一种高功率高光束质量的激光器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种高功率高光束质量的激光器，包括沿光路依次设置的光纤耦合系统、前腔镜、激光晶体、声光调Q装置和后腔镜；所述光纤耦合系统由泵浦源、传输光纤和聚焦耦合系统组成；激光晶体的两端大小不等且沿轴向具有均匀过渡的变截面，其中小端一侧置于光路前端；激光晶体外表面均为抛光面，两端面分别镀有对于泵浦光和基频光的增透膜，激光晶体侧表面镀有对于泵浦光的高反膜。本发明可使泵浦光在激光晶体内部经过数次反射后被充分吸收，增强激光晶体的储能性及泵浦光的转换效率；在激光输出功率相同的条件下，缩短激光晶体长度，降低掺杂浓度和热梯度，改善热透镜效应，提高光束质量，获得高功率高光束质量的激光。
【专利说明】
一种高功率高光束质量的激光器
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种激光器，尤其涉及一种高功率高光束质量的激光器。
【背景技术】
[0002]随着激光技术的飞速发展和广泛应用，激光器已成为工业生产、科学探测、现代军事等领域不可或缺的重要工具。光束质量是激光器的一项重要指标，是激光束定向传输能力或聚焦焦斑能量集中程度的度量标准，因此在实际应用中，高功率高光束质量的激光一直是行业追求的方向。但随着激光器输出功率的增加，热效应等因素会逐渐放大，从而影响光束质量，因此高功率与高光束质量是对立存在的，是激光器研发制作中必须衡量的一个问题。
[0003]目前激光器生产企业中常规的做法是通过增加工作物质即激光晶体的长度减少热梯度造成的光束质量劣化程度，从而获得具有高功率与高光束质量的激光。但该方法增加了激光器的腔长，制约了激光器向小型化集成化发展，并提高了激光器的生成成本和周期，增加了调试难度，降低了企业经济效益。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种高功率高光束质量的激光器，采用具有轴向变截面的激光晶体，且激光晶体侧面镀有对栗浦光的全反膜，使栗浦光在激光晶体内部经过数次反射后被充分吸收，增强激光晶体的储能性及栗浦光的转换效率;在激光输出功率相同的条件下，缩短激光晶体长度，降低掺杂浓度和热梯度，改善热透镜效应，提高光束质量，获得高功率高光束质量的激光。
[0005]为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现:
[0006]—种高功率高光束质量的激光器，包括沿光路依次设置的光纤耦合系统、前腔镜、激光晶体、声光调Q装置和后腔镜;所述光纤耦合系统由栗浦源、传输光纤和聚焦耦合系统组成;激光晶体的两端大小不等且沿轴向具有均匀过渡的变截面，其中小端一侧置于光路前端;激光晶体外表面均为抛光面，两端面分别镀有对于栗浦光和基频光的增透膜，激光晶体侧表面镀有对于栗浦光的高反膜。
[0007]所述激光晶体的形状为圆台、棱台或梯形体。
[0008]所述激光晶体的两端面平行或具有一个夹角，夹角<5°。
[0009]所述栗浦源为中心波长为808nm、880nm、914nm、938nm、940nm或946nm的栗浦源。
[0010]所述激光晶体为Nd: YAG晶体、Nd: YV04晶体、Nd: GGG晶体、Nd: YLF晶体、Nd: GdV04晶体、Nd: YAP晶体、Nd: Luv04晶体或Yb: YAG晶体。
[0011 ]所述前腔镜、后腔镜为平透镜、凹透镜或凸透镜。
[0012]激光器的腔型为直腔、V型腔、L型腔、Z型腔或环型腔。
[0013]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0014]工作物质为圆台状，侧面有一定的小角度，防止自激出光。
[0015]I)激光晶体具有轴向变截面，可防止自激出光;激光晶体侧面的全反膜可以令栗浦光在晶体中多次反射，使栗浦光充分吸收，增强储能性能，提高栗浦光转换效率；
[0016]2)解决了掺杂浓度过低导致栗浦光吸收不充分的问题，在激光输出功率相同的条件下，降低掺杂浓度和热梯度，改善热透镜效应，提高光束质量，为获得高功率高光束质量的激光提供了新的途径；
[0017]3)有利于缩短激光晶体的长度，并缩短所需晶体生成时间;压缩激光谐振腔腔长，减小激光器尺寸;降低机械成本，提高效益，推进固体激光器的小型化集成化进程；
