專利名稱：基于離軸拋物面的碟片固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光技術(shù)，具體涉及一種碟片固體激光器。
背景技術(shù)：
隨著激光技術(shù)水平的提高，固體激光器向著高平均功率、高光束質(zhì)量、高轉(zhuǎn)換效率的方向快速發(fā)展。目前以光纖激光器和碟片激光器為代表的新一代固體激光器已經(jīng)成為激光器家族中的典型代表。此類高檔工業(yè)激光器與其他高新技術(shù)相互融合，使得固體激光器在汽車車身外板焊接、汽車板拼焊和金屬板材切割等領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用。碟片固體激光器多采用準(zhǔn)三能級激光介質(zhì)，利用其熱效應(yīng)低，摻雜濃度高的特點， 將其幾何外形設(shè)計成碟片狀(0. 2mm Imm)。碟片晶體的前表面鍍有對泵浦光和激光均高透的增透膜，后表面鍍有對泵浦光和激光均高反的高反膜，有利于構(gòu)成激光諧振腔。碟片晶體封裝在銅鎢合金或金剛石基板上，端面采用液體沖擊冷卻或高效TEC冷卻，實現(xiàn)有效地溫控。這種軸向的溫度場分布極大地消除了晶體熱變形對激光輸出的影響，便于獲得更好光束質(zhì)量的激光。然而這種碟片狀的幾何外形存在對泵浦光吸收長度小的缺點，為了提高泵浦光的吸收效率，多次泵浦技術(shù)和光斑勻化技術(shù)是高功率碟片固體激光器高效穩(wěn)定運行的核心技術(shù)之一。1994年，A.GieSen教授提出了多次泵浦的概念，碟片思想得以實現(xiàn)。 2003年，Steffen Erhard等提出了單拋物面物面和多棱鏡構(gòu)成的空間旋轉(zhuǎn)多次泵浦的結(jié)構(gòu)；2005年，StefTen Erhard等對上述方案進行改進提出了基于單拋物面和兩個大型棱鏡實現(xiàn)光束空間旋轉(zhuǎn)多次泵浦技術(shù)的方案，實現(xiàn)泵浦光32次的泵浦，使得泵浦光得到有效地利用。2008年，朱曉等提出一種基于對稱共軛雙拋物面的多次泵浦方案，實現(xiàn)泵浦光斑的多次傳輸，其泵浦次數(shù)與激光晶體和矯正鏡的夾角有關(guān)。Steffen Erhard等提出碟片激光器的多次泵浦技術(shù)要求入射光斑為圓形準(zhǔn)直光斑，光斑在整個拋物面空間多次旋轉(zhuǎn)傳輸，且以光軸為軸對稱分布從而實現(xiàn)多次泵浦。這就需要加工尺寸較大的拋物面和折疊鏡以實現(xiàn)上述光線的傳輸；朱曉教授等提出共軛拋物面的多次泵浦方案對矯正鏡和碟片晶體之間的角度關(guān)系直接決定泵浦光斑的次數(shù)，由于入射孔位置和共軛拋物面幾何結(jié)構(gòu)的限制，泵浦光斑的次數(shù)受到較大的制約，而且在裝配和調(diào)整方面存在兩拋物面共軛放置的嚴(yán)格要求，裝配精度比較嚴(yán)格。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型的基于離軸拋物面的碟片固體激光器，該激光器有利于實現(xiàn)高功率、高效率、高光束質(zhì)量的激光輸出。本發(fā)明提供的基于離軸拋物面的碟片固體激光器，其特征在于，它包括第一鼓形拋物面反射鏡、第二鼓形拋物面反射鏡、碟片激光晶體、矯正鏡和激光輸出鏡；其中，激光輸出鏡與碟片激光晶體構(gòu)成諧振腔；第一鼓形拋物面反射鏡和第二鼓形拋物面反射鏡相對放置，且底面相互平行且在同一平面，第一鼓形拋物面反射鏡、第二鼓形拋物面反射鏡的光軸存在偏移量Ah，0 < Ah < 1/2PH1，其中，PHl為第一鼓形拋物面反射鏡上下兩個端面的距
