專利名稱：一種全固態(tài)激光諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于全固態(tài)激光領(lǐng)域，涉及一種激光諧振腔，特別涉及一種全固態(tài)激光諧 振腔。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光泵浦的全固態(tài)激光器是20世紀(jì)80年代末期出現(xiàn)的新型激光器。全固 態(tài)激光器的總體效率至少要比燈泵浦高10倍，由于單位輸出的熱負(fù)荷降低，可獲取更高的 功率，系統(tǒng)壽命和可靠性大約是閃光燈泵浦系統(tǒng)的100倍，因此，半導(dǎo)體激光器泵浦技術(shù)為 固體激光器注入了新的生機和活力，使全固態(tài)激光器同時具有固體激光器和半導(dǎo)體激光器 的雙重特點，它的出現(xiàn)和逐漸成熟是固體激光器的一場革命，也是固體激光器的發(fā)展方向。 并且，它已滲透到各個學(xué)科領(lǐng)域，例如激光信息存儲與處理、激光材料加工、激光醫(yī)學(xué)及生 物學(xué)、激光通訊、激光印刷、激光光譜學(xué)、激光化學(xué)、激光分離同位素、激光核聚變、激光投 影顯示、激光檢測與計量及軍用激光技術(shù)等，極大地促進了這些領(lǐng)域的技術(shù)進步和前所未 有的發(fā)展。這些交叉技術(shù)與學(xué)科的出現(xiàn)，大大地推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，美國、日本、德國等國家在制造業(yè)，如電子、醫(yī)療、汽車、航空、航天、等領(lǐng)域已 基本完成傳統(tǒng)工藝的更新?lián)Q代，步入“光加工”時代。近年來由于半導(dǎo)體激光的迅速發(fā)展， 使半導(dǎo)體激光泵浦的全固態(tài)激光器加工設(shè)備所占的市場份額越來越大。德國Rofin激光公 司所銷售的激光加工設(shè)備中60%已是全固態(tài)激光器。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，國外全固態(tài)激光器產(chǎn) 業(yè)2004年銷售額已達近百億美元，其中產(chǎn)品銷售額的29%用于激光標(biāo)記，15%用于激光微加 工。全球全固態(tài)激光器加工系統(tǒng)年增長率約為23%，而全固態(tài)激光器是激光器加工系統(tǒng)的核 心部件，市場需求也將同步增長，其年需求增長率將達到20%以上。因此，全固態(tài)激光器的 發(fā)展趨勢很好，前景非常廣闊。目前Nd =YVO4晶體是一種經(jīng)常被使用的全固態(tài)激光器增益介質(zhì)，它可以提供幾十 瓦的脈沖激光。通過納秒調(diào)Q技術(shù)，它可以產(chǎn)生高強度、高重復(fù)頻率的激光。此類晶體一般 采用808和888nm的半導(dǎo)體激光作為激勵光源。由于波長大于SOOnm的激光屬于近紅外激 光，紅外激光的熱效應(yīng)比較強，在Nd =YVO4晶體中會形成熱透鏡。我們知道激光諧振腔的穩(wěn) 定輸出條件是可以用一下計算公式得到的
O <(1-丄)(1-丄)<1 (1)
可以看出在腔長L固定的情況下，影響諧振腔工作的主要因素是腔內(nèi)形成實際鏡面的 R值。而Nd =YVO4晶體形成的熱透鏡會給諧振腔的穩(wěn)定性帶來不利影響。目前一般通常的做法是在晶體一端或兩端放置平凸透鏡，其利用凸面R的不同選 擇以彌補熱透鏡的影響。但是這種做法也有其不足的方面，一個方面是由于平凸透鏡本身 不是一個均勻體，其在受熱不均勻的情況下會產(chǎn)生一些內(nèi)部的應(yīng)力，從而使得它的R值產(chǎn) 生微小的變化，而這個變化是很難給予精確控制，它會造成諧振腔的不穩(wěn)定；另一方面是對 于泵浦光來說它會帶來一定的像差從而降低泵浦光在Nd =YVO4晶體中的利用效率。
