專(zhuān)利名稱(chēng)：一種端面泵浦主動(dòng)調(diào)q腔外倍頻綠光激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外 倍頻綠光激光器。它適于激光打標(biāo)、激光內(nèi)雕、激光劃片、其他激光 的泵浦源、激光醫(yī)療和科研等領(lǐng)域的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
目前市場(chǎng)上大部分的端泵綠光激光激光器都是采用的腔內(nèi)倍頻 方式。這種方式結(jié)構(gòu)緊湊，光束質(zhì)量較好，倍頻效率較高，可以利用 腔內(nèi)的高功率密度獲得較大的倍頻綠光輸出，但是這種方式容易遇到 縱模競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的穩(wěn)定性較差問(wèn)題。由于在腔內(nèi)產(chǎn)生振蕩的基頻激光縱 模和偏振態(tài)的變化使得輸出光的功率產(chǎn)生幅度很大的波動(dòng)，不能滿足 一些應(yīng)用的要求，利用單向環(huán)型激光器或利用能把兩個(gè)偏振態(tài)激光模 式相互藕合起來(lái)的直線腔激光器能夠消除激光器工作介質(zhì)中空間燒 孔效應(yīng)，從而降低輸出功率的波動(dòng)，但是它們的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、腔內(nèi)損耗 較大、調(diào)整困難、成本較高。并且腔內(nèi)倍頻方式不容易設(shè)計(jì)合適的諧 振腔以同時(shí)獲得較小的基頻光束腰和較短的激光脈沖寬度。另外，腔 內(nèi)倍頻方式增加了激光諧振腔的插入損耗，使得激光的振蕩閾值增 加，光-光轉(zhuǎn)換效率降低。此外，腔內(nèi)倍頻方式存在雙向倍頻轉(zhuǎn)換過(guò) 程，第二次倍頻過(guò)程的綠光一般不能有效輸出，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率的損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的諸如穩(wěn)定 性較差、插入損耗大和轉(zhuǎn)換效率不高等問(wèn)題而提供一種端面泵浦主動(dòng) 調(diào)Q腔外倍頻綠光激光器。該激光器結(jié)構(gòu)靈活簡(jiǎn)單，不受激光諧振 腔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的約束，采用聚焦倍頻方式彌補(bǔ)了腔外倍頻功率密度低于腔內(nèi)倍頻方式的缺點(diǎn)，可自由選擇基頻光在非線性倍頻晶體上的聚焦 束腰尺寸，以獲得最佳的倍頻轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)的利用對(duì)稱(chēng)折疊腔以減小熱 透鏡效應(yīng)的影響，同時(shí)利用耦合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)泵浦光束在激光晶體內(nèi)的束 腰和位置與振蕩基頻激光的基模尺寸相匹配，使得大部分泵浦能量轉(zhuǎn) 換為基模振蕩，從而使輸出基頻光獲得較好的光束質(zhì)量和較高的功率 穩(wěn)定性。利用激光諧振腔內(nèi)放置的主動(dòng)調(diào)Q開(kāi)關(guān)，獲得高重復(fù)頻率 和短脈沖寬度的近基?；l激光輸出。輸出的基頻激光通過(guò)聚焦透鏡 聚焦后可以獲得更小的激光束腰尺寸，從而大大增加激光功率密度。 通光透鏡聚焦后的基頻光束腰位置與倍頻晶體的入射端面重合，從而 獲得最佳的倍頻轉(zhuǎn)換效率。
一種端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻綠光激光器，它包括激光泵浦
