一種端面泵浦主動調q腔外倍頻綠光雷射器的製作方法

2023-10-05 19:05:09 1

專利名稱：一種端面泵浦主動調q腔外倍頻綠光雷射器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及雷射技術領域，特別是涉及一種端面泵浦主動調Q腔外倍頻綠光雷射器。它適於雷射打標、雷射內雕、雷射劃片、其他雷射的泵浦源、雷射醫療和科研等領域的應用。
背景技術：
目前市場上大部分的端泵綠光雷射雷射器都是採用的腔內倍頻方式。這種方式結構緊湊，光束質量較好，倍頻效率較高，可以利用腔內的高功率密度獲得較大的倍頻綠光輸出，但是這種方式容易遇到縱模競爭導致的穩定性較差問題。由於在腔內產生振蕩的基頻雷射縱模和偏振態的變化使得輸出光的功率產生幅度很大的波動，不能滿足一些應用的要求，利用單向環型雷射器或利用能把兩個偏振態雷射模式相互藕合起來的直線腔雷射器能 夠消除雷射器工作介質中空間燒孔效應，從而降低輸出功率的波動，但是它們的結構複雜、腔內損耗較大、調整困難、成本較高。並且腔內倍頻方式不容易設計合適的諧振腔以同時獲得較小的基頻光束腰和較短的雷射脈衝寬度。另外，腔內倍頻方式增加了雷射諧振腔的插入損耗，使得雷射的振蕩閾值增加，光-光轉換效率降低。此外，腔內倍頻方式存在雙向倍頻轉換過程，第二次倍頻過程的綠光一般不能有效輸出，導致轉換效率的損耗。

實用新型內容本實用新型的目的正是為了解決上述現有技術中所存在的諸如穩定性較差、插入損耗大和轉換效率不高等問題而提供一種端面泵浦主動調Q腔外倍頻綠光雷射器。該雷射器結構靈活簡單，不受雷射諧振腔設計結構的約束，採用聚焦倍頻方式彌補了腔外倍頻功率密度低於腔內倍頻方式的缺點，可自由選擇基頻光在非線性倍頻晶體上的聚焦束腰尺寸，以獲得最佳的倍頻轉換效率。本實用新型的目的是通過以下方案實現的利用對稱摺疊腔以減小熱透鏡效應的影響，同時利用耦合系統實現泵浦光束在雷射晶體內的束腰和位置與振蕩基頻雷射的基模尺寸相匹配，使得大部分泵浦能量轉換為基模振蕩，從而使輸出基頻光獲得較好的光束質量和較高的功率穩定性。利用雷射諧振腔內放置的主動調Q開關，獲得高重複頻率和短脈衝寬度的近基模基頻雷射輸出。輸出的基頻雷射通過聚焦透鏡聚焦後可以獲得更小的雷射束腰尺寸，從而大大增加雷射功率密度。通光透鏡聚焦後的基頻光束腰位置與倍頻晶體的入射端面重合，從而獲得最佳的倍頻轉換效率。一種端面泵浦主動調Q腔外倍頻綠光雷射器，它包括雷射泵浦源、雷射傳能光纖、光學I禹合系統、雷射諧振腔、雷射晶體、主動調Q開關、第一轉向鏡、第二轉向鏡、聚焦透鏡、倍頻晶體、準直透鏡、第一諧波分離鏡片、第二諧波分離鏡片，其特徵在於光學耦合系統由第一片透鏡和第二片透鏡組成，第一片透鏡對雷射傳能光纖輸出的泵浦光進行準直，第二片透鏡對泵浦光聚焦，第一片透鏡和第二片透鏡之間的距離可調；雷射諧振腔為「V」型摺疊腔結構，其光路成「V」形，沿基頻光光路由全反鏡、腔鏡和輸出鏡構成；雷射晶體和主動調Q開關放置在雷射諧振腔內，第一轉向鏡、第二轉向鏡、聚焦鏡、倍頻晶體、準直透鏡、第一諧波分離鏡、第二諧波分離鏡片放置在雷射諧振腔外；由雷射泵浦源產生的泵浦光通過雷射傳能光纖和光學耦合系統的準直聚焦，再經過「V」型摺疊腔拐角處的腔鏡入射到雷射晶體內部並被雷射晶體充分吸收；雷射諧振腔的振蕩閾值由放置在諧振腔內的主動調Q開關調製，然後形成脈衝輸出的基頻雷射；基頻雷射經過輸出鏡輸出，再經過第一轉向鏡和第二轉向鏡調整入射方向，通過設置在雷射諧振腔外一定位置的聚焦透鏡聚焦到非線性倍頻晶體的入射端面並產生倍頻綠光雷射和剩餘的基頻雷射再經過準直透鏡準直，倍頻綠光雷射透過第一諧波分離鏡輸出，剩餘的基頻雷射被第一諧波分離鏡和第二諧波分離鏡反射，形成可與倍頻綠光雷射平行輸出的基頻雷射；所述的全反鏡到雷射晶體中心的距離為140mm至160mm，腔鏡的中心到雷射晶體中心的距離為IOmm至30mm，輸出鏡到腔鏡中心的距離為120mm至140mm，透鏡出光端面中心到雷射晶體中心的距離為20mm至40mm，「V」型腔的兩臂夾角小於20度。