CN103346471B - 100W级1064nm端面泵浦全固态激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种100W级1064nm端面泵浦全固态激光器，包括第一半导体激光泵浦源、第一激光晶体、第一泵浦光回收再利用装置、第二半导体激光泵浦源、第二激光晶体、第二泵浦光回收再利用装置、第一凸面反射镜、第二凸面反射镜、第三凸面反射镜和第四凸面反射镜，第二激光晶体、第三凸面反射镜和第四凸面反射镜构成激光放大装置，信号光从第四凸面反射镜的反射光路输出。本发明采用泵浦光回收再利用装置对透过激光晶体的泵浦光进行回收再利用，提高了激光器的光转换效率；在激光晶体两端布置凸面反射镜对激光晶体的热透镜效应进行了补偿，进一步提高了激光器的输出功率及稳定性；最后，采用激光放大装置实现了固体激光器的高效率高输出功率稳定运转。

Description

100W级1064nm端面泵浦全固态激光器

技术领域

本发明涉及激光器，具体涉及100W级1064nm端面泵浦全固态激光器。

背景技术

半导体端面泵浦固体激光器结构简单，体积小巧，光束质量好，运行稳定，易于集成，因此被广泛应用在激光打孔、激光打标、激光划线、精密调阻、激光清洗，以及激光内雕等激光加工行业。

随着工业应用对激光加工效果及加工效率要求的不断提高，市场对固体激光器输出功率的要求也越来越高。由于激光晶体对880nm激光的吸收系数较低，吸收同样功率的半导体激光，激光晶体的体积更大，散热优势非常明显，因此广泛采用880nm半导体激光器来制作高功率固体激光器。然而，由于激光晶体对880nm半导体激光的吸收系数较低，极易出现激光晶体对泵浦光的吸收不完全的现象，泵浦光经过激光晶体后，仍有部分泵浦光未能被激光晶体所吸收，从而降低了激光的转换效率，影响了高功率的固体激光输出。

并且，尽管采用880nm半导体激光器泵浦激光晶体可以有效降低激光晶体热透镜效应，单个激光晶体承受的半导体激光泵浦功率仍然有限。当半导体激光器泵浦功率为110W时，相应输出的1064nm激光超过50W，从而保证了激光器良好的热稳定性。但是输出1064nm激光功率达到100W时，就容易出现激光谐振腔腔内激光功率密度过高而引起的激光器件损坏现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是端面泵浦1064nm固体激光器输出功率高于100W时容易出现激光谐振腔腔内激光功率密度过高而引起的激光器件损坏问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种100W级1064nm端面泵浦全固态激光器，包括第一半导体激光泵浦源、第一激光晶体、第一泵浦光回收再利用装置、第二半导体激光泵浦源、第二激光晶体、第二泵浦光回收再利用装置、第一凸面反射镜、第二凸面反射镜、第三凸面反射镜和第四凸面反射镜，所述第一凸面反射镜、第一激光晶体、第二凸面反射镜和第一泵浦光回收再利用装置依次设置在所述第一半导体激光泵浦源的泵浦光路上，所述第一凸面反射镜和第二凸面反射镜分别与所述第一半导体激光泵浦源的泵浦光路呈一夹角，所述第一凸面反射镜和第二凸面反射镜的凸面分别朝向所述第一激光晶体，所述第一凸面反射镜的反射光路上设有第一平面反射镜，其反射面与所述第一凸面反射镜相对，所述第四凸面反射镜、第二激光晶体、第三凸面反射镜和第二泵浦光回收再利用装置依次设置在所述第二半导体激光泵浦源的泵浦光路上，所述第三凸面反射镜和第四凸面反射镜分别与所述第二半导体激光泵浦源的泵浦光路呈一夹角，所述第三凸面反射镜和第四凸面反射镜的凸面分别朝向所述第二激光晶体，所述第二凸面反射镜的反射光路与所述第三凸面反射镜的反射光路相重合，所述第二凸面反射镜的反射光路上设有激光输出镜，所述激光输出镜位于所述第二凸面反射镜和第三凸面反射镜之间，所述第一泵浦光回收再利用装置和第二泵浦光回收再利用装置可分别将从所述第一、第二激光晶体中透射出来的部分泵浦光沿原光路反射回所述第一、第二激光晶体，所述第一平面反射镜、第一凸面反射镜、第二凸面反射镜、激光输出镜构成信号光的谐振腔；所述第二激光晶体、第三凸面反射镜和第四凸面反射镜构成激光放大装置，信号光从所述第四凸面反射镜的反射光路输出。