源(1)、激光傳能光纖(2)、光學(xué)耦合系統(tǒng)、激光諧振腔、激光晶體 (8)、主動(dòng)調(diào)Q開(kāi)關(guān)(9)、轉(zhuǎn)向鏡(10、 11)、聚焦透鏡(12)、倍頻 晶體(13)、準(zhǔn)直透鏡(14)、諧波分離鏡片(15、 16)，其特征是， 光學(xué)耦合系統(tǒng)由兩片式透鏡(3)和透鏡(4)組成，第一片透鏡(3) 對(duì)激光傳能光纖(2)輸出的泵浦光(17)進(jìn)行準(zhǔn)直，第二片透鏡(4) 對(duì)泵浦光(17)聚焦，透鏡(3)和透鏡(4)之間的距離可調(diào)；激光 諧振腔為"V"型折疊腔結(jié)構(gòu)，其光路成"V"形，沿基頻光(18) 光路由全反鏡(6)，腔鏡(5)和輸出鏡(7)構(gòu)成；激光晶體(8) 和主動(dòng)調(diào)Q開(kāi)關(guān)(9)放置在諧振腔內(nèi)，轉(zhuǎn)向鏡(10、11)、聚焦鏡(12)、 倍頻晶體(13)、準(zhǔn)直透鏡(14)、諧波分離鏡(15、 16)放置在諧振 腔外；由激光泵浦源(1)產(chǎn)生的泵浦光(17)通過(guò)激光傳能光纖(2) 和光學(xué)耦合系統(tǒng)的準(zhǔn)直聚焦，再經(jīng)過(guò)"V"型折疊腔拐角處的腔鏡(5) 入射到激光晶體(8)內(nèi)部并被激光晶體(8)充分吸收；諧振腔的振蕩閾值由放置在諧振腔內(nèi)的主動(dòng)調(diào)Q開(kāi)關(guān)(9)調(diào)制，然后形成脈沖 輸出的基頻激光(18);基頻激光(18)經(jīng)過(guò)輸出鏡(7)輸出，再經(jīng) 過(guò)轉(zhuǎn)向鏡(10、 11)調(diào)整入射方向，通過(guò)設(shè)置在諧振腔外一定位置的 聚焦透鏡(12)聚焦到非線性倍頻晶體(13)的入射端面并產(chǎn)生倍頻 綠光激光(19)和剩余的基頻激光(18)再經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡(14)準(zhǔn)直， 倍頻綠光激光(19)透過(guò)諧波分離鏡(15)輸出，剩余的基頻激光(18) 被諧波分離鏡(15、 16)反射，形成可與倍頻綠光激光(19)平行輸 出的基頻激光(20);所述的全反鏡(6)到激光晶體(8)中心的距 離為140mm至160mm，腔鏡(5)的中心到激光晶體(8)中心的距 離為10mm至30mm，輸出鏡(7)到腔鏡(5)中心的距離為120mm 至140mm，透鏡(4)出光端面中心到激光晶體(8)中心的距離為 20mm至40mm, "V"型腔的兩臂夾角小于20度。
本發(fā)明所述的端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻激光器的激光泵浦光 源為808nm半導(dǎo)體激光二極管光源，最大輸出功率為30W。
本發(fā)明所述的端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻激光器，其全反鏡到 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，輸出鏡到腔鏡的中心距離為130mm，泵浦光經(jīng)過(guò)耦合系統(tǒng)聚 焦到激光晶體上的平均光斑直徑為0.8mm。 "V"型折疊腔的兩臂夾 角為18度；透鏡的出光端面到激光晶體中心的距離為30mm;基頻 激光輸出光束質(zhì)量因子小于1.3;激光晶體位于等效腔結(jié)構(gòu)的中心。
本發(fā)明所述的端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻綠光激光器，其折疊 腔可以等效為線性直腔結(jié)構(gòu)，激光晶體吸收泵浦光源的一部分能量將 轉(zhuǎn)化為熱量，經(jīng)過(guò)冷卻在晶體內(nèi)部形成非均勻溫度分布，其效果等效 為一個(gè)聚焦透鏡，稱(chēng)為熱透鏡效應(yīng)。設(shè)LBO對(duì)基頻光的折射率為n ， 光束質(zhì)量因子為M 2，基頻光的波長(zhǎng)為X，激光束腰半徑為w。，則輸出基頻激光經(jīng)過(guò)透鏡聚焦到非線性倍頻晶體內(nèi)的光束瑞利長(zhǎng)度ZK的 計(jì)算公式為
Z =讀02 R 一認(rèn)2
為了達(dá)到有效的倍頻轉(zhuǎn)換效率，保證有效的相位匹配，聚焦到非 線性倍頻晶體內(nèi)的基頻激光光束瑞利長(zhǎng)度必須大于非線性倍頻晶體 的長(zhǎng)度。因此對(duì)于一定光束質(zhì)量的基頻激光，存在一個(gè)最小可聚焦參 數(shù)，或者說(shuō)光束質(zhì)量越好，允許將基頻激光聚焦到更小的光斑尺寸。
本發(fā)明所述的端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻綠光激光器，其主動(dòng) 調(diào)Q開(kāi)關(guān)為聲光調(diào)Q或電光調(diào)Q開(kāi)關(guān)。