目前的諧振腔主要由諧振腔系統(tǒng)、聲光調(diào)制系統(tǒng)與激光泵浦系統(tǒng)共同構(gòu)成，即使 采用了上述透鏡補償系統(tǒng)對熱效應(yīng)進行優(yōu)化，其得到的穩(wěn)定性最高也僅在90%左右，無法 進一步提高。本發(fā)明正是針對上述缺點提出的改進，目的在于提高激光功率輸出的穩(wěn)定性 和模式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，提供一種全固態(tài)激光諧振 腔。本發(fā)明通過采用對泵浦晶體的熱透鏡效應(yīng)進行補償?shù)闹C振腔鏡系統(tǒng)和緊湊的腔長調(diào)節(jié) 裝置提供一種實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的激光諧振腔。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
本發(fā)明的半導(dǎo)體泵浦的全固態(tài)激光諧振腔，包括諧振腔鏡系統(tǒng)、聲光調(diào)制系統(tǒng)和激光 泵浦系統(tǒng)，其中諧振腔鏡系統(tǒng)由6片腔鏡組成一個折疊諧振腔，聲光調(diào)制系統(tǒng)位于折疊諧 振腔的前端鏡之前，由聲光調(diào)制器、光閘和底座組成，聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率從1到150KHz 可調(diào)，脈寬為5ns，激光泵浦系統(tǒng)位于折疊諧振腔中段由泵浦晶體、晶體架和半導(dǎo)體制冷片 組成，泵浦晶體材質(zhì)為Nd: YVO4，其以888nm作為泵浦激勵光源，采用端面泵浦方式受激發(fā)出 1064nm光，該諧振腔采用了對泵浦晶體的熱透鏡效應(yīng)進行補償?shù)闹C振腔鏡系統(tǒng)。諧振腔鏡系統(tǒng)的腔鏡有兩片彎月透鏡分別放置在泵浦晶體的兩側(cè)，彎月透鏡的凸 面朝向所述泵浦晶體的端面。彎月透鏡的凸面和凹面半徑相等，厚度為彎月透鏡口徑直徑D的D/5到D/2。兩所述彎月透鏡的曲率半徑可以相等也可以不等，兩者的曲率半徑可以從Rl到 R2中任意選擇，從而根據(jù)熱透鏡效應(yīng)的不同情況分成不同組合對稱或非對稱放置在泵浦晶 體的兩側(cè)。諧振腔鏡系統(tǒng)的諧振腔鏡的邊緣有兩個對稱的平臺面，平臺面的長度為彎月透鏡 口徑直徑D的D/5到D/2。彎月透鏡的材質(zhì)為火石玻璃。彎月透鏡的凸面鍍對888nm光增透且對1064nm高反射的膜系，彎月透鏡的凹面只 鍍對888nm光增透的膜系。諧振腔鏡系統(tǒng)為光機一體化結(jié)構(gòu)，腔鏡與機械連接直接固化在一起沒有任何偏擺 或俯仰的調(diào)節(jié)機構(gòu)，固化的連接劑可以在紫外光或溫度在80度到150度之間生效。上述系統(tǒng)的特點在于，通過使用一對彎月透鏡，改變?nèi)肷涞絅chYVO4基頻光的光斑 大小，根據(jù)公式1可知，其可以改變基頻光在Nd:YVO4中的功率密度分布，從而實現(xiàn)諧振腔 穩(wěn)定態(tài)的調(diào)節(jié)，再與光機一體化結(jié)構(gòu)相配合，可以得到優(yōu)化的穩(wěn)定諧振腔輸出，所以大大提 升了系統(tǒng)的可靠性。聲光調(diào)制系統(tǒng)的光閘是通過一個光闌片和小型繼電器組成，光闌片結(jié)構(gòu)分為片 體、支點孔和連接桿，片體和連接桿到支點孔的力臂近似相等；繼電器采用膠固化的方式進 行安裝。上述系統(tǒng)的特點在于，泵浦晶體是以888nm作為泵浦光源的Nd: YVO4，其摻雜濃度 小于1%，尺寸大于20mm長。