四棒并列共腔的激光器及其工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高功率固體激光器的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種四棒并列共腔的激光器及其工作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在工業(yè)材料加工領(lǐng)域中，可以耦合到光纖的、高功率激光器受到越來(lái)越多的應(yīng)用。由于單個(gè)激光棒的輸出功率有限，為了獲得高功率激光輸出，人們提出多棒串接的結(jié)構(gòu)，并有多篇相關(guān)的研宄報(bào)道。但在多棒串接中各晶體棒的特性和抽運(yùn)功率不可能完全相同，造成晶體棒間的熱焦距不匹配，使得諧振腔工作時(shí)工作點(diǎn)經(jīng)過(guò)的非穩(wěn)區(qū)變長(zhǎng)，穩(wěn)區(qū)變短，不利于高功率激光的穩(wěn)定輸出。為解決這一問(wèn)題，《諧振放大結(jié)構(gòu)的大功率Nd = YAG激光器設(shè)計(jì)及分析》(張健，郭亮，張慶茂，李方志)設(shè)計(jì)了一級(jí)諧振兩級(jí)放大的主控振蕩器的功率放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用諧振級(jí)輸出的激光依次通過(guò)一、二放大級(jí)，使激光逐級(jí)放大而得到大功率激光輸出。但是存在三個(gè)技術(shù)缺陷:(I)激光器的體積大，由于諧振級(jí)的激光棒和兩級(jí)放大級(jí)的激光棒在幾何布局上仍等效于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，而且其調(diào)試和維修都相當(dāng)困難。(2)激光器輸出功率調(diào)節(jié)范圍小，必須三條激光棒同時(shí)使用。(3)激光器采用氙燈作為泵浦源，能量轉(zhuǎn)換效率僅為3%。
[0003]申請(qǐng)?zhí)枮?01120398844.8的實(shí)用新型專(zhuān)利公開(kāi)了一種鈥激光發(fā)生器，其腔體內(nèi)平行地設(shè)置有兩組鈥晶體棒和氙燈，即兩路并列的鈥激光器。腔體的一端設(shè)置有兩個(gè)分別與兩鈥晶體棒光軸垂直的全反鏡，另一端設(shè)置有兩鈥晶體棒共用的半反鏡，用耦合鏡匯聚兩路激光后，在其焦平面上設(shè)置光纖。雖然用一個(gè)匯聚透鏡實(shí)現(xiàn)了雙路激光的匯合，但是，其結(jié)構(gòu)存在如下技術(shù)缺陷:由于該專(zhuān)利中的激光泵浦源是氙燈，每一路激光的鈥晶體棒與氙燈是安裝在一個(gè)聚光腔內(nèi)，以利于晶體更多地吸收泵浦光。由于聚光腔的內(nèi)外腔壁有一定厚度以及定位聚光腔的不銹鋼腔體，因此，兩個(gè)鈥晶體棒的橫向間距很大(一般大于40mm)。盡管兩束激光的光軸平行，但光軸的間距大，兩束激光在耦合鏡的焦平面上的像差、發(fā)散角都會(huì)增大，而且，兩束激光通過(guò)耦合鏡之后，直接用光纖進(jìn)行耦合，會(huì)帶來(lái)非常大的損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種四棒并列共腔的激光器，能量轉(zhuǎn)換效率高、光路簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便，激光棒各自獨(dú)立、結(jié)構(gòu)緊湊，輸出功率調(diào)節(jié)范圍大，可實(shí)現(xiàn)高功率的激光輸出功率。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的方案如下:
[0006]四棒并列共腔的激光器，包括依次同軸放置的LD泵浦系統(tǒng)、激光器諧振腔和輸出系統(tǒng)，
[0007]所述LD泵浦系統(tǒng)包括4個(gè)帶尾纖的激光二極管和2 X 2的光纖配線(xiàn)架，4個(gè)帶尾纖的激光二極管插入2X2的光纖配線(xiàn)架；
[0008]所述激光器諧振腔包括依次同軸放置的前腔鏡、4個(gè)激光棒和輸出鏡，前腔鏡和輸出鏡為平面鏡，前腔鏡的前表面鍍泵浦光增透膜，前腔鏡的后表面鍍反射波長(zhǎng)為N微米的高反射膜，輸出鏡的前表面鍍反射波長(zhǎng)為N微米的高反射膜，4個(gè)激光棒以2X2的方式排列；
