專利名稱：二極管激光雙端面泵浦雙路輸出全固態(tài)激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于激光技術(shù)應用領(lǐng)域，具體的說是涉及一種應用在激光打標系統(tǒng)中 的二極管激光器端面泵浦全固態(tài)激光器。
技術(shù)背景自20世紀90年代以來，隨著二極管激光器端面泵浦全固態(tài)激光器的發(fā)展，傳統(tǒng)的 固體激光器已經(jīng)逐漸在各個應用領(lǐng)域中被取代，例如在激光打標系統(tǒng)中的應用。但經(jīng)過長 時間的應用后發(fā)現(xiàn)，目前應用于激光打標系統(tǒng)中的二極管激光器端面泵浦全固態(tài)激光器存 在以下問題即當需要一次對兩個產(chǎn)品同時進行相同標記的時候，為降低成本和提高效率， 使用者往往不得不在一個二極管激光器端面泵浦全固態(tài)激光器上裝兩組掃描聚焦鏡頭，來 達到目的。相應的，對激光器就得采用光學分光器將一束激光分成兩束，然后再使用。但這 樣做就會同時產(chǎn)生以下問題首先，在分光的過程中不可避免的會損耗激光輸出能量；其 次，會使原有的好的激光輸出光斑模式變差；再次，由于分光效果不佳，將導致兩面的標記 效果不一致，達不到雙振鏡頭應該達到的理想效果
實用新型內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有應用于激光打標系統(tǒng)中的二極管激光器端面泵浦全固態(tài)激光器采 用光學分光器分光后，會產(chǎn)生激光能量損失、導致激光輸出光斑模式變差以及分光效果不 佳的問題，本實用新型提供一種二極管激光雙端面泵浦雙路輸出全固態(tài)激光器，該種全固 態(tài)激光器實施后，具有如下特點①能夠在單一的二極管端面泵浦固體激光器上雙面輸出 兩束平行的，功率大小、偏振方向以及振幅等相關(guān)物理常數(shù)完全相同的激光光束；②在連續(xù) 輸出情況下，每一端面都能夠以較高的最高功率進行連續(xù)輸出；③并且全程輸出光都為接 近基模輸出。因此，將本種激光器應用激光打標系統(tǒng)中后，當需要一次對兩個產(chǎn)品同時進行 相同標記的時候，就不用再采用光學分光器進行分光了，從而保證了激光輸出光斑模式不 被損壞、激光輸出能量不被消耗以及使雙振鏡頭具有較好的應用效果。本實用新型的技術(shù)方案是該種二極管激光雙端面泵浦雙路輸出全固態(tài)激光器， 包括二極管激光器模塊、耦合光纖、光學聚焦系統(tǒng)、激光晶體以及輸出耦合鏡，其中特別之 處在于所述全固態(tài)激光器中還包括一種二相色鏡，此二相色鏡鍍制在角度為45°的情 況下雙面對808nm泵浦光的增透膜，此外，此二相色鏡靠近激光晶體的一側(cè)還要鍍制對 1064nm諧振光的全反膜；所述激光晶體兩端通光面分別鍍制對應808nm泵浦光的增透膜， 鍍制對應1064nm諧振光的增透膜，兩類增透膜對相關(guān)光透過率大于99. 9% ；所述輸出耦合 鏡為平面鏡，面對諧振腔一側(cè)面鍍制相對1064nm諧振光反射率80%、透射率為20%的膜 層，另一側(cè)面鍍制相對106411!11諧振光的增透膜，透過率大于99.9% ；所述全固態(tài)激光器中 包含完全相同的兩個二極管激光器模塊、兩組耦合光纖、兩個光學聚焦系統(tǒng)、兩面45°放置 的二相色鏡、兩個激光晶體以及兩面輸出耦合鏡；上述器件在所述全固態(tài)激光器中依次平行對稱放置。所述兩個二極管激光器模塊出射的泵浦光分別通過兩組耦合光纖輸出，再分別通 過兩個光學聚焦系統(tǒng)，經(jīng)過二相色鏡，聚焦到兩個激光晶體的泵浦端面上，所述激光晶體分 別吸收泵浦光能量后產(chǎn)生兩束受激熒光輻射，輻射的熒光在所述全固態(tài)激光器的諧振腔內(nèi) 來回振蕩形成兩束完全相同的激光光束，所述兩束激光光束分別由兩面輸出耦合鏡引出。所述全固態(tài)激光器的諧振腔由兩面45°放置的二相色鏡以及兩面輸出耦合鏡組 成，45°放置的兩面二相色鏡兩次改變了光束的反射方向，使得所述諧振腔為“U”形。