CN219677765U - 一种三倍频谐振腔及腔内合束激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光器技术领域，公开一种三倍频谐振腔及腔内合束激光器。其中谐振腔初始腔和至少一个合束腔，多个合束腔沿光路逐个连接。初始腔的输出光路与最前端合束腔的输入光路通过整形镜组连通。初始腔产生并输出初级三倍频激光，初级三倍频激光通过整形镜组后产生偏移或光斑放大，随后再与合束腔产生的次级三倍频激光合束并输出合束三倍频激光。合束三倍频激光可以保持高功率的同时，提升紫外激光光斑尺寸，降低激光功率密度，有效的提升紫外激光器寿命。

Description

一种三倍频谐振腔及腔内合束激光器

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，尤其涉及一种三倍频谐振腔及腔内合束激光器。

背景技术

激光器被誉为20世纪最伟大的发明之一，发展至今已形成一个巨大的产业，影响着国民经济的各个领域。全固态激光器是指半导体激光泵浦的固体激光器，具有效率高、寿命长、 光束质量好、结构紧凑等优点，紫外调Q全固态激光器由于其出色的性能应用于汽车、铁 路、船舶、冶金、石化、国防以及航空航天等领域。

行业发展要求激光功率不断提升，但随着激光功率的提升，激光功率密度也不断升高。但是，由紫外激光诱导沉积导致的紫外晶体界面疲劳性损伤是限制紫外激光器寿命的主要因素。紫外晶体截面疲劳性损伤的强度与激光功率密度成正比，过高的激光功率密度会导致紫外激光器寿命的显著下降。

实用新型内容

基于以上所述，本实用新型的目的在于提供一种三倍频谐振腔及腔内合束激光器，在同等紫外激光功率等级下，降低紫外激光功率密度，从而有效的提升紫外激光器的寿命。

为达上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种三倍频谐振腔，包括：初始腔和至少一个合束腔，多个所述合束腔沿光路逐个连接，前一个所述合束腔的输出光路与后一个所述合束腔的输入光路通过整形镜组连通，且多个合束腔形成的光路不闭合；所述初始腔的输出光路与最前端所述合束腔的输入光路通过整形镜组连通；

所述整形镜组包括整形透镜和/或反射镜组；

所述初始腔被配置为能够产生并输出初级三倍频激光；

所述合束腔包括合束腔和频非线性晶体，所述合束腔和频非线性晶体被配置为能够将两束或多束三倍频激光合束，形成合束三倍频激光;所述合束腔被配置为能够产生次级三倍频激光，且能够形成并输出所述合束三倍频激光。

作为一种三倍频谐振腔的可选方案，所述初始腔包括初始腔光源组件、初始腔倍频非线性晶体以及初始腔和频非线性晶体，所述初始腔光源组件被配置为能够产生初级基频激光，所述初级基频激光经过所述初始腔倍频非线性晶体变为初级二倍频激光，所述初级基频激光和所述初级二倍频激光经过所述初始腔和频非线性晶体后变为所述初级三倍频激光。

作为一种三倍频谐振腔的可选方案，所述初始腔还包括初始腔第一分光镜和初始腔第二分光镜，所述初始腔第一分光镜反射所述初级基频激光，透射所述初级二倍频激光和所述初级三倍频激光；所述初始腔第二分光镜反射所述初级二倍频激光，透射所述初级三倍频激光。

作为一种三倍频谐振腔的可选方案，所述光源组件包括初始腔激光晶体、初始腔泵浦源和初始腔调Q模块，所述初始腔激光晶体被配置为能够受到所述初始腔泵浦源的泵浦而产生所述初级基频激光，所述初级基频激光经过所述初始腔调Q模块作用后变为初级脉冲基频激光。

作为一种三倍频谐振腔的可选方案，所述初始腔激光晶体和所述初始腔泵浦源均为两个，且两个所述初始腔激光晶体同轴设置，两个所述初始腔泵浦源分别绕一个所述初始腔激光晶体周向排列。

