿F(xiàn)空氣冷卻、體積小巧、便于攜帶、價(jià)格適宜等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、科研、醫(yī)療、軍事等各個(gè)領(lǐng)域；特別適用于各種材料表面的激光標(biāo)記、材料表面或內(nèi)部雕刻、精細(xì)加工、切割、電子焊接、泵浦、激光定位和激光測(cè)距等領(lǐng)域。


圖1端面泵浦風(fēng)冷激光器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2泵浦耦合聚焦鏡結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖3直線腔示意圖；圖4直線腔的等效腔示意圖；圖5折疊腔的示意圖；圖6折疊腔的等效腔示意圖；圖3中，16和18為腔鏡，17為熱透鏡，腔鏡16和18構(gòu)成直線腔，熱透鏡17靠近透鏡18。
圖4中，19和21為腔鏡，20為等效腔的熱透鏡，腔鏡19和21構(gòu)成等效腔，透鏡20在等效腔中心。
圖5中，22、24、25為腔鏡，23為折疊腔的熱透鏡，腔鏡22、24和25構(gòu)成折疊腔、透鏡23靠近腔鏡24。
圖6中，26和28為腔鏡，27為等效腔的熱透鏡，腔鏡26和28構(gòu)成等效腔，熱透鏡27在等效腔中心。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所涉及的端面泵浦風(fēng)冷激光器，其技術(shù)方案結(jié)合附圖1和附圖2詳細(xì)敘述如下實(shí)施例1本發(fā)明由諧振腔、激光晶體5(取摻釹釩酸釔晶體作為激光晶體5)和泵浦單元構(gòu)成。激光器的諧振腔為V型折疊腔結(jié)構(gòu)，其光路為V形，沿光軸1由全反鏡2、腔鏡6和輸出鏡13構(gòu)成；晶體5位于靠近腔鏡6光軸1上即位于等效腔的結(jié)構(gòu)中心；采用泵浦光11泵浦；泵浦單元由光纖12和耦合聚焦鏡10構(gòu)成；耦合聚焦鏡10由3片兩組透鏡組合而成，第一組鏡片由兩個(gè)透鏡8和9緊貼組成，對(duì)泵浦光11進(jìn)行準(zhǔn)直；第二組鏡片有一片透鏡7其作用是對(duì)準(zhǔn)直后的泵浦光11進(jìn)行聚焦，兩組透鏡之間距離可調(diào)，即透鏡7在光軸1上的位置可改變；泵浦光11從光纖12輸出，經(jīng)泵浦光光纖出光口束腰14，通過(guò)耦合聚焦鏡10準(zhǔn)直和聚焦，再?gòu)腣型折疊腔拐角處的腔鏡6入射到激光晶體5內(nèi)部形成耦合后泵浦光束腰15，并產(chǎn)生基頻光4，實(shí)現(xiàn)激光的連續(xù)輸出。
如圖2所示，設(shè)光纖12輸出的參數(shù)為出光口徑(即束腰)14為ωfiber＝0.4mm，數(shù)值孔徑Na＝0.22，通過(guò)耦合聚焦鏡10，泵浦光11的光學(xué)參數(shù)變?yōu)槭?5ω＝0.8mm，數(shù)值孔徑NA＝0.11，采用比較簡(jiǎn)單的3透鏡結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)，具體范例如下3個(gè)透鏡7、8、9參數(shù)相同f＝30mm，按照?qǐng)D2所示擺放，光纖12出光面到透鏡9的距離為a＝12.45mm，透鏡9透鏡8緊貼在一起，這樣透鏡8和透鏡7之間光束近似平行光，透鏡7在光軸1上位置的改變基本不影響出光的束腰15大小和工作距離(透鏡7出光面到束腰15的距離)，耦合聚焦鏡10就能夠?qū)崿F(xiàn)1∶2的聚焦效果和工作距離b＝30mm。
諧振腔的參數(shù)定下來(lái)，其基模在晶體5內(nèi)部的直徑也確定下來(lái)了。選取合適的諧振腔，就能夠使基模大小與泵浦光11相匹配，激光能量能夠集中在基模。具體設(shè)計(jì)范例如下按照?qǐng)D1在光軸1上擺放激光器各部分器件，包括全反鏡2、腔鏡6、輸出鏡13、激光晶體5和耦合聚焦鏡10；全反鏡2到晶體5中心的距離為150mm，腔鏡6到晶體5中心的距離為20mm，輸出鏡13到腔鏡6的距離為130mm，V型腔的拐角角度小于20度，設(shè)18°，耦合聚焦鏡10出光端面距離激光晶體5中心30mm。根據(jù)熱透鏡理論，在泵浦功率為20W，泵浦束腰15為0.8mm的條件下，其等效熱透鏡為f＝458mm；根據(jù)光束傳輸矩陣，可以計(jì)算出當(dāng)折疊腔的等效腔長(zhǎng)為300mm時(shí)，基模在晶體內(nèi)部的大小為ω00＝0.75mm，與泵浦光在晶體5內(nèi)部的大小ω相接近。這種條件下，能夠得到輸出光束質(zhì)量好、功率穩(wěn)定的激光連續(xù)輸出。
實(shí)施例2在V型折疊腔內(nèi)光軸1上設(shè)置聲光調(diào)Q器件3，其它技術(shù)特征與實(shí)施例1完全相同，可以實(shí)現(xiàn)激光的脈沖輸出。
實(shí)施例3在基頻光4傳輸路徑上任一位置設(shè)置磷酸鈦氧鉀(KTP)非線性晶體，其它技術(shù)特征與實(shí)施例1完全相同，可以實(shí)現(xiàn)激光的頻率轉(zhuǎn)換輸出。
權(quán)利要求
