端面泵浦綠光雷射器的製作方法

2023-05-18 10:42:51 1

專利名稱：端面泵浦綠光雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及設計一種新型雷射器，特別是涉及一種端面泵浦綠光雷射器。
背景技術：
目前，國內大部分商用的532nm雷射器採用的是直線腔和側面泵浦結構， 這種結構雖然簡單，能夠獲得較大的雷射輸出，但是由於這種腔型本身不對稱 結構，導致雷射不能以基模輸出，不能直接獲得光束質量較好的雷射輸出，並 且由於熱透鏡效應，雷射輸出能量不穩定。同時，由於轉換率低，大部分泵浦 能量轉換為熱能，散熱方式只能採用水冷，造成整體體積龐大，冷卻水的加入 又為安全帶來了隱患。

發明內容
為了克服側面泵浦的直線腔雷射輸出光束質量差、能量不穩定的缺點，使 532mn雷射器能夠更廣泛更穩定的應用於工業加工、製造等領域，本發明採用 一種新的結構，在摺疊諧振腔內插入倍頻晶體，能夠獲得光束質量好(近基模)、 功率穩定、能夠實現空氣冷卻、波長為532nm的雷射輸出的端面泵浦綠光雷射器。
本發明釆用的技術方案是雷射器諧振腔採用V型摺疊腔的結構，雷射晶 體置於摺疊腔直線臂、靠近拐角處，便於泵浦光泵浦雷射晶體；倍頻晶體置於 摺疊腔另一臂、靠近輸出鏡處，便於基頻光在腔內進行倍頻產生倍頻光；採用 摺疊腔能夠使雷射晶體處於對稱結構的中心，熱透鏡效應減少一半，而且能夠 有效地拉長腔長，從而達到提高光束質量、功率穩定輸出的目的。通過耦合聚 焦鏡，泵浦光在雷射晶體內部大小與此諧振腔的基模大小相同；耦合聚焦鏡採用可伸縮結構，便於調節泵浦光束腰與基模位置重合，從而使得雷射能量能夠 集中在基模，光束質量得到極大的改進，能量也獲得了最大程度的利用。此結 構能夠獲得較高的光-光轉換效率，減少了熱量的產生，從而可以採用風冷的 結構。具體技術實施方案如下
雷射器的諧振腔為V型摺疊腔結構，其光路為V型，角度小於21度，沿
光軸1由全反鏡2、腔鏡6和輸出鏡13構成；雷射晶體5位於靠近腔鏡6的
光軸1上；倍頻晶體14位於靠近輸出鏡13的光軸1上，在諧振腔內震蕩的基
頻光4通過倍頻晶體14，發生非線性效應，產生倍頻光15，倍頻光15從輸出 鏡13輸出形成雷射輸出；採用光纖12泵浦；泵浦單元由光纖12和耦合聚焦 鏡10構成，泵浦光11沿光軸1通過耦合聚焦鏡10聚焦從V型摺疊腔拐角處 腔鏡6入射到雷射晶體5內部；在腔內光軸上插入主動或被動調Q器件3實現 雷射的脈衝輸出；雷射晶體5可以是摻釹釩酸釔Nd: YV04晶體、摻釹釔鋁石榴 石Nd:YAG晶體、摻釹釩酸釓Nd:GdV04晶體、摻鐿釔鋁石榴石Yb:YAG晶體、 摻釹鋁酸釔Nd:YAP晶體、摻釹鎢酸鉀釓Nd:KGW晶體、摻釹氟化釔鋰Nd:YLF 晶體等雷射晶體；倍頻晶體14可以是磷酸鈦氧鉀KTP、三硼酸鋰LBO、偏硼酸 鋇BBO等非線性晶體。
本發明的有益效果是輸出的532mn雷射光束質量好、功率穩定，能夠實現 空氣冷卻，整體體積小巧，能夠應用於工業加工、科研、醫療、軍事等各個領 域，適用於各種材料表面的雷射標記、材料表面或內部雕刻、精細加工、切割、 電子焊接、泵浦、雷射定位、雷射測距等各種場合。


圖l所示為雷射諧振腔原理圖，圖中，1.光軸，2.全反鏡，3.調Q晶體， 4.基頻光，5.雷射晶體，6.腔鏡，7、 8、 9.透鏡，IO.耦合聚焦系統，11.泵浦光，12.光纖，13.輸出鏡，14.倍頻晶體，15.倍頻光。
具體實施例方式
本發明結合附圖l，對其技術方案詳細敘述如下全反鏡2、腔鏡6和輸 出鏡13構成了雷射諧振腔；雷射晶體5放置在靠近腔鏡的光軸1上，位於等
效腔的結構中心；透鏡7、 8、 9組成耦合聚焦系統10;泵浦光ll經過耦合聚 焦系統10入射到雷射晶體5內部，產生基頻光4;調Q晶體3放置在光軸1 上，產生脈衝雷射；基頻光4在諧振腔內振蕩，在倍頻晶體14發生非線性效
應，倍頻產生倍頻雷射15，從輸出鏡13輸出；採用光纖12泵浦；泵浦單元