作为一种三倍频谐振腔的可选方案，两个所述初始腔激光晶体之间设有石英旋光片。

作为一种三倍频谐振腔的可选方案，所述合束腔还包括合束腔光源组件和合束腔倍频非线性晶体，所述合束腔光源组件被配置为能够产生次级基频激光，所述次级基频激光经过所述合束腔倍频非线性晶体变为次级二倍频激光，所述次级基频激光和所述次级二倍频激光经过所述合束腔和频非线性晶体后变为所述次级三倍频激光；所述初级三倍频激光和所述次级三倍频激光合束形成所述合束三倍频激光。

作为一种三倍频谐振腔的可选方案，所述合束腔还包括合束腔第一分光镜、合束腔第二分光镜和合束腔第三分光镜，所述合束腔第一分光镜反射所述次级基频激光和所述次级二倍频激光，透射所述初级三倍频激光；所述合束腔第二分光镜反射所述次级基频激光，透射所述次级二倍频激光、所述次级三倍频激光和/或所述合束三倍频激光；所述合束腔第三分光镜反射所述次级二倍频激光，透射所述次级三倍频激光和/或所述合束三倍频激光。

作为一种三倍频谐振腔的可选方案，所述合束腔光源组件包括合束腔激光晶体、合束腔泵浦源和合束腔调Q模块，所述合束腔激光晶体被配置为能够受到所述合束腔泵浦源的泵浦而产生所述次级基频激光，所述次级基频激光经过所述合束腔调Q模块作用后变为次级脉冲基频激光。

一种腔内合束激光器，包括以上任一方案所述的三倍频谐振腔。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供一种三倍频谐振腔，包括初始腔和至少一个合束腔，多个合束腔沿光路逐个连接。初始腔的输出光路与最前端合束腔的输入光路通过整形镜组连通。初始腔产生并输出初级三倍频激光，初级三倍频激光通过整形镜组后产生偏移或光斑放大，随后再与合束腔产生的次级三倍频激光合束并输出合束三倍频激光。合束三倍频激光可以保持高功率的同时，提升紫外激光光斑尺寸，降低激光功率密度，有效的提升紫外激光器寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对本实用新型实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本实用新型实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型具体实施方式提供的三倍频谐振腔的原理图；

图2是本实用新型具体实施方式提供的一种合束光斑图；

图3是本实用新型具体实施方式提供的另一种合束光斑图。

图中：

1-初始腔；11-初始腔光源组件；111-初始腔激光晶体；112-初始腔泵浦源；113-初始腔调Q模块；12-初始腔倍频非线性晶体；13-初始腔和频非线性晶体；14-初始腔第一分光镜；15-初始腔第二分光镜；16-石英旋光片；

2-合束腔；21-合束腔和频非线性晶体；22-合束腔光源组件；221合束腔激光晶体；222-合束腔泵浦源；223-合束腔调Q模块；23-合束腔倍频非线性晶体；24-合束腔第一分光镜；25-合束腔第二分光镜；26-合束腔第三分光镜；

3-整形镜组；31-整形透镜；32-反射镜组；

100-初级三倍频激光；200-次级三倍频激光；300-合束三倍频激光。

实施方式

为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实施方式提供一种三倍频谐振腔，该谐振腔包括初始腔1和至少一个合束腔2，多个合束腔2沿光路逐个连接，前一个合束腔2的输出光路与后一个合束腔2的输入光路通过整形镜组3连通，且多个合束腔2形成的光路不闭合。初始腔1的输出光路与最前端合束腔2的输入光路通过整形镜组3连通，整形镜组3包括整形透镜31和/或反射镜组32。

初始腔1能够产生并输出初级三倍频激光100，合束腔2包括合束腔和频非线性晶体21，合束腔和频非线性晶体21能够将两束或多束三倍频激光合束，形成合束三倍频激光300。合束腔2能够产生次级三倍频激光200，且能够形成并输出合束三倍频激光300。

