專利名稱：空心環(huán)形光束輸出的固體激光器及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體激光器，特別是一種空心環(huán)形光束輸出的固體激光器及其使用方法。
背景技術(shù)：
由于激光技術(shù)及其應(yīng)用的不斷發(fā)展，空心環(huán)形激光光束越來越多的受到人們的關(guān)注。其輸出光束具有特殊的模式強(qiáng)度分布，利用其具有的環(huán)形空間分布特性現(xiàn)已被用于超分辨顯微鏡，同樣還因其具有特殊的軌道角動(dòng)量特性從而廣泛應(yīng)用于材料加工和光學(xué)粒子操控等領(lǐng)域。當(dāng)前，空心環(huán)形光束有多種產(chǎn)生方法。其中最常見的是利用基模(TEMcitl)激光光束通過一個(gè)全息圖或者空間光調(diào)制器來得到；這種方法會(huì)帶來大功率損耗，首先得到基模光束輸出(輸出效率一般為40%)，然后只有30%的輸入基模光束可以轉(zhuǎn)換為空心光束，則其總的效率在10%左右；并且由于全息片以及調(diào)制器均有比較低的損傷閾值，其輸出功率也受到限制。其輸出功率一般不到100mW。同樣也可以通過在激光諧振腔內(nèi)放置相位板或特殊的鏡片等來得到環(huán)形光輸出；但是這種方法因在腔內(nèi)引入了額外的元件而產(chǎn)生很大的損耗， 從而其輸出功率和效率受到限制。還有一種方法是通過特殊的泵浦條件，用空心分布的泵浦光來抽運(yùn)晶體，移動(dòng)晶體在一定的位置，采用平凹腔結(jié)構(gòu)得到空心環(huán)形光束輸出；這種方法不足之處就需要得到空心的泵浦光束，且其晶體位置精度要求高(在0. 2mm范圍內(nèi))，因而其輸出條件難以控制且輸出不穩(wěn)定，其輸出功率沒有報(bào)道。近期報(bào)道的一種方法是在在激光二極管端泵摻釹釩酸釔板條晶體彈跳(bounce)激光器，其可以得到高功率的空心光束輸出，其光路在腔內(nèi)為折變分布，腔內(nèi)引入兩個(gè)錐棱鏡；不足之處是閾值高(10W)，必須工作在高泵浦功率(大于40W)條件下，系統(tǒng)復(fù)雜，在低功率泵浦情況下難以得到空心光束輸出。所以，當(dāng)前的空心環(huán)形光束激光器存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低、輸出功率低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服上述技術(shù)的不足，提出一種空心環(huán)形光束輸出的固體激光器及其使用方法，該激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，閾值低，效率高，輸出功率高，光束質(zhì)量好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種空心環(huán)形激光光束輸出的固體激光器，包括泵浦源，特點(diǎn)在于其構(gòu)成是在泵浦源輸出的泵浦光方向依次是同光軸的耦合準(zhǔn)直透鏡、耦合聚焦透鏡、激光增益介質(zhì)和輸出鏡， 所述的泵浦源的輸出端置于所述的耦合準(zhǔn)直透鏡物方焦點(diǎn)處，所述的激光增益介質(zhì)的前表面鍍激光高反膜和泵浦光增透膜作為前腔鏡，該激光增益介質(zhì)的后表面鍍激光增透膜，所述的輸出鏡與激光增益介質(zhì)前表面構(gòu)成激光諧振腔，所述的耦合聚焦透鏡和激光增益介質(zhì)各具有沿所述的光軸方向的移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)可使泵浦光經(jīng)所述的耦合聚焦透鏡的泵浦光的焦點(diǎn)位于所述的激光增益介質(zhì)的內(nèi)部或者外部。所述的激光增益介質(zhì)為稀土摻雜的各向同性的激光晶體、或激光玻璃，所述的激光晶體包括摻釹或摻鐿的釩酸釔晶體、摻釹或摻鐿的釩酸釓晶體、摻釹或摻鐿的釔鋁石榴石晶體或摻釹或摻鐿的鈦寶石晶體。所述的輸出鏡可以為平面鏡或凹面鏡。所述的泵浦源為激光器、激光二極管陣列、或尾纖輸出的激光二極管。所述的空心環(huán)形激光光束輸出的固體激光器的使用方法，特征在于該方法是利用端面泵浦激光增益介質(zhì)，通過調(diào)節(jié)泵浦光耦合聚焦透鏡位置或者增益介質(zhì)的位置實(shí)現(xiàn)離焦泵浦，或者調(diào)節(jié)輸出鏡位置來控制諧振腔長度以及適當(dāng)控制泵浦功率大小，具體包括下列三種方法