本發(fā)明所述的非線性倍頻晶體(13)為磷酸二氫鉀(KDP)、三硼 酸鋰(LBO)、磷酸氧鈦鉀(KTP)或偏硼酸鋇(BBO)非線性光學(xué)晶體。
本發(fā)明所述的激光晶體(8)為Nd:YV04或Nd:YAG晶體。
本發(fā)明所述的聚焦透鏡(12)和準(zhǔn)直透鏡(14)的焦距分別為 30mm至100mm。
本發(fā)明所述的透鏡(3)的焦距為12mm至18mm，透鏡(4)的 焦距為25mm至35mm。
本發(fā)明所述的端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻綠光激光器具有構(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、全固態(tài)、結(jié)構(gòu)緊湊靈活等優(yōu) 勢(shì)。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的表面激光標(biāo)記、激光內(nèi)雕、精細(xì)加工、切割、 焊接以及其他激光的泵浦源等領(lǐng)域。


圖1:端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻綠光激光器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2:等效直線腔及腔內(nèi)、腔外光束變換示意圖；圖3:光束在倍頻晶體內(nèi)的聚焦變換示意圖2中，(6)和(7)為等效直線腔的腔鏡和輸出鏡，(8)為激
光晶體產(chǎn)生的等效腔的熱透鏡，(6)和(7)構(gòu)成等效腔，熱透鏡(8) 在等效腔的中心；(21)為基頻光光束輪廓，(12)和(14)為焦距 50mm的透鏡，(13)為非線性倍頻晶體。
圖3中，(21)為聚焦入射光束，其束腰落在非線性倍頻晶體(13) 的入射端面上；(22)為不存在倍頻晶體時(shí)的聚焦后的光束輪廓；(23) 為聚焦光束通過(guò)倍頻晶體后的光束輪廓。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所涉及的端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻綠光激光器，其技 術(shù)方案結(jié)合附圖l、 2和3詳細(xì)敘述如下
本發(fā)明的基頻激光源由諧振腔、激光晶體8 (取Nd:YV04作為激 光晶體8)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)， 其光路成"V"字形，沿基頻光18光路由全反鏡6、腔鏡5和輸出鏡 7構(gòu)成；反射鏡6為平面鏡，它的內(nèi)側(cè)鍍基頻光(1064nm)高反膜， 腔鏡5為平面反射鏡，它的一面鍍泵浦光(808nm)增透膜，另一面 同時(shí)鍍泵浦光增透膜和基頻光高反膜，輸出鏡7 —面鍍基頻光部分反 射膜， 一面鍍基頻光增透膜；激光晶體8位于靠近腔鏡5的光軸上即 等效腔的結(jié)構(gòu)中心，晶體兩通光面同時(shí)鍍泵浦光和基頻光增透膜；采 用泵浦光源l (808nm)作為泵浦源；泵浦單元由傳能光纖2和耦合 系統(tǒng)構(gòu)成；耦合系統(tǒng)由兩片式透鏡3、 4組成，兩片透鏡都鍍泵浦光 增透膜，第一片透鏡3對(duì)光纖輸出的泵浦光17進(jìn)行準(zhǔn)直，第二片透 鏡4對(duì)泵浦光17聚焦，兩透鏡3、 4之間的距離可調(diào)；泵浦光通過(guò)光 纖和耦合系統(tǒng)，再經(jīng)過(guò)"V"型折疊腔拐角腔鏡5入射到激光晶體8 內(nèi)部并被激光晶體8充分吸收；諧振腔的振蕩閾值由放置在腔內(nèi)的主動(dòng)調(diào)Q開(kāi)關(guān)9 (雙面鍍基頻光增透膜)調(diào)制，然后形成脈沖輸出的基
頻激光18;脈沖輸出的基頻激光18經(jīng)過(guò)方向轉(zhuǎn)向鏡10和11 (均鍍 基頻光高反膜)改變傳播方向；脈沖輸出的基頻激光18由放置在諧 振腔外一定位置的聚焦透鏡12 (鍍基頻光增透膜)聚焦到非線性倍 頻晶體13 (LBO，雙面均鍍基頻光和倍頻光增透膜)的入射端面上， 并在晶體13內(nèi)部形成非線性頻率變換過(guò)程；由倍頻晶體13產(chǎn)生的倍 頻綠光激光19和剩余的基頻光18經(jīng)過(guò)透鏡14 (雙面均鍍基頻光和 倍頻光增透膜)準(zhǔn)直后，再由諧波分離鏡15 (鍍45度倍頻光增透膜 和基頻光高反膜)和16 (鍍基頻光高反膜)分開(kāi)為平行輸出的倍頻 綠光激光19和基頻激光20。
具體設(shè)計(jì)范例如下按照?qǐng)D1在光路上放置激光器各部分器件， 包括全反鏡6、腔鏡5、輸出鏡7、激光晶體8、聲光調(diào)Q開(kāi)關(guān)9、耦 合系統(tǒng)3和4;耦合系統(tǒng)的透鏡3的焦距為15mm，透鏡4的焦距為 30mm;全反鏡6到激光晶體8中心的距離為150mm，腔鏡5到激光 晶體中心的距離為20mm，輸出鏡7到腔鏡5中心的距離為130mm， "V"型腔兩臂的夾角角度為18度，耦合系統(tǒng)出光端面(鏡片4的 后表面中心)距離激光晶體8中心的距離為30mm，泵浦光18經(jīng)耦 合系統(tǒng)在激光晶體8內(nèi)的平均聚焦光斑直徑為0.8mm。根據(jù)熱透鏡理 論，當(dāng)激光晶體吸收的泵浦功率為22W時(shí)，其等效熱透鏡焦距約為 170mm左右；利用光束傳輸矩陣定律，可以計(jì)算出當(dāng)?shù)刃婚L(zhǎng)為 300mm，激光晶體8產(chǎn)生的熱透鏡位于等效腔的中心時(shí)，振蕩基頻光 18在晶體8內(nèi)的平均基模直徑為0.73mm，與泵浦光17在晶體8內(nèi) 的平均直徑接近。然后在靠近全反鏡6的位置放置聲光調(diào)Q開(kāi)關(guān)， 調(diào)制諧振腔的振蕩閾值；這種條件下，能夠得到輸出光束質(zhì)量較好一 一光束質(zhì)量因子小于1.3，輸出功率穩(wěn)定的準(zhǔn)連續(xù)激光脈沖輸出。輸出的脈沖基頻激光18經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向鏡10和11改變傳輸路徑并起到增加 光程的作用，在距離輸出鏡7實(shí)際光學(xué)路徑長(zhǎng)度為350mm處放置焦 距為50mm的聚焦透鏡12，將光束質(zhì)量因子為1.3的基頻激光18聚 焦變換為束腰直徑約為0.07mm聚焦光束，束腰位置在長(zhǎng)度為10mm 的非線性倍頻晶體13的入射端面處。根據(jù)光束傳輸矩陣定律，變換 后的束腰位置距離聚焦透鏡12約為56mm。根據(jù)上述瑞利長(zhǎng)度的計(jì) 算公式，當(dāng)基頻激光18的波長(zhǎng)X為1064nm，非線性晶體13-LBO對(duì) 波長(zhǎng)X為1064nm的激光的折射率n約為1.6，光束質(zhì)量因子M 2為1.3， 聚焦后基頻激光18的束腰半徑w。為0.07mm，則聚焦光束在非線性 倍頻晶體13內(nèi)的瑞利長(zhǎng)度為17.8mm，大于倍頻晶體13的長(zhǎng)度。
權(quán)利要求
1. 一種端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻綠光激光器，它包括激光泵浦源(1)、激光傳能光纖(2)、光學(xué)耦合系統(tǒng)、激光諧振腔、激光晶體(8)、主動(dòng)調(diào)Q開(kāi)關(guān)(9)、轉(zhuǎn)向鏡(10、11)、聚焦透鏡(12)、倍頻晶體(13)、準(zhǔn)直透鏡(14)、諧波分離鏡片(15、16)，其特征是，光學(xué)耦合系統(tǒng)由兩片式透鏡(3)和透鏡(4)組成，第一片透鏡(3)對(duì)激光傳能光纖(2)輸出的泵浦光(17)進(jìn)行準(zhǔn)直，第二片透鏡(4)對(duì)泵浦光(17)聚焦，透鏡(3)和透鏡(4)之間的距離可調(diào)；激光諧振腔為“V”型折疊腔結(jié)構(gòu)，其光路成“V”形，沿基頻光(18)光路由全反鏡(6)，腔鏡(5)和輸出鏡(7)構(gòu)成；激光晶體(8)和主動(dòng)調(diào)Q開(kāi)關(guān)(9)放置在諧振腔內(nèi)，轉(zhuǎn)向鏡(10、11)、聚焦鏡(12)、倍頻晶體(13)、準(zhǔn)直透鏡(14)、諧波分離鏡(15、16)放置在諧振腔外；由激光泵浦源(1)產(chǎn)生的泵浦光(17)通過(guò)激光傳能光纖(2)和光學(xué)耦合系統(tǒng)的準(zhǔn)直聚焦，再經(jīng)過(guò)“V”型折疊腔拐角處的腔鏡(5)入射到激光晶體(8)內(nèi)部并被激光晶體(8)充分吸收；諧振腔的振蕩閾值由放置在諧振腔內(nèi)的主動(dòng)調(diào)Q開(kāi)關(guān)(9)調(diào)制，然后形成脈沖輸出的基頻激光(18)；基頻激光(18)經(jīng)過(guò)輸出鏡(7)輸出，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向鏡(10、11)調(diào)整入射方向，通過(guò)設(shè)置在諧振腔外一定位置的聚焦透鏡(12)聚焦到非線性倍頻晶體(13)的入射端面并產(chǎn)生倍頻綠光激光(19)和剩余的基頻激光(18)再經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡(14)準(zhǔn)直，倍頻綠光激光(19)透過(guò)諧波分離鏡(15)輸出，剩余的基頻激光(18)被諧波分離鏡(15、16)反射，形成可與倍頻綠光激光(19)平行輸出的基頻激光(20)；所述的全反鏡(6)到激光晶體(8)中心的距離為140mm至160mm，腔鏡(5)的中心到激光晶體(8)中心的距離為10mm至30mm，輸出鏡(7)到腔鏡(5)中心的距離為120mm至140mm，透鏡(4)出光端面中心到激光晶體(8)中心的距離為20mm至40mm，“V”型腔的兩臂夾角小于20度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻綠光激光 器，其特征是，非線性倍頻晶體(13)為磷酸二氫鉀、三硼酸鋰、磷 酸氧鈦鉀或偏硼酸鋇非線性光學(xué)晶體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻綠光激 光器，其特征是，激光晶體(8)為Nd:YV04或Nd:YAG晶體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻綠光激 光器，其特征是，放置在腔內(nèi)的主動(dòng)調(diào)Q開(kāi)關(guān)(9)為聲光調(diào)Q器件 或電光調(diào)Q器件。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻綠光激 光器，其特征是，全反鏡(6)到激光晶體(8)中心距離為150mm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻綠光激 光器，其特征是，腔鏡(5)到激光晶體(8)中心距離為20mm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻綠光激 光器，其特征是，輸出鏡(7)到腔鏡(5)中心的距離為130mm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻綠光激 光器，其特征是，透鏡(4)的輸出端面中心到激光晶體中心的距離 為30mm。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻綠光激 光器，其特征是，"V"型折疊腔的兩臂夾角為18度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻綠光 激光器，其特征是，激光晶體(8)位于等效腔結(jié)構(gòu)的中心。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種端面泵浦主動(dòng)調(diào)Q腔外倍頻綠光激光器，包括激光泵浦源、傳能光纖、光學(xué)耦合系統(tǒng)、“V”型折疊諧振腔、激光晶體、主動(dòng)調(diào)Q開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)向鏡、聚焦鏡、非線性倍頻晶體、準(zhǔn)直鏡、諧波分離鏡。通過(guò)主動(dòng)調(diào)Q方式產(chǎn)生高峰值功率準(zhǔn)連續(xù)基頻光輸出，然后輸出的基頻光經(jīng)過(guò)透鏡聚焦到放置在腔外的非線性倍頻晶體上并產(chǎn)生細(xì)小的光斑和高的基頻光功率密度，在倍頻晶體后得到綠光輸出。腔外倍頻方式比腔內(nèi)倍頻方式具有更好的穩(wěn)定性，并且結(jié)構(gòu)靈活，易于調(diào)整。本發(fā)明中，基頻光到倍頻光的轉(zhuǎn)換效率大于50％，綠光平均功率大于4.5W。本發(fā)明廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、科研、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01S3/11GK101436752SQ20081019773
公開(kāi)日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2008年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月20日
發(fā)明者劉良清, 鋒 王 申請(qǐng)人:武漢凌云光電科技有限責(zé)任公司