CN103050877B - 一种基于拼接技术的紧凑型多碟片串接固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于拼接技术的紧凑型多碟片串接固体激光器,包括泵浦光源、光准直器、谐振腔输出单元以及两组以上的通过拼接方式组装在一起的多次泵浦单元，其中所述泵浦单元各自分别包括沿着泵浦光入射方向共轭设置的第一和第二抛物面反射镜，这两个抛物面反射镜相对于对方的焦点位置处分别安装有矫正镜和碟片激光晶体，并通过它们之间的角度及抛物面反射镜尺寸构造方面的配合来实现泵浦光在多组泵浦单元之间的偏移和耦合。通过本发明，可以解决现有碟片激光器串接过程中每个模块未完全吸收泵浦光的问题，并能在实现高功率、高光束质量激光输出的同时，使得***转换效率大幅度地提高。

Description

一种基于拼接技术的紧凑型多碟片串接固体激光器

技术领域

本发明属于激光器技术领域，更具体地，涉及一种基于拼接技术的紧凑型多碟片串接固体激光器。

背景技术

碟片激光器属于高端的高功率固体激光器之一，这种薄片状的结构（0.2mm~0.4mm的厚度），采用轴向面冷却的方式，极大地降低了激光晶体的热畸变和热透镜效应，有利于获得高转换效率、高平均功率以及高光束质量的激光输出。此外，碟片激光器结构特点更容易实现高功率的激光输出：一种方法是在保持泵浦功率密度不变的条件下，增加泵浦光斑的面积来有效地提高激光功率；另一种方法是采用多碟片串接的技术来实现高功率的激光输出。由于ASE效应（放大的自发辐射）的影响，采用增大泵浦光斑面积获取更高功率激光输出的方法受到了极大地限制。因此串接技术获取更高功率的激光输出成为更为有效的途径。目前德国通快公司采用4个单元模块串接获得16kW的激光输出，在材料加工、激光医疗、科学研究等方面均有广阔应用。尤其是材料加工方面，因为其输出功率高，可聚焦光斑小、焦深长，并且能在光纤内传输，可以完成快速切割、远程焊接等高难度加工任务，已成为激光加工***的主力光源。

碟片固体激光器中的增益介质----碟片激光晶体的前表面镀有对泵浦光和激光均高透的增透膜，后表面镀有对泵浦光和激光均高反射的高反膜，并封装在铜钨合金或金刚石基板上，端面采用液体冲击冷却或高效TEC冷却（半导体致冷技术），实现有效地温控。这种轴向的温度场分布极大地消除了晶体热效应对激光输出的影响，便于获得更好光束质量的激光。然而这种薄片状的几何外形存在对泵浦光吸收长度小的缺点，为了提高泵浦光的吸收效率，多次泵浦技术和光斑匀化技术是高功率碟片激光器高效稳定运行的核心技术之一。1994年，A.Giesen教授提出了多次泵浦的概念，碟片固体激光器的思想得以实现。2003年，Steffen Erhard等提出了单抛物面和多棱镜构成的空间旋转多次泵浦的结构；2005年，Steffen Erhard等对上述方案进行改进提出了基于单抛物面和两个大型棱镜实现光束空间旋转多次泵浦技术的方案，实现泵浦光32次的泵浦，使得泵浦光得到有效地利用。2008年，朱晓等在CN101414728A提出一种碟片固体激光器，其中基于对称共轭双抛物面来实现泵浦光斑在自身内部的多次传输。2010年，朱广志等在CN102420386A中提出了基于离轴抛物面的碟片固体激光器，其中利用折叠镜***的多次泵浦技术，实现矩形光斑在自身内部的多次泵浦，泵浦的次数与折叠镜的离轴平移量有关。

