CN110265862A - 一种高光束质量的激光器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光技术领域，提供了一种高光束质量的激光器，激光器包括：侧面激光泵浦源，侧面激光泵浦源中设置有激光增益介质；第一全反镜，第一全反镜沿光路设置于侧面激光泵浦源的一侧；声光调Q开关，声光调Q开关沿光路设置于侧面激光泵浦源和第一全反镜之间；谐波输出镜，谐波输出镜沿光路倾斜45度设置于侧面激光泵浦源的另一侧；第一倍频晶体，设置于经所述谐波输出镜反射后的光路上；第二全反镜，设置在通过第一倍频晶体的光路上。本发明通过设置声光调Q开关将连续基频光调制成脉冲基频光，提高基频光的峰值功率从而提高基频光向倍频光的转换效率，且通过设置第二全反镜可使光束两次通过倍频晶体以提高光功率，有效提高光束质量。

Description

一种高光束质量的激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种高光束质量的激光器。

背景技术

随着激光技术的高速发展，高光束质量激光器在高密度光学数据存储、彩色显示、水下通信、拉曼光谱、医学诊断、激光清洗、激光刻划、激光切割、激光照明等领域有非常广泛的应用，各领域对于高光束质量的激光器的需求也愈发增加。

目前已有实现激光器的高光束质量的方法有高斯镜输出、长谐振腔、环形腔选模等，较为常见的是利用端泵的长谐振腔选模法来提高激光光束质量或利用高斯镜来提高激光光束质量。

但是使用上述方法的激光器输出的激光的光束质量仍不理想。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种高光束质量的激光器，旨在解决利用端泵的长谐振腔选模法来提高激光光束质量或利用高斯镜来提高激光光束质量的方法的激光器输出的激光的光束质量仍不理想的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种高光束质量的激光器，激光器包括：

侧面激光泵浦源，侧面激光泵浦源中设置有激光增益介质，侧面激光泵浦源用于激励激光增益介质，以产生基频光；

第一全反镜，第一全反镜沿光路设置于侧面激光泵浦源的一侧，用于反射基频光和/或倍频光；

声光调Q开关，声光调Q开关沿光路设置于侧面激光泵浦源和第一全反镜之间，用于将连续基频光调制成脉冲基频光；

谐波输出镜，谐波输出镜沿光路倾斜45度设置于侧面激光泵浦源的另一侧，用于输出倍频光以及反射基频光；

第一倍频晶体，设置于经谐波输出镜反射后的光路上，用于使基频光生成倍频光；

第二全反镜，设置在通过第一倍频晶体的光路上，用于反射基频光和/或倍频光。

本发明实施例提供的一种高光束质量的激光器，通设置声光调Q开关可以将连续基频光调制成脉冲基频光，提高基频光的峰值功率从而提高基频光向倍频光的转换效率，同时通过设置第二全反镜可以使光束两次通过倍频晶体进一步提高光功率，以提高光束质量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种高光束质量的激光器的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的一种高光束质量的激光器的结构示意图；

图3为本发明另一实施例提供的一种设置有第三全反镜的高光束质量的激光器的结构示意图；

图4为本发明另一实施例提供的一种设置有第二倍频晶体和滤波片的高光束质量的激光器的结构示意图；

图5为本发明另一实施例提供的一种同时设置第三全反镜以及第二倍频晶体和滤波片的高光束质量的激光器的结构示意图；

图6为本发明实施例中激光X方向光斑能量分布曲线；

图7为本发明实施例中激光Y方向光斑能量分布曲线。

附图中：1、侧面激光泵浦源；2、激光增益介质；31、第一全反镜；32、第二全反镜；33、第三全反镜；4、声光调Q开关；5、谐波输出镜；6、第一倍频晶体；71、第一光阑；72、第二光阑；81、第一偏振片；82、第二偏振片；9、第二倍频晶体；10、滤波片。

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以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种高光束质量的激光器的结构示意图，包括：