本實用新型具有如下有益效果首先，采取上述方案后，能夠在一臺二極管端面泵 浦固體激光器上雙面同時輸出具有相同功率、光斑模式以及脈寬等激光參數(shù)的兩束平行激 光束，因此，將本種激光器應用激光打標系統(tǒng)中后，當需要一次對兩個產(chǎn)品同時進行相同標 記的時候，就不用再采用光學分光器進行分光了，從而保證了激光輸出光斑模式不被損壞、 激光輸出能量不被消耗以及使雙振鏡頭具有較好的應用效果。其次，由于泵浦源采用兩個 二極管激光泵浦模塊對兩個激光晶體進行泵浦，大大提高了激光器的輸出功率。在連續(xù)輸 出情況下，每一端面都能夠以較高的最高功率進行連續(xù)輸出；再次，應用本方案后，全程輸 出光都為接近基模輸出；此外，在本方案中，諧振腔采用U型腔，擴展了激光器的有效腔長， 使激光器能夠輸出優(yōu)異的激光光斑；而且，本方案中，泵浦光能量平均分布于兩個完全相同 的激光晶體上，減小了單個激光晶體熱負載，大大減小了激光器晶體的熱透鏡效應，延長激 光器整體使用壽命。

圖1是本實用新型中所述全固態(tài)激光器的光路原理示意圖，對應實施例1。圖2是本實用新型中所述全固態(tài)激光器采用的一種光學聚焦系統(tǒng)的示意圖。圖3是本實用新型中所述全固態(tài)激光器所采用的激光晶體以及紫銅夾具示意圖。圖4是本實用新型中所述全固態(tài)激光器的諧振腔內(nèi)光束腰半徑的變化情況示意 圖。圖5是本實用新型中所述全固態(tài)激光器改變調(diào)Q器件位置后的光路原理示意圖。圖6是本實用新型中所述全固態(tài)激光器又增加兩面二相色鏡后所得到的光路原 理示意，對應實施例2。圖7是在實施例2的基礎(chǔ)上減少一塊激光晶體后的光路原理示意，對應實施例3。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明本實用新型中所述的二極管激光雙端面泵浦雙路輸出全固態(tài)激光器，主要包括二 極管激光器模塊、耦合光纖、光學聚焦系統(tǒng)、激光晶體以及輸出耦合鏡，以及一種二相色鏡。 所謂二相色鏡又稱為雙色鏡，英文譯為Dichroic Mirrors，常用于激光技術(shù)中，其特點是對 一定波長的光幾乎完全透過，而對另一些波長的光幾乎完全反射。在本方案中，此二相色鏡 鍍制在角度為45°的情況下雙面對808nm泵浦光的增透膜，此外，此二相色鏡靠近激光晶 體的一側(cè)還要鍍制對1064nm諧振光的全反膜。在上面所述激光晶體兩端的通光面上要求分別鍍制對應808nm泵浦光的增透膜，鍍制對應1064nm諧振光的增透膜，兩類增透膜對相關(guān)光透過率大于99. 9%。所述光學聚焦系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2，可以由四片彎月形鏡片排列后組成，亦可用一 片非球面透鏡代替。所述光學聚焦系統(tǒng)的作用是將耦合光纖輸出的發(fā)散的泵浦光耦合成 0. 8mm的光斑。所述輸出耦合鏡為平面鏡，面對諧振腔一側(cè)面鍍制相對1064nm諧振光反射 率80%、透射率為20%的膜層，另一側(cè)面鍍制相對1064nm諧振光的增透膜，透過率大于 99. 9%。如圖1中所示，所述全固態(tài)激光器中包含完全相同的兩個二極管激光器模塊，標 為1-a和1-b ；兩組耦合光纖標為2-a和2-b ；兩個光學聚焦系統(tǒng)標為3_a和3_b ；兩面45° 放置的二相色鏡標為4-a和4-b ；兩個激光晶體標為5-a和5_b ；以及兩面輸出耦合鏡，標 為6-a和6-b ；上述器件在所述全固態(tài)激光器中依次平行對稱放置。這樣就形成了兩個泵 浦源，由兩個二極管激光器模塊分別發(fā)出的波長約為808nm的泵浦激光通過對應的兩條耦 合光纖將泵浦光轉(zhuǎn)移到光學聚焦系統(tǒng)上。