上述多次泵浦技术在单碟片固体激光器***中均能实现高效地激光输出。然而，在采用串接技术获得更高激光功率输出的过程中，上述方案仅能采用独立泵浦模块直接串联的方案，即将激光振荡的谐振腔串联起来实现激光的输出。而对于每一个多次泵浦模块，其内部泵浦光之间相互独立，不存在能量的传递和交换，未被吸收的泵浦光直接浪费掉了。这样造成了泵浦光的利用率受到较大的限制、***整体的效率也同样不能进一步地提高；另一方面，这种各个模块间独立的串联耦合方法，***地体积庞大，装配调整较为复杂。相应地，在相关领域中存在着对多碟片固体激光器的组成结构及其串接方式作出进一步改进的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种基于拼接技术的紧凑型多碟片串接固体激光器，其通过对其关键构件的组成及设置方式的改进，可以解决现有碟片激光器串接过程中每个模块未完全吸收泵浦光的问题，将多个模块碟片之间的泵浦光能够耦合起来，由此在实现高功率、高光束质量激光输出的同时，能够使得***转换效率大幅度地提高。

按照本发明，提供了一种基于拼接技术的紧凑型多碟片串接固体激光器，该激光器包括泵浦光源、泵浦光准直器、两组以上的多次泵浦单元，以及谐振腔输出单元，其特征在于：

所述泵浦光源用于发射泵浦光，并经泵浦光准直器执行准直后入射至各个多次泵浦单元；

所述多次泵浦单元沿着与泵浦光入射方向相垂直的方向彼此拼接，它们各自分别包括沿着泵浦光入射方向共轭设置的第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜，其中：

该第一抛物面反射镜具有第一通孔用于安装碟片激光晶体，所述第一通孔的位置对应于第二抛物面反射镜的焦点，所述碟片激光晶体的法线与光轴之间存在一定角度的安装夹角β，并且沿着多次泵浦单元拼接方向彼此相邻的碟片激光晶体的安装夹角β方向相反；

该第二抛物面反射镜具有第二通孔，用于安装有矫正镜同时作为谐振腔激光传输的通道，所述第二通孔的位置对应于第一抛物面反射镜的焦点，所述矫正镜的法线与光轴相重合或存在一定角度的安装夹角α，其中各个多次泵浦单元中矫正镜与碟片激光晶体的安装夹角方向相反；

对于彼此相邻的两组多次泵浦单元而言，其中一组多次泵浦单元的第一、第二抛物面反射镜之间的尺寸关系满足：两者左半部分的宽度相等，而前者右半部分的宽度与后者相比要大ΔH1；另外一组多次泵浦单元的第一、第二抛物面反射镜之间的尺寸关系满足：两者右半部分的宽度相等，而后者左半部分的宽度与前者相比要大ΔH2；所述ΔH1、ΔH2均大于一倍的光斑平移量且小于两倍的光斑平移量；

所述谐振腔输出单元与所述激光晶体共同构成激光谐振腔，用于实现产生激光的多次振荡并执行激光输出。

通过以上构思，由于将多组具备两个抛物面反射镜的泵浦单元予以拼接，同时对共轭设置的抛物面反射镜的碟片激光晶体和矫正镜的设置角度、相对位置关系以及相邻抛物面反射镜的具体尺寸构造进行研究和改进，可以实现泵浦光在多组泵浦单元中的相互传递，例如，在第一组泵浦单元多次传输后未被其碟片激光晶体吸收完的泵浦光可以进入相邻的第二组泵浦单元继续被其碟片激光晶体所吸收，相反亦然，这样能够以更为高效、灵活地方式来控制光束传输的过程，并有利于实现高功率、高效率和高光束质量的激光输出。

作为进一步优选地，所述ΔH1等于ΔH2。

作为进一步优选地，沿着多次泵浦单元拼接方向彼此相邻的碟片激光晶体的安装夹角β方向相反且大小相等，而彼此相邻的矫正镜的安装夹角α方向相反且大小相等。

作为进一步优选地，当所述矫正镜的法线与光轴存在一定角度的安装夹角α时，该角度α满足：0<α<π/4。

作为进一步优选地，所述碟片激光晶体的法线与光轴之间的安装夹角β满足：0<β<π/4。

作为进一步优选地，对于相邻两组多次泵浦单元，它们各自的第一、第二抛物面反射镜的面型函数分别对应相同；而对于各组多次泵浦单元，它的第一与第二抛物面反射镜的面型函数可以相同或不同。