侧面激光泵浦源1，1侧面激光泵浦源1中设置有激光增益介质2，侧面激光泵浦源1用于激励激光增益介质2，以产生基频光；

第一全反镜31，第一全反镜31沿光路设置于侧面激光泵浦源1的一侧，用于反射基频光和/或倍频光；

声光调Q开关4，声光调Q开关4沿光路设置于侧面激光泵浦源1和第一全反镜31之间，用于将连续基频光调制成脉冲基频光；

谐波输出镜5，谐波输出镜5沿光路倾斜45度设置于侧面激光泵浦源1的另一侧，用于输出倍频光以及反射基频光；

第一倍频晶体6，设置于经谐波输出镜5反射后的光路上，用于使基频光生成倍频光；

第二全反镜32，设置在通过第一倍频晶体6的光路上，用于反射基频光和/或倍频光。

在本发明实施例中，泵浦源的作用是对激光工作物质进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转。而侧面激光泵浦源1能提供一条较长的吸收路径进而可以降低激光增益介质2的掺杂浓度,因而不需要很高的泵浦功率密度，例如侧面泵浦二极管阵列的激光二极管泵浦源。激光增益介质2也叫激光工作物质，是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，它们可以是固体(晶体、玻璃)、气体(原子气体、离子气体、分子气体)、半导体和液体等媒质，例如Nd.YAG晶体(钇铝石榴石晶体)、Yb:YAG晶体(掺镱钇铝石榴石晶体)，所述激光增益介质2两端镀对该激光谐振腔内的基频光的抗反膜。

在本发明实施例中，第一全反镜31和第二全反镜32均用于反射基频光和/或倍频光，第一全反镜31和第二全反镜32上镀有对基频光和倍频光的高反射膜，反射率大于99％。谐波输出镜5用于输出倍频光以及反射基频光，谐波输出镜5上镀有在基频光与倍频光45°入射时，对基频光高反射膜，其反射率大于99％；对倍频光抗反射膜，其透过率大于99％。第一全反镜31和第二全反镜32以及谐波输出镜5构成激光谐振腔，用于使基频光起振。其中谐波输出镜5不要求激光器偏振，仅靠基频光和倍频光波长的差异选通。

在本发明实施例中，声光调Q开关4两侧通光面镀有对基频光抗反射率的膜，声光调Q开关4用于对已起振的连续基频光进行调制，使原连续基频光成为脉冲基频光，从而提高激光器内基频光的峰值功率和单脉冲能量，同时提高由基频光通过倍频晶体向倍频光转换的效率。

在本发明实施例中，第一倍频晶体6是一种非线性晶体，可采用临界相位匹配或非临界相位匹配，例如，LBO(三硼酸锂晶体)、KTP(磷酸钛氧钾晶体)，所述第一倍频晶体6两端镀有对基频光和倍频光的抗反射膜，其透过率大于99％。优选的第一倍频晶体6设置于经谐波输出镜反射后的基频光束腰的位置，可以有效提高倍频效率。

本发明实施例提供的一种高光束质量的激光器，通设置声光调Q开关4可以将连续基频光调制成脉冲基频光，提高激光的输出功率，同时提高由基频光通过第一倍频晶体6向倍频光转换的效率；此外通过设置第二全反镜32可以使光束两次通过第一倍频晶体6进一步提高光功率，从而提高光束质量。且本发明方案采用侧面激光泵浦源1可以提供一条较长的吸收路径进而可以降低对增益介质的掺杂浓度的要求，提高激光器对激光增益介质2的适用范围。

如图2所示，为本发明另一实施例提供的一种高光束质量的激光器的结构图，激光器还包括：

第一光阑71和第二光阑72，以及第一偏振片81和第二偏振片82。第一光阑71设置于侧面激光泵浦源1和所述第一全反镜31之间；第二光阑72设置于侧面激光泵浦源1和第二全反镜32之间；第一光阑71和第二光阑72上设置有通光孔；第一偏振片81和第二偏振片82沿光路设置于侧面激光泵浦源1和谐波输出镜5之间。

在本发明实施例中，光阑是指在光学***中对光束起着限制作用的实体。所述第一光阑71设置于侧面激光泵浦源1与第一全反镜31之间，由于侧面激光泵浦源1和第一全反镜31之间还设置有声光调Q开关4，所以，第一光阑71可以设置在侧面激光泵浦源1和声光调Q开关4之间，或者设置在声光调Q开关4和第一全反镜31之间，优选的，所述第一光阑71设置在声光调Q开关4和第一全反镜31之间。在本发明实施例中所述第一光阑71和所述第二光阑72以采用腔内模式限制器为例说明，但不限于此，腔内模式限制器属于光阑的一种，其与其他一般光阑的不同之处在于其他一般光阑的中心通孔为标准圆或六边形等形状，而模式限制器则更要求腔内的模式匹配，例如，在传播过程中，若光斑X方向发散角大，则在一定位置放置y轴为长轴的椭圆形孔的腔内模式限制器，从而提高基频光的光束质量以及基频光倍频的效率。激光通过两个腔内模式限制器可以保证激光的模式稳定。两个腔内模式限制器的材质可以为石棉、金属或碳酸钙，但不限于此，优选的，腔内模式限制器的材料为碳酸钙，碳酸钙材质有耐高温、低导热、不变形的特征，避免了高温下一般材料与空气反应、发生形变、产生污染性气体挥发等问题。所述两个腔内模式限制器的通光孔的形状一般配合所述腔内模式限制器所在的腔型、腔内基频光的偏振态以及其所在腔内位置等因素来制作，优选为圆形或椭圆形。此外，两个腔内模式限制器的中心需要与光轴重合，且通光孔的大小应满足使激光器基膜(TEM00模式)通过的同时限制其他横模起振。所述第一光阑71和所述第二光阑72可以保证光斑的效果，使输出光斑为圆形光斑，提高光束质量。