在上述方案中，所述第一凸面反射镜的反射光路上设有Q开关，所述Q开关位于所述第一平面反射镜与所述第一凸面反射镜之间。

在上述方案中，所述Q开关为声光Q开关或电光Q开关。

在上述方案中，所述第一半导体激光泵浦源包括发射波长为888nm的半导体激光器和光束准直装置，所述半导体激光器采用光纤耦合输出方式，所述光束准直装置包括准直平凸球面透镜和第一聚焦平凸球面透镜组，所述第一聚焦平凸球面透镜组为两个凸面相对设置的平凸球面透镜，所述准直平凸球面透镜的平面朝向所述半导体激光器的输出端，所述半导体激光器的输出端设置在准直平凸球面透镜焦点处，所述准直平凸球面透镜的凸面与所述第一聚焦平凸球面透镜的一个平面相对，所述第一聚焦平凸球面透镜组的另一个平面所述第一凸面反射镜相对，所述第一聚焦平凸球面透镜组的焦距大于所述准直平凸球面透镜的焦距，所述第二半导体激光泵浦源配置与所述第一半导体激光泵浦源相同。

在上述方案中，所述第一泵浦光回收再利用装置包括依次设置在所述第一半导体激光泵浦源的泵浦光路上的第二聚焦平凸球面透镜组和第二平面反射镜，所述第二聚焦平凸球面透镜组为两个凸面相对设置的平凸球面透镜，所述第二聚焦平凸球面透镜组的一个平面与所述第二凸面反射镜相对，所述第二聚焦平凸球面透镜组的另一个平面与所述第二平面反射镜的反射面相对，所述第二聚焦平凸球面透镜组的焦距小于所述第一聚焦平凸球面透镜组；所述第二泵浦光回收再利用装置的配置与所述第一泵浦光回收再利用装置相同。

在上述方案中，所述第一凸面反射镜、第二凸面反射镜、第三凸面反射镜和第四凸面反射镜为平凸二向色镜，其凸面镀信号光高反膜和泵浦光增透膜，信号光反射率大于99.9%，其平面镀泵浦光增透膜。

在上述方案中，所述第一平面反射镜的反射面镀信号光高反膜，反射率大于99.9%；所述激光输出镜为一块平平镜片，其与第二凸面反射镜相对平面镀信号光部分反射膜，反射率大于70%。

在上述方案中，所述第一凸面反射镜和第二凸面反射镜法线方向与所述第一半导体激光泵浦源的泵浦光路所呈夹角小于15度，大于5度；所述第三凸面反射镜和第四二凸面反射镜法线方向分别与所述第二半导体激光泵浦源的泵浦光路所呈夹角小于15度，大于5度。

在上述方案中，所述第一激光晶体和第二激光晶体采用Nd:YVO4晶体，其尺寸为4mm×4mm×30mm。

本发明采用泵浦光回收再利用装置对透过激光晶体的泵浦光进行回收再利用，提高了激光器的光光转换效率；又因为在激光晶体两端布置凸面反射镜对激光晶体的热透镜效应进行了补偿，进一步提高了激光器的输出功率及稳定性；最后，采用激光放大装置实现了固体激光器的高效率高输出功率稳定运转。

附图说明

图1为本发明的光路示意图；

图中：1—第一半导体激光泵浦源，2—第一凸面反射镜，3—第一激光晶体，4—第二凸面反射镜，51—第二聚焦平凸透镜组，52—第二平面反射镜，6—第二半导体激光泵浦源，7—第四凸面反射镜，8—第二激光晶体，9—第三凸面反射镜，10—第二泵浦光回收再利用装置，11—第一平面反射镜，12—Q开关，13—激光输出镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出详细的说明。