作为进一步优选地，所述谐振腔输出单元包括激光全反镜、激光连接镜和激光输出镜，并与对应的碟片激光晶体共同构成激光谐振腔。

作为进一步优选地，所述碟片激光晶体的一面镀有对泵浦光和输出激光高反的膜层，另外一面镀有对泵浦光和输出激光高透的膜层，并且其厚度为0.2~0.4mm，直径为5~20mm。

作为进一步优选地，所述矫正镜还配备有冷却元件，该冷却元件采用液体冲击冷却或TEC冷却技术来实现对矫正镜的冷却。

按照本发明的基于拼接技术的紧凑型多碟片串接激光器与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过采用拼接技术来将共轭设置的抛物面反射镜组装为多次泵浦单元，可以降低对泵浦光的准直特性及光斑形状的要求，使得泵浦光准直***的设计难度得以降低，并能提高泵浦光的注入功率；

2、通过对各组多次泵浦单元的碟片激光晶体和矫正镜的设置角度、相对位置关系以及相邻抛物面反射镜的具体尺寸构造进行设计，使得相邻泵浦单元达到对能量的充分耦合和吸收，大幅度提高装置整体的泵浦光吸收性能，同时使得泵浦光斑的均匀性得到较大提高；

3、按照本发明的多碟片串接固体激光器整体尺寸紧凑、机械结构简单并便于调整，质量较轻，因而尤其适用于工业上的应用。

附图说明

图1a是对按照本发明的紧凑型双碟片串接固体激光器从其一个侧面观察时所得到的主体结构示意图；

图1b是对按照本发明的紧凑型双碟串接固体片激光器从其相对的另外一个侧面观察时所得到的主体结构示意图；

图2是图1中所示双碟片串接固体激光器的第一、第二抛物面反射镜及其光斑分布特性的示意图；

图3是图1中所示激光器的聚光器内部泵浦光在相邻泵浦单元之间多次传输特性的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-泵浦光  2-第一抛物面反射镜  3-第二抛物面反射镜  4-冷却元件5-矫正镜  6-碟片激光晶体  7-第一抛物面反射镜  8-第二抛物面反射镜12-激光全反镜  13-激光连接镜  14-激光输出镜  15-入射窗口  16-入射窗口  19-第一通孔  21-第二通孔

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将以双碟片串接方式为例，并参照附图来进一步具体说明本发明。图1a是对按照本发明的紧凑型双碟片串接固体激光器从其一个侧面观察时所得到的主体结构示意图；图1b是对按照本发明的紧凑型双碟片串接固体激光器从其相对的另外一个侧面观察时所得到的主体结构示意图。如图1a和1b中示范性所示地，按照本发明的紧凑型多碟片串接固体激光器主要包括泵浦光源、泵浦光准直器、两组以上（含两组）的多次泵浦单元，以及谐振腔输出单元。

泵浦光源可以采用各类激光器叠阵，此光束在快轴和慢轴方向的发散角和光斑尺寸不同，并且光束质量较差。它所发出的光束经准直器准直后获得泵浦光1并入射至如图1a中所示分别处于内外两侧的两组多次泵浦单元。若采用柱面镜整形，所获得的为矩形光斑，其中当快轴与慢轴的发散角相等时，在两组多次泵浦单元各自的碟片激光晶体6均获得尺寸相同的正方形泵浦光斑；若采用的是带尾纤的半导体激光器，则准直后的泵浦光为圆形光束。