初始腔1产生并输出初级三倍频激光100，初级三倍频激光100通过整形镜组3后产生偏移或光斑放大，随后再与合束腔2产生的次级三倍频激光200合束并输出合束三倍频激光300。合束三倍频激光300可以保持高功率的同时，提升紫外激光光斑尺寸，降低激光功率密度，有效的提升紫外激光器寿命。

如图1所示，初始腔1包括初始腔光源组件11、初始腔倍频非线性晶体12以及初始腔和频非线性晶体13。具体地，初始腔光源组件11包括初始腔激光晶体111、初始腔泵浦源112和初始腔调Q模块113，初始腔激光晶体111能够受到初始腔泵浦源112的泵浦而产生初级基频激光，初级基频激光经过初始腔调Q模块113作用后变为初级脉冲基频激光。

初始腔1的两端分别设有第一全反镜和第二全反镜，初级基频激光或初级脉冲基频激光在第一全反镜和第二全反镜之间振荡。初始腔1还包括初始腔第一分光镜14，初始腔第一分光镜14反射初级基频激光，透射初级二倍频激光和初级三倍频激光100。

在本实施例中，第一分光镜14位于第一全反镜和第二全反镜之间，且与光路呈45°设置，光源组件11产生的初级基频激光经过第一分光镜14反射后，经过初始腔倍频非线性晶体12后变为初级二倍频激光，初级基频激光和初级二倍频激光被第二全反镜反射后，再次反向经过初始腔和频非线性晶体13后变为初级三倍频激光100。

因初始腔第一分光镜14透射初级二倍频激光和初级三倍频激光100。所以在初始腔1内还设有初始腔第二分光镜15，用于反射初级二倍频激光，透射初级三倍频激光100。将第二分光镜15设置在第一分光镜14远离初始腔和频非线性晶体13的一端，起到滤除初级二倍频激光的作用，使初始腔1的输出光中只包含初级三倍频激光100。

根据初始腔光源组件11的不同，该谐振腔适用于不同频率光的激光器。例如，当初级基频激光的波长为1064nm时，初级二倍频激光波长对应为532nm，初级三倍频激光100的波长为355nm，即该三倍频谐振腔适用于紫外激光器。

本实施例中，以紫外激光器为例详细说明。具体地，初始腔光源组件11包括初始腔激光晶体111、初始腔泵浦源112和初始腔调Q模块113。初始腔激光晶体111为掺钕激光晶体，例如Nd:YAG、Nd:YVO4或Nd:YLF等，初始腔激光晶体111两端表面均镀有基频激光增透膜，从而提高基频激光的透射率，提高光功率。初始腔泵浦源112采用LD侧面泵浦阵列，波长可选为808nm或806nm等。初始腔泵浦源112绕初始腔激光晶体111周向排列，一般可3向、5向或7向设置。初始腔激光晶体111受到初始腔泵浦源112的泵浦而产生初级基频激光，初级基频激光为连续激光。当初级基频激光经过初始腔调Q模块113作用后变为脉冲基频激光。常见的初始腔调Q模块113包括声光调Q模块和电光调Q模块。声光调Q模块可由声光调制器和偏振片组成，在激光重频较低的情况下声光调Q模块也可由电光调Q模块代替。

优选地，在其他实施例中，初始腔激光晶体111和初始腔泵浦源112均为两个，且两个初始腔激光晶体111同轴设置，两个初始腔泵浦源112分别绕一个初始腔激光晶体111周向排列，以增大初级基频激光的光功率。

进一步优选地，两个初始腔激光晶体111之间设有90°石英旋光片16，90°石英旋光片16的两个表面均镀有初级基频激光增透膜，以使在初始腔1内振荡的初级基频激光在两个初始腔激光晶体111内为正交偏振态，从而补偿在强泵浦高功率激光状态下的热退偏效应。再进一步优选地，90°石英旋光片16还可以由两片45°石英旋光片代替。