本實用新型所述的端面泵浦主動調Q腔外倍頻雷射器的雷射泵浦光源為808nm半 導體雷射二極體光源，最大輸出功率為30W。本實用新型所述的端面泵浦主動調Q腔外倍頻雷射器，其全反鏡到雷射晶體的中心距離為150臟，腔鏡到雷射晶體的中心距離為20mm，輸出鏡到腔鏡的中心距離為130mm，泵浦光經過耦合系統聚焦到雷射晶體上的平均光斑直徑為O. 8_。「V」型摺疊腔的兩臂夾角為18度；透鏡的出光端面到雷射晶體中心的距離為30mm ;基頻雷射輸出光束質量因子小於I. 3 ;雷射晶體位於等效腔結構的中心。本實用新型所述的端面泵浦主動調Q腔外倍頻綠光雷射器，其摺疊腔可以等效為線性直腔結構，雷射晶體吸收泵浦光源的一部分能量將轉化為熱量，經過冷卻在晶體內部形成非均勻溫度分布，其效果等效為一個聚焦透鏡，稱為熱透鏡效應。設LBO對基頻光的折射率為n，光束質量因子為M2，基頻光的波長為λ，雷射束腰半徑為Wtl，則輸出基頻雷射經過透鏡聚焦到非線性倍頻晶體內的光束瑞利長度Zk的計算公式為Zr
Ε λΜ 2為了達到有效的倍頻轉換效率，保證有效的相位匹配，聚焦到非線性倍頻晶體內的基頻雷射光束瑞利長度必須大於非線性倍頻晶體的長度。因此對於一定光束質量的基頻雷射，存在一個最小可聚焦參數，或者說光束質量越好，允許將基頻雷射聚焦到更小的光斑尺寸。本實用新型所述的端面泵浦主動調Q腔外倍頻綠光雷射器，其主動調Q開關為聲光調Q或電光調Q開關。本實用新型所述的非線性倍頻晶體為磷酸二氫鉀(KDP)、三硼酸鋰(LBO)、磷酸氧鈦鉀(KTP)或偏硼酸鋇(BBO)非線性光學晶體。本實用新型所述的雷射晶體為Nd:YV04或Nd = YAG晶體。本實用新型所述的聚焦透鏡和準直透鏡的焦距分別為30mm至100mm。本實用新型所述的透鏡的焦距為12mm至18mm，透鏡的焦距為25mm至35mm。本實用新型所述的端面泵浦主動調Q腔外倍頻綠光雷射器具有構思新穎、設計合理、工藝規範、安裝簡便、易於形成工業化批量生產等優點；具有輸出光束質量好、功率穩定、全固態、結構緊湊靈活等優勢。本發明可廣泛應用於工業加工、科研、醫療、軍事等各個領域；特別適用於各種材料的表面雷射標記、雷射內雕、精細加工、切割、焊接以及其他雷射的泵浦源等領域。

圖I為端面泵浦主動調Q腔外倍頻綠光雷射器結構示意圖；圖2為等效直線腔及腔內、腔外光束變換示意圖；圖3為光束在倍頻晶體內的聚焦變換示意圖；圖2中，6和7為等效直線腔的腔鏡和輸出鏡，8為雷射晶體產生的等效腔的熱透鏡，6和7構成等效腔，熱透鏡8在等效腔的中心；21為基頻光光束輪廓，12和14為焦距50mm的透鏡，13為非線性倍頻晶體。 圖3中，21為聚焦入射光束，其束腰落在非線性倍頻晶體13的入射端面上；22為不存在倍頻晶體時的聚焦後的光束輪廓；23為聚焦光束通過倍頻晶體後的光束輪廓。
具體實施方式
本實用新型所涉及的端面泵浦主動調Q腔外倍頻綠光雷射器，其技術方案結合附圖I、2和3詳細敘述如下本實用新型的基頻雷射源由諧振腔、雷射晶體8 (取Nd:YV04作為雷射晶體8)和泵浦單元構成。