在全固態(tài)激光器中，所述兩個二極管激光器模塊出射的泵浦光分別通過兩組耦合 光纖輸出，再分別通過兩個光學聚焦系統(tǒng)，經(jīng)過二相色鏡，聚焦到兩個激光晶體的泵浦端面 上，所述激光晶體分別吸收泵浦光能量后產(chǎn)生兩束受激熒光輻射，輻射的熒光在所述全固 態(tài)激光器的諧振腔內(nèi)來回振蕩形成兩束完全相同的激光光束，所述兩束激光光束分別由兩 面輸出耦合鏡引出。在本方案中，所述全固態(tài)激光器的諧振腔由兩面45°放置的二相色鏡以及兩面輸 出耦合鏡組成，45°放置的兩面二相色鏡兩次改變了光束的反射方向，使得所述諧振腔為 “U” 形。下面給出按照上面方案進行的一個實施例1 :本實施例中所采用的兩個二極管激光器模塊1-a和l_b，是由dilas公司出品的中 心波長808nm、輸出最大功率30W的二極管激光器模塊，光纖束直徑0. 8mm,數(shù)值孔徑NA = 0. 22。其輸出激光中心波長為807 810nm(25°C )，可以通過調(diào)節(jié)TEC制冷系統(tǒng)的工作溫 度，使其工作波長接近808. 9nm,目的與Nd: YV04晶體的吸收峰相匹配。所采用的兩根耦合光纖2-a和2-b是兩根芯徑為400 u m、數(shù)值孔徑為0. 22的光 纖，長度約為2m，光纖芯徑為400微米。這兩根耦合光纖的作用主要是將泵浦光轉(zhuǎn)移到下面 的光學聚焦系統(tǒng)中。這里稱為光學聚焦系統(tǒng)，主要是由兩組耦合鏡片3_a和3_b組成。這兩組耦合鏡片 完全相同，對稱分布。其組成如圖2所示，分別由四片彎月形鏡片排列后構(gòu)成。當然，亦可 用一片非球面透鏡代替。其作用是將耦合光纖輸出的發(fā)散的泵浦光耦合成0. 8mm的光斑， 光學聚焦系統(tǒng)將泵浦光束整形聚焦，也就是將發(fā)散的光束轉(zhuǎn)變成會聚光束，兩束泵浦光經(jīng) 過光學聚焦系統(tǒng)匯聚后，同時平行進入45°放置，在45°情況下對808nm的泵浦光增透的 二相色鏡，并聚焦在激光晶體內(nèi)部。其束腰半徑為0. 4mm，不均勻性為6%，瑞利長度> 3mm。 圖4所示為本全固態(tài)激光器的激光諧振腔內(nèi)光束腰半徑的變化情況。所述兩個激光晶體4-a和4-b可以采用Nd: YV04激光晶體，為0. 25at. %的Nd摻 雜濃度，即激光晶體摻雜三價釹的含量為0. 25%。晶體尺寸為4讓\4讓\12!11111，3軸切害1]， c軸旋轉(zhuǎn)45°，通光方向長度為12mm。當然也可以是Nd:GdV04或Nd:YLF等晶體。晶體的
5兩個通光面分別鍍1064nm和808nm的增透膜(R1064nm < 0. 5%, R808nm < 0. 5% ),晶體 的側(cè)面用銦箔包住，激光晶體采用菱形夾持，菱形夾持是為了更好的散熱，相對于常規(guī)的矩 形夾持來說菱形夾持可以再平行于通光面得四個晶體表面同時散熱，矩形夾持實際只有上 下兩個面散熱，從而增大散熱面積，提高散熱效率，使得全風冷式散熱更易于實行。本實用新型中所述全固態(tài)激光器所采用的激光晶體夾具的示意圖如圖3所示，圖 中標號1、4的分別為兩個激光晶體，圖中標號為2、3的分別為兩個紫銅壓塊，圖中標號為5 的是外殼，圖中標號為10、6的分別是兩個紫銅底座，圖中標號為9、8的分別是兩個風扇，圖 中標號為7的是散熱翅片，該圖所示為翅片的橫向部分。放到熱傳導系數(shù)較高的紫銅夾具 中，目的是對激光晶體產(chǎn)生的熱量傳導到紫銅夾具上進而通過下面的散熱片，將熱量帶出 激光器外面的空氣中。這樣，使平行通光方向的四個面都可得到冷卻，晶體的散熱效果得以 提尚。所述兩個二相色鏡5-a和5-b，又稱雙色鏡，為平面鏡，英文譯為Dichroic Mirrors。在45°角的情況下，鍍對808nm泵浦光增透膜，透過率大于99. 9%，目的是讓泵 浦光通過二相色鏡進入激光晶體時，盡量減小消耗。在對應諧振腔一面鍍對1064nm諧振光 的全反膜，目的是改變諧振光運行方向，讓本來直線運行的光路改變45°。兩個二相色鏡 組合可以兩次改變諧振光光路，從而組成“U”型的光路運行。這樣，兩組完全相同的兩個泵 浦源以及兩根完全相同的光學聚焦系統(tǒng)組成的泵浦光光路和諧振光光路共同組成“H”型光 路。