3離；碟片激光晶體一面鍍有對泵浦光和輸出激光高反的膜層并安裝在晶體支架上，另一面鍍有對泵浦光和輸出激光高透的膜層，碟片激光晶體放置在第二鼓形拋物面反射鏡的焦點上或適當(dāng)離焦，其離焦量小于碟片激光晶體的直徑；矯正鏡放置在第一鼓形拋物面反射鏡的焦點處或適當(dāng)離焦，其離焦量小于碟片激光晶體的直徑。上述技術(shù)方案可以采用下述一種或多種方式進行改進(一)該碟片固體激光器還包括激光全反鏡，其中碟片激光晶體和激光全反鏡與激光輸出鏡構(gòu)成諧振腔；(二)第一鼓形拋物面反射鏡、第二鼓形拋物面反射鏡的光軸存在偏移量Ah，0 < Ah < 1/2PH1，其中，PHl為第一鼓形拋物面反射鏡上下兩個端面的距離；(三)第二鼓形拋物面反射鏡的外形比第一鼓形拋物面反射鏡的外形大，即[PH2-PH1] >w, PHl為第一鼓形拋物面反射鏡上下兩個端面的距離，PH2為第二鼓形拋物面反射鏡上下端面的距離，w為入射光斑的寬度； (四)碟片激光晶體是厚度為0. 2mm 1mm，直徑為4mm 25mm ；(五)碟片激光晶體安裝時其法線與光軸存在一夾角α，0< α < π/4;(六)矯正鏡安裝時其法線與光軸存在一夾角β，0彡β < π/4。本發(fā)明裝置的核心在于多次泵浦系統(tǒng)，較前述的兩種方案，實現(xiàn)相同泵浦次數(shù)時， 拋物面的尺寸作的更為小巧，對光束傳輸?shù)目刂聘鼮楦咝?，方式更為靈活。僅需對光線進行必要的準(zhǔn)直，通過控制兩拋物面的離軸量或碟片激光晶體與矯正鏡的相對角度就可實現(xiàn)可控的多次泵浦，且泵浦次數(shù)得到了極大提高，更有利于實現(xiàn)高功率、高效率、高光束質(zhì)量的激光輸出。具體而言，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)采用貼片式冷卻方式，碟片狀激光晶體熱效應(yīng)小，實現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量、高效率的連續(xù)激光輸出。(2)采用離軸鼓形拋物面多次傳輸系統(tǒng)對入射的泵浦光進行多次傳輸與變換，降低了對泵浦光的準(zhǔn)直特性和光斑形狀的要求，泵浦光準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計難度得以降低。(3)兩個鼓形拋物面反射鏡對稱離軸放置，通過調(diào)整離軸量的大小或碟片晶體與矯正鏡的夾角實現(xiàn)可控的多次泵浦，調(diào)整難度降低的同時，極大地增加泵浦次數(shù)和光線的可控性，在實現(xiàn)高效泵浦的同時，泵浦光斑的均勻性得以較大提高。(4)設(shè)備體積較小、機械結(jié)構(gòu)和調(diào)整簡單、質(zhì)量較輕，便于工業(yè)應(yīng)用。