雷射器的諧振腔為「V」型摺疊腔結構，其光路成「V」字形，沿基頻光18光路由全反鏡6、腔鏡5和輸出鏡7構成；反射鏡6為平面鏡，它的內側鍍基頻光(1064nm)高反膜，腔鏡5為平面反射鏡，它的一面鍍泵浦光(808nm)增透膜，另一面同時鍍泵浦光增透膜和基頻光高反膜，輸出鏡7 —面鍍基頻光部分反射膜，另一面鍍基頻光增透膜；雷射晶體8位於靠近腔鏡5的光軸上即等效腔的結構中心，雷射晶體兩通光面同時鍍泵浦光和基頻光增透膜；採用泵浦光源I (808nm)作為泵浦源；泵浦單元由傳能光纖2和耦合系統構成；耦合系統由第一片透鏡3和第二片透鏡4組成，第一片透鏡3和第二片透鏡4都鍍泵浦光增透膜，第一片透鏡3對光纖輸出的泵浦光17進行準直，第二片透鏡4對泵浦光17聚焦，第一片透鏡3和第二片透鏡4之間的距離可調；泵浦光通過光纖和耦合系統，再經過「V」型摺疊腔拐角腔鏡5入射到雷射晶體8內部並被雷射晶體8充分吸收；雷射諧振腔的振蕩閾值由放置在腔內的主動調Q開關9 (雙面鍍基頻光增透膜)調製，然後形成脈衝輸出的基頻雷射18 ;脈衝輸出的基頻雷射18經過第一轉向鏡10和第二轉向鏡11(均鍍基頻光高反膜)改變傳播方向；脈衝輸出的基頻雷射18由放置在雷射諧振腔外一定位置的聚焦透鏡12(鍍基頻光增透膜)聚焦到非線性倍頻晶體13 (LB0，雙面均鍍基頻光和倍頻光增透膜)的入射端面上,並在倍頻晶體13內部形成非線性頻率變換過程；由倍頻晶體13產生的倍頻綠光雷射19和剩餘的基頻光18經過透鏡14 (雙面均鍍基頻光和倍頻光增透膜)準直後，再由第一諧波分離鏡15 (鍍45度倍頻光增透膜和基頻光高反膜)和第二諧波分離鏡片16 (鍍基頻光高反膜)分開為平行輸出的倍頻綠光雷射19和基頻雷射20。具體設計範例如下按照圖I在光路上放置雷射器各部分器件，包括全反鏡6、腔鏡5、輸出鏡7、雷射晶體8、聲光調Q開關9、稱合系統3和4 ;稱合系統的透鏡3的焦距為15mm，透鏡4的焦距為30mm ;全反鏡6到雷射晶體8中心的距離為150臟，腔鏡5到雷射晶體中心的距離為20mm，輸出鏡7到腔鏡5中心的距離為130mm，「V」型腔兩臂的夾角角度為18度，耦合系統出光端面(第二片透鏡4的後表面中心)距離雷射晶體8中心的距離為30mm，泵浦光18經耦合系統在雷射晶體8內的平均聚焦光斑直徑為O. 8_。根據熱透鏡理論，當雷射晶體吸收的泵浦功率為22W時，其等效熱透鏡焦距約為170mm左右；利用光束傳輸矩陣定律，可以計算出當等效腔長為300_，雷射晶體8產生的熱透鏡位於等效腔的中心時，振蕩基頻光18在晶體8內的平均基模直徑為O. 73mm,與泵浦光17在晶體8內的平均直徑接近。然後在靠近全反鏡6的位置放置聲光調Q開關，調製諧振腔的振蕩閾值；這種條件下，能夠得到輸出光束質量較好——光束質量因子小於I. 3，輸出功率穩定的準連續雷射脈衝輸出。輸出的脈衝基頻雷射18經過第一轉向鏡10和第二轉向鏡11改變傳輸路徑並起到增加光程的作用，在距離輸出鏡7實際光學路徑長度為350mm處放置焦距為50mm的聚焦透鏡12，將光束質量因子為I. 3的基頻雷射18聚焦變換為束腰直徑約為O. 07mm聚焦光束，束腰位置在長度為10_的非線性倍頻晶體13的入射端面處。根據光束傳輸矩陣定律，變換後的束腰位置距離聚焦透鏡12約為56mm。根據上述瑞利長度的計算公式，當基頻雷射18的波長λ為1064nm，非線性晶體13-LBO對波長λ為1064nm的雷射的折射率η約為1.6，光束質量因子M2為I. 3，聚焦後基頻雷射18的束腰半徑Wtl為O. 07mm，則聚焦光束在非線性倍頻晶體13內的瑞利長度為17. 8mm，大於倍頻晶體13的長度。
·[0025]顯然，本領域的技術人員可以對本實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和範圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬於本實用新型權利要求及其等同技術的範圍之內，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型在內。本說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。