在本实施例中，初始腔倍频非线性晶体12选用LBO晶体，初始腔倍频非线性晶体12可实现初级基频激光产生初级二倍频激光的非线性频率变换过程。即将穿过初始腔倍频非线性晶体12的初级基频激光变为初级二倍频激光。优选地，初始腔倍频非线性晶体12的两端表面均镀有初级基频激光和初级二倍频激光的增透膜。

初始腔合频非线性晶体13可实现将1064nm的基频光子和532nm的二倍频光子转化为355nm的三倍频光子的过程，即将穿过初始腔合频非线性晶体13的初级基频激光和初级二倍频激光变为初级三倍频激光100。

整形镜组3包括整形透镜31和/或反射镜组32，其中整形透镜31用于放大或缩小光斑，反射镜组32用于调整光路偏移。

继续参照图1，初级三倍频激光100经过整形镜组3整形后，透射通过合束腔第一分光镜24进入合束腔2。合束腔2包括合束腔光源组件22和合束腔倍频非线性晶体23。其中，合束腔光源组件22包括合束腔激光晶体221、合束腔泵浦源222和合束腔调Q模块223，合束腔激光晶体221受到合束腔泵浦源222的泵浦而产生次级基频激光，次级基频激光经过合束腔调Q模块223作用后变为次级脉冲基频激光。

与初始腔1类似，合束腔2的两端设有全反镜组，次级基频激光或次级脉冲基频激光在全反镜之间振荡。次级基频激光经过合束腔倍频非线性晶体23变为次级二倍频激光，次级基频激光和次级二倍频激光经过合束腔和频非线性晶体21后变为次级三倍频激光200。初级三倍频激光100和次级三倍频激光200合束形成合束三倍频激光300。

当整形镜组3内仅包括整形透镜31时，则合束光斑为同心圆结构，如图2所示。当整形镜组3内仅包括反射镜组32时，则合束光斑未相交圆结构，如图3所示。当整形镜组3内包括整形透镜31和反射镜组32时，则合束光斑会同时具备同心圆和相交圆两种特征。

需要额外说明的是，上例中仅包括一个合束腔2，若一个谐振腔内包括多个合束腔2，则在后级的合束腔2的合束腔倍频非线性晶体23内也会产生合束三倍频激光300与次级三倍频激光200的合束。

除上述结构外，合束腔2还包括合束腔第一分光镜24、合束腔第二分光镜25和合束腔第三分光镜26。

合束腔第一分光镜24反射次级基频激光和次级二倍频激光，透射初级三倍频激光100。合束腔第二分光镜25反射次级基频激光，透射次级二倍频激光和合束三倍频激光300。合束腔第三分光镜26反射次级二倍频激光，透射次级三倍频激光200和/或合束三倍频激光300。

进一步具体地，在一些特殊的实施例中，可跳过初始腔1的输出，直接由合束腔2产生次级三倍频激光200，并向后级输出。下一个合束腔2内完成两束次级三倍频激光200的合束，形成合束三倍频激光300。

本实用新型还提供一种腔内合束激光器，该腔内合束激光器包括上述三倍频谐振腔，保持高功率的同时，提升紫外激光光斑尺寸，降低激光功率密度，有效的提升紫外激光器寿命。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

Claims (10)

1.一种三倍频谐振腔，其特征在于，包括：初始腔（1）和至少一个合束腔（2），多个所述合束腔（2）沿光路逐个连接，前一个所述合束腔（2）的输出光路与后一个所述合束腔（2）的输入光路通过整形镜组（3）连通，且多个合束腔（2）形成的光路不闭合；所述初始腔（1）的输出光路与最前端所述合束腔（2）的输入光路通过整形镜组（3）连通；