圖1是基于離軸拋物面的碟片固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是第一鼓形拋物面反射鏡和第二鼓形拋物面反射鏡示意圖及光斑在其表面的分布特性；(a)為第一鼓形拋物面反射鏡表面光斑分布特性，(b)為第二鼓形拋物面反射鏡表面光斑分布特性。圖3是基于離軸拋物面碟片激光器泵浦光多次傳輸和V型諧振腔示意圖；圖4是基于離軸拋物面碟片激光器泵浦光多次傳輸和直線型諧振腔示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明采用兩個鼓形的拋物面反射鏡作為聚光腔，兩個拋物面反射鏡的面型函數(shù)可以相同也可以不同，但外形尺寸不同。通過控制兩拋物面反射鏡的離軸量和碟片激光晶體與矯正鏡之間的夾角實現(xiàn)對入射光束的多次傳輸，完成碟片晶體的多次均勻泵浦，提高
4泵浦光的利用效率。下面通過借助實施例更加詳細地說明本發(fā)明，但以下實施例僅是說明性的，本發(fā)明的保護范圍并不受這些實施例的限制。如圖1所示，第一方案提供的基于離軸拋物面的碟片固體激光器包括第一鼓形拋物面反射鏡2，第二鼓形拋物面反射鏡3，碟片激光晶體4、矯正鏡5，晶體支架6，激光輸出鏡7，激光全反鏡8，其中碟片激光晶體4和激光全反鏡8與激光輸出鏡7構(gòu)成諧振腔。經(jīng)準(zhǔn)直后的泵浦光1，一般為經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后的半導(dǎo)體激光，若采用柱面鏡整形，獲得的為矩形光斑，其中光斑的寬度為《，快軸與慢軸的發(fā)散角相等時，在碟片激光晶體 4上獲得正方形泵浦光斑；若采用的是帶尾纖的半導(dǎo)體激光器，則準(zhǔn)直后的泵浦光為圓形光束。第一鼓形拋物面反射鏡2和第二鼓形拋物面反射鏡3構(gòu)成聚光腔的核心部分。兩拋物面反射鏡相對放置，且底面相互平行且在同一平面。第一鼓形拋物面上下兩個端面的距離為PH1，第二鼓形拋物面上下端面的距離為PH2，如圖2所示。兩拋物面反射鏡的光軸存在一定的偏移量Ah(0< Ah< (PHl)/幻。第二鼓形拋物面反射鏡3與第一鼓形拋物面反射鏡2的面型函數(shù)可以相同也可不同。為便于接收經(jīng)準(zhǔn)直后的泵浦光1，第二鼓形拋物面反射鏡3的外形比第一鼓形拋物面反射鏡2稍大，即(ΡΗ2-ΡΗ1)大于入射光斑的寬度 ([ΡΗ2-ΡΗ1] > w)。圖2為第一鼓形拋物面反射鏡2和第二鼓形拋物面反射鏡3的示意圖及光斑在其表面的分布情況，第一鼓形拋物面反射鏡2在第二鼓形拋物面反射鏡3焦點的位置開有通孔10，以放置封裝在晶體支架6上的碟片激光晶體4。第二鼓形拋物面反射鏡 3在第一鼓形拋物面反射鏡2焦點位置開有一矩形通光孔11，除用于放置矯正鏡5外，還為激光的振蕩提供通光通道。碟片激光晶體4的尺寸是厚度為0. 2mm 1mm，直徑為4mm 25mm。該晶體一面鍍有對泵浦光和輸出激光高反的膜層并貼焊在晶體支架6上，與激光輸出鏡7和激光全反鏡8 構(gòu)成激光諧振腔；另一面鍍有對泵浦光和輸出激光的高透膜層，以減少泵浦光和輸出激光的反射損耗。碟片激光晶體4放置在第二鼓形拋物面反射鏡3的焦點上也可適當(dāng)離焦(離焦量小于碟片晶體的直徑)，碟片激光晶體4安裝時其法線與光軸存在一夾角α α < π/4)。矯正鏡5為一反射鏡，鍍有對泵浦光高反的光學(xué)膜，該矯正鏡可以是平面鏡也可以是球面鏡，放置在第一鼓形拋物面反射鏡2的焦點處也可適當(dāng)離焦(離焦量小于碟片晶體的直徑)，矯正鏡5安裝時其法線與光軸存在一夾角β β < π/4)。晶體支架6，為碟片激光晶體4提供必要的機械支撐和軸向冷卻，碟片晶體4鍍高反膜的一面貼焊在晶體支架6上。晶體支架6，一般為導(dǎo)熱率較高且熱膨脹系數(shù)匹配的銅鎢合金、金錫合金或金剛石材料做成。多采用沖擊冷卻或TEC冷卻技術(shù)實現(xiàn)高效的冷卻。