第一種方法，在激光增益介質(zhì)和輸出鏡位置固定的情況下，通過調(diào)節(jié)耦合聚焦透鏡位置使泵浦光聚焦點(diǎn)處于晶體外部或者內(nèi)部一定位置處實(shí)現(xiàn)離焦泵浦，同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)泵浦功率，從而得到空心環(huán)形光束輸出；
第二種方法，在泵浦光焦點(diǎn)位于激光增益介質(zhì)前表面附近位置且相對于激光增益介質(zhì)前表面的位置固定的情況下，通過水平調(diào)節(jié)輸出鏡位置(諧振腔長度改變)，同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)泵浦功率，從而得到空心環(huán)形光束輸出；
第三種方法，在耦合聚焦透鏡位置和輸出鏡位置固定情況下，通過水平調(diào)節(jié)激光增益介質(zhì)位置使泵浦光焦點(diǎn)在介質(zhì)外部或者內(nèi)部一定位置處，同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)泵浦功率，從而實(shí)現(xiàn)空心環(huán)形光束輸出。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、通過調(diào)節(jié)泵浦光耦合系統(tǒng)或者激光增益介質(zhì)位置實(shí)現(xiàn)離焦泵浦(泵浦光焦點(diǎn)不在激光增益介質(zhì)前表面)，或者調(diào)節(jié)輸出鏡位置來控制諧振腔長度以及適當(dāng)控制泵浦功率大小， 從而得到空心環(huán)形激光光束輸出，在其腔內(nèi)、腔外均未引入其他額外元器件。這種激光器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，閾值低，工作效率高，輸出功率高，光束質(zhì)量好，激光器系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。2、激光增益介質(zhì)工作在室溫條件下，沒有加任何冷卻裝置，從而使激光器結(jié)構(gòu)更簡單緊湊、成本也更低。3、在本激光器中，采用實(shí)心泵浦光泵浦，且在低泵浦功率條件下便可得到較高功率的空心環(huán)形光束輸出。4、由于采用端泵耦合系統(tǒng)，在激光增益介質(zhì)前表面鍍腔鏡膜作為前腔反射鏡，其與輸出鏡一起構(gòu)成平平腔或平凹腔結(jié)構(gòu)，可以獲得高光束質(zhì)量激光輸出。


圖1為本發(fā)明激光系統(tǒng)的較佳實(shí)施例的總體框圖(前視剖面)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。先請參閱圖1，圖1為本發(fā)明激光系統(tǒng)的較佳實(shí)施例的總體框圖(前視剖面)由圖可見，本發(fā)明空心環(huán)形激光光束輸出的固體激光器，包括泵浦源1，其構(gòu)成是在泵浦源1輸出的泵浦光方向依次是同光軸的耦合準(zhǔn)直透鏡2、耦合聚焦透鏡3、激光增益介質(zhì)4和輸出鏡5，所述的泵浦源1的輸出端置于所述的耦合準(zhǔn)直透鏡2物方焦點(diǎn)處，所述的激光增益介質(zhì)4的前表面鍍激光高反膜和泵浦光增透膜作為前腔鏡，該激光增益介質(zhì)4的后表面鍍激光增透膜，所述的輸出鏡5與激光增益介質(zhì)4前表面構(gòu)成激光諧振腔，所述的耦合聚焦透鏡 3、激光增益介質(zhì)4和輸出鏡5均具有沿所述的光軸方向的移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)可使泵浦光經(jīng)所述的耦合聚焦透鏡3的泵浦光的焦點(diǎn)位于所述的激光增益介質(zhì)4的內(nèi)部或者外部一定位置。通過調(diào)節(jié)泵浦光耦合系統(tǒng)或者激光增益介質(zhì)的位置實(shí)現(xiàn)離焦泵浦(泵浦光焦點(diǎn)不在激光增益介質(zhì)前表面)，或者調(diào)節(jié)輸出鏡位置來控制諧振腔長度以及控制泵浦功率大小， 從而直接得到空心環(huán)形激光光束輸出的固體激光器由以下部分構(gòu)成，泵浦源1、耦合準(zhǔn)直透鏡2、耦合聚焦透鏡3、激光增益介質(zhì)4、輸出鏡5。