晶體架是由3塊紫銅板組成，它們是通過螺栓結(jié)構(gòu)連接到一起形成一中空結(jié)構(gòu)，在晶體與晶體架間填入銦薄作為連接層，連接層厚度小于2mm。半導(dǎo)體制冷片位于晶體架與激光器底板之間，在接觸面涂有適量的導(dǎo)熱硅脂。上述系統(tǒng)的特點在于，通過使用摻雜濃度小于1%且尺寸大于20mm長的Nd: YVCUt 為泵浦晶體，降低了晶體的熱透鏡效應(yīng)，根據(jù)公式1可知，其可以改變基頻光在泵浦晶體里 功率密度的分布，從而實現(xiàn)諧振腔穩(wěn)定態(tài)的調(diào)節(jié)，再與晶體架和半導(dǎo)體制冷片相配合，可以 得到優(yōu)化的穩(wěn)定諧振腔輸出，所以大大提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果為
本發(fā)明通過在泵浦晶體兩側(cè)添加等厚的彎月透鏡，改變了基頻光在泵浦晶體中的功 率密度分布，從而實現(xiàn)諧振腔穩(wěn)定態(tài)的調(diào)節(jié)，得到穩(wěn)定諧振腔輸出，大大提升了系統(tǒng)的可靠 性。本發(fā)明通過進一步的對泵浦晶體摻雜濃度的研究，發(fā)現(xiàn)改變泵浦晶體摻雜濃度可以改 善泵浦晶體的熱透鏡效應(yīng)，進而使得諧振腔的穩(wěn)定輸出得到顯著改善。


圖1是NchYVO4作為泵浦晶體的光譜的吸收曲線圖2是根據(jù)本發(fā)明采用對泵浦晶體的熱透鏡效應(yīng)進行補償?shù)闹C振腔鏡系統(tǒng)的示意圖； 21 一彎月透鏡，22 —泵浦晶體，
圖3是在888nm光源照射下NchYVO4不同摻雜濃度的熱分布圖； 圖4是根據(jù)本發(fā)明采用了熱效應(yīng)小的激光泵浦系統(tǒng)的示意圖； 41 一泵浦晶體，42 —晶體架，43 —半導(dǎo)體制冷片， 圖5是根據(jù)本發(fā)明所述的一種全固態(tài)激光諧振腔的示意51a—反射鏡，51b—反射鏡，51c—彎月透鏡，51d—彎月透鏡，51e—反射鏡，51f—反 射鏡，52 —聲光調(diào)制Q開光，53 —光閘，54 —泵浦晶體。
具體實施例方式以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例。實施例1 圖1是NchYVO4作為泵浦晶體的光譜的吸收曲線圖，從這張圖中我們可 以看到Nd = YVO4在808和880附近有兩個很強的吸收峰。但同時它們在a軸和c軸的吸收 差異也很大，這就造成在較高功率下晶體的吸收的極不平衡。由于這種不平衡所產(chǎn)生的內(nèi) 部應(yīng)力到達一定程度時會使得晶體破裂，從而無法適用在大功率激光領(lǐng)域中。另外，它還使 得晶體的熱透鏡效應(yīng)非常明顯影響到了功率輸出的穩(wěn)定性。為了解決這個問題，我們注意 到888nm附近也有一個小的吸收峰，這時的a軸和c軸的吸收差異不是很大。它為實現(xiàn)大 功率激光領(lǐng)域應(yīng)用提供了可能。圖2是根據(jù)本發(fā)明采用對泵浦晶體的熱透鏡效應(yīng)進行補償 的諧振腔鏡系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)包括彎月透鏡21，泵浦晶體22 ；其中兩片彎月透鏡分別 對稱地放置在泵浦晶體的兩側(cè)，彎月透鏡的凸面朝向泵浦晶體的端面。通過使用不同曲率 半徑的彎月透鏡，改變?nèi)肷涞絅chYVO4基頻光的光斑大小，根據(jù)公式1可知，其可以改變基 頻光在NchYVO4中的功率密度分布，從而實現(xiàn)諧振腔穩(wěn)定態(tài)的調(diào)節(jié)。彎月透鏡的凸面和凹面半徑相等，中心厚度為透鏡口徑直徑D的D/5到D/2。