薄透鏡激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及光學(xué)、光學(xué)工程、激光器件與激光【技術(shù)領(lǐng)域】，主要是用優(yōu)良性能的固態(tài)激光介質(zhì)、諧振腔、半導(dǎo)體激光陣列或者其他均勻光源泵浦獲得較大功率或者能量輸出的固體激光器的構(gòu)建方法及裝置。其特征在于將固體激光介質(zhì)塊加工成薄透鏡，薄透鏡容易散熱，薄透鏡的前表面為鍍膜全反射球面，薄透鏡后表面球面除中央位置外為全反射面，中央位置為鍍膜半反射面，激光由半反射面輸出。
【專利說(shuō)明】薄透鏡激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)工程、激光工程、激光【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]固體激光器,主要有激光器、釹玻璃激光器等。固體激光器一般米用棒狀介質(zhì)，兩端磨平，拋光，在端面鍍?cè)鐾改ぃ捎猛馇皇焦ぷ?。為了增大輸出功率，一般采用串?lián)式或者并聯(lián)式，同時(shí)激勵(lì)多個(gè)介質(zhì)棒，也采用外腔式工作。由于介質(zhì)棒存在熱透鏡效應(yīng)，從而使激光束質(zhì)量受到影響，人們采用薄板介質(zhì)條或多個(gè)薄片介質(zhì)來(lái)避免熱效應(yīng)，并提高注入功率或能量。采用薄板介質(zhì)條或多個(gè)薄片介質(zhì)和外腔工作可以獲得較高的高光束質(zhì)量激光輸出。固體激光器之所以采用外腔工作，無(wú)內(nèi)腔固體激激光器，相應(yīng)的技術(shù)問(wèn)題是:因?yàn)榻橘|(zhì)棒受熱不均勻容易變形，加之熱透鏡效應(yīng)則更難于考慮內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，另一方面介質(zhì)棒較長(zhǎng)將整體作為光學(xué)兀件加工不方便；薄板介質(zhì)條米用2形光路外腔工作對(duì)熱畸變和熱致雙折射效應(yīng)有補(bǔ)償消除作用，但無(wú)合適的2形光路內(nèi)腔或沒(méi)考慮內(nèi)腔；多薄片結(jié)構(gòu)只能采用外腔工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明正是針對(duì)無(wú)內(nèi)腔固體激激光器這一事實(shí)和相應(yīng)技術(shù)問(wèn)題而提出的。本發(fā)明固體激光介質(zhì)薄透鏡激光器，提供一種內(nèi)腔固體激光器，激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出功率或能量較大的特點(diǎn)。相應(yīng)技術(shù)問(wèn)題是按如下方案解決的。
[0004]它以特性優(yōu)良的固體激光介質(zhì)作為薄透鏡的材料，以薄透鏡的厚度作為激光介質(zhì)的長(zhǎng)度，以薄透鏡的寬度作為激光增益介質(zhì)的長(zhǎng)度；
以薄透鏡的兩個(gè)表面經(jīng)過(guò)鍍膜后成為諧振腔的兩個(gè)鏡面，以其中一面的中央為部分反射面而作輸出耦合；
以半導(dǎo)體激光或其他均勻輻照光源為泵光，由半導(dǎo)體激光列陣泵浦可實(shí)現(xiàn)均勻輻照泵浦，并且激光介質(zhì)對(duì)泵浦光的吸收率較高，廢熱較少，有利于克服固體激光介質(zhì)的熱畸變、熱透鏡效應(yīng)；
以薄片或者薄板條因薄而帶來(lái)的良好散散熱克服固體激光介質(zhì)的熱畸變、熱透鏡效應(yīng)，可將其減到相當(dāng)小的程度，或者僅僅在邊緣有一定程度熱畸變存在；
透鏡激光器的腔內(nèi)2形光路與薄板激光器外腔的2形光路很接近，故對(duì)熱畸變和熱致雙折射效應(yīng)有補(bǔ)償消除作用；
原則上透鏡的均勻變化引起的曲率半徑的均勻變化對(duì)激光輸出無(wú)負(fù)面影響；常用固態(tài)激光介質(zhì)恥:扣的熱膨脹系數(shù)為8x10—6.\ 0-2501，當(dāng)透鏡激光器厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表面的曲率半徑，將溫度均勻情況適當(dāng)控制，可使透鏡曲率的變化不會(huì)使激光腔工作受到明顯影響；