如图1所示，本发明提供的100W级1064nm端面泵浦全固态激光器，包括第一半导体激光泵浦源1、第一激光晶体3、第一泵浦光回收再利用装置、第二半导体激光泵浦源6、第二激光晶体8、第二泵浦光回收再利用装置10、第一凸面反射镜2、第二凸面反射镜4、第三凸面反射镜9和第四凸面反射镜7，

第一凸面反射镜2、第一激光晶体3、第二凸面反射镜4和第一泵浦光回收再利用装置依次设置在第一半导体激光泵浦源1的泵浦光路上，第一凸面反射镜2和第二凸面反射镜4分别与第一半导体激光泵浦源1的泵浦光路呈一夹角(非垂直设置)，第一凸面反射镜2和第二凸面反射镜4的凸面分别朝向第一激光晶体3，第一凸面反射镜2的反射光路上设有第一平面反射镜11，其反射面与第一凸面反射镜2相对。

第四凸面反射镜7、第二激光晶体8、第三凸面反射镜9和第二泵浦光回收再利用装置10依次设置在第二半导体激光泵浦源6的泵浦光路上，第三凸面反射镜9和第四凸面反射镜7分别与第二半导体激光泵浦源6的泵浦光路呈一夹角，第三凸面反射镜9和第四凸面反射镜7的凸面分别朝向第二激光晶体8，第二凸面反射镜4的反射光路与第三凸面反射镜9的反射光路相重合，第二凸面反射镜4的反射光路上设有激光输出镜13，激光输出镜13位于第二凸面反射镜4和第三凸面反射镜9之间。

第一泵浦光回收再利用装置和第二泵浦光回收再利用装置10可分别将从第一、第二激光晶体3、8中透射出来的部分泵浦光沿原光路反射回第一、第二激光晶体3、8。

第一平面反射镜11、第一凸面反射镜2、第二凸面反射镜4、激光输出镜13构成信号光的谐振腔。

第二激光晶体8、第三凸面反射镜9和第四凸面反射镜7构成激光放大装置，信号光从第四凸面反射镜7的反射光路输出。

第一凸面反射镜2的反射光路上设有Q开关12，Q开关12位于第一平面反射镜11与第一凸面反射镜2之间。

第一半导体激光泵浦源1包括发射波长为888nm的半导体激光器和光束准直装置，半导体激光器采用光纤耦合输出方式，光束准直装置包括准直平凸球面透镜和第一聚焦平凸球面透镜组，第一聚焦平凸球面透镜组为两个凸面相对设置的平凸球面透镜，准直平凸球面透镜的平面朝向半导体激光器的输出端，半导体激光器的输出端设置在准直平凸球面透镜焦点处，准直平凸球面透镜的凸面与第一聚焦平凸球面透镜组的一个平面相对，第一聚焦平凸球面透镜组的另一个平面与第一凸面反射镜2相对，第一聚焦平凸球面透镜组的焦距大于准直平凸球面透镜的焦距，第二半导体激光泵浦源6配置与第一半导体激光泵浦源相同。

第一泵浦光回收再利用装置包括依次设置在第一半导体激光泵浦源的泵浦光路上的第二聚焦平凸球面透镜组51和第二平面反射镜52，第二聚焦平凸球面透镜组51为两个凸面相对设置的平凸球面透镜，第二聚焦平凸球面透镜组51的一个平面与第二凸面反射镜4相对，第二聚焦平凸球面透镜组51的另一个平面与第二平面反射镜52的反射面相对，第二聚焦平凸球面透镜组51的焦距小于第一聚焦平凸球面透镜组；第二泵浦光回收再利用装置10的配置与第一泵浦光回收再利用装置相同。

第一凸面反射镜2、第二凸面反射镜4、第三凸面反射镜9和第四凸面反射镜7为平凸二向色镜，其凸面镀信号光高反膜和泵浦光增透膜，信号光反射率大于99.9%，其平面镀泵浦光增透膜。

