CN103887694A - 单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器 - Google Patents

Abstract

一种单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器，包括：一全反射镜；一第一声光Q开关、一激光振荡模块、一第二声光Q开关、一部分透过镜、一一级放大模块、一二级放大模块、一三级放大模块和一四级放大模块均依次位于全反射镜的同轴光路上。本发明具有价格经济、应用广泛和可以连续波激光二极管获得高平均功率、高光束质量的准连续激光，同时具有装调方便和激光器整体性能稳定的优点。

Description

单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器

技术领域

本发明专利涉及固体激光器技术领域，尤其涉及一种单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器，能够在振荡级完全关断的前提下实现平均功率大于1kW的准连续激光输出，并保持良好的光束质量，具有稳定、装调方便、使用寿命长的特点。

背景技术

高平均功率、高光束质量的准连续激光器在工业加工等领域有着极为广泛和重要的应用，已经成为当前激光技术的研究热点之一。目前，公知的激光二极管侧泵棒状/柱状激光晶体的高功率准连续激光器有两种技术方案：

利用高功率准连续激光二极管对激光晶体进行泵浦，从而直接获得准连续激光输出。但是这种方法使用的高功率准连续激光二极管封装复杂，造价高昂。

在多棒串接、连续输出的高功率全固态激光器振荡腔中加入调Q或锁模等光学器件，间接获得准连续激光输出。但是这种方法存在两个问题：1)对调Q或锁模等光学器件的要求较高，不易实现激光振荡腔的完全关断；2)装调非常困难，必须保证激光腔内所有的光学器件严格同轴，稍有差异就会造成输出功率大大降低、甚至无任何激光输出。

发明内容

本发明的目的在于，提供了一种单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器，具有价格经济、应用广泛和可以连续波激光二极管获得高平均功率、高光束质量的准连续激光，同时具有装调方便和激光器整体性能稳定的优点。

为达到上述目的，本发明专利提供一种单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器，包括：

一全反射镜；

一第一声光Q开关，其位于全反射镜的同轴光路上；

一激光振荡模块，其位于全反射镜的同轴光路上，位于第一声光Q开关之后；

一第二声光Q开关，其位于全反射镜的同轴光路上，位于激光振荡模块之后；

一部分透过镜，其位于全反射镜的同轴光路上，位于第二声光Q开关之后；

一一级放大模块，其位于全反射镜的同轴光路上，位于部分透过镜之后；

一二级放大模块，其位于全反射镜的同轴光路上，位于一级放大模块之后；

一三级放大模块，其位于全反射镜的同轴光路上，位于二级放大模块之后；

一四级放大模块，其位于全反射镜的同轴光路上，位于三级放大模块之后。

本发明专利的有益效果是：本发明专利提供的单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器，能够获得平均功率超过1kW的准连续激光，具有较好的光束质量和总体效率，装调简单，稳定可靠。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明如后，其中：

图1为本发明专利提供的单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器的示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器，包括：

一全反射镜1，所述全反射镜1是平面镜、平凹镜或平凸镜，所述全反射镜1是K9材料，或是熔石英材料；

一第一声光Q开关2，其位于全反射镜1的同轴光路上；

一激光振荡模块3，其位于全反射镜1的同轴光路上，位于第一声光Q开关2之后，所述激光振荡模块3采用的激光晶体为圆棒状结构或柱状结构，所述激光振荡模块3的数量为1-2个；

一第二声光Q开关4，其位于全反射镜1的同轴光路上，位于激光振荡模块3之后；

其中所述第一声光Q开关2和第二声光Q开关4相互正交放置。

一部分透过镜5，其位于全反射镜1的同轴光路上，位于第二声光Q开关4之后，所述部分透过镜5是平面镜、平凹镜或平凸镜，所述部分透过镜5是K9材料，或是熔石英材料；

一一级放大模块6，其位于全反射镜1的同轴光路上，位于部分透过镜5之后；

一二级放大模块7，其位于全反射镜1的同轴光路上，位于一级放大模块6之后；

一三级放大模块8，其位于全反射镜1的同轴光路上，位于二级放大模块7之后；

一四级放大模块9，其位于全反射镜1的同轴光路上，位于三级放大模块8之后。

其中所述一、二、三、四级放大模块6、7、8、9均用于激光放大，所述一、二、三、四级放大模块6、7、8、9采用的激光晶体为圆棒状结构或柱状结构。

其中所述全固态准连续激光器激光脉冲宽度为1ns500ns。

请参阅图1所示，图1为本发明专利提供的单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器的示意图，该全固态准连续激光器包括光学同轴的全反射镜1、第一声光Q开关2、激光振荡模块3、第二声光Q开关4、部分透过镜5和一、二、三、四级放大模块6、7、8、9，其中全反射镜1与部分透过镜5构成激光振荡腔，激光振荡模块3位于该激光振荡腔内；一、二、三、四级放大模块6、7、8、9依次位于激光振荡腔之外进行激光放大；第一声光Q开关2和第二声光Q开关4位于激光振荡腔内、且以正交的方式分别位于激光振荡模块3左右两侧。

请参阅图1所示，在激光振荡腔左端是一个对输出激光高反的全反射镜1，并且在激光振荡腔内只有一个激光振荡模块3，但并不限于只有一个，但最多不超过两个。激光振荡腔内激光振荡模块3到全反射镜1和部分透过镜5的距离可以相同，也可以不同，为了保证总体上的简单和稳定，本实施例中激光振荡腔的两臂长相同。然后，在激光振荡腔内激光振荡模块3的左右两侧正交放入第一声光Q开关2和第二声光Q开关4，第一声光Q开关2和第二声光Q开关4应尽量靠近激光振荡模块3放置。然后，在激光输出的方向上依次放置一、二、三、四级放大模块6、7、8、9。所有激光模块的规格可以相同，也可以不同，为了保证总体上的简单和稳定，本实施例中激光振荡模块3和一、二、三、四级放大模块6、7、8、9规格相同。具体放置一、二、三、四级放大模块6、7、8、9的时候，应保证相邻两个激光模块连线的中点刚好处于激光束腰位置。