[0018]4)增加了激光晶体的传热面积，一定程度上降低了控温难度;激光稳定性提高，降低了设计难度，且安装调试简单，便于工程化推广。
【附图说明】
[0019]图1是本发明的结构示意图。
[0020]图2是本发明所述栗浦光在激光晶体内反射路径示意图。
[0021]图3是本发明实施例1的结构示意图。
[0022]图4是本发明实施例2的结构示意图。
[0023]图中:1.光纤耦合系统2.前腔镜3.激光晶体4.声光调Q装置5.后腔镜6.0°HR1064HT532透镜7.倍频晶体8.后腔镜全反镜9.45°全反镜10.和频晶体11.0° HR1064&532HT355透镜
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明:
[0025]见图1，是本发明的结构示意图，本发明所述一种高功率高光束质量的激光器，包括沿光路依次设置的光纤耦合系统1、前腔镜2、激光晶体3、声光调Q装置4和后腔镜5;所述光纤耦合系统I由栗浦源、传输光纤和聚焦耦合系统组成;激光晶体3的两端大小不等且沿轴向具有均匀过渡的变截面，其中小端一侧置于光路前端;激光晶体3的外表面均为抛光面，两端面分别镀有对于栗浦光和基频光的增透膜，激光晶体3侧表面镀有对于栗浦光的高反膜。
[0026]所述激光晶体3的形状为圆台、棱台或梯形体。
[0027]所述激光晶体3的两端面平行或具有一个夹角，夹角<5°。
[0028]所述栗浦源为中心波长为808nm、880nm、914nm、938nm、940nm或946nm的栗浦源。
[0029 ] 所述激光晶体3为Nd: YAG晶体、Nd: YV04晶体、Nd: GGG晶体、Nd: YLF晶体、Nd: GdV04晶体、Nd: YAP晶体、Nd: Luv04晶体或Yb: YAG晶体。
[0030]所述前腔镜2、后腔镜5为平透镜、凹透镜或凸透镜。
[0031]激光器的腔型为直腔、V型腔、L型腔、Z型腔或环型腔。
[0032]本发明采用的激光晶体3不是常规的圆柱体，而是轴向具有渐变截面的圆台、棱台或梯形体，激光晶体3的侧面具有一个小的倾斜角，防止自激出光。激光晶体侧面的全反膜可以令栗浦光在晶体中多次反射，使栗浦光充分吸收，增强储能性能，提高栗浦光转换效率。(如图2所示)
[0033]本发明所述一种高功率高光束质量的激光器的工作原理是:栗浦源产生的栗浦光由传输光纤射出，经过聚焦耦合系统(耦合透镜)后聚焦在激光晶体3上，激光晶体3受激辐射出光，光通过声光调Q装置4后，由后腔镜5输出，前腔镜2(图1中为0°全反透镜)，与后腔镜5(图1中为0°全反透镜)构成谐振腔，使激光稳定输出。该激光器结构紧凑，装校简单，方便量化生产。
[0034]专利申请号为200920153040.4(申请日为2009年5月27日)的中国专利公开了一种“倍频晶体和光纤栗浦装置的固体激光器”，包括多个激光二极管，一个圆形凸透镜以及圆台形增益介质。所述圆台形增益介质的具有较大面积的截面位于圆形凸透镜一侧(激光入射端)，增益介质与圆形凸透镜以接触的方式放置。所述圆台形增益介质的具有较大面积的截面上镀有栗浦光透射且对增益介质内产生的激光反射的光学薄膜，圆台表增益介质的具有较小面积的截面上镀有对增益介质内产生的激光半透半反的光学薄膜，以此来形成谐振腔。
[0035]“倍频晶体和光纤栗浦装置的固体激光器”专利中虽然采用了圆台形增益介质，但其工作原理及作用及本发明所述激光晶体3完全不同，具体区别如下:
[0036]I)本发明中，激光晶体3侧面镀有栗浦光全反膜，令栗浦光在激光晶体3中反射，使栗浦光被充分吸收增加激光晶体3储能性能，提高栗浦光转换效率;而“倍频晶体和光纤栗浦装置的固体激光器”所述圆台形增益介质只在两端镀膜。
[0037]2)本发明中的栗浦光是由激光晶体3小端入射，大端出射;而“倍频晶体和光纤栗浦装置的固体激光器”中，激光光源是从圆台形增益介质大端入射。本发明从小端入射时，由朗格拉日不变量可知，栗浦光入射到激光晶体3再出射的过程可以由公式表示为:
[0038]nuy = muiyi = n2u2y2 ；
[0039]上式中:
[0040]n、m、n2分别表示激光所在介质的折射率，即空气折射率η，激光介质折射率m，空气折射率n2;
[0041 ] u、m、U2分别表示激光在激光晶体入射端、激光晶体内和激光晶体出射端光束发散角；
[0042 ] y、y1、y2分别表示激光在激光晶体入射端、激光晶体内和激光晶体出射端光束边缘光到光轴的距离；