1.一種端面泵浦風(fēng)冷激光器，由諧振腔，激光晶體(5)和泵浦單元構(gòu)成，其特征是，激光器的諧振腔為V型折疊腔結(jié)構(gòu)，其光路為V形，沿光軸(1)由全反鏡(2)，腔鏡(6)和輸出鏡(13)構(gòu)成；激光晶體(5)位于靠近腔鏡(6)的光軸(1)上，采用泵浦光(11)泵浦；泵浦單元由光纖(12)和耦合聚集鏡(10)構(gòu)成，耦合聚集鏡(10)由多片透鏡組合而成；泵浦光(11)從光纖(12)輸出，經(jīng)泵浦光光纖出光口束腰(14)，通過(guò)耦合聚集鏡(10)準(zhǔn)直和聚集，再?gòu)腣型折疊腔拐角處的腔鏡(6)入射到激光晶體(5)內(nèi)部形成耦合后泵浦光束腰(15)并產(chǎn)生基頻光(4)；在V型折疊腔內(nèi)光軸(1)上設(shè)置調(diào)Q器件(3)實(shí)現(xiàn)激光的腔沖輸出或不設(shè)置調(diào)Q器件(3)實(shí)現(xiàn)激光的連續(xù)輸出；在基頻光(4)傳輸路徑上任一位置設(shè)置非線性晶體實(shí)現(xiàn)激光輸出的頻率轉(zhuǎn)換；或不設(shè)置非線性晶體不實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換；全反鏡(2)到激光晶體(5)的中心，距離為145至155mm，腔鏡(6)到晶體(5)的中心距離為18至22mm，輸出鏡(13)到腔鏡(6)的距離為125至135mm，耦合聚焦鏡(10)出光端面到晶體(5)的中心距離為28至32mm，V型腔的拐角角度小于20°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述端面泵浦風(fēng)冷激光器，其特征是，所述的泵浦耦合聚焦鏡(10)是由3片兩組透鏡組合而成，第一組鏡片由兩個(gè)透鏡(8)和(9)緊貼組成對(duì)泵浦光(11)進(jìn)行準(zhǔn)直；第二組鏡片僅有一片透鏡(7)，作用是將準(zhǔn)直后的泵浦光(11)聚焦；兩組透鏡之間距離可調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的端面泵浦風(fēng)冷激光器，其特征是，激光晶體(5)位于等效腔的結(jié)構(gòu)中心。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的端面泵浦風(fēng)冷激光器，其特征是，激光晶體(5)為摻釹釩酸釔晶體或摻銨釔鋁石榴石晶體或摻釹釩酸釓晶體或摻鐿釔鋁石榴石晶體或摻釹鋁酸釔晶體或摻釹鎢酸鉀釓晶體或摻釹氟化釔鋰晶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的端面泵浦風(fēng)冷激光器，其特征是，在V型折疊腔內(nèi)光軸(1)上設(shè)置的調(diào)Q器件(3)為聲光或電光或染料調(diào)Q器件(3)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的端面泵浦風(fēng)冷激光器，其特征是，在基頻光(4)傳輸路徑上任一位置設(shè)置的非線性晶體為KTP或LBO或BBO非線性晶體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的端面泵浦風(fēng)冷激光器，其特征是，全反鏡(6)到激光晶體(5)的中心距離為150mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的端面泵浦風(fēng)冷激光器，其特征是，腔鏡(6)到激光晶體(5)的中心距離為20mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的端面泵浦風(fēng)冷激光器，其特征是，輸出鏡(13)到腔鏡(6)的距離為130mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的端面泵浦風(fēng)冷激光器，其特征是，耦合聚焦鏡(10)出光端面到激光晶體(5)中心距離為30mm。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的端面泵浦風(fēng)冷激光器，V型折疊腔的拐角角度為18°。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種端面泵浦風(fēng)冷激光器，屬于激光器件。本發(fā)明由諧振腔、激光晶體和泵浦單元構(gòu)成。諧振腔為V型折疊腔、由全反鏡、腔鏡和輸出鏡構(gòu)成；激光晶體設(shè)置靠近腔鏡的光軸上；泵浦單元由光纖和耦合聚焦鏡構(gòu)成、耦合聚焦鏡由三片透鏡構(gòu)成。泵浦光從光纖輸出，經(jīng)出光口束腰，通過(guò)聚焦鏡準(zhǔn)直和聚焦，再?gòu)腣型腔拐角處的腔鏡入射到激光晶體內(nèi)，產(chǎn)生基頻光。激光在光軸上加了調(diào)Q器件后實(shí)現(xiàn)脈沖輸出，否則為連續(xù)輸出。本發(fā)明具有構(gòu)思新穎、工藝規(guī)范、制造方便、價(jià)格適宜、易于工業(yè)化批量生產(chǎn)；具有輸出激光質(zhì)量好、功率穩(wěn)定、熱透鏡效應(yīng)低、能實(shí)現(xiàn)空氣冷卻、體積小巧、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明可廣泛地用于工業(yè)加工、科研、醫(yī)療、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01S3/16GK101068061SQ20071005247
公開日2007年11月7日 申請(qǐng)日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者王 鋒, 呂超 申請(qǐng)人:武漢凌云光電科技有限責(zé)任公司