即使透鏡在中心區(qū)域外有局部特殊變化，透鏡的其余對(duì)稱部分仍可照常作為激光器工
作；適當(dāng)?shù)暮穸群椭畏绞娇梢员３滞哥R的變形輕微，對(duì)激光的產(chǎn)生無(wú)明顯影響。
[0005]【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】圖1為薄透鏡激光器的縱剖面示意圖，薄透鏡是圓形的，也可以是橢圓形的或方形的，1表不透鏡激光器的前表面或者上表面，曲率半徑為表不厚度為(1的透鏡激光介質(zhì)，3為光路，4表示透鏡激光器的后表面或者下表面，曲率半徑為0 2，5為透鏡激光器的輸出I禹合面，直徑為，位于后表面的中央，6為金屬散熱器或換熱器,8為泵浦光源，圖2為圖1透鏡激光器的前表面或者上表面的示意圖，7為對(duì)稱分布的條形磨毛面，寬為匕虛線圓表示與圖1中5相對(duì)應(yīng)的位置?，F(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)其工作原理作進(jìn)一步說(shuō)明。在圖中1為激光的全反射鍍膜面，同時(shí)又是泵光的透射面，透鏡介質(zhì)厚度一般為6皿左右，4為激光全反射膜面，泵光能透射出該膜面，6的內(nèi)表面也為球面，曲率半徑近似與4 一致，對(duì)泵光全反射以對(duì)激光介質(zhì)作二次泵浦，在圖1右側(cè)振蕩光沿3箭頭方向在上下兩球面間傳輸，傳輸至中間位置經(jīng)輸出耦合面5的部分透射而輸出，耦合面的部分反射使光波繼續(xù)在兩表面間往返傳輸，當(dāng) 傳輸?shù)阶髠?cè)與右側(cè)對(duì)稱的位置時(shí)則光波返回，當(dāng)返回到中央位置時(shí)再次部分透射而輸出，部分反射使光波連續(xù)往返傳輸回到右則，然后又左右運(yùn)作，直至光線精確回到原出發(fā)點(diǎn)和方位才開始新一輪往返傳輸。設(shè)一輪多程往返的總次數(shù)為隊(duì)波在兩表面間傳輸~次后變?yōu)樗约?。通過(guò)設(shè)計(jì)可使一輪只包含從右到左再?gòu)淖蟮接疫@樣一個(gè)單個(gè)多程往返，可精確回復(fù)到原出發(fā)點(diǎn)和方向。位于半徑I'。處的、方向取自于前表面曲率中心的光線經(jīng)II次往返后到達(dá)半徑0.50。位置并且部分出射。設(shè)初始光線的坐標(biāo)為(?…)，初始斜率為〔X’。，7’ 0),在條件下X。:。和X’。二0有7。3。，7’ 0=1'’。，并且經(jīng)往返矩陣的II次作用即可得到0.50。位置光線的斜率，由此可得出射光線相對(duì)于光軸的斜率。
[0006]實(shí)施方案:連續(xù)波或者準(zhǔn)連續(xù)波透鏡激光器采用這種機(jī)械性能、光學(xué)性能、散熱性能和硬度特性優(yōu)良的材料及性能相近的新激光介質(zhì)，低重復(fù)頻率或者單脈沖透鏡激光器可采用釹玻璃激光介質(zhì)。這兩類激光介質(zhì)可進(jìn)行光學(xué)加工。因?yàn)橥哥R激光器介質(zhì)與普通透鏡的接近，它們比較多的可加工的光學(xué)晶體介質(zhì)硬度高，故透鏡激光器的光學(xué)加工是容易進(jìn)行的而且也應(yīng)按光學(xué)透鏡加工要求進(jìn)行。選擇激光波長(zhǎng)為1.06 0%用于1.06 9 0的光反射和透射的鍍膜原料均為硬質(zhì)料，而且近年來(lái)對(duì)此膜的耐光沖擊強(qiáng)度的大量研究成果使之有足夠的強(qiáng)度作為腔鏡面使用。用于泵光的波長(zhǎng)一般選在