在本发明实施例中，偏振片是指对入射光具有遮蔽和透过的功能，可以使纵向光或横向光一种透过，一种遮蔽的光学元件。在本发明实施例中，第一偏振片81和第二偏振片82也可以替换为布儒斯特片，但不限于此，布儒斯特片是利用布儒斯特定律制作的，其材料如K9玻璃等，在以非布儒斯特角放置时，没有起偏的作用，不同的介质有不同的布儒斯特角，是通过介质本身的性质配合摆放的角度产生起偏的效果，此种镜片叫做布儒斯特片。布儒斯特角又称起偏振角(Brewster’s angle)，是自然光经电介质界面反射后，反射光为线偏振光所应满足的条件。布儒斯特片以布儒斯特角设置对谐振腔内的基频光有选偏的作用，在此作用下谐振腔内基频光模式更好，且由于布儒斯特片具有一定的厚度，以布儒斯特角设置时会使谐振腔内的基频光产生位差，两布儒斯特片镜像设置可以使基频光产生的位差相互抵消，不会因第一偏振片81和第二偏振片82的设置而对光路造成影响。激光首先通过两个腔内模式限制器可以保证了激光的模式稳定，再通过两个布儒斯特片能够限制谐振腔内激光的偏振态来提高激光器倍频和输出效率，进一步提高光束质量。

实际组装中应以镜像的布儒斯特角***两布儒斯特片，微调两片布儒斯特片的距离可以减少两布儒斯特片的***损耗，之后***第一光阑71，微调第一光阑71位置使基频光在原有情况下较高功率的运转，保证第一光阑71的中心与主光轴重合，此时再***第二光阑72，通过调整第二光阑72的位置，进一步提高光束质量及减小对基模损耗，使激光器能在高光束质量的状态下高功率运转，此时获得高功率高光束质量的激光输出。

在本发明实施例中，以具体参数举例说明，侧面激光泵浦源为中心波长为808nm±1nm的侧面激光泵浦源；激光增益介质7为Nd:YAG，其规格为φ4*67mm，掺杂浓度为0.1at％，两侧镀1319nm抗反射膜；第一全反镜31和第二全反镜32两侧均镀1319nm/660nm高反膜；第一倍频晶体6为一片3*3*7mm的LBO，两侧镀有1319nm/660nm抗反膜；声光调Q开关4两侧通光面镀1319nm抗反膜；谐波输出镜5两侧镀有对45°入射光的1319nm高反膜/660nm抗反膜；第一偏振片81和第二偏振片82两侧镀1319nm/660nm抗反膜，第一光阑71和第二光阑72中心通光孔直径为φ＝2mm。侧面激光泵浦源1将808nm泵浦光发出并聚焦在激光增益介质Nd:YAG上，激光增益介质2受激辐射，利用第一全反镜31和第二全反镜32以及谐波输出镜5形成的谐振腔，输出1319nm的基频光，第一偏振片81和第二偏振片82以及第一光阑71和第二光阑72的作用下使谐振腔内的1319nm基频光仅有TEM00模式(基模)能够振荡，此基模1319nm基频光通过声光调Q装置5调制生成脉冲1319nm基频光1319nm基频光在倍频晶体10上进行倍频，生成660nm倍频光，经谐波输出镜输出。如图6-7所示为激光X方向光斑能量分布曲线以及激光Y方向激光光斑能量分布曲线，可以看出本实施例提供的激光器的输出光斑的能量分布在X方向和Y方向均属于特征明显的高斯分布。由于光是一种电磁波，在激光器的光学谐振腔内电场与磁场的振动方向互相垂直，并且与光的传播方向也垂直，所以，考察与激光器的光学谐振腔垂直的平面即是电场与磁场的振动平面，在此平面内，激光器的光学谐振腔截面内，假如光的电场振动只有一个来回，而同样在此平面内，光的磁场振动(方向与电场振动方向垂直)也只有一个来回，那么，这种光是基模，即TEM00模。