彎月 透鏡的口徑半徑分別為 R=IOOOmm, R=1300mm, R=1500mm, R=2100mm和 R=2700mm。它們一共實 現(xiàn)25種組合來對熱透鏡效應(yīng)進行對稱或非對稱的補償。根據(jù)計算可以得知，它可以適應(yīng)補償?shù)臒嵬哥R焦距范圍從200mm到400mm。腔鏡的邊緣有兩個對稱的平臺面，平臺面的長度為 彎月透鏡口徑直徑D的D/5到D/2。這樣是為了方便用工裝夾持腔鏡進行調(diào)節(jié)和與機械件 的固化處理。彎月透鏡的材質(zhì)為火石玻璃。彎月透鏡的凸面鍍對888nm光增透且對1064nm 高反射的膜系，彎月透鏡的凹面只鍍對888nm光增透的膜系。腔鏡與機械連接直接固化在 一起沒有任何偏擺或俯仰的調(diào)節(jié)機構(gòu)，固化的連接劑可以在紫外光或溫度在80度到150度 之間生效。如圖2所示的系統(tǒng)，通過腔鏡優(yōu)化，再與光機一體化結(jié)構(gòu)相配合，可以得到優(yōu)化的 穩(wěn)定諧振腔輸出，所以大大提升了系統(tǒng)的可靠性。
實施例2 圖3是在888nm光源照射下Nd: YVO4不同摻雜濃度的熱分布圖，其中圖3a是 NdiYVO4摻雜濃度為2%時候兩端泵浦的熱分布，從圖3a中我們清楚的看到溫度的梯度分布 是很劇烈的，它從端面中心240°C到表面0°C;圖3b是Nd: YVO4摻雜濃度為1. 5%時候兩端泵 浦的熱分布，從圖3a中我們清楚的看到溫度的梯度分布是明顯改善的，它從端面中心95°C 到表面0°C ；圖3c是NchYVO4摻雜濃度為1%時候兩端泵浦的熱分布，從圖3a中我們清楚的 看到溫度的梯度分布變得比較平滑，它從端面中心68°C到表面0°C。從中我們可以得到如 下結(jié)論摻雜濃度的改變是可以改善NchYVO4在888nm下的熱分布。圖4是根據(jù)本發(fā)明采用 了熱效應(yīng)小的激光泵浦系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)包括泵浦晶體41，晶體架42和半導(dǎo)體制冷片 43，其中通過使用摻雜濃度小于1%且尺寸大于20mm長的NchYVO4作為泵浦晶體，降低了晶 體的熱透鏡效應(yīng)，根據(jù)公式1可知，其可以改變基頻光在泵浦晶體里功率密度的分布，從而 實現(xiàn)諧振腔穩(wěn)定態(tài)的調(diào)節(jié)。NdiYVO4晶體摻雜濃度為0. 5%，端面尺寸4X 4mm，長度為30mm。晶體采用a向切 割。晶體架是由3塊紫銅板組成，它們是通過螺栓結(jié)構(gòu)連接到一起的，在晶體與晶體架間填 入銦薄作為連接層，連接層厚度小于2mm。半導(dǎo)體制冷片位于晶體架與激光器底板之間，其 制冷功率大于60w，在接觸面涂有適量的導(dǎo)熱硅脂。這種結(jié)構(gòu)安排是為了盡量減少晶體的熱 透鏡效應(yīng)。如圖4所示，通過使用摻雜濃度為0. 5%且尺寸30mm長的NchYVO4作為泵浦晶體， 再與晶體架和半導(dǎo)體制冷片相配合，可以得到優(yōu)化的穩(wěn)定諧振腔輸出，所以大大提升了系 統(tǒng)的穩(wěn)定性。
實施例3 圖5是本發(fā)明所述的全固態(tài)激光器諧振腔的示意圖，反射鏡51a 51f共同構(gòu) 成諧振腔，888nm光源對工作物質(zhì)為NchYVO4且摻雜濃度為0. 5%的激光晶體54進行泵浦， 產(chǎn)生1064nm的激光，聲光調(diào)制Q開光52置于激光諧振腔的一側(cè)對激光進行調(diào)制，使得整個 系統(tǒng)輸出脈沖光，光間53在聲光調(diào)制器一側(cè)對諧振狀態(tài)進行控制。其中彎月透鏡51d和 51c對NchYVO4激光晶體54的熱透鏡進行補償，腔鏡51a和51b改變諧振腔長度對諧振腔 進行調(diào)節(jié)得到優(yōu)化的功率輸出。