激光輸出鏡7，激光全反鏡8，可以為平面鏡、也可以為曲面鏡，與碟片激光晶體4 一端面的激光全反膜構(gòu)成諧振腔，實現(xiàn)諧振放大，完成激光輸出。本發(fā)明所述的第一種碟片固體激光器的工作過程如下圖3給出第一方案泵浦光多次傳輸和產(chǎn)生激光的示意圖，由于兩個鼓形拋物面反射鏡的尺寸不同，第一鼓形拋物面反射鏡2小于第二鼓形拋物面反射鏡3，經(jīng)準(zhǔn)直的泵浦光 1從第一鼓形拋物面反射鏡2的上方入射到第二鼓形拋物面反射鏡3表面，被其反射后聚焦到焦點F2處，碟片激光晶體4放置該焦點處，被碟片激光晶體4反射后的光線回到第二鼓形拋物面反射鏡3表面，由于碟片晶體傾角α的存在此時光斑到第二鼓形拋物面光軸的距離與入射光斑到光軸的距離不等。此后被第二鼓形拋物面反射的光線平行入射到第一鼓形拋物面反射鏡，由于兩個鼓形拋物面反射鏡離軸放置，因此照射到第一鼓形拋物面反射鏡表面的光斑距離該拋物面的光軸距離相對于第二鼓形拋物面反射鏡光軸存在Ah的差值， 此后光線被反射到第一鼓形拋物面的焦點處，被放置在此處的矯正鏡5反射回到第一鼓形拋物面反射鏡2表面，由于矯正鏡5傾角β的存在，此時光斑位置再次發(fā)生平移。光線經(jīng)過上述傳輸在聚光腔內(nèi)完成了一次循環(huán)。在開始第二次循環(huán)時，第二次入射光斑相對入射光斑1在第二鼓形拋物面表面平移了一定的距離，此后上述過程不斷重復(fù)，從而完成碟片激光晶體的多次泵浦。可見，光線在拋物面反射鏡表面的平移量受到兩拋物面光軸離軸量 Ah和碟片激光晶體4與矯正鏡5夾角(I α-β I)的控制。經(jīng)過多次泵浦碟片激光晶體4 將泵浦光幾乎全部吸收，通過激光全反鏡8，碟片激光晶體4，激光輸出鏡7所構(gòu)成的V型腔輸出激光束9。如圖4所示，第二方案提供的基于離軸拋物面的碟片固體激光器包括第一鼓形拋物面反射鏡2，第二鼓形拋物面反射鏡3，碟片激光晶體4，矯正鏡5，晶體支架6，激光輸出鏡 7。其中，碟片激光晶體4全反面和激光輸出鏡7構(gòu)成諧振腔。經(jīng)準(zhǔn)直后的泵浦光1，一般為經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后的半導(dǎo)體激光，若采用柱面鏡整形，獲得的為矩形光斑，其中光斑的寬度為《，快軸與慢軸的發(fā)散角相等時，在碟片激光晶體上獲得正方形泵浦光斑；若采用的是帶尾纖的半導(dǎo)體激光器，則準(zhǔn)直后的泵浦光為圓形光
束O第一鼓形拋物面反射鏡2和第二鼓形拋物面反射鏡3構(gòu)成聚光腔的核心部分。兩拋物面反射鏡相對放置，且底面相互平行且在同一平面。第一鼓形拋物面上下兩個端面的距離為ΡΗ1，第二鼓形拋物面上下端面的距離為ΡΗ2，如圖2所示。兩拋物面反射鏡的光軸存在一定的偏移量Ah(0< Ah< (PHl)/幻。第二鼓形拋物面反射鏡3與第一鼓形拋物面反射鏡2的面型函數(shù)可以相同也可不同。為便于接收經(jīng)準(zhǔn)直后的泵浦光1，第二鼓形拋物面反射鏡3的外形比第一鼓形拋物面反射鏡2稍大，S卩(ΡΗ2-ΡΗ1)大于入射光斑的寬度 ([ΡΗ2-ΡΗ1] > w)。圖2為第一鼓形拋物面反射鏡2和第二鼓形拋物面反射鏡3的示意圖及光斑在其表面的分布情況，第一鼓形拋物面反射鏡2在第二鼓形拋物面反射鏡3焦點的位置開有通孔10，以放置封裝在晶體支架6上的碟片激光晶體4。第二鼓形拋物面反射鏡 3在第一鼓形拋物面反射鏡2焦點位置開有一矩形通光孔11，除用于放置矯正鏡5外，還為激光的振蕩提供通光通道。