所述整形镜组（3）包括整形透镜（31）和/或反射镜组（32）；

所述初始腔（1）被配置为能够产生并输出初级三倍频激光（100）；

所述合束腔（2）包括合束腔和频非线性晶体（21），所述合束腔和频非线性晶体（21）被配置为能够将两束或多束三倍频激光合束，形成合束三倍频激光（300）;所述合束腔（2）被配置为能够产生次级三倍频激光（200），且能够形成并输出所述合束三倍频激光（300）。

2.根据权利要求1所述的三倍频谐振腔，其特征在于，所述初始腔（1）包括初始腔光源组件（11）、初始腔倍频非线性晶体（12）以及初始腔和频非线性晶体（13），所述初始腔光源组件（11）被配置为能够产生初级基频激光，所述初级基频激光经过所述初始腔倍频非线性晶体（12）变为初级二倍频激光，所述初级基频激光和所述初级二倍频激光经过所述初始腔和频非线性晶体（13）后变为所述初级三倍频激光（100）。

3.根据权利要求2所述的三倍频谐振腔，其特征在于，所述初始腔（1）还包括初始腔第一分光镜（14）和初始腔第二分光镜（15），所述初始腔第一分光镜（14）反射所述初级基频激光，透射所述初级二倍频激光和所述初级三倍频激光（100）；所述初始腔第二分光镜（15）反射所述初级二倍频激光，透射所述初级三倍频激光（100）。

4.根据权利要求2所述的三倍频谐振腔，其特征在于，所述初始腔光源组件（11）包括初始腔激光晶体（111）、初始腔泵浦源（112）和初始腔调Q模块（113），所述初始腔激光晶体（111）被配置为能够受到所述初始腔泵浦源（112）的泵浦而产生所述初级基频激光，所述初级基频激光经过所述初始腔调Q模块（113）作用后变为初级脉冲基频激光。

5.根据权利要求4所述的三倍频谐振腔，其特征在于，所述初始腔激光晶体（111）和所述初始腔泵浦源（112）均为两个，且两个所述初始腔激光晶体（111）同轴设置，两个所述初始腔泵浦源（112）分别绕一个所述激光晶体（111）周向排列。

6.根据权利要求5所述的三倍频谐振腔，其特征在于，两个所述初始腔激光晶体（111）之间设有石英旋光片（16）。

7.根据权利要求1所述的三倍频谐振腔，其特征在于，所述合束腔（2）还包括合束腔光源组件（22）和合束腔倍频非线性晶体（23），所述合束腔光源组件（22）被配置为能够产生次级基频激光，所述次级基频激光经过所述合束腔倍频非线性晶体（23）变为次级二倍频激光，所述次级基频激光和所述次级二倍频激光经过所述合束腔和频非线性晶体（21）后变为所述次级三倍频激光（200）；所述初级三倍频激光（100）和所述次级三倍频激光（200）合束形成所述合束三倍频激光（300）。

8.根据权利要求7所述的三倍频谐振腔，其特征在于，所述合束腔（2）还包括合束腔第一分光镜（24）、合束腔第二分光镜（25）和合束腔第三分光镜（26），所述合束腔第一分光镜（24）反射所述次级基频激光和所述次级二倍频激光，透射所述初级三倍频激光（100）；所述合束腔第二分光镜（25）反射所述次级基频激光，透射所述次级二倍频激光和所述合束三倍频激光（300）；所述合束腔第三分光镜（26）反射所述次级二倍频激光，透射所述次级三倍频激光（200）和/或所述合束三倍频激光（300）。

9.根据权利要求7所述的三倍频谐振腔，其特征在于，所述合束腔光源组件（22）包括合束腔激光晶体（221）、合束腔泵浦源（222）和合束腔调Q模块（223），所述合束腔激光晶体（221）被配置为能够受到所述合束腔泵浦源（222）的泵浦而产生所述次级基频激光，所述次级基频激光经过所述合束腔调Q模块（223）作用后变为次级脉冲基频激光。

10.一种腔内合束激光器，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的三倍频谐振腔。