如图1a中所示，两组多次泵浦单元沿着与泵浦光入射方向相垂直的方向彼此拼接，它们各自分别包括沿着泵浦光入射方向共轭设置的第一抛物面反射镜2和第二抛物面反射镜3，它们构成聚光腔的核心部件。具体而言，处于图1a中外侧的两个抛物面反射镜构成了第一组多次泵浦单元，而处于内侧的两个抛物面反射镜构成了第二组多次泵浦单元。对于各组多次泵浦单元而言，其中第一抛物面反射镜2在其特定位置具有譬如呈圆形的通孔19，用于安装有碟片激光晶体6，该特定位置对应于与其共轭设置的第二抛物面反射镜3的焦点O2（可根据需要适当离焦或离轴）。所述碟片激光晶体6的法线与光轴之间存在一定角度、譬如满足0<β<π/4的安装夹角β，并且彼此相邻的第一、第二组多次泵浦单元的碟片激光晶体的安装夹角β方向相反：具体而言如图3所示，对于第一组多次泵浦单元，它的第一抛物面反射镜2上碟片激光晶体的安装夹角β具备一定角度，并且该安装夹角相对于经过相邻两组泵浦单元的焦点O2、O4的直线Y2向右发生了倾斜；与此相反地，对于第二组多次泵浦单元，它的第一抛物面反射镜7上碟片激光晶体的安装夹角β同样具备一定角度，并且该安装夹角相对于直线Y2向左发生了倾斜。此外，考虑到设计方便与泵浦光利用效率等因素，在一个优选实施例中，可以将上述两个安装夹角β设定为大小相等，但倾斜方向必须相反。

此外，第二抛物面反射镜3同样在其特定位置具有譬如呈矩形的通孔21，用于安装有矫正镜5同时作为谐振腔激光传输的通道，该特定位置对应于与其共轭设置的第一抛物面反射镜2的焦点O1（可根据需要适当离焦或离轴）。所述矫正镜5的法线与光轴存在一定角度、譬如满足0<α<π/4的安装夹角α或是与光轴相重合（即相当于α=0的情形），并且彼此相邻的第一、第二组多次泵浦单元的矫正镜的安装夹角α方向相反，具体而言同样如图3所示，对于第一组多次泵浦单元，它的第二抛物面反射镜3上矫正镜的安装夹角α具备一定角度，并且该安装夹角相对于经过相邻两组泵浦单元的焦点O1、O3的直线Y1向左发生了倾斜；与此相反地，对于第二组多次泵浦单元，它的第二抛物面反射镜8上矫正镜的安装夹角α同样具备一定角度，并且该安装夹角相对于直线Y1向右发生了倾斜。此外，考虑到设计方便与泵浦光利用效率等因素，在一个优选实施例中，可以将上述两个安装夹角α设定为大小相等，但倾斜方向同样必须相反。

为了实现对泵浦光在整个多碟片串接激光器中的多次均匀泵浦，除了控制各组泵浦单元的矫正镜和碟片激光固体的设置角度之外，还需要对抛物面反射镜的尺寸构造也进行设计。以图1中所示的双碟片串接式结构为例，对于彼此相邻的第一、第二组多次泵浦单元而言，如图2中所示，其中第一组多次泵浦单元的第一、第二抛物面反射镜之间的尺寸关系需要满足：两者左半部分的宽度也即抛物面反射镜一个侧面到碟片激光晶体或矫正镜的安装位置点之间的距离相等（PAH1=PAH2），而第一抛物面反射镜右半部分的宽度与第二抛物面反射镜右半部分的对应宽度相比要大ΔH1（ΔH1=PAH2-PBH1）；第二组多次泵浦单元的第一、第二抛物面反射镜之间的尺寸关系同样需要满足：两者右半部分的高度也即反射镜另外一个侧面到碟片激光晶体或矫正镜的安装位置点之间的距离相等，而第二抛物面反射镜左半部分的宽度与第一抛物面反射镜左半部分的对应宽度相比要大ΔH2（ΔH1=PCH2-PDH1）；其中所述ΔH1、ΔH2均大于一倍的光斑平移量且小于两倍的光斑平移量。

在一个优选实施例中，可以设定ΔH1等于ΔH2。这样虽然每组泵浦单元自身的外形尺寸存在一定的错位，但对相邻两组泵浦单元所构成的组合来说其抛物面反射镜的整体高度是相同的，从而便于多碟片串接固体激光器的机械封装和光学谐振腔的设计。

第一、第二抛物面反射镜2、3的面型函数可以相同也可以不同。而对于相邻两组的多次泵浦单元来说，可以将它们各自的第一抛物面反射镜2的面型函数设定为相同，但外形尺寸不同；第二抛物面反射镜的面型函数同样设定为相同，但外形尺寸不同。