權利要求1.一種端面泵浦主動調Q腔外倍頻綠光雷射器，包括雷射泵浦源(I)、雷射傳能光纖(2)、光學稱合系統、雷射諧振腔、雷射晶體(8)、主動調Q開關(9)、第一轉向鏡(10 )、第二轉向鏡(11)、聚焦透鏡(12)、倍頻晶體(13)、準直透鏡(14)、第一諧波分離鏡片(15)、第二諧波分離鏡片(16),其特徵在於光學稱合系統由第一片透鏡(3)和第二片透鏡(4)組成,第一片透鏡(3)對雷射傳能光纖(2)輸出的泵浦光(17)進行準直,第二片透鏡(4)對泵浦光(17)聚焦，第一片透鏡(3)和第二片透鏡(4)之間的距離可調；雷射諧振腔為「V」型摺疊腔結構，其光路成「V」形，沿基頻雷射(18)光路由全反鏡(6)、腔鏡(5)和輸出鏡(7)構成；雷射晶體(8)和主動調Q開關(9)放置在雷射諧振腔內，第一轉向鏡(10)、第二轉向鏡(11)、聚焦透鏡(12)、倍頻晶體(13)、準直透鏡(14)、第一諧波分離鏡(15)、第二諧波分離鏡(16)放置在雷射諧振腔外；由雷射泵浦源(I)產生的泵浦光(17)通過雷射傳能光纖(2)和光學耦合系統的準直聚焦，再經過「V」型摺疊腔拐角處的腔鏡(5)入射到雷射晶體(8)內部並被雷射晶體(8)充分吸收；雷射諧振腔的振蕩閾值由放置在諧振腔內的主動調Q開關(9)調製，然後形成脈衝輸出的基頻雷射(18);基頻雷射(18)經過輸出鏡(7)輸出，再經過第一轉向鏡(10)和第二轉向鏡(11)調整入射方向，通過設置在雷射諧振腔外一定位置的聚焦透鏡(12)聚焦到倍頻晶體(13)的入射端面並產生倍頻綠光雷射(19)和剩餘的基頻雷射(18)再經過準直透鏡(14)準直，倍頻綠光雷射(19)透過第一諧波分離鏡(15)輸出，剩餘的基頻雷射(18)被第一諧波分離鏡(15)和第二諧波分離鏡片(16)反射，形成可與倍頻綠光雷射(19)平行輸出的基頻雷射(20);所述的全反鏡(6)到雷射晶體(8)中心的距離為140mm至160mm，腔鏡(5)的中心到雷射晶體(8)中心的距離為IOmm至30mm，輸出鏡(7)到腔鏡(5)中心的距離為120mm至140mm，透鏡(4)出光端面中心到雷射晶體(8)中心的距離為20mm至40mm，「V」型腔的兩臂夾角小於20度。
2.根據權利要求I所述的端面泵浦主動調Q腔外倍頻綠光雷射器，其特徵在於全反鏡(6)到雷射晶體(8)中心距離為150mm。
3.根據權利要求I所述的端面泵浦主動調Q腔外倍頻綠光雷射器，其特徵在於腔鏡(5)到雷射晶體(8)中心距離為20mm。
4.根據權利要求I所述的端面泵浦主動調Q腔外倍頻綠光雷射器，其特徵在於輸出鏡(7)到腔鏡(5)中心的距離為130mm。
5.根據權利要求I所述的端面泵浦主動調Q腔外倍頻綠光雷射器，其特徵在於第二片透鏡(4)的輸出端面中心到雷射晶體(8)中心的距離為30mm。
6.根據權利要求I所述的端面泵浦主動調Q腔外倍頻綠光雷射器，其特徵在於「V」型摺疊腔的兩臂夾角為18度。
7.根據權利要求I所述的端面泵浦主動調Q腔外倍頻綠光雷射器，其特徵在於雷射晶體(8)位於等效腔結構的中心。
專利摘要本實用新型公開了一種端面泵浦主動調Q腔外倍頻綠光雷射器，包括雷射泵浦源、傳能光纖、光學耦合系統、「V」型摺疊諧振腔、雷射晶體、主動調Q開關、轉向鏡、聚焦鏡、非線性倍頻晶體、準直鏡、諧波分離鏡。通過主動調Q方式產生高峰值功率準連續基頻光輸出，然後輸出的基頻光經過透鏡聚焦到放置在腔外的非線性倍頻晶體上並產生細小的光斑和高的基頻光功率密度，在倍頻晶體後得到綠光輸出。腔外倍頻方式比腔內倍頻方式具有更好的穩定性，並且結構靈活，易於調整。本實用新型中，基頻光到倍頻光的轉換效率大於50%，綠光平均功率大於4.5W。本實用新型可廣泛應用於工業加工、科研、醫療、軍事等領域。
文檔編號H01S3/11GK202651614SQ20122023443
公開日2013年1月2日 申請日期2012年5月23日 優先權日2012年5月23日
發明者王 鋒 申請人:武漢凌雲光電科技有限責任公司