0.81^.11,0.75^0,是固體激光器已經(jīng)實(shí)際使用的。泵光采用陣列半導(dǎo)體激光，也是現(xiàn)有固體激光器實(shí)用的和有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義方案，也可設(shè)計(jì)實(shí)用的氪燈等。散熱器采用鋁金屬散熱器，除中央位置打孔外，其余部分可采用與之連接的一些散熱片。硬鋁的上或前表面可先用機(jī)床銑成一個(gè)曲率半徑與透鏡凸面曲率半徑相近的一個(gè)凹面，再用光學(xué)加工的方法對(duì)其加工，使其曲率半徑與透鏡曲率半徑基本相等，這在實(shí)際上已經(jīng)是完全解決了的問(wèn)題，透鏡激光器的上表面或者前表面可進(jìn)行風(fēng)冷等。散熱器也可也可進(jìn)行風(fēng)冷，但宜采用較為恒定的冷卻環(huán)境或者條件以使透鏡激光器的溫度較為均恒，并且可調(diào)節(jié)冷卻條件，使透鏡的熱變化趨于均勻。
[0007]實(shí)施舉例:將直徑為30111111的如:1^棒切為長(zhǎng)100臟，寬為30111111，厚為6.3111111的薄
板，按光學(xué)元件要求將其前表面或者上表面加工為凹面，表面曲率半徑為9600111111，后表面曲或者下表面加工為凸面，表面曲率半徑為9560111的透鏡，凹面表面鍍1.06 9 III波長(zhǎng)的全反射膜，凸面中央半徑為2臟的區(qū)域鍍1.06 0 0波長(zhǎng)的半反射膜，透過(guò)率為10%。條形磨毛面寬6=0.3臟。選擇多個(gè)矩陣陣列半導(dǎo)體激光器對(duì)其凹表面照明。散熱器用一個(gè)長(zhǎng)12^、寬6(3111、厚15臟的硬質(zhì)合金招塊作為材料來(lái)進(jìn)行加工，中間孔直徑為4111111，先將其背面纟先成長(zhǎng)方形散熱片陣列，散熱片厚0.5臟、寬10臟、間距1臟，再將其正面加工為曲率半徑近似為9560^的凹面并且近似拋光。當(dāng)泵光足夠強(qiáng)和冷卻足夠好時(shí)可獲得數(shù)百瓦發(fā)散角近似為201111-8(1的輸出，若有更大直徑的制:^6則更好。釹玻璃材料可作為脈沖透鏡激光器的介質(zhì)，總之，可用連續(xù)波固體激光器的介質(zhì)，就可以作為連續(xù)波輸出或者脈沖輸出的透鏡激光器的介質(zhì)，可用于脈沖固體激光器的介質(zhì)就可以作為脈沖透鏡激光器的介質(zhì)，能適應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于它是薄的，易于散熱和減少溫度差。[0008]一種固態(tài)薄透鏡激光裝置，由激光介質(zhì)2、透鏡前側(cè)鍍膜全反射凹面1、透鏡后側(cè)凸球面鍍膜全反射面4、透鏡后側(cè)凸球面中央鍍膜半反射面5、透鏡前側(cè)表面上的條形磨毛面7、散熱器6和泵光光源8組成，凹凸鍍膜面為透鏡前后面，凸面中央與熱交換器6的中央孔對(duì)齊，泵浦光光源8位于透鏡凹面一側(cè)，其特征在于激光介質(zhì)區(qū)為透鏡介質(zhì)區(qū)，透鏡的前后鍍膜表面為激光器的諧振腔鏡，輸出I禹合位于后表面中央。
【權(quán)利要求】
1.一種以固態(tài)激光材料為激光介質(zhì)，鍍膜鏡面為腔鏡，滿足腔穩(wěn)定條件，泵光泵浦，熱交換器散熱的固體激光器的構(gòu)建方法，其特征在于激光材料塊被加工成一個(gè)薄透鏡，透鏡的一面為鍍膜的全反射球面，透鏡的另一面球面中央為鍍膜半反射面，其余區(qū)域?yàn)殄兡と瓷涿?，激光從半反射面輸出?br> 2.一種固態(tài)制薄透鏡激光器，由制激光介質(zhì)(2)、激光介質(zhì)透鏡前側(cè)鍍膜全反射凹面〔0、激光介質(zhì)透鏡后側(cè)凸球面鍍膜全反射面“)、透鏡后側(cè)凸球面中央的半反射鍍膜面(5^透鏡前側(cè)表面上的條 形磨毛面(7)、熱交換器(6)和泵光光源(8)組成，凹凸鍍膜面為透鏡前后面，凸面中央與熱交換器(6)的中央孔對(duì)齊，泵浦泵光光源位于透鏡凹面一側(cè)，其特征在于激光介質(zhì)區(qū)為透鏡的介質(zhì)區(qū)，透鏡的前后鍍膜表面為激光器的諧振腔鏡，輸出率禹合位于后表面中央。
3.作為透鏡激光器的介質(zhì)可以是制激光介質(zhì)、釹玻璃激光介質(zhì)、也可以是其他固體激光器介質(zhì)。
【文檔編號(hào)】H01S3/081GK103840360SQ201410113935
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】李育德, 劉靜倫, 陳梅 申請(qǐng)人:四川大學(xué)