由光纖12和耦合聚焦鏡10構成，泵浦光11沿光軸1通過耦合聚焦鏡10聚焦 從V型摺疊腔拐角處腔鏡6入射到雷射晶體5內部;在腔內光軸上插入主動或 被動調Q器件3實現雷射的脈衝輸出；雷射晶體5可以是慘釹釩酸釔Nd:YV04 晶體、摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG晶體、摻釹釩酸釓Nd:GdV04晶體、摻鐿釔鋁石 榴石Yb:YAG晶體、摻釹鋁酸釔Nd:YAP晶體、摻釹鎢酸鉀釓Nd:KGW晶體、摻 釹氟化釔鋰Nd: YLF晶體等雷射晶體；倍頻晶體14可以是磷酸鈦氧鉀KTP、三 硼酸鋰LBO或偏硼酸鋇BBO非線性晶體。
本發明是利用摺疊腔型調節輸出鏡位置實現諧振腔關於雷射晶體的對稱 來減小熱透鏡效應，同時利用耦合聚焦鏡調節泵浦光束腰大小和位置與諧振腔 的基模相匹配，使得大部分泵浦能量運轉於基模，從而獲得光束質量好功率穩 定的雷射輸出。雷射在諧振腔內振蕩的過程中，在光束橫截面上的光強形成各 種不同形式的穩定分布.在光束橫截面上的這種穩定分布，稱為雷射束的橫向 模式，簡稱橫模，基橫模在雷射光束的橫截面上各點的位相相同，光束質量最 好，簡稱基模。泵浦光打在晶體內部，形成熱量在晶體內的不均勻分布，折射 率發生微小變化，晶體的光學特性等效於一個透鏡，稱之為熱透鏡。晶體在諧振腔內可以等效於一個焦距為/的熱透鏡，熱透鏡/與泵浦光束腰W的平方成
正比，即
,—兀《，2 1 —/ fi r) 1 _ exp(-a/)，
式中致熱功率P—可表示為Pph =^><(1-77)式中，P。為總泵浦功 率，^為輸入晶體的泵浦功率，r。為耦合系統的透過率；n為雷射器的總斜率
效率，《.為熱導率，^"r是雷射晶體折射率與溫度的變化率，/是晶體長度，
a為晶體的吸收係數；為了減少熱透鏡，就必須增加泵浦光束腰大小；但是對 於一定的諧振腔，基模在晶體上的大小叫。是一定的，為了使雷射能量集中在基 模，就必須使得泵浦光束腰大小和基模大小滿足"《A。，因此泵浦光在晶體 內部的束腰大小要儘可能的小於並且接近基模大小。對於大小和能量一定的泵 浦，產生的熱透鏡/大小也是一定的。如圖3所示，根據透鏡的光學傳輸矩陣， 摺疊腔的熱透鏡傳輸矩陣為
_ 1 0_
-丄i ，
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而直線腔的等效熱透鏡矩陣為
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其等效熱透鏡為z。相同等效長度的摺疊腔的熱透鏡只有直線腔的一半，其熱
2
透鏡效應明顯減輕。對於相同的泵浦，採用摺疊腔能夠大大減少諧振腔的熱透 鏡效應。基頻光在諧振腔內自再現振蕩，摺疊腔的等效腔的傳輸矩陣為基頻光可以用《參數來描述，丄=-^ +朋'，摺疊腔腔鏡處基頻光的《參數，滿足
formula see original document page 8，
由此可以計算出摺疊腔在雷射晶體5中心的基模大小。
根據以上原理，本發明針對不同雷射輸出功率和實際使用條件，計算和選 取諧振腔的最優參數，使輸出功率滿足使用要求不需要增加其它器件的情況
下，能夠獲得光束質量好、輸出穩定的雷射。具體方案如下
(1) 如圖2所示，光纖輸出的參數為出光口徑(即束腰)為co^,0.4mm， 數值孔徑NA^0.22，通過耦合聚焦鏡，泵浦光的光學參數變為束腰w二0.8mm， 數值孔徑嫩=0. 11，採用比較簡單的3透鏡結構就能實現，具體範例如下3 個透鏡參數相同f=30mm，按照圖2所示擺放，光纖出光面到透鏡9的距離為 a=12. 45mm，，透鏡9和透鏡8緊貼在一起，這樣透鏡8和透鏡7之間的光束近 似平行光，透鏡7在光軸上位置的改變基本不影響出光的束腰大小和工作距離
(透鏡出光面到束腰的距離)，耦合聚焦鏡就能夠實現1: 2的聚焦效果和工作 距離b=30mm。