此外，所述谐振腔输出单元具体包括呈平面镜或曲面镜形式的激光全反镜12、激光连接镜13和激光输出镜14，并与对应的碟片激光晶体共同串接构成激光谐振腔，由此实现泵浦光的谐振放大并执行激光输出。

碟片激光晶体6的一面镀有对泵浦光和输出激光高反的膜层，另外一面镀有对泵浦光和输出激光高透的膜层，并且其厚度可选择为0.2~0.4mm，直径为5~20mm。矫正镜5作为反射镜，镀有对泵浦光高反的光学膜，其形式是平面镜也可以是球面镜。为了对矫正镜5提供必要的机械支撑和轴向冷却，还可以为其配备有冷却元件4。该冷却元件一般为导热率较高且热膨胀系数匹配的铜钨合金、金锡合金或金刚石材料制成，多采用液体冲击冷却或TEC冷却技术来实现对矫正镜的冷却。

下面将参照图3来具体描述按照本发明的双碟片串接固体激光器中泵浦光在相邻泵浦单元之间多次的传输过程。

首先，经准直后的泵浦光1从入射窗口15进入由第一抛物面反射镜2和第二抛物面反射镜3所共同构成的第一组多次泵浦单元的腔内。泵浦光被水平传输到第二抛物面反射镜3的表面，被其反射后聚焦到焦点O2处，并穿过设置在该焦点处的碟片激光晶体6的高透膜层面后被其高反膜层面所反射，未被吸收的泵浦光反射后回到抛物面反射镜3的表面：由于碟片激光晶体6存在一定角度的安装角度β，反射到第二抛物面反射镜3表面的光斑被向上平移，此光线被第二抛物面反射镜3反射后平行入射到第一抛物面反射镜2的表面，并聚焦到矫正镜5，随后泵浦光被矫正镜5反射后再次传输到第一抛物面反射镜2表面，由此完成了泵浦光的第一次循环，此后上述过程不断重复，实现泵浦光的多次传输。如图2中的虚线箭头所示，显示了泵浦光斑在第一、第二抛物面反射镜表面的平移方向。

接着，经过多次泵浦未被吸收完的泵浦光被传输到了第一抛物面反射镜2的A点位置，经抛物面反射后成平行光离开第一抛物面反射镜2，此时由于第一抛物面反射镜2下半部分高度PAH2大于第二抛物面反射镜3的下半部分高度PBH2，且两者之差ΔH1大于一倍光斑平移的偏移量同时小于两倍光斑的平移量，离开的剩余泵浦光被相邻第二组泵浦单元的第二抛物面反射镜8所接收并入射到它表面的B点，被其反射后聚焦到该第二组泵浦单元的第一抛物面反射镜7的碟片激光晶体，泵浦光穿越该碟片激光晶体后被其后表面反射，再次传输到该组泵浦单元的第二抛物面反射镜8，经其反射后传输到第一抛物面反射镜7表面。泵浦光经该第一抛物面反射镜7反射后将泵浦光聚焦到该组泵浦单元的第二抛物面反射镜上的矫正镜的表面，被该矫正镜反射到第一抛物面反射镜7表面，被其反射后以平行光入射到第二抛物面反射镜8的某个位置，开始下一次循环，此时相对B点泵浦光已经向下平移了一定距离。

由于相邻两组泵浦单元中的碟片激光晶体的安装角度大小相等、方向相反，导致光线的平行方向刚好相反但平移距离相同，此时泵浦光斑在第二组泵浦单元的第一、第二抛物面反射镜表面的平移方向如图2中的虚线剪头方向所示。因此，未被第一组泵浦单元的碟片激光晶体吸收完的泵浦光通过A点进入第二组泵浦单元，并多次传越第二组泵浦单元的碟片激光晶体，由该晶体将剩余的泵浦光吸收完，从而提高了泵浦光的吸收效率。