第一平面反射镜11的反射面镀信号光高反膜，反射率大于99.9%；激光输出镜13为一块平平镜，平平镜为两个通光面都是平面的镜片，其与第二凸面反射镜4相对平面镀信号光部分反射膜，反射率大于70%。

第一激光晶体3和第二激光晶体8可采用Nd:YVO4晶体，其尺寸为4mm×4mm×30mm。

本发明的第一半导体激光泵浦源1所用到的半导体激光器发射波长为888nm，采用光纤耦合输出方式，输出功率为110W，光纤纤芯直径400μm，数值孔径NA=0.22。半导体激光器发出的半导体泵浦光经准直平凸球面透镜准直后，平行照射到第一聚焦平凸球面透镜组的第一片平凸透镜上，准直平凸球面透镜的焦距可根据实际情况选取，一般取值在10mm-50mm之间，本例采用20mm。第一聚焦平凸球面透镜组的第一片平凸透镜将平行半导体泵浦光聚焦，聚焦光入射到第一聚焦平凸球面透镜组的第二片平凸透镜中再次聚焦，入射到第一激光晶体3中。第一聚焦平凸球面透镜组的焦距取值比准直平凸球面透镜的取值要大，一般取值在30mm-100mm之间，以放大泵浦光的光斑半径，从而降低第一激光晶体3的热透镜效应，本例中第一聚焦平凸球面透镜组的两片平凸透镜的焦距均为150mm，等效组合透镜焦距为75mm。半导体泵浦光经第一聚焦平凸球面透镜组聚焦后，在第一激光晶体3内聚焦，聚焦点在第一激光晶体3内的位置取决于激光谐振腔内信号光的光束分布。本例中第一激光晶体3采用Nd:YVO4晶体，晶体尺寸为4mm×4mm×30mm。第一凸面反射镜2布置在第一半导体激光泵浦源1的泵浦光路上，且第一凸面反射镜2法线方向与第一半导体激光泵浦源1的泵浦光路方向呈一小夹角，为了减小象散，该小夹角取值一般小于15度，大于5度。经第一聚焦平凸球面透镜组聚焦后的半导体泵浦光经过第一激光晶体3后会发散，为了将透射出去的该部分半导体泵浦光回收再利用，在透射光路方向上依次布置第二聚焦平凸透镜组51，以便将该部分发散半导体泵浦光准直。由于第一激光晶体3受到了高功率半导体激光的照射，第一激光晶体3内部产生了热透镜效应，具体表现为第一半导体激光泵浦源1发出的泵浦光经过第一激光晶体3后会变得更加发散，因此，第二聚焦平凸透镜组的组合焦距选取比第一聚焦平凸透镜组的组合透镜焦距要小。本例中，第二聚焦平凸透镜组的第一片平凸透镜的焦距为150mm，第二聚焦平凸透镜组的第二片平凸透镜的焦距为100mm，等效组合透镜组焦距为60mm。经第二聚焦平凸透镜组准直后的多余泵浦光平行照射到第二平面反射镜52上。第二平面反射镜52将平行入射到上面的多余的半导体泵浦光反射，多余的半导体泵浦光从原路返回入射到第一激光晶体3中，第一激光晶体3对该部分半导体泵浦光进行再吸收。第二凸面反射镜4布置在经第一泵浦光回收再利用装置反射回来的半导体泵浦光光路上，且第二凸面反射镜4的法线方向与第一半导体泵浦光光路方向呈一小夹角，为了降低象散，该小夹角一般小于15度，大于5度。