再参阅图1所示，该激光器包括全反射镜1、第一声光Q开关2、激光振荡模块3、第二声光Q开关4、部分透过镜5和一、二、三、四级放大模块6、7、8、9。其中，激光振荡模块3和一、二、三、四级放大模块6、7、8、9均为最高平均输出功率300W、LD侧泵结构的激光模块，采用掺杂浓度为0.6％的Nd：YAG激光晶体为工作物质，晶体尺寸为Φ4mm×120mm，LD输出的泵浦波长为808nm，激光振荡腔输出的种子光源波长为1064nm。全反射镜1是一个对808nm激光高透、对1064nm激光高反的平面镜，部分透过镜5是一个对808nm激光高透、对1064nm激光的透过率T=30％的平面镜。第一声光Q开关2和第二声光Q开关4工作波长1064nm、衍射效率≥70％、工作频率40MHz±0.1MHz。

首先测试五个激光模块，选出一个在额定工作电流下，输出功率较高的激光模块作为激光振荡模块3，振荡腔的长度(即全反射镜1与部分透过镜5之间的距离)可以选取不同的数值，一般来说在合理范围内，腔长越长，光束质量越好。经过综合考虑，本实施例中全反射镜1和部分透过镜5与激光振荡模块3的激光晶体左右端面的距离均为100mm，既保证了较好的光束质量，又避免了由于腔长过长而引起的振荡腔径向和切向稳区重合范围过小的问题。调节两个腔镜(即全反射镜1和部分透过镜5)，使振荡腔输出功率最高。然后在尽量靠近激光振荡模块3的位置，以正交的方式放入第一声光Q开关2和第二声光Q开关4，并且均设定为关断状态，调整第一声光Q开关2和第二声光Q开关4的角度，确保当激光振荡模块3的驱动电流增加到额定电流时，振荡腔仍然没有激光输出。此时，可以将第一声光Q开关2和第二声光Q开关4调整为打开状态，并设定工作频率为20kHz。

然后，加入一级放大模块6。一般来说，振荡腔输出激光的束腰位置应该在部分透过镜5处，因而应使一级放大模块6的激光晶体的左端面与部分透过镜5间距100mm。但是由于热致双折射效应等影响，实际的束腰位置通常小于理论值。因此需要先利用光斑测试仪或刀口法等手段测试、计算出振荡腔输出激光的束腰位置。本实施例中计算得出的振荡级激光束腰位置为距激光振荡模块3晶体右端面90mm处，因此一级放大模块6的左端面应距离激光振荡模块3右端面180mm。具体操作方法是将激光振荡模块3的驱动电流加到刚过阈值的状态，将一级放大模块6放入光路中，使用激光探片作为检测手段，确保振荡腔输出的激光通过一级放大模块6的激光晶体的中心。需要注意的是，如果一级放大模块6放得过远，则照射到一级放大模块6晶体左端面的激光光斑直径可能会大于晶体直径，导致激光模块被烧坏；反之，如果放得太近，则可能导致两个结果：1)入射光斑过小、功率密度过高导致晶体端面损伤，2)提取效率低下、整体功率偏低。

使用同样的方法依次放入二、三、四级放大模块7、8、9。经测算，本实施例中一级放大模块6与二级放大模块7的间距为160mm，二级放大模块7与三级放大模块8的间距为95mm，三级放大模块8与四级放大模块9的间距为80mm。

本实施例中激光振荡腔输出的准连续激光种子源最高平均功率为282W，经四级放大后最高平均功率可达1023W、光束质量参数积BPP=13.0mm·mrad、重复频率20kHz、脉冲宽度82ns。

以上所述的具体实施例，对本发明专利的目的、技术方案和有益效果进行了进一步说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明专利的具体实施例而已，并不用于限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器，包括：

一全反射镜；

一第一声光Q开关，其位于全反射镜的同轴光路上；

一激光振荡模块，其位于全反射镜的同轴光路上，位于第一声光Q开关之后；

一第二声光Q开关，其位于全反射镜的同轴光路上，位于激光振荡模块之后；

一部分透过镜，其位于全反射镜的同轴光路上，位于第二声光Q开关之后；

一一级放大模块，其位于全反射镜的同轴光路上，位于部分透过镜之后；

一二级放大模块，其位于全反射镜的同轴光路上，位于一级放大模块之后；

一三级放大模块，其位于全反射镜的同轴光路上，位于二级放大模块之后；

一四级放大模块，其位于全反射镜的同轴光路上，位于三级放大模块之后。

2.根据权利要求1所述的单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器，其中所述第一声光Q开关和第二声光Q开关相互正交放置。

3.根据权利要求1所述的单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器，其中所述全反射镜和部分透过镜是平面镜、平凹镜或平凸镜。

4.根据权利要求3所述的单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器，其中所述全反射镜和部分透过镜是K9材料，或是熔石英材料。

5.根据权利要求1所述的单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器，其中所述一、二、三、四级放大模块均用于激光放大。

6.根据权利要求1所述的单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器，其中所述激光振荡模块和一、二、三、四级放大模块采用的激光晶体为圆棒状结构或柱状结构。

7.根据权利要求1所述的单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器，其中所述激光振荡模块的数量为1-2个。

8.根据权利要求1所述的单级振荡加多级放大的全固态准连续激光器，其中所述全固态准连续激光器激光脉冲宽度为1ns-500ns。

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