本发明实施例提供的一种高光束质量的激光器，通过设置第一光阑71和第二光阑72以及第一偏振片81和第二偏振片82，可以使激光首先通过光阑保证了激光的模式稳定，再通过偏振片能够限制谐振腔内激光的偏振态来提高激光器的倍频和输出效率，提高光束质量，此外可以使输出激光光斑的形状为圆形，并保证光斑能量接近高斯分布，进一步提高光束质量。在激光器的切割应用中，光斑的形状以及光斑的能量分布会影响产品的切割效果，形状规则的圆形光斑可以提高产品切割的精度。谐振腔内倍频过程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660nm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。

如图3所示，为本发明另一实施例提供的一种设置有第三全反镜的高光束质量的激光器结构示意图，在本发明实施例中，激光器还包括：

第三全反镜33，第三全反镜33沿光路倾斜45度设置于第一倍频晶体6和第二全反镜32之间。

在本发明实施例中，第三全反镜33设置的倾斜方向与谐波输出镜5的倾斜方向相反。第三全反镜33上也镀有对基频光和倍频光的高反射膜，反射率大于99％。如图3所示，经第三全反镜33反射后的光路沿水平方向，此时第二全反镜32设置于经第三全反镜33反射后的光路上。优选的，第二光阑72设置于第三全反镜33和第二全反镜32之间。

本发明实施例提供的一种高光束质量的激光器，通过在经过谐波输出镜5反射后的光路中倾斜45度设置第三全反镜33，并使第三全反镜33的倾斜方向与谐波输出镜5的倾斜方向相反，可以避免由于光束经过45度设置的反射镜反射后会容易产生慧差造成的光斑变形，提高光束质量，保证输出光斑的效果，进一步提高激光切割的精度。

如图4-5所示，为本发明另一实施例提供的一种设置有第二倍频晶体和滤波片的高光束质量的激光器结构示意图和一种同时设置第三全反镜以及第二倍频晶体和滤波片的高光束质量的激光器的结构示意图，在本发明实施例中，激光器还包括：

第二倍频晶体9和滤波片10，第二倍频晶体9和滤波片10沿通过谐波输出镜5输出的倍频光的光路依次设置。

在本发明实施例中，侧面激光泵浦源1为中心波长为808nm±1nm的侧面激光泵浦源1，激光增益介质2为Nd:YAG，其规格为φ4*76mm，掺杂浓度为0.3at％，两侧镀1064nm抗反射膜；第一全反镜31、第二全反镜32以及第三全反镜33两侧均镀1064nm/532nm高反膜，其中第三全反镜33镀45°1064nm/532nm高反膜；第一倍频晶体6为一片6*6*6mm的LBO,两侧镀有1064nm/532nm抗反膜；第二倍频晶体9为一块BBO，两侧镀532nm/266nm抗反膜；滤波片两侧镀有266nm±10nm的窄带抗反膜。声光调Q开关4两侧通光面镀1064nm抗反膜；谐波输出镜5两侧镀有对45°入射光的1064nm高反膜/532nm抗反膜；第一偏振片81和第二偏振片82两侧镀1064nm/532nm抗反膜，第一光阑71和第二光阑72的中心通光孔为长轴2.3mm短轴1.7mm的椭圆形，且长轴与激光器偏振方向相同摆放。侧面激光泵浦源1将808nm泵浦光发出并聚焦在激光增益介质2Nd:YAG上，激光增益介质2受激辐射，利用第一全反镜31、第二全反镜32、第三全反镜33和谐波输出镜5形成谐振腔，输出1064nm的基频光，在第一偏振片81和第二偏振片82以及第一光阑71和第二光阑72的作用下使谐振腔内的1064nm基频光仅有TEM00模式能够振荡，此基模1064nm基频光通过声光调Q开关4调制生成脉冲1064nm基频光，1064nm基频光在第一倍频晶体6上进行倍频，生成532nm倍频光，经谐波输出镜5输出后射入第二倍频晶体9，通过谐振腔外倍频生成266nm激光，532nm激光和266nm激光在滤光片作用下分离，得到266nm单一波长输出。

本发明实施例提供的一种高光束质量的激光器，通过设置第二倍频晶体9和滤波片10，可以对经谐波输出镜5输出的倍频光再次进行倍频，并通过滤波片10对经过第二倍频晶体9的倍频光进行滤波，得到波长更短的单一波长激光。通过谐波输出镜5输出的激光光束质量高，能量密度高，所以在倍频过程中，光-光转化效率提高，损耗少，最终得到的波长更短激光，其脉宽窄，峰值功率高，光束质量好，有利于工业加工应用，提高工业加工效果。