同理，第二半导体激光泵浦源6与第二半导体泵浦光回收再利用装置10采用同样方式对第二激光晶体8进行激励。

第一激光晶体3受到半导体激光泵浦系统一的激励，产生了1064nm信号光，由于第一激光晶体3受到高功率的半导体泵浦光的照射，产生了热透镜效应，光学上第一激光晶体3可以等效为一个具有一定焦距的凸透镜，因此信号光透过第一激光晶体3后产生了会聚，该会聚光经第二凸面反射镜4反射后垂直入射到激光输出镜13上。由于第二凸面反射镜4的反射面为凸面，通过对第二凸面反射镜4选择合适的曲率半径，会聚光经第二凸面反射镜4反射后会变成平行光，从而补偿了第一激光晶体3的热透镜效应，增加了激光器的输出功率及输出稳定性。由于激光输出镜13对信号光有部分反射率，反射率一般大于70%，平行入射到激光输出镜13上的信号光会沿原路返回。同理，第一凸面反射镜2对第一激光晶体3超向它发出的信号光进行补偿，并将信号光反射，平行照射到Q开关12上。Q开关12对信号光进行开关控制，使得信号光从连续光变为脉冲光，大大提高了信号光的峰值功率，拓展了固体激光的应用。Q开关12可以选用声光Q开关，也可以选用电光Q开关，声光Q开关可以提供更高的重复频率，本例中选取声光Q开关作为开关器件。信号光经过Q开关12后，平行入射到第一平面反射镜11上。第一平面反射镜11对信号光有极高的反射率，反射率一般大于99.9%，平行入射到第一平面反射镜11上的信号光从原路返回。最后，信号光在激光谐振腔内来回振荡，实现了激光的高功率高稳定性输出。

从激光输出镜13处出射的1064nm信号光经第三凸面反射镜9反射，入射到第二激光晶体8中，由于第二激光晶体8受到了第二半导体激光泵浦源6的激励，信号光经过第二激光晶体8后，输出功率极大提高。如上所述，由于热透镜效应第二激光晶体8可以等效为一个具有一定焦距的凸透镜，信号光经过第二激光晶体8之后会产生会聚现象。因此，需要布置第四凸面反射镜7，将经过经过第二激光晶体8之后的会聚光变成平行光输出。

本例中，采用双半导体激光器单端泵浦，在泵浦功率分别为100W时，得到了103W的连续光输出。这表明，半导体泵浦光回收再利用技术切实有效，显著提高了激光器的光光转换效率，实现了1064nm激光的高功率输出。

另外，由于激光谐振腔内引入凸面反射镜补偿了热透镜效应，在高功率输出情况下，激光输出光束质量仍为基模，极大的提高了激光器的应用范围。并且，凸面反射镜补偿热透镜技术的引入，使得光学谐振腔的G参数在高输出功率情况下达到0.5的最佳值，进一步优化了激光器的热稳定性。

最后，采用腔外放大技术，降低了激光谐振腔内激光功率密度，避免激光谐振腔内器件由于光功率密度过高造成的损伤，提高了激光器长期运行可靠性。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.100W级1064nm端面泵浦全固态激光器，其特征在于，

包括：第一半导体激光泵浦源、第一激光晶体、第一泵浦光回收再利用装置、第二半导体激光泵浦源、第二激光晶体、第二泵浦光回收再利用装置、第一凸面反射镜、第二凸面反射镜、第三凸面反射镜和第四凸面反射镜，

所述第一凸面反射镜、第一激光晶体、第二凸面反射镜和第一泵浦光回收再利用装置依次设置在所述第一半导体激光泵浦源的泵浦光路上，所述第一凸面反射镜和第二凸面反射镜分别与所述第一半导体激光泵浦源的泵浦光路呈一夹角，所述第一凸面反射镜和第二凸面反射镜的凸面分别朝向所述第一激光晶体，所述第一凸面反射镜的反射光路上设有第一平面反射镜，其反射面朝向所述第一凸面反射镜，

所述第四凸面反射镜、第二激光晶体、第三凸面反射镜和第二泵浦光回收再利用装置依次设置在所述第二半导体激光泵浦源的泵浦光路上，所述第三凸面反射镜和第四凸面反射镜分别与所述第二半导体激光泵浦源的泵浦光路呈一夹角，所述第三凸面反射镜和第四凸面反射镜的凸面分别朝向所述第二激光晶体，所述第二凸面反射镜的反射光路与所述第三凸面反射镜的反射光路相重合，所述第二凸面反射镜的反射光路上设有激光输出镜，所述激光输出镜位于所述第二凸面反射镜和第三凸面反射镜之间，