激光增益介質(zhì)4可不加任何冷卻裝置，工作在室溫條件下。通在水平方向移動(dòng)過耦合聚焦透鏡3位置使其泵浦光焦點(diǎn)在激光增益介質(zhì)4外部或內(nèi)部一定位置實(shí)現(xiàn)離焦泵浦，利用聚焦泵浦光的焦點(diǎn)前部分泵浦光或者后部分泵浦光來抽運(yùn)激光增益介質(zhì)4。輸出鏡5和激光增益介質(zhì)4的前表面構(gòu)成激光諧振腔。下面是本發(fā)明實(shí)施例的具體參數(shù)
1、其中的激光增益介質(zhì)為C切摻釹釩酸釔晶體，釹離子摻雜濃度為1.5 at. %，具體尺寸為長/ = 5mm、寬w = 5mm、高d = 5mm，前端面鍍808nm增透、1064nm高反膜(作為前腔鏡)，后端面鍍1064nm增透膜。晶體工作在室溫環(huán)境下。2、泵浦源為光纖耦合尾纖輸出的激光二極管。尾纖芯徑為200 μιη,數(shù)值孔徑為0. 22，發(fā)射波長為808nm，為連續(xù)泵浦，額定功率4W。3、端面耦合系統(tǒng)包括準(zhǔn)直耦合透鏡2、耦合聚焦透鏡3，透鏡的焦長分別為8mm、 40mm。泵浦源輸出端放置在準(zhǔn)直耦合透鏡2的物方焦點(diǎn)處，通過耦合聚焦透鏡3的水平方向移動(dòng)使泵浦光焦點(diǎn)位置在晶體外部或內(nèi)部一定位置處從而實(shí)現(xiàn)離焦泵浦。4、輸出鏡5為平面鏡，在1064nm波長的透射率為10%。5、耦合聚焦透鏡3與摻釹釩酸釔晶體4之間距離介于42mm 46mm，激光諧振腔長介于12mm 30mm，激光二極管泵浦功率介于2. 4W 3. 0W。在本實(shí)施例中，有三種得到空心環(huán)形光束輸出的調(diào)節(jié)方法
第一種方法晶體和輸出鏡位置固定，此時(shí)諧振腔長為16mm，然后調(diào)節(jié)耦合聚焦透鏡位置，當(dāng)其與晶體前表面距離在42mm到46mm之間時(shí)，調(diào)節(jié)泵浦功率在2. 4 3. OW范圍內(nèi)，可以得到空心環(huán)形光束輸出。第二種方法耦合聚焦透鏡固定在距晶體前表面43mm位置，只調(diào)節(jié)輸出鏡的位置，當(dāng)諧振腔長在12mm到30mm之間時(shí)，調(diào)節(jié)泵浦功率在2. 2ff^3. 5W范圍內(nèi)，可以得到空心環(huán)形光束輸出。第三種方法耦合聚焦透鏡和輸出鏡位置固定，兩者之間距離為60mm，然后調(diào)節(jié)激光晶體的位置，當(dāng)晶體前表面到透鏡距離為30mm到36mm之間時(shí)，調(diào)節(jié)泵浦功率在 2. 5ff^3. 2W范圍內(nèi)，可以得到空心環(huán)形光束輸出。下面為實(shí)施例的輸出結(jié)果其閾值功率為2. 0W，斜坡效率為30% ；在晶體前表面到透鏡距離為45mm、諧振腔長為 20mm、泵浦功率為3. Off時(shí)，可得到202mW的輸出功率，光束質(zhì)量因子(M2)在水平和垂直方向約為2的空心環(huán)形光束輸出。 綜上所述，本發(fā)明具有設(shè)計(jì)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、閾值低、效率高、輸出功率大、易于實(shí)現(xiàn)、可在室溫下長期穩(wěn)定運(yùn)行等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)固體激光器的空心環(huán)形激光輸出。
權(quán)利要求
1.一種空心環(huán)形激光光束輸出的固體激光器，包括泵浦源(1)，特征在于其構(gòu)成是在泵浦源(1)輸出的泵浦光方向依次是同光軸的耦合準(zhǔn)直透鏡(2)、耦合聚焦透鏡(3)、激光增益介質(zhì)(4)和輸出鏡(5)，所述的泵浦源(1)的輸出端置于所述的耦合準(zhǔn)直透鏡(2)物方焦點(diǎn)處，所述的激光增益介質(zhì)(4)的前表面鍍激光高反膜和泵浦光增透膜作為前腔鏡，該激光增益介質(zhì)(4)的后表面鍍激光增透膜，所述的輸出鏡(5)與激光增益介質(zhì)(4)前表面構(gòu)成激光諧振腔，所述的耦合聚焦透鏡(3)和激光增益介質(zhì)(4)各具