本方案中這樣設計腔型使兩激光增益介質(zhì)產(chǎn)生的熱透鏡組成共焦系統(tǒng)，有效避免熱透 鏡效應，增強腔體的熱穩(wěn)定性，提高了激光的輸出功率和激光光束質(zhì)量。所述兩個輸出耦合鏡片7-a和7-b均為平面鏡，面對諧振腔一側(cè)鍍制相對1064nm 反射率80%，透射率為20%的膜層，輸出耦合鏡的另一個面鍍1064nm的增透膜，透過率大 于 99. 9%。這樣，當泵浦光束通過二相色鏡后，同時進入其分別相對應的激光晶體內(nèi)部，激光 晶體將波長為808nm的泵浦光吸收，產(chǎn)生受激熒光輻射，輻射的熒光在兩個輸出耦合鏡，兩 個激光晶體以及兩個二相色鏡之間來回諧振，產(chǎn)生波長為1064nm的諧振光，諧振光在達到 足夠的增益后，也就是諧振腔內(nèi)諧振光光束光子密度達到一定值后，通過兩個平行放置的 輸出耦合鏡輸出腔外，形成兩束平行的，功率大小，偏振方向，振幅的相關(guān)物理常數(shù)完全相 同激光光束。本例中，兩個輸出耦合鏡到對應的激光晶體間的距離為77mm，兩個激光晶體到所 對應的二相色鏡之間的距離分別為30mm，兩二相色鏡之間距離大約為90mm。為實現(xiàn)脈沖輸出，在上述全固態(tài)激光器的基礎(chǔ)上可以增加一個調(diào)Q器件7，如圖1 所示，所述調(diào)Q器件位于所述兩面二相色鏡之間。所述的調(diào)Q器件一般為聲光調(diào)Q器件，亦 可為電光調(diào)Q器件。此外，所述調(diào)Q器件還可以位于所述激光晶體與輸出耦合鏡之間，如圖5所示。在上述全固態(tài)激光器的基礎(chǔ)上，可以增加兩面二相色鏡，稱為8_a和8_b，此后得 到的光路原理示意如圖6所示，由此形成實施例2。圖7是在實施例2的基礎(chǔ)上減少一塊激光晶體后的光路原理示意，由此形成實施 例3。在上述方案基礎(chǔ)上，形成一個優(yōu)化實施方案，那就是所述兩個激光晶體之間光路長度限定為150mm。這樣，在保證兩個激光晶體之間光路長度為150mm不變的情況下，兩個 激光晶體到所對應的二相色鏡之間的距離以及兩面二相色鏡之間得距離值就可以適當調(diào) 節(jié)。進行這樣限定的原因在于之一，要滿足兩個晶體之間的距離大約等于晶體到輸出耦合 鏡之間距離的兩倍；之二，激光晶體產(chǎn)生的熱透鏡效應要重合在兩塊晶體之間大約75%的 位置處。在以上條件下，通過計算優(yōu)化限定為150毫米。在本實用新型專利所提出的全固態(tài)激光器中，模式匹配涉及到倆組808nm泵浦光 和1064nm的諧振光三組光路的兩兩相互模式匹配。如其中一組光與其他兩組光匹配的 不完美，就要同時嚴重影響輸出激光的功率和光斑模式。因此，在本發(fā)明專利實施時，要 求兩組泵浦光入射到激光晶體相應位置的時侯，對應光斑直徑大小約為0. 8mm。而在諧振 腔中，1064nm的諧振光諧振運行于兩腔鏡之間，運行到晶體相應位置時的光斑直徑也約為 0. 8mm,同時還要求兩個泵浦光光束嚴格平行與諧振光對應的位置平行，泵浦光與諧振光最 大的重合，已達到完美的模式匹配。使輸出光輸出光輸出功率最高，對應的激光光斑達到高 質(zhì)量的近基模輸出。常規(guī)的同類固態(tài)激光器，無論結(jié)構(gòu)有多復雜，都具有一個對諧振光全反鏡和一個 對諧振光部分反射、部分輸出的輸出耦合鏡。與常規(guī)激光器不同的是，本專利中沒有對諧振 光全反的鏡片，而是兩個輸出系數(shù)完全相同的輸出耦合鏡，由此輸出了各種激光參數(shù)完全 相同的兩束平行激光束。這是本專利與傳統(tǒng)激光器最大的區(qū)別。