所述第一泵浦光回收再利用装置和第二泵浦光回收再利用装置可分别将从所述第一、第二激光晶体中透射出来的部分泵浦光沿原光路反射回所述第一、第二激光晶体，

所述第一平面反射镜、第一凸面反射镜、第二凸面反射镜、激光输出镜构成信号光的谐振腔，

所述第二激光晶体、第三凸面反射镜和第四凸面反射镜构成激光放大装置，信号光从所述第四凸面反射镜的反射光路输出。

2.如权利要求1所述的100W级1064nm端面泵浦全固态激光器，其特征在于，所述第一凸面反射镜的反射光路上设有Q开关，所述Q开关位于所述第一平面反射镜与所述第一凸面反射镜之间。

3.如权利要求2所述的100W级1064nm端面泵浦全固态激光器，其特征在于，所述Q开关为声光Q开关或电光Q开关。

4.如权利要求1所述的100W级1064nm端面泵浦全固态激光器，其特征在于，所述第一半导体激光泵浦源包括发射波长为888nm的半导体激光器和光束准直装置，所述半导体激光器采用光纤耦合输出方式，所述光束准直装置包括准直平凸球面透镜和第一聚焦平凸球面透镜组，所述第一聚焦平凸球面透镜组为两个凸面相对设置的平凸球面透镜，所述准直平凸球面透镜的平面朝向所述半导体激光器的输出端，所述半导体激光器的输出端设置在准直平凸球面透镜焦点处，所述准直平凸球面透镜的凸面与所述第一聚焦平凸球面透镜组的一个平面相对，所述第一聚焦平凸球面透镜组的另一个平面与所述第一凸面反射镜相对，所述第一聚焦平凸球面透镜组的焦距大于所述准直平凸球面透镜的焦距，所述第二半导体激光泵浦源配置与所述第一半导体激光泵浦源相同。

5.如权利要求4所述的100W级1064nm端面泵浦全固态激光器，其特征在于，所述第一泵浦光回收再利用装置包括依次设置在所述第一半导体激光泵浦源的泵浦光路上的第二聚焦平凸球面透镜组和第二平面反射镜，所述第二聚焦平凸球面透镜组为两个凸面相对设置的平凸球面透镜，所述第二聚焦平凸球面透镜组的一个平面与所述第二凸面反射镜相对，所述第二聚焦平凸球面透镜组的另一个平面与所述第二平面反射镜的反射面相对，所述第二聚焦平凸球面透镜组的焦距小于所述第一聚焦平凸球面透镜组；所述第二泵浦光回收再利用装置的配置与所述第一泵浦光回收再利用装置相同。

6.如权利要求1所述的100W级1064nm端面泵浦全固态激光器，其特 征在于，所述第一凸面反射镜、第二凸面反射镜、第三凸面反射镜和第四凸面反射镜为平凸二向色镜，其凸面镀信号光高反膜和泵浦光增透膜，信号光反射率大于99.9％，其凹面镀泵浦光增透膜。

7.如权利要求1所述的100W级1064nm端面泵浦全固态激光器，其特征在于，所述第一平面反射镜的反射面镀信号光高反膜，反射率大于99.9％；所述激光输出镜为一块平平镜片，其与第二凸面反射镜相对平面镀信号光部分反射膜，反射率大于70％。

8.如权利要求1所述的100W级1064nm端面泵浦全固态激光器，其特征在于，所述第一凸面反射镜和第二凸面反射镜法线方向与所述第一半导体激光泵浦源的泵浦光路所呈夹角小于15度，大于5度；所述第三凸面反射镜和第四凸面反射镜法线方向分别与所述第二半导体激光泵浦源的泵浦光路所呈夹角小于15度，大于5度。

9.如权利要求1所述的100W级1064nm端面泵浦全固态激光器，其特征在于，所述第一激光晶体和第二激光晶体采用Nd:YVO4晶体，其尺寸为4mm×4mm×30mm。