本发明的一种高光束质量的激光器，技术方案是这样实现的，激光器以侧面激光泵浦源1为中心组建，由侧面激光泵浦源1及其中的激光增益介质2，在第一全反镜31、第二全反镜32、第三全反镜33和谐波输出镜5组成的激光谐振腔中使基频光起振，通过声光调Q开关4，对已起振的连续基频光进行调制，使原连续基频光成为脉冲基频光，在激光谐振腔内***第一光阑71和第二光阑72以及第一偏振片81和第二偏振片82，此脉冲基频光受到第一光阑71和第二光阑72以及第一偏振片81和第二偏振片82的限制后，激光谐振腔内非TEM00模式振荡的基频光转换为TEM00模，此基频光在通过第一倍频晶体6，在第一倍频晶体6的二次谐波作用下，产生此基频光的倍频光，然后通过谐波输5出镜输出。

本发明方案通过本发明方案通设置声光调Q开关4可以将连续基频光调制成脉冲基频光，提高激光的输出功率，同时通过设置第二全反镜32可以使光束两次通过第一倍频晶体6进一步提高光功率；本发明通过第一光阑71和第二光阑72以及第一偏振片81和第二偏振片82共同作用选模的方法，来实现高光束质量激光的输出，可以满足所有倍频波长的高光束质量运转，扩大高光束质量激光器的种类，增加了高光束激光器的应用场合，满足不同用户的需求；本发明通过设置第三全反镜33，并使第三全反镜33的倾斜方向与谐波输出镜5的倾斜方向相反，可以抵消光束通过单个45度设置的全反镜产生的慧差，避免输出光斑发生变形，提高输出光斑的质量；本发明通过设置第二倍频晶体9和滤波片10可以得到波长更短的激光，提高激光的功率，进一步提高光束质量；此外，利用本发明激光器通过配合不同的激光增益介质和倍频晶体，可以得到不同波长的激光，以满足不同用户的需求，应用范围广。

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 (9)

1.一种高光束质量的激光器，其特征在于，所述激光器包括：

侧面激光泵浦源，所述侧面激光泵浦源中设置有激光增益介质，所述侧面激光泵浦源用于激励所述激光增益介质，以产生基频光；

第一全反镜，所述第一全反镜沿光路设置于所述侧面激光泵浦源的一侧，用于反射基频光和/或倍频光；

声光调Q开关，所述声光调Q开关沿光路设置于所述侧面激光泵浦源和所述第一全反镜之间，用于将连续基频光调制成脉冲基频光；

谐波输出镜，所述谐波输出镜沿光路倾斜45度设置于所述侧面激光泵浦源的另一侧，用于输出倍频光以及反射基频光；

第一倍频晶体，设置于经所述谐波输出镜反射后的光路上，用于使基频光生成倍频光；

第二全反镜，设置于通过第一倍频晶体的光路上，用于反射基频光和/或倍频光。

2.根据权利要求1所述的一种高光束质量的激光器，其特征在于，所述激光器还包括：

第一光阑和第二光阑，所述第一光阑设置于所述侧面激光泵浦源和所述第一全反镜之间；所述第二光阑设置于所述侧面激光泵浦源和所述第二全反镜之间；所述第一光阑和第二光阑上设置有通光孔。

3.根据权利要求2所述的一种高光束质量的激光器，其特征在于，所述第一光阑设置于所述声光调Q开关与所述第一全反镜之间。

4.根据权利要求2所述的一种高光束质量的激光器，其特征在于，所述通光孔为椭圆形或圆形。

5.根据权利要求2所述的一种高光束质量的激光器，其特征在于，所述第一光阑和第二光阑的材料为碳酸钙。

6.根据权利要求2所述的一种高光束质量的激光器，其特征在于，所述激光器还包括第一偏振片和第二偏振片，所述第一偏振片和所述第二偏振片沿光路设置于所述侧面激光泵浦源和所述谐波输出镜之间。

7.根据权利要求6所述的一种高光束质量的激光器，其特征在于，所述第一偏振片和所述第二偏振片镜像且以布儒斯特角设置。

8.根据权利要求1所述的一种高光束质量的激光器，其特征在于，所述激光器还包括第三全反镜，所述第三全反镜沿光路倾斜45度设置于第一倍频晶体和所述第二全反镜之间。

9.根据权利要求1～8任意一项所述的一种高光束质量的激光器，其特征在于，所述激光器还包括第二倍频晶体和滤波片，所述第二倍频晶体和所述滤波片沿通过所述谐波输出镜输出的倍频光的光路依次设置。