[0043]假设所用激光晶体为Nd: YAG，各个折射率分别为n = I，m = 1.81，n2 = I;本发明中y、y1、y2，相当于激光晶体3端面高度的一半，贝ijy2>yi>y>l ；
[0044]综上可知1!2〈1!，因此本发明采用从激光晶体3小端入射的方式，有利于压缩栗浦光发散角，进而达到提高光束质量，获得高功率高光束质量的激光的发明目的。
[0045]3)本发明中的激光晶体3包括两端大小不等且沿轴向具有均匀过渡的变截面的所有形状，如圆台、棱台或梯形体。而“倍频晶体和光纤栗浦装置的固体激光器”中的圆台形增益介质很明显形状只能为圆台形。
[0046]4)本发明中采用特殊形状及表面全镀膜的激光晶体3的作用是使栗浦光在激光晶体3内部经过数次反射后被充分吸收，增强激光晶体3的储能性及栗浦光的转换效率;在激光输出功率相同的条件下，缩短激光晶体3长度，降低掺杂浓度和热梯度，改善热透镜效应，提高光束质量，获得高功率高光束质量的激光；而“倍频晶体和光纤栗浦装置的固体激光器”中采用圆台形增益介质的作用是提高栗浦的均匀性，降低增益介质的温度差及由此带来的各种影响。
[0047]以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
[0048]【实施例1】
[0049]如图3所示，是基于本发明基本结构的一种激光器形式，808nm栗浦光由光纤耦合系统I出射并聚焦在3Nd: YV04激光晶体3上;激光晶体3受激辐射出1064nm的基频光，1064nm基频光通过声光调Q装置4调制。
[0050]本实施例中，前腔镜2为45°全反镜9，将直腔变换成折叠腔;再利用0°HR1064HT532透镜6折叠光路，与后腔镜全反镜8构成谐振腔，利用倍频晶体7，将1064nm的基频光倍频为532nm的绿光，由0° HR1064HT532透镜6输出。
[0051 ]本实施例中，因基频光光束质量高，能量密度高，所以光-光转化效率提高，损耗少，最终得到的532nm激光，其脉宽窄，峰值功率高，光束质量好，有利于工业加工应用。
[0052]【实施例2】
[0053]如图4所示，本实施便中，在【实施例2】的结构基础上，在倍频晶体7前加上和频晶体9，将0°HR1064HT532透镜6替换为0°HR1064&532HT355透镜11，将1064nm的光通过倍频和频后得到355nm紫外光。
[0054]本实施例得到的紫外光有波长短、易聚焦、能量高、模式好等优点，是微细钻孔，激光刻划的理想激光光源;该光源在超高密度光驱，精密材料加工，光印刷等领域应用广泛。
[0055]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种高功率高光束质量的激光器，其特征在于，包括沿光路依次设置的光纤耦合系统、前腔镜、激光晶体、声光调Q装置和后腔镜;所述光纤耦合系统由栗浦源、传输光纤和聚焦耦合系统组成;激光晶体的两端大小不等且沿轴向具有均匀过渡的变截面，其中小端一侧置于光路前端;激光晶体的外表面均为抛光面，两端面分别镀有对于栗浦光和基频光的增透膜，激光晶体侧表面镀有对于栗浦光的高反膜。2.根据权利要求1所述的一种高功率高光束质量的激光器，其特征在于，所述激光晶体的形状为圆台、棱台或梯形体。3.根据权利要求1所述的一种高功率高光束质量的激光器，其特征在于，所述激光晶体的两端面平行或具有一个夹角，夹角<5°。4.根据权利要求1所述的一种高功率高光束质量的激光器，其特征在于，所述栗浦源为中心波长为808nm、880nm、914nm、938nm、940nm 或 946nm 的栗浦源。5.根据权利要求1所述的一种高功率高光束质量的激光器，其特征在于，所述激光晶体为 Nd: YAG 晶体、Nd: YV04 晶体、Nd: GGG 晶体、Nd: YLF 晶体、Nd: GdV04 晶体、Nd: YAP 晶体、Nd:Luv04晶体或Yb: YAG晶体。6.根据权利要求1所述的一种高功率高光束质量的激光器，其特征在于，所述前腔镜、后腔镜为平透镜、凹透镜或凸透镜。7.根据权利要求1所述的一种高功率高光束质量的激光器，其特征在于，激光器的腔型为直腔、V型腔、L型腔、Z型腔或环型腔。
【文档编号】H01S3/16GK105896304SQ201610375397
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】崔建丰, 王迪, 高涛, 张亚楠
【申请人】鞍山紫玉激光科技有限公司