同理，从入射窗口16入射的经准直的泵浦光采用同样的方式在基于拼接技术的紧凑型两碟片串接激光***中传输。根据光路的可逆性，入射至第二组泵浦单元的泵浦光先在由其第一、第二抛物面反射镜所共同构成的第二组多次泵浦腔内传输，泵浦其碟片激光晶体，未被吸收完的泵浦光进入相邻的第一组泵浦腔内传输，由第一组泵浦腔的碟片激光晶体将剩余的泵浦光吸收完。由此，使两个碟片晶体上获得相同泵浦功率密度和泵浦均匀。

以上虽然以双碟片串接方式来举例说明本发明，然而本发明并不仅仅适用于两个碟片***的串接，采用相同的设计思路，也可以实现更多数量的碟片串接，从而实现更高功率的激光输出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于拼接技术的紧凑型多碟片串接固体激光器，该激光器包括泵浦光源、泵浦光准直器、两组以上的多次泵浦单元，以及谐振腔输出单元，其特征在于：

所述泵浦光源用于发射泵浦光，并经泵浦光准直器执行准直后入射至各自的多次泵浦单元；

所述多次泵浦单元沿着与泵浦光入射方向相垂直的方向彼此拼接，它们各自分别包括沿着泵浦光入射方向共轭设置的第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜，其中：

该第一抛物面反射镜具有第一通孔用于安装碟片激光晶体，所述第一通孔的位置对应于第二抛物面反射镜的焦点，所述碟片激光晶体的法线与多次泵浦单元的光轴之间存在一定角度的安装夹角β，并且沿着多次泵浦单元拼接方向彼此相邻的碟片激光晶体的安装夹角β方向相反；

该第二抛物面反射镜具有第二通孔，用于安装矫正镜同时作为谐振腔激光传输的通道，所述第二通孔的位置对应于第一抛物面反射镜的焦点，所述矫正镜的法线与多次泵浦单元的光轴相重合或存在一定角度的安装夹角α，其中各个多次泵浦单元中矫正镜与碟片激光晶体的安装夹角方向相反；

对于彼此相邻的两组多次泵浦单元而言，其中一组多次泵浦单元的第一、第二抛物面反射镜之间的尺寸关系满足：两者左半部分的宽度相等，而前者右半部分的宽度与后者相比要大ΔH1；另外一组多次泵浦单元的第一、第二抛物面反射镜之间的尺寸关系满足：两者右半部分的宽度相等，而后者左半部分的宽度与前者相比要大ΔH2；所述ΔH1、ΔH2均大于一倍的光斑平移量且小于两倍的光斑平移量；

所述谐振腔输出单元与所述激光晶体共同构成激光谐振腔，用于实现泵浦光的谐振放大并执行激光输出。

2.如权利要求1所述的多碟片串接固体激光器，其特征在于，所述ΔH1等于ΔH2。

3.如权利要求1或2所述的多碟片串接固体激光器，其特征在于，沿着多次泵浦单元拼接方向彼此相邻的碟片激光晶体的安装夹角β方向相反且大小相等，而彼此相邻的矫正镜的安装夹角α方向相反且大小相等。

4.如权利要求1或2所述的多碟片串接固体激光器，其特征在于，当所述矫正镜的法线与多次泵浦单元的光轴存在一定角度的安装夹角α时，该角度α满足：0＜α＜π/4。

5.如权利要求4所述的多碟片串接固体激光器，其特征在于，所述碟片激光晶体的法线与多次泵浦单元的光轴之间的安装夹角β满足：0＜β＜π/4。

6.如权利要求1或2所述的多碟片串接固体激光器，其特征在于，对于相邻两组多次泵浦单元，它们各自的第一、第二抛物面反射镜的面型函数分别对应相同；而对于各组多次泵浦单元，它的第一与第二抛物面反射镜的面型函数相同或不同。

7.如权利要求1或2所述的多碟片串接固体激光器，其特征在于，所述谐振腔输出单元包括激光全反镜、激光连接镜和激光输出镜，并与对应的碟片激光晶体共同构成激光谐振腔。

8.如权利要求1或2所述的多碟片串接固体激光器，其特征在于，所述矫正镜还配备有冷却元件，该冷却元件采用液体冲击冷却技术来实现对矫正镜的冷却。