[0009]所述輸出系統(tǒng)包括依次同軸放置的匯聚透鏡、光導(dǎo)錐和傳輸光纖，光導(dǎo)錐的較大端面朝向匯聚透鏡，光導(dǎo)錐的較小端面朝向傳輸光纖，光導(dǎo)錐的較大端面與匯聚透鏡的焦平面重合。
[0010]激光器諧振腔包括4個(gè)不銹鋼管和I個(gè)矩形箱，不銹鋼管的兩端設(shè)有蓋子，蓋子開(kāi)設(shè)通孔，不銹鋼管通孔放置激光棒，不銹鋼管內(nèi)徑大于激光棒直徑，矩形箱的兩端各開(kāi)設(shè)4個(gè)孔，不銹鋼管穿過(guò)孔放置在矩形箱內(nèi)。
[0011]每個(gè)不銹鋼管均開(kāi)有一個(gè)冷卻水入水口和一個(gè)冷卻水出水口。
[0012]上述的四棒并列共腔的激光器的工作方法，包括以下步驟:
[0013](I)每一路激光二極管發(fā)出的泵浦光經(jīng)尾纖入射到前腔鏡，再進(jìn)入到一條激光棒上;
[0014](2)激光棒吸收泵浦光后發(fā)出激光，前腔鏡的后表面和輸出鏡的前表面鍍了反射波長(zhǎng)為N微米的的高反射膜，由前腔鏡和輸出鏡構(gòu)成的諧振腔中，對(duì)波長(zhǎng)為N微米的、在光軸方向傳輸?shù)募す庾髯顑?yōu)先的放大，而把其它頻率和方向的光加以抑制，從輸出鏡輸出波長(zhǎng)為N微米的激光；
[0015](3)4路激光經(jīng)過(guò)匯聚透鏡匯聚之后，在匯聚透鏡的焦平面也就是光導(dǎo)錐的較大端面，入射到光導(dǎo)錐；
[0016](4)經(jīng)過(guò)光導(dǎo)錐后，匯合光束的橫截面變小，4路激光可以耦合進(jìn)入與光導(dǎo)錐對(duì)接的傳輸光纖。
[0017]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0018]1、本激光器采用激光二極管端面泵浦，既提高了能量轉(zhuǎn)換效率，而且激光棒的徑向位置無(wú)需氙燈和聚光腔，在考慮了不銹鋼管與激光棒的冷卻水循環(huán)空間之后，激光棒的光軸與光軸之間的距離可僅為14_，為四條激光棒緊湊設(shè)置創(chuàng)造了條件。
[0019]2、由于本激光器的激光棒的間距小，激光棒采用2X2的并列和4棒共腔的諧振腔結(jié)構(gòu)，不僅大大減小了多路激光所需空間，而且光路簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)和維修方便。
[0020]3、4路激光入射到匯聚透鏡，離匯聚透鏡的光學(xué)中心距離短，4路激光在匯聚透鏡的焦平面上的像差、發(fā)散角小，再加上光導(dǎo)錐的光線(xiàn)匯聚作用，最大程度的減小了耦合損耗，用非常緊湊的光路實(shí)現(xiàn)了 4路激光的匯聚。
[0021]此處附上光導(dǎo)錐的工作原理:
[0022]光導(dǎo)錐是一種錐形光導(dǎo)管，其兩端的橫截面尺寸不同，能改變光束的孔徑，將橫截面大的光束改變?yōu)闄M截面小的光束。具體的:
[0023]光導(dǎo)錐是由一段錐形光纖構(gòu)成，錐形光纖纖芯的直徑隨光纖長(zhǎng)度呈線(xiàn)性變化，以能通過(guò)光纖軸線(xiàn)的光線(xiàn)(稱(chēng)為子午光線(xiàn))為例，光線(xiàn)進(jìn)入光導(dǎo)錐后在纖芯與包層的分界面上每反射一次，再入射到對(duì)面的分界面時(shí)，入射角會(huì)減小，當(dāng)光線(xiàn)經(jīng)過(guò)多次反射后在分界面上的入射角不滿(mǎn)足全反射條件時(shí)，就會(huì)從包層泄漏出去；但是，對(duì)于那些在進(jìn)入光導(dǎo)錐時(shí)，其在入射橫截面上的入射點(diǎn)距光導(dǎo)錐軸線(xiàn)的距離超過(guò)傳輸光纖的纖芯半徑的光線(xiàn)，只要入射角很小，經(jīng)過(guò)一定長(zhǎng)度的錐形光纖后，仍滿(mǎn)足全反射條件，這些光線(xiàn)就能夠進(jìn)入傳輸光纖，因此，將光導(dǎo)錐設(shè)置在會(huì)聚透鏡的焦平面上，其孔徑與4路激光在匯聚透鏡焦面上的分布相匹配，輸出端的孔徑與傳輸光纖的匹配，光導(dǎo)錐就能使匯聚透鏡輸出的光束更多地進(jìn)入傳輸光纖。
[0024]4、4個(gè)激光棒獨(dú)立工作，互不影響，4個(gè)激光棒可以同時(shí)工作，也可以任開(kāi)其中之一、其中之二、其中之三，以滿(mǎn)足不同輸出功率的需要。<