盡管參照上述的實施例已對本發(fā)明作出具體描述，但是對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，應(yīng)該理解可以基于本發(fā)明公開的內(nèi)容進行修改或改進，并且這些修改和改進都在 本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種全固態(tài)激光諧振腔，包括諧振腔鏡系統(tǒng)、調(diào)制系統(tǒng)和激光泵浦系統(tǒng)，其中所述調(diào)制系統(tǒng)、激光泵浦系統(tǒng)位于所述諧振腔鏡系統(tǒng)的諧振光路中；其特征在于諧振光路中還包括兩等厚的彎月透鏡，分別對稱的放置于所述激光泵浦系統(tǒng)中的泵浦晶體的兩側(cè)，且彎月透鏡的凸面朝向所述泵浦晶體的端面。
2.如權(quán)利要求1所述的諧振腔，其特征在于兩所述等厚彎月透鏡的曲率半徑不相等。
3.如權(quán)利要求1所述的諧振腔，其特征在于兩所述等厚彎月透鏡的曲率半徑相等。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的諧振腔，其特征在于所述彎月透鏡的厚度為彎月透鏡 口徑直徑的1/5到1/2。
5.如權(quán)利要求4所述的諧振腔，其特征在于所述彎月透鏡的凸面鍍有泵浦光增透膜和 激光增透膜，其凹面鏡鍍有泵浦光增透膜。
6.如權(quán)利要求5所述的諧振腔，其特征在于所述泵浦晶體的摻雜濃度小于1%，長度大 于 20mm。
7.如權(quán)利要求6所述的諧振腔，其特征在于所述泵浦晶體為Nd:YV04，NchYVO4摻雜濃 度為0. 5%，長度為30mm，所述彎月透鏡的材料為火石玻璃。
8.如權(quán)利要求7所述的諧振腔，其特征在于所述彎月透鏡的凸面鍍有對1064nm中心波 長光的增透膜和888nm中心波長光的增透膜，其凹面鏡鍍有對888nm中心波長光增透膜。
9.如權(quán)利要求1所述的諧振腔，其特征在于所述激光泵浦系統(tǒng)包括晶體架和制冷片， 其中所述晶體架為3塊紫銅板通過螺栓連接在一起的中空結(jié)構(gòu)，所述泵浦晶體位于所述中 空結(jié)構(gòu)中，所述制冷片與晶體架的底座連接；所述泵浦晶體與所述中空結(jié)構(gòu)之間填充銦薄 作為連接層，連接層厚度小于2mm。
10.如權(quán)利要求1所述的諧振腔，其特征在于所述調(diào)制系統(tǒng)為聲光調(diào)制系統(tǒng)，所述諧振 腔鏡系統(tǒng)為折疊諧振腔鏡系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全固態(tài)激光諧振腔，屬于全固態(tài)激光領(lǐng)域。本發(fā)明的諧振腔包括諧振腔鏡系統(tǒng)、調(diào)制系統(tǒng)和激光泵浦系統(tǒng)，其中所述調(diào)制系統(tǒng)、激光泵浦系統(tǒng)位于所述諧振腔鏡系統(tǒng)的諧振光路中；其特征在于諧振光路中還包括兩個相同曲率或不同曲率等厚的彎月透鏡，分別放置于所述激光泵浦系統(tǒng)中的泵浦晶體的兩側(cè)，且彎月透鏡的凸面朝向所述泵浦晶體的端面；進一步的，本發(fā)明泵浦晶體摻雜濃度小于1%。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明大大改善了泵浦晶體的熱透鏡效應(yīng)，使得諧振腔的穩(wěn)定輸出得到顯著改善。
文檔編號H01S3/08GK101986479SQ201010263738
公開日2011年3月16日 申請日期2010年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月26日
發(fā)明者奚曉, 姚思一, 張翼, 李翠, 楊曉紅, 閆恒忠 申請人:大恒新紀(jì)元科技股份有限公司