(2) 諧振腔的參數定下來，其基模在晶體內部的直徑也確定下來了。選 取合適的諧振腔，就能夠使基模大小與泵浦光相匹配，雷射能量能夠集中在基 模。具體設計範例如下按照圖l在光軸上擺放雷射器各部分器件，包括全反 鏡、腔鏡、輸出鏡、雷射晶體和耦合聚焦鏡；全反鏡到晶體中心的距離為150mm， 腔鏡到晶體中心的距離為20腿，輸出鏡到腔鏡的距離為130mm， V型腔的拐角 角度為20度；耦合聚焦鏡出光端面距離雷射晶體中心30mm。根據熱透鏡理論， 在泵浦功率為20W，泵浦束腰為0. 8mm的條件下，其等效熱透鏡為f=458mra;根 據光束傳輸矩陣，可以計算出當摺疊腔的等效腔長為300mm時，基模在晶體內部的大小為《。。=0. 75mm，與泵浦光在晶體內部的大小w相接近。這種條件下， 能夠得到輸出光束質量好、功率穩定的基頻光4振蕩。
(3) 在光軸1上靠近輸出鏡13處插入倍頻晶體14，在諧振腔內震蕩的 基頻光4通過倍頻晶體，發生非線性效應，產生倍頻光15，倍頻光從輸出鏡 13輸出形成雷射輸出。
(4) 根據實際應用，需要在腔內添加其他光學器件，例如為了獲得脈衝 雷射，在腔內增加調Q器件3。
(5) 根據實際應用，雷射晶體5可以是摻釹釩酸釔Nd:YV(X晶體、摻釹 釔鋁石榴石Nd: YAG晶體、摻釹釩酸釓Nd:GdV04晶體、摻鐿釔鋁石榴石Yb: YAG 晶體、摻釹鋁酸釔Nd:YAP晶體、摻釹鎢酸鉀釓Nd:KGW晶體、摻釹氟化釔鋰 Nd:YLF晶體雷射晶體。
(6) 根據實際應用，倍頻晶體14可以是磷酸鈦氧鉀KTP、三硼酸鋰LB0、 偏硼酸鋇BBO非線性晶體。
權利要求
1. 一種新型的端面泵浦綠光雷射器，由諧振腔、雷射晶體、倍頻晶體和泵浦單元構成，其特徵在於雷射器的諧振腔為V型摺疊腔結構，其光路為V型，角度小於21度，沿光軸(1)由全反鏡(2)、腔鏡(6)和輸出鏡(13)構成；雷射晶體(5)位於靠近腔鏡(6)的光軸(1)上；倍頻晶體(14)位於靠近輸出鏡(13)的光軸(1)上，在諧振腔內震蕩的基頻光(4)通過倍頻晶體(14)，發生非線性效應，產生倍頻光(15)，倍頻光(15)從輸出鏡(13)輸出形成雷射輸出；採用光纖(12)泵浦；泵浦單元由光纖(12)和耦合聚焦鏡(10)構成，泵浦光(11)沿光軸(1)通過耦合聚焦鏡(10)聚焦從V型摺疊腔拐角處腔鏡(6)入射到雷射晶體(5)內部；在腔內光軸上插入主動或被動調Q器件(3)實現雷射的脈衝輸出。
2. 根據權利要求1所述的端面泵浦綠光雷射器，其特徵是，雷射晶體(5) 位於靠近腔鏡的光軸(l)上，位於等效腔的結構中心，根據實際應用晶體位 置可適當偏離結構中心。
3. 根據權利要求1所述的端面泵浦綠光雷射器，其特徵是，採用3片兩 組透鏡組合的結構的泵浦耦合聚焦鏡(10);第一組鏡片由兩個透鏡(8) (9)緊 貼組成，作用將泵浦光(ll)進行準直；第二組鏡片只有一片透鏡(7)，作用是 將準直後的泵浦光聚焦；兩組透鏡之間距離可調，工作距離和聚焦效果不變。
4. 根據權利要求1所述的端面泵浦綠光雷射器，其特徵是，雷射晶體(5) 可以是摻釹釩酸釔晶體、摻釹釔鋁石榴石晶體、摻釹釩酸釓晶體、摻鐿釔鋁 石榴石晶體、摻釹鋁酸釔晶體、摻釹鎢酸鉀釓晶體或摻釹氟化釔鋰晶體雷射 晶體。
5. 根據權利要求1所述的端面泵浦綠光雷射器，其特徵是，倍頻晶體(14) 可以是磷酸鈦氧鉀、三硼酸鋰或偏硼酸鋇非線性晶體。
6. 根據權利要求1所述的端面泵浦綠光雷射器，其特徵是，腔鏡(6)鏡 面法線與光軸(l)夾角為10度；V型光路的夾角為上述夾角的2倍。
7. 根據權利要求1所述的端面泵浦綠光雷射器，其特徵是，調Q器件(3) 可以是主動或者被動調Q器件。
全文摘要
本發明涉及一種端面泵浦綠光雷射器。該機包括V型摺疊腔、耦合聚焦系統、泵浦單元、雷射晶體、倍頻晶體和調Q器件。本發明採用V型摺疊光路結構，諧振腔產生的基頻光通過腔內的倍頻晶體倍頻產生了倍頻光輸出。該機具有設計合理、構思新穎、工藝規範、結構緊湊、無汙染、適宜工業化批量生產，可廣泛應用於通信、通訊、精密電子等領域。
文檔編號H01S3/11GK101436750SQ20081019773
公開日2009年5月20日 申請日期2008年11月20日 優先權日2008年11月20日
發明者超 呂, 鋒 王 申請人:武漢凌雲光電科技有限責任公司