有沿所述的光軸方向的移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)可使泵浦光經(jīng)所述的耦合聚焦透鏡(3)的泵浦光的焦點(diǎn)位于所述的激光增益介質(zhì)(4)的內(nèi)部或者外部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體激光器，其特征在于所述的激光增益介質(zhì)(4)為稀土摻雜的各向同性的激光晶體、或激光玻璃，所述的激光晶體包括摻釹或摻鐿的釩酸釔晶體、摻釹或摻鐿的釩酸釓晶體、摻釹或摻鐿的釔鋁石榴石晶體或摻釹或摻鐿的鈦寶石晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體激光器，其特征在于所述的輸出鏡(5)可以為平面鏡或凹面鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的固體激光器，其特征在于所述的泵浦源(1)為激光器、激光二極管陣列、或尾纖輸出的激光二極管。
5.權(quán)利要求1所述的空心環(huán)形激光光束輸出的固體激光器的使用方法，特征在于該方法是利用端面泵浦激光增益介質(zhì)，通過調(diào)節(jié)泵浦光耦合聚焦透鏡位置或者增益介質(zhì)的位置實(shí)現(xiàn)離焦泵浦，或者調(diào)節(jié)輸出鏡位置來控制諧振腔長度以及適當(dāng)控制泵浦功率大小，具體包括下列三種方法第一種方法，在激光增益介質(zhì)和輸出鏡位置固定的情況下，通過調(diào)節(jié)耦合聚焦透鏡位置使泵浦光聚焦點(diǎn)處于晶體外部或者內(nèi)部一定位置處實(shí)現(xiàn)離焦泵浦，同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)泵浦功率，從而得到空心環(huán)形光束輸出；第二種方法，在泵浦光焦點(diǎn)位于激光增益介質(zhì)前表面附近位置且相對于激光增益介質(zhì)前表面的位置固定的情況下，通過水平調(diào)節(jié)輸出鏡位置(諧振腔長度改變)，同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)泵浦功率，從而得到空心環(huán)形光束輸出；第三種方法，在耦合聚焦透鏡位置和輸出鏡位置固定情況下，通過水平調(diào)節(jié)激光增益介質(zhì)位置使泵浦光焦點(diǎn)在介質(zhì)外部或者內(nèi)部一定位置處，同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)泵浦功率，從而實(shí)現(xiàn)空心環(huán)形光束輸出。
全文摘要
一種空心環(huán)形光束輸出的固體激光器及其使用方法，激光器包括泵浦源，在泵浦源輸出的泵浦光方向依次是同光軸的耦合準(zhǔn)直透鏡、耦合聚焦透鏡、激光增益介質(zhì)和輸出鏡，泵浦源的輸出端置于所述的耦合準(zhǔn)直透鏡物方焦點(diǎn)處，激光增益介質(zhì)的前表面鍍激光高反膜和泵浦光增透膜作為前腔鏡，該激光增益介質(zhì)的后表面鍍激光增透膜，輸出鏡與激光增益介質(zhì)前表面構(gòu)成激光諧振腔，耦合聚焦透鏡和激光增益介質(zhì)各具有沿所述的光軸方向的移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)可使泵浦光經(jīng)所述的耦合聚焦透鏡的泵浦光的焦點(diǎn)位于激光增益介質(zhì)的內(nèi)部或者外部。本發(fā)明輸出空心環(huán)形激光光束，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、光束質(zhì)量好、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定和可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01S3/091GK102570262SQ201210049178
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者夏克貴, 康民強(qiáng), 李建郎 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所