權(quán)利要求一種二極管激光雙端面泵浦雙路輸出全固態(tài)激光器，包括二極管激光器模塊、耦合光纖、光學聚焦系統(tǒng)、激光晶體以及輸出耦合鏡，其特征在于所述全固態(tài)激光器中還包括一種二相色鏡，此二相色鏡鍍制在角度為45°的情況下雙面對808nm泵浦光的增透膜，此外，此二相色鏡靠近激光晶體的一側(cè)還要鍍制對1064nm諧振光的全反膜；所述激光晶體兩端通光面分別鍍制對應808nm泵浦光的增透膜，鍍制對應1064nm諧振光的增透膜，兩類增透膜對相關(guān)光透過率大于99.9％；所述輸出耦合鏡為平面鏡，面對諧振腔一側(cè)面鍍制相對1064nm諧振光反射率80％、透射率為20％的膜層，另一側(cè)面鍍制相對1064nm諧振光的增透膜，透過率大于99.9％；所述全固態(tài)激光器中包含完全相同的兩個二極管激光器模塊(1-a，1-b)、兩組耦合光纖(2-a，2-b)、兩個光學聚焦系統(tǒng)(3-a，3-b)、兩面45°放置的二相色鏡(4-a，4-b)、兩個激光晶體(5-a，5-b)以及兩面輸出耦合鏡(6-a，6-b)；上述器件在所述全固態(tài)激光器中依次平行對稱放置；所述兩個二極管激光器模塊(1-a，1-b)出射的泵浦光分別通過兩組耦合光纖(2-a，2-b)輸出，再分別通過兩個光學聚焦系統(tǒng)(3-a，3-b)，經(jīng)過二相色鏡(4-a，4-b)，聚焦到兩個激光晶體(5-a，5-b)的泵浦端面上，所述激光晶體分別吸收泵浦光能量后產(chǎn)生兩束受激熒光輻射，輻射的熒光在所述全固態(tài)激光器的諧振腔內(nèi)來回振蕩形成兩束完全相同的激光光束，所述兩束激光光束分別由兩面輸出耦合鏡(6-a，6-b)引出；所述全固態(tài)激光器的諧振腔由兩面45°放置的二相色鏡以及兩面輸出耦合鏡組成，45°放置的兩面二相色鏡兩次改變了光束的反射方向，使得所述諧振腔為“U”形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二極管激光雙端面泵浦雙路輸出全固態(tài)激光器，其特征在 于所述全固態(tài)激光器中還包括一個調(diào)Q器件，所述調(diào)Q器件位于所述兩面二相色鏡之間。
3 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二極管激光雙端面泵浦雙路輸出全固態(tài)激光器，其特征在 于所述全固態(tài)激光器中還包括一個調(diào)Q器件，所述調(diào)Q器件位于所述激光晶體與輸出耦合 鏡之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的二極管激光雙端面泵浦雙路輸出全固態(tài)激光器，其 特征在于所述激光晶體為Nd: YV04激光晶體，為0. 25at. %的Nd摻雜濃度，晶體尺寸為 4讓\4111111\12111111，￡1軸切割，(3軸旋轉(zhuǎn)45°，通光方向長度為12mm，所述晶體的兩個通光面分 別鍍1064nm和808nm的增透膜，晶體的側(cè)面用銦箔包住，晶體采用菱形夾持。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的二極管激光雙端面泵浦雙路輸出全固態(tài)激光器，其特征在 于所述兩個激光晶體(5-a，5-b)之間光路長度為150mm。
專利摘要一種二極管激光雙端面泵浦雙路輸出全固態(tài)激光器。主要解決現(xiàn)有應用于激光打標系統(tǒng)中的二極管激光器端面泵浦全固態(tài)激光器采用光學分光器分光后，會產(chǎn)生激光能量損失、導致激光輸出光斑模式變差以及分光效果不佳的問題。其特征在于所述全固態(tài)激光器中還包括一種二相色鏡，此二相色鏡在45°時雙面對808nm泵浦增透，靠近激光晶體的一側(cè)對1064nm諧振光全反，所述全固態(tài)激光器中包含完全相同的兩個二極管激光器模塊、兩組耦合光纖、兩個光學聚焦系統(tǒng)、兩面45°放置的二相色鏡、兩個激光晶體以及兩面輸出耦合鏡；上述器件在所述全固態(tài)激光器中依次平行對稱放置，形成“U”形諧振腔。具有減少激光能量損失以及分光效果好的特點。
文檔編號H01S3/081GK201608422SQ200920220529
公開日2010年10月13日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者吳學良, 吳肇宸, 李娜 申請人:吳肇宸