碟片激光晶體4的尺寸是厚度為0. 2mm 1mm，直徑為4mm 25mm。該晶體一面鍍有對泵浦光和輸出激光高反的膜層并貼焊在晶體支架6上，與激光輸出鏡7構(gòu)成激光諧振腔；另一面鍍有對泵浦光和輸出激光的高透膜層，以減少泵浦光和輸出激光的反射損耗。 碟片激光晶體4放置在第二鼓形拋物面反射鏡3的焦點上也可適當(dāng)離焦(離焦量小于碟片激光晶體的直徑)，碟片激光晶體4安裝時其法線與光軸存在一夾角α α < π/4)。矯正鏡5為一反射鏡，鍍有對泵浦光高反的光學(xué)膜，該矯正鏡可以是平面鏡也可以是球面鏡，放置在第一鼓形拋物面反射鏡2的焦點處也可適當(dāng)離焦(離焦量小于碟片晶體的直徑)，矯正鏡5安裝時其法線與光軸存在一夾角β β < π/4)。
晶體支架6，為碟片激光晶體4提供必要的機械支撐和軸向冷卻，碟片晶體4鍍高反膜的一面貼焊在晶體支架6上。晶體支架6，一般為導(dǎo)熱率較高且熱膨脹系數(shù)匹配的銅鎢合金、金錫合金或金剛石材料做成。多采用沖擊冷卻或TEC冷卻技術(shù)實現(xiàn)高效的冷卻。激光輸出鏡7，可以為平面鏡、也可以為曲面鏡，與碟片激光晶體4 一端面的激光全反膜構(gòu)成諧振腔，實現(xiàn)諧振放大，完成激光輸出。本發(fā)明所述的第二種碟片固體激光器的工作過程如下圖4給出第二方案泵浦光多次傳輸和產(chǎn)生激光的示意圖，由于兩個鼓形拋物面反射鏡的尺寸不同，第一鼓形拋物面反射鏡2小于第二鼓形拋物面反射鏡3，經(jīng)準(zhǔn)直的泵浦光 1從第一鼓形拋物面反射鏡2的上方入射到第二鼓形拋物面反射鏡3表面，被其反射后聚焦到焦點F2處，碟片激光晶體4放置該焦點處，被碟片激光晶體4反射后的光線回到第二鼓形拋物面反射鏡3表面，由于碟片晶體傾角α的存在此時光斑到第二鼓形拋物面光軸的距離與入射光斑到光軸的距離不等。此后被第二鼓形拋物面反射的光線平行入射到第一鼓形拋物面反射鏡，由于兩個鼓形拋物面反射鏡離軸放置，因此照射到第一鼓形拋物面反射鏡表面的光斑距離該拋物面的光軸距離相對于第二鼓形拋物面反射鏡光軸存在Ah的差值， 此后光線被反射到第一鼓形拋物面的焦點處，被放置在此處的矯正鏡5反射回到第一鼓形拋物面反射鏡2表面，由于矯正鏡5傾角β的存在，此時光斑位置再次發(fā)生平移。光線經(jīng)過上述傳輸在聚光腔內(nèi)完成了一次循環(huán)。在開始第二次循環(huán)時，第二次入射光斑相對入射光斑1在第二鼓形拋物面表面平移了一定的距離，此后上述過程不斷重復(fù)，從而完成碟片激光晶體的多次泵浦?？梢?，光線在拋物面反射鏡表面的平移量受到兩拋物面光軸離軸量 Ah和碟片激光晶體4與矯正鏡5夾角(I α-β I)的控制。經(jīng)過多次泵浦碟片激光晶體4 將泵浦光幾乎全部吸收，通過碟片激光晶體4 一端面的激光全反膜，激光輸出鏡7所構(gòu)成的直線型腔形成激光輸出。該方案多次泵浦結(jié)構(gòu)與第一方案相同，僅在形成諧振腔時，該方案采用碟片激光晶體和激光輸出鏡直接構(gòu)成直線型諧振腔，從而實現(xiàn)激光高效輸出。本發(fā)明不僅局限于上述具體實施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計，都落入本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于離軸拋物面的碟片固體激光器，其特征在于，它包括第一鼓形拋物面反射鏡O)、第二鼓形拋物面反射鏡⑶、碟片激光晶體G)、矯正鏡(5)和激光輸出鏡(7)；其中，激光輸出鏡(7)與碟片激光晶體(4)構(gòu)成諧振腔，第一鼓形拋物面反射鏡( 和第二鼓形拋物面反射鏡C3)相對放置，且底面相互平行且在同一平面，第一鼓形拋物面反射鏡O)、第二鼓形拋物面反射鏡(3)的光軸存在偏移量 Ah,0< Ah< 1/2PH1，其中，PHl為第一鼓形拋物面反射鏡(2)上下兩個端面的距離；碟片激光晶體(4) 一面鍍有對泵浦光和輸出激光高反的膜層并安裝在晶體支架(6) 上，另一面鍍有對泵浦光和輸出激光高透的膜層，碟片激光晶體(4)放置在第二鼓形拋物面反射鏡(3)的焦點上或適當(dāng)離焦，該離焦量小于碟片激光晶體的直徑；矯正鏡(5)放置在第一鼓形拋物面反射鏡O)的焦點處或適當(dāng)離焦，該離焦量小于碟片激光晶體的直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離軸拋物面的碟片固體激光器，其特征在于，該碟片固體激光器還包括激光全反鏡(8)，其中碟片激光晶體(4)和激光全反鏡( 與激光輸出鏡 (7)構(gòu)成諧振腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于離軸拋物面的碟片固體激光器，其特征在于，第二鼓形拋物面反射鏡(3)的外形比第一鼓形拋物面反射鏡O)的外形大，即[PH2-PH1] >w, PH2為第二鼓形拋物面反射鏡C3)上下端面的距離，w為入射光斑的寬度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于離軸拋物面的碟片固體激光器，其特征在于，碟片激光晶體(4)是厚度為0. 2mm 1mm，直徑為4mm 25mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于離軸拋物面的碟片固體激光器，其特征在于，碟片激光晶體(4)安裝時其法線與光軸存在一夾角α，0 < α < π/4。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于離軸拋物面的碟片固體激光器，其特征在于，矯正鏡 (5)安裝時其法線與光軸存在一夾角β，0< β < π/4。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于離軸拋物面的碟片固體激光器，它包括二個鼓形拋物面反射鏡、碟片激光晶體、矯正鏡和激光輸出鏡；二個鼓形拋物面反射鏡相對放置，且底面相互平行且在同一平面，兩拋物面反射鏡的光軸存在一定的偏移量；碟片激光晶體一面鍍有高反膜并安裝在晶體支架上，另一面鍍有高透膜，碟片激光晶體放置在一鼓形拋物面反射鏡的焦點上或離焦處，該離焦量小于碟片激光晶體的直徑；矯正鏡放置在另一鼓形拋物面反射鏡的焦點處或離焦處，該離焦量小于碟片激光晶體的直徑。本發(fā)明多次泵浦，僅需對光線進行必要的準(zhǔn)直，通過控制兩拋物面的離軸量或碟片激光晶體與矯正鏡的相對角度就可實現(xiàn)可控的多次泵浦，且泵浦次數(shù)得到了極大提高，更有利于實現(xiàn)高功率、高效率、高光束質(zhì)量的激光輸出。
文檔編號H01S3/16GK102420386SQ201110344110
公開日2012年4月18日 申請日期2011年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月4日
發(fā)明者尚建力, 朱廣志, 朱曉, 朱長虹, 王海林, 郭飛